瓦斯岩溶隧道反坡排水施工技术

瓦斯岩溶隧道反坡排水施工技术

刘太富

刘太富

中铁八局集团第二工程有限公司四川成都610081

摘要：富水地段的反坡隧道施工安全威胁大，如何确保隧道施工安全、快速，那排水技术和方案将尤为重要，本文以叙毕铁路下坝隧道施工为例，对类似工程具有借鉴意义。

关键词：岩溶隧道、反坡排水、施工技术

0引言

随着我国基础设施加快，西部地区沟壑纵横，地形复杂，长大隧道、瓦斯隧道、岩溶隧道比例高。为了缩短工期，除了优化设计，还要合理进行施工组织，往往一个长大隧道从进口、出口、横洞、斜洞多工区同时施工，则反坡排水是首先要解决问题。

1工程概况

叙毕铁路下坝隧道位于云南省威信县潘家沟，隧区属低剥蚀低中山地貌，地形连绵起伏，沟壑纵横，隧区绝对高程1030～1420m，相对高差约100～300m；自然斜坡一般20°～60°。地貌受岩性控制，沿软弱带及可岩溶地段多形成侵蚀沟槽。灰岩分布地带常形成溶蚀丘包、陡崖、沟槽、平坝等岩溶地貌。砂、泥岩等碎石屑岩类地层多形成小槽沟、缓坡地形、局部有陡坡、陡崖。

隧道全长6082m，为单洞铁路隧道，进口里程DK237+597，出口里程DK243+679，全隧为单面坡设计，出口段为反坡施工，最大埋深约300m。

2水文地质特征

1.1地表水类型

测区降雨量丰富，地形陡峭，隧道进口的潘家沟溪沟为最大的地表水水体，为常年性溪沟，流量20～50L/s。另在隧道地表及出口发育树枝状冲、溪沟，冲、溪沟沟为季节性流水，由大气降雨不给，流量受季节变化影响大，以蒸发、下渗和径流等形式排泄。流量一般较小，雨涨旱停，具短径流，快排泄等特点。

1.2地下水

根据地层岩性及其组合特征，地下水赋存条件，水理性质和水力特征，该隧道地下水类型分为碳酸盐岩岩溶水，基岩裂隙水和第四系散层裂隙水，隧区地形以碳酸盐岩岩溶水及基岩裂隙水为主。

1）孔隙水

赋存于地表粉质黏土、碎石土中，接受大气降水和地表水补给，孔隙水补给差，径流排泄条件好，粉质黏土中含水量弱，叙威公路浅埋段沟谷内及出口沟槽内的碎石土含水量丰富。

2）裂隙水

赋存并运移于基岩各类结构面、破碎带内，主要接受大气降水的补给。测区丰富的降雨为裂隙水提供了良好的补给条件。因受构造影响程度及岩性不同，导致裂隙发育程度不同，富水条件差异较大。

3）岩溶水

主要赋存于可溶岩的溶孔、溶蚀裂隙中，通过洼地、竖井、落水洞、溶洞汇集大气降水的补给，以溶岩下降泉、暗河的形式排出地表。可溶岩与非可溶岩接触部位，可能遇较大溶岩水。隧道施工及运营期间有发生水害的可能行。

受石坎向斜构造的影响，可溶岩地层呈东西向展布，该段岩溶地下水总体运动方向大体上由西向东径流（隧道右侧向左侧运动），根据现场岩溶调查，但隧区地下水标高高于线路左侧扎西河标高，隧道处于岩溶水水平循环带中，水头高度约13～100m，水头压力约0.13～1MPa。

1.3地下水的补给、径流、排泄

石坎向斜是区域的主要构造之一，是一个完成的水文地质单元，具有独立的补给、径流、排泄系统。

隧区地下水主要接受大气降水的补给，地下水动态受大气降水影响。由于隧区地形坡度陡，地面径流条件好，大气降水后迅速沿斜坡坡面以片流的形式汇入溪流，一部分大气降水沿风化、溶蚀裂隙渗入地下补给地下水。岩溶水主要赋存与上述可溶岩溶孔，溶蚀裂隙及岩溶管道中，大气降水形成的地表水沿竖直岩溶管道向深部补给，该类水由于可溶岩中碳酸钙含量的高低而富水程度不同，该类水地下静态储量较大。

全区地下水以泉井、暗河等的形式泄出地表。隧区附近最低排泄基准面为隧道左侧的扎西河，最低高程约1018m。整个隧道地表水、地下水总体趋势为从左往右排泄。

1.4隧道涌水量

根据含水组划分及岩层的富水性，按照如下分段原则，采用大气降水入渗法对隧道进行分段涌水量计算，隧道共分三个部分：

（1）DK237+605～DK238+205段：岩性为飞仙关组砂质泥岩夹泥质砂岩及薄层灰岩。进口位于地下水稳定水位之上，地下水主要以裂隙水为主，富水性、透水性一般。

（2）DK238+205～DK243+560段：茅草铺组、松子坎组、狮子山组的石灰岩、白云岩及盐溶角砾岩及石膏等。地下水以岩溶裂隙水、管道水为主，富水性、透水性中等。

（3）DK243+560～DK243+685段：岩性为沙镇溪组砂岩、砂质泥岩等。地下水以裂隙水为主（局部地段有承压水），富水性、透水性中等。

下坝隧道洞身涌水量及最大涌水量

3总体方案

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临时集水坑内，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，由固定泵站将积水经排水管路抽排至上一级固定泵站内，如此循环接力，抽至洞口污水处理池，经处理后排放。排水分三阶段：

1、洞口至1#泵站：在掌子面设置临时集水坑，集水坑随掌子面推进而前进，水流汇集在集水坑由抽水泵排至洞外沟渠，废气集水坑采用仰拱填充同标号混凝土回填，直至1#泵站处。

2、1#泵站至2#泵站：1#泵站施作完毕后，掌子面临时集水坑水统一抽至1#泵站，由1#泵站统一排除洞外，1#泵站再继续施工235米后，设置集水井一处，此集水井水流泵送至1#泵站，由1#泵站排除洞外，直至2#泵站。

3、2#泵站及之后：施作2#泵站完毕后，将1#泵站及之间的集水井用同标号混凝土回填。掌子面集水坑及洞内水沟均汇集于2#泵站，每继续施工200米后，设计集水井一处，集水井水流泵送至2#泵站，由2#泵站泵送至洞外沟渠。

3.1最大涌水量计算

根据设计资料，DK243+560～DK243+685段雨季最大涌水量203m³/d，DK238+205～DK243+560段雨季最大涌水量47390m³/d。隧道出口端计划施工1500m，即DK243+679～DK242+179段，预计最大涌水量为47390&pide;5355×1375+203=12371m³/d（设计建议按长度平摊），考虑隧道涌水量不均匀分布及抽水能力富余量，本方案最大抽排能力按预计最大涌水量1.5倍考虑，即18556m³/d。

3.2抽水设备选型

洞内水量是逐段递增，在各级泵站的水泵选型上，按照排水能力递增原则自下而上递增选配。各级泵站排水能力应充分配备，并有一定的储备能力。隧道设计纵坡9.5‰，固定泵站间隔500m左右设置一处（利用大避车洞），相邻泵站高差4.75m，最大抽排能力不小于18556&pide;24=773m³/h。下坝隧道出口工区为低瓦斯工区，所有水泵、电缆、配电箱及开关等用电设备均采用Ⅰ类防爆型。

1、1#固定泵站

1#固定泵站设置于进洞454m处（DK243+225大避车洞），设DN300排水钢管2根，每根长250m，总长500m。配备300QW600-40-110潜水排污泵（性能参数：出水管直径300mm，最大抽水能力600m³/h，扬程40m，功率110kw）2台，水泵功率合计220KW，最大抽水能力为1200m³/h＞773m³/h，扬程40m＞4.75m，满足要求；并配300QW600-40-110潜水排污泵1台作为备用。集水坑位置垂直正洞设置，尺寸长8m，宽6m,深2.5m。集水坑内设置污泥泵1台，用于排淤积泥砂。其中2根DN300钢管排水到洞外经沉淀处理后排放。

2、2#固定泵站

2#固定泵站设置于进洞1089m处（DK242+782大避车洞），设DN300排水钢管2根，每根长650m，总长1300m。配备300QW400-45-55潜水排污泵（性能参数：出水管直径300mm，最大抽水能力400m³/h，扬程45m，功率55kw）2台，水泵功率合计110KW，最大抽水能力为800m3/h，扬程45m；并配300QW400-45-55潜水排污泵1台作为备用。集水坑位置垂直正洞设置，尺寸长8m，宽6m,深2.5m。集水坑内设置污泥泵1台，用于排淤积泥砂。其中，2根DN300钢管排水到1#固定泵站集水坑内。

3、集水井

每个集水井设DN200排水钢管1根，长200m。配备300QW400-45-55潜水排污泵（性能参数：出水管直径300mm，最大抽水能力400m³/h，扬程45m，功率55kw）1台，水泵功率合计55KW，最大抽水能力为400m3/h，扬程45m；并配300QW400-45-55潜水排污泵1台作为备用。集水井位置垂直正洞设置，尺寸长3m，宽3m,深2m。集水井内设置污泥泵1台，用于排淤积泥砂。其中DN200钢管排水到临近固定泵站集水坑内。

4、掌子面临时集水坑

设于掌子面附近，采用移动轻便的潜水泵（80QW70-8-5.5）扬程8m，排水流量70m3/h，功率5.5Kw。3台使用，3台备用。

3.3泵站及集水井布置

隧道抽排水管路、设备统一布置在隧道右侧，DK243+225处及DK242+782处设置抽水泵站集中抽水，在1#和2#泵站中间设置集水井一处，汇水后抽至泵站内统一排至洞外；掌子面设移动抽水设备将水抽至附近水泵站或集水井内。集水井在下一泵站具备抽水能力后采用衬砌同级混凝土回填。

3.4泵站及集水井施工措施

1）集水井

集水井设置于线路右侧，沿线路方向长度为3m，宽度为3m，深度为2m；池壁及水池底板采用C20砼加固，厚度均为20cm。Ⅲ级围岩集水井采用5cm厚喷砼进行支护,Ⅳ级围岩集水井采用10cm厚锚网喷进行支护，井周围采用φ22砂浆锚杆（间距1.2m×1.2m）梅花型布置进行加固，锚杆长度3m/根。

2）泵站

泵站设置于线路右侧，沿线路方向长度为8m，宽度为6m，深度为2.5m，池壁及水池底板采用C20砼加固，厚度均为20cm。Ⅱ、Ⅲ级围岩采用5cm厚喷砼进行支护,Ⅳ、Ⅴ级围岩采用钢架加强支护，具体措施根据现场实际围岩情况确定。

3.5排水管设置

根据洞内水量情况，结合选配的抽水设备设置管路：固定泵站之间和固定泵站至洞口采用Φ300无缝钢管；集水井至固定泵站之间采用2套Φ300无缝钢管（1套备用）；临时集水坑至集水井之间采用2套消防软管配合Φ75无缝钢管（1套备用）；掌子面至临时集水坑间采用Φ75mm消防软管（1套备用）。

3.6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，设置一条专用供电线路。由于水泵功率合计220+110+55+16.5=401.5KW，设置一台800KWA的变压器，并配置一台备用发电机（800KW）。

3.7其他

掌子面集水坑排水采用移动式水泵，为方便移动，可采用减小水泵功率，增加数量的方式替换，根据现场实际情况灵活处理。

为确保洞内道路无水干爽，必须修建好两侧排水沟，排水沟的大小要依据隧道的坡度和涌水量的大小确定，确保洞内渗水通过侧沟引入集水坑或泵站内，防止在洞内道路上漫流。

抽水设备要依据隧道洞内涌水量的大小及集水坑汇水的情况而定，同时水泵的扬程要参考隧道的坡度和起始点的高差，要尽量做到有一定的富余量。

4应急措施

由于本段隧道施工穿越富水区，可能出现突水、涌水等突发事故。为此，在现有排水系统上增设了1套设备和管路作为应急措施。管路利用高压进水管路，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，即把进水闸阀关闭，截断高压供水，打开排水阀进行应急抽排，在特殊情况下，洞内高压风管也可以改造利用上作为排水管道。

针对隧道反坡施工排水的困难的特点，对隧道内突发涌水事故，抽水设备损害，水位突然升高，建立必要的逃生系统，在掌子面及隧道内设置应急灯，在隧道内作业区放置救生衣，并保持隧道内通信畅通，发生突发事故后及时上报项目部应急预案领导小组，启动突发事件的应急预案，立即疏散洞内施工人员并起用应急排水物资设备，加强排水能力。

参考文献:

【1】邓伟，朱跃球；浅谈富水岩溶隧道反坡排水施工技术[U]；西南公路；2017，84-87

【2】段双喜；复杂岩溶隧道反坡抽排水系统设计与应用[U]；山西科技；2009，06,117-119