李建軍

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司,太原 030024)

隨著我國(guó)隧道施工技術(shù)和機(jī)械化程度的不斷提高,我國(guó)公路特長(zhǎng)山嶺隧道越來(lái)越多,在特長(zhǎng)山嶺隧道設(shè)計(jì)中,采用斜井等形式作為運(yùn)營(yíng)通風(fēng)或運(yùn)輸通道越來(lái)越普遍。由于西南地區(qū)雨水較多,地表水豐富,增大了通風(fēng)斜井的施工難度,嚴(yán)重制約了隧道施工的進(jìn)度,為此，在確保安全的前提下,通過(guò)對(duì)抽排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、論證,解決了陡坡富水斜井抽排水難題,加快了隧道施工進(jìn)度,減少了工程投資,為以后運(yùn)營(yíng)通風(fēng)富水斜井施工提供一點(diǎn)參考[1]。

1 工程概況

大相嶺隧道2號(hào)通風(fēng)斜井是雅瀘高速公路大相嶺特長(zhǎng)隧道的運(yùn)營(yíng)專用通風(fēng)巷道,工程位于四川省雅安市漢源縣境內(nèi)。斜井左線全長(zhǎng)909.378 m,傾角17.28°,開(kāi)挖斷面面積55.86～72.13 m2；右線全長(zhǎng)912.698 m,傾角16.49°,開(kāi)挖斷面面積55.86～72.13 m2。

斜井井身主要為弱風(fēng)化的流紋巖,洞口段巖體受F6斷層破碎帶影響嚴(yán)重,節(jié)理裂隙較發(fā)育,部分呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)或角(礫)碎(石)狀松散結(jié)構(gòu),洞身開(kāi)挖后地下水呈點(diǎn)滴狀、浸潤(rùn)狀產(chǎn)出,部分段落可能呈淋水狀,局部可能呈涌水狀,根據(jù)斜井地質(zhì)勘查資料,斜井井身正常涌水量為3 010 m3/d,最大涌水量達(dá)9 050 m3/d,實(shí)際施工檢測(cè)發(fā)現(xiàn),局部日最大涌水量達(dá)27 000 m3。

2 陡坡富水斜井抽排水施工技術(shù)[2～3]

2.1 陡坡富水斜井抽排水施工技術(shù)主要研究問(wèn)題

針對(duì)陡坡曲線斜井施工中的排水問(wèn)題,如果不能得到及時(shí)解決,將嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度,除加大工程投入外,還將嚴(yán)重影響企業(yè)的信譽(yù)。針對(duì)此情況,必須解決好陡坡富水斜井抽排水問(wèn)題,通過(guò)對(duì)大相嶺隧道2號(hào)通風(fēng)斜井進(jìn)行的抽排水系統(tǒng)施工技術(shù)的實(shí)踐驗(yàn)證,解決好抽排水問(wèn)題必須處理好以下3個(gè)問(wèn)題。第一,水泵型號(hào)及泵站建設(shè)；第二,抽排水管道的選型；第三,供電方案的選擇。

2.2 處理辦法

以大相嶺隧道2號(hào)通風(fēng)斜井為例,針對(duì)上述3個(gè)具體問(wèn)題就陡坡富水斜井抽排水施工技術(shù)進(jìn)行論述。

2.2.1大相嶺隧道斜井排水設(shè)計(jì)[4～5]

(1)大相嶺隧道斜井水泵型號(hào)及管道設(shè)計(jì)

大相嶺隧道斜井左線長(zhǎng)909.378 m,坡度為-31.5%,右線長(zhǎng)912.7 m,坡度為-30%。因左、右線長(zhǎng)度及坡度相差不大,誤差小,在論述大相嶺隧道斜井排水設(shè)計(jì)時(shí),以左線進(jìn)行討論。

由于斜井總長(zhǎng)度為909.378 m,傾角為17.28°,綜合涌水量、斜井坡度、水泵揚(yáng)程和集水難度、排水可靠程度等因素考慮,大相嶺隧道斜井設(shè)置5個(gè)固定泵站(圖1),即泵與泵之間的距離都為160 m。

圖1 泵站及變壓器位置示意(單位：m)

由于泵站與泵站之間的相對(duì)距離是一樣的,則整個(gè)排水系統(tǒng)泵站處水泵及管道型號(hào)也都一樣,下面具體以1號(hào)泵站和2號(hào)泵站進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)地質(zhì)勘探資料,大相嶺隧道斜井正常涌水量為3 010 m3/d,最大涌水量為9 050 m3/d,雖然在實(shí)際施工中,局部最大涌水量達(dá)到27 000 m3/d,但是我部在進(jìn)行泵站建設(shè)時(shí),仍以地質(zhì)勘探資料最大涌水量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第278條,水泵必須有工作、備用和檢修水泵。工作水泵的能力,應(yīng)能在20 h內(nèi)排出礦井24 h的正常涌水量(包括充填水及其他水)。備用水泵的能力應(yīng)不小于工作水泵能力的70%。工作和備用水泵的總能力,應(yīng)能在20 h內(nèi)排出礦井24 h的最大涌水量。檢修水泵的能力應(yīng)不小于工作水泵能力的25%,得：

正常涌水量時(shí),每個(gè)泵站排水流量為：Qh=150.5 m3/h(按20 h工作計(jì)算)；

最大涌水量時(shí),每個(gè)泵站排水流量為：Qhmax=452.5 m3/h(按20 h工作計(jì)算)。

此外,在陡坡富水斜井抽排水過(guò)程中管道的選型也至關(guān)重要,正確選擇管道型號(hào)將直接影響水在管道內(nèi)的流速,即水泵的揚(yáng)程。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第278條,水管必須有工作和備用的水管。工作水管的能力應(yīng)能配合工作水泵在20 h內(nèi)排出礦井24 h的正常涌水量。工作和備用水管的總能力,應(yīng)能配合工作和備用水泵在20 h內(nèi)排出礦井24 h的最大涌水量。

正常涌水量時(shí),每個(gè)泵站排水流量為150.5 m3/h=41.8 L/s,查閱直管摩擦損失簡(jiǎn)表中一定管道最大直徑之最大流量限制表,選擇管道直徑150 mm,根據(jù)公式

q=v·A

式中q——液體的流量；

V——通流截面上的平均流速；

A——通流管道的截面積。

得通流截面上的平均流速V=2.375 m/s<2.45 m/s，符合要求。

最大涌水量時(shí),每個(gè)泵站排水流量為452.5 m3/h=125.7 L/s,查閱直管摩擦損失簡(jiǎn)表一定管道最大直徑之最大流量限制表,選擇管道直徑250 mm。

根據(jù)公式：q=v·A，得通流截面上的平均流速

V=2.565 m/s<2.72 m/s，符合要求。

但是從原材料的重復(fù)利用率等因素上考慮,仍選擇直徑150 mm的管道,數(shù)量由原來(lái)的一路增加為三路。

根據(jù)此計(jì)算結(jié)果,對(duì)泵站水泵進(jìn)行選擇。選擇了2臺(tái)55 kW臥式離心泵和1臺(tái)30 kW污水潛水電泵,詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 泵站水泵參數(shù)

通過(guò)計(jì)算,則總的排水量為：Qh=192×2+80=464 m3/h>Qhmax。

泵站所配置的水泵總揚(yáng)程除必須大于泵站與泵站之間的相對(duì)高差外,還得考慮管道摩擦損失值,計(jì)算過(guò)程如下。

泵站與泵站的相對(duì)高差：h=160×sinα=47.52 m

通過(guò)查閱直管摩擦損失表計(jì)算得：兩種流量下水泵的管損值

Qh=192 m3/h,150 mm直管每100 m的損失為9.4 m，則管損值為1.6×9.4=15.04 m；

Qh=80 m3/h,150 mm直管每100 m的損失為1.6 m，則管損值為1.6×1.6=2.56 m。

彎頭和閥門(mén)損失按3 m計(jì)。

因此,泵站所配置的兩種水泵總揚(yáng)程應(yīng)分別不低于：

47.52+15.04+3=65.56 m<73 m；

47.52+2.56+3=53.08 m<80 m。

通過(guò)計(jì)算并對(duì)照所選水泵的型號(hào),泵站所配置的水泵可以滿足使用要求。

(2)大相嶺隧道斜井泵站設(shè)計(jì)

建設(shè)泵站是將掌子面處的裂隙水通過(guò)接力的方式排向洞外,并對(duì)井身各泵站間的裂隙水進(jìn)行截流,防止水倒流,所以泵站水倉(cāng)容量的大小建設(shè)至關(guān)重要。結(jié)合齊岳山隧道和烏鞘嶺隧道抽排水施工經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行泵站水倉(cāng)容量建設(shè)。由于每個(gè)泵站最大排水量為464 m3/h,為保證水不形成倒流,短時(shí)間內(nèi),水泵必須啟動(dòng),實(shí)現(xiàn)循環(huán)抽水,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),考慮一定的富裕時(shí)間,每個(gè)泵站儲(chǔ)水時(shí)間按2 min考慮,計(jì)算得,每分鐘儲(chǔ)水量為：464/60=7.73 m3,則2 min儲(chǔ)水量為：7.73×2=15.46 m3,按18 m3設(shè)計(jì),如圖2所示。

圖2 斜井泵站水倉(cāng)示意(單位：m)

泵站水倉(cāng)為一個(gè)沿隧道開(kāi)挖方向長(zhǎng)3 m、高2.5 m、深2.5 m的深坑,儲(chǔ)水容量為18.75 m3,在隧道側(cè)壁開(kāi)挖后,以挖掘機(jī)施工為主,人工為輔的原則開(kāi)挖至設(shè)計(jì)尺寸。開(kāi)挖后,對(duì)圍巖進(jìn)行掛網(wǎng)噴混凝土,視圍巖具體情況進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)(格柵或鋼拱架),設(shè)計(jì)基線以上的部位用雙層網(wǎng)片支撐噴射混凝土,厚度20 cm,防止水溢出泵站水倉(cāng)。

由于泵站與泵站之間間距為160 m,在該段距離內(nèi),開(kāi)挖后的斷面還存在裂隙水,為了防止裂隙水向掌子面流,在泵站位置處設(shè)置一截水溝,把開(kāi)挖后的斷面裂隙水引至水倉(cāng)內(nèi),如圖3所示。

圖3 截水溝示意(單位：m)

(3)大相嶺隧道斜井掌子面排水設(shè)計(jì)

由于大相嶺隧道斜井是反坡開(kāi)挖,掌子面局部涌水量大,在放炮、出砟過(guò)程中掌子面會(huì)出現(xiàn)大量囤積水,為快速進(jìn)行抽排水,盡快使掌子面具備施工條件,為隧道施工的下一工序節(jié)約時(shí)間,在掌子面處采用兩種型號(hào)的水泵,作為掌子面抽水專用水泵,如表2所示。

表2 掌子面水泵配置情況

每1臺(tái)水泵安裝1趟管道,管道采用φ80 mm管,通過(guò)法蘭盤(pán)連接。

個(gè)人理財(cái)?shù)膶I(yè)人才主要從事理財(cái)中介機(jī)構(gòu)(理財(cái)公司、理財(cái)媒體等)和金融機(jī)構(gòu)(包括銀行、證券、保險(xiǎn)、信托、基金等)，同時(shí)也能從事企事業(yè)單位財(cái)務(wù)工作。因此，具備專業(yè)性、實(shí)操性、復(fù)合型的人才，才能勝任日益變化的金融工作。［5］

此外,施工中除根據(jù)掌子面實(shí)際涌水量確定水泵啟動(dòng)臺(tái)數(shù)外,還另配置了2臺(tái)水泵及1趟管道,用于水泵故障和涌水量增大時(shí),避免突發(fā)情況。

在掌子面與臨近固定泵站之間,設(shè)置1個(gè)移動(dòng)泵站,將掌子面處抽上來(lái)的水在水箱內(nèi)進(jìn)行臨時(shí)儲(chǔ)存,水箱大小可根據(jù)洞內(nèi)可利用場(chǎng)地確定,這里按6 m3考慮,水箱內(nèi)的水在通過(guò)2臺(tái)55 kW臥式離心泵和1臺(tái)30 kW污水潛水電泵排向固定泵站,如圖4所示。

圖4 掌子面抽排水示意

2.2.2供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6～7]

(1)負(fù)荷計(jì)算及變壓器選擇

在確定了泵站數(shù)量和水泵的數(shù)量及型號(hào)后,還必須對(duì)抽排水供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第278條：配電設(shè)備應(yīng)同工作、備用以及檢修水泵相適應(yīng),并能夠同時(shí)開(kāi)動(dòng)工作和備用水泵。

正常涌水量時(shí),每個(gè)泵站只需要投入使用1臺(tái)55 kW臥式離心泵即可,則泵站抽排水用電負(fù)荷為55×5=275 kW。

最大涌水量時(shí),每個(gè)泵站將投入2臺(tái)55 kW臥式離心泵和1臺(tái)30 kW污水潛水電泵,則泵站抽排水用電負(fù)荷為：2×55×5+30×5=700 kW。

因此,大相嶺隧道斜井抽排水供電系統(tǒng)按最大用電負(fù)荷進(jìn)行配備。在隧道內(nèi)抽水時(shí),除原有的隧道240 mm2鋁芯進(jìn)洞線外,又架設(shè)了一條抽水線路,線徑大小為240 mm2,供前2個(gè)泵站抽水使用。

由于水泵負(fù)荷大,原有的抽水專線只能同時(shí)供2個(gè)泵站的水泵使用,在隧道掘進(jìn)至450 m時(shí),將實(shí)施高壓進(jìn)洞技術(shù)。

(2)線路布置及變壓器室

①線路布置

低壓電纜及高壓電纜布置如圖5所示,具體安裝過(guò)程如下。

圖5 洞內(nèi)電纜布置(單位：cm)

a.安裝電纜支架

洞內(nèi)電纜距地面的高度不得小于4 m,由于洞內(nèi)已架設(shè)了1條專用抽水線路,且安裝高度在4 m左右,為此,在安裝高壓電纜時(shí),抽水線路必須與高壓電纜保持一定的距離,至少不得小于0.5 m。

電纜支架由φ12 mm螺紋鋼(長(zhǎng)度為20 cm,)構(gòu)成,電纜支架與襯砌表面形成一定的角度α(α<90°),以防止電纜脫落,電纜直接放在支架上,支架的間距為3～4 m。

b.敷設(shè)電纜前要對(duì)電纜進(jìn)行認(rèn)真檢查,確認(rèn)電纜沒(méi)有扭絞、損傷、絕緣電阻符合要求后,方準(zhǔn)敷設(shè)。敷設(shè)電纜時(shí)應(yīng)注意:施工前要做好技術(shù)交底工作,施工中人員布局要合理,所有施工人員必須聽(tīng)從統(tǒng)一指揮；不準(zhǔn)將電纜在地面上拖拉,以免造成磨損;拉引電纜速度要均勻,掛纜時(shí)不要破壞其絕緣。

c.高壓電纜接頭采用冷縮接頭,經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的熟練技工制作,制作過(guò)程中嚴(yán)格遵守制作工藝規(guī)程,從開(kāi)剝到制作完畢必須一氣呵成,以免受潮。

②變壓器室設(shè)計(jì)

根據(jù)變壓器配置情況,設(shè)備洞凈空尺寸為：深×寬×高=4.5 m×3.5 m×2.5 m,洞室采用掛網(wǎng)錨噴支護(hù),如圖6所示。

圖6 變壓器洞內(nèi)布置(單位：m)

3 注意事項(xiàng)

通過(guò)對(duì)大相嶺隧道斜井抽排水施工技術(shù)的應(yīng)用,在陡坡富水斜井抽排水過(guò)程中,必須注意以下幾點(diǎn)[8～9]。

(1)針對(duì)陡坡富水斜井,排水管路的設(shè)計(jì)除能滿足隧道正常施工的情況下,還應(yīng)考慮突水因素,在突水情況下,同直徑的風(fēng)管也可以作為排水管使用。

(2)隧道內(nèi)增加截流措施,通過(guò)設(shè)置隧底集水倉(cāng)、橫向截水溝可有效阻止已施工段滲水流到掌子面。

(3)按照一用一備的原則,泵站水泵必須有備用水泵,并采用三通將主備2臺(tái)水泵同時(shí)與φ150 mm主排水管路連接。

(4)掌子面水泵按大流量低揚(yáng)程原則進(jìn)行選擇,至移動(dòng)水箱的排水管采用φ80 mm或φ100 mm的鋼絲軟管,不易采用消防管。

(5)各級(jí)泵站排水管路均需設(shè)置雙進(jìn)水口,一個(gè)與主設(shè)備連接,一個(gè)與備用設(shè)備連接。

(6)排水管路設(shè)置逆止閥。

(7)電力配置必須滿足主設(shè)備、備用設(shè)備同時(shí)工作的需求,洞外應(yīng)配足備用電源。

(8)建立掌子面排水作業(yè)工班,必須實(shí)現(xiàn)出砟時(shí)能同步抽排水,減小掌子面抽水作業(yè)時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大相嶺隧道斜井抽排水施工技術(shù)的論述,采用“固定高揚(yáng)程大抽水泵站、低壓接力泵站與移動(dòng)泵站”相結(jié)合的排水系統(tǒng),由每月進(jìn)尺40 m提高到每月進(jìn)尺90 m,大大提高了隧道的施工進(jìn)度,縮短了施工工期。此外，在隧道掌子面掘進(jìn)至280 m處時(shí),發(fā)生涌水現(xiàn)象,日最大涌水量達(dá)27 000 m3,針對(duì)此情況,立即啟動(dòng)了應(yīng)急抽排水方案。由于隧道掌子面離洞口位置近,采用兩級(jí)抽排水方案,一級(jí)采用2臺(tái)110 kW大流量大揚(yáng)程單機(jī)單吸式臥式離心泵(揚(yáng)程：125 m,流量200 m)由掌子面直接抽向洞口,另一級(jí)采用8臺(tái)55 kW大流量大揚(yáng)程單機(jī)單吸式臥式離心泵接力向洞外排水,架設(shè)6趟管道,并配置2臺(tái)55 kW備用水泵。

此外,深深的體會(huì)到,抽排水工作在陡坡富水斜井施工中的重要性,只有解決好抽排水工作才能加快隧道施工進(jìn)度,為隧道各項(xiàng)工序的正常進(jìn)行提供強(qiáng)有力的保障,才能為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此在陡坡富水斜井施工中,除采取合理的抽水設(shè)備配置外,抽水設(shè)備節(jié)能問(wèn)題有待進(jìn)一步研究和探討。

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