深埋高渗压反坡大涌水隧洞长距离排水技术.pdf

2 0 1 4年第 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i ng 文章编号： 1 0 0 3 ． 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 2 ． 0 0 5 3 — 0 3 深埋高渗压反坡大涌水隧洞长距离排水技术 孙 振 ( 中铁十三局集 团有限公司 ， 天津3 0 0 3 0 8 ) 摘要 ： 以长距离隧洞反坡施工为工程背景 ， 结合锦屏 隧洞实际情况 ， 运用理论分析、 最优化方法和现场试 验等手段 ， 提 出了设置一、 二级储水仓 ， 且分别布置在隧洞斜坡段前进方向右侧 落平段 拐弯处的总体排 水 系统 方案 ， 进 而确 定 了储 水 仓 、 排 水 沟 、 沉淀 池 以及储 水仓 水 泵 、 布设 位 置 ， 同时还 设 置 了竖 井辅 助排 水系统。实践表明 ， 该锦屏大涌水强力排水 系统完全可以满足锦屏工程实际需要 ， 可以迅速排 出隧洞大 量涌水 ， 能够保 证 长距 离隧洞 反坡 施 工 的安全 和进 度 。 关键词 ： 隧洞工程 排水 长距 离 反坡 大涌水 高渗压 中图分 类 号 ： U 4 5 3 ． 6 1 文 献标识 码 ： A D O I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 ． 1 9 9 5 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 1 8 锦屏二级水电站引水隧洞工程区内碳酸盐类地层 分布广泛( 约 占7 0 ％ ～8 0 ％) ， 在引水隧洞高程 附近发 育溶蚀裂隙 、 溶洞， 岩溶裂隙水丰富且水压力很大。在 5 k m长探洞施工过程 中已发生多次大的涌水 ， 涌水点 水头高且流量大， 期间辅 3 支洞等工程穿越 中部第五 出水带， 曾因大量涌水无法处理而停工半年。根据锦 屏二级水电站 A B辅助洞实 际涌水情况 ， 以最为复杂 的辅引 3 支 洞为例 ， 预计 单点 涌水 量可 能达 3 0 0～ 5 0 0 L ／ s ， 汇总水量在施工支洞开挖期间为 1 m ／ s 。辅 引 3 支洞在原支洞桩号 0+0 2 2 —0+ 0 4 2洞段开挖 时 揭露 最 大流 量 达 1 ． 5 m ／ s 的 多 股 股 状 涌 水 。辅 引 3 支洞施工穿越超高压力、 超大流量涌水地层时 ， 溶蚀空 洞对 隧洞施工稳定性 的影 响及超高压 力、 超大流量的 溶蚀 、 裂隙涌水对施 工影响非常 大。另外 ， 按实 际需 要 ， 隧洞必须反坡掘进 ， 其坡度局部 区段高达 1 5 ％， 辅 引 3 支洞全长 1 1 5 5 ． 5 1 6 m， 其 中纵坡坡 度为 一1 3 ％ 的长度近 8 0 0 m， 给施工排水 和运输带来 了巨大的困 难 和严 峻考 验 。 基于此 ， 必须针对锦屏 隧洞特点并充分结合锦屏 二级水电站工程背景 ， 在西南 、 西北地区隧洞岩溶溶蚀 灾害调查基础上 ， 深入 、 系统研究岩溶溶蚀对隧洞地下 工程 的影响 ， 提出锦屏二 级水 电站隧洞工程 中的富水 区大埋深 、 高渗压条件下切实可行 的高强排水方案及 技术方法 ， 以确保工程施工不受涌水危害， 从而为工程 安全顺利竣工提供有力保障。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 7 — 2 2 ； 修回 日期 ： 2 0 1 3 — 1 0 — 1 1 作者简介 ： 孙振 ( 1 9 7 4 一) ， 男 ， 黑龙江密 山人 ， 工程师 。 1 排水 系统设 置总体 方案 以较 为复杂且受地下 涌水影响严重 的辅 引 3 支 洞为研究对 象。辅引 3 支 洞位于 富水 区， 立面 为缓 坡布 置 ， 最 大反 坡 坡 度 为 一1 3 ％ ， 进 口底板 高程 由 1 6 1 8 ． 0 0 m降至 1 5 6 4 ． 7 0 m， 与上游调压室 相接。辅 引 3 支洞上覆岩体一般埋深 1 5 0 0～2 0 0 0 m， 具有埋 深大 、 高渗压 、 涌水强 、 反坡独头掘进等特点 ， 在施工过 程 中隧洞涌水经常突 出， 成为隧洞安全施工和控制进 度的关键性难题。根据“ 防排堵结合 ” 综合治理要求 ， 辅引 3 支洞施工过程 中的排水显得极为重要 。 运用隧洞工程技术 ， 结合辅引 3 支洞实际情 况， 排水系统设置总体方案确定如下 ： 设置一、 二级储水仓 ， 均为单水仓。一级储水仓共 设 3个 ， 各储水仓 间高差约 2 0 m， 布置在辅引 3 支洞 斜坡段前进方 向右侧 ； 二级储水仓布置在辅引 3 支洞 落平段拐弯处 ， 长约 2 0 0 m。排水系统布置如图 1 。 2 排水 系统布 置 结合地下工程施工技术 。 ， 布置排水系统。 2 ． 1 储 水 仓布 置 结合隧洞反坡掘进实际情况 ， 辅引 3 支洞的一级 3个储水仓分别布置在辅引 3 支洞支( 3 ) 0+2 1 2 ． 9 7 9 ， 支( 3 ) 0+3 9 4 ． 7 9 7和支 ( 3 ) 0+6 1 2 ． 6 1 6处， 储水仓起 点 底 板 高 程 分 别 为1 6 5 6 ． 1 2 5 ，1 6 3 6 ． 1 2 5 和 1 6 1 6 ． 1 2 5 i n ， 水 泵 安 装 平 台 底 板 高 程 分 别 为 1 6 4 6 ． 0 9 8 ， 1 6 2 8 ． 4 2 5 和 1 6 0 6 ． 0 9 8 m。一级储 水仓 长 5 4 铁道 建筑 量 氍 l 挺 图 1 辅 引 3 施工支洞排水系统布置纵剖面 约 1 0 0 m， 断面( 宽 x高) 为 6 ． 0 m X 2 ． 4 m， 水仓 容量 1 4 4 0 m ， 三心拱形 锚喷支护。二级储水仓起点在支 ( 3 ) 0+8 0 2 ． 9 7 5 IT I 处， 洞 口底板高程 1 5 9 6 ． 7 2 2 m， 储 水仓底 板高程 l 5 9 1 ． 5 9 2 m， 水 泵安装平 台底板 高程 l 5 8 8 ． 5 9 2 m， 水仓 总长度约 2 0 0 m， 断面 ( 宽 x高) 为 1 3 ． 0 m x 3 ． 5 m， 水 仓容量9 1 0 0 m ， 三 心拱 形锚喷支 护。 一 级储水仓选用 3台 4 5 0 S L D B 2 0 0 0 ／ 4 0 — 3 5 5型单 级 双 吸 双 蜗 壳 潜 水 电 泵 ， 二 级 储 水 仓 选 用 3 台 7 0 0 S L D B 4 0 0 0 ／ 1 0 0 1 8 0 0型单级双吸双蜗壳潜水电泵 ， 均为 排正 常涌水 时 1用 2备 ， 排 最大 涌水 时 2用 1 备 。 储水仓容积按下式计算 V = Q 正t 式中： Q ． 为矿井正常涌水量 ， 据现场提供的资料 ， 一 级储水 仓正 常 涌水量 0 ． 3 m ／ s ， 最 大 涌水 量 0 ． 5 m ／ s ； 二 级 储 水 仓 正 常 涌 水 量 1 ． 0 m ／ s ， 最 大 涌 水 量 1 ． 5 m ／ s ； t 为正常 涌水量 的时 间 ， h 。 按上式计 算， 一级储水仓 ( 临 时水仓 ， 汇水 面积 小 ， 取 1 h正 常 涌水 量 ) 容 积 为 V ：0 ． 3 X 3 6 0 0 X 1= 1 0 8 0 m ； 二 级 储 水 仓 ( 临 时 水 仓 ， 汇 水 面 积 较 小 ， 取 2 h 正常涌水量) 容积 =1 ． 0 3 6 0 0 X 2= 7 2 0 0 1T I 。 考虑储水仓装满系数为 0 ． 8 ， 一级储水仓容积取 1 4 4 0 m ； 二 级储 水仓 容积 取 9 1 0 0 m 。 2 ． 2 辅 引 3 支 洞排水 沟布 置 辅 引 3 支 洞 水 沟 为 矩 形 断 面 ， 水 沟 宽 2 ． 0 m、 深 2 ． 0 m， 坡度与支洞相同， 布置在支洞前进方向的右侧 ， 均为单水沟布置。为解决施工 中的涌水 ， 即掘进 工作 面的涌 水 ， 在 辅 引 3 支洞 的一侧 设 置 一个 用 于 排施 工 中涌水的水沟。掘进工作面在作业时 ， 掘进工作 面及 其附近段巷道 的涌水不断通过缝隙汇集至水沟 内， 通 过水沟内设置的排水设 备将水排出； 当掘进工作 面放 炮后 ， 由于放炮后 的 3 0 rai n内人员不能进入， 此时掘 进工作面的涌水通过缝 隙汇集至水沟内， 经水沟 内设 置的排水设备将水排出。 水沟随着掘进工作面的推进而不断推进。但水沟 端头( 靠近掘进工作面) 距掘进工作面不少于 3 m， 以 防放炮时水沟上方管路设备损坏 。 施工中靠近掘进工作面作业处的一段水沟上部采 用钢板盖住 ， 盖板与水沟之间留有水通过的缝隙， 巷道 内的涌水通过缝隙汇集到水沟。施工 中若遇单点涌水 量较大时 ， 可用管道将涌水引入储水仓或排 出支洞外 ， 减小 水沟 流量 。 2 ． 3沉淀 池布置 平洞段水沟内设沉淀池 ， 隧洞涌水进入储水仓前 先经过水沟沉淀池沉淀。沉淀池 比水 沟深 0 ． 5 m， 长 x宽 x深 = 4 ． 0 m x 2 ． 0 m2 ． 5 lfn ， 沉 淀池 视淤 积情 况 随 时清理 。 2 ． 4 储 水 仓水泵 布置 为了能快速安装 ， 排水设备能尽快投入使用， 且排 水设 备在 水淹 的情 况 下能继 续 排水 ， 在一 、 二级 储水 仓 内设置符合要求 的潜水泵。一 、 二级储水仓 的底部设 置水泵安装平台， 潜水泵 固定放置 于安装平台上 。水 泵安装平台比储 水仓 底高 0 ． 3 m， 以便于水仓 内的泥 沙淤积和减少水泵吸入泥沙而影响排水。 排水设备布置主要考虑到施工快速 、 安装快捷 、 检 修维护方便等因素。设计均选用潜水 电泵方案， 其布 置具有以下特点： 安装快捷 ， 检修维护 占地小 ， 土建工 程量小， 不需辅助吸水设施等特点。 潜水泵安装于水面以下， 不需设置独立泵房， 不需 要设置吸水井及配水设施。只需在水仓内设一个潜水 泵布置平台， 平台上设置 3条安装轨道 ， 安装轨道沿设 置的斜坡延伸至上部水仓洞 口以外 ， 当水泵需要检修 维护时， 通过提升设备将水泵沿轨道拉至上部水仓洞 口以外的场地检修。 水泵吸水 口设置吸水过滤装置 ， 以避免将颗粒较 大的沙粒及碎石吸人泵 内， 从而影响潜水泵 内的电动 机壳及水泵叶轮等， 以延长水泵使用寿命和提高排水 2 0 1 4年第 2期 孙振 ： 深埋高渗压反坡 大涌水隧洞长距离排水技术 效 率 。 水泵设置 自动液位控制装置 ， 以避免水面过低而 吸入空气产生气蚀现象， 液位 自动控制装置设置有水 位传感器。二级水仓 的排水最低水位为 3 ． 0 m( 由水 仓底 部算起 ) ， 当水 位 低 于 3 ． 0 m 时 水 泵 自动 跳 闸 停 止排水 ， 当涌水量达到最高水位 4 ． 5 r n ( 由水仓底部算 起 ) 时水泵 自动开启排水 。一级水仓排水最低水位为 2 ． 7 m， 当水位低于 2 ． 7 m时水泵 自动跳 闸停止排水 ， 当涌水量达到最高水位 4 ． 5 m时水泵 自动开启排水。 由于装载水泵的车架位于水面 以下 ， 固定水泵车 架 的转动部位需涂抹润滑脂 ， 以防锈蚀 。 2 ． 5 管路布 置 排 水管 路 布置 主要 考 虑 到 隧 洞 断 面 大小 、 车 辆 运 行方便 、 安装快捷 、 检修维护方便等因素。由于管路直 径较大， 管路采用并排垂 直排 列， 以将 隧洞空 间最 大 化 ， 减小对机车运输等的影响， 详见图 2和图 3 。 图 2 排水 管路 布置方案( 单位 ： c m) 图 3 排水管路现场布置 排水 管路 均选 用 螺 旋 焊 接 钢 管 ， 二 级 排 水 系统 管 路规格为 + 9 2 0 X 1 0 ， 一级排水 系统 3 水仓排水管路规 格为 + 7 2 01 0 ， 一级排水系统 2 水仓排水管路规格 为 + 6 3 0 X 1 0 。 管路连接采用快速接头进行连接 ， 管路采用钢架 支座支撑。管路设置电动闸阀， 采用 电力驱动， 控制方 便。管路设置止 回阀 ， 以便水流倒流毁 坏水泵。管路 沿隧洞一侧敷设 ， 通过钢架固定于水沟上方 。 3 竖 井辅 助排水 随着辅引 3 支洞独头反坡施工里程增加， 排水 系 统负荷将会逐渐加大。为此 ， 除了一级 2 ， 3 水仓和二 级水 仓 ， 还必 须设 置竖 井 辅助 排 水 。一 级 2 和 3 水 仓 排水竖井平洞 投影与提前施 工完成的交通 A辅助洞 垂直 ， 二级水仓排水竖井上升到 A辅助洞地板标高后 采用平洞与 A辅助洞相连 ， 再由 A洞排到排水洞。二 级水仓排水竖井最 高， 达到 7 5 m， 能够满足水泵抽水 扬 程 要求 。 实践表明， 强力排水系统的成功应用 ， 可以迅速排 出大量涌水 ， 使得辅引 3 支洞等反坡工程能够安全而 高效施工 ， 比预计工期提前 2 0 d完成 ， 获得 了较大 的 直接经济效益 ， 同时获得了显著的社会效益。 4 结论 1 ) 高渗压涌 水是辅 引 3 支洞等大量反坡工程 的 突出问题 ， 排水系统关系到整个工程 的施工与进度 ， 排 水 是 该 隧洞施 工过 程 中最 为 关键 的施 工 控 制 环 节 ， 必 须 严 密关 注 。 2 ) 结合大埋深 、 高富水 、 高渗压 、 大涌水等实际情 况 ， 提 出的锦屏大涌水强力排水系统 ， 完全可以满足锦 屏工程实际需要 ， 很好地保证 了长距离隧洞反坡施工 安 全 和进度 。 参 考 文 献 [ 1 ] 关 宝树． 隧道工 程 的理论 与实践 [ M] ． 成 都 ： 西 南交 通大学 出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 2 ] 陈豪雄 ， 殷杰． 隧道工程 [ M] ． 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 3 ] 关宝树 ， 钟新焦 ． 地下空 间利用 [ M] ． 成 都 ： 西南交通 大学 出 版社 ， 1 9 8 9 ． [ 4 ] 易萍 丽． 现代隧道设计与施工 [ M] ． 北京 ： 中国铁道 出版社 ， l 9 97． [ 5 ] 王毅 才． 隧道工程 [ M] ． 北京 ： 人 民交通出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 6 ] 秦亮 ， 郭建钢 ， 姚智 慧． 武 广铁 路客运专 线 隧道 防排 水施工 [ J 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