變頻調(diào)壓分級(jí)接力供水技術(shù)在特長(zhǎng)隧道TBM施工中的應(yīng)用

周雁領(lǐng)

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司,天津 300222)

1 工程概況及供水需求

1.1 工程概況

西秦嶺特長(zhǎng)隧道位于新建鐵路蘭渝線(xiàn)中段,地處甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi),進(jìn)口位于透防鄉(xiāng)潘家溝,出口位于洛塘鎮(zhèn)老盤(pán)底,隧道走行于秦嶺高中山區(qū),地勢(shì)總體趨勢(shì)西高東低,山體陡峻,溝谷深切多呈“V”字形。高程多在1 000～2 400 m,相對(duì)高差約1 400 m,隧道最大埋深約1 400 m。設(shè)計(jì)為兩座單線(xiàn)隧道,線(xiàn)間距40 m,至出口段縮至25 m。右線(xiàn)起訖里程為DK395+116.582～DK423+351.422(長(zhǎng)鏈1.742 m),全長(zhǎng)2 8236.582 m。

該隧道從出口段采用TBM法施工,開(kāi)挖直徑10.23 m,計(jì)劃掘進(jìn)長(zhǎng)度16 249 m,其施工區(qū)段劃分如圖1所示,其中的黑色部分為T(mén)BM法掘進(jìn),白色部分采用鉆爆法施工,TBM步進(jìn)通過(guò)。

圖1 西秦嶺隧道右線(xiàn)TBM施工區(qū)段劃分示意

氣象條件：隧道沿線(xiàn)屬北亞熱帶濕潤(rùn)向暖溫半濕潤(rùn)過(guò)渡的季風(fēng)氣候,受境內(nèi)高山深谷地形的影響,在氣候上有明顯的區(qū)域特征,氣候差異懸殊,垂直分帶的差異性明顯,河谷炎熱,山地寒冷。最高氣溫38.6 ℃,最低氣溫-8.6 ℃,年降水量(471.9 mm)遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量(1 897.5 mm),以東南風(fēng)為主,土壤最大凍結(jié)深度13 cm。

1.2 供水條件與需求1.2.1 隧道曲線(xiàn)與坡度

隧道右線(xiàn)洞身除出口段410.779 m位于R=4 500 m的左偏曲線(xiàn)上以外,其余地段均位于直線(xiàn)地段,出口段自出口至洞內(nèi)652 m段、652 m至16 672 m段分別以4.6‰、3‰的坡度上坡,從16 672 m至17 292 m段、17 292 m至19 800 m段分別以7.0‰、13‰的坡度下坡,出口高程1 065 m。

1.2.2 供水系統(tǒng)相關(guān)要求

供水系統(tǒng)從隧道出口進(jìn)入隧道,隧道內(nèi)最遠(yuǎn)供水距離為19 800 m,因此最遠(yuǎn)供水點(diǎn)按20 km考慮；最遠(yuǎn)供水點(diǎn)出水口流量不小于60 m3/h,出水壓力不小于0.5 MPa,沿途二次襯砌累計(jì)用水量約15 m3/h。

供水系統(tǒng)水源地距離隧道出口平面距離為500 m,垂直高差為35 m,洞內(nèi)最高供水點(diǎn)距離水源地高差100 m。鋪設(shè)焊管輸水,泵房到隧道出口沿途設(shè)4處不大于90°的彎道,洞內(nèi)每隔500 m設(shè)置閘閥1個(gè)。

供水系統(tǒng)必須配置2個(gè)泵組,交替循環(huán)使用,確保24 h不間斷供水。

供水系統(tǒng)能保證供水壓力穩(wěn)定,波動(dòng)范圍小；供水量滿(mǎn)足施工需求且最大限度減小浪費(fèi)；具備節(jié)能環(huán)保性能。

2 方案比選

2.1 高位水池供水方案

水源地修建大口井,離心泵抽水至容量不小于200 m3的高位水池,經(jīng)管路引流至隧道內(nèi)供水點(diǎn)；根據(jù)供水距離的不斷變化,在出水口位置安裝適當(dāng)?shù)臏p壓閥。經(jīng)計(jì)算,高位水池距離隧道入口高差約為300 m,隧道洞口段約5～7 km需要采用厚壁無(wú)縫鋼管。

該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,以往隧道施工長(zhǎng)度不大、供水距離較短時(shí)經(jīng)常應(yīng)用,但在本工程中,由于地形限制,高位水池選址困難、建設(shè)成本和管路配置成本較高；高位水池距離水源地高差較大,單級(jí)泵水則要求高程、功率大,采取分級(jí)增壓方式更為合理；水首先要泵送到高位水池,之后從高位水池引入洞內(nèi),不論取水點(diǎn)距離高位水池的距離長(zhǎng)短,能量消耗都一樣,能源浪費(fèi)較為嚴(yán)重。

2.2 單級(jí)變頻供水方案

在水源地修建集水池或者大口井,安裝變頻水泵,直接送水至隧道內(nèi)的用水點(diǎn)。該方案需要配置揚(yáng)程為300～350 m的水泵,靠近水泵端約5～7 km需要鋪設(shè)厚壁無(wú)縫鋼管。

主要設(shè)備配置如下：潛水泵數(shù)量2臺(tái),1用1備,規(guī)格250QJ-100-320-160,流量100 m3/h,功率160 kW,揚(yáng)程320 m。

通常供水距離和高差不很大的情況下,適于采用單級(jí)變頻供水方式,其優(yōu)勢(shì)更加明顯；本方案在該項(xiàng)工程中要求變頻水泵的揚(yáng)程、功率都比較大,且洞口段需要采用承壓能力強(qiáng)的厚壁無(wú)縫鋼管,則設(shè)備、水管投入成本仍會(huì)比較高。

但該方案與高位水池方案相比,不必修建高位水池,泵房?jī)?nèi)以變頻水泵替代多級(jí)離心泵,相當(dāng)于節(jié)約了高位水池建設(shè)以及部分管路鋪設(shè)工作量與成本；且以往施工實(shí)踐證明,變頻供水方案在長(zhǎng)大隧道施工中,使用效果以及電力消耗均大幅下降,因而本工程采用變頻供水方案明顯優(yōu)于高位水池方案。

2.3 二級(jí)變頻供水方案

大口井內(nèi)安裝多臺(tái)潛水泵向隧道內(nèi)直接供水,水源處的水平面距離隧道內(nèi)最高點(diǎn)的垂直高差為100 m,隧道長(zhǎng)19 800 m,隧道內(nèi)每隔500 m加裝一個(gè)閘閥,泵房到隧道入口處有4個(gè)彎頭,水泵系統(tǒng)的供水流量不小于90 m3/h,供水系統(tǒng)的最遠(yuǎn)距離不少于20 000 m,供水管道前5 000 m采用DN200 mm焊管,后面采用DN150 mm焊管,在11 000 m處安裝增壓泵進(jìn)行供水。

經(jīng)計(jì)算與選型,前11 000 m主要供水設(shè)備配置如下。

水泵 共配置2組,每組3臺(tái)潛水泵(2臺(tái)同時(shí)工作,1臺(tái)備用,在用水量小的時(shí)候還可以用1臺(tái)工作,該配置可靠性更高,有利于節(jié)能),水泵型號(hào)250QJ50-280,流量50 m3/h,功率63 kW,揚(yáng)程280 m。

后9 000 m主要供水設(shè)備配置：

水泵 2組,每組1臺(tái)立式多級(jí)泵,用以二次增壓,水泵型號(hào)100DL72-25×7,流量72 m3/h,功率55 kW,揚(yáng)程180 m。

2.4 三級(jí)變頻供水方案

大口井中安裝2潛水泵,規(guī)格100QW100-15-11,流量100 m3/h,功率11 kW,揚(yáng)程25 m；地面泵房?jī)?nèi)安裝2臺(tái)多級(jí)離心泵,作為二級(jí)接力,規(guī)格100 D-45×5,流量97 m3/h,功率90 kW,揚(yáng)程225 m；距離洞口11 km處安裝2臺(tái)多級(jí)離心泵,作為三級(jí)接力,規(guī)格100D-45×3,流量97 m3/h,功率55 kW,揚(yáng)程135 m。

顯然,二級(jí)、三級(jí)變頻供水方案明顯優(yōu)于單級(jí)變頻供水方案。

二級(jí)變頻供水方案,總功率配置488 kW,共有8臺(tái)水泵及相應(yīng)的變頻控制柜,設(shè)備造價(jià)為90～100萬(wàn)元；三級(jí)變頻供水方案,總功率配置312 kW,共有6臺(tái)水泵及相應(yīng)的變頻控制柜,設(shè)備造價(jià)為50～60萬(wàn)元,同時(shí)該方案配備休眠功能,更有利于節(jié)能。

因此,三級(jí)變頻供水方案是最佳選擇。

3 變頻調(diào)壓三級(jí)接力供水系統(tǒng)

3.1 總體供水方案

本系統(tǒng)采用三級(jí)接力供水方式,如圖2所示。

圖2 變頻調(diào)壓三級(jí)接力供水系統(tǒng)

大口井中安裝2臺(tái)潛水泵(一級(jí)供水),它的流量要大于或等于泵房地面上的多級(jí)離心泵(二級(jí)供水)的流量,第一啟動(dòng)的是潛水泵,當(dāng)水被送到泵房地面時(shí),水流指示器動(dòng)作,控制二級(jí)供水的多級(jí)離心泵的變頻控制系統(tǒng)便對(duì)其發(fā)出開(kāi)泵指令,由它將帶壓的水送到隧道的作業(yè)面上。當(dāng)施工用水點(diǎn)推進(jìn)至隧道內(nèi)11 km處、水壓降至0.5 MPa時(shí),再裝2臺(tái)多級(jí)離心泵(三級(jí)供水),一直將水送到隧道的施工末端,保證施工末端的用水流量為60 m3/h,用水壓力為0.5 MPa。

三級(jí)供水水泵均采用變頻調(diào)壓技術(shù)控制,一級(jí)供水壓力信號(hào)取自二級(jí)供水的多級(jí)離心泵與潛水泵之間的管道中的壓力,二級(jí)供水的壓力信號(hào)取自于二級(jí)供水與三級(jí)供水之間的管道中的壓力,三級(jí)供水的壓力回饋信號(hào)取自于其泵的出口端。

變頻器選用芬蘭產(chǎn)ABB供水專(zhuān)用型,1臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)控制1臺(tái)水泵,即變頻器1用1備,循環(huán)交替使用。2臺(tái)變頻器都設(shè)有手動(dòng)控制模式,且能快速切換。這樣恒壓變頻供水系統(tǒng)在1臺(tái)水泵損壞需要維修,或1臺(tái)變頻控制器發(fā)生故障,或1臺(tái)水泵和變頻器都發(fā)生故障的情況下依然有足夠的供水能力。

供水管路采用DN200 mm焊管。

3.2 水泵規(guī)格與主要參數(shù)(表1)

表1 水泵規(guī)格與主要參數(shù)

3.3 供水計(jì)算

3.3.1 一級(jí)供水揚(yáng)程計(jì)算

從潛水泵到二級(jí)供水的多級(jí)離心泵的管阻

(1)

式中，q為供水流量；D為水管直徑；Re為雷諾數(shù)；Δp為管阻。

將數(shù)值q=1 667 L/min,D=125 mm(一、二級(jí)水泵間水管直徑)代入公式(1)、(2),得管阻Δp=0.155 2 m水柱。

二級(jí)供水多級(jí)離心泵進(jìn)水口壓力計(jì)算

P2=He1-Ha1-Hb-Δp(3)

式中，P2為二級(jí)供水多級(jí)離心泵進(jìn)水口壓力；He1為潛水泵總揚(yáng)程；Ha1為多級(jí)離心泵泵口與大口井水面的高差；Hb為拐彎損失壓力；Δp為管阻。

將He1=25、Ha1=12.6、Hb=2、Δp=0.155 2代入公式(3),得P2=10.24 m水柱。

結(jié)論：潛水泵完全可以將水送到二級(jí)供水的多級(jí)離心泵，進(jìn)水口處尚有余壓10.24 m水柱。

3.3.2 二級(jí)供水管道末端壓力計(jì)算

三級(jí)供水的多級(jí)離心泵進(jìn)水口壓力計(jì)算

P3=He2-Ha2-Ha3-Δp2-Δp3-Hb-Hc(4)

式中，P3為三級(jí)供水的多級(jí)離心泵進(jìn)水口壓力；He2為第二級(jí)供水的多級(jí)離心泵揚(yáng)程；Ha2為11 km處與洞口的高差(坡度3/1 000)；Ha3為泵房平面至隧道洞之間的高差；Δp2為泵房至隧道口之間的管阻；Δp3為隧道口至11 km處的管阻；Hb為拐彎處水頭損失；Hc為沿途砌襯用水水頭的損失。

根據(jù)公式(1)、(2),D=200 mm、q=1 600 L/min,得泵房平面至隧道口之間管阻Δp2=2.78 m,隧道口至11 km處的管阻Δp3=61.6 m。

將He2=225 m、Ha2=33 m、Ha3=35 m、Δp2=2.78 m、Δp3=61.6 m、Hb=6 m(按6個(gè)彎頭計(jì)算)、Hc=35 m(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì))代入公式(4),則P3=48.63 m水柱。

上述計(jì)算結(jié)果沒(méi)有包括潛水泵壓力迭加部分,未考慮因管道泄露而產(chǎn)生的壓力損失。

3.3.3 三級(jí)供水管道末端壓力計(jì)算

隧道20 km處供水管道末端壓力計(jì)算

P4=He3-Ha3-Δp4-Hb+P3-Hc(5)

式中，He3為三級(jí)供水多級(jí)離心泵揚(yáng)程；Ha3為9 km斜坡的高差；Δp4為9 km管道損失；Hb為拐彎損失水柱；P3為二級(jí)供水剩余壓力；Hc為砌襯損失壓力。

將He3=135 m、Ha3=27 m、Δp4=55.26 m(將D=200 mm,q=1 600 L/min代入公式(1)計(jì)算得到)、Hb=3 m(按3個(gè)彎頭計(jì)算)、Hc=35 m(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì))、P3=48.63 m代入公式(5),則P4=65 m水柱。

上述計(jì)算結(jié)果沒(méi)有包括潛水泵壓力迭加部分、沒(méi)考慮因管道泄露而產(chǎn)生的壓力損失。

上述計(jì)算誤差最大是砌襯壓力損失,因?yàn)闆](méi)有取水點(diǎn)個(gè)數(shù)與取水管管徑的大小,所以只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)；如果每個(gè)取水點(diǎn)都裝減壓閥,盡量縮小用水管管徑的話(huà),其流量與壓力損失會(huì)降至最低限度,從而接近我們的理論計(jì)算值,如果實(shí)際運(yùn)用中二級(jí)供水末端壓力偏低,我們可以酌情將三級(jí)供水水泵功率提高一個(gè)等級(jí),現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)作,以實(shí)際情況為準(zhǔn)。

4 變頻調(diào)壓分級(jí)接力供水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

(1)設(shè)備采購(gòu)成本大幅降低

如前所述,采用變頻調(diào)壓三級(jí)接力供水系統(tǒng),較二級(jí)接力供水方案,節(jié)約設(shè)備采購(gòu)成本約40萬(wàn)元。

(2)動(dòng)能迭加,利于節(jié)能

一級(jí)供水潛水泵及二級(jí)供水多級(jí)泵輸送的水,其動(dòng)能并沒(méi)有浪費(fèi),而是與下一級(jí)多級(jí)離心泵輸出水的動(dòng)能相迭加,于是水會(huì)被送得更高、送得更遠(yuǎn),從而保證最終出水口的水壓不會(huì)低于0.5 MPa。

(3)功率搭配合理,節(jié)能效果顯著

如果不采用分級(jí)供水,則水泵功率為180 kW,現(xiàn)采用90 kW+11 kW水泵,每小時(shí)節(jié)電79 kW·h,一晝夜節(jié)電1 896 kW·h,以0.8元/kW·h計(jì)算,一天節(jié)約電費(fèi)1 519元,一年節(jié)約電費(fèi)55萬(wàn)元；再考慮啟用休眠功能,節(jié)電效果更加明顯。

(4)小功率潛水泵替代大型潛水泵,節(jié)約設(shè)備投入,且維護(hù)方便

大功率的潛水泵的功率大、耗能多,而且一旦出現(xiàn)故障,吊起維修難度大,且泵房建設(shè)規(guī)模大、成本增加。

接力供水方式采用小功率潛水泵,制泵技術(shù)相對(duì)成熟得多,運(yùn)行起來(lái)也較穩(wěn)定,可靠性高；即使發(fā)生故障,吊起便捷,維護(hù)方便；二級(jí)供水多級(jí)泵安裝于地面上的泵房?jī)?nèi),一旦出現(xiàn)故障也便于維修。

(5)控制單位的功率減小,設(shè)備的控制難度減小,穩(wěn)定性增加,可靠性提高。

(6)采用三級(jí)接力供水的方式,地面上的2組多級(jí)離心泵兩頭安裝可曲繞軟接頭,有效地減小對(duì)輸水管道的擾動(dòng)。

(7)三級(jí)接力式供水,在用電安全性上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于大功率潛水泵供水。

5 系統(tǒng)運(yùn)行

5.1 運(yùn)行壓力設(shè)置

(1)供水距離為2～5 km時(shí),壓力設(shè)定值為0.1 MPa；

(2)供水距離為5～10 km時(shí),壓力設(shè)定值為0.15 MPa；

(3)供水距離為10～15 km時(shí),壓力設(shè)定值為0.10 MPa；

(4)供水距離為15～20 km時(shí),壓力設(shè)定值為0.15 MPa。

上述壓力設(shè)定值為理論設(shè)定值,具體設(shè)定方案可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況決定。按照上面的設(shè)計(jì),可以有效地保證TBM掘進(jìn)用水及沿途襯砌用水,這樣設(shè)定水壓值,既可節(jié)省電能,又可保護(hù)沿途用水設(shè)備不因?yàn)樗畨哼^(guò)高而損壞。

5.2 沿途用水點(diǎn)加裝減壓閥

在隧道的沿途用水口加裝減壓閥,可減少水壓損失,保證下游用水流量與用水壓力；高壓對(duì)用水設(shè)備沖擊力大,破壞力強(qiáng),加裝減壓閥便可保護(hù)用水設(shè)備，更加有利于保障人身安全。

5.3 啟用休眠功能

隧道施工全天候施作,因此要求供水系統(tǒng)必須24 h不間斷運(yùn)行,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況,供水并非全天滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行,由于施工工序銜接、施工設(shè)備故障等原因而存在供水間歇,因此啟用休眠功能。所謂休眠功能是指變頻調(diào)壓供水系統(tǒng),在用水負(fù)荷等于零或趨近零,電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)維持一定時(shí)間時(shí),變頻調(diào)壓供水系統(tǒng)便進(jìn)入休眠狀態(tài),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),一旦負(fù)荷出現(xiàn),系統(tǒng)又重新開(kāi)始工作。如此循環(huán)往復(fù),每年可以節(jié)省10萬(wàn)元左右的電費(fèi)。

6 應(yīng)用效果

目前,西秦嶺隧道供水距離已經(jīng)達(dá)到5.5 km,最遠(yuǎn)供水點(diǎn)為T(mén)BM施工掌子面,沿途小邊墻以及3部同步襯砌臺(tái)車(chē)同時(shí)施工,變頻調(diào)壓分級(jí)接力供水系統(tǒng)的一級(jí)、二級(jí)供水投入使用,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),為隧道施工提供了有效的供水保障。目前二級(jí)接力供水系統(tǒng)壓力設(shè)置為0.1 MPa,實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)思路是一致的,總體方案選擇以及設(shè)備配置是合理的。

但施工過(guò)程中,曾多次出現(xiàn)洞內(nèi)水管連接法蘭處密封不良、管路內(nèi)的水噴涌而出,壓力下降,水泵長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。為保證供水系統(tǒng)正常運(yùn)行,需要加強(qiáng)供水系統(tǒng)的管理和維護(hù),否則,隨著供水距離的延長(zhǎng),管路故障幾率會(huì)增加,影響TBM正常掘進(jìn)；另外,枯水季節(jié)需要采取增設(shè)蓄水滲水池向大口井補(bǔ)水等其他輔助措施,以保證井內(nèi)水位。

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