古田隧道里坑2#斜井排水施工技术
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摘要：根据设计文件和现场实际涌水量，通过科学的计算和分析，选定排水泵和排水管，并确定排水管路系统
关键词：排水泵；排水管；排水系统
1工程概况
1、斜井设计概况
古田隧道位于福建省宁德市古田县境内，全长8657m，里坑2#斜井位于线路前进方向右侧，斜井与正洞相交于DK738+200处，与线路小里程方向夹角为44°37′40″，采用斜交单联方式，综合坡度8.142%，斜井从井底到洞口每隔300m设置一个坡度为2%的缓坡段，缓坡段长30m，其余坡度均为8.79%。采用无轨运输加宽车道断面，斜井斜长946.307m。
斜井进入正洞后，根据设计地质资料及实施性施工组织设计的进度计划，斜井负责施工的正洞里程段落为DK737+950～DK741+245,其中向大里程方向为3045m，向小里程方向为250m。共计施工正洞长度为3295m。斜井负责施工大里程段落均处在坡度为6.8618‰的下坡，小里程方向为上坡不考虑反坡排水，大里程方向、斜井井底考虑施工期间排水。
2、施工段落水文地质情况
凝灰熔岩，青灰色，裂隙不发育，岩体完整，岩质坚硬，弹性波速大于4.8m/s。地下水为基岩裂隙水，不发育。但由于位于斜井井身、正洞上方地表存在3条沟谷，雨季存在汇水，根据掘进中已揭示情况来看，基岩裂隙水可能存在地表水补给，水量估算时考虑该因素。
根据设计说明书，在该井负责段内，正洞DK740+270～DK740+390段为南园组凝灰熔岩与燕山早期花岗岩岩性接触带，节理、裂隙较发育，岩体较破碎，地下水为基岩裂隙水，较发育，洞身正常涌水量为388m³/d、最大涌水量为474.92m³/d，隧道通过含水体地段（DK740+270～+390）单位长度最大涌水量为2.93m3/(d・m)。
2 排水装置计算、选择
计算原则：在管道挂污造成经济流速降低、无法停止隧道掘进而进行管路疏通的实际情况下，使水泵、管路等排水设施完全满足使用要求，将排水工序对隧道掘进施工的影响减小到最低。
（一）斜井底泵站计算：
1、已知数据确定
（1）、井身Hj=井长×综合坡度=943×0.08142=77m
（2）、正常涌水量qs=388m³/d÷24h/d=16.2m³/h
说明:根据设计图中水文地质调查结果计算，但现场实际揭示情况，正常涌水量应大于此值，考虑到保守计算使用最大涌水量，此值不再推证。
（3）、设计最大涌水量qmax=474.92 m³/d÷24h/d=19.8m³/h
由于设计中含水体地段只考虑120m,为保守计算，查看地形图后，将含水体地段长度增加至300米（将另外2条地表水也考虑进来）=2.93×300=879m3/d；古田县年降雨量1579mm，根据降水入渗法估算裂隙较少的坚硬岩石段水量=2.74×入渗系数×年降水量（mm）×裂隙渗水影响面积（Km2）=2.74×0.01×1579×0.02×2.6=2.25m3/d；已开挖地段揭示最大涌水量测定值473.2 m3/d。
实际估计最大涌水量q、max=含水体地段涌水量+一般地段裂隙水估算+已开挖揭示涌水量=（879+2.25+473.2）m³/d÷24h/d=56.5m³/h。
为使排水影响施工程度最小，最大涌水量采用56.5 m³/h，考虑施工用水（每日3排炮，洞内施工用水135 m³/d÷24h/d=5.7 m³/h）后，洞内水量应为62.2m³/h。
（4）、正常涌水期：1-4、9-12月份，共242天。
（5）、最大涌水期：5-8月份，共123天。
（6）、污水密度ρ=1.1×103Kg/m3。
（7）、污水PH值：6.5-7.1。
2、选择水泵
（1）测地高度H0=Hj+5=77+5=82m
（2）排除最大水量62.2m³/h所必须水泵排水量QB=24×62.2/t=24×62.2/18=83 m³/h
说明：t值经验值为16-20h，此处取18h。
（3）根据水泵厂家提供扬程损失经验公式计算H=77+94×0.6=133.4m。
水泵所必须的扬程取134m。根据此结果，决定斜井井底泵站水泵主要选择卧式多级离心泵。
（4）查阅水泵型号表：在满足排水流量83 m³/h、扬程134m的前提下，可选择：125TSWA型卧式7级离心水泵一台（流量90m³/h、扬程151.2m、功率75KW）；150TSWA型卧式5级离心水泵（流量155m³/h、扬程150m、功率110KW）一台；100TSWA卧式9级水泵一台（流量69m³/h、扬程140.4m、功率45KW）+QY25-180/4-22型潜水泵一台（流量25m³/h、扬程180m、功率22KW）。
（5）为确保排水影响施工程度最低，布设水泵必须排除最大涌水，斜井井底泵站各型号水泵正常使用一台，同时预备两台，共准备3台。
综合考虑现场已布管情况及功率耗电情况，选择100TSWA卧式9级离心泵一台（流量69m³/h、扬程140.4m、功率45KW）+ QY25-180/4-22型潜水泵一台（流量25m³/h、扬程180m、功率22KW）。
3、选择管路
（1）、确定管路趟数：由于出现最大水量时已接近隧道贯通点里程，布置2趟水路，洞内突发水量较大时，启用2趟，正常情况下，启用1趟功率较大、管径较大水路。
（2）、估算管路长度l大=946+50=996m，l小=946+50=996m。
（3）、计算管路有效流水管径（分别计算匹配69m³/h、25m³/h的水泵）
；
考虑挂污损失有效管径0.1，则实际管径应为d69=123mm/0.9=137mm；d25=74mm/0.9=82mm
根据管材允许应力（Rz通常取780-980，此处取780）计算管壁厚δ=1×10-3+5.222×10-2×H0×d÷Rz=1×10-3+5.222×10-2×82×0.137÷780=1.8， 考虑到排水管需焊接法莱盘，为保证焊接质量，取厚度4，满足管道压力。
综合比选结果：主管道Φ150*4mm（匹配100TSWA卧式9级离心泵）一趟、备用管道Φ90*4mm（匹配QY25-180/4-22型潜水泵）一趟。
（二）大里程方向泵站计算：
1、已知数据确定
（1）、洞身Hdd=洞身长×坡度=3045×0.0068618=21m
（2）、正常涌水量qs=388m³/d÷24h/d=16.2m³/h
（3）、设计最大涌水量qmax=474.92 m³/d÷24h/d=19.8m³/h
实际最大应排水量q、max=含水体地段涌水量+一般地段裂隙水估算=（879+2.25）m³/d÷24h/d=36.7m³/h
考虑施工用水（每日3排炮，洞内施工用水135 m³/d÷24h/d=5.7 m³/h）后，洞内水量应为42.4m³/h。
（4）、正常涌水期：1-4、9-12月份，共242天。
（5）、最大涌水期：5-8月份，共123天。
（6）、污水密度ρ=1.1×103Kg/m3。
（7）、污水PH值：6.5-7.1。
2、选择水泵
（1）测地高度H0=Hdd+5=21+5=26m
（2）、排除最大水量42.4m³/h所必须水泵排水量QB=24×42.4/t=24×42.4/18=56.5 m³/h
说明：t值经验值为16-20h，此处取18h。
（3）根据现场实际情况（最前方泵站必须随掘进而移动），正洞可采用移动水箱+固定水箱（或辅助管道增压泵）的排水方式：
①、固定水箱方式。800米设置1处共3处（每处水泵流量≥56.5m³/h、扬程≥56m≈（800×0.0068618+80×0.6+2））；
②、增压泵方式。400米设置1处共6处（每处水泵流量≥56.5m³/h、扬程≥27m≈（400×0.0068618+40×0.6））。
（4）在此验算移动水箱+固定水箱的排水方式（如采用管道增压泵方式，采用第(3)项计算结果，直接布设，管道管径在后面计算），为减小抽水管理工作量，固定水箱处加设浮标自动控制水泵抽水开关。水箱容积结合管径计算结果、经济流速、沉积淤泥高度、最高水位等情况在后面计算。
查阅中型潜水泵型号表，在满足扬程≥56米、流量≥56.5m³/h的要求下，可选择： QY65-60/3-15型3级潜水泵（流量65 m³/h、扬程60米、功率15KW）。
（5）为确保排水影响施工程度最低，各个泵站布设水泵必须排除最大涌水，要求潜水泵正常使用一台，同时每个泵站预备一台，每个泵站准备2台，共8台QY65-60/3-15型3级潜水泵。
为保证掌子面积水可迅速排除，掌子面准备2-3台低扬程、高流量的轻型污水泵，接消防水管或橡胶管，将掌子面积水抽至移动泵站。
3、选择管路
（1）确定管路趟数：结合实际情况，布置1趟主管路，掌子面临时管路根据实际需要随时加设。
（2）估算管路长度l=3045-50≈3000m。
（3）计算管路有效流水管径
考虑挂污损失有效管径0.15，则实际管径应为d=112mm/0.85=132mm.
根据管材允许应力（Rz通常取780-980，此处取780）计算管壁厚δ=1×10-3+5.222×10-2×H0×d÷Rz=1×10-3+5.222×10-2×26×0.132÷790=1.3， 考虑到排水管需焊接法莱盘，为保证焊接质量，取厚度4，满足管道压力。
综合考虑后：管道型号选择Φ150*4mm。
4、各级水容器容积验算
①正洞固定水箱
考虑因素：管道有效流水内径112mm；流速1.6m/s；沉积淤泥厚度0.5m；水箱最高水位距水箱顶0.3m；自动水位控制器开关间隔时间9分钟，则：
水箱最小有效容积：（（0.112÷2）2×3.14）×1.6m/s×300s=8.64m³
水箱尺寸：3m×3m×1.8m
潜水泵悬挂于水箱内，进水口距离箱底0.5米，水位控制器的浮标控制水位距离箱顶0.3m。
⑤斜井底部大水仓
考虑因素：该泵站进水量；最大沉淤厚度0.5m；水仓清淤、替换损坏水泵等时间40分钟，则：
水仓最小有效容积：62.2m3×40/60=42m3
水仓尺寸要求：容积达到42m3的前提下，深度加深0.5m。
水仓型式：洞内开挖储水坑（储水坑包括沉淀池、抽水池各1个）或加工铁皮箱（5m×5m×2m）。
3 排水施工方案
1. 斜井施工段排水系统
斜井井身施工过程中的排水，在离掌子面附近设置一个2m×2m×1.8m的铁皮箱，采用小型潜水泵将水抽到铁皮箱内，采用QY25-180/4-22型4级潜水泵一台（流量25m³/h、扬程180m、功率22KW），布设Φ90*4mm管路，将水排出洞外，为预防抽水机故障，同时预备2台同型号水泵。
2. 斜井底部总泵站排水系统
当斜井施工至井底（964m）时，在斜井底部设置永久泵站，泵站包括沉淀池、抽水池和大型水泵，泵站的排水能力满足斜井和正洞的出水。斜井与正洞相交位置设置一个大型水仓（容积50m³），选择100TSWA卧式9级水泵一台（流量69m³/h、扬程140.48m、功率45KW），铺设Φ150*4mm管路做为排水管。为了防止抽水机故障情况，同时预备2台同型号水泵。斜井施工段时的QY25-180/4-22型4级潜水泵3台及Φ90*4mm管路一趟留作储备排水设备，如遇水量突增、停电、水泵损坏等情况造成洞内积水太多时，启动储备排水设备。在总泵站管路安装水表一处，于不同施工段落的不同工况下，记录排水量，为动态优化排水方案、措施提供计算参数。
3. 正洞排水系统设置
正洞小里程方向为顺坡排水，不考虑设置抽水设备，利用排水沟引排至斜井水仓，然后排出洞外。
正洞大里程方向为6.8618‰的反坡。考虑每800m设置一个≥16.2m³的水箱。每个水箱配备2台（其中1台备用）QY65-60/3-15型3级潜水泵采用分级排水方式将正洞内水抽至斜井设置的水仓。正洞铺设一趟Φ150*4mm的排水管道。在掌子面处设置一个小型临时集水坑，已施工段出水沿水沟顺坡汇入集水坑中，在离掌子面50～70m的位置设置一个≥7.2m³的移动水箱（方便调运），采用小型潜水泵将水抽到移动箱内，然后用QY65-60/3-15型3级潜水泵抽排至上一级水箱中。
为防止已施工地段二衬排水系统所排水回流至掌子面以及管道漏水等因素造成电力徒损耗，在每个固定水箱附近，将路面汇水集中至中心水沟，利用小型水泵抽排至固定水箱。该水泵开、关由抽水班人员根据水沟积水情况决定。
排水平面布置见下图：
4．排水管路
（1）斜井井身掘进时，正常情况下采用一趟Φ90*4mm管路，如出现突然出水量较大时，将高压进水管作为排水管使用。
（2）正洞掘进时，斜井井底泵站正常情况下采用一趟Φ150*4mm管路，如遇水量突增时，启动Φ90*4mm管路形成两趟排水管路；正洞正常情况下采用一趟150*4mm管路，当出水量较大时，将高压进水管作为排水管使用。
4 排水设备配置
按照计算结果进行设备选配，各型号水泵均考虑备用台数，水泵配置表如下：
5 结论
古田2#斜井采用该技术后，取得了良好的效果，保证了施工进度。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。