單線大坡度鐵路隧道反坡排水施工技術(shù)

張 鐸, 孫 慕 楠

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

某鐵路隧道為雙洞單線隧道,其線間距為30～50 m,左線正洞長度為17.77 km,右線正洞長度為17.76 km,最大埋深563 m,為特長山嶺隧道。為加快該隧道的施工進(jìn)度,共計(jì)設(shè)計(jì)了4座輔助坑道且均為反坡,包括3座斜井和1座橫洞,總長度為4 337 m。其中橫洞的總長度為599 m,最大坡度為10%;3座斜井的長度分別為167 m,1 929 m和1 642 m,最大坡度達(dá)到10.77%,隧址區(qū)處年平均降雨量約為600 mm,隧址區(qū)巖溶現(xiàn)象多有發(fā)生且發(fā)育多條褶皺及斷層,巖體受其影響而破碎,易伴隨高壓富水情況發(fā)生,嚴(yán)重影響到施工安全及施工進(jìn)度,制約工期[1]。

針對(duì)該工程輔助坑道距離長、坡度大的特點(diǎn),采用反坡排水技術(shù)的處理難度與處理成本相對(duì)較高。本文闡述了該工程合理優(yōu)化水泵型號(hào)、動(dòng)態(tài)調(diào)整泵站位置、有效解決大坡度隧道反坡排水施工技術(shù)存在的難題的過程,為隧道掘進(jìn)安全、快速施工提供了有利保障。

2 大坡度鐵路隧道反坡排水施工技術(shù)

2.1 反坡排水的定義

在隧道掘進(jìn)過程中,坡度呈現(xiàn)出向下的發(fā)展現(xiàn)象,施工用水以及圍巖內(nèi)部的滲(涌)水全部匯集至掌子面積聚,圍巖長期受水浸泡將會(huì)影響到其穩(wěn)定及人員的安全。而采用機(jī)械抽排的方式可以將掌子面方向的積水通過排水管道及時(shí)抽排至洞外,進(jìn)而保證反坡隧道正常施工。

鑒于該鐵路隧道涌水量巨大,針對(duì)隧道地下水處置采取的總體原則為“防排結(jié)合、適量排放”[2]。若全部按污水加以處理,其處理難度與處理成本較高;同時(shí),受地質(zhì)構(gòu)造影響,不同區(qū)段的涌水量差異很大,其部分為貧水段,部分為強(qiáng)富水段,巨大的涌水量波動(dòng)將給廢水處理設(shè)施的運(yùn)行帶來了極大的困難,并易引發(fā)局部環(huán)境污染事件或糾紛。因此,在隧道施工過程中有必要進(jìn)行清污分流,從源頭減少隧道施工廢水的產(chǎn)生,以降低其對(duì)水環(huán)境的影響。

2.2 反坡隧道中輔助坑道的清污分流

反坡隧道中輔助坑道的清污分流分別采用清水溝、污水溝收集清水與污水。反坡排水隧道的清水溝設(shè)置在輔助坑道兩側(cè),水溝的斷面尺寸不小于30 cm×25 cm,用于收集本段及上游的清水。污水溝設(shè)置在輔助坑道單側(cè),為半圓槽水溝,其直徑不小于15 cm并設(shè)置了一定坡度(不小于2%),上游的施工廢水及路面的泥漿廢水均通過污水溝進(jìn)行收集,其半圓槽水溝與鄰側(cè)水溝的間距不小于10 cm。

該工程在輔助坑道單側(cè)邊墻處設(shè)置了多級(jí)清、污泵站用于接力抽排,清、污泵站分別采用排水管道串聯(lián)布置。對(duì)于掌子面、初支段及二襯側(cè)溝未完成段、洞內(nèi)施工路面的散排水等積水采用移動(dòng)式潛水泵將其抽至就近的污水泵站或臨時(shí)集水坑內(nèi);對(duì)于襯砌完成洞段的隧道滲(涌)水經(jīng)隧道內(nèi)側(cè)溝自然匯集到清水泵站內(nèi)或臨時(shí)集水坑內(nèi)。清、污水分別由相應(yīng)的泵站逐級(jí)抽排至設(shè)置在洞外的清、污集水箱內(nèi),其中污水需經(jīng)污水處理站處理后排放并需滿足綠色施工要求[3]。

2.3 反坡排水的施工

在輔助坑道掘進(jìn)過程中,分段開挖反坡排水溝,在每一個(gè)對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置清、污固定泵站,所設(shè)置的移動(dòng)潛水泵隨掌子面移動(dòng),直接將掌子面的積水抽至鄰近的固定污水泵站內(nèi),由所設(shè)置的固定泵站往上一級(jí)固定泵站抽水,如此接力,分級(jí)抽水,最終將水排到設(shè)置在洞口的污水處理站,待其處理至符合水質(zhì)要求后排放。

(1)水泵的配置。反坡段水泵類型的選擇需根據(jù)水質(zhì)情況、排水量需求、排水揚(yáng)程以及管理維修等多個(gè)方面加以考慮。

排水量需求以及排水揚(yáng)程是選擇水泵類型的重要條件之一。根據(jù)該工程前期地質(zhì)情況調(diào)查以及現(xiàn)場超前地質(zhì)預(yù)報(bào),水泵的選擇要以最大排水量的需求為依據(jù);同時(shí),在最大排水量需求的基礎(chǔ)上需選擇15%的安全系數(shù)以防止隧道內(nèi)的突發(fā)涌水難以及時(shí)排出洞外。水泵按“工作泵+備用泵+檢修泵”成套配置[4],以防止因水泵損壞影響到隧道內(nèi)的正常施工。

由于該工程排水量需求較大,且因排水水質(zhì)較差,故水泵的選型直接關(guān)系到水泵的使用壽命以及維護(hù)維修成本。對(duì)于掌子面的臨時(shí)排水,可以選擇潛水泵,其體積小,通污能力強(qiáng)且材質(zhì)一般為鑄鐵、球鐵,但其排水能力與效率低,長時(shí)間使用磨損快。因泵站內(nèi)水流量較大,水泵可選擇單級(jí)雙吸耐磨離心泵,其轉(zhuǎn)速較低,殼體為鑄鋼,過流部件為耐磨不銹鋼材質(zhì),從而大大增加了易損件的使用壽命,降低了維護(hù)維修成本。

(2)泵站的設(shè)計(jì)。由于該工程屬于單線隧道,受空間限制影響,為避免隧道內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)母蓴_,在輔助坑道內(nèi)邊墻單側(cè)修建了臨時(shí)泵站。待輔助坑道開挖至泵站洞室邊線位置后,預(yù)留出泵站洞室邊廓線,在交叉口位置搭設(shè)永久門型鋼拱架(門架采用I20型鋼),將輔助坑道拱架支撐在門架上。待輔助坑道繼續(xù)向前掘進(jìn)支護(hù)30 m后,方可開挖泵站洞室并及時(shí)完成初期鎖口支護(hù)。

該泵站內(nèi)水倉的容量須根據(jù)排水量以及水泵的型號(hào)確定,并應(yīng)滿足單臺(tái)水泵15 min內(nèi)的水量抽排能力。水倉建立后,在水倉旁配置一個(gè)小型沉淀池用于處理后的清、污水流入水倉內(nèi),通過水泵將其分級(jí)抽排到洞外。隧道貫通且達(dá)到順坡排水要求后,采用C20片石混凝土將泵站回填。

輔助坑道泵站的洞室根據(jù)圍巖情況其開挖斷面尺寸不同:Ⅳ類圍巖的開挖斷面為6.46 m×5.43 m(寬×高),Ⅴ類圍巖的開挖斷面為6.5 m×5.5 m(寬×高)。Ⅳ類圍巖的初期支護(hù)厚度為23 cm;Ⅴ類圍巖的初期支護(hù)厚度為25 cm。

(3)在掌子面修建臨時(shí)集水坑。當(dāng)掌子面涌水量較小時(shí),開挖微型集水坑用于收集污水并統(tǒng)一抽排。當(dāng)掌子面涌水量較大時(shí),采用10 mm厚不銹鋼板或其他材料(不透水、不銹蝕)配合?10 mm角鋼焊接制作臨時(shí)集水倉,集水倉的尺寸為1 m(長)×1 m(寬)×1 m(高),布置在距掌子面10 m范圍內(nèi),沿隧道邊墻放設(shè),可跟隨掌子面進(jìn)行移動(dòng)。通過潛水泵將水抽入集水倉內(nèi),以避免其大面積浸泡墻腳。隨后通過Φ100 mm軟管將其抽排到鄰近掌子面的固定污水泵站內(nèi),統(tǒng)一分級(jí)排出洞外。

由于臨時(shí)集水倉在清淤過程中不能保證連續(xù)抽水,因此,在現(xiàn)場的每個(gè)掌子面配置了2座集水倉。

(4)洞口集水倉。在輔助坑道洞口處均設(shè)置了一座清、污集水倉,用于收集洞內(nèi)排出的清、污水,該集水倉采用10 mm厚不銹鋼鋼板配合?75 mm×75 mm×10 mm角鋼焊接制作。其中清水倉連接Φ350 mm管道,可將其直接排放至自然渠溝;污水倉連接2個(gè)Φ300 mm管道,將污水排放至污水處理設(shè)備中,并將處理達(dá)標(biāo)后的污水排放至自然溝渠。

(5)排水管道的布置。根據(jù)洞內(nèi)涌水量情況選配水泵的性能,合理選擇排水管道。管材的標(biāo)準(zhǔn)長度為9 m且均為焊接鋼管,采用法蘭連接。除此之外,每個(gè)工作面額外配置1套Φ100 mm,長50 m的消防軟管以配合臨時(shí)水倉及水泵的使用。

為保證輔助坑道與正洞交叉口處的機(jī)械設(shè)備能夠正常通行,同時(shí)不影響隧洞內(nèi)的正常排水,在交叉口仰拱部位設(shè)置了鋼棧橋,將排水管道敷設(shè)在鋼棧橋內(nèi),待隧道貫通后進(jìn)行回填處理。

為減少水流對(duì)管道的沖擊、保證管道的使用性能,按照管道長度每45 m設(shè)置了一個(gè)伸縮節(jié)(補(bǔ)償器);同時(shí),為防止反坡排水過程中水倒流,在其相應(yīng)位置設(shè)置了單向閥。

為方便排水管道清淤的施工,在施工現(xiàn)場配置了直徑為300 mm的軟管作為備用污水管道,該軟管隨掌子面延伸。在排水管道清淤過程中,可接通軟管作為臨時(shí)排水管道進(jìn)行施工。

①排水管道壁厚的計(jì)算。參照《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50316-2015中的計(jì)算公式,按照直管的壁厚小于管子外徑的1/6時(shí)進(jìn)行計(jì)算后得到管徑為350 mm的焊接鋼管,其設(shè)計(jì)管壁厚度為4 mm;對(duì)于管徑為300 mm的焊接鋼管,其設(shè)計(jì)管壁厚度為3.5 mm;管徑為100 mm及以上的焊接鋼管,其設(shè)計(jì)管壁厚度為3 mm。

②排水管道的安裝。將排水管道布設(shè)在輔助坑道單側(cè)邊墻處,上下分級(jí)布設(shè)。為方便隧道拱腳處排水溝的作業(yè),在水管距隧道底板50 cm左右處架空安設(shè)。

當(dāng)供水管道鋪至距工作面50 m左右時(shí),采用橡膠水管將其連接到開挖臺(tái)車的分水器上,水管與臺(tái)車之間采用專用膠皮管連接。供水管隨著隧道的開挖方向不斷向前延伸。

由于Φ300 mm和Φ350 mm的排水管加上水的重量導(dǎo)致其整體較重,考慮到水泵啟停造成的動(dòng)載荷,最終選用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的型鋼托架對(duì)管道進(jìn)行支撐。該方案選用?75 mm×75 mm×10 mm角鋼焊制托架,采用膨脹螺栓將其安裝在襯砌混凝土上,沿隧道縱向每6 m布設(shè)一個(gè)。

(6)排水設(shè)施的供電。為確保洞內(nèi)排水的正常施工,使其不因電路問題導(dǎo)致抽排水工作間斷,按照“雙電源、雙回路”的原則設(shè)置獨(dú)立的供電系統(tǒng)并配備應(yīng)急供電設(shè)備,裝設(shè)專用電表獨(dú)立計(jì)量抽水用的電量,杜絕其它一切與反坡排水無關(guān)的用電設(shè)備接入反坡排水專線。

供電線路一:因該工程排水供電線路較長,最終采取10 kV高壓進(jìn)洞供電方案。在洞口設(shè)置高壓開關(guān)柜,將高壓電纜懸吊于洞壁支架上,在水泵泵站旁安裝箱式變壓器,將電壓降低為380 V后為水泵供電。

供電線路二:各工區(qū)配設(shè)相應(yīng)數(shù)量的柴油發(fā)電機(jī),在隧道洞口設(shè)置380 V變10 kV升壓變壓器和電源切換柜,并使多臺(tái)發(fā)電機(jī)自動(dòng)同步。將發(fā)電機(jī)組和主電源共同接入排水用電系統(tǒng),通過自動(dòng)化控制進(jìn)行主電源和備用電源的相互切換。

在反坡排水施工過程中,必須加強(qiáng)施工供電線路的維護(hù)、管理和檢修,配置自發(fā)電及備用供電系統(tǒng),避免因停電或供電線路出現(xiàn)故障時(shí)造成洞內(nèi)排水的中斷。

3 預(yù)防突泥涌水的措施

(1)因該隧道圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜,需綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段探測掌子面前方巖溶的發(fā)育情況(規(guī)模、性質(zhì)及位置等)、地下水賦存情況(水量及水壓等),及時(shí)反饋信息用以指導(dǎo)施工,并用超前探孔進(jìn)行驗(yàn)證,據(jù)此進(jìn)行涌水、突泥危險(xiǎn)性判別。

(2)當(dāng)探水(泥)孔穿越斷層且段落范圍內(nèi)突涌水風(fēng)險(xiǎn)高時(shí),對(duì)該段落范圍內(nèi)采用超前周邊預(yù)注漿設(shè)計(jì);當(dāng)該段落為灰?guī)r等可溶巖和含炭質(zhì)板巖(非可溶巖)接觸帶時(shí),段落范圍內(nèi)突涌水風(fēng)險(xiǎn)高,針對(duì)該段落范圍采用超前帷幕預(yù)注漿設(shè)計(jì)。

(3)設(shè)置自動(dòng)化智能控制系統(tǒng),用以自動(dòng)監(jiān)控隧道內(nèi)地下水及水倉內(nèi)的水位變化,根據(jù)不同的水位發(fā)出控制信號(hào)自動(dòng)控制泵組啟停以實(shí)現(xiàn)智能化抽排,合理降耗。

4 結(jié) 語

長距離大坡度鐵路隧道反坡排水是該工程施工的重點(diǎn),直接關(guān)系到隧道建設(shè)的安全生產(chǎn)和施工進(jìn)度。通過對(duì)排水管管徑進(jìn)行計(jì)算、優(yōu)化水泵選型、合理設(shè)計(jì)泵站洞室、確定反坡排水的技術(shù)參數(shù)、確定總體反坡排水方案并將其成功地應(yīng)用于該隧道施工,順利地完成了施工任務(wù)[5],所取得的經(jīng)驗(yàn)值得類似隧道工程參考借鑒,以提高反坡排水施工的技術(shù)水平。