长距离、大排量、高扬程隧道反坡排水施工技术

长距离、大排量、高扬程隧道反坡排水
施工技术
摘要在富水长大隧道施工中，反坡排水一直是困扰着施工管理及技术人员的一个难题，反排系统的设计及运维管理是否合理直接影响隧道掘进的工效及本身的经济性，本文依托工程实例，详细阐述了涌水量较大的隧道施工中遇到反坡排水距离长、坡度大、扬程高等特的相关设计构思及实践效果，为类似隧道工程施工提供可借鉴经验。

关键词隧道扬程反坡排水
1 工程实例概况
中老昆万铁路玉磨段大金山隧道全长10657米，属于全线控制性工程之一。

设计为单洞双线隧道，线间距为4.2～5.0米，隧道纵坡为单面上坡，最大纵坡为22.8‰，该隧道最大埋深431米。

地质复杂，地下水丰富且伴有段落性涌水，安全风险高。

全隧共设两座辅助斜井及进、出口四个作业工区，其中2#斜井全长872米，纵坡为9.8%下坡，该工区小里程1670米正洞作业面均为反坡排水，也是该隧道反坡排水距离最长、抽排扬程最高、排水量相对较大的工区。

2 反坡排水构思选定
2.1 总体方案思路
1.反坡抽排能力满足工区所有施工作业面及斜井涌水、渗水、施工废水总和的1.2倍考虑。

2.反坡抽排遵循“机械方式、多级泵站、梯级排水”的原则；大里程顺坡段采用隧道中心排水沟自然引流至总泵站处汇集并统一抽排。

3.施工掌子面、仰拱等积水、采用潜水泵抽至就近过渡泵站，再将水经管道抽排至前一级泵站或总泵站内，如此接力抽排至洞外沉淀池，净化处理后排放。

4.移动泵站、中间泵站水泵选型原则“小功率、大排量、低扬程”；总泵站水泵机组选型原则“低磨耗、大功率、高扬程”。

5.总泵站机组需按工作泵、检修泵、备用泵等并联设计，工作泵及检修泵采用同等型号水泵，备用泵的数量按工作泵的70%考虑。

2.2 确定设计参数
1.反坡排水量:该工区隧道正洞施工段涌、渗水量根据施工图纸设计专册查明约为21120m³/d；斜井段约为500m³/d；总泵站抽排能力按1.2倍总涌、渗水量设计，即Q排=25944m³/d。

2.管道长度：总泵站规划在斜井交正洞下游50米位置处，其中斜井长度L斜=872m；正洞小里程段施工长度L正=1670m；沉淀池位于斜井洞口30m位置。

确定主管道长度L=952m。

3.隧道正洞纵坡为22.8‰，斜井纵坡为9.8%。

3 反坡抽排方案设计
3.1 主管道设计选型
本着“经济适用、维保方便”原则，所有排水管道均选用钢管，根据经验值钢管经济流速一般在1.5m/s～3.0m/s,本案例取2.5m/s。

管道截面积根据公式Q=A·υ计算，求得管道理论截面积：
A：管道截面积(m²)
Q：抽排流量(m³/s)
υ:排水流速(m/s),取2.5m/s
考虑经济实用性和管道沿程阻力影响，按两根管道并联布设。

根据常用排水管道参数查得：DN300截面积为0.077m²；DN250截面积为0.053m²，两者相加等于0.13m²略大于理论管道截面积，管道型号选取合理。

3.2 总泵站（主管道）抽排扬程计算
配备水泵需考虑抽水高差及沿程水头损失，实际扬程H=h1+h2，其中：h1为洞外管道出水口与总泵站进水口高程之差；h2为水头损失。

3.2.1 斜井段扬程计算
L：总泵站管道长度，取斜井长度（872m)
i:坡度，9.8%
3.2.2 水头损失计算
1.计算均匀流沿程水头损失hf的基本公式-达西公式
λ：水管摩阻系数，考虑管道为钢管且为污水，参数取0.02
L：总泵站管道长度，取斜井长度（872m)
d：管道内径，取较大的单根计算（m）
υ:排水流速(m/s),取2.5m/s
g: 重力加速度值，取9.8m/s²
2.计算局部水头损失
排水管道中设置的闸阀、弯头、管道并联转换区域均会造成局部水头损失，但相对损失较小，可根据经验计算取值，本案例按照沿程水头损失5%进行计算
h j=18.5×5%=0.93m,取整按1.0m考虑
其水头损失
主管道排水总扬程
3.3 设备选型及配套
3.3.1 选型原则
1.洞内水量是逐段递增，则在各级泵站水泵的选型上，应按排水能力递增原则自下而上递增选配。

2.各级泵站排水能力应充分配备，并有一定的储备。

3.中间泵站扬程相近，同时便于操作替换，故尽可能选用同型号的水泵。

3.3.2 主泵站机组功率计算及选型
1.已知Q=25944m³/d（1081m³/h），计算水泵功率按下式计算：
ρ=1000kg/m³
g=9.8m/s²
Q=1081m³/h
H：扬程
η1：水泵效率，取0.8；η2：电机效率，取0.8
根据计算及现场布置情况拟选3台额定功率160KW卧式离心泵作为工作泵。

2、水泵选择
按照经济实惠、性能稳定、效率可靠、耐久性好的原则对比国内外品牌，拟
选用3台上海凯泉KQSN150-M7/305卧式离心泵作为工作泵，该泵主要参数：额
定功率160KW；经济扬程：78～110m;额定排水量：360m³/h，对比各项指标满足
抽排要求。

实际运营过程中必须考虑水泵故障及维修时长，故应配置备用泵数量，按照
工作泵70%进行配置。

考虑互换性及实用性，备用泵亦采用与工作泵同规格、同
型号2台。

3.3.3 中间泵站及过渡泵站水泵选择
过渡泵站设置在施工作业面，易优先选择就地设置坑槽，但必须做好过滤装置，防止淤塞水泵。

水泵选型本着“小功率、大流量”原则采用污物潜水泵。

管
道采用消防水带、软管与钢管相结合的方式引至中间泵站。

中间泵站根据隧道纵坡，原则300～500米设置一处，水泵配置采用油浸式
潜水泵为主、水浸式潜水泵为辅，因油浸式潜水泵内有机械油润滑，润滑条件比
水浸式更好，故往往使用寿命较长，缺点是排污效果相对较差，在使用过程中要
注意水质情况，根据情况选择水泵。

排水管路采用150mm、200mm钢管搭配使用，水泵数量根据排水量实时增加，其水泵型号可在QY40-12-2.2～QY200-12-7.5
（式中表达：流量-扬程-功率）之间根据抽排量进行选型，
3.4 水仓设计
3.4.1 主水仓设计
主水厂设置在紧靠水泵机组下游端，水仓按照三级设置，第一级为反冲过滤仓、第二级为沉淀净化仓、第三级为抽排仓；每个仓位中间隔开，底部均设置
300mm清淤孔。

水仓材质采用6mm钢板现场焊制而成，舱体容积按照15min最大
抽排量进行计算。

水仓布置在仰拱填充顶面，宽度按照略小于单侧隧道宽度设计，其尺寸为：
长25m、宽4.5m、高度2.5m。

满足要求
3.4.2 中间泵站及过渡泵站水仓设计
由于中间泵站均采用潜水泵抽排，水仓本着“挪位方便、应排尽排”原则，
容积控制在10m³左右，水仓材质采用6mm钢板焊制。

仓体底部设置300mm清淤孔。

3.5 供电方案
供电采用双回路供电网络。

一路为网电，本隧道工区在斜井交叉口设置了一
座800KVA变压器，为其提供用电，一路为备用电源，备用电源采用3台500KW
柴油发电机组，当网电停电后立即启用备用电源，以满足抽排需要及洞内照明。

3.6 智能监控
3.6.1 流量监控及自启动装置
洞内抽排受涌水量及季节性渗水影响较大，故在主水仓设置流量监控设备，
通过浮球控制水泵电源启动柜，全仓分别在水位0.8m、1.5m、2.0m分别设置联
动控制器，逐一启动工作水泵。

3.6.2 水泵机组故障监控装置
在每台水泵出水口与主管道连接区段装设电子脉冲流量计，根据水泵额定排
量监控水泵工作状态，当水泵机组排水量低于日常额定排水量80%以上时，报警
器自动报警并切换备用水泵机组，机修人员立即检修。

3.6.3 水位超高报警器
在水仓水位2.3m位置设置水位超高报警器，当水位达到此高度后报警器自动报警，现场人员查看情况，实时启动备用泵或启动应急预案。

4 结束语
长距离、大坡度、高扬程隧道洞内反坡排水采用“梯级设置、机械抽排、固定泵站与移动泵站相结合的方式，在实际施做中根据隧道预计最大涌、排水量通过以上计算过程能够很方便的设计一套排水系统，本方法在该座隧道其他工区得到很好地应用，也为以后类似工程提供了可借鉴的经验。

参考文献
［1］卢春房高速铁路建设典型工程案例隧道工程［M］北京中国铁道出版社，2015:19-123
［2］周国龙 I级高风险特长隧道反坡排水方法探析［J］，桥梁与隧道工程，20111年8月第16期
［3］泵选用手册［J］机械工业出版社，2009年1月。