在地質(zhì)復(fù)雜的長(zhǎng)隧洞中，往往有較多的裂隙水存在。當(dāng)隧洞為長(zhǎng)距離反坡時(shí)，地下突涌水無(wú)法順坡自然排到洞外，所有地下水將匯集到掌子面區(qū)域，如不采取措施及時(shí)抽排，掌子面積水將越積越深，造成隧洞無(wú)法掘進(jìn)施工，甚至水淹整個(gè)洞段。合理的排水系統(tǒng)、理想的排水效果是實(shí)現(xiàn)隧洞快速施工及施工安全的重要保證。設(shè)計(jì)科學(xué)、先進(jìn)、合理的排水系統(tǒng)，配置高效的排水設(shè)施是解決排水難題的根本。

1 工程概況

上昆嵩水電站位于越南昆嵩省公伯隴縣，電站裝2臺(tái)容量110 MW的沖擊式機(jī)組。電站主要由擋水建筑物、泄洪建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，輸水線路總長(zhǎng)約20 km。其中引水隧洞長(zhǎng)約17 km，規(guī)劃前5 km洞段采用鉆爆法開(kāi)挖，后12 km采用隧洞掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖。

前5 km鉆爆法開(kāi)挖洞段為反坡隧洞，平均縱坡-7.165%。每隔200 m陡坡段設(shè)置一段30 m的緩坡段，陡坡段坡度為-8.09%，緩坡段坡度為-1%。隧洞開(kāi)挖典型斷面為6 m×5 m（高×寬），根據(jù)開(kāi)挖情況，每隔200～400 m設(shè)置一個(gè)錯(cuò)車道。

2 涌水情況及水量預(yù)測(cè)

2.1 已開(kāi)挖洞段的涌水情況

引水隧洞前1.9 km揭露洞段巖性為黑云母花崗巖，局部洞段沿構(gòu)造面夾綠片巖，總體呈中厚到厚層狀，塊狀構(gòu)造，巖石致密堅(jiān)硬，一般埋深90～270 m，最大埋深312 m。隧洞穿越巖性為相對(duì)隔水的非可溶巖，巖體本身不含水，通過(guò)對(duì)隧洞前1.9 km已揭露洞段的統(tǒng)計(jì)，洞內(nèi)涌水以裂隙水為主，表現(xiàn)形式主要為滲滴水，局部揭露線狀淋水與流（涌）水。

從（1+600）~（1+900）m段地下水發(fā)育情況可知，揭露1+870 m大水點(diǎn)之前，在前面洞段未出現(xiàn)相對(duì)集中的出水現(xiàn)象，單點(diǎn)流量在3～4 L/s范圍不等。總體看，地下水沿結(jié)構(gòu)面具有一定連通性，開(kāi)挖時(shí)地下水多沿結(jié)構(gòu)面持續(xù)向掌子面延伸，地下水的發(fā)育受構(gòu)造控制明顯。通過(guò)對(duì)已揭露洞段的調(diào)查分析，開(kāi)挖時(shí)揭露的出水點(diǎn)大多已經(jīng)衰竭或減小，大多無(wú)明顯穩(wěn)定補(bǔ)給，衰減較快，隧洞埋深加深后，地下水在衰減一段時(shí)間后呈穩(wěn)定出水態(tài)勢(shì)，隧洞前1.9 km總穩(wěn)定涌水量達(dá)20～35 L/s。

引水隧洞前1.9 km洞段初始大于0.5 L/s的出水點(diǎn)見(jiàn)表1。

2.2 未開(kāi)挖洞段的出水量預(yù)測(cè)

引水隧洞1.9~5.0 km洞段地層巖性仍為黑云母花崗巖，隨隧洞埋深增加，巖石以厚層塊狀新鮮巖石為主，裂隙隨埋深的增加發(fā)育程度相對(duì)減弱，結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度以中等發(fā)育到較發(fā)育為主。根據(jù)目前隧洞揭露出水點(diǎn)可知，穩(wěn)定涌水點(diǎn)一般沿較大規(guī)模的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，其補(bǔ)給、徑流條件相對(duì)較好，三次大涌水從地形圖上看均與地表沖溝有一定的聯(lián)系，受隧洞走向地質(zhì)構(gòu)造控制的長(zhǎng)大裂隙將是隧洞涌水的關(guān)鍵因素。以區(qū)域水文地質(zhì)為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆爆法前1.9 km已揭露的水文地質(zhì)信息，對(duì)引水隧洞1.9～5.0 km段的穩(wěn)定涌水量和瞬時(shí)最大涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

2.2.1穩(wěn)定涌水量預(yù)測(cè)

采用大氣降雨入滲法、水文地質(zhì)比擬法、柯斯嘉科夫法以及經(jīng)驗(yàn)法對(duì)穩(wěn)定涌水量進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

（1）大氣降雨入滲法：以地表補(bǔ)給面積以及大氣降水量為依據(jù)，考慮一定的折減系數(shù)，預(yù)測(cè)未開(kāi)挖洞段穩(wěn)定涌水量約55～65 L/s。

（2）水文地質(zhì)比擬法：根據(jù)預(yù)測(cè)洞段的表面積及已揭露隧洞單位面積涌水量，利用地質(zhì)條件相似的已揭露隧洞的實(shí)際涌水量進(jìn)行比擬推算，預(yù)測(cè)未開(kāi)挖洞段穩(wěn)定涌水量約20～35 L/s。

（3）柯斯嘉科夫法：根據(jù)隧洞單位長(zhǎng)度涌水量和隧洞底板以上含水巖土層厚度，考慮一定的滲透系數(shù)，結(jié)合各段剖面對(duì)各洞段穩(wěn)定涌水量進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)未開(kāi)挖洞段的穩(wěn)定涌水量約27～42 L/s。

（4）經(jīng)驗(yàn)法：經(jīng)驗(yàn)法的計(jì)算原理與柯斯嘉科夫法類似，對(duì)滲透系數(shù)的取值差別較大，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法對(duì)洞內(nèi)的水量預(yù)測(cè)最大為95 L/s。

2.2.2瞬時(shí)涌水量預(yù)測(cè)

采用大島洋志法、經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)瞬時(shí)突涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（1）大島洋志法：用隧洞上覆地下水水頭和隧洞洞周的滲出面積為主要參數(shù)，以一定的滲透系數(shù)下滲，分段計(jì)算（1+900）~（3+000）、（3+000）~（4+000）、（4+000）~（5+000）的最大瞬時(shí)涌水量分別為29 L/s、33 L/s和46 L/s。

（2）經(jīng)驗(yàn)公式法：公式把隧洞上覆地下水水頭作為直線函數(shù)的變量，利用已開(kāi)挖洞洞段地下水情況計(jì)算出函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，再分段計(jì)算最大瞬時(shí)涌水量分別為31 L/s、35 L/s、52 L/s。

綜合上述方法的分析計(jì)算，考慮一定的安全裕度，預(yù)測(cè)的未開(kāi)挖洞段穩(wěn)定涌水量約65~95 L/s，瞬時(shí)最大突涌水量為55 L/s，具體分段預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

3 排水方案

3.1 總體抽排水方案

本項(xiàng)目引水隧洞坡度陡（綜合坡-7.165%），反坡洞段長(zhǎng)，從隧洞0+000~隧洞5+000，形成洞內(nèi)外最大352 m高差，造成抽水揚(yáng)程高，排水困難。為高效、穩(wěn)定抽排地下涌水，確定抽排水方案如下：

抽排水系統(tǒng)由設(shè)在隧洞沿線的固定泵站、移動(dòng)泵站及掌子面排水泵等三級(jí)排水設(shè)備設(shè)施組成。

整個(gè)5 km隧洞設(shè)置3個(gè)一級(jí)固定泵站，在固定泵站與掌子面間每隔230 m設(shè)置二級(jí)移動(dòng)泵站，掌子面采用潛水泵抽排至二級(jí)泵站，在移動(dòng)泵站達(dá)到4個(gè)以后，即可設(shè)置固定泵站，將移動(dòng)泵站遷移至后續(xù)洞段。引水隧洞前5 km的泵站布置見(jiàn)圖1。

3.2 抽排水水量

3.2.1掌子面排水量

隧洞掌子面后方的沿程地下水可直接引流至附近固定泵站和移動(dòng)泵站排出，不匯集到掌子面，掌子面排水量主要參考瞬時(shí)突涌水。

掌子面施工工序中，出渣時(shí)段石渣裝載作業(yè)無(wú)法進(jìn)行抽排水，積水達(dá)到一定深度無(wú)法裝渣時(shí)，需開(kāi)始抽排積水，抽排水強(qiáng)度必須大于出水量。抽水作業(yè)對(duì)放炮、通風(fēng)、出渣、打孔的作業(yè)工序均有影響，為保證引水隧洞總體施工工期，需盡量壓縮純抽水作業(yè)工序時(shí)間，必須加大掌子面的抽排水強(qiáng)度。在最大瞬時(shí)突涌水時(shí)，一個(gè)小時(shí)無(wú)法抽排的積水必須在下一個(gè)小時(shí)內(nèi)甚至更短時(shí)間排出，這樣，掌子面的抽排水能力必須大于出水量的兩倍。在相應(yīng)洞段的掌子面，抽排水能力需分別大于62 L/s、70 L/s、110 L/s。

3.2.2移動(dòng)泵站排水量

移動(dòng)泵站各階段排水量按掌子面排水量疊加沿程穩(wěn)定涌水量確定，掌子面樁號(hào)在（1+900）～（3+000）、（3+000）～（4+000）、（4+000）～（5+000）時(shí)，移動(dòng)泵站排水量分別為87 L/s、98 L/s和152 L/s。

3.2.3固定泵站排水量

隧洞開(kāi)挖至各個(gè)樁號(hào)，對(duì)固定泵站的排水能力大小要求不同，上一級(jí)固定泵站排水能力按不小于本段沿程穩(wěn)定涌水量與下一級(jí)固定泵站或移動(dòng)泵站的排水量之和進(jìn)行配置。隧洞開(kāi)挖越深，總的穩(wěn)定出水量越大，各級(jí)泵站排水能力要求越高。各固定泵站的排水水量見(jiàn)表3。

3.3 管道選型

抽排水管道結(jié)合固定泵站與移動(dòng)泵站進(jìn)行選型，為減少安裝拆卸工作，固定泵站與移動(dòng)泵站選用同一種管道類型�？紤]到采購(gòu)以及安裝難度，結(jié)合排水水量，選取經(jīng)濟(jì)流速為2.5 m/s 的Dg150 鋼管，其1 000 m的沿程水損為79 m，一條管道的排水水量為42 L/s。掌子面排水考慮方便移動(dòng)，采用PE軟管，管徑根據(jù)水泵的型號(hào)選用。

3.4 水泵選型

水泵需根據(jù)揚(yáng)程、排水量以及工作環(huán)境的要求選擇，為減小設(shè)備采購(gòu)、運(yùn)行維護(hù)難度，應(yīng)盡量減少水泵配置的型號(hào)。固定泵站揚(yáng)程高、水量大，宜選用礦用耐磨多級(jí)泵；移動(dòng)泵站的揚(yáng)程相對(duì)較小，普通離心泵或多級(jí)泵均可滿足要求；掌子面為方便移動(dòng)，只能選用潛水泵。

3.4.1固定泵站

除1號(hào)固定泵站的揚(yáng)程為120 m外，其他兩個(gè)固定泵站的揚(yáng)程均為83 m左右。對(duì)于1號(hào)固定泵站，其沿程水頭損失約為150 m，抽水揚(yáng)程為117 m，因此，1號(hào)固定泵站的水泵揚(yáng)程需大于267 m，可選擇MD155-30×9型多級(jí)泵，單臺(tái)功率160 kW。2號(hào)、3號(hào)固定泵站的水損約為80 m，抽水揚(yáng)程約83 m，可選擇MD155-30×6型多級(jí)泵，單臺(tái)功率為110 kW。

3.4.2移動(dòng)泵站

移動(dòng)泵站的抽水揚(yáng)程為19 m，采用Dg150管道水損為20 m，可選用150S78A 型的單級(jí)雙吸中開(kāi)泵，其揚(yáng)程55 m，流量為47 L/s，功率45 kW，流量與固定泵站的泵型基本匹配。

3.4.3掌子面

掌子面至移動(dòng)泵站的長(zhǎng)度隨掌子面的延伸而變化，最大長(zhǎng)度為230 m，因此最大抽水揚(yáng)程為19 m，擬配置兩種類型的水泵供不同揚(yáng)程時(shí)匹配使用。高揚(yáng)程的100QW87-28-15型潛水排污泵，每臺(tái)抽水能力24.2 L/s，揚(yáng)程28 m，功率15 kW，重量約為180 kg。低揚(yáng)程的100QW65-15-5.5 型潛水排污泵，排水能力18 L/s，功率5.5 kW，重量約為120 kg。

根據(jù)上述泵站水泵的選型，按掘進(jìn)至終點(diǎn)時(shí)的最大排水能力，排水設(shè)備的配置見(jiàn)表4。表4不包括備用設(shè)備。

上述水泵以及管路配置可以根據(jù)地下水的實(shí)際出水情況進(jìn)行安排，一、二級(jí)泵站的水泵和管路按一臺(tái)水泵配一條水管，可抽排42 L/s的水量，超過(guò)42 L/s需增加一套管路及水泵。具體參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

4 電力設(shè)備配置方案

反坡排水的供電保障是重點(diǎn)，只有電力有了保障，抽水才有保障，一旦電力供應(yīng)出現(xiàn)問(wèn)題，水泵停止工作，如此大流量的地下水很快就會(huì)淹沒(méi)掌子面，甚至淹沒(méi)各級(jí)泵站。

洞內(nèi)施工用電設(shè)備主要有水泵、空壓機(jī)260 kW、接力風(fēng)機(jī)220 kW 和扒渣機(jī)150 kW。因最大排水強(qiáng)度時(shí)非出渣及鉆孔時(shí)段，扒渣機(jī)和空壓機(jī)可不考慮，接力風(fēng)機(jī)可考慮110 kW的使用功率。洞內(nèi)用電負(fù)荷大，必須采用10 kV線路進(jìn)洞，洞內(nèi)降壓，施工用電設(shè)備按最大用電負(fù)荷組合進(jìn)行變壓器配置。

（1）在樁號(hào)1+900附近布置1 000 kVA變壓器，供應(yīng)1號(hào)固定泵站；

（2）在掌子面樁號(hào)為3+000～4+000時(shí)，在樁號(hào)3+000附近布置1 000 kV變壓器，供應(yīng)2號(hào)固定泵站、移動(dòng)泵站以及掌子面施工設(shè)備用電。待掌子面開(kāi)挖超過(guò)4+000時(shí)，3+000處改用630 kVA變壓器，供應(yīng)2號(hào)固定泵站及接力風(fēng)機(jī)；

（3）樁號(hào)4+100附近布置1 000 kVA變壓器，供應(yīng)3號(hào)固定泵站、移動(dòng)泵站及掌子面施工設(shè)備用電。

5 抽排水運(yùn)行管理

現(xiàn)場(chǎng)排水安排3個(gè)工班，輪班作業(yè)，每個(gè)班配備專職電工，并在固定泵站專人值守。運(yùn)行人員需針對(duì)水量的大小調(diào)整工作泵的臺(tái)數(shù)，并進(jìn)行供電線路、排水管路以及集水坑巡檢、維修和清理，保證整個(gè)排水設(shè)施的順暢運(yùn)行。

截至2013年10月底，隧洞已掘進(jìn)至2+700處，洞內(nèi)最大排水量為120 L/s，目前配置的3套管路能夠滿足抽排水要求，在外部供電正常的情況下，隧洞能正常掘進(jìn)施工。自樁號(hào)1+900開(kāi)始，掘進(jìn)過(guò)程中掌子面不時(shí)遭遇地下水，后續(xù)洞段施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)增加抽排水設(shè)備，做到有備無(wú)患，保障隧洞掘進(jìn)工作正常順利進(jìn)行。