在地質(zhì)復(fù)雜的長隧洞中，往往有較多的裂隙水存在。當(dāng)隧洞為長距離反坡時，地下突涌水無法順坡自然排到洞外，所有地下水將匯集到掌子面區(qū)域，如不采取措施及時抽排，掌子面積水將越積越深，造成隧洞無法掘進(jìn)施工，甚至水淹整個洞段。合理的排水系統(tǒng)、理想的排水效果是實現(xiàn)隧洞快速施工及施工安全的重要保證。設(shè)計科學(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，輸水線路總長約20 km。其中引水隧洞長約17 km，規(guī)劃前5 km洞段采用鉆爆法開挖，后12 km采用隧洞掘進(jìn)機(jī)開挖。
前5 km鉆爆法開挖洞段為反坡隧洞，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%。隧洞開挖典型斷面為6 m×5 m（高×寬），根據(jù)開挖情況，每隔200～400 m設(shè)置一個錯車道。
2 涌水情況及水量預(yù)測
2.1 已開挖洞段的涌水情況
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，巖石致密堅硬，一般埋深90～270 m，最大埋深312 m。隧洞穿越巖性為相對隔水的非可溶巖，巖體本身不含水，通過對隧洞前1.9 km已揭露洞段的統(tǒng)計，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)相對集中的出水現(xiàn)象，單點(diǎn)流量在3～4 L/s范圍不等�？傮w看，地下水沿結(jié)構(gòu)面具有一定連通性，開挖時地下水多沿結(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。通過對已揭露洞段的調(diào)查分析，開挖時揭露的出水點(diǎn)大多已經(jīng)衰竭或減小，大多無明顯穩(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間后呈穩(wěn)定出水態(tài)勢，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)見表1。
2.2 未開挖洞段的出水量預(yù)測
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，對引水隧洞1.9～5.0 km段的穩(wěn)定涌水量和瞬時最大涌水量進(jìn)行了預(yù)測。
2.2.1穩(wěn)定涌水量預(yù)測
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)驗法對穩(wěn)定涌水量進(jìn)行分析預(yù)測。
（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)測未開挖洞段穩(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際涌水量進(jìn)行比擬推算，預(yù)測未開挖洞段穩(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)合各段剖面對各洞段穩(wěn)定涌水量進(jìn)行計算，預(yù)測未開挖洞段的穩(wěn)定涌水量約27～42 L/s。
（4）經(jīng)驗法：經(jīng)驗法的計算原理與柯斯嘉科夫法類似，對滲透系數(shù)的取值差別較大，通過經(jīng)驗法對洞內(nèi)的水量預(yù)測最大為95 L/s。
2.2.2瞬時涌水量預(yù)測
采用大島洋志法、經(jīng)驗公式法對瞬時突涌水量進(jìn)行預(yù)測。
（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，分段計算（1+900）~（3+000）、（3+000）~（4+000）、（4+000）~（5+000）的最大瞬時涌水量分別為29 L/s、33 L/s和46 L/s。
（2）經(jīng)驗公式法：公式把隧洞上覆地下水水頭作為直線函數(shù)的變量，利用已開挖洞洞段地下水情況計算出函數(shù)的經(jīng)驗系數(shù)，再分段計算最大瞬時涌水量分別為31 L/s、35 L/s、52 L/s。
綜合上述方法的分析計算，考慮一定的安全裕度，預(yù)測的未開挖洞段穩(wěn)定涌水量約65~95 L/s，瞬時最大突涌水量為55 L/s，具體分段預(yù)測結(jié)果見表2。
3 排水方案
3.1 總體抽排水方案
本項目引水隧洞坡度陡（綜合坡-7.165%），反坡洞段長，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、移動泵站及掌子面排水泵等三級排水設(shè)備設(shè)施組成。
整個5 km隧洞設(shè)置3個一級固定泵站，在固定泵站與掌子面間每隔230 m設(shè)置二級移動泵站，掌子面采用潛水泵抽排至二級泵站，在移動泵站達(dá)到4個以后，即可設(shè)置固定泵站，將移動泵站遷移至后續(xù)洞段。引水隧洞前5 km的泵站布置見圖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泵站排出，不匯集到掌子面，掌子面排水量主要參考瞬時突涌水。
掌子面施工工序中，出渣時段石渣裝載作業(yè)無法進(jìn)行抽排水，積水達(dá)到一定深度無法裝渣時，需開始抽排積水，抽排水強(qiáng)度必須大于出水量。抽水作業(yè)對放炮、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)工序時間，必須加大掌子面的抽排水強(qiáng)度。在最大瞬時突涌水時，一個小時無法抽排的積水必須在下一個小時內(nèi)甚至更短時間排出，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移動泵站排水量
移動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，掌子面樁號在（1+900）～（3+000）、（3+000）～（4+000）、（4+000）～（5+000）時，移動泵站排水量分別為87 L/s、98 L/s和152 L/s。
3.2.3固定泵站排水量
隧洞開挖至各個樁號，對固定泵站的排水能力大小要求不同，上一級固定泵站排水能力按不小于本段沿程穩(wěn)定涌水量與下一級固定泵站或移動泵站的排水量之和進(jìn)行配置。隧洞開挖越深，總的穩(wěn)定出水量越大，各級泵站排水能力要求越高。各固定泵站的排水水量見表3。
3.3 管道選型
抽排水管道結(jié)合固定泵站與移動泵站進(jìn)行選型，為減少安裝拆卸工作，固定泵站與移動泵站選用同一種管道類型�？紤]到采購以及安裝難度，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，采用PE軟管，管徑根據(jù)水泵的型號選用。
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、運(yùn)行維護(hù)難度，應(yīng)盡量減少水泵配置的型號。固定泵站揚(yáng)程高、水量大，宜選用礦用耐磨多級泵；移動泵站的揚(yáng)程相對較小，普通離心泵或多級泵均可滿足要求；掌子面為方便移動，只能選用潛水泵。
3.4.1固定泵站
除1號固定泵站的揚(yáng)程為120 m外，其他兩個固定泵站的揚(yáng)程均為83 m左右。對于1號固定泵站，其沿程水頭損失約為150 m，抽水揚(yáng)程為117 m，因此，1號固定泵站的水泵揚(yáng)程需大于267 m，可選擇MD155-30×9型多級泵，單臺功率160 kW。2號、3號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型多級泵，單臺功率為110 kW。
3.4.2移動泵站
移動泵站的抽水揚(yáng)程為19 m，采用Dg150管道水損為20 m，可選用150S78A 型的單級雙吸中開泵，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
掌子面至移動泵站的長度隨掌子面的延伸而變化，最大長度為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)程時匹配使用。高揚(yáng)程的100QW87-28-15型潛水排污泵，每臺抽水能力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)時的最大排水能力，排水設(shè)備的配置見表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)地下水的實際出水情況進(jìn)行安排，一、二級泵站的水泵和管路按一臺水泵配一條水管，可抽排42 L/s的水量，超過42 L/s需增加一套管路及水泵。具體參見http://www.yiban123.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)問題，水泵停止工作，如此大流量的地下水很快就會淹沒掌子面，甚至淹沒各級泵站。
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)度時非出渣及鉆孔時段，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1+900附近布置1 000 kVA變壓器，供應(yīng)1號固定泵站；
（2）在掌子面樁號為3+000～4+000時，在樁號3+000附近布置1 000 kV變壓器，供應(yīng)2號固定泵站、移動泵站以及掌子面施工設(shè)備用電。待掌子面開挖超過4+000時，3+000處改用630 kVA變壓器，供應(yīng)2號固定泵站及接力風(fēng)機(jī)；
（3）樁號4+100附近布置1 000 kVA變壓器，供應(yīng)3號固定泵站、移動泵站及掌子面施工設(shè)備用電。
5 抽排水運(yùn)行管理
現(xiàn)場排水安排3個工班，輪班作業(yè)，每個班配備專職電工，并在固定泵站專人值守。運(yùn)行人員需針對水量的大小調(diào)整工作泵的臺數(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1+900開始，掘進(jìn)過程中掌子面不時遭遇地下水，后續(xù)洞段施工過程中應(yīng)及時增加抽排水設(shè)備，做到有備無患，保障隧洞掘進(jìn)工作正常順利進(jìn)行。
