浅谈隧道辅助坑道反坡排水

摘要:长大隧道的辅助坑道排水对隧道施工产生重大影响。本文以某隧道辅助坑道在隧道施工中的排水设计和应用为例，说明在大坡度反坡隧道中如何确定排水方案。

关键词:辅助坑道 反坡 排水

中图分类号：S276 文献标识码：A

1.前言

随着交通的迅速发展，隧道以其对环境影响较小，在山区交通中越来越多，长大隧道也不断涌现。长大隧道施工不可避免的必须使用辅助坑道来加速施工进度。对于涌水量较大的隧道，辅助坑道的反坡排水则是一个隧道施工中的重要的问题。

2.工程概况

某隧道全长6269m，是线路重点、难点和控制性工程。为解决工期压力，设置斜井一座，该斜井以12.9%的斜向下的坡度开挖，全长400米，60度角相交于隧道正洞。隧道地质构造发育，构造线的展布方向主体为北东向，少部呈近东西向展布。隧区主要为寒武系高台组白云岩，节理裂隙发育，基岩裂隙为大气降水、径流汇聚渗漏于隧道内提供了条件。因此隧道抽排水能力成为隧道施工安全的关键。

3. 汇水及涌水量计算

3.1 洞外汇水量计算

3.1.1 生活区汇水量计算

由现场踏勘及大比例尺地形图得周围汇流面积F=0.5km2；

本汇水地区处于山岭区，平均坡度60°，则地貌系数φ=0.13；

该省暴雨分区为第10区，则设定设计洪水频率取1/25；

根据本地地表覆盖层主要为黏土，或水稻土，则吸水类属为Ⅲ；

根据流域面积F，得出其汇流时间为30min；

综合上述，其径流厚度h=35mm

拦蓄厚度Z=15mm；洪峰传播折减系数β=1；降雨不均匀折减系数γ=1

上游无湖泊，其湖泊调节折减系数δ=0.99

由Qp=φ（h-Z）3/2F4/5βγδ得

Qp=0.13×（27-15）3/2×0.54/5×1×1×0.99=3.07m3/s

结论：生活区汇水量为3.07m3/s。

3.1.2 洞外拉槽汇水量计算

洞外拉槽长150m，宽20m，则汇水面积A=3000m2；

根据《当地基本气候情况》可以查出，其最大降水量在6月，降水天数为16.5d，平均降水量为225.7mm，则可以得出：

Q最大=225.7÷1000÷16.5÷24×3000=1.7m3/h

结论：洞外拉槽汇水量为1.7m3/h。

3.2 洞内涌水量计算

3.2.1 辅助坑道涌水量计算

经对隧址区水文地质条件的调查、结合区域水文地质资料的综合分析，大气降水、地表水的直接入渗是地下水的主要补给来源。隧道仅穿越一个含水岩系，地下水位不一，地下水渗透性亦存在一定差异。因此，本次根据隧址区地形地貌、地层岩性、构造及水文地质条件等进行隧道涌水量预算，隧道各段涌水量采用大气降水入渗法和地下水径流模数法进行预测对比。

（1）大气降水入渗法

根据隧址区水文地质条件、地层岩性及含水层特征对其进行分段计算，计算公式：

Q=2.74a×W×A

Q—隧道正常涌水量（m3/h）；

A—汇水面积（km2），根据隧道地下水汇水范围，在1：1万地形地质图上量测；

W—年平均降雨量（1371.94mm）；

—入渗系数，根据区域数据采用经验值。

计算结果： Q正＝71m3/h。Q最大＝178m3/h。见下表。

大气降水入渗系数法计算参数及计算结果表

（2）地下水径流模数法

计算公式：Q = 86.4×M×A

其中：M——为地下水径流模数（l/s.km2)，按年平均径流模数计算，

A——为隧道通过含水体的地下汇水面积(km2)。

计算结果：Q正＝41m3/h，Q最大＝101m3/h，见下表。

地下水径流模数法计算参数及计算结果表

经综合比较，推荐斜井隧道正常涌水量Q＝71m3/h，雨洪期最大涌水量Q=178m3/h。

结论：辅助坑道正常涌水量Q＝71m3/h，雨洪期最大涌水量Q=178m3/h。

3.2.2 隧道斜井正洞涌水量计算

（1）大气降水入渗法

根据隧址区水文地质条件、地层岩性及含水层特征对其进行分段计算，计算公式：

Q=2.74a×W×A

Q—隧道正常涌水量（m3/h）；

A—汇水面积（km2），根据隧道地下水汇水范围，在1：1万地形地质图上量测；

W—年平均降雨量（1371.94mm）；

—入渗系数，根据区域数据采用经验值。

计算结果： Q正＝104m3/h。Q最大＝260m3/h。见下表。

大气降水入渗系数法计算参数及计算结果表

（2）地下水径流模数法

计算公式：Q = 86.4×M×A

其中：M——为地下水径流模数（l/s.km2)，按年平均径流模数计算，

A——为隧道通过含水体的地下汇水面积(km2)。

计算结果：Q正＝59m3/h，Q最大＝148m3/h，见下表。

地下水径流模数法计算参数及计算结果表

经综合比较，推荐斜井隧道正洞正常涌水量Q＝104m3/h，雨洪期最大涌水量Q=260m3/h。

结论：正洞正常涌水量Q＝104m3/h，雨洪期最大涌水量Q=260m3/h。

4.高差计算

4.1 二级排水高差计算：

XJ2K0+400～XJ2K0+200段200×12.8%=25.6m

XJ2K0+200～XJ2K0+000段200×12.8%=25.6m

4.2 一级排水高差计算：

XJ2K0+400～XJ2K0+000段400×12.8%=51.2m

结论：一级排水高差51.2m，二级排水高差①25.6m、②25.6m。

5、水泵选型

根据水泵扬程损耗计算原则，水平长度每增加20m，则扬程需增加1m，计算得出：

一级排水扬程=400÷20+51.2=71.2m；

二级排水扬程①=200÷20+25.6=35.6m；

二级排水扬程②=200÷20+25.6=35.6m。

由涌水量计算得出：

1号集水仓最大水量为：89 m3/h+1.7 m3/h

Q=1.2q

Q=108.84 m3/h

扬程为15m

结合现有水泵条件选型为b型水泵1台；

2号集水仓最大水量为：89 m3/h

Q1=1.2q

Q1=106.8 m3/h

正常水量为35.5 m3/h

Q2=1.2q

Q2=142.6 m3/h

扬程为25.6m

结合现有水泵条件及考虑正常水量和最大水量后，选型为c型水泵2台。正常涌水状态下只开1台；

3号集水仓最大水量为：70 m3/h+260 m3/h

Q=1.2q

Q= 396m3/h

正常水量为35.5 m3/h +104 m3/h

Q2=1.2q

Q2=167.7 m3/h

扬程为51.2m

结合现有水泵条件及考虑正常水量和最大水量后，选型为c型水泵2台；正常涌水状态下只开1台；

根据隧道涌水量计算、排水扬程计算和排水总体方案，可得到水泵配置情况：

水泵配置情况表

6、集水仓容量计算

6.1 ③号集水仓容量：

泵站水仓容量按10min最大涌水量考虑：

（260+89）÷60×10=58.2m3

设计水仓尺寸6m×5m×2m，容量60m3；

6.2 ②号集水仓容量：

泵站水仓容量按10min最大涌水量考虑：

（89+149）÷60×10=39.7m3

设计水仓尺寸5m×5m×1.6m，容量40m3；

6.3 ①号集水仓容量：

泵站水仓容量按10min最大涌水量考虑：

（89+149+1.7）÷60×10=40m3

设计水仓尺寸6m×8m×1m，容量48m3。

由于主洞内排水经由③号集水仓汇集，特将③号集水仓布置图设置如下：

交界口平面排水示意图 交界口断面排水示意图

7、水泵设置

排水水泵设置

根据隧道涌水量计算、排水扬程计算和排水总体方案，水泵设置如下：

①号集水仓设置水泵为b型1台；

②号集水仓设置水泵为c型2台；

③号集水仓设置水泵为a型2台。

8、排水方案

8.1 洞外排水方案

8.1.1 生活区排水方案

生活区排水以截水为主，在生活区挖宽度1m，深度0.8m的水沟，水沟接入自然沟渠，防止山体冲沟的水流入生活区；生活区内设置水沟均接入水沟。

8.1.2 洞外拉槽排水方案

在洞外拉槽两侧设置20cm×20cm水沟，及80cm×40cm横向路面拦水沟，将水汇入①号集水仓中，使用b型水泵排出。

8.2 洞内排水方案

8.2.1排水管径计算及选型

根据公式4Q=vπd2

Q：为水泵流量m3／h，最大排水量为（最大涌水量）260m3／hV：水流速度m／s，d：管道公称直径mm

水的流速一般按照经济流速计算：管径（mm） DN＜250 250≤DN≤1000 1000≤DN≤1600 DN≥1600进水管流速（m/s） 1.0～1.2 1.2～1.6 1.5～2.0 1.5～2.0出水管流速（m/s） 1.5～2.0 2.0～2.5 2.0～2.5 2.0～3.0

Q=260m3／h（最大涌水量）

V1=1.2m／s V2=2.0 m／s

得出d1=277mmd2=214mm

Q=104m3／h（一般涌水量）

V2=2.0 m／s

得出d3=136mm

故排水管选型为2条φ150，一般涌水量时用一条水管排水，最大涌水量时2条管同时使用。

出水管道均为无缝钢管，钢管长度每节不小于6m，钢管承压不小于2MPa,每趟管路每4m采用Φ22钢筋和角钢加工支撑于边墙处，管路每100m设置闸阀和止回阀，并预留抽排水口，以备排大水时使用。

8.2.2排水方案

8.2.2.1 正常涌水量情况下排水方案

隧道正洞DK555+416～DK556+368段涌水与斜井XJ2K0+000～XJ2K0+200段涌水汇集至③号集水仓，使用③号集水仓中的a1型水泵直接抽出洞外排放；

斜井XJ2K0+200～XJ2K0+400段涌水汇集至②号集水仓，使用②号集水仓中的c1型水泵抽到①号集水仓中，再使用①号集水仓中的b型水泵把从②号集水仓中抽来的水与洞口拉槽汇集的水抽到洞外水沟中排放。

③号集水仓a1洞外排水沟

②号集水仓c1①号集水仓b洞外排水沟

8.2.2.2 最大涌水量情况下排水方案

隧道正洞DK555+416～DK556+368段涌水与斜井XJ2K0+000～XJ2K0+200段涌水汇集至③号集水仓，使用③号集水仓中的a1、a2型水泵直接抽出洞外排放；

斜井XJ2K0+200～XJ2K0+400段涌水使用②号集水仓中的c1、c2型水泵一起抽到①号集水仓中；再使用①号集水仓中的b型水泵把从②号集水仓中抽来的水与洞口拉槽汇集的水一同抽到洞外水沟中排放。

③号集水仓a1、a2洞外排水沟

②号集水仓c1、c2①号集水仓b洞外排水沟

9.结束语

经实践证明，该隧道在使用此施工方案后，在施工过程中经过了当地雨季的考验，隧道内无明显积水，给施工带来了方便，同时减小了安全隐患，提高了施工效率，得到了各级领导的广泛好评。

作者简介：

张茂松(1987-01)男，大学本科，助理工程师

杨金龙(1985-09)男，大学本科，工程师