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浅谈长大斜井反坡排水施工

发布时间:2018-09-19 15:44所属分类:理工论文浏览:1

摘要:针对新建衢宁铁路庆元隧道银坑斜井强富水的特点,本文从经济性角度出发,提出采用两阶段排水技术方案:第一阶段为斜井井身段,通过小功率水泵接力排水;第二阶段为进正洞施工段,采用小功率水泵集水,大功率座泵一次泵送出洞排水,成功实现以低成本投入解

  摘要:针对新建衢宁铁路庆元隧道银坑斜井强富水的特点,本文从经济性角度出发,提出采用两阶段排水技术方案:第一阶段为斜井井身段,通过小功率水泵接力排水;第二阶段为进正洞施工段,采用小功率水泵集水,大功率座泵一次泵送出洞排水,成功实现以低成本投入解决富水斜井反坡排水的难题。通过总结方案的优势与缺陷,为未来类似的长大斜井反坡排水施工提供经验。

  关键词:斜井,反坡排水,两阶段排水,经济性,环保

  在长大隧道施工过程中通常设置斜井增加施工工作面,而对于长大斜井而言,施工期间的排水是重要工序之一,它直接影响斜井进正洞的施工组织和管理,合理的排水系统是实现隧道快速施工、保障施工安全的重要措施[1]。

  本文通过对新建衢宁铁路庆元隧道银坑斜井施工期间抽排水系统的设置与应用进行论述,为山岭隧道中长大斜井反坡排水施工的经济性与合理性提供经验与教训,更好地解决斜井排水施工问题,为隧道创造安全的施工环境。

  1工程概况

  新建衢宁铁路庆元隧道位于浙江省庆元县竹口镇,隧道全长11291.6m,设2座斜井,其中银坑斜井地处竹口镇田边,斜长1988m,位于线路前进方向左侧,与线路正交于DK204+290里程处,井身综合坡度6.5%,采用无轨运输双车道断面。银坑斜井进正洞施工包括进口方向1050m,设置为4‰的反坡施工;出口方向1120m,顺坡施工。

  2地质、水文情况

  庆元隧道围岩为侏罗系上统南园组凝灰岩、凝灰熔岩,属硬质岩,岩体较完整,节理裂隙较发育,总体稳定性较好。隧道地下水类型有松散岩类孔隙潜水、基岩风化层孔隙裂水、凝灰岩裂隙水及构造裂隙水。由于山体切割强烈,沟谷纵横,地下水径流较短,受大气降雨影响较大。其中斜井井身地下水主要为基岩裂隙水,弱发育,洞身局部为构造裂隙水,发育,预测正常涌水量为325m3/d;进正洞大里程施工段有F2断层带,采用降水入渗法和地下水动力解析法对隧道涌水量进行预测,结果如下。

表1

  3反坡抽排水方案

  3.1总体方案

  以经济性和实用性作为方案建立的原则,综合考虑采用两阶段排水方法。

  (1)庆元隧道银坑斜井井身段施工为反坡排水施工,如有涌水发生,则就近设置集水坑,采用移动潜水泵收集掌子面和集水坑的积水,再通过箱式移动泵站排出洞外,如掌子面发生大量涌水,则启用斜井井身中间位置的应急箱式中转泵站。

  (2)施工进入主洞后为双向施工,在井底设置固定排水泵站:主洞往进口方向DK204+290~DK203+240为反坡施工,该段排水采用移动泵站将水抽排至斜井与主洞相交处泵站水仓,再通过动力泵送将洞内水抽排至斜井洞外污水沉淀池汇入洞外排水系统;主洞往出口方向DK204+290~DK205+410为顺坡施工,隧道排水采用顺坡自然引排,当掌子面或仰拱施工过程中出现散水时,设置临时集水坑,用小型抽水机抽排至隧道两侧水沟顺坡排到斜井与主洞相交处泵站水仓,再通过动力泵送将洞内排水抽排至斜井洞外汇入洞外排水系统。

图1

  3.2第一阶段(斜井井身段)排水

  第一阶段排水为斜井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)由于银坑斜井设计涌水量为13.54m3/h,涌水量较小,故采用临时泵站接力排水。在掌子面附近及后方一定间距设置钢制水箱作为临时泵站,采用小功率移动水泵抽掌子面水至第一个移动泵站,再接力送至洞外;如有涌水发生,则就近设置集水坑汇水,再用移动水泵抽排积水至泵站排至洞外。

  (2)管路设置。建井期间,在进井方向的右侧安装2条φ200钢管排水管路,正常水量时,只使用1条管路,另一条φ200mm的高压风管为备用。管路每200m设置一个减压阀和清淤孔,防止污水对管路或水泵造成损坏。洞口200m以及洞外范围内,排水管采取与高压水管相同的保温措施,避免因冬季气温低,将管路冻结。排水管路接入污水处理池,经处理后排放。

  (3)临时接力泵站设置。在靠近掌子面50m的位置设置一个箱式移动泵站,随掌子面的前进向前推移。水箱由5mm厚钢板焊接而成,容量约7m3(宽1.5m,长3m,高1.5m),采用多台50WQ18-40-4移动水泵收集掌子面水至移动泵站。后方间隔500m设置箱式临时泵站,规格同掌子面附近移动泵站,每个水箱上方固定两台100JYWQ50-35-11潜水电泵,接力排水至洞外。

  (4)应急中转泵站。为防止因掌子面大量涌水而引起洞内积水,在银坑斜井井身中间位置(XDK0+950附近)设置一处固定应急中转泵站:采用一个容量约16m3(宽1.5m,长7m、高1.6m)的水箱,在其边上固定三台100D-16X离心式清水泵组成中转泵站。如若斜井井身施工阶段发生大量涌水,则启用中转泵站加速抽排水。

  (5)水仓清淤。采用5mm钢板加工一个上开口的水箱安放在农用车上。将高压风管插入沉积有泥砂的水仓内,将泥砂与水搅拌,利用泥浆泵将泥砂吸入水箱,运至洞外碴场。

  3.3第二阶段(进正洞段)排水

  第二阶段排水为银坑斜井进入庆元隧道正洞施工后的排水。虽然在施工至正洞设计的涌水段时,会提前采取超前预注浆等措施减少涌水量,但工程中的风险往往不能完全避免,正洞施工仍需要考虑发生一次最大涌水后的抽排水能力[2]。进入主洞后,在斜井井底XDK0+040附近开挖一个集水洞室,在洞室内设置固定的排水泵站,仓内积水经沉淀、过滤后抽排至洞外。庆元隧道出口方向为顺坡排水,直接通过两侧边沟将水汇流至井底泵站水仓;庆元隧道进口方向为反坡排水,采用移动泵站将水抽排至井底泵站水仓;泵站设置多台单级大流量离心泵抽水至洞外沉淀池中,污水沉淀过滤后,清水最后排入洞外河道中。

  3.3.1泵站及排水管路配置依据银坑斜井井身涌水段采取径向注浆堵水后,整体涌水总量为900m3/d;正洞往出口方向DK204+290~DK205+410段设计正常涌水总量为10981m3/d。根据设计文件考虑施工期间的涌水段为逐步揭露及突涌水情况的发生,施工期间的斜井及进正洞大小里程方向最大总涌水量考虑为11881m3/d,即495.04m3/h。

  计划泵站设在距井底40m位置处,那么,银坑斜井井口与井底预设泵站位置平面长度为1943m,管道长度1947m,垂直高差130.52m,根据当前国内市场的大型排水设备扬程能一次将庆元隧道汇水排出洞外,故按一级排水进行泵站布置。图1银坑斜井泵站水仓洞室图图2银坑斜井井底泵站变压器洞室图井身段排水管路:在原有(2趟φ200mm管)基础上增加1趟φ150mm焊接钢管,管路设置坡度为6.7%。正洞小里程方向排水管路:因设计无出水,设置1趟φ100mm焊接钢管,满足施工排水。

  3.3.2泵站座泵选型及水力计算

  选用D280-43×4型水泵,在流量Q=495m3/h时,管路损失计算过程如下: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沿损失=λ×L/D×V2/2g=0.02×1947÷0.2×0.112=21.81mH局损失=(止回阀4个,约1%;90°弯头1个,约3%)=130.52×4%=5.22mH总损失=21.81+5.22=27.03m其中V:流速,Q:流量,F:管路截面积,λ:沿程阻力系数,L:管路长度,D:管路直径。考虑排水管淤积所增加阻力,将计算的管道损失增加70%。27.03×(1+70%)=45.95m根据以上计算,水泵扬程应大于130.52m+45.95m=176.47m,系列多级离心泵通用产品,适合本工程排水用。选用4台D280-43×5型泵,流量Q=335m3/h时,扬程H=190m,功率250kw,效率75%,能满足要求。

  2台同时工作,1台备用,1台检修,每条管路每天可排水:335m3/h×24h×2×75%=12060m3,高于日最大涌水量11881m3。

  3.3.3正洞水泵选择

  银坑斜井井底DK204+290~DK203+240段正洞在施工过程中为反坡排水,坡度为-4.0‰,斜井底至最长开挖面高差为4.4m,设计无出水,如遇突发涌水,则考虑在此段涌水点设置积水坑,配置多台100WQ-100-30-15型号,流量Q=100m3/h时,扬程H=30m,功率P=15Kw的潜污泵即可将水抽排至井底水仓。银坑斜井进正洞DK204+290~DK205+410段为4.0‰的上坡,此段最大涌水10981m3/d,在仰拱端头设置积水坑配置3台100WQ-100-30-15型号,流量Q=100m3/h时,扬程H=30m,功率P=15kw的潜污泵即可将抽排至后部施工段水沟,顺坡自流至斜井水仓。

  3.3.4泵站水仓设计

  预计最大设计涌水量为11881m3/d,水仓容量按15min的应急汇水存量设计,15min的最大汇水量为123.76m3。在斜井XDK0+040处面向井底右侧按6m×7m×3m=126m3(详见图1)开挖泵站水仓。

  3.3.5供电方案及应急供电方案

  由于抽水机都是大功率用电设备,洞内供电采用50平方高压电缆将洞外10KV高压电引入洞内,根据以上抽水机的配置抽水站需配置两台800KVA的变压器。设计在斜井XDK0+030处面向井底左侧有一处强电设备洞室,施工期间可加以利用安放变压器。(详见图2)当网电停电后,应急电源的能力应能够满足排水、洞内照明需要,洞内必须保证2台250KW离心泵、5台11KW污水泵抽水,排水用电功率为555KW,照明15KW,共计570KW,根据以上计算,洞内设置双回路电源,备用1台800KW的柴油发电机作为应急电源。

  由于停电后通风机无法工作,洞内没有新鲜空气供应,因此800KW柴油发电机只能设置在洞外,通过洞外800KVA变压器向洞内变压器反送电。3.3.6其它将斜井井身设置的临时泵站水箱集中至集水仓旁,合并为两个长7m×宽1.5m×高2m的清水仓,污水排至集水仓初步沉淀,由小功率水泵抽至清水仓,再通过大功率水泵一次性泵至洞外。

  3.4排水平面布置图见图3《银坑斜井排水平面布置图》。

图3

  4抽排水保证措施

  (1)由专业队伍进行现场排水管理和实施,管路安装必须平、直、顺,并且弯度平缓,避免转锐角弯,以减小管路沿程阻力和局部阻力,并且要加强日常维修和管理。

  (2)配备专职抽水人员,负责对现场抽水机进行管理和保养。

  (3)电工必须定期检查、维护抽水机,及时发现和解决故障,保证抽水机正常运转。

  (4)为保证抽水设备的运转不受隧道内其它用电设备的影响,设置专用抽水线路,并配套合适的供电设备。

  (5)要求管路接头处必须处理好,不得漏水,并加强对管路的保护,避免因机械或人为损坏。

  (6)银坑斜井洞口河道下游设有地方饮用水取水口,需在洞口建立污水处理系统,将洞内排除的污水处理达标后排放。

  (7)建立抽排水安全保证体系,设置应急预案,并加强相关人员安全培训。

  5实施效果评估

  新建衢宁铁路庆元隧道银坑斜井在施工过程中落实两阶段排水方案,整体上以低成本投入解决了该长大富水斜井的反坡排水问题,但存在一定的不足:在施工过程中,设计上无涌水的正洞小里程方向突发强涌水,因前期方案中未考虑此因素,造成一定的安全隐患;虽然通过将第一阶段排水中备用的三台100D-16X水泵增设至井底泵站,并在正洞小里程方向增铺两趟φ150mm排水管路解决此隐患,但折射出方案的欠缺。

  6总结与展望

  6.1总结

  按照本排水方案设置,能够应对洞内富水断层带涌水及一些突发涌水,具有实用意义。正洞排水合理选择设备,实现一级排水,减少资源损耗;井底钢板水箱做清水池替代开挖洞室等,节省资源达到经济性需要;同时本斜井一级泵站安装有自动控制系统,大大减轻人力资源投入。进洞施工前除考虑设计出水量外,需提前考虑可能出现的突发涌水,提前预留备用排水管路,并储备包括中小型抽水泵,集水钢板水箱,初期支护拱架等在内的应急物资材料,避免后期遭遇紧急情况增加资源投入。

  6.2展望

  在钻爆项目的土建施工过程中,产生废水污染容易引起水体富氧化,随着我国社会经济的不断发展,“环境保护、水土保持”的理念愈发深入人心,可以预见,在未来的基础土建施工领域,环水保将被列入施工管理,成为必不可少的一部分。本次案例中的银坑斜井,洞口河流水质为饮用水Ⅰ类,下游设有地方自来水厂取水口,洞内抽排出的污水极易对河道造成污染;通过采取增加沉淀池级数、在沉淀池投放化学药剂、污水经大型压滤设备过滤、河道修筑多座滤水堰坝等措施,可以作为未来基础建设市场的参考。

  参考文献:

  [1]郭力.隧道长大斜井排水施工技术[J].中国化工贸易,2015,7(26):155~156.

  [2]刘海荣.关角隧道长大斜井反坡抽排水技术[J].隧道建设,2015,35(06):579~583.

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