超長(zhǎng)距離大埋深反坡排水施工技術(shù)

李海周 LI Hai-zhou

（中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 040003）

0 引言

TBM 施工超長(zhǎng)距離大埋深隧洞排水已經(jīng)成為施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，施工中要用水，但是施工的隧道巖層又怕含水，往往一個(gè)項(xiàng)目的成功與否就是看前期對(duì)隧洞供排水的籌劃和布局是否能滿足項(xiàng)目施工過程中用水和排水的需求，現(xiàn)根據(jù)新疆TBM 施工隧洞反坡排水關(guān)鍵技術(shù)及項(xiàng)目整體籌劃布局進(jìn)行研究分析，首先根據(jù)項(xiàng)目地勘資料確定巖層含水量，隧洞屬于長(zhǎng)距離、大埋深，應(yīng)采用分段排水，并根據(jù)分段巖層含水量的不同配置相應(yīng)的排水設(shè)備，考慮到埋深大，在配置排水管路和配置上考慮一次成型，以免后續(xù)因?yàn)榕潘繚M足不了施工需要進(jìn)行增加配置，增加工作量。

1 工程概況

該項(xiàng)目隧洞全長(zhǎng)19.87km，上游采用鉆爆法施工，下游采用1 臺(tái)TBM 施工。①上游鉆爆法開挖段：上坡掘進(jìn)，總長(zhǎng)度2.2km。②下游TBM 掘進(jìn)洞段：掘進(jìn)段為主洞總長(zhǎng)度17.67km，下坡掘進(jìn)，掘進(jìn)坡度1/2583m，開挖洞徑7.0m。③支洞為物料進(jìn)出洞段：位于隧洞KS137+000m 樁號(hào)處，進(jìn)口布置在隧洞左側(cè)，與主隧洞夾角87°49′7″，長(zhǎng)度3952m，綜合縱坡11.71%，支洞與主洞交叉布置30m 長(zhǎng)縱坡為零的洞段。（圖1）

圖1 喀雙VI 標(biāo)平面布置圖

2 地質(zhì)條件

項(xiàng)目位于新疆阿勒泰富蘊(yùn)縣境內(nèi)，屬于阿勒泰山南坡剝蝕丘陵區(qū)，地勢(shì)總體北高南低，海拔高程1050～1090，地形起伏較小，山頂多呈渾圓狀，山體坡度較緩，一般高差10～20m，基巖大多裸露，主要為荒漠地貌。

3 排水方案

根據(jù)地質(zhì)資料及現(xiàn)階段施工涌水情況，本標(biāo)段需達(dá)到一般排水規(guī)模為350m3/h，本標(biāo)段需達(dá)到備用排水規(guī)模為455m3/h，為將污水、廢水排放到場(chǎng)地外污水蒸發(fā)池，考慮整個(gè)施工環(huán)節(jié)，需要在隧洞內(nèi)布設(shè)一套排污系統(tǒng)。

①TBM 主洞施工排水。TBM 主洞洞內(nèi)排污系統(tǒng)配置為四級(jí)排水，TBM 段施工排水為從步進(jìn)洞段三級(jí)沉淀池處開始，通過每4500m 一個(gè)固定污水池分級(jí)排水將污水排至步進(jìn)洞段三級(jí)沉淀池，三級(jí)沉淀池處設(shè)置三套排污系統(tǒng)，直接采用一站式排水將水通過支洞排至洞外。主洞段污水池處每個(gè)污水池設(shè)置三臺(tái)75kW、揚(yáng)程90m、排量為155m3/h 的水泵。

②主洞鉆爆洞段施工排水。在主洞鉆爆洞段隧洞開挖時(shí)，在開挖面附近左側(cè)設(shè)臨時(shí)排水溝，水溝斷面為20×20cm，隧道滲水及臺(tái)車施工用水可順流至交叉洞段污水坑，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，在局部積水處設(shè)置5.5kW 臨時(shí)抽水泵進(jìn)行排水。

③T2+支洞排水。交叉洞段集水坑設(shè)置在交叉洞段，在交叉洞段樁號(hào)136+980m 位置隧洞右側(cè)擴(kuò)挖一個(gè)長(zhǎng)10m、寬3m、深3m 的分二級(jí)沉淀的集水坑，該集水坑蓄水量可達(dá)90 立方。臨時(shí)抽排至步進(jìn)洞三級(jí)沉淀池，統(tǒng)一抽排。

④步進(jìn)洞段污水泵泵站排水。在主洞步進(jìn)始發(fā)洞段設(shè)110m×8m×1m 的三級(jí)沉淀池，該沉淀池最大方量可達(dá)700m3。主洞抽排污水經(jīng)一級(jí)沉淀池流至三級(jí)沉淀池。三級(jí)沉淀池處設(shè)置三套排污系統(tǒng)，常用配置兩臺(tái)污水泵型號(hào)為MDP85-67*9，排量85m3/h 水泵和兩臺(tái)污水泵型號(hào)為MD155-67*9，排量155m3/h 水泵，并備用一套污水泵型號(hào)為MDP450-60*10，450m3/h 應(yīng)急污水泵，直接采用一站式排水排至洞外。

根據(jù)地質(zhì)資料及T2+支洞現(xiàn)階段施工涌水情況，主洞TBM 段排水規(guī)模為300m3/h，為將污水、廢水排放到場(chǎng)地外，考慮整個(gè)施工環(huán)節(jié)，主洞布設(shè)兩趟排污管路，每趟排污能力為155m3/h，正常情況下只啟用一套排污系統(tǒng)，當(dāng)主洞排水量較大時(shí)兩套排污系統(tǒng)同時(shí)使用，排水規(guī)模能達(dá)到310m3/h。

3.1 初選管徑

①單臺(tái)水泵排污能力為155m3/h 時(shí)排水管徑的確定。

通常用試取管內(nèi)流速的方法來求得。其計(jì)算公式為：

dp—排水管徑，m；Q—通過管子的流量，m3/h；vp—排水管的流速，通常取vp=1.5~2.2m/s，在這個(gè)速度范圍內(nèi)工作較為經(jīng)濟(jì)，稱經(jīng)濟(jì)流速。排水管的直徑取200mm。

②管道過流面積。

水泵允許排渣，當(dāng)排水含沙時(shí)，

管截面過流面積為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 水泵選擇

①根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL687-201）7.2.7計(jì)算。

流速為1.37m/s 時(shí)，排水4000m 時(shí)的水力均勻流沿程能量損失為：hl=iL

式中：hl—沿程水頭損失，m；L—計(jì)算管道的長(zhǎng)度，m；i—單位管長(zhǎng)水頭損失，m/m；C—海增威廉系數(shù)，取值范圍為120~130，取C=125；Q—管道流量，m3/s；d—管道內(nèi)徑，m。

根據(jù)以上公式，

②根據(jù)水力計(jì)算法計(jì)算。

流速為1.37m/s 時(shí)，排水4000m 時(shí)的水力均勻流沿程能量損失為：H管路損失=V2L/（C2R）

式中：C—舍齊系數(shù)，舍齊系數(shù)按曼寧公式：C=R1/6/n求得；

R—水力半徑，R=d/4；

L—管路長(zhǎng)度；

n—管道糙率，取0.012；

計(jì)算得到C=50.58

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

根據(jù)兩種計(jì)算方法，考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選排水4000m 時(shí)的管路損失取兩種計(jì)算結(jié)果的最大值58.73m。

若考慮每4000m 處設(shè)置一臺(tái)水泵，排水管出口抬高3m，隧洞高差按2m 計(jì)算。

則所需水泵揚(yáng)程為2+3+58.73=63.73m

③水泵選擇。

揚(yáng)程富裕系數(shù)取1.1，選配水泵揚(yáng)程=63.73×1.1=70m

水泵功率最小需求計(jì)算：

DN200 鋼管

N=H×Q×A×g/（η×3600×1000）

=70×155×1332×9.8/（0.745×3600×1000）

=52.8kW

式中：H—揚(yáng)程，m；Q—流量，m3；A—渣漿密度，kg/m3；η—效率（74.5%）。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，1 臺(tái)75kW、揚(yáng)程90m、排量為155m3/h的水泵可滿足掘進(jìn)4000m 的排污能力。

④管道壁厚計(jì)算。

根據(jù)《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50451-2008），排水管路的管壁厚度計(jì)算和選擇按下列公式計(jì)算：

式中：

c—計(jì)入制造負(fù)偏差和腐蝕的附加厚度，取0.20cm；p—計(jì)算管段的最大工作壓力（MPa），取0.9MPa；Dw—管子外徑（cm）；φ—管子焊縫系數(shù)，直縫焊接鋼管取0.7；[σ]—管材許應(yīng)力，選擇直縫鋼管，[σ]=79MPa。

TBM 施工段排水管路選擇φ219×4.0mm 的普通鋼管。

小結(jié)：根據(jù)最終結(jié)算結(jié)果，主洞布設(shè)兩趟排污管路，每趟排污能力為155m3/h，正常情況下只啟用一套排污系統(tǒng)，當(dāng)主洞排水量較大時(shí)兩套排污系統(tǒng)同時(shí)使用，排水規(guī)模能達(dá)到310m3/h。

排水水管采用兩趟直徑219mm，壁厚4mm 的普通鋼管，水泵平臺(tái)處布設(shè)3 臺(tái)75kW、揚(yáng)程90m、排量為155m3/h的水泵（水泵采取兩用一備的原則）。

3.3 水泵及管路布置

主洞段污水池處每個(gè)污水池設(shè)置三臺(tái)75kW、揚(yáng)程90m、排量為155m3/h 的水泵，水泵采用兩用一備的原則進(jìn)行配置。正常排水用電功率75kW，在每個(gè)排水點(diǎn)布設(shè)一臺(tái)250kVA（10kV/400V）的變壓器，為主洞排水、照明及臨時(shí)施工供電。排水管路布置主要考慮到隧洞斷面大小、車輛運(yùn)行方便、安裝快捷、檢修維護(hù)方便等因素。排水管路均選用選擇布設(shè)兩趟4.0mm 厚φ219×4.0mm 的普通鋼管。管路連接采用法蘭盤接頭進(jìn)行連接，沿隧洞右側(cè)敷設(shè)，管路采用鋼架支座支撐，固定于側(cè)墻上方。管路設(shè)置止回閥，避免水流倒流毀壞水泵。

3.4 排水流程

TBM 排水采用TBM 污水箱+固定污水箱排水逐級(jí)排水。即TBM 內(nèi)配置有水泵，將污水抽至TBM 后配套污水箱，再由污水箱經(jīng)水泵排至2000m 一處的污水箱，通過分級(jí)排水將污水排至交叉段集水坑。（表1）

表1 不同施工階段排水流程表

綜上所述，TBM 主洞洞內(nèi)排污系統(tǒng)配置為四級(jí)排水，TBM 段施工排水每4500m 設(shè)污水池（視實(shí)際滲漏水情況增減污水池距離），分多級(jí)強(qiáng)排至步進(jìn)洞段三級(jí)沉淀池，后經(jīng)步進(jìn)洞段三級(jí)沉淀池直接經(jīng)過T2+支洞排污管路一站式排水排至洞外污水處理系統(tǒng)。主洞布設(shè)兩趟排污管路，每趟排污能力為155m3/h，正常情況下只啟用一套排污系統(tǒng)，當(dāng)主洞排水量較大時(shí)兩套排污系統(tǒng)同時(shí)使用，排水規(guī)模能達(dá)到310m3/h。排水水管采用兩趟直徑219mm，壁厚4mm 的普通鋼管，水泵平臺(tái)處布設(shè)3 臺(tái)75kW、揚(yáng)程90m、排量為155m3/h 的水泵（水泵采取兩用一備的原則）。

4 集水倉(cāng)布置

TBM 主洞洞內(nèi)排污系統(tǒng)配置為四級(jí)排水，TBM 段施工排水為從步進(jìn)洞段三級(jí)沉淀池處開始，每4500m 設(shè)一個(gè)污水池（視實(shí)際滲漏水情況增減污水池距離）。該污水池采取在隧洞底部做擋墻，設(shè)置深度為1m 集水池，中間設(shè)立50cm 的混凝土擋墻分兩級(jí)對(duì)洞內(nèi)污水進(jìn)行沉淀，儲(chǔ)廢水容量可達(dá)160m3。通過每4500m 一個(gè)固定污水池分級(jí)排水將污水排至步進(jìn)洞段三級(jí)沉淀池，三級(jí)沉淀池處設(shè)置三套排污系統(tǒng)，直接采用一站式排水將水通過支洞排至洞外。每個(gè)污水集中處設(shè)置三臺(tái)75kW、揚(yáng)程90m、排量為155m3/h 的水泵，水泵采用兩用一備的原則進(jìn)行配置。

5 管路布置

5.1 步進(jìn)洞段排水水管

步進(jìn)洞段85m3/h、155m3/h 和450m3/h 污水泵排水水管選擇φ219×8.0mm 的無縫鋼管。管路連接采用法蘭盤接頭進(jìn)行連接，沿隧洞左側(cè)敷設(shè)，管路固定于支洞皮帶機(jī)支架下方。管路每隔1km 設(shè)置一個(gè)閘閥和一個(gè)止回閥，避免水流倒流毀壞水泵。為了防止因冬季氣溫過低，管路凍結(jié)導(dǎo)致排水不暢，T2+支洞從洞口至洞內(nèi)的400m 進(jìn)水、排水管路和洞外的所有管路均纏裹電熱絲然后包裹保溫棉做好管路的防凍措施。洞外廢水沉淀池泵站搭建保溫棚，內(nèi)部設(shè)置取暖裝置，確保冬季施工排水。

5.2 主洞段兩路排水管路

主洞段兩路155m3/h 排水管路均選用兩趟直徑219mm，壁厚4mm 的普通鋼管。管路連接采用法蘭盤接頭進(jìn)行連接，沿隧洞右側(cè)敷設(shè)，管路采用鋼架支座支撐，固定于側(cè)墻上方。管路設(shè)置止回閥，避免水流倒流毀壞水泵。

6 排水保證措施

①成立排水小組，專人專職負(fù)責(zé)排水，對(duì)施工用水管路進(jìn)行拉網(wǎng)式排查，嚴(yán)防因管道破損造成漏水，增加排水難度，定期檢查維修抽水設(shè)備及清理池底淤泥，以保證抽水設(shè)備及管道暢通。②排水設(shè)備配備足夠的潛水泵和管道等，以備出現(xiàn)問題及時(shí)更換。③設(shè)置雙回路供電方式保證排水機(jī)械、設(shè)備能正常運(yùn)行。④可能出現(xiàn)突涌水地段，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，盡最大努力在突涌水未揭露前進(jìn)行處理。⑤主洞集水池及支洞集水坑設(shè)置防護(hù)措施，并有醒目的安全警示片，防止人員等誤入。⑥洞內(nèi)排出來的水經(jīng)過多級(jí)過濾沉淀后再進(jìn)入污水系統(tǒng)，保證污水安全排放，達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。⑦排水泵站位置24 小時(shí)專人值班，監(jiān)控水泵工作情況，如有異常立即檢查維修，并將備用水泵放置在洞內(nèi)，準(zhǔn)備隨時(shí)更換的可能。⑧洞內(nèi)設(shè)應(yīng)急照明及應(yīng)急排水電路，并指派專職電工值班，保證隧洞施工用電。⑨洞內(nèi)排水泵站位置設(shè)置通訊設(shè)備，便于及時(shí)應(yīng)對(duì)涌水或排水不暢等突發(fā)事件。⑩針對(duì)較小涌水和滲漏水，采用表面封堵、設(shè)排水孔、注漿等措施處理。

7 結(jié)論

根據(jù)隧洞TBM 施工隧洞反坡排水關(guān)鍵技術(shù)及項(xiàng)目整體籌劃布局進(jìn)行研究分析，首先根據(jù)項(xiàng)目地勘資料確定巖層含水量，隧洞屬于長(zhǎng)距離、大埋深，應(yīng)采用分段排水，并根據(jù)分段巖層含水量的不同配置相應(yīng)的排水設(shè)備，考慮到埋深大，在配置排水管路和配置上考慮一次成型，以免后續(xù)因?yàn)榕潘繚M足不了施工需要進(jìn)行增加配置，相應(yīng)工作量。根據(jù)隧洞巖層含水情況進(jìn)行布置一整套排水和污水處理系統(tǒng)，從管路布置上，水泵配置上，以及水泵供電配置上，進(jìn)行統(tǒng)一布置，并且在對(duì)水泵、管路及供電配置上進(jìn)行長(zhǎng)期的保養(yǎng)修復(fù)等，并且在配件儲(chǔ)備上，滿足現(xiàn)場(chǎng)維修養(yǎng)護(hù)的需要等。