長(zhǎng)距離、大坡度隧洞TBM施工排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

加爾恒·多那依

（新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）作為專(zhuān)用隧洞工程開(kāi)挖施工的先進(jìn)施工裝備，具有施工速度快、安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)且有利于環(huán)保和降低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于更多的水利工程。掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水以及由山體滲出或者涌出的水，需要及時(shí)從TBM施工區(qū)域排出，以免影響設(shè)備、人員以及作業(yè)安全[1]。新疆供水工程T3標(biāo)段支洞區(qū)段可能有大涌水，排水系統(tǒng)任何部位出現(xiàn)問(wèn)題都將會(huì)導(dǎo)致排水工作停止?；诖耍疚尼槍?duì)工程中長(zhǎng)距離、大坡度隧洞TBM施工的排水進(jìn)行分析。

1 工程概述

1.1 工程簡(jiǎn)介

新疆供水工程T3標(biāo)段支洞采用TBM掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為5352.25 m，縱坡為11.5%，開(kāi)挖洞徑8.0 m，斷面型式為圓形，進(jìn)口段高程約為1176.95 m，與主洞交點(diǎn)高程為571.38 m，施工過(guò)程均為順坡開(kāi)挖、反坡排水。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程總地勢(shì)北高南低、東高西低，由東北向南西緩慢傾斜，海拔高程1150 m～1200 m，地形起伏不大，多為剝蝕殘丘，一般高差10 m～20 m，最大高差約30 m，基巖大多裸露，主要為戈壁荒漠地貌。

根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪，地層巖性主要三是角閃安山玢巖、輝石安山玢巖及石炭系凝灰質(zhì)砂巖，厚層狀結(jié)構(gòu)，巖石堅(jiān)硬，巖體完整。

2 試驗(yàn)洞分段工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

0-028.00 m～0+042.50 m：該段巖性為角閃安山玢巖、輝石安山玢巖，處于強(qiáng)風(fēng)化巖體中，強(qiáng)風(fēng)化厚3 m～5 m，由于風(fēng)化影響，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)、裂隙面切割，洞身圍巖較破碎，屬于Ⅴ類(lèi)圍巖。估算該隧洞段總涌水量Q=0.17 m3/h。

0+042.50 m～0+106.30 m：該段巖性為角閃安山玢巖、輝石安山玢巖，處于弱風(fēng)化～微風(fēng)化巖體中，巖體較完整，地下水為基巖裂隙水，涌水量小，以滲水、滴水為主，地下水對(duì)普通混凝土具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等腐蝕性。估算該段隧洞段總涌水量Q=0.26 m3/h，該段洞身圍巖較完整，屬于Ⅳ類(lèi)圍巖。

3 大坡度排水

3.1 排水量確定

根據(jù)水文地質(zhì)資料，估算該隧洞段總涌水量Q=35.89 m3/h，地下水為基巖裂隙水，涌水量小，洞壁以滲水、滴水為主，斷層帶內(nèi)以線(xiàn)狀水流為主。TBM在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的廢水排放量為5 m3/h，該支洞正?？傆克繛?1 m3/h。排水系統(tǒng)按照1.2倍安全系數(shù)儲(chǔ)備，最大排水量取50 m3/h。

3.2 排水系統(tǒng)

該支洞在排水施工過(guò)程中采取強(qiáng)排措施，將順坡匯集的洞內(nèi)滲涌水和施工廢水收集到TBM設(shè)備主機(jī)位置，并采用潛污泵將其抽排到TBM掘進(jìn)機(jī)后配套設(shè)置的水箱，通過(guò)初步沉淀后，采用高揚(yáng)程水泵分級(jí)泵排到洞外污水處理系統(tǒng)，污水處理能力不小于50 m3/h。由于該隧洞距離長(zhǎng)，坡度較大，因此排水系統(tǒng)應(yīng)該滿(mǎn)足615 m高度揚(yáng)程要求，采取強(qiáng)排方式用多級(jí)固定水箱逐級(jí)排抽，固定水箱形成之前設(shè)置臨時(shí)水箱，布置間距為1000 m的固定水箱，共分5級(jí)排水，1級(jí)至5級(jí)排水高度150 m，排水系統(tǒng)總布置見(jiàn)圖1。

圖1 排水系統(tǒng)總布置圖

3.3 排水泵的選型及布置

3.3.1 水泵選型

（1）選型依據(jù)

固定水箱單臺(tái)水泵排水量50 m3/h，揚(yáng)程115m，輸水距離1000 m。

（2）水泵揚(yáng)程

式中：Hp為排水高度，m；Hg為吸水高度，一般取4 m～5 m；ηg為管路效率，對(duì)斜井當(dāng)傾角小于20°時(shí)，ηg=0.77～0.74。

3.3.2 水泵布置

排水泵布置應(yīng)要考慮安裝快速且經(jīng)濟(jì)、檢修維護(hù)方便等因素，臨時(shí)水箱部位和TBM設(shè)備水箱排水采用潛污泵，各級(jí)固定水箱排水選用離心泵方案，見(jiàn)表2。吸水過(guò)濾裝置安裝到水泵吸水口，避免將大顆粒的砂粒及碎石吸入泵內(nèi)，從而影響水泵內(nèi)的電機(jī)殼以及水泵葉輪等，以延長(zhǎng)水泵使用壽命和提高排水效率。水泵抽水時(shí)，為了避免水面過(guò)低而吸入空氣產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，設(shè)置帶有水位傳感器的自動(dòng)液位控制裝置。水箱的排水水位控制最低水位為1.0 m，從水箱底部算起，當(dāng)水位低于1.0 m時(shí)水泵自動(dòng)跳閘并停止排水。在用泵、備用泵、等修泵均采用同一型號(hào)的產(chǎn)品。

表2 水泵選型參數(shù)表

3.4 水箱布置

根據(jù)30 min涌水量來(lái)考慮固定水箱大小，水箱有效容積為25 m3。固定水箱共分五級(jí)：一級(jí)固定水箱樁號(hào)0+750.00，二級(jí)固定水箱樁號(hào)1+750.00，三級(jí)固定水箱樁號(hào)2+750.00，四級(jí)固定水箱樁號(hào)3+750.00，五級(jí)固定水箱樁號(hào)4+750.00。各級(jí)排水系統(tǒng)均布置2臺(tái)臥式多級(jí)離心泵：Q=54 m3/h、H=158 m、P=45 kW，水泵排水高度115 m，采用“一用一備”的原則；臨時(shí)水箱具有中轉(zhuǎn)排水的功能。根據(jù)15 min涌水量考慮臨時(shí)水箱大小，水箱有效容積為15 m3，距TBM設(shè)備350 m位置布設(shè)，固定水箱之間設(shè)2處，間距350 m，每處臨時(shí)水箱布置3臺(tái)潛水泵；TBM設(shè)備上水箱設(shè)置在后配套1#、2#、11#臺(tái)車(chē)，1#臺(tái)車(chē)左右兩側(cè)水箱各布置1臺(tái)潛污泵，另備用1臺(tái)；2#臺(tái)車(chē)左右兩側(cè)水箱各設(shè)1臺(tái)潛污泵，另備用1臺(tái)，11#臺(tái)車(chē)水箱布置3臺(tái)潛污泵，水箱有效容積不小于8 m3。

3.5 管路布置

3.5.1 排水管選型

（1）隧洞管路

排水管選型計(jì)算如下：

排水管直徑：

式中：Q為流經(jīng)管內(nèi)流量（m3/h）；V為管口水流速度，一般排水管口 V=1.5 m/s～2.2 m/s。

經(jīng)計(jì)算排水管直徑為110 mm～90 mm。

為確保施工中的安全，管路選用DN125的兩條無(wú)縫鋼管，一備一用，每條管路長(zhǎng)度為1000 m。

（2）TBM設(shè)備管路

TBM設(shè)備后配套2#臺(tái)車(chē)水箱至11#臺(tái)車(chē)水箱之間布置三條膠管，與潛污泵配套使用；11#臺(tái)車(chē)水箱兩條管路與排水卷盤(pán)相連，另?xiàng)l備用作為涌水時(shí)應(yīng)急管路。另外，設(shè)置1條DN50膠管，在隧洞主管路接續(xù)時(shí)，將管路中存水放入11#臺(tái)車(chē)水箱。

3.5.2 排水管路布置

排水管路的布置應(yīng)該要考慮隧洞斷面尺寸、安裝快捷、車(chē)輛運(yùn)行以及檢修維護(hù)方便等因素。由于管路直徑較小，從水箱出來(lái)的兩條管路采用并排垂直布置。排水管路均選用無(wú)縫鋼管，排水系統(tǒng)管路規(guī)格為φ133×5。管路連接采用法蘭盤(pán)接頭進(jìn)行連接，管路沿隧洞進(jìn)洞方向敷設(shè)在隧洞右側(cè)，并采用錨桿將管路固定于側(cè)墻上方。為了避免水流倒流損壞水泵，管路設(shè)置閘閥和止回閥。

3.6 排水流程

總體排水流程：TBM主機(jī)→后配套臺(tái)車(chē)固定水箱→臨時(shí)水箱→各級(jí)固定水箱→洞外污水處理系統(tǒng)，各施工階段排水流程見(jiàn)表3。

表3 TBM施工排水流程表

4 安全措施

排水系統(tǒng)采取多重保險(xiǎn)措施來(lái)保證排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免TBM設(shè)備被淹受損。

（1）雙條管路

各級(jí)固定水箱之間設(shè)置兩條排水管路并均為單管單泵工作，保證當(dāng)一條排水管路出現(xiàn)故障時(shí)，另一條排水管路能立即進(jìn)入工作狀態(tài)。

（2）雙重水泵保險(xiǎn)

為保證排水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，每級(jí)固定水箱按“一用一備”的原則設(shè)2套水泵。

（3）雙回路供電線(xiàn)路

為避免線(xiàn)路斷電導(dǎo)致排水系統(tǒng)無(wú)法工作，水泵的供電線(xiàn)路均采用智能切換的雙回路供電線(xiàn)路。

（4）應(yīng)急備用發(fā)電站

在緊急情況下施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)設(shè)置一套應(yīng)急備用發(fā)電系統(tǒng)，能夠?yàn)樗矶吹耐L(fēng)以及強(qiáng)排系統(tǒng)提供發(fā)電設(shè)備和升壓變壓器[2]。

5 結(jié)語(yǔ)

隧洞工程排水施工不到位不僅會(huì)導(dǎo)致TBM掘進(jìn)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞，也會(huì)嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，同時(shí)增加工程的費(fèi)用投入。本排水施工方案具有操作性強(qiáng)，工作效率高等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)排水系統(tǒng)一級(jí)一級(jí)排水，把施工過(guò)程中的廢水及涌水排到洞外污水處理系統(tǒng)，確保了TBM設(shè)備的正常掘進(jìn)，也提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益。