深埋隧道中TBM階梯式供排水技術(shù)研究

張建春

摘要：在深埋隧道TBM施工中，水壓過(guò)大頻繁造成供排水管爆裂、密封損壞、閥門(mén)失效等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了TBM的掘進(jìn)效率。引漢濟(jì)渭工程嶺北TBM施工中，探索出一套階梯式供排水方案并成功實(shí)施。階梯式供水采用了梯級(jí)抽水方式，沿途配套有中轉(zhuǎn)水箱、系統(tǒng)減壓閥等。TBM尾部水管卷盤(pán)在TBM行走時(shí)可實(shí)現(xiàn)水管自動(dòng)收卷。排水采用多級(jí)抽排，對(duì)污水分別進(jìn)行沉淀過(guò)濾、濾網(wǎng)過(guò)濾和活性炭過(guò)濾。供排水系統(tǒng)均搭配自動(dòng)化抽排技術(shù)和減壓措施。TBM階梯式供排水技術(shù)降低了水系統(tǒng)內(nèi)壓，實(shí)現(xiàn)了污水處理和自動(dòng)化控制，成功地把TBM供排水故障率控制在0.5%以下。此方案的應(yīng)用節(jié)約了人力，達(dá)到了污水的環(huán)保排放要求，提高了TBM施工效率，并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：TBM;抖井;施工供排水;水壓

中圖分類(lèi)號(hào)：TU961 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程又稱(chēng)陜西南水北調(diào)工程項(xiàng)目，是2014年年底開(kāi)始籌建的，用于滿(mǎn)足西安、咸陽(yáng)、寶雞、渭南4個(gè)重點(diǎn)城市及沿渭河兩岸的11個(gè)縣城和6個(gè)工業(yè)園用水要求的調(diào)輸配水工程。該項(xiàng)目是解決陜西關(guān)中、陜北缺水的戰(zhàn)略性水資源配置工程。

引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞全長(zhǎng)98.3km，穿越秦嶺主脊的TBM施工段全長(zhǎng)約34km，是引漢濟(jì)渭調(diào)水工程的控制性項(xiàng)目。其中TBM嶺北施工段全長(zhǎng)16.13km，包括秦嶺5號(hào)支洞、 TBM配套洞室和TBM施工段。項(xiàng)目采用從德國(guó)海瑞克引進(jìn)的一臺(tái)敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM S-795）進(jìn)行施工。此TBM采用連續(xù)皮帶出渣，刀盤(pán)開(kāi)挖直徑為8020mm。

2 TBM供排水的重要性

TBM掘進(jìn)施工需要新鮮水用于實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)、變壓器、液壓系統(tǒng)等設(shè)備的冷卻[1]。此外，噴混凝土注漿、除塵降溫、皮帶清洗、錨桿支護(hù)等作業(yè)工序也需要大量的新鮮水。因此，供水系統(tǒng)的完善對(duì)于TBM施工效率的提升至關(guān)重要。

在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)噴水、皮帶噴水、巖壁滲水會(huì)產(chǎn)生大量的廢水。廢水積累于TBM底部會(huì)影響TBM鋼軌的鋪設(shè)，且過(guò)量的廢水會(huì)淹沒(méi)TBM底部設(shè)備，造成電氣元件腐蝕、老化。因此，TBM必須設(shè)置可靠的排水系統(tǒng)，保證廢水及時(shí)抽排。

3 研究背景和施工難點(diǎn)

3.1 研究背景

引漢濟(jì)渭嶺北TBM施工段洞口至主洞之間設(shè)置2條斜井（5號(hào)支洞和6號(hào)支洞）用于材料和石渣運(yùn)輸及管線布置。本研究中TBM距5號(hào)支洞洞口T型交接口6320m，5號(hào)支洞距主洞平距4595m，斜長(zhǎng)4620m，與主洞交接樁號(hào)為K55+280。該支洞最大坡比為11.25%，與同類(lèi)施工斜井相比坡度較陡，且施工供排水影響因素較多，綜合施工難度較大。

引漢濟(jì)渭嶺北TBM施工段見(jiàn)圖1。

3.2 施工難點(diǎn)

第二階段TBM施工中，供排水路線在5號(hào)洞口（標(biāo)高977.7m）-5號(hào)支洞T型交接口（標(biāo)高520.2m）-TBM（標(biāo)高522.9m）上。假設(shè)斜井和主洞都為等坡隧道，則隧道和洞口的相對(duì)高差見(jiàn)圖2。

經(jīng)計(jì)算可知，原供排水系統(tǒng)中，水壓最大的位置為5號(hào)洞T型交接口（最大水壓為4.48MPa）。

在水自流情況下，供排水系統(tǒng)中最大水壓達(dá)到4.48MPa，再加上泵送壓力、沖擊壓力等，水壓將達(dá)到10.00MPa，如此高的水壓在前期施工中頻繁沖壞密封墊、水管、閥門(mén)、減壓閥等。更換這些配件增加了人工和材料成本，制約了TBM正常施工，延長(zhǎng)了工期。

4 解決措施

在引漢濟(jì)渭TBM施工中，創(chuàng)新性地研究并實(shí)施了階梯式供排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)將水管內(nèi)的水壓在中轉(zhuǎn)站進(jìn)行釋放，完美地解決了壓差問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了污水處理和自動(dòng)化控制。

4.1 階梯式供水系統(tǒng)

階梯式供水系統(tǒng)在長(zhǎng)度為4619.97m的斜井中設(shè)置4處供水中轉(zhuǎn)站，相鄰中轉(zhuǎn)站的間距為924m。在中轉(zhuǎn)站安裝水箱和進(jìn)水自動(dòng)控制系統(tǒng)。并在TBM上安裝TBM水箱和水管卷盤(pán)，實(shí)現(xiàn)水管在TBM掘進(jìn)過(guò)程中的自動(dòng)收放。其整體布置見(jiàn)圖3。

4.1.1 供水水箱

供水水箱分為洞口水箱（4m×3m×3m）、中轉(zhuǎn)水箱（3m×2m×3m）、TBM水箱（6m×2m×3m），共6個(gè)，所有水箱都采用5mm厚的碳素鋼板焊接而成，水箱內(nèi)外表面都做防腐處理。中轉(zhuǎn)供水箱布置見(jiàn)圖4，

計(jì)算可知：相鄰中轉(zhuǎn)站之間的高度為91.5m，每個(gè)中轉(zhuǎn)站的水壓為0.9MPa。

4.1.2 供水配套設(shè)施

供水配套設(shè)施主要包括鐵質(zhì)供水管、水管墊片、減壓閥、水管收卷自動(dòng)控制裝置、水管卷盤(pán)等，其配置方式如下。

（1）根據(jù)TBM的需水量及水的流速計(jì)算，所有供水水管均采用DN100管路。洞口至TBM段采用鐵質(zhì)管路，TBM尾端采用橡膠軟管。橡膠軟管可滿(mǎn)足TBM行走過(guò)程中管路的收卷和延伸。

（2）水管墊片采用金屬纏繞墊片，可降低其老化速度，增強(qiáng)承壓能力。

（3）減壓閥采用DN100活塞式減壓閥，在主洞每隔1000m安裝一個(gè)，可實(shí)現(xiàn)主洞管路內(nèi)的水壓調(diào)節(jié)。此類(lèi)減壓閥可調(diào)節(jié)和控制主閥的出口水壓，主閥出口水壓不會(huì)因進(jìn)口的壓力變化而變化。

（4）因斜井坡度較大，水壓能完全滿(mǎn)足供水需求，故斜井無(wú)需設(shè)置水泵。主洞內(nèi)的水泵需求可按以下方式論證：T型接口處斜井方向水壓P₄=P₃=0.900MPa;T型接口處TBM方向水壓P₅=ρgh=10³kg/m³×9.8N/kg×（522.9-520.2）m=0.026MPa。因P₄（0.900MPa）>P₅（0.026MPa），故不安裝水泵情況下，此系統(tǒng)依然能滿(mǎn)足TBM供水需求。

（5）為了滿(mǎn)足TBM行走需求，該系統(tǒng)在TBM尾部設(shè)計(jì)了水管卷盤(pán)，水管卷盤(pán)與TBM的控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)，可在TBM掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)水管的自動(dòng)延伸。水管卷盤(pán)及主洞水管的布置見(jiàn)圖5。

4.1.3 供水自動(dòng)控制系統(tǒng)

為了節(jié)省用水成本，在每個(gè)供水中轉(zhuǎn)站都設(shè)置了進(jìn)水控制系統(tǒng)，進(jìn)水控制系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的機(jī)械浮球閥進(jìn)行控制。機(jī)械浮球閥自動(dòng)控制系統(tǒng)見(jiàn)圖6。

4.2 階梯式排水系統(tǒng)

階梯式排水系統(tǒng)一方面需要解決壓差和自動(dòng)控制問(wèn)題，另一方面需要解決污水的過(guò)濾問(wèn)題。其解決方式為廢水在主洞采用排水管流至1號(hào)廢水箱（T型交接口處），再把廢水過(guò)濾處理后采用階梯式抽排技術(shù)排至洞外。

斜井設(shè)置5處排水中轉(zhuǎn)站，中轉(zhuǎn)站安裝廢水箱、抽水泵、污水處理裝置、自動(dòng)抽排系統(tǒng)。此系統(tǒng)會(huì)對(duì)廢水進(jìn)行過(guò)濾，并根據(jù)水位對(duì)廢水進(jìn)行自動(dòng)抽排。排水系統(tǒng)需在中轉(zhuǎn)水箱處設(shè)置水泵，以此克服壓差將水抽排至洞外。

4.2.1 排水中轉(zhuǎn)水箱

階梯式排水系統(tǒng)：在長(zhǎng)度為4619.97m的斜井中設(shè)置5處排水中轉(zhuǎn)站，相鄰中轉(zhuǎn)站的間距為924m。廢水箱尺寸為2m×2m×3m（長(zhǎng)×寬×高），采用5mm厚碳素鋼板焊接而成，水箱內(nèi)外表面都做防腐處理。廢水箱布置見(jiàn)圖7。

4.2.2 廢水過(guò)濾裝置

TBM產(chǎn)生的廢水主要成分為泥渣和少量油污，因此設(shè)計(jì)有沉淀過(guò)濾裝置、濾網(wǎng)過(guò)濾裝置、活性炭過(guò)濾裝置。抽水人員需定期更換濾網(wǎng)和活性炭。此裝置經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明能有效去除廢水中的泥沙和油污。其布置方式見(jiàn)圖8。

在廢水過(guò)濾裝置上方布置泥漿抽排泵，當(dāng)沉淀池內(nèi)的泥渣較多時(shí)，采用泥漿抽排泵將泥渣抽排上渣車(chē)并運(yùn)送至洞外。

4.2.3 排水自動(dòng)控制系統(tǒng)

排水水泵采用功率90kW、流量155m³/h的離心泵，水泵揚(yáng)程為120m，每個(gè)中轉(zhuǎn)站布置一臺(tái)。

排水自動(dòng)控制系統(tǒng)采用KEY電纜浮球液位開(kāi)關(guān)進(jìn)行液位控制。當(dāng)廢水達(dá)到高液位時(shí)，水位控制器會(huì)控制水泵繼電器啟動(dòng)，從而啟動(dòng)水泵進(jìn)行抽水;當(dāng)廢水在低液位時(shí)，水泵將停止運(yùn)行，抽水停止。排水自動(dòng)控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖9。

4.3 前后供排水系統(tǒng)水壓比較

為了確定階梯式供排水系統(tǒng)的優(yōu)劣性，現(xiàn)將系統(tǒng)改造前后的水壓進(jìn)行計(jì)算比較，以此來(lái)確定整個(gè)系統(tǒng)中的水壓是否滿(mǎn)足水管等的承受能力。

4.3.1 供水系統(tǒng)水壓比較

原供水系統(tǒng)的水壓最高達(dá)到了4.48MPa，階梯式供水系統(tǒng)水壓最大為0.90MPa，階梯式供水系統(tǒng)水壓明顯低于原系統(tǒng)水壓。改造前后的水壓對(duì)比見(jiàn)圖100

4.3.2 排水系統(tǒng)水壓比較

階梯式排水系統(tǒng)改造前后的水壓與供水系統(tǒng)類(lèi)似，其水流方向與供水系統(tǒng)相反，故階梯式排水系統(tǒng)水壓也滿(mǎn)足需求。

5 結(jié)語(yǔ)

該工程為超長(zhǎng)隧道，與同類(lèi)隧洞相比其斜井坡度較陡，施工供排水影響因素較多，需綜合考慮壓差、成本、人工、污水處理等問(wèn)題。階梯式供排水系統(tǒng)的研究和應(yīng)用可有效節(jié)約成本，減少TBM停機(jī)次數(shù)，加快施工進(jìn)度，提高項(xiàng)目的整體效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐博，林翰.TBM施工供排水設(shè)計(jì)分析[J].黑龍江水利科技，2014，42（8）：109-110.