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1、小断面引水 隧洞施工技术浅谈,中铁十二局集团第一工程有限公司 二一七年三月,主要内容,1.工程概况及特点2.反坡小断面引水隧洞施工抽排水技术3.长距离独头掘进小断面隧洞施工供配电技术 4.反坡小断面隧洞长距离独头掘进施工通风技术,第一章工程的概况及特点1.1 隧道概况山西省小浪底引黄工程的任务是解决运城市的盐湖区、夏县、闻喜县、绛县、垣曲县五县农业灌溉、工业及城镇生活、生态用水问题。年引水量为2.47亿m3,其中农业灌溉1.16亿m3,工业和城镇生活供水1.16亿m3，生态用水0.15亿m3,设计流量20 m3/S，灌溉面积63.58万亩。引水干线起始于垣曲县境内板涧河河口右岸的小浪底水库库区
2、，终止于闻喜县境内的吕庄水库，线路总的走向为东南西北向，总长度59.6km。,本标段隧洞总长11.908km，为新开挖隧洞，设计纵坡1/3000，其中2#隧洞桩号为8+11311+210段设计流量20.0m3/s、13+95720+250段设计流量16.25 m3/s，长9.39km，垣曲支线桩号Y0+0002+518段设计流量3.94 m3/s，长2.518km。隧洞洞身横断面为城门洞形，按围岩类别及流量进行断面设计，桩号8+11311+210段洞身段断面尺寸宽*高为4m*5.4m，13+95720+250段洞身段断面尺寸宽*高为3.8m*5m，垣曲支线桩号Y0+0002+518洞身段断面尺
3、寸2.5m*4.035m。,根据开挖后的实际情况，对隧洞类围岩在顶拱、侧墙喷8cm素混凝土；对类围岩洞段，顶拱布设系统锚杆，锚杆直径25mm，间排距1m，长2.0m，梅花型布置，顶拱、侧墙喷10cm厚C20混凝土；对类围岩洞段，根据地质情况随机布置钢拱架结合超前小导管或超前锚杆，一次支护锚杆布置同类围岩洞段，顶拱、侧墙挂网喷12cm厚C20混凝土，挂15*15cm钢筋网片（8mm）。 隧洞衬砌采用C25钢筋混凝土，衬砌厚度根据围岩类别计算确定，2#隧洞类、类和类围岩衬砌厚度分别为30cm、35cm和40cm厚钢筋混凝土衬砌；垣曲支线隧洞类、类围岩衬砌厚度分别为30cm、35cm厚钢筋混凝土衬砌
4、。,3#施工支洞位于主洞桩号9+785处，与主洞斜交，交角6，支洞口底高程558m，与主洞相交处洞底高程493.7m，为斜井，斜井长度433m，坡度8.5，与主洞衔接处设25m的平洞段，支洞总长458m。4#施工支洞位于主洞桩号15+896处，与主洞正交，支洞口底高程584m，与主洞相交处洞底高程491.9m，为斜井，斜井长度619.8m，坡度8.8，与主洞衔接处设25m的平洞段，支洞总长644.8m。5#施工支洞位于主洞桩号17+716处，与主洞斜交，交角19，支洞口底高程582.2m，与主洞相交处洞底高程491m，为斜井，斜井长度617.8m，坡度8.8，与主洞衔接处设25m的平洞段，支洞
5、总长642.8m。,1.2 隧洞地质情况小浪底引水工程主要位于运城市东部的垣曲县和闻喜县境内。主体工程源于垣曲县境内中条山南麓的黄河左岸，经中条山至闻喜县境内的吕庄水库。区内东部为近东西向延伸的中条山脉，山顶高程一般在10001300之间，最高峰为同善以北的舜王坪，高程2322m，属构造剥蚀中山区，山顶一般多呈浑圆状。山间沟壑纵横，河谷发育快，河谷形态多为“V”型谷。中条山南北两侧发育山前洪积倾斜平原和洪积扇裙，北侧有洪积扇叠加，南侧的黄土塬被“V”型冲沟切割的支离破碎，塬高沟深，高差可达390m。区内中部的垣曲支线及灌区位于垣曲山间盆地的黄土丘陵区及盆地与山脉之间为起伏不平的黄土台源区。区内
6、西部的闻喜、绛县、夏县及盐湖区的灌区位于运城地盆东缘的黄土台塬区、黄土丘陵区、山前倾斜平原区。,第二章反坡小断面引水隧洞施工抽排水技术2.1 方案设计说明引水隧洞的特点一般是断面小、洞线长、工序多、干扰大、施工条件差、工期较长。由于洞线长，不可避免要设置支洞进行分段施工，支洞一般坡度较大，高差较大。在涌水量较大的大反坡引水隧洞施工中，排水方案的合理性显得尤其重要，也是隧洞施工成败的关键控制性因素。如果处理不当，轻则影响施工效率，重则导致安全质量事故。在制定排水方案时，主要考虑的因素有：涌水量的大小、水的成份、泵站的位置、水泵的选型、管道的材料及大小、电力供应等。,2.2 工程概况 2.2.1
7、设计技术条件 小浪底引黄工程引水2#隧洞13+95720+250里程范围内设有4#、5#两个支洞，其中5#支洞与主洞交叉点里程17+697.8，底板高程为491.4m，支洞口底板高程582.6m，坡度i=15.5%，倾角a=8.8，长度L=621m，高差H=90.2m，与主洞夹角为50。主洞纵坡1/3000，毛洞宽4.56m（级）及4.84m（级），开挖长度2552m。 2.2.2 施工水文地质情况 支洞主要为渗滴水，局部有线状水，暂不考虑其涌水量。 该段隧洞底高程位于地下水位以下80130m，推测施工可能存在渗水或少量涌水现象，局部裂隙发育和岩组接触带段可能存在涌水问题。估算正洞正常涌水量3
8、000 m3/d，最大涌水量约为6200m3/d。,2.3方案设计及施工运行 2.3.1 泵站设计考虑到隧洞的具体条件、抽排水管理、水泵的费用、抽排水费用及电力供应等因素，本隧洞拟采用一级泵站排水。在斜井与正洞交叉口下游侧设泵站，直接抽排至洞外。由于正洞内纵坡较缓，每隔300m设置一处集水井，由大排量、低扬程污水泵分级排至泵站水仓。水仓容量设置为20min储量,即45m3。,2.3.2 确定管路系统、计算管径 1）管路趟数确定 煤矿安全规程第二百七十八条规定： “排水管路应当有工作和备用水管。工作排水管路的能力，应当能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。工作和备用排水管路的总能力
9、，应当能配合工作和备用水泵在20h内排出矿井24h的最大涌水量。” 由煤矿安全规程可知：正常涌水时期一台泵工作，最大涌水时期两台泵工作，另外一台水泵作为备用检修水泵。根据各涌水期投入工作的水泵台数，选用两趟排水管路，正常涌水期时可任意使用一趟排水管工作，另一趟备用，最大涌水期时，两管同时排水，单泵单管工作。 2）管路材料和管径的选择 根据排水高度选用焊接钢管，壁厚5mm。 初选管径 选择排水管径是针对一定的流量寻找运转费用和初期投资费用两者之和最低的管径。由于管路的初期投资费用与管径成正比，而运转费所需的电耗与管径成反比。,离心泵的流速一般在1.53 m/s，考虑到经济性，流速取1.5 m/s
10、； 排水管直径d按下式计算： 式中： d管道内直径，mm； Vf流体体积流量，m3/h； u流体平均流速，m/s； W流体质量流量，kg/h； 流体密度，kg/m3。 一般涌水时量时：经计算得d=175mm，最大涌水量时：经计算得d=247mm，由此可选管内径为200mm。 吸水管内径的选择,为了提高吸水性能，防止气蚀发生，吸水管直径一般比排水管直径大一级，因此吸水管内径为250mm。,2.3.3水泵的选择 1）水泵选型依据 水工建筑物地下开挖工程施工规范SL378-2007第12.2.7第4条规定：排水泵的容量应比最大涌水量大30%-50%。使用一台水泵排水时，应有与排水泵相同容量的备用水泵
11、；使用两台水泵排水时，应有50%的备用量。重要部位应设备用电源。 2）水泵选型基本参数 正常涌水量： QZ=129m3/h； 最大涌水量： Qmax=258m3/h； 排水高度：泵站高差+支洞高差+洞外集水池高度=91m 排水长度： 支洞长度+主洞长度+洞外长度=621+200+20=841m,3）初选水泵 由于隧洞内一般随着掘进长度的加深出水量逐步增大，根据正常涌水量及最大涌水量拟采用两台泵排水的方案，即正常涌水时期一台泵工作，最大涌水时期两台泵工作。初选水泵时主要考虑水泵的排量及扬程两个因素。 水泵的排量 根据排水泵的容量应比最大涌水量大30%-50%。本次取30%可得单台水泵排量 Qma
12、x=1.3*258/2=168（m3/h）,水泵总扬程 主要由地形扬程、沿程阻力扬程、局部阻力扬程、水泵管道阻力扬程、设备扬程等组成。估算公式如下： 水泵总扬程=地形扬程+ (1+K)每米阻力管长/1000+水泵管道扬程+设备扬程 式中： 地形扬程根据实际地形计算得出，取91m， K管道的局部阻力占沿程阻力比值，一般取0.2，如管道比较短而复杂的情况，可能比 0.2 略高，如管道比较长，比较简单时，可改用0.1； 水泵管道扬程水泵管道产生的阻力损失，取3m； 设备扬程即末端压力，取0； 每米阻力可查给排水工程设计手册水力计算表，根据流速及管径即可查得。 查表得每米阻力为22.3 水泵总扬程=9
13、1+1.1*22.3*841/1000+3=115(m) 根据排水量Q和排水扬程，查水泵选型手册得MD155-304型号水泵额定流量Qe=119191 m3/h，额定扬程He=110130m，额定效率为77%，电机额定功率90KW。,2.3.4校验计算 1）计算管路特性 管道长度 根据以上计算可得：排水管长度841m，吸水管长度可估算为4m。 计算沿程阻力系数，对于吸、排水管路分别为： X=0.021/DX0.3=0.021/0.250.3=0.032 P=0.021/DP0.3=0.021/0.20.3=0.034 沿程阻力Hf=HX+HP=X v2/(dX*2g)*KX*lX + P v2
14、/(dP*2g) *KP*lP =0.052+13.735=13.79 修正系数KX取0.81, KP取0.76,计算局部阻力损失a吸水管局部阻力系数由阻力损失系数查手册列出下表2.3.4-1：吸水管阻力系数表 表2.3.4-1吸水管局部阻力损失：H=v2/2g=（0.87+0.19+3）*0.115=0.47mb排水管局部阻力,阻力损失系数查手册列出下表（表2.3.4-2）： 排水管阻力系数表 表2.3.4-2 排水管局部阻力损失：H=v2/2g=（0.1+1.44+3.52+4+3）*0.115=1.39m 管道局部阻力损失为：Hj=0.47+1.39=1.86m。 管道总扬程损失=91+
15、14.3+1.86+3=110m水泵扬程120m。（平均扬程）,2)水泵排水时间计算 正常涌水时，采用单泵单管排水，排水时间 T=24*(129/155)=19.97h20h 最大涌水时，采用两泵两管工作，排水时间 T=24*(258/（155*2）)=19.97h20h,2.3.5 水泵数量排水管道选择两路，因此水泵选择两台，分别安装在两路管道上，备用一台水泵，共计三台水泵。由以上计算可知，所选水泵型号满足洞内排水要求。 2.3.6电力供应配电设备的能力应当与工作、备用和检修水泵的能力相匹配，能够保证全部水泵同时运转。本工程采用独立线路为水泵供电，为了防止断电造成淹井事故，备用一台300KW
16、发电机。,2.3.7安全保证措施 对于排水系统的运转，机械队安排专人值班，发现异常情况及时进行协调解决，确保设备及人员的安全。 在集水坑处挂设彩灯及警示牌，并对设备进行挡护，防止车辆及人员触碰。 如掌子面发生大涌水，水量超过了排水系统的工作能力。调度应立即组织人员撤离掌子面。 注意设备的使用、保养、维修，注意用电安全，经常进行检查，杜绝漏电，并派专人操作和维修，非机电修理人员不得随意拆卸设备。 准备好抢险物资、材料，做好抢险准备工作，确保发生异常或险情时能够及时处理物资、设备能够提供到位，保证处理的及时性，防止事态的进一步扩大。 所有用电设备必须采用“一机、一箱、一闸、一漏保”的接线方式，并做好接地保护，严禁用同一个开关、开关箱直接控制二台及二台以上用电设备（含插座）。 各种电气设备用的闸刀、插头、插座、空气开关不得有裸露、漏电现象。 设备的负荷线、保护零线和开关箱应定期检查，发现问题立即报告专职电工维修。,
