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摘 要： 摘要:針對新建衢寧鐵路慶元隧道銀坑斜井強富水的特點，本文從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，提出采用兩階段排水技術(shù)方案:第一階段為斜井井身段，通過小功率水泵接力排水;第二階段為進(jìn)正洞施工段，采用小功率水泵集水，大功率座泵一次泵送出洞排水，成功實現(xiàn)以低成本投入解
摘要:針對新建衢寧鐵路慶元隧道銀坑斜井強富水的特點，本文從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，提出采用兩階段排水技術(shù)方案:第一階段為斜井井身段，通過小功率水泵接力排水;第二階段為進(jìn)正洞施工段，采用小功率水泵集水，大功率座泵一次泵送出洞排水，成功實現(xiàn)以低成本投入解決富水斜井反坡排水的難題。通過總結(jié)方案的優(yōu)勢與缺陷，為未來類似的長大斜井反坡排水施工提供經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞:斜井,反坡排水,兩階段排水,經(jīng)濟(jì)性,環(huán)保
在長大隧道施工過程中通常設(shè)置斜井增加施工工作面，而對于長大斜井而言，施工期間的排水是重要工序之一，它直接影響斜井進(jìn)正洞的施工組織和管理，合理的排水系統(tǒng)是實現(xiàn)隧道快速施工、保障施工安全的重要措施[1]。
本文通過對新建衢寧鐵路慶元隧道銀坑斜井施工期間抽排水系統(tǒng)的設(shè)置與應(yīng)用進(jìn)行論述，為山嶺隧道中長大斜井反坡排水施工的經(jīng)濟(jì)性與合理性提供經(jīng)驗與教訓(xùn)，更好地解決斜井排水施工問題，為隧道創(chuàng)造安全的施工環(huán)境。
1工程概況
新建衢寧鐵路慶元隧道位于浙江省慶元縣竹口鎮(zhèn)，隧道全長11291.6m，設(shè)2座斜井，其中銀坑斜井地處竹口鎮(zhèn)田邊，斜長1988m，位于線路前進(jìn)方向左側(cè)，與線路正交于DK204+290里程處，井身綜合坡度6.5%，采用無軌運輸雙車道斷面。銀坑斜井進(jìn)正洞施工包括進(jìn)口方向1050m，設(shè)置為4‰的反坡施工;出口方向1120m，順坡施工。
2地質(zhì)、水文情況
慶元隧道圍巖為侏羅系上統(tǒng)南園組凝灰?guī)r、凝灰熔巖，屬硬質(zhì)巖，巖體較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育，總體穩(wěn)定性較好。隧道地下水類型有松散巖類孔隙潛水、基巖風(fēng)化層孔隙裂水、凝灰?guī)r裂隙水及構(gòu)造裂隙水。由于山體切割強烈，溝谷縱橫，地下水徑流較短，受大氣降雨影響較大。其中斜井井身地下水主要為基巖裂隙水，弱發(fā)育，洞身局部為構(gòu)造裂隙水，發(fā)育，預(yù)測正常涌水量為325m3/d;進(jìn)正洞大里程施工段有F2斷層帶，采用降水入滲法和地下水動力解析法對隧道涌水量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如下。
3反坡抽排水方案
3.1總體方案
以經(jīng)濟(jì)性和實用性作為方案建立的原則，綜合考慮采用兩階段排水方法。
(1)慶元隧道銀坑斜井井身段施工為反坡排水施工，如有涌水發(fā)生，則就近設(shè)置集水坑，采用移動潛水泵收集掌子面和集水坑的積水，再通過箱式移動泵站排出洞外，如掌子面發(fā)生大量涌水，則啟用斜井井身中間位置的應(yīng)急箱式中轉(zhuǎn)泵站。
(2)施工進(jìn)入主洞后為雙向施工，在井底設(shè)置固定排水泵站:主洞往進(jìn)口方向DK204+290～DK203+240為反坡施工，該段排水采用移動泵站將水抽排至斜井與主洞相交處泵站水倉，再通過動力泵送將洞內(nèi)水抽排至斜井洞外污水沉淀池匯入洞外排水系統(tǒng);主洞往出口方向DK204+290～DK205+410為順坡施工，隧道排水采用順坡自然引排，當(dāng)掌子面或仰拱施工過程中出現(xiàn)散水時，設(shè)置臨時集水坑，用小型抽水機抽排至隧道兩側(cè)水溝順坡排到斜井與主洞相交處泵站水倉，再通過動力泵送將洞內(nèi)排水抽排至斜井洞外匯入洞外排水系統(tǒng)。
3.2第一階段(斜井井身段)排水
第一階段排水為斜井1988m反坡排水施工，施工用水及隧道出水由斜井抽排至洞外。
(1)由于銀坑斜井設(shè)計涌水量為13.54m3/h，涌水量較小，故采用臨時泵站接力排水。在掌子面附近及后方一定間距設(shè)置鋼制水箱作為臨時泵站，采用小功率移動水泵抽掌子面水至第一個移動泵站，再接力送至洞外;如有涌水發(fā)生，則就近設(shè)置集水坑匯水，再用移動水泵抽排積水至泵站排至洞外。
(2)管路設(shè)置。建井期間，在進(jìn)井方向的右側(cè)安裝2條φ200鋼管排水管路，正常水量時，只使用1條管路，另一條φ200mm的高壓風(fēng)管為備用。管路每200m設(shè)置一個減壓閥和清淤孔，防止污水對管路或水泵造成損壞。洞口200m以及洞外范圍內(nèi)，排水管采取與高壓水管相同的保溫措施，避免因冬季氣溫低，將管路凍結(jié)。排水管路接入污水處理池，經(jīng)處理后排放。
(3)臨時接力泵站設(shè)置。在靠近掌子面50m的位置設(shè)置一個箱式移動泵站，隨掌子面的前進(jìn)向前推移。水箱由5mm厚鋼板焊接而成，容量約7m3(寬1.5m，長3m，高1.5m)，采用多臺50WQ18-40-4移動水泵收集掌子面水至移動泵站。后方間隔500m設(shè)置箱式臨時泵站，規(guī)格同掌子面附近移動泵站，每個水箱上方固定兩臺100JYWQ50-35-11潛水電泵，接力排水至洞外。
(4)應(yīng)急中轉(zhuǎn)泵站。為防止因掌子面大量涌水而引起洞內(nèi)積水，在銀坑斜井井身中間位置(XDK0+950附近)設(shè)置一處固定應(yīng)急中轉(zhuǎn)泵站:采用一個容量約16m3(寬1.5m，長7m、高1.6m)的水箱，在其邊上固定三臺100D-16X離心式清水泵組成中轉(zhuǎn)泵站。如若斜井井身施工階段發(fā)生大量涌水，則啟用中轉(zhuǎn)泵站加速抽排水。
(5)水倉清淤。采用5mm鋼板加工一個上開口的水箱安放在農(nóng)用車上。將高壓風(fēng)管插入沉積有泥砂的水倉內(nèi)，將泥砂與水?dāng)嚢瑁媚酀{泵將泥砂吸入水箱，運至洞外碴場。
3.3第二階段(進(jìn)正洞段)排水
第二階段排水為銀坑斜井進(jìn)入慶元隧道正洞施工后的排水。雖然在施工至正洞設(shè)計的涌水段時，會提前采取超前預(yù)注漿等措施減少涌水量，但工程中的風(fēng)險往往不能完全避免，正洞施工仍需要考慮發(fā)生一次最大涌水后的抽排水能力[2]。進(jìn)入主洞后，在斜井井底XDK0+040附近開挖一個集水洞室，在洞室內(nèi)設(shè)置固定的排水泵站，倉內(nèi)積水經(jīng)沉淀、過濾后抽排至洞外。慶元隧道出口方向為順坡排水，直接通過兩側(cè)邊溝將水匯流至井底泵站水倉;慶元隧道進(jìn)口方向為反坡排水，采用移動泵站將水抽排至井底泵站水倉;泵站設(shè)置多臺單級大流量離心泵抽水至洞外沉淀池中，污水沉淀過濾后，清水最后排入洞外河道中。
3.3.1泵站及排水管路配置依據(jù)銀坑斜井井身涌水段采取徑向注漿堵水后，整體涌水總量為900m3/d;正洞往出口方向DK204+290～DK205+410段設(shè)計正常涌水總量為10981m3/d。根據(jù)設(shè)計文件考慮施工期間的涌水段為逐步揭露及突涌水情況的發(fā)生，施工期間的斜井及進(jìn)正洞大小里程方向最大總涌水量考慮為11881m3/d，即495.04m3/h。
計劃泵站設(shè)在距井底40m位置處，那么，銀坑斜井井口與井底預(yù)設(shè)泵站位置平面長度為1943m，管道長度1947m，垂直高差130.52m，根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)市場的大型排水設(shè)備揚程能一次將慶元隧道匯水排出洞外，故按一級排水進(jìn)行泵站布置。圖1銀坑斜井泵站水倉洞室圖圖2銀坑斜井井底泵站變壓器洞室圖井身段排水管路:在原有(2趟φ200mm管)基礎(chǔ)上增加1趟φ150mm焊接鋼管，管路設(shè)置坡度為6.7%。正洞小里程方向排水管路:因設(shè)計無出水，設(shè)置1趟φ100mm焊接鋼管，滿足施工排水。
3.3.2泵站座泵選型及水力計算
選用D280-43×4型水泵，在流量Q=495m3/h時，管路損失計算過程如下:V=Q/F=Q/tπr2=495÷2÷(3.14×0.01×3600)=2.19m3/s;V2/2g=2.19÷(2×9.81)=0.112m/s;H沿?fù)p失=λ×L/D×V2/2g=0.02×1947÷0.2×0.112=21.81mH局損失=(止回閥4個，約1%;90°彎頭1個，約3%)=130.52×4%=5.22mH總損失=21.81+5.22=27.03m其中V:流速，Q:流量，F(xiàn):管路截面積，λ:沿程阻力系數(shù)，L:管路長度，D:管路直徑。考慮排水管淤積所增加阻力，將計算的管道損失增加70%。27.03×(1+70%)=45.95m根據(jù)以上計算，水泵揚程應(yīng)大于130.52m+45.95m=176.47m，系列多級離心泵通用產(chǎn)品，適合本工程排水用。選用4臺D280-43×5型泵，流量Q=335m3/h時，揚程H=190m，功率250kw，效率75%，能滿足要求。
2臺同時工作，1臺備用，1臺檢修，每條管路每天可排水:335m3/h×24h×2×75%=12060m3，高于日最大涌水量11881m3。
3.3.3正洞水泵選擇
銀坑斜井井底DK204+290～DK203+240段正洞在施工過程中為反坡排水，坡度為-4.0‰，斜井底至最長開挖面高差為4.4m，設(shè)計無出水，如遇突發(fā)涌水，則考慮在此段涌水點設(shè)置積水坑，配置多臺100WQ-100-30-15型號，流量Q=100m3/h時，揚程H=30m，功率P=15Kw的潛污泵即可將水抽排至井底水倉。銀坑斜井進(jìn)正洞DK204+290～DK205+410段為4.0‰的上坡，此段最大涌水10981m3/d，在仰拱端頭設(shè)置積水坑配置3臺100WQ-100-30-15型號，流量Q=100m3/h時，揚程H=30m，功率P=15kw的潛污泵即可將抽排至后部施工段水溝，順坡自流至斜井水倉。
3.3.4泵站水倉設(shè)計
預(yù)計最大設(shè)計涌水量為11881m3/d，水倉容量按15min的應(yīng)急匯水存量設(shè)計，15min的最大匯水量為123.76m3。在斜井XDK0+040處面向井底右側(cè)按6m×7m×3m=126m3(詳見圖1)開挖泵站水倉。
3.3.5供電方案及應(yīng)急供電方案
由于抽水機都是大功率用電設(shè)備，洞內(nèi)供電采用50平方高壓電纜將洞外10KV高壓電引入洞內(nèi)，根據(jù)以上抽水機的配置抽水站需配置兩臺800KVA的變壓器。設(shè)計在斜井XDK0+030處面向井底左側(cè)有一處強電設(shè)備洞室，施工期間可加以利用安放變壓器。(詳見圖2)當(dāng)網(wǎng)電停電后，應(yīng)急電源的能力應(yīng)能夠滿足排水、洞內(nèi)照明需要，洞內(nèi)必須保證2臺250KW離心泵、5臺11KW污水泵抽水，排水用電功率為555KW，照明15KW，共計570KW，根據(jù)以上計算，洞內(nèi)設(shè)置雙回路電源，備用1臺800KW的柴油發(fā)電機作為應(yīng)急電源。
由于停電后通風(fēng)機無法工作，洞內(nèi)沒有新鮮空氣供應(yīng)，因此800KW柴油發(fā)電機只能設(shè)置在洞外，通過洞外800KVA變壓器向洞內(nèi)變壓器反送電。3.3.6其它將斜井井身設(shè)置的臨時泵站水箱集中至集水倉旁，合并為兩個長7m×寬1.5m×高2m的清水倉，污水排至集水倉初步沉淀，由小功率水泵抽至清水倉，再通過大功率水泵一次性泵至洞外。
3.4排水平面布置圖見圖3《銀坑斜井排水平面布置圖》。
4抽排水保證措施
(1)由專業(yè)隊伍進(jìn)行現(xiàn)場排水管理和實施，管路安裝必須平、直、順，并且彎度平緩，避免轉(zhuǎn)銳角彎，以減小管路沿程阻力和局部阻力，并且要加強日常維修和管理。
(2)配備專職抽水人員，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場抽水機進(jìn)行管理和保養(yǎng)。
(3)電工必須定期檢查、維護(hù)抽水機，及時發(fā)現(xiàn)和解決故障，保證抽水機正常運轉(zhuǎn)。
(4)為保證抽水設(shè)備的運轉(zhuǎn)不受隧道內(nèi)其它用電設(shè)備的影響，設(shè)置專用抽水線路，并配套合適的供電設(shè)備。
(5)要求管路接頭處必須處理好，不得漏水，并加強對管路的保護(hù)，避免因機械或人為損壞。
(6)銀坑斜井洞口河道下游設(shè)有地方飲用水取水口，需在洞口建立污水處理系統(tǒng)，將洞內(nèi)排除的污水處理達(dá)標(biāo)后排放。
(7)建立抽排水安全保證體系，設(shè)置應(yīng)急預(yù)案，并加強相關(guān)人員安全培訓(xùn)。
5實施效果評估
新建衢寧鐵路慶元隧道銀坑斜井在施工過程中落實兩階段排水方案，整體上以低成本投入解決了該長大富水斜井的反坡排水問題，但存在一定的不足:在施工過程中，設(shè)計上無涌水的正洞小里程方向突發(fā)強涌水，因前期方案中未考慮此因素，造成一定的安全隱患;雖然通過將第一階段排水中備用的三臺100D-16X水泵增設(shè)至井底泵站，并在正洞小里程方向增鋪兩趟φ150mm排水管路解決此隱患，但折射出方案的欠缺。
6總結(jié)與展望
6.1總結(jié)
按照本排水方案設(shè)置，能夠應(yīng)對洞內(nèi)富水?dāng)鄬訋в克耙恍┩话l(fā)涌水，具有實用意義。正洞排水合理選擇設(shè)備，實現(xiàn)一級排水，減少資源損耗;井底鋼板水箱做清水池替代開挖洞室等，節(jié)省資源達(dá)到經(jīng)濟(jì)性需要;同時本斜井一級泵站安裝有自動控制系統(tǒng)，大大減輕人力資源投入。進(jìn)洞施工前除考慮設(shè)計出水量外，需提前考慮可能出現(xiàn)的突發(fā)涌水，提前預(yù)留備用排水管路，并儲備包括中小型抽水泵，集水鋼板水箱，初期支護(hù)拱架等在內(nèi)的應(yīng)急物資材料，避免后期遭遇緊急情況增加資源投入。
6.2展望
在鉆爆項目的土建施工過程中，產(chǎn)生廢水污染容易引起水體富氧化，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，“環(huán)境保護(hù)、水土保持”的理念愈發(fā)深入人心，可以預(yù)見，在未來的基礎(chǔ)土建施工領(lǐng)域，環(huán)水保將被列入施工管理，成為必不可少的一部分。本次案例中的銀坑斜井，洞口河流水質(zhì)為飲用水Ⅰ類，下游設(shè)有地方自來水廠取水口，洞內(nèi)抽排出的污水極易對河道造成污染;通過采取增加沉淀池級數(shù)、在沉淀池投放化學(xué)藥劑、污水經(jīng)大型壓濾設(shè)備過濾、河道修筑多座濾水堰壩等措施，可以作為未來基礎(chǔ)建設(shè)市場的參考。
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