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围岩破碎,渗水量大,渗水不间断汇流,给施工带来了很大难度。
其中宝峰山隧道1#斜井正洞经过一条大断层(栗木-恭城区域性大断层)和一条背斜(凉亭背斜)。
我单位根据具体情况,在斜井及正洞内布置了大量的抽排水设备和管道,24小时不间断的抽排,及时排除隧道内积水,确保了隧道的顺利施工。
一、原设计水文地质情况
(一)地表水发育特征
宝峰山隧道1#斜井段位于广西桂林市以东,阳朔县以北凉亭村附近,洞身测段属剥蚀高,中山地貌,绝对高程200-1300m,相对高差最大达950m,自然坡度一般20~65度,地形起伏较大,坡陡沟深,沟谷多呈“V”字形。
年平均降雨量1677mm,最大2199mm,最小1219mm,4~8月为雨季,降雨量占全年60%,十一月到二月为枯季,降雨量占全年15%。
测区水系属珠江桂江水系,漓江支流,地表河流发育,水系沿构造发育,形成许多深切沟谷,支沟时有流水,主沟常年有水流,由大气降雨控制及上游水补给,流量受季节变化影响大,以蒸发,下渗和径流等形式排泄。
(二)地下水发育特征
测区地下水以土层孔隙水、基岩裂隙水、溶隙水位主。
基岩裂隙水由于地质构造的活动,断裂及构造节理裂隙发育,为地下水的富集提供了良好的空间,在节理密集地带或断裂破碎带附近地下水量较大,水量丰富,因此在隧道施工过程中,节理裂隙密集带或断裂破碎带附近可能会遇到股状涌水,应做好引排水处理措施。
(三)隧道涌水量预测
本隧最大涌水量:
Q平常期=56010m3/d,Q雨期=84015m3/d。
三、总体方案
㈠、斜井反坡排水
正常施工时:
斜井采取反坡排水。
反坡排水采取固定泵站与集水井(坑)相结合的方式进行抽排,斜井内距掌子面200~300m在洞侧设置一临时集水井,用于污水沉淀。
固定泵站的位置根据具体施工时涌水量大小进行设置。
泵站安装大功率水泵,分级将污水抽至洞口沉淀池再次沉淀达标后排放。
应急抽水时:
备用变压器和备用抽水泵组成应急排水系统,水泵直接布置在出水点,将高压风管改装成排水管路。
㈡、正洞反坡排水
正洞反坡排水阶段为:
斜井承担的正洞开挖不具备顺坡排水条件时必须采取反坡排水措施。
在斜井与正洞交点附近设置一大型泵站(交叉口固定泵站),将汇集的水流通过斜井泵站抽排至洞外沉淀池。
正洞反坡施工段水量较小时每隔300m设置一座集水井;
当开挖面遇涌水量较大时泵站设置在开挖面安全范围内。
泵站抽排能力根据该段涌水量设计;
顺坡排水施工里程段水流集中汇于斜井交叉口固定泵站。
由于正洞坡度较小,集水坑每隔500米设置一处,为保证正洞车辆运输畅通,聚水坑结合横通道或综合洞室位置设置。
聚水坑采用片石砌筑,坑内采用水泥砂浆抹面,同时掌子面配备2~3台污水泵,防止掌子面出现涌水。
斜井采用机械排水,由于斜井洞口与正洞交叉口高差较大,为防止突然涌水,抽水设备选用大功率水泵,多级泵站抽水。
施工工作面积水采用移动式潜水泵抽至就近的泵站或临时积水坑内,其余已经施工地段出水经临时集水坑自然汇积到泵站水池内。
由工作泵将水经管路抽排至交叉口泵站,如此接力抽排到洞外污水池经处理后排放。
㈢、排水供电布置
根据建设单位“关于反坡排水隧道需配置备用电源的文件通知”,结合所在区域的电网结构布局及施工现场实际情况。
为保障洞内抽水设备正常运转,布置两条高压线路进洞。
分别是10KVA、35KVA线路,以避免某一电网停电对排水系统运行造成的影响。
㈣、反坡排水实施方案
1、斜井施工阶段抽水方案
抽水系统的布置:
斜井施工过程中因涌水量较大,分别在X1K0+970、X1K0+480、X1K0+030里程处设置固定泵站,在X1K1+180、X1K0+670、X1K0+280处设置临时泵站。
具布置详见图1。
供电系统的布置:
斜井掘进1100m后,为保障洞内抽水设备正常运转,布设高压进洞线路(10KVA),并安装1台800KVA变压器,设置里程为X1K0+380。
2、正洞施工阶段抽水方案
进入正洞施工后在DK481+800处设置固定泵站,在DK482+300、D3K481+300设置临时泵站,正洞反坡施工方向分别布置排水系统。
具体布置详见图2。
在斜井X1K0+380处设置1台800KVA变压器为交叉口泵站供应电源。
从交叉口至贵阳方向1000m范围内排水用电由斜井X1K0+380处的变压器直接引出。
当施工至1000m范围外时,在DK481+964综合洞室内增设1台800KVA变压器,供贵阳方向的抽水用电。
3、斜井阶段与正洞阶段设备及管路配置
图1宝峰山隧道1#斜井.斜井施工阶段反坡排水系统布置图
图2宝峰山隧道1#斜井正洞施工反坡排水系统布置图
四、设备选型配套
1、设备选型的理论分析
根据一号斜井设计资料及涌水状况,考虑到隧道突发涌水情况的出现,其最大应急排水能力应达到31800m3/d,即每小时排水能力为1325m3/h,所有泵站排水管均采用钢管进行安装。
从正洞一级泵站到斜井三级泵站高差为4.64m,水泵考虑克服抽水高差以外,还考虑排水管道的水头损失(即扬程损失),按照如下公式计算水头损失:
式中:
λ为水管摩阻系数,采用的水管为普通钢管,取值0.024;
L为水管长度;
d为水管内径;
v为管内流速,取2.5m/s;
g为重力加速度,取9.81;
以直径为200mm为例,每1000m水管的水头损失为38.5m,另外考虑每组管管均至少将安装两组闸阀、两组单向阀及一组以上三通或弯头时造成的水头局部损失,从正洞一级泵站至斜井三级泵站的排水理论所需扬程为18.44m,另考虑到1.1以上的扬程保证系数,所配备的水泵均在48.72m扬程以上。
同理,斜井三级泵站至二级泵站高差37.89m,水管长度450m,配置水泵扬程要在60.74m以上,二级泵站至一级泵站高差42.39m,水管长度490m,配置水泵扬程要在67.38m以上,一级泵站至斜井口高差42.39m,水管长度560m(包含50m洞外管路),配置水泵扬程要在70.35m以上。
根据对隧道内涌水情况的分析,其紧急排水能力需达到1325m3/h以上,为此,斜井井身内的管道布设应以大管道为主,钢管流速取值为2.0~3.0m/s,应急抽排水时加大水泵设备,管内流速按2.0m/s考虑,其管道总断面积应达到0.184m2;
按照正常排水考虑时,流速取1.5m/s,其排水能力为900m3/h,所需管道总断面积为0.167m2。
根据隧道昼夜涌水量并考虑一定的富裕系数,在排水设备满足要求的前提下,结合技术和经济两方面进行抽水钢管直径的选取d。
其中Q为管流量(m3/s),
为管道允许流速(m/s),参考一般抽水钢管流速取值为2.0~3.0m/s,根据上述公式计算结果如表1所示。
表1管道直径选取计算表
序号
计算管径
理论需要排数
备注
采取措施
应急排水
正常排水
1
100
24
22
管径太小,排数太多,不利于水泵配置
舍弃
2
150
11
10
排数多,不经济
可以考虑
3
200
6
比较经济,实用
4
250
经济,实用
考虑
5
300
管径太大,不利于施工
350
为了提高抽水设备及管道的利用率,且确保有一定的富裕系数,在进入正常施工后,在斜井范围内采用不同管径搭配使用,配四排φ200、一排φ150钢管,另在突发涌水时启动应急预案,将高压供水管和高压供风管用作排水使用。
在水泵电机的选型,应综合考虑能量利用、电机功效、电机安全系数及扬程等等,按以下经验公式配备电机功率:
电机功率=流量(m3/h)×
扬程(m)×
9.81/(3600×
功效)
电机功效一般取0.5~0.75,水泵越大,功效越高。
结合市场现有水泵型号以及可能定型生产的规格,对拟使用的各种水泵功率计算如表2所示。
表2水泵电机功率一览表
配套管径
扬程(m)
流量(m3/h)
计算流速(m/s)
安装部位
功效
计算功率(KW)
选用功率(KW)
75
285
2.521
斜井泵站
0.70
83.21
90
185
2.903
54.01
55
50
206
1.826
正洞泵站
40.10
25
1.769
19.46
根据目前涌水水位及容水量,为达到操作方面,作业循环时间短的目的,在水位降至安全水位之前,其主泵站均需随着水位下降而移动,根据同类型号水泵配置情况,建立三组移动泵站,采用轮胎行走式移动泵站平台,除此之后,在每一作业面再设置2~4台7.5kw水泵,以配合主泵站抽水及其它较小坑洼处积水,其主泵站具体配置情况如表3所示。
五、排水系统
1、管路
根据洞内最大水量情况,结合选配的抽水设备,管路均为无缝钢管。
突发涌水采用一套φ325mm管路(高压风管)和用一套φ100mm管路(高压水管),作为应急排水管路。
2、临时集水坑
斜井内临时积水坑设在洞内右侧,每隔300米设置一处(临时泵站)。
临时积水坑尺寸为:
15m(长)×
4m(宽)×
2.5m(深),容量150m3。
正洞内临时集水坑每隔250米设置一处,临时积水坑尺寸为:
5.9m(宽)×
1.6m(深),容量141.6m3。
3、固定泵站
固定泵站为正洞泵站、斜井泵站。
一号斜井由于高差较大(122.76m),斜井内设固定泵站3处,泵站水仓结构尺寸为:
30m(长)×
5.0m(宽)×
2.8m(深),容量280m3。
泵站设在进洞左侧。
正洞反坡长度1740m,在1000m处设置泵站,泵站水仓为单幅仰拱施工后未施工的填充位置尺寸:
1.6m(深),容量283m3
表2泵站布置表
泵站名称
里程
净高差
排水距离
理论计算杨程
配备扬程
使用情况
一级
X1K0+970
42.39
560
70.345
永久
二级
X1K0+480
490
67.38
三级
X1K0+030
37.89
450
60.74
DK482+300
2.34
530
23.75
临时
DK481+800
4.64
1030
48.72
DK481+300
2.25
500
23.65
水泵配置情况
斜井一、二、三级泵站各配置300m3/h、75m、90KW/h各5台(一台备用),200m3/h、75m、55KW/h各2台(一台备用)
4、其他
掌子面排水采用移动式水泵,管路为φ159mm消防软管,抽排至临时积水坑内,再用移动式水泵,管路为φ159mm钢管,抽排至正洞泵站。
六、排水管理和实施
1、人员安排
班长1人/班、抽水工3人~4/班、电工1人/班,每天3班。
2、运行和检修
⑴确保电路安装的正确,检查转向是否正确;
设置接地装置及标志。
⑵电泵的冷却,采用下一个泵站抽上来的水直接浇至电泵上进行冷却。
⑶施工中在水泵与管路的接口处安一个φ20mm出水口,利用抽水的高压水不断对进水口处进行冲搅;
同时,利用高压风进行冲吹,防止污泥的淤积。
⑷施工人员及时对坑内污泥杂物进行清理。
⑸在进水口仓裹铁窗纱,同时把水泵(工作面移动式)或进水口施在竹筐内,可以防止污泥及杂物的进入而发生堵塞。
⑹当水位下降超过底座,间歇出水时,应立即停机进行检查;
运行一定时间后,须进行维护保养。
及时地进行保养和维修是确保设备正常运转的必要措施。
3、值班制度
工作人员24h值班制,并制定抽水记录表进行统一管理,发现问题及时处理,汇总问题进行总结分析。
七、应急措施
进入正洞施工后在排水系统上增设1套设备和管路作为应急措施。
管路与正常施工排水管路平行布置。
一旦遇到突水、涌水现象,即开启应急排水。
八、污水处理
洞内施工排放的污水须经沉淀、隔油、气浮处理。
处理后的水尽量用于喷洒道路,排放的水一定要经检验达标后才预排入河沟。
沉淀池内淤泥用吸泥泵抽出后集中晾干,而后装运至弃碴场内统一堆弃。
污水处理系统见图2。
图2污水沉淀净化处理示意图
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