特大隧道反坡排水应用研究以长柏隧道为例

特大隧道反坡排水应用研究以长柏隧道为例

李鑫1李明博2段文龙3

(中国水利水电第十工程局有限公司三分局，四川都江堰611830)

摘要：长柏隧道作为国内特大隧道工程的典型案例，面临复杂的地质和水文条件，其反坡排水方案的设计与实施对隧道施工和长期运营具有重要意义。本文通过对长柏隧道工程的详细介绍，包括隧道的总体布局、地质条件及水文特征，全面分析了隧道涌水问题及其对施工的影响。基于隧道的具体情况，设计了多级泵站接力排水方案，详细阐述了各阶段的排水路径和设备配置，计算了各泵站的水泵负荷和电力需求，并对施工过程中可能遇到的排水问题进行了深入探讨。

关键词：特大隧道；反坡排水；应用研究

一、前言

隧道工程是现代基础设施建设中的重要组成部分，尤其是在长距离、大埋深隧道的建设过程中，面临复杂的地质条件和水文环境，对排水系统提出了严苛的要求。反坡排水技术作为一种有效的隧道排水方案，近年来在国内外隧道建设中得到广泛应用和实践验证。长柏隧道作为特大隧道的典型案例，其反坡排水系统的设计与应用，不仅关系到隧道施工的顺利进行，还直接影响隧道的长期运营安全和维护管理。本文基于长柏隧道的实际工程数据，通过对其反坡排水方案的详细分析和研究，旨在揭示反坡排水技术在隧道工程中的应用效果，并提出相应的优化措施和策略，以期为类似工程提供有价值的技术参考和经验借鉴。

二、工程概述

长柏隧道全长5747米，出口段起止桩号为K141+967至K147+728，设计纵坡为-1.7%。隧道低瓦斯工区位于K145+370至K147+728段，长2358米。根据工程地质勘察资料，隧道围岩主要分布为IV级和V级，其中IV级围岩占76.2%，V级围岩占23.8%。涌水量是影响隧道施工和运营的重要因素，长柏隧道正常涌水量为18526立方米/天，而最大涌水量可达196944立方米/天。涌水区域主要集中在K143+940至K147+728段，以玄武岩夹杂火山角砾岩、粉砂质泥岩为主，K141+790至K143+940段则以灰岩为主。这些复杂的地质条件使得隧道的排水设计尤为关键。

此外，长柏隧道的出口通风斜井起止桩号为XK0+000至XK3+523，长度为3523米，设计纵坡为-2.0%（2708米）和7.5%（815米）。低瓦斯工区位于XK1+570至XK3+523段，长度为1953米，围岩等级以IV级和V级为主，分别占68%和32%。隧道出口段的坡度为-1.7%，出口通风斜井的坡度为8.37%和7.5%，这些设计参数对隧道排水系统的规划提出了明确的要求。

基于上述地质和水文条件，长柏隧道的反坡排水方案需充分考虑涌水量、排水路径及排水设备的配置。隧道排水系统设计分为四个阶段，分别通过设置不同级别的泵站和临时集水箱，确保隧道内的涌水能够顺利排出。每个阶段的排水设计需根据实际涌水情况进行调整，以保证排水系统的高效运行。

为了应对复杂的涌水环境，长柏隧道的排水系统采用了多级泵站接力排水的方案。第一阶段，涌水从斜井进入隧道，到达1号施工通道处；第二阶段，通过1号施工通道进入右线隧道，并向两个掌子面方向进行施工；第三阶段，右线大桩号方向通过14号车行通道进入左线隧道，并向两个掌子面方向施工；第四阶段，主线贯通后，所有涌水由隧道自流出洞。这种多级泵站接力排水的方案，确保了不同阶段、不同位置的涌水能够高效排出，为隧道施工提供了可靠的排水保障。

三、方案总体概述

根据长柏隧道通风斜井设计纵坡，长柏隧道通风斜井XK2+714-XK3+523（洞口桩#）段出口段为反坡排水，纵坡坡度均为7.6%，长柏隧道通风斜井XK2+714-XK0+00段纵坡坡度均为-1.7%；隧道左洞右洞纵坡坡度均为-1.7%；根据隧道掘进进尺及设计图纸水文地质资料的分段涌水量，结合掌子面揭露的围岩涌水实际情况，计划分4个阶段3级泵站进行排水。如下图所示:

图 3.1-1长柏隧道排水示意图

隧道排水分为四阶段，第一阶段由斜井进入洞内，到1#施工通道处；第二阶段：通过1#施工通道进入右线，并同时向右线隧道大小两个掌子面方向施工。第三阶段：右线大桩#方向通过14#车行通道进入左线，并同时向左线隧道大小两个掌子面方向施工。第四阶段：当主线大桩#贯通后，由隧道自流出洞。

1.第一阶段反坡排水：

临时积水坑直接排到洞口，此时涌水量：Q导大

1#泵站至洞口，此时涌水量：Q导大+Q导小

2.第二阶段反坡排水：

临时集水坑至2#临时集水箱，此时涌水量：QY大

2#临时集水箱至1#泵站，此时涌水量：QY大+QY小

1#泵站至洞口，此时涌水量：Q导大+Q导小+QY大+QY小

3.第三阶段反坡排水：

1#泵站至洞口，此时涌水量：Q导大+Q导小+QZ大+QZ小+QY大+QY小

2#临时集水箱至1#泵站，此时涌水量：QZ大+QZ小+QY大+QY小

3#临时集水箱至2#临时集水箱，此时涌水量：QZ大+QZ小

Y大掌子面临时排水至2#临时集水箱，此时涌水量：QY大

Z大掌子面临时排水至3#临时集水箱，此时涌水量：QZ大

4.第四阶段：

所有涌水由贯通后右线洞口流出。

四、长柏隧道排水负荷计算

（一）1#泵站至洞口

1.概述

根据设计图纸水文地质资料，长柏隧道轴线位于暗河细之下，会产生高压突水、突泥、和岩爆。长柏隧道左右线无施工条件，需从斜井进入主洞，因此在未设置泵站之间，涌水由临时集水坑直接排出洞口。施工到达通风斜井XK2+714时，设置1#泵站；隧道开挖掌子面及仰拱部位设置临时集水坑，将水排至第一阶段的1级分级泵站，再由分级泵站接力排至洞口三级沉淀池。

2.水泵负荷的计算依据

1#泵站布置在斜井洞XK2+714桩#位置，涌水由掌子面及仰拱的临时集水坑将水排至上一级的分级泵站，再进行分级接力排出洞外。1#泵站配置3趟DN200mm的PE管作为排水管路，管路岩洞壁平顺铺设，不能影响施工设备通行。

3.抽水电力负荷计算

由主线总涌水量12600m3 /d计算（平均每个掌子面按4000m3 /d），平导洞涌水量按4000m3 /d，Q总=20000m3 /d，距离800m，高差62.5m。

1）涌水量计算

Q=V*K

Q—涌-单个掌子面涌水量m3/h

K—安全系数1.2

（23000+4000）÷24*1.2=1000m3/h

2）每小时抽水量计算

Q排=V*S

Q—单根排水量m3/h

V—DN300mm水流速度3m/s

S—排水管截面积

K—安全系数1.2

Q=3*3600*3.14*（0.2/2）^2=1017.36m3/h，

配置3趟排水管，可以满足涌水量的抽排需求。

3）扬程计算

H=H1+h

H—水泵总扬程，m；

H1—水泵净扬程；

h—管路损失扬程（查表得出管径200mm的PE管每米管路损失扬程3%）

H=800*0.03+62.5=86.5

4）水泵功率计算

P=（ρ*g*Q*H）÷3600）/1 000/η

P—功率，kW；

ρ—比重，ρ=1 000，kg/m3；

Q—流量，m3/h；

H—扬程，按照1.2倍扬程考虑，m；

η—效率，按照70%考虑。

P=（1000*9.8*339.12*（86.5*1.2））/3600）/1 000/0.7=136.89KW

（二）2#临时集水箱至1#泵站

1.概述

2#临时集水箱至1#泵站，此时涌水量：QZ大+QZ小+QY大+QY小。根据设计水文资料隧道涌水量的预测，此时排水主要考虑隧道右线大里程方向掘进里程在1200m时隧道涌水的抽排，2#临时集水箱布置在斜井洞右洞K146+525桩#位置，涌水由掌子面及仰拱的临时集水坑将水排至上一级的分级泵站，再进行分级接力排出洞外。1#泵站比2#临时集水箱高6m，距离50m。

2.水泵负荷的计算依据

2#临时集水箱布置在右线K146+525桩#位置，涌水由掌子面及仰拱的临时集水坑将水排至上一级的分级泵站，再进行分级接力排出洞外。2#临时集水箱配置3趟DN200mm的PE管作为排水管路，管路岩洞壁平顺铺设，不能影响施工设备通行。

3.抽水电力负荷计算

由主线总涌水量12600m3 /d计算（平均每个掌子面按4000m3 /d），平导洞涌水量按4000m3 /d ，距离50m，高差6m，QZ大+QZ小=8000m3 /d 。

1）涌水量计算

Q=V*K

Q—涌-单个掌子面涌水量m3/h

K—安全系数1.2

（8000）÷24*1.2=400m3/h

2）每小时抽水量计算

Q排=V*S

Q—单根排水量m3/h

V—DN300mm水流速度3m/s

S—排水管截面积

K—安全系数1.2

Q=3*3600*3.14*（0.2/2）^2=508.36m3/h，

配置2趟排水管，可以满足涌水量的抽排需求。

3）扬程计算

H=H1+h

H—水泵总扬程，m；

H1—水泵净扬程；

h—管路损失扬程（查表得出管径200mm的PE管每米管路损失扬程3%）

H=50*0.03+6=7.5

4）水泵功率计算

P=（ρ*g*Q*H）÷3600）/1 000/η

P—功率，kW；

ρ—比重，ρ=1 000，kg/m3；

Q—流量，m3/h；

H—扬程，按照1.2倍扬程考虑，m；

η—效率，按照70%考虑。

P=（1000*9.8*339.12*（7.5*1.2））/3600）/1 000/0.7=11.87KW

（三）3#临时集水箱至1#泵站

1.概述

3#临时集水箱至1#泵站,此时涌水量：QZ大+QZ小。

根据设计水文资料隧道涌水量的预测，此时排水主要考虑隧道左线大里程方向掘进里程在1200m时隧道涌水的抽排，3#临时集水箱布置在斜井洞右洞ZK146+156桩#位置，涌水由掌子面及仰拱的临时集水坑将水排至上一级的分级泵站，再进行分级接力排出洞外。2#临时集水箱比1#泵站高7m，距离550m。

2.水泵负荷的计算依据

3#临时集水箱布置在右线ZK146+125桩#位置，涌水由掌子面及仰拱的临时集水坑将水排至上一级的分级泵站，再进行分级接力排出洞外。3#临时集水箱配置2趟DN200mm的PE管作为排水管路，管路岩洞壁平顺铺设，不能影响施工设备通行。

3.抽水电力负荷计算

由主线总涌水量12600m3 /d计算（平均每个掌子面按4000m3 /d），平导洞涌水量按4000m3 /d ，距离500m，高差1m，QZ大+QZ小=8000m3 /d 。

1）涌水量计算

Q=V*K

Q—涌-单个掌子面涌水量m3/h

K—安全系数1.2

（8000）÷24*1.2=400m3/h

2）每小时抽水量计算

Q排=V*S

Q—单根排水量m3/h

V—DN300mm水流速度3m/s

S—排水管截面积

K—安全系数1.2

Q=2*3600*3.14*（0.2/2）^2=678m3/h，

配置2趟排水管，可以满足涌水量的抽排需求。

3）扬程计算

H=H1+h

H—水泵总扬程，m；

H1—水泵净扬程；

h—管路损失扬程（查表得出管径200mm的PE管每米管路损失扬程3%）

H=550*0.03+7=23m

4）水泵功率计算

P=（ρ*g*Q*H）÷3600）/1 000/η

P—功率，kW；

ρ—比重，ρ=1 000，kg/m3；

Q—流量，m3/h；

H—扬程，按照1.2倍扬程考虑，m；

η—效率，按照70%考虑。

P=（1000*9.8*339.12*（23*1.2））/3600）/1 000/0.7=36.97KW

（四）临时集水坑到各泵站

1.概述

Y大掌子面临时排水至2#临时集水箱，此时涌水量：QY大；Z大掌子面临时排水至3#临时集水箱，此时涌水量：QZ大。

根据设计水文资料隧道涌水量的预测，此时排水主要考虑隧道左线大里程方向掘进里程在1200m时隧道涌水的抽排与隧道右线大里程方向掘进里程在1200m时隧道涌水的抽排，

2.水泵负荷的计算依据

左线大里程与右线大里程掌子面涌水由掌子面及仰拱的临时集水坑将水排至上一级的分级泵站，再进行分级接力排出洞外。掌子面临时排水坑配置1趟DN200mm的PE管作为排水管路，管路岩洞壁平顺铺设，不能影响施工设备通行。2#临时集水箱与Y大掌子面临时排水，距离1200m，高差1200*0.017=20.4m；3#临时集水箱与Z大掌子面临时排水，距离800m，高差800*0.017=13.6m。

3.水泵负荷的计算

由主线总涌水量12600m3 /d计算（平均每个掌子面按4000m3 /d），平导洞涌水量按4000m3 /d ，距离500m，高差1m，QZ大=QY大=4000m3 /d 。

1）涌水量计算

Q=V*K

Q—涌-单个掌子面涌水量m3/h

K—安全系数1.2

（4000）÷24*1.2=200m3/h

2）每小时抽水量计算

Q排=V*S

Q—单根排水量m3/h

V—DN300mm水流速度3m/s

S—排水管截面积

K—安全系数1.2

Q=1*3600*3.14*（0.2/2）^2=339.12m3/h，

左线大里程与右线大里程掌子面各配置1趟排水管，可以满足涌水量的抽排需求。

3）扬程计算

H=H1+h

H—水泵总扬程，m；

H1—水泵净扬程；

h—管路损失扬程（查表得出管径200mm的PE管每米管路损失扬程3%）

H=1200*0.03+20.4=89.26m

4）水泵功率计算

P=（ρ*g*Q*H）÷3600）/1 000/η

P—功率，kW；

ρ—比重，ρ=1 000，kg/m3；

Q—流量，m3/h；

H—扬程，按照1.2倍扬程考虑，m；

η—效率，按照70%考虑。

P=（1000*9.8*339.12*（56.4*1.2））/3600）/1 000/0.7=89.26KW

（五）总结

表 4.1-1计算结果一览表

参考文献

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