长大隧道自动反坡排水系统在乌鞘岭隧道中的应用

  中铁十七局集团四公司　　陈锡武

摘要：隧道施工中，排水是一项重要的工作，尤其是线路沿下坡方向施工时，排水显得尤为重要，同时也给施工增加了难度。国内长大隧道反坡排水还处于利用人工操作机械来排水的阶段，施工中要设置大量的泵站，安排大量劳力参与排水，耗费大量人力、财力。现结合我局担负施工的乌鞘岭隧道六号斜井工区对反坡自动排水系统作介绍。

关键词：长大隧道　　反坡　　自动排水　　泵站

1 工程概况

1.1线路情况

乌鞘岭特长隧道位于兰新铁路兰州～武威南段增建第二线打柴沟车站与龙沟车站之间。设计为两座单线隧道，长20050米，隧道出口段线路位于半径为1200m的曲线上，除左、右线缓和曲线伸入隧道127.29m及68.84m外，其余地段均位于直线上，线间距为40m；两座隧道线路纵坡相同，主要为11‰的单面下坡，右线隧道较左线隧道高0.56～0.73m。

 6号斜井井口位于芨芨沟上游右岸斜坡地带，沟谷较开阔，平常无水，在雨季有少量流水。斜井长2135.38m，平均坡度11.8%；根据乌鞘岭建指任务划分，担负左线平导2483m（DK169+600～DK172+083）,右线正洞801m（YDK171+730～YDK172+531）的施工任务,其中左线穿过F4、F5断层，右线穿过F5断层，施工方向为11‰的下坡。

2.2工程地质及水文地质情况

斜井口上覆第四系全新统坡、洪积碎石土，稍密、稍湿，Ⅲ级硬土，б0 = 400kPa，Ⅴ级围岩，下伏基岩为三叠系上统的砂岩夹页岩，为洞身穿过的主要地层，砂岩为主，夹页岩及薄层煤，Ⅳ级软石～Ⅴ级的次坚石，б0= 800kPa，Ⅲ级～Ⅴ级围岩。弱富水区，设计水量1520m3/d。

平导洞身通过三叠系上统砂岩夹页岩及薄层煤，砂岩为主。岩体受地质构造影响较严重，节理很发育～发育，岩体较破碎～较完整，呈层状、块石碎石状～块状结构。Ⅳ级软石～Ⅴ级次坚石，Ⅲ级、Ⅳ级围岩。

该段为基岩裂隙弱富水段，岩体原生层理发育，构造及风化节理裂隙、地表风化节理裂隙较发育，地下水储存于原生层理、构造及风化节理裂隙中，接受大气降水、高山雪融水的补给。其中DK169+600～171+290段可能单位涌水量0.527 m3/d·m，可能正常涌水量1.19m3/d·m，可能最大涌水量1336.79 m3/d；DK170+290～171+255段可能单位涌水量1.7698 m3/d·m，可能正常涌水量1707.86m3/d·m，可能最大涌水量2561.79 m3/d；DK171+255～172+083段可能单位涌水量0.2566 m3/d·m，可能正常涌水量212.47m3/d·m，可能最大涌水量318.7 m3/d。不同岩性接触带及断层带边缘可能发生突水

隧道在DK170 + 300～+ 750段穿过F4断层破碎带，断带宽200～500m，隧道通过长度450m；隧道在DK171+160～+300段穿过F5断层破碎带，隧道通过长度140m。断带物质为碎裂岩和断层泥砾，岩体破碎，呈碎石角砾状结构，Ⅳ级软石，Ⅴ～Ⅵ级围岩。断带为中等富水段，岩体节理裂隙发育，并含有丰富的地下水。接受大气降水、高山融雪及上游地下水的补给。地下径流模数M = 1327.36 m3/d· km2，可能单位涌水量q = 1.32736 m3/d·m，有突水可能。

右线正洞段为乌鞘岭中高山区，岩体受地质构造影响较严重，节理发育－很发育，岩体较破碎－较完整，呈层状，块石碎石状－块状结构，Ⅳ级软石－Ⅴ级次坚石，Ⅲ－Ⅳ级围岩。隧道于YDK171+115～YDK171+255穿过F5断层破碎带。隧道通过长度为140m，断带物质以碎裂岩和断层角砾为主，少量断层泥；岩体破碎－较破碎，呈碎石角砾状结构，Ⅳ级软石，Ⅴ级围岩。该段为弱富水段，岩体原生层理发育，构造，地表风化节理裂隙，地下水主要储存于原生层理中，并接受大气降水，高山融水的补给。地下径流模数M＝320.79 m3/d·km2,隧道可能正常单位涌水量q＝0.2325 m3/d·m，可能正常涌水量186.23m3/d，可能最大涌水量279.35 m3/d，本段在断带边缘可能发生突水。

2 总体方案

斜井、平导及右线正洞排水均为反坡排水，采用机械排水，设置多级泵站接力排水，见图1“6号斜井工区施工排水系统图”。

左线平导施工掌子面积水采用移动式潜水泵抽至就近泵站或临时积水坑内，其余已施工地段出水经临时集水坑自然汇积到泵站水池内；右线掌子面出水使用移动式潜水泵抽至右线积水坑，再由工作泵通过横通道抽至左线泵站。泵站集水由工作泵将水经管路抽排至前一段泵站内，如此接力抽排到洞外经污水处理后排放。泵站水仓容量按15min设计涌水量设计，并考虑施工和清淤方便及具有应急能力综合确定；临时积水坑根据汇水段水量大小定。工作水泵按使用一台、备用一台配备；同时，为防止F4、F5断层突水，设置一套应急排水系统。

排水系统正常运行后，安排专人巡逻检修。

3 设备选型配套

在设备选择上，应考虑到排水的水量及水的成份，同时各级泵站排水能力应充分配备，并有一定的储备能力。由于隧道排水包括渗水及施工用水，水质除地下水本身成份外，主要还有石硝、泥浆以及喷射混凝土的回弹物、掺杂物，水温约12℃，由此确定选用污水污物潜水电泵。

从“排水系统图”中可看出：斜井内的三个泵站的汇水量相近，且扬程相近，所以①、②、③号泵站都选用大扬程的KNPK100－115水泵。

平导内泵站间水量递增较大，泵站间高差相近，为考虑到在管理、操作维修上的方便，也选用同型号水泵，只是在设备数量上相应增加。右线均采用移动式潜水泵，水泵数量可根据实际水量适当增减。

掌子面移动水泵，采用移动轻便的水泵，实际操作根据水量大小在数量上予以增减。

4 抽水设备的配备

抽水设备的配备详见表1。

表1   抽水设备配备表

5.1自动排水装置（如图2、3、4）

图2

图3

      图4

(1)工作原理

该装置是利用水的浮力，使杆绕一固定转点转动，促使装置中的绝缘套筒上下移动，使金属弹片与下部接线金属接触，最终使水泵通电开始工作。

(2)运行过程

．当水面位于水位二（即离路面标高50cm）时，绝缘支杆推动套筒移动到图4中虚线位置，套筒促使金属弹片向接线金属片靠近，并与之接触，这样水泵通电，开始抽水。

．抽水过程中，水面下降，杆绕支点转动，杆拖动绝缘软带向上移动，此时套筒不动，继续抽水。

．当水面下降到水位一（即离泵站底50cm）时，绝缘软带端头已移动到套筒位置，将拖动套筒向上移动，金属弹片在解除套筒的约束后，在自身弹力和弹簧弹力的作用下，弹片与接线金属片分离，水泵断电，停止抽水。

(3)说明　

．图二中杆长3.36m，在杆头铰接一扇形钢筋网，将轮胎用绳带捆绑固定在钢筋网上。

．考虑抽水安全性，将抽水水位设计在离路面标高下50cm的位置，停止抽水的水位设计在距泵站底50cm的位置。当一泵站有多台水泵工作时，抽水水位可另行设计。

．装置中各部件尺寸均经过精确计算，安装时需严格按设计尺寸施作。

．绝缘滑槽的两侧设倒“V”型软齿，防止套筒自由滑落。杆与杆铰接，杆杆头做成“T”型，并与塑料软带连接，塑料软带穿过套筒孔，、控制套筒的移动。

5.2管路

根据洞内水量情况，结合选配的抽水设备，正常施工排水采用两套管路：一套为φ150mm、一套为φ80mm管路；为方便施工，采用6米/根的钢管。为防止防水垫板被高压水冲坏，钢管连接用“公－母”法兰盘栓接，必须加防水垫板。在每段管路上均设置自动止回阀以防止发生水锤现象，损坏电泵。

5.3临时积水坑

斜井、平导内临时积水坑设于洞内左侧，每隔100米设置一处，同时根据隧道内出水量情况予以适当加密。临时积水坑的容量按该段15min的汇水量加上施工用水量（每工作面20～30 m3/d）合计确定，一般积水坑尺寸为：4m(长)×2.5m(宽)×1.5m(深)，容量15 m3。

右线临时积水坑设置于线路，具体位置和数量根据实际情况而定，尺寸为：3m(长)×4.5 m(宽)×1.5m（深）。该段仰拱和填充暂时不施作。

5.4永久性泵站设置

永久性泵站为整个施工过程结束前所使用的接力排水水仓位置。根据计算，斜井内设永久性泵站三处（①号：XK0 + 720、②号：XK1 + 450、　③号：XK2 +2135.38 = DK169 + 600（井底））；正洞内设永久性泵站五处（④号：DK170 + 163、⑤DK170 + 583、⑥DK171 + 003、DK171 + 423、DK171 + 843）。其布设见

“排水系统图”（图1），泵站设置见图1。

泵站水仓容量计算按该段15min的汇水量加上施工用水合计确定，其结构尺寸为：5m(长)×4m(宽) ×2.5m(深)，容量50 m3。

泵站设于进洞左侧。

5.5排水供电

为确保洞内排水正常进行，不因电路问题导致抽排工作的间断，设置两条供电系统，一路运行，一路备用。由于水泵功率较大，新用电源电压为380V（±5%），所以除①号泵站用电从洞外引入；其余泵站用电均为洞内变电站供给。

5.6其它

（1）掌子面排水采用移动式水泵，管路为Ф50消防软管，抽排至就近泵站或临时积水坑内。

（2）为保证洞内道路无水干爽，必须修建好两侧排水沟（见图5），确保洞内渗水通过侧沟引入积水坑内，不至于在洞内道路上漫流。

6 运行管理

（1）正常运行后，由一名队长负责，分两班，每班斜井一人，平导一人，每个工作面两人抽水，共9人。

（2）请厂家来人对施工人员进行技术和操作培训，针对一些技术特点和操作要领作重点讲解并现场示范。

（3）巡查人员需检查通电线路状况，自动排水装置，水泵，减压启动箱，及泵站内淤泥淤积状况等，发现有隐患，必须及时处理。

（4）电泵的冷却，采用下一个泵站抽上来的水直接浇至电泵上进行冷却。

（5）使用水泵虽然均为污水泵，但一旦在进水口处产生淤积将导致堵泵。为此，需要对坑内污水进行搅和。施工中采用在水泵与管路的接口处安一Ф20mm出水口，利用抽水的高压水不断对进水口处进行冲搅，防止污泥的淤积。

（6）施工人员及时对坑内污泥杂物进行清理。

（7）在进水口仓裹铁窗纱，同时把水泵（掌子面移动式）或进水口施在竹筐内，可以防止污泥及杂物的进入而发生堵塞。

（8）为解决因某一泵站出现问题，暂时不能抽水而导致整个排水系统瘫痪，将管路接通，在泵站开一出水口，一进水口（如图6），正常情况下，关闭闸阀，打开闸阀、；泵站出现问题时，关闭闸阀、，打开闸阀。

图六

7 应急措施

    由于本管段穿越F4、F5断层，有突水、涌水的可能性很大，为此，需在排水系统上增设一套设备和管路作为应急措施。

    管路利用高压进水管路（Ф80mm管），即在每个泵站处在高压水管上开口，与安装在泵站处的水泵相接通，正常情况下把闸阀关闭。一旦遇到突水、涌水现象，即把进行闸阀关闭，切断高压供水，打开排水闸阀进行应急抽排。

    在特殊情况下，洞内排水系统即形成三套：一路Ф150mm，两路Ф80mm。

8 污水处理

    乌鞘岭地处西北，为生态薄弱区，一时的破坏可能导致十年的恢复。因此洞内施工排放的污水须经沉淀、隔油、气浮处理。处理后的水尽量用于洒道路，排放的水一定要经检验达标后才预排入河沟。沉淀池内淤泥用吸泥泵抽出后集中晾干，而后装运至弃碴场内统一堆弃。污水处理系统见图7《污水处理池平面图》、图8《污水处理池断面图》。  

    9 小结

反坡排水是隧道施工中的一项重要工作，也存在相当的难度。国内隧道施工中常采用多级泵站机械排水，投入大量人力。本文结合我局担负施工的乌鞘岭特长隧道介绍了反坡自动排水系统，该系统重在体现“经济，安全，实用”的原则，与以前的排水系统相比，减少了大量人力，节约了施工成本，同时也大大减少由于施工人员失误造成的经济损失。该系统实用性强，对长大隧道及地下工程均实用。本文完整的讲解了反坡自动排水系统的各个方面，对同类工程有一定的指导作用。