南平隧道斜井反坡排水设计与施工

霍永强

摘要： 本文针对南平隧道这一长大单线隧道及其附属的大坡度富水斜井反坡排水过程中遇到的出水量大、高差大的实际困难，提出了相应的反坡排水施工方案，并在现场实际应用中通过排水设备、管线选型，水沟及截水沟的施做、水仓及临时集水坑的设置，成功减少了隧道出水量大对正洞施工的影响，有效的保证了工期，同时提高了经济效益。

Abstract： Aimed at the practical difficulties of the big large water yield and large elevation difference in the reverse slope drainage of Nanping tunnel and the affiliated inclined shaft with high gradient， this paper puts forward the corresponding construction plan of reverse slope drainage. The practical application of drainage equipment， pipeline selection， the construction of gutterway and intercepting， the set of water storage and temporary sump in the site successfully reduce the influence of tunnel water yield large on the hole construction， effectively guarantee the time limit for project and improve the economic benefit.

关键词： 长大隧道；大坡度斜井；反坡排水；设备选型

Key words： long tunnel；inclined shaft with high gradient；reverse slope drainage；equipment selection

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）06-0094-03

0 引言

三南铁路南平隧道属于铁路单线长大隧道，且隧区岩溶发育强烈，随机形成规模庞大的溶洞群，地下水系十分发育且连通，突泥、突水风险极高。隧道采用斜井施工，坡度大，斜井长。建设伊始采用在掌子面设置水泵的抽水方法效果不佳，严重影响施工进度，造成工期压力，并时常发生突水现象，情况难以控制。项目部学习国内先进隧道施工经验，根据当地水稳地质条件，使用多级固定泵站接力结合临时移动泵站，形成多层次，阶段性抽水，大幅提高了隧道抽水能力，有效减少抽水成本。为今后类似工程的施工提供有效参考。

1 工程概况

1.1 地理位置

南平隧道位于重庆市南川区南坪镇，进口里程DK42+260，出口里程为DK52+125，中心里程为DK47+192.5，全长9865m，最大埋深290m。两侧隧道进出口地段为飞仙关组及嘉陵江组石灰岩形成的岩溶槽谷，隧道进口西侧的孝子河对地形切割强烈，形成峡谷，谷坡多为陡崖，出口地段东侧地形以20～30°斜坡为主，局部分布有陡崖。隧址区内最高海拔标高910m，最低海拔472m，相对高差427m。自进口至出口分别为10m的1‰的上坡、2150m的6‰的上坡、3485m的4‰的上坡、1810m的5‰的上坡、2410m的7.2‰的下坡。

南平隧道设计有三座斜井，1#、2#斜井在线路右侧，3#斜井在线路左侧。南平隧道1#斜井长780m，与主洞交叉桩号为DK44+300，坡度为-10.8%，2#斜井长1502m，与主洞交叉桩号为DK47+000，坡度为-11.9%，3#斜井长1346m，与主洞交叉桩号为DK49+700，坡度为-10.8%。

1.2 地下水情况

根据地质勘查资料，南平隧道整体整体埋深较浅，隧道进出口穿越标高为岩溶水垂直循环带，区内含水层，含水性不均，无统一的地下水位，而洞身穿越侏罗系珍“红层”和须家河组砂岩地层，地下水位随地形变化大。

2 排水施工方案

2.1 排水方案设计原则

①排水能力。为保证隧道安全、快速施工，排水系统必须设置工作水泵和备用水泵，工作水泵的能力要满足20h排出24h的正常涌水；工作水泵和备用水泵同时开机不但要20h排出24h的最大涌水量，同时要满足1h排出2h最大涌水（快速施工）。

②综合考虑泵站的数量和水泵的选型，泵站的数量尽可能少设置，以节约用电并减少故障率；集水泵选用干式液下渣浆泵低扬程大流量水泵；泵站水泵应选用卧式离心泵。

③排水管道要布设多排，连接垫片使用金属垫。

④泵站水仓要高于水泵进水口，底部要设置排泄口以方便清理沉淀物。

⑤电力配置要预留相应富余量，主电源及备用电源合理考虑高压进洞。

2.2 总体排水方案

反坡排水，需采用机械排水，设置多级泵站接力排水，工作面积水采用移动式潜水泵抽至就近泵站或移动水箱内，其余已施工地段隧道渗（涌）水经隧道内侧沟自然汇集到临时集水坑内或泵站水池内，由固定排水泵站将积水经排水管路抽排至上一级排水泵站内，如此由固定式排水泵站接力将洞内积水抽排至洞外，经污水处理池处理后排放，固定式排水泵站水仓容量按5min涌水量设计，并考虑施工和清淤方便综合确定；临时集水坑根据汇水段汇水量大小确定。工作水泵按使用1台，备用1台配备，针对隧道涌水量大时要适当增加工作水泵；同时为防止突水，设置利用高压风管作为1套应急排水系统，使用中的风管经过泵站时预留接头，方便临时接入。每个斜井备用抽水管150m。

对坡度较大隧道施工对排水电机扬程要求相对较高，所以采用集水坑反坡道排水方式，在隧道施工过程中分段开挖反坡排水沟，在每一段的终点开挖集水坑，设抽水机一台，把积水抽至最后一段反坡，最后一个抽水机将积水排除洞外，采用接力的方式将水抽至洞外的污水沉淀处理池。如图1。

施工掌子面积水采用移动式泥浆泵抽至就近泵站或临时集水坑内，其余已施工地段出水经临时集水坑自然汇集到泵站水池内，由工作泵将水经管路抽排至前一段泵站内，如此接力抽排出洞外。泵站水仓容量按设计用水量，并考虑施工和清淤方便综合确定，临时集水坑按照汇水段水量大小定。泵站水泵采用相应大小的落地支架安置，支架使用I14工字钢及支撑钢筋现场进行加工；临时集水坑用小型泥浆泵采用吊挂的方式安置，方便随时移动。此外，每台水泵电机外侧需要用密网网片防护，防止碎石等杂物掉入，烧坏电机。密网采用5mm*5mm细金属丝网格，这种网格比较柔软，方便安装。

斜井排水时，根据每段出水量不同，在底板上设置横向联系水沟，将路面及未设置泵站侧的水引流入设置泵站的一侧。联系水沟采用工字钢及螺纹钢制作支撑架，方便车辆通行及泥沙清理。

南平隧道排水相应分为进口（主洞DK42+260～DK44+300）、1#斜井（主洞DK44+300～DK46+327）、2号斜井（主洞DK46+327～DK47+947）、3号斜井（主洞DK47+947～DK49+700）、出口（主洞DK49+700～DK52+125）五部分。其中斜井均为反坡排水；2号斜井承担主洞部分为混合排水。

2.3 工点实施方案

①工点出水量。

1#斜井（主洞DK44+300～DK46+327）

此段反坡掘进仅为斜井本身780m，最大涌水量正洞2000 m3/d、斜井1234.8 m3/d；正常涌水量正洞1345 m3/d、斜井823.2 m3/d。

2#斜井（主洞DK46+327～DK47+947）

此段反坡掘进仅为斜井本身1502m，最大涌水量正洞2000m3/d、斜井1664.175m3/d；正常涌水量正洞1130m3/d、斜井1109.45m3/d。其中正洞反坡排水673m，最大涌水量1167.449 m3/d，正常涌水量776.01 m3/d。

3#斜井（主洞DK47+947～DK49+700）

此段反坡掘进仅为斜井本身1346m，最大涌水量正洞5500 m3/d、斜井2236.68 m3/d；正常涌水量正洞3680 m3/d、斜井1491.12 m3/d。

②排水设置。

综合考虑涌水量、斜井坡度、水泵扬程和集水难度、排水可靠程度等因素，确定1#斜井设置2个固定泵站，一级泵站设置在斜井与正洞交接处，距离斜井口480m处再设二级泵站。确定2#斜井设置4个固定泵站，一级泵站设置在斜井与正洞交接处，距离交接处312m，712m，1112m设二，三，四级泵站。确定3#斜井设置3个固定泵站，一级泵站设置在斜井与正洞交接处，距离交接处446m，896m设二，三级泵站。见南平隧道主洞及斜井排水示意图。根据本地地质条件，排水主要采用渣浆泵及卧式离心泵，各集水点可根据实际水量大小灵活增减泵的数量。排水示意图见图2。

③管道选用。

在富水斜井抽排水过程中管道的选型也至关重要，正确选择管道型号将直接影响水在管道内的流速，即水泵的扬程。根据《煤炭安全规程》第二百七十八条，水管必须有工作和备用的水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。工作和备用水泵的总能力，应能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。为满足管道抽水设备的使用要求，根据出水量情况及不同管径管损情况最终确定。

④应急措施。

在每个泵站处的φ200mm高压风管上设接头，发生突然涌水时，结合备用水泵进行抽水，加快抽水进度。

2.4 泵站设计

由于三号斜井泵站每小时最大排水量为386.834 m3/h，结合现场施工经验，考虑一定的富余时间，每个泵站储水时间按3 min考虑，计算得每分钟储水量为：386.834/60=6.447 m3，则三分钟储水量为6.447×3=19.342m3，考虑泵站水泵较多，预留备用水泵安放位置。泵站储水量按50 m3设计。

斜井泵站水仓为一个沿隧道开挖方向长8m、宽3m、深2m的深坑，储水量为50m3，考虑到隧道内，特别是2#斜井泥浆较多，为方便清理，水仓不宜过深。在隧道侧壁开挖后以挖掘机为主、人工为辅的原则开挖至设计尺寸。开挖后对围岩进行挂网、喷射混凝土，视围岩具体情况施作加强支护（格栅或钢拱架）。

2.5 底板水沟及横向截水沟的施做

斜井底板的施做时需要施做双侧临时排水沟，临时排水沟沟底及内侧需要进行砂浆抹面，防止污水侵泡拱脚。

根据隧道的出水量及出水点位置的分布，每隔一段距离需要在底板上施做横向联系水沟以防止污水漫流，将临时排水沟中的污水引入泵站或临时集水坑中排出。横向联系水沟根据排水需要的不同分为以下两种情况：

①隧道出水、反流水中含泥沙量较少时，采用风镐在既有底板需要截水处凿出宽8cm，深10cm的小水沟，并安排隧道清洁工定时清理，防止水沟堵塞，污水外溢。

②隧道出水中含泥沙量较大时，可在底板施工时预留宽40cm，深16cm的横向联系水沟，并在底板施工完成后根据预留的水沟尺寸加工过车拱架放入水沟，过车拱架采用两根I14工字钢及Φ22钢筋组成，将工字钢紧贴于水沟的两侧，并将钢筋按8cm的间距焊接好。水沟清理时可以采用高压水管进行冲洗。也可将过车拱架抬起后进行人工清理。

所有的横向联系水沟都带有一定的自然坡度，有泵站或集水坑的一侧低于没有的一侧，同时，在没有集水坑的一侧横向水沟与纵向水沟交接处进行堵水（堵水可使用混凝土在交接处施做高10cm左右的小挡墙，也可使用小型沙袋等堵水设施），方便污水汇集排处。

2.6 泵站堵水及临时集水坑的处理

因泵站的长度较长，斜井自然坡度较大，造成泵站结束位置标高远低于起始位置，实际储水量减少且易造成污水反流，因此要对泵站结束位置进行堵水处理。处理时可以施做砼挡墙，也可就地取材，使用较为完整的洞渣进行浆砌，具体尺寸根据现场的实际情况施做。同时要有工人配合及时清理淤泥。

隧道内的临时集水坑在使用结束后立即进行洞渣回填，回填完成后选用完整的洞渣浆砌纵向排水沟，将集水坑两侧的排水沟连接起来形成完整的排水体系。

3 环境保护措施

环境保护是我国的一项基本国策，项目施工应与当地环保部门联合协作，针对当地自然环境、生态环境特点，严格控制施工污水污染，切实抓好施工期间的环境与生态保护工作。

在各个泵站设置沉淀池1个，将污水沉淀、过滤后在通过泥浆泵逐级抽水至洞外排水系统进行排放。洞口处设三级沉淀池，对洞内抽出的污水进行再次沉淀。

4 结束语

南平隧道采用永临泵站结合，多层次分段排水工艺后，取得了显著成效，多次突水、涌水均受到有效控制，及时解决，未出现工作面积水情况，缓解了工程工期压力。目前斜井施工累计达到4000m，每日单口最大出水量为7800m3，截止目前，排水系统运转正常。

参考文献：

[1]铁路技术管理规程[S].北京：中国铁道出版社，2006.

[2]铁路隧道防排水施工技术指南[S].北京：中国铁道部出版社，2009.

[3]王佐荣，刘倍利.引汉济渭秦岭输水隧洞出口段抽排水方案研究与设计[J].现代农业科技，2014（16）.