超长距离大埋深反坡排水施工技术

李海周 LI Hai-zhou

（中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 040003）

0 引言

TBM 施工超长距离大埋深隧洞排水已经成为施工中的重点和难点，施工中要用水，但是施工的隧道岩层又怕含水，往往一个项目的成功与否就是看前期对隧洞供排水的筹划和布局是否能满足项目施工过程中用水和排水的需求，现根据新疆TBM 施工隧洞反坡排水关键技术及项目整体筹划布局进行研究分析，首先根据项目地勘资料确定岩层含水量，隧洞属于长距离、大埋深，应采用分段排水，并根据分段岩层含水量的不同配置相应的排水设备，考虑到埋深大，在配置排水管路和配置上考虑一次成型，以免后续因为排水量满足不了施工需要进行增加配置，增加工作量。

1 工程概况

该项目隧洞全长19.87km，上游采用钻爆法施工，下游采用1 台TBM 施工。①上游钻爆法开挖段：上坡掘进，总长度2.2km。②下游TBM 掘进洞段：掘进段为主洞总长度17.67km，下坡掘进，掘进坡度1/2583m，开挖洞径7.0m。③支洞为物料进出洞段：位于隧洞KS137+000m 桩号处，进口布置在隧洞左侧，与主隧洞夹角87°49′7″，长度3952m，综合纵坡11.71%，支洞与主洞交叉布置30m 长纵坡为零的洞段。（图1）

图1 喀双VI 标平面布置图

2 地质条件

项目位于新疆阿勒泰富蕴县境内，属于阿勒泰山南坡剥蚀丘陵区，地势总体北高南低，海拔高程1050～1090，地形起伏较小，山顶多呈浑圆状，山体坡度较缓，一般高差10～20m，基岩大多裸露，主要为荒漠地貌。

3 排水方案

根据地质资料及现阶段施工涌水情况，本标段需达到一般排水规模为350m3/h，本标段需达到备用排水规模为455m3/h，为将污水、废水排放到场地外污水蒸发池，考虑整个施工环节，需要在隧洞内布设一套排污系统。

①TBM 主洞施工排水。TBM 主洞洞内排污系统配置为四级排水，TBM 段施工排水为从步进洞段三级沉淀池处开始，通过每4500m 一个固定污水池分级排水将污水排至步进洞段三级沉淀池，三级沉淀池处设置三套排污系统，直接采用一站式排水将水通过支洞排至洞外。主洞段污水池处每个污水池设置三台75kW、扬程90m、排量为155m3/h 的水泵。

②主洞钻爆洞段施工排水。在主洞钻爆洞段隧洞开挖时，在开挖面附近左侧设临时排水沟，水沟断面为20×20cm，隧道渗水及台车施工用水可顺流至交叉洞段污水坑，根据施工现场情况，在局部积水处设置5.5kW 临时抽水泵进行排水。

③T2+支洞排水。交叉洞段集水坑设置在交叉洞段，在交叉洞段桩号136+980m 位置隧洞右侧扩挖一个长10m、宽3m、深3m 的分二级沉淀的集水坑，该集水坑蓄水量可达90 立方。临时抽排至步进洞三级沉淀池，统一抽排。

④步进洞段污水泵泵站排水。在主洞步进始发洞段设110m×8m×1m 的三级沉淀池，该沉淀池最大方量可达700m3。主洞抽排污水经一级沉淀池流至三级沉淀池。三级沉淀池处设置三套排污系统，常用配置两台污水泵型号为MDP85-67*9，排量85m3/h 水泵和两台污水泵型号为MD155-67*9，排量155m3/h 水泵，并备用一套污水泵型号为MDP450-60*10，450m3/h 应急污水泵，直接采用一站式排水排至洞外。

根据地质资料及T2+支洞现阶段施工涌水情况，主洞TBM 段排水规模为300m3/h，为将污水、废水排放到场地外，考虑整个施工环节，主洞布设两趟排污管路，每趟排污能力为155m3/h，正常情况下只启用一套排污系统，当主洞排水量较大时两套排污系统同时使用，排水规模能达到310m3/h。

3.1 初选管径

①单台水泵排污能力为155m3/h 时排水管径的确定。

通常用试取管内流速的方法来求得。其计算公式为：

dp—排水管径，m；Q—通过管子的流量，m3/h；vp—排水管的流速，通常取vp=1.5~2.2m/s，在这个速度范围内工作较为经济，称经济流速。排水管的直径取200mm。

②管道过流面积。

水泵允许排渣，当排水含沙时，

管截面过流面积为S=0.2×0.2×3.1416÷4=0.0314m2。

③管道流速。

管道流速V=155÷3600÷0.0314=1.37m/s。

3.2 水泵选择

①根据《村镇供水工程设计规范》（SL687-201）7.2.7计算。

流速为1.37m/s 时，排水4000m 时的水力均匀流沿程能量损失为：hl=iL

式中：hl—沿程水头损失，m；L—计算管道的长度，m；i—单位管长水头损失，m/m；C—海增威廉系数，取值范围为120~130，取C=125；Q—管道流量，m3/s；d—管道内径，m。

根据以上公式，

②根据水力计算法计算。

流速为1.37m/s 时，排水4000m 时的水力均匀流沿程能量损失为：H管路损失=V2L/（C2R）

式中：C—舍齐系数，舍齐系数按曼宁公式：C=R1/6/n求得；

R—水力半径，R=d/4；

L—管路长度；

n—管道糙率，取0.012；

计算得到C=50.58

H管路损失=V2L/（C2R）=1.372×4000×4/（50.582×0.2）=58.73m

根据两种计算方法，考虑到现场实际情况，选排水4000m 时的管路损失取两种计算结果的最大值58.73m。

若考虑每4000m 处设置一台水泵，排水管出口抬高3m，隧洞高差按2m 计算。

则所需水泵扬程为2+3+58.73=63.73m

③水泵选择。

扬程富裕系数取1.1，选配水泵扬程=63.73×1.1=70m

水泵功率最小需求计算：

DN200 钢管

N=H×Q×A×g/（η×3600×1000）

=70×155×1332×9.8/（0.745×3600×1000）

=52.8kW

式中：H—扬程，m；Q—流量，m3；A—渣浆密度，kg/m3；η—效率（74.5%）。

根据以上数据，1 台75kW、扬程90m、排量为155m3/h的水泵可满足掘进4000m 的排污能力。

④管道壁厚计算。

根据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》（GB50451-2008），排水管路的管壁厚度计算和选择按下列公式计算：

式中：

c—计入制造负偏差和腐蚀的附加厚度，取0.20cm；p—计算管段的最大工作压力（MPa），取0.9MPa；Dw—管子外径（cm）；φ—管子焊缝系数，直缝焊接钢管取0.7；[σ]—管材许应力，选择直缝钢管，[σ]=79MPa。

TBM 施工段排水管路选择φ219×4.0mm 的普通钢管。

小结：根据最终结算结果，主洞布设两趟排污管路，每趟排污能力为155m3/h，正常情况下只启用一套排污系统，当主洞排水量较大时两套排污系统同时使用，排水规模能达到310m3/h。

排水水管采用两趟直径219mm，壁厚4mm 的普通钢管，水泵平台处布设3 台75kW、扬程90m、排量为155m3/h的水泵（水泵采取两用一备的原则）。

3.3 水泵及管路布置

主洞段污水池处每个污水池设置三台75kW、扬程90m、排量为155m3/h 的水泵，水泵采用两用一备的原则进行配置。正常排水用电功率75kW，在每个排水点布设一台250kVA（10kV/400V）的变压器，为主洞排水、照明及临时施工供电。排水管路布置主要考虑到隧洞断面大小、车辆运行方便、安装快捷、检修维护方便等因素。排水管路均选用选择布设两趟4.0mm 厚φ219×4.0mm 的普通钢管。管路连接采用法兰盘接头进行连接，沿隧洞右侧敷设，管路采用钢架支座支撑，固定于侧墙上方。管路设置止回阀，避免水流倒流毁坏水泵。

3.4 排水流程

TBM 排水采用TBM 污水箱+固定污水箱排水逐级排水。即TBM 内配置有水泵，将污水抽至TBM 后配套污水箱，再由污水箱经水泵排至2000m 一处的污水箱，通过分级排水将污水排至交叉段集水坑。（表1）

表1 不同施工阶段排水流程表

综上所述，TBM 主洞洞内排污系统配置为四级排水，TBM 段施工排水每4500m 设污水池（视实际渗漏水情况增减污水池距离），分多级强排至步进洞段三级沉淀池，后经步进洞段三级沉淀池直接经过T2+支洞排污管路一站式排水排至洞外污水处理系统。主洞布设两趟排污管路，每趟排污能力为155m3/h，正常情况下只启用一套排污系统，当主洞排水量较大时两套排污系统同时使用，排水规模能达到310m3/h。排水水管采用两趟直径219mm，壁厚4mm 的普通钢管，水泵平台处布设3 台75kW、扬程90m、排量为155m3/h 的水泵（水泵采取两用一备的原则）。

4 集水仓布置

TBM 主洞洞内排污系统配置为四级排水，TBM 段施工排水为从步进洞段三级沉淀池处开始，每4500m 设一个污水池（视实际渗漏水情况增减污水池距离）。该污水池采取在隧洞底部做挡墙，设置深度为1m 集水池，中间设立50cm 的混凝土挡墙分两级对洞内污水进行沉淀，储废水容量可达160m3。通过每4500m 一个固定污水池分级排水将污水排至步进洞段三级沉淀池，三级沉淀池处设置三套排污系统，直接采用一站式排水将水通过支洞排至洞外。每个污水集中处设置三台75kW、扬程90m、排量为155m3/h 的水泵，水泵采用两用一备的原则进行配置。

5 管路布置

5.1 步进洞段排水水管

步进洞段85m3/h、155m3/h 和450m3/h 污水泵排水水管选择φ219×8.0mm 的无缝钢管。管路连接采用法兰盘接头进行连接，沿隧洞左侧敷设，管路固定于支洞皮带机支架下方。管路每隔1km 设置一个闸阀和一个止回阀，避免水流倒流毁坏水泵。为了防止因冬季气温过低，管路冻结导致排水不畅，T2+支洞从洞口至洞内的400m 进水、排水管路和洞外的所有管路均缠裹电热丝然后包裹保温棉做好管路的防冻措施。洞外废水沉淀池泵站搭建保温棚，内部设置取暖装置，确保冬季施工排水。

5.2 主洞段两路排水管路

主洞段两路155m3/h 排水管路均选用两趟直径219mm，壁厚4mm 的普通钢管。管路连接采用法兰盘接头进行连接，沿隧洞右侧敷设，管路采用钢架支座支撑，固定于侧墙上方。管路设置止回阀，避免水流倒流毁坏水泵。

6 排水保证措施

①成立排水小组，专人专职负责排水，对施工用水管路进行拉网式排查，严防因管道破损造成漏水，增加排水难度，定期检查维修抽水设备及清理池底淤泥，以保证抽水设备及管道畅通。②排水设备配备足够的潜水泵和管道等，以备出现问题及时更换。③设置双回路供电方式保证排水机械、设备能正常运行。④可能出现突涌水地段，加强超前地质预报工作，尽最大努力在突涌水未揭露前进行处理。⑤主洞集水池及支洞集水坑设置防护措施，并有醒目的安全警示片，防止人员等误入。⑥洞内排出来的水经过多级过滤沉淀后再进入污水系统，保证污水安全排放，达到环保标准。⑦排水泵站位置24 小时专人值班，监控水泵工作情况，如有异常立即检查维修，并将备用水泵放置在洞内，准备随时更换的可能。⑧洞内设应急照明及应急排水电路，并指派专职电工值班，保证隧洞施工用电。⑨洞内排水泵站位置设置通讯设备，便于及时应对涌水或排水不畅等突发事件。⑩针对较小涌水和渗漏水，采用表面封堵、设排水孔、注浆等措施处理。

7 结论

根据隧洞TBM 施工隧洞反坡排水关键技术及项目整体筹划布局进行研究分析，首先根据项目地勘资料确定岩层含水量，隧洞属于长距离、大埋深，应采用分段排水，并根据分段岩层含水量的不同配置相应的排水设备，考虑到埋深大，在配置排水管路和配置上考虑一次成型，以免后续因为排水量满足不了施工需要进行增加配置，相应工作量。根据隧洞岩层含水情况进行布置一整套排水和污水处理系统，从管路布置上，水泵配置上，以及水泵供电配置上，进行统一布置，并且在对水泵、管路及供电配置上进行长期的保养修复等，并且在配件储备上，满足现场维修养护的需要等。