长水机场隧道大坡度斜井反坡排水设计与施工技术研究

1?工程概况

长水机场隧道位于长水机场及昆明南区间，进口里程为DK?701+170，出口里程为DK?709+940，全长8?770?m，其中暗挖段5?890?m，Ⅳ级围岩1?630?m、Ⅴ级围岩4?260?m，暗挖段Ⅳ、Ⅴ级围岩占比100?%；明挖段2?880?m，设计范围：DK?706+385~DK?707+240、DK?707+500~DK?709+355、DK?709+770~DK?709?+940。全隧设计除进口DK?701+170~DK?701+830段660?m位于平坡，其余均为单面下坡，坡度分别为–16.516?5?‰、 –3?‰、–7.8?‰、–2?‰。本隧设置1号、2号斜井，均采用双车道，无轨运输。1号斜井纵坡为10%，斜井中线与线路中心交于DK?702+200，斜井平长440?m。2号斜井井身X2DK0+030~X2DK0+225段纵坡为8.75?%，X2DK0+225~X2DK0+430段纵坡为11.5?%，斜井中线与线路中心交于DK?705+350，斜井平长430?m。

2?排水施工方案

明挖隧道段采用集水明排的方式，暗挖段隧道顺坡施工段利用坡度自然排水，仅在仰拱施工段安装污水泵进行抽排水。反坡施工段，除在仰拱施工段安装污水泵外，根据现场抽排水需要，分阶段安装一级或多级泵站，以满足作业面排水。1号、2号斜井开挖施工期间，采用集水坑接力抽排水方式；进入正洞后采用二级泵站抽排水，斜井中部缓坡位置水仓为二级泵站、正洞集水坑（水仓）为一级泵站。斜井及正洞掌子面均设置临时集水坑及移动水箱。

设计隧道排水DK?701+170~DK?701+950按照地下径流模数法计算，DK?701+950~DK?709+940段采用降水渗入法计算。按照汇水面积，根据设计图纸给出的最大涌水量表，按照相关比例法计算长水机场隧道各工作面排水情况，见表1。

表1?长水机场暗挖隧道排水统计

      

2.1?斜井集水坑接力式反坡排水

由于1号、2号斜井坡度较大，隧道涌水量较小。施工对排水电机扬程要求相对较高，采用集水坑反坡道排水方式。在隧道施工过程中按照每隔50?m一段开挖集水坑，设抽水机1台，接力把积水抽至最后一段反坡，最后一个抽水机将积水排至洞外污水沉淀处理池，经过处理后排入市政污水管网中，适用于斜井施工期间排水。

2.2?长距离管道配合小集水泵收集式反坡排水

隧道正洞坡度较缓，反坡道施工排水采用较长距离开挖固定式集水坑（水仓）作为泵站，在掌子面附近开挖临时集水坑，用小集水泵将开挖面的积水抽到最近的集水坑（水仓）内，再用大功率自动排水系统泵站，通过排水管道将水排到洞外。适用于正洞开挖及斜井衬砌施作完成后施工阶段。

这种方式的优点是所需抽水机较少，需要开挖的集水坑较少，排水泵站较少，1号斜井工区大里程、明洞工区大里程施工方向均需采用反坡排水。反坡排水采用移动潜水泵、水仓、泵站、水管等设施分级接力将水抽排至洞外，水仓容量约30?m3、泵站间距约500?m，泵站的抽排水设备能力按照2倍水量配置。

2.3?1号斜井工区排水方案

1号斜井X1DK0+000~X1DK0+440出洞为上坡， 为反坡排水。该施工段正洞以斜井与正洞交叉里 程DK?702+200为界限，向小里程方向（DK?702+200~ DK?703+738）为顺坡排水，钻爆施工。在掌子面或仰 拱施工段设临时集水坑并安装污水泵抽排至仰拱侧沟内自然流出。向大里程方向（DK?702+200~ DK?703+738）工作面正洞为反坡排水，悬臂掘进机开挖。反坡施工段除在掌子面和仰拱施工段安装污水泵外，根据现场抽排水需要，分阶段安装一级、两级接力泵站。采用大流量QW型移动式潜水泵，抽水设备能力按照最大涌水量1.2倍配置。在正洞内左侧设置水仓，正洞水通过水泵抽排入正洞水仓内，通过接力抽排方式将水抽至斜井口水仓，斜井口处采用大流量污水泵，逐级抽排至洞外。洞外采取净化措施，检验合格后排至城市管网。1号斜井工区隧道排水总体方案为2个阶段，有顺坡和反坡 排水。

2.3.1?第1阶段抽排水布置

第1阶段为1号斜井施工，斜井总长度为440?m，采取反坡排水。开挖过程中在掌子面设临时集水坑，根据要求在中间缓坡段设置水仓，用移动抽水泵将掌子面集水坑及临时泵站内水抽排至斜井缓坡段水仓内，分级抽排到斜井口水仓内，并排到洞外污水处理池，如图1所示。

      

图1?第1阶段抽排水布置示意

斜井已施工完成，铺底段根据实际情况设置横向截水沟（宽度0.3?m）和集水坑，尺寸（长×宽× 深1.2?m×1.2?m×0.6?m）。对铺底面出水截流引排。铺底设置双侧排水沟，左侧水沟尺寸（宽×深） 35?cm×20?cm，右侧水沟尺寸（宽×深）15?cm× 15?cm，对已支护段拱部及边墙出水引排。

2.3.2?第2阶段抽排水布置

第2阶段为辅助坑道（1号斜井）进入正洞分别向大小里程段开挖。其中小里程方向为顺坡排水，DK?701+200~DK?701+865正洞施工根据实际情况设置临时集水坑，利用移动抽水泵抽排水。

DK?701+865正洞小里程段施工期间，在DK?701+865、 DK?701+365里程段，利用余长电缆洞室位置设置水 仓，水仓尺寸依据施工图纸要求，尺寸为3?m×2.5?m× 4?m（长×宽×深）。掌子面出水和施工弃水利用坡 度自然排水至集水坑（水仓）内，最后将集水坑（水仓）内的水抽至污水处理池沉淀后，再通过排水沟排出。正洞大里程方向为反坡排水。分别在DK?702+365、DK?702+865、DK?703+365里程段利用余长电缆洞室位置设置水仓，水仓设置要求同上。掌子面积水采用集水坑收集积水，小集水泵用80?mm消防软管，将积水收集并输送至最近较大的集水箱内，将仰拱附近的积水排至集水坑，再通过潜水泵把掌子面及仰拱集水坑的水抽至泵站水仓，将水仓内的水抽至污水处理池沉淀后，通过排水沟排出。第2阶段抽排水布置如图2所示。

      

图2?第2阶段抽排水布置示意

2.3.3?水泵扬程计算

1号隧道斜井全长523.16?m，综合坡度10?%，总涌水量为47.61?m3/h。考虑斜井进入正洞后，还需承担后续施工排水，因此1号斜井工区排水总量=（斜井水量47.61＋正洞水量）×（1+20?%）（94.58+291.17）= 433.36×1.2=520.032?m3/h，最大高差为65.62?m，管道拟采用直径200?mm钢管计算。水泵扬程的计算方法为： H = h + L × K ，式中： K 为管道阻力换算扬程系数，根据管道直径及扬程选择一般每隔100?m损失3?m； L 为管道长度； h 为高差。斜井工区大里程方向按照两级泵站设置，一、二级泵站水泵的扬程为124.96?m，两级泵站的扬程大于124.96?m，保证管道出水口有一定压力，选取两级水泵的总扬程大于124.96?m。

2.3.4?水泵型号和数量确定

根据扬程、流量要求，从维修方便和备用水泵通用性考虑，综合隧道施工排水时间较长，选用MD 系列耐磨型卧式多级离心水泵，型号为MD?280–43×2， 流量为280?m3/h，扬程为86?m，功率为150?kW。每级泵站水泵数量 n = Q / q =520.032÷280=1.86≈2台；考虑设备的维修，备用2台水泵，检修2台，则每级泵站共安装6台水泵。

2.3.5?管道型号、规格及数量计算

直径200?mm钢管允许最大流量300?m3/h，允许最大水流速度 V =2.694?m/s。则管道数量为520.032?m3/h÷300=1.73≈2趟。考虑施工期间管路可能出现淤泥堵塞需清理，另外增加1路直径200?mm管道作为备用管路，1号斜井共设3路排水管路（表2）。

表2?管路最大流量限制 

      

综上所述，1号斜井工区每级泵站设型号为MD?280–43×2的MD系列耐磨型卧式多级离心水泵6台，总扬程为86×2=172?m>124.96?m，设3路直径200?mm钢管排水管路。

2.4?2号斜井工区排水方案

2号斜井X2DK0+000~X2DK0+430出洞为上坡， 为反坡排水。2号斜井施工段DK?703+738~DK?705+ 350，工作面正洞施工配备备用抽水设备，采用QW型移动式潜水泵，抽水设备能力按照最大涌水量1.2倍配置，洞内利用余长电缆腔洞室位置设置水仓。该里程段以斜井交叉正洞DK?705+350处向小里程方向施工，为顺坡排水，机械开挖。正洞水通过顺坡或水泵抽排入斜井口水仓，斜井口处大流量污水泵，抽排至洞外沉淀池内。2号斜井工区隧道排水总体方案为2个阶段，第1阶段2号斜井施工排水为反坡排水，第2阶段2号斜井工区正洞小里程施工为顺坡排水。

2.4.1?第1阶段抽排水布置

第1阶段为2号斜井施工。斜井总长度为430?m， 采用反坡排水。开挖过程中，在掌子面设临时集水坑，在中间缓坡段设置水仓，用移动抽水泵将掌子面集水坑及临时泵站内水抽排至斜井缓坡段泵站水仓内，分级抽排到斜井口水仓内，最后排到洞外污水处理池。第1阶段抽排水布置如图3所示。

      

图3?第1阶段抽排水布置示意

2.4.2?第2阶段抽排水布置

第2阶段为2号斜井进入正洞向小里程段开挖，为顺坡排水。斜井进洞至DK?704+865段施工，仅在每个工作面拟采用7.5?kW污水泵（扬程12?m，流量100?m3/h）和3?kW污水泵（扬程15?m，流量30?m3/h）进行配置，具体配置型号和数量根据工作面涌水量进行合理调整。水泵通过软管和闸阀，与固定钢管连 接，将掌子面和仰拱积水抽至已施作完毕的水沟内顺坡排水。随着隧道掘进的推进，分别在DK?704+865、DK?704+365里程段，利用余长电缆洞室位置设置水仓，水仓尺寸依据施工图纸要求，尺寸为3?m×2.5?m×4?m（长×宽×深）。将掌子面出水和施工弃水利用水泵抽排至水沟内，利用坡度自然排水至水仓内，最后将水仓内的水抽至污水处理池沉淀后，再通过排水沟排出。第2阶段抽排水布置如图4所示。

      

图4?第2阶段抽排水布置示意

2.4.3?水泵扬程计算

2号斜井工区水泵排水计算取DK?704+865段水仓至斜井口水仓计算，采用一级泵站排水。最大涌水量大于设计涌水量的20?%，则该工区涌水量为359.298?m3/h，最大高差为38.56?m，管道拟采用直径250?mm钢管计算。2号斜井工区按照一级泵站设置，泵站水泵的扬程大于66.01?m。

2.4.4?水泵型号和数量确定

根据扬程、流量要求，从维修方便和备用水泵通用性方面考虑，综合隧道施工排水时间较长， 选用MD系列耐磨型卧式多级离心水泵，型号为 MD?280–43×2，流量为280?m3/h，扬程为86?m，功率为 110?kW。每级泵站水泵数量 n = Q / q =359.298÷280= 1.28≈2台；考虑设备的维修，备用1台水泵，检修1台，则每级泵站共安装4台水泵。

2.4.5?管道型号、规格及数量计算

?250?mm钢管允许最大流量为480?m3/h，允许最大水流速度 V =2.72?m/s。则管道数量为359.298?m3/h÷ 480=0.748≈1趟。考虑施工期间管路可能出现淤泥堵塞需要清理，增加1路直径250?mm管道作为备用管路，2号斜井工区共设2路排水管路。

2.5?出口工区排水方案

出口工作面施工段暗挖段里程为DK?709+355~ DK?709+770，由大里程向小里程方向施工，顺坡排水，钻爆施工。顺坡排水施方式同上（图5）。

      

图5?出口工作面排水平面布置示意

2.6?水管托架设计

由于直径200?mm排水管重量较重，加上水的重量，每米约60.56?kg，考虑水泵启停造成的动载荷。选用结构强度高的型钢托架对管道进行支撑。本标段拟选用L50×50×4?mm角钢焊制托架，层间距0.5?m，采用膨胀螺栓安装在衬砌混凝土上，沿隧道纵向每隔6?m布设1个。稳管钢丝绳沿隧道每隔100?m布设2根，每根钢丝绳长6?m，其中一端连接在钢管焊制专用拉环上，另一端系在地锚上。

2.7?泵站电力供应配置

根据排水总量、斜井坡度及市场调研的抽水设备情况，综合考虑经济因素。1号斜井段抽排水采用分级抽排方案，1号斜井段共设置7座排水泵站。2号斜井段抽排水采用分级抽排方案，2号斜井段共设置3座排水泵站。

3?隧道防涌水淹井措施

（1）严格按照排水专项方案实施，遵循预防为主，排堵结合的原则。

（2）技术人员查阅设计图纸及相关地质资料，分析地质及地下水系发育情况。采取相应的超前地质预报措施，包括但不限于掌子面地质扫描、TSP、红外线探水、超前探孔、地质雷达等措施。

（3）安装斜井安全预报警系统，自动监控隧道内水位变化速率，发出预报警信号提醒作业人员，发出控制信号自动控制泵组启停。

（4）采取相应的预防措施，防止淹井事故发生。各工区应提前准备人力、物力、财力，编制应急物资清单；涌水量较大的作业面，水泵严格按照“一用一备一检修”的原则配置；供电采用双电源，一路在用，一路备用。适当加大斜井底部一级泵站水仓有效容积，进水口标高要低于该区段水沟，以便于水仓进水和缓冲突发涌水。

（5）若发现有淹井先兆，在确保施工人员生命安全的情况下，积极抢险，防止事故进一步扩大；若险情特别紧急，必须立即停止施工，现场值班领导、领工员、班组长或值班安全员，要立即组织人员、机械迅速撤离危险区域；若洞内有无法迅速撤离的机械设备，则以保证生命安全为主。

4?结束语

本研究基于长水机场隧道，对其大坡度斜井反坡排水设计与施工技术进行了研究，得出如下结论。

（1）根据现场抽排水需要，分阶段安装一级或多级泵站，以满足作业面排水。1号、2号斜井开挖施工期间，采用集水坑接力抽排水方式；进入正洞后采用二级泵站抽排水，斜井中部缓坡位置水仓为二级泵站、正洞集水坑为一级泵站。斜井及正洞掌子面均设置临时集水坑及移动水箱。

（2）出口工作面施工段暗挖段里程为DK709+355~DK709+770，由大里程向小里程方向施工，顺坡排水，钻爆施工。

（3）经实践证明，排水方案安全、合理、有效、可靠，没有因排水不及时，或不能排水对后续工程施工产生影响，提高了在大坡度斜井大流量反坡条件下隧道排水的施工水平。