一种水工隧道大坡度斜井排水系统的施工工艺及排水系统

技术领域

本发明涉及斜井排水领域，尤其是一种水工隧道大坡度斜井排水系统的施工工艺及排水系统。

背景技术

随着社会对水利工程及水资源认识的正确定位和社会经济发展对水利依赖程度的提高，国家采取了积极的财政政策，全方位推进水利投资，大力加强水利工程基础设施建设，正集中力量有序推进一批全局性、战略性节水供水重大水利工程。水工斜井施工过程中，如何平衡和保证施工进度、质量和安全是一个新的挑战。

而对于水工斜井大坡度斜井排水，其因为斜井具有坡度，从而存在高地下水位与低地下水位的水位差，破碎围岩地质的大坡度深长斜井施工中易出现受渗漏水等因素影响，从而出现机械、人员作业工效下降，焊接、喷混质量差等不利现象，富水地质、围岩软化、结构面产生滑移易出现坍塌、发生触电安全事故等因水引起的安全风险，因此，斜井排水的施工技术是确保斜井施工安全、进度、质量的关键点和难题。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种水工隧道大坡度斜井排水系统的施工工艺及排水系统，可避免高地下水位与低地下水位的水位差、破碎围岩地质的大坡度深长斜井施工中易出现受渗透水等因素引起的施工工效下降、施工质量差等不利因素，能极大减小富水地质、围岩软化、结构面产生滑移出现坍塌、发生触电等安全事故。

本发明采用的技术方案如下：一种水工隧道大坡度斜井排水系统的施工工艺，包括以下步骤：

S1：斜井外修建污水处理系统；

S2：掌子面处开挖纵向截水沟，铺设排水管在纵向截水沟与污水处理系统之间，排水管将纵向截水沟内的水引流至污水处理系统；

S3：掌子面超前钻孔形成引水孔，在引水孔内安装引水管，引水管将水引流至纵向截水沟，边掘进边抽排纵向截水沟内的水；

S4：斜井掘进过程中间隔铺设横向截水沟，横向截水沟将散水汇集至纵向截水沟；

S5：掌子面进尺到设定深度后，开挖集水仓，集水仓与纵向截水沟连通，在集水仓内修建泵站；

S6：重复步骤S3-步骤S5，相邻的集水仓之间施工泵水管，形成多级泵站接力排水，直到斜井施工至目标位置。

进一步地，在步骤S2或/和步骤S3中，纵向截水沟随掌子面移动而移动。

进一步地，在步骤S5中，集水仓或/和泵站的修建位置根据斜井的坡度或/和斜井井口与斜井井底的高度差、泵站内水泵的型号来确定，从而拟定泵站的级数。

进一步地，泵站内具有至少一个水泵，所述水泵的型号根据斜井的坡度或/和斜井井口与斜井井底的高度差、斜井的最大排水量综合确定。

一种水工隧道大坡度斜井排水系统，通过所述的施工工艺实施形成，包括若干个沿着所述斜井的长度方向设置的集水仓，每个所述集水仓内设置对应的泵站，相邻的所述集水仓之间设置泵水管，所述泵水管的进水端与靠近斜井井底的泵站连接，所述泵水管的出水端位于靠近斜井井口的集水仓内；靠近斜井井口的集水仓与位于斜井外的污水处理系统连通；若干个所述集水仓与斜井内的散水汇集系统连通。

进一步地，所述污水处理系统包括缓冲水箱、第一沉淀池、加药间和第二沉淀池，所述集水仓与缓冲水箱的进水口连接，所述缓冲水箱的出水口通过汇水沟与第一沉淀池连接，所述加药间设置在第一沉淀池处，所述第一沉淀池通过水渠与第二沉淀池连接，所述第二沉淀池的出水口与集水池连接。

进一步地，所述汇水沟的形状为蛇形。

进一步地，所述散水汇集系统包括若干个沿纵向间隔布置的横向截水沟和位于横向截水沟的两侧或一侧的纵向截水沟，所述横向截水沟均与纵向截水沟连通；所述纵向截水沟与集水仓连通。

进一步地，所述横向截水沟为用于横向预埋在斜井底面的矩形槽，所述矩形槽由底板和位于底板两侧的上坡侧钢板、下坡侧钢板组成，所述上坡侧钢板上开设有若干个渗水孔。

进一步地，所述下坡侧钢板上固定有电缆钢管。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过施工污水处理系统，将大坡度斜井排水和污水处理系统有效结合，与泵站接力抽排形成一套独立的斜井排水系统，可提高富水大坡度斜井斜井排水功效，尤其是斜井施工产生的污水经处理后排放，对环保意义重大；

2、本发明采用掌子面超前钻孔引水、纵向截水和横向截水导流辅排相结合的斜井抽排水施工工艺，可避免高地下水位与低地下水位的水位差、破碎围岩地质的大坡度深长斜井施工中易出现受渗漏水等因素引起的机械、人员作业工效下降、焊接、喷混质量差等不利因素，能极大减小富水地质、围岩软化、结构面产生滑移出现坍塌、发生触电等因水引起的安全事故等；

3、本发明提出的横向截水沟能顾在斜斜井施工时候，截断流向掌子面的渗透水，实现减少水对掌子面和支洞的冲刷，支撑运输轨道，降低运输轨道出现沉降的可能，降低施工人员工作量，给予良好的施工环境的目的；

4、本发明通过设置多级泵站接力排水，能够持续的、高效的、有序的对大坡度斜井进行排水，提高排水功效，降低带水作业难度，减小了由水引起的斜井被淹、垮塌、触电等安全风险，增加了暗挖斜井施工的安全性，提高了施工质量，加快了施工进度，带来了不可估量的效益。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明公开的排水系统的施工工艺步骤图；

图2为本发明公开的排水系统的结构布置俯视图；

图3为本发明公开的排水系统的结构布置侧视图；

图4为本发明公开的污水处理系统结构示意图；

图5为本发明公开的缓冲水箱的结构示意图；

图6为本发明公开的散水汇集系统的一种结构布置图；

图7为本发明公开的散水汇集系统的另一种结构布置图；

图8为本发明公开的横向截水沟的结构示意图；

图中标记：1-泵站；2-集水仓；3-散水汇集系统；31-纵向截水沟；32-横向截水沟；3211-上坡侧钢板；3212-端面封板；3213-下坡侧钢板；322-渗水孔；323-电缆钢管；4-污水处理系统；41-缓冲水箱；411-浮子；412-浮子阀；42-汇水沟；43-第一沉淀池；44-加药间；45-水渠；46-第二沉淀池；47-集水池。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1-图8所示，一种水工隧道大坡度斜井排水系统的施工工艺，包括以下步骤：

S1：斜井外修建污水处理系统4，污水处理系统4用于处理斜井内的污水，使得污水达到排放标准，降低对环境的影响；

S2：掌子面处开挖纵向截水沟31，铺设排水管在斜井井口处的纵向截水沟31与污水处理系统4之间，排水管将纵向截水沟31内的水引流至污水处理系统4，纵向截水沟31汇集斜井内的散水，并且将散水引入集水仓2内；

S3：掌子面超前钻孔形成引水孔，在引水孔内安装引水管，引水管将水引流至纵向截水沟31，边掘进边抽排纵向截水沟31内的水，在对斜井开挖之前预先引流出高水位的地下水，降低地下水对掌子面施工产生不利影响；

S4：斜井掘进过程中间隔铺设横向截水沟32，横向截水沟32将散水汇集至纵向截水沟31，横向截水沟32汇集散水和地下的渗透水；

S5：掌子面进尺到设定深度后，开挖集水仓2，集水仓2与纵向截水沟31连通，在集水仓2内修建泵站1；

S6：重复步骤S3-步骤S5，相邻的集水仓2之间施工泵水管，形成多级泵站1接力排水，直到斜井施工至目标位置，实现多级泵站1排水，保证排水稳定和连续进行；目标位置通常是贯穿主动。

如图1-图3所示，对于斜井施工目前的技术，第一点，在本实施例中，在开挖斜井之前在斜井外施工污水处理系统4，能够动态的，不断的处理施工斜井产生的污水，使得污水排放到环境中时达到排放标准，相对于现有的直接排放能够降低对环境的影响，使得斜井施工更加环保；进一步地，纵向截水沟31汇集散水，将通过排水管引流至污水处理系统4。

第二点，在本实施例中，斜井掘进之前在斜井的掌子面处以斜井掘进的方向超前钻孔形成引水孔，引水孔内安装引水管，使得掌子面掘进方向的地下水能够通过引水孔渗透进入引水管，引水管将渗透水引流至纵向截水沟31，水再通过纵向截水沟31排至污水处理系统4，预先设置引水孔相比于现有的技术，其在沿着掌子面掘进时候，能够预防掌子面处的地下水过多引起掌子面坍塌和支洞底部被冲刷的情况出现，对掌子面前方的地下水进行汇流、导流、引流至目标位置，有效减少离散的地下水对施工岩面产生干扰，保证施工的正常进行和施工质量。

第三点，在本实施例中，在引水管超前引流地下水后，可以对掌子面进行掘进，斜井内壁加固等施工作业，随着掌子面的掘进，施工横向截水沟32，横向截水沟32横向布置于斜井底部，能够截断斜井底部的地下渗透水因自身重力作用渗透至掌子面，具体的，位于较高处的地下渗透水在自身重力作用下会向低处渗透，而掌子面处于斜井的最低处，现有的情况是渗透水向掌子面渗透造成掌子面处的渗透水聚集越来越多，严重影响施工，横向截水沟32能够直接截断地下渗透水的渗透路径，地下渗透水进入横向截水沟32，并在横向截水沟32的引流作用下汇流入纵向截水沟31，纵向截水沟31汇流排除，达到避免造成支洞底板冲刷、轨道底部沉降、掌子面抽水时间较长、挖机和人员行走困难的情况出现(说明的是：地下渗透水在向下渗透时候会渗透至低处位置的表面，引起泥土松软，从而造成轨道底部沉降、挖机和人员行走困难的情况出现)。

第四点，在本实施例中，对于斜井，斜井是向下倾斜的，具体的，斜井的井口位置高于斜井的井底位置，纵向截水沟31内的水在自然条件下不会自行流出斜井，所以，设置集水仓2集聚纵向截水沟31内引流的水，再通过泵站1将集聚在集水仓2内的水抽排至斜井外进入污水处理系统4；但是，若仅仅单个泵站1抽排，在斜井高度差高、斜井长度长的情况面前容易出现泵站1超负荷、大排量渗透水时候排水不及时，因此，本实施例中施工多个集水仓2，并且每个集水仓2内设置泵站1，靠近斜井井底的集水仓2内的水在对应泵站1的作用下抽排至相邻的、靠近斜井井口的集水仓2，依次类推，实现接力棒式的抽排水传递，极大的减小了单个泵站1所需抽排水的扬程和长度，并且持续工作也能保证持续排水，保证排水作业稳定。

在本实施例中，在步骤S2或/和步骤S3中，纵向截水沟31随掌子面移动而移动，纵向截水沟31沿着斜井的长度方向布置，能够截断洞内边墙(斜井的内壁)处的地下渗透水，避免洞内边墙处的地下渗透水渗透至斜井底面。

在本实施例中，在步骤S5中，集水仓2或/和泵站1的修建位置根据斜井的坡度或/和斜井井口与斜井井底的高度差、泵站1内水泵的型号来确定，从而拟定泵站1的级数，泵站1的级数为泵站1的个数，保证水泵能够顺利抽排；具体的，相邻的集水仓2的地形高度差不能大于泵站1内水泵的扬程，保证水泵能够将靠近斜井井底的集水仓2内的水抽排至相邻的、靠近斜井井口的集水仓2，例如，对于“万家斜井2#斜井支洞”的集水仓2间距设计，其采用的是型号为200/150WQ160-45-37的水泵，具有额定扬程45m，根据井口与井底的高度差173.228m，设置6个集水仓2，即设置6个泵站1，每个集水仓2的地形高度差为28.871m，满足高度差低于泵的扬程，能够顺利的将集水仓2的水抽排至相邻的集水仓2内，最终实现抽排至斜井外。

在本实施例中，进一步地，泵站1内具有至少一个水泵，所述水泵的型号和数量根据斜井的坡度或/和斜井井口与斜井井底的高度差、斜井的最大排水量综合确定，斜井最大排水量可以根据柯斯嘉科夫法和古德曼经验式子获取，选取最大的值作为最大排水量，保证排水能力足够以保证斜井施工安全；随后，根据最大排水量来确定泵的数量，同一个集水仓2内的泵并联，实现泵站1内的泵能够应对最大排水；例如，对于“万家斜井2#斜井支洞”，其最大排水量为6121m3/d，可以选定型号为200/150WQ160-45-37的水泵，该水泵的额定流量为160m3/h,经过换算，两台水泵足以支撑斜井的最大排水量；但是，在实际运用中，考虑到斜井内污水的含沙量、含泥量、水泵损耗率、维修率等综合因素，应该多设置几台水泵，在本实施例中，对于“万家斜井2#斜井支洞”，水泵的数量优选为四台，三台正常使用，一台备用。

如图2-图8所示，一种水工隧道大坡度斜井排水系统，通过所述的施工工艺实施形成，包括若干个沿着所述斜井的长度方向设置的集水仓2，每个所述集水仓2内设置对应的泵站1，实现多级泵站1排水，相邻的所述集水仓2之间设置泵水管，所述泵水管的进水端与靠近斜井井底的泵站1连接，所述泵水管的出水端位于靠近斜井井口的集水仓2内；靠近斜井井口的集水仓2与位于斜井外的污水处理系统4连通；若干个所述集水仓2与斜井内的散水汇集系统3连通。

具体的，如如2-图3所示，该排水系统的工作方式如下：

散水汇集系统3汇集斜井内的地下渗透水，并且将汇集的地下渗透水引流至集水仓2，集水仓2暂时存储地下渗透水，并且气动泵站1内的水泵，水泵逐级将靠近斜井井底的集水仓2内的水抽排至靠近斜井井口的集水仓2，最靠近井口的集水仓2通过泵站1抽排至污水处理系统4进行处理，污水处理系统4对水中的悬浮物、絮状物进行沉降，调节PH，使得污水达到排放标准，随后排放到环境中。

在本实施例中，如图4-图5所示，所述污水处理系统4包括缓冲水箱41、第一沉淀池43、加药间44和第二沉淀池46，所述集水仓2与缓冲水箱41的进水口连接，所述缓冲水箱41的出水口通过汇水沟42与第一沉淀池43连接，所述加药间44设置在第一沉淀池43处，所述第一沉淀池43通过水渠45与第二沉淀池46连接，所述第二沉淀池46的出水口与集水池47连接，所述缓冲水箱41内具有水位测定器，所述缓冲水箱41的出水口具有与水位测定器联动的阀门，相比较于现有的技术，本实施例能够在大排水量时段能够缓冲污水的流速，使得污水进入第一沉淀池43处于平流状态，从而避免大排量的污水冲刷第一沉淀池43和第二沉淀池46内已经沉淀的杂质，避免再次引起浑浊，产生该效果主要得益于缓冲水箱41设计；具体的，缓冲水箱41竖直安装，水位测定器优选为浮子411，与水位测定器联动的阀门优选为浮子阀412，以控制缓冲水箱41内水位，当水位达到一定高度后，水位测定器联动阀门开启，缓冲水箱41内的污水缓慢溢流排出后流至汇水沟42处于平流状态；集水结构不断为缓冲水箱41内补充水，使得缓冲水箱41内的水保持在一定高度，当大排量污水进入缓冲水箱41后，进入的污水会在缓冲水箱41内的污水作用下消耗动能，从而达到缓冲的目的，实现动态沉淀污水中的悬浮物和缓冲斜井排水初期的高流量污水，避免高流量污水使得后续处理池内的污水再次混乱，保持污水处理稳定，改变污水中的PH值，实现污水达标排放的目的。

需要说明的是，如图5所示，所述的浮子411与浮子阀412是本领域技术人员用的装置，其结构再次不做过多说明。

在本实施例中，所述第一沉淀池43的进水口和出水口均靠近于第一沉淀池43的顶部；所述第二沉淀池46的进水口与出水口均靠近于第二沉淀池46的顶部，污水从第一沉淀池43的顶部溢流至第二沉淀池46，污水从第二沉淀池46的顶部溢流至集水池47，检测集水池47内污水的指标是否达到排放标准，达到排放标准后排放。

进一步地，平流状态的污水依次经过第一沉淀池43、第二沉淀池46，流动的污水在进入第一沉淀池43、第二沉淀池46时候再次消减动能，平流的污水无法带着污水中的沉淀继续运动，沉淀沉降至池底，达到动态沉淀污水中的悬浮物的目的，避免长时间禁止，提高污水处理效率。

更进一步地，在本实施例中设置加药间44装置，加药间44向第一沉淀池43内加药，如絮凝剂、助凝剂和其他能够调节PH的药剂，达到调节污水的PH值的目的和集聚污水中的悬浮物，使得悬浮物能够沉降。

在本实施例中，絮凝剂的浓度为12.5％，具体的配置为“2000L水中投加250kg聚合氯化铝固体；或者200kg聚合氯化铝固体，加水1600L进行调制；推荐按聚合氯化铝固体：清水＝1：8～1：15质量比混合溶解即可；本实施例中按1：8配制；配制时一边搅拌一边少量投药，让固体充分溶解，不允许将药剂整袋一次投入溶药罐内溶解操作”；絮凝剂的浓度为1.5％，具体的配置为“即2000L水中投加3kg聚丙烯酰胺，或者2.4kg聚丙烯酰胺，兑水1600L进行配制；配制时的操作同上，应让固体充分溶解；聚丙烯酰胺溶液浓度推荐为0.1％－0.3％。本实施例按0.15％配制”。

在本实施例中，相比较传统的斜井污水处理系统4，斜井中大排量的污水通过缓冲水箱41得到有效缓冲后降低冲击力和流动速度，随后经过缓冲水箱41自然溢流至汇水沟42中，通过汇水沟42引流至第一沉淀池43，汇水沟42内的污水进入第一沉淀池43后液体流动扩散，进一步的消耗污水的冲击力和动能，使得污水处于平流状态，加药间44向第一沉淀池43内的污水加药，调节PH值，聚集悬浮物和絮状物，污水在第一沉淀池43内初步沉淀大颗粒的悬浮物；随后污水继续从第一沉淀池43溢流至第二沉淀池46中，期间经过水渠45，长时间流动使得污水中的药物充分反应，污水进入第二沉淀池46内继续沉淀，实现污水的处理。

在本实施例中，如图4所示，所述汇水沟42的形状为蛇形，蛇形即为“S”形，使污水在流动规程中不断绕弯，一方面通过增加污水在汇水沟42中的流动行程，流动行程越长，污水中的水分子碰撞消耗、污水与汇水沟42内壁、底部的摩擦消耗越高，从而达到进一步地降低流速的目的；另一方面，蛇形的汇水沟42在弯曲处迫使污水改变流动方向，汇水沟42的弯曲处不断承受污水的冲击，使得污水的冲击不断被消耗，达到进一步的消耗污水的冲击力的目的。

如图6-图8所示，在本实施例中，所述散水汇集系统3包括若干个沿纵向间隔布置的横向截水沟32和位于横向截水沟32的两侧或一侧的纵向截水沟31，所述横向截水沟32均与纵向截水沟31连通；所述纵向截水沟31与集水仓2连通，纵向截水沟31能够将渗透水引流至集水仓2，并且纵向截水沟31上靠近斜井侧面的侧面上也设置有渗水孔322，斜井侧面岩层或土层中的渗透水能够经过渗水孔322进入纵向截水沟31中，纵向截水沟31阻断斜井侧面的渗透水进入斜井底面，并且将汇集的渗透水(包括来自横向截水沟32汇集的渗透水)引流至集水仓2；所述若干个横向截水沟32沿着斜井的长度方向间隔布置，对于“万家斜井2#斜井支洞”的斜井，横向截水沟32的间距为20m，所述纵向截水沟31位于横向截水沟32的一侧或两侧，所述横向截水沟32均与纵向截水沟31连通，设置若干个横向截水沟32和纵向截水沟31，若干个横向截水沟32对斜井纵向分段截流，提高阻碍渗透水流向掌子面的能力，并且通过纵向截水沟31将横向截水沟32截流下来的渗透水引流至集水仓2，保证斜井内的排水处理正常和避免水积聚。

在本实施例中，如图8所示，所述横向截水沟32为用于横向预埋在斜井底面的矩形槽，在安装矩形槽时候，需要预先在斜井底面开挖出与矩形槽尺寸相匹配的横向预埋槽，随后将矩形槽放置在该横向预埋槽内；在本实施例中，以斜井的长度方向作为纵向，垂直于斜井的方向作为横向；所述矩形槽由底板和位于底板两侧的上坡侧钢板3211、下坡侧钢板3213组成，上坡侧钢板3211和下坡侧钢板3213均横向设置，其外表面均与横向预埋槽的内壁贴合，一方面能够截流渗透水，避免渗透水继续渗透；另一方面能够支撑横向预埋槽的内壁，防止开设有横向预埋槽位置的岩层或土层崩溃。

具体的，在本实施例中，所述上坡侧钢板3211上开设有若干个渗水孔322，渗透水从渗水孔322渗透进入矩形槽，被矩形槽收集，避免因为渗透水长期被堵塞在岩层或土层中而使得岩层或土层的强度发生减弱；下坡侧钢板3213阻断渗透水继续渗透，使得横向截水沟32能够截断并收集朝向掌子面渗透的水，减少水对掌子面和支洞的冲刷。

需要说明的是，在本实施例中，运输轨道在铺设时候铺设在矩形槽上，矩形槽能够支撑运输轨道，进一步地达到降低运输轨道出现沉降可能的目的。

需要说明的是，对于斜井，上坡侧钢板3211的安装位置高于下坡侧钢板3213的安装位置，在斜井中，渗透水从高处向低处渗透，上坡侧钢板3211的安装位置便于渗透水渗入矩形槽内；具体的，上坡侧钢板3211的安装位置更加靠近斜井的井口，下坡侧钢板3213的安装位置更加靠近斜井的井底。

在本实施例中，所述底板上靠近纵向截水沟31的表面的空间位置低于远离纵向截水沟31的表面，使得矩形槽内的渗透水能够沿着底板在自身重力势能的作用下流至纵向截水沟31。

具体的，如图6所示，横向截水沟32与纵向截水沟31的一种布置方式如下：

若横向截水沟32的两端均具有纵向截水沟31，那底板中间部位在空间位置上高于底板的两端。

具体的，如图7所示，横向截水沟32与纵向截水沟31的另一种布置方式如下：

若横向截水沟32只有一端具有纵向截水沟31，那底板上靠近纵向截水沟31的一端低于远离纵向截水沟31的一端；横向截水沟32的另一端则会设置端面封板3212，所述端面封板3212上开设有若干个渗水孔322，矩形槽端面处的渗透水通过端面封板3212上的渗水孔322进入矩形槽内，避免矩形槽内的水从该位置渗透至斜井的内壁对斜井施工质量产生影响。

在本实施例中，所述下坡侧钢板3213上固定有电缆钢管323，电缆钢管323横向布置，电缆钢管323用于穿过电缆，达到保护电缆的作用；进一步的，电缆钢管323的两端可以使用粗颗粒喷浆料填充实现封堵，避免渗透水进入电缆钢管323内对电缆产生腐蚀损坏；所述电缆钢管323尽可能靠近矩形槽的顶部，避免电缆钢管323被矩形槽内的渗透水淹没。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。