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大万山隧道反坡施工排水方案设计

来源:个人技术集锦
大万山隧道反坡施工排水方案设计

王小杰

【摘 要】大万山隧道为静乐至兴县高速公路一座特长隧道,全长10.4 km,洞内路线纵坡设计为单向坡.隧址区地质情况复杂,有多条断层与围岩破碎富水带,水文地质预测涌水量较大.针对隧道涌水量较大的实际情况,设计研究了山岭区特长隧道反坡施工排水设计思路和方法,以期对同类隧道的反坡排水方案设计提供有意义的参考. 【期刊名称】《山西交通科技》 【年(卷),期】2018(000)006 【总页数】3页(P61-63)

【关键词】特长隧道;反坡排水方案;设计 【作 者】王小杰

【作者单位】山西省交通科学研究院,山西 太原 030006 【正文语种】中 文 【中图分类】U453.6

1 工程概况

静乐至兴县高速公路位于山西省中西部静乐、岚县、兴县境内,路线起点与运营中的太佳高速公路呈T型交叉,终点位于陕西省神木县马镇盘塘村,与神盘公路相接,路线全长93.6 km,设计速度采用80 km/h,路基宽度为25.5 m,按双向四车道高速公路标准建设。大万山隧道作为静兴高速公路主要控制工程,位于吕梁市

岚县与兴县交界的吕梁山脉白龙山,为分离式隧道,洞内路线纵坡设计为1.8%的单向坡。隧道建筑限界净宽10.25 m(0.75 m检修道+0.50 m左侧侧向宽度+2×3.75 m行车道+0.75 m右侧侧向宽度+0.75 m检修道),净空限界高度5.0 m。右线起讫桩号为YK35+212—YK45+702,全长10 490 m,最大埋深694 m;左线起讫桩号为ZK35+306—ZK45+685,全长10 379 m,最大埋深697 m。

隧道穿越剥蚀构造变质岩中低山区,由进口向出口方向所穿越区域,分布的绝大多数前震旦系之前的老地层,均属于区域变质岩。隧址区内断裂构造发育,大多为压扭性走滑断裂构造。隧址区构造主应力为北北西-南南东向,该构造应力直接造就了白龙山倒转向斜。大万山主要有F1~F5五条近北西西向-南东东向的右行走滑断裂束,以及F6、F7两条北北东-南南西向的右行走滑断裂束。断层带岩体破碎且强度低,隧道通过断层破碎带段围岩自稳能力差,易发生隧道变形及塌方。断层带一般为地下水的储存运移通道,隧道通过断层破碎带段落涌水量较大,且易发生涌突水现象。

根据通风计算结果,在大万山隧道设置了两座通风斜井及一座通风竖井。通风1号斜井位于YK38+370右侧山体一侧,斜井主通道长1 333 m,与隧道轴线的夹角为22°。大万山隧道2号斜井位于ZK42+526左侧山体一侧,斜井主通道长1 850 m,与隧道轴线的夹角为23°。通风竖井位于YK42+280右侧,竖井主通道深度455 m。 2 隧道涌水量预测

根据隧址区小流域枯水期径流量、泉点调查及简易水文试验等现有资料,认为该隧道水文地质条件相对较为简单,隧道最大涌水量预测使用地下水动力学法(古德曼经验式),隧道稳定涌水量(正常涌水量或经常性全洞涌水量)预测依照地下径流模数法、水平坑道法及裘布依理论公式进行计算预测,基于以上预测方法与计算结

果,提出推荐的水文地质预测结果。

通过地表径流模式法和地下水动力法计算,左幅洞体计含水段累计长度10 250 m,正常涌水量建议采用水平坑道与裘布依法均值,即3 195.8 m3/d;古德曼经验公式法最大涌水量为7 360.9 m3/d;中等富水洞身累计长度1 640 m。右幅洞体计含水段累计长度10 275 m,洞体正常涌水量推荐值为3 641.9 m3/d;古德曼经验公式法最大涌水量为8 244.9 m3/d;中等富水洞身累计长度1 555 m。在隧道穿越的F6、F7、F2断裂带上盘附近可能发生突水和突泥。 3 隧道反坡施工分段排水设计 3.1 反坡排水设计原则

隧道防排水遵循“防、排、截、堵结合,因地制宜,综合治理”的原则进行设计,对地表水、地下水妥善处理,形成一个完善通畅的防排水系统[1]。隧道反坡排水应考虑以下原则。

a)施工的排水主要为裂隙水及施工用水,水中可能含有岩石颗粒、泥浆等杂物,要求反坡排水系统能对杂物进行过滤沉淀,适当降低外部环境对排水设备的破坏,同时要选择稳定性好、耐久性优、耐磨耐腐蚀的水泵[2]。

b)移动泵装、固定泵站设置应避免占用大量空间,影响正常运输通道。 c)水泵选型时应考虑一定的安全系数,其参数应大于实际所要求的参数[3]。反坡排水总排量应大于最大预测涌水量。

d)为保证施工进度,建议设置一套备用排水系统,掌子面与隧道洞口的移动泵站使用较轻型的水泵,可通过增减水泵数量来满足排水量要求。 3.2 反坡排水方案选取

考虑到大万山隧道涌水量较大,隧道反坡排水拟采用机械排水方式,即通过设置多级泵站、固定泵站和移动泵站相结合的方式,多个水泵接力排水,将隧道掌子面积水、围岩裂隙水及隧道施工用水排出洞外。具体流程为:在已完成开挖的隧道段,

每隔一定距离设置一处固定泵站,在掌子面附近,按间距50 m设置一处临时汇水坑;先将掌子面附近水收集在临时汇水坑中,再由潜水排污泵抽至移动泵站,然后逐级接力排水,直至排至设置在洞外的污水处理池中。 斜、竖井采用两段接力式排水,设计原则与主洞保持一致。 3.3 抽水设备选型

按照应急排水能力1.5倍最大涌水量设计,兼顾正常涌水量,工作水泵按正常使用1台,备用1台配备。移动泵站排水机械采用WQ潜水排污泵,根据本级泵站应急排水量选择相应功率排水泵型号,其泵型特点是体积小、噪声小、易移动使用、采购成本小,使用简单方便[4]。主洞固定泵站排水机械采用S型单级双吸中开泵,根据本级泵站设计排水量及扬程选择相应功率排水泵型号,其泵型特点是流量大、效率高、稳定性好、便于安装;某级泵站设计排水量应满足尚未施工段落排水量的要求。斜、竖井固定泵站采用D型单吸多级分段离心泵,以满足流量大、扬程大的排水特点,泵型选取原则与主洞相同。斜井设计排水量应满足斜井辅助主洞施工段落排水量的要求。

某级泵站的设计扬程为排水最低点到最高点水头高差与沿程、局部水头损失之和,可按公式(1)进行计算。

其中:Hx=l×i,

式中:H、Hx、Hf、Hj分别为设计扬程、水头高差、沿程水头损失、局部水头损失;l为排水管长度;i为路线纵坡坡度;λ为沿程阻力系数,对于普通钢管,取值0.024;d为排水管直径;v为水流速度;g为重力加速度。

以某级固定泵站排水管径d=150 mm为例,l取值750 m;路线纵坡i取1.8%;λ取值0.024;管内流速v取值1.5 m/s;g取值9.8 m2/s。经计算,水头高差

Hx=13.5 m;750 m水管的沿程水头损失Hf=13.8 m;局部水头损失Hj=0.7 m;泵站设计扬程H=28 m。若此级泵站设计排水量Q=100 m3/h,可选取型号为150S50B的S型单级双吸中开泵。 3.4 反坡排水系统布置

为确保隧道开挖、衬砌、仰拱等工序正常进行,避免占用大量空间,不影响正常运输通道,主洞固定泵站包括水箱设置于紧急停车带位置,间距约为750~1 000 m;抽排水管路亦设在隧道紧急停车带加宽一侧;移动泵站、固定泵站潜水排污泵汇水坑设置于中心排水沟检查处;斜、竖井专门设置加宽带放置固定泵站及水箱。固定泵站水箱采用钢板加工水箱,水箱容量按5 min的汇水量确定,设计结构为5 m×2 m×2 m。

大万山隧道反坡排水段落按5.2 km考虑。右线反坡排水段落为YK40+500—YK45+702,左线反坡排水段落为ZK40+500—ZK45+685,共设置固定泵站14处,移动泵站2处,工作最大排水量为174.67 m3/h。斜、竖井采用两段接力式排水,分别设置固定泵站2处,移动泵站1处。大万山隧道出口段反坡施工分段排水布置图见图1。

图1 大万山隧道出口段反坡施工分段排水布置图 3.5 洞外排水

大万山隧道出口为上坡,洞口应设置地表水截流措施,汇集至洞口水箱,经潜污泵排入污水池处理后进行排放,防止地表水回灌入隧道。洞口边仰坡5 m外设置截水沟,将地表水引至对隧道无影响的安全地段排出。 4 结语

根据大万山特长隧道隧址区水文地质条件,依照地下径流模数法及地下水动力学法对隧道洞身内涌水量进行了准确预测;设计了多级泵站接力、固定泵站与移动泵站相互结合的长距离反坡机械排水方案;同时,对隧道反坡排水的原则、方案选型、

设备选型、系统布置、洞外排水等关键原则技术进行了研究讨论,可为类似工程建设提供参考经验。

【相关文献】

[1]重庆交通科研设计院.JTG D70—2004 公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004. [2] 秦昊斌.特长隧道涌突水综合反坡排水施工技术[J].四川建设,2015(1):134-135. [3]刘海荣.关角隧道长大斜井反坡抽排水技术[J].隧道建设,2015(6):579-583. [4] 薄飞.云桂铁路小寨隧道反坡施工排水[D].成都:西南交通大学,2011.

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