特长隧道大纵坡反坡排水施工技术研究

李 欣

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361104）

0 引言

都香高速翠屏隧道地处骡马口地震断裂带，隧道整体穿越向斜构造，水文地质复杂，洞身穿越多处富水断层带，下穿两处大型暗河，且翠屏隧道进出口高差为199.04m，1#斜井洞口与主洞高差为137.63m，使其在进行反坡排水时具有明显的难度。本文通过翠屏隧道施工实例，详细阐述特长隧道大纵坡反坡排水施工技术，建立特长隧道反坡排水成套工装，为翠屏隧道顺利施工奠定了基础。

1 特长隧道反坡排水施工的重要性分析

（1）高速公路特长隧道施工中存在裂隙水发育、富水溶腔发育以及穿越地下暗河的风险，增加施工难度，恶化施工作业人员的施工环境。

（2）洞内积水未及时抽排而导致洞内积水过多，侵蚀浸泡隧道围岩，降低围岩的强度与刚度，破坏隧道应力拱效应，为隧道施工带来质量及安全隐患。

（3）特长隧道穿越富水溶腔、暗河等特殊地质段落，极易发生涌水情况，如果长大隧道反坡应急排水设施不完善，会存在较大安全隐患[1]。

2 工程概况

翠屏隧道全长10.1km，纵断面采用-1.98%的单向纵坡，分别设置2座通风斜井助主洞施工，地勘资料计算翠屏隧道双洞正常涌水量49566m3/d，单洞正常涌水量24783m3/d。丰水期单洞涌水量（按平水期3倍）=24783m3/d×3=74349m3/d，主洞施工过程中均需要反坡排水。

3 特长隧道反坡排水系统的应用

3.1 特长隧道反坡排水的设计思路

通过隧道设计涌水量和实际水文情况计算，确定隧道反坡排水能力和应急排水能力，根据排水能力需求计算水泵设置和电力设置，隧道进洞前规划反坡排水装置和抽水总体布置，结合隧道施工情况逐步将临时排水装置转换成固定排水装置，确保隧道施工各个环节排水通畅，保证施工作业人员安全[2]。

3.2 反坡排水系统布置

翠屏隧道斜井反坡排水系统分为两个阶段实施，第一阶段为斜井（平均纵坡9%）开挖时临时反坡排水设施，第二阶段为斜井转入主动施工永久反坡排水设施。

3.2.1 斜井段施工反坡排水布置

距离斜井洞口500m处，设置一处泵站，即三级集水箱。三级集水箱内配备2台18.5kW的污水泵，二级水箱内配备2台18.5kW的污水泵，一级集水箱配备1台75kW离心泵，通过三级集水箱接力将污水抽排至洞口，再经过洞外污水池处理后排放，其中二三级水箱负责接力盘运污水，一级水箱负责将污水排放至洞外[3]。

距离斜井洞口1000m处，设置第二级泵站，即三级集水箱。三级集水箱内配备3台18.5kW的污水泵，二级集水箱内配备3台18.5kW的污水泵，一级集水箱配备1台75kW离心泵，通过三级集水箱接力将污水抽排至洞口，再经过洞外污水池处理后排放，其中，二三级集水箱负责接力盘运污水，一级水箱负责将污水排放至洞外。

3.2.2 斜井转主洞段施工反坡排水布置

斜井朝正洞小里程方向为顺坡排水，斜井朝大里程方向为反坡排水施工。斜井转入主洞施工后，在交叉口ZK47+540位置布置一处大型永久泵站，配备3台185kW增压泵，左洞小里程掌子面积水沿两侧边沟排放至加宽带位置集水井，右洞小里程掌子面积水沿边沟穿过4号车行横洞排放至加宽带位置集水井，然后集水井中统一配备4台22kW污水泵引排至永久泵站，通过泵站将污水抽排至洞口，再经过洞外污水池处理后排放[4]。

在左洞大里程ZK48+650位置布置一处大型永久泵站，配备3台185kW增压泵，左洞大里程掌子面积水通过掌子面临时集水坑采用7.5kW污水泵引排至加宽带位置集水井，右洞大里程掌子面积水通过掌子面临时集水坑采用7.5kW污水泵引排至加宽带位置集水井，然后集水井中统一配备22kW污水泵引排至永久泵站，通过泵站将污水抽排至洞口，再经过洞外污水池处理后排放[5]。

3.3 反坡排水设备选型

3.3.1 第一阶段水泵选型及管路布置

（1）流量。翠屏隧道1#斜井涌水量为5378m3/d，丰水期单洞涌水量（按平水期1.5倍）即5378×1.5=8067m3/d，每天有效的排水时间为20h，经计算，集水井每小时最大的排水量设计值Qhmax＝403.35m3/h。

（2）管径。计划采用钢管进行排水，对于钢管，其流 速 为2.0～3.0m/s，取2.5m/s，管 道 总 断 面 积 应 有403.35/2.5/3600s=0.045m2。排水钢管直径d的选取应考虑一定的安全系数，同时应结合技术安全和技术经济两个方面，通过下式进行选择。

式中：Qhmax——管道每小时最大的排水量，m3/h;

VP——管道流速，取2.5m/s。

采用公式（1）计算结果如表1所示。

表1 第一阶段的管径经济性比选表

从技术安全和经济两个方面考虑，斜井开挖阶段各采用2排Ф200mm的相同管径无缝钢管并联使用，管道总断面面积为0.0628m2，0.0628m2＞0.045m2，满足排水需求。

（3）扬程。斜井开挖期间，分别在距离斜井洞口500m和距离交叉口位置500m处设置泵站，本次计算参考在交叉口500m处设置泵站，按照水泵扬程公式进行计算：

式中：Z——扬水高度，即入口处水面到出口处水面的高程差；

hw——局部水头损失，一般来说，hw发生在入口、弯折、阀门、出口等地方，这里不作考虑[6]。

ℎf——沿程水头损失，计算用达西公式或谢才公式；λ为沿程摩阻系数（一般由试验室确定），V是管中的流速。

（4）水泵选型。根据计算结果并综合考虑，每个集水箱泵站配备两台22kW污水泵进行过程中的污水盘运，并配备2台75kW污水泵可满足流量及扬程需求。水泵的选型参数见表2所示。

表2 斜井段施工集水井水泵选型参数

通过计算，水泵总的抽水量为：

Qh=350×2=700＞403.35×1.5=605.025m3/h

3.3.2 第二阶段水泵选型及管路布置

（1）流量。翠屏隧道主洞涌水量为24783m3/d，丰水期单洞涌水量（按平水期1.5倍）即24783×1.5=37174.5m3/d，每天有效的排水时间为24h，经计算，集水井每小时最大的排水量设计值Qhmax＝1548.9m3/h。

（2）管径。计划采用钢管进行排水，对于钢管，其流 速 为2.0～3.0m/s，取2.5m/s，管 道 总 断 面 积 应 有1548.9/2.5/3600s=0.172m2。排水钢管直径d的选取应满足一定的富裕系数，同时应结合技术和经济，同样应根据公式（1）进行计算，计算结果如表3所示。

表3 第二阶段管径经济性比选表

从技术和经济两个方面考虑，斜井施工阶段各采用6排Ф200mm的相同管径钢管搭配使用，管道总断面面积为0.1884m2，0.1884m2＞0.172m2，满足排水需求。

（3）扬程。在交叉口ZK47+540位置布置一处大型永久泵站，配备3台185kW增压泵，在左洞大里程ZK48+650位置布置一处大型永久泵站，配备3台185kW增压泵，同样按照前述的水泵扬程公式（2）进行计算。

（4）水泵选型。根据计算结果综合考虑，每个集水井泵站配备4台22kW污水泵进行过程中污水盘运，并配备6台185kW污水泵可满足流量及扬程需求。通过计算，水泵总的抽水量为：Qh=300×6=1800＞1548.9m3/h

4 结束语

根据翠屏隧道1号斜井长期的反坡排水实践证明，本文介绍的整套排水系统满足隧道反坡排水施工要求。针对反坡出水隧道施工，根据现场实际出水量来确定泵站的布置、水泵的选型及管道的管径等参数，由于山体涌水的不确定性，洞内施工环境的复杂性等因素制约，必须配备一定数量的备用水泵及管道，这样才能在突发涌水时，能够有积极的应变能力及解决突发事件的措施。