長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM施工洞內(nèi)風(fēng)、水、電供應(yīng)設(shè)計(jì)

錢鶴軒

摘 要：天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程的引水隧洞全長(zhǎng)為21.669 km，其中隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工段隧洞長(zhǎng)為21.441 km，其屬于特長(zhǎng)隧洞，是整個(gè)工程施工的關(guān)鍵項(xiàng)目。洞內(nèi)風(fēng)、水、電供應(yīng)方式是TBM掘進(jìn)順利實(shí)施的保證，也是整個(gè)隧洞投資概算合理的基礎(chǔ)保障。本文針對(duì)長(zhǎng)距離隧洞TBM施工特點(diǎn)，簡(jiǎn)要介紹了洞內(nèi)施工要素的計(jì)算及設(shè)計(jì)原則，為今后類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：特長(zhǎng)隧洞;TBM施工洞;風(fēng)、水、電供應(yīng)

中圖分類號(hào)：TV551.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）12-0068-03

Design of Wind， Water and Electricity Supply in TBM Construction

Tunnel of Long-Distance Water Conveyance Tunnel

QIAN Hexuan

（Gansu Water Conservancy Engineering Construction Supervision Consulting Center Co.， Ltd.，Lanzhou Gansu 730000）

Abstract： The total length of the diversion tunnel of the Tianshui Quxi urban and rural water supply project is 21.669 km， of which the tunnel length of the tunnel boring machine （TBM） construction section is 21.441 km， it belongs to an extra-long tunnel and is a key project of the entire project construction. The supply of wind， water， and electricity in the tunnel is the guarantee for the smooth implementation of TBM tunnelling， and it is also the basic guarantee for the reasonable investment budget of the entire tunnel. In view of the construction characteristics of long-distance tunnel TBM， this paper briefly introduces the calculation and design principles of the construction elements in the tunnel， and provides a reference for similar projects in the future.

Keywords： extra-long tunnel;TBM construction tunnel;wind， water， and electricity supply

天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程位于天水市秦州區(qū)和麥積區(qū)境內(nèi)，其中引水隧洞全長(zhǎng)為21.669 km。引水隧洞為無(wú)壓洞，設(shè)計(jì)流量為1.44 m3/s，加大流量為1.56 m3/s。其中，冷水河連接明洞長(zhǎng)為70.65 m，冷水河～胡家溝段長(zhǎng)度為21.441 km，其屬于特長(zhǎng)隧洞，是整個(gè)工程施工的關(guān)鍵項(xiàng)目。

1 地質(zhì)條件

隧洞自南向北穿過(guò)西秦嶺山地，山峰與溝谷相間發(fā)育。隧洞自南向北通過(guò)望天溝背斜和望天溝腦向斜兩個(gè)次級(jí)褶皺，隧洞沿線區(qū)域斷層有6條，泥鈣質(zhì)膠結(jié)一般或較差，擠壓緊密，上、下盤(pán)往往有40～200 m的影響帶，巖體較破碎，多呈碎裂結(jié)構(gòu)。次級(jí)斷層有68條，其中規(guī)模較大的有16條，斷層性質(zhì)以逆斷層為主，少數(shù)兼具扭性，個(gè)別為正斷層。

2 洞內(nèi)施工風(fēng)、水、電供應(yīng)

2.1 施工供風(fēng)系統(tǒng)

施工供風(fēng)系統(tǒng)由施工期壓縮空氣供應(yīng)和施工通風(fēng)兩部分組成[1]。

2.1.1 壓縮空氣站規(guī)劃布置。進(jìn)口掘進(jìn)機(jī)后配套系統(tǒng)安裝1臺(tái)10 m3/min的空氣壓縮機(jī)，用于錨鉆孔供風(fēng)，出口掘進(jìn)機(jī)后配套系統(tǒng)安裝1臺(tái)20 m3/min的空氣壓縮機(jī)，用于錨桿的鉆孔和超前鉆機(jī)供風(fēng)。

2.1.2 隧洞通風(fēng)設(shè)計(jì)。引水隧洞全長(zhǎng)為21.441 km，進(jìn)口段～1#豎井段的長(zhǎng)度為7 987.79 m，1#豎井～2#豎井段的長(zhǎng)度為5 421.29 m，2#豎井～隧洞出口的全長(zhǎng)為8 007.12 m。隧洞掘進(jìn)最大長(zhǎng)度為8 007.12 m，通風(fēng)難度較大。TBM施工時(shí)，掘進(jìn)、出渣、襯砌和回填灌漿等多道工序集中在TBM主機(jī)和后配套區(qū)域內(nèi)完成。通風(fēng)中主要考慮滿足洞內(nèi)施工人員和設(shè)備對(duì)新鮮風(fēng)的需求。主要考慮的內(nèi)容有：洞內(nèi)施工人員對(duì)新鮮空氣的需求;TBM各部件發(fā)熱導(dǎo)致溫度過(guò)高時(shí)洞內(nèi)降溫的需求;洞內(nèi)有毒氣體的稀釋和排放。TBM最大掘進(jìn)段通風(fēng)要做好以下工作[2-3]。

2.1.2.1 系統(tǒng)布置。系統(tǒng)采用長(zhǎng)管道壓入式通風(fēng)，將洞外新鮮空氣壓入TBM后配套系統(tǒng)，再經(jīng)過(guò)TBM后配套系統(tǒng)上的輔助風(fēng)機(jī)將其送到開(kāi)挖工作面。工作面污風(fēng)從主洞斷面流出洞外。

2.1.2.2 工作面風(fēng)量確定。為確保工作面勞衛(wèi)環(huán)境指標(biāo)達(dá)到《水工建筑物地下工程開(kāi)挖施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5099—2011）所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，工作面附近最小風(fēng)速不得低于0.25 m/s。掌子面最小需風(fēng)量的計(jì)算公式為：

[Q=60×V×S]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[Q]為供風(fēng)容量，m3/min;[V]為工作面最小風(fēng)速，m/s;[S]為隧洞斷面面積，m2。

2.1.2.3 漏風(fēng)系數(shù)計(jì)算。若供風(fēng)長(zhǎng)度大，則要選擇優(yōu)質(zhì)軟風(fēng)管。漏風(fēng)系數(shù)的計(jì)算公式為：

[PL=1（1-β）L/100]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：[PL]為漏風(fēng)系數(shù);[β]為百米漏風(fēng)率，%，取0.7%;[L]為通風(fēng)管道長(zhǎng)度，m，取8 000 m。

將相關(guān)參數(shù)帶入式（2），計(jì)算可得，[PL=1.75]。

2.1.2.4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量確定?？紤]機(jī)械、除塵等用風(fēng)量，洞內(nèi)最大需風(fēng)量為820 m3/min。風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量的計(jì)算公式為：

[Qj=PL×Q]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[Qj]為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量，m3/min。

帶入相關(guān)參數(shù)，經(jīng)計(jì)算，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量為1 600 m3/min。

2.1.2.5 通風(fēng)系統(tǒng)全壓計(jì)算。通風(fēng)系統(tǒng)要克服通風(fēng)阻力并保證風(fēng)管末端風(fēng)流量具有一定的動(dòng)壓。通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓可以克服這些阻力，以維持風(fēng)流的連續(xù)流動(dòng)。

風(fēng)管的摩擦風(fēng)阻計(jì)算公式為：

[Rf=6.5αL/D5]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：[Rf]為風(fēng)管的摩擦風(fēng)阻，N·s2/m8;[α]為風(fēng)管的摩擦阻力系數(shù)，kg/m3;[D]為風(fēng)管直徑，m。

通風(fēng)管沿程阻力損失的計(jì)算公式為：

[Hf=Qj2Rf/PL]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：[Hf]為通風(fēng)管沿程阻力損失，Pa。

系統(tǒng)靜壓的計(jì)算公式為：

[Ht=Hf+Hd]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中：[Ht]為系統(tǒng)靜壓，Pa;[Hd]為動(dòng)壓損失，Pa。

經(jīng)估算，系統(tǒng)風(fēng)壓為10 436 Pa。

2.1.2.6 通風(fēng)機(jī)選型。本設(shè)計(jì)選擇2DT-140型對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)，3臺(tái)串聯(lián)，每臺(tái)設(shè)計(jì)風(fēng)量為1 600 m3/min，全壓為3 500 Pa，電動(dòng)機(jī)功率為180 kW，轉(zhuǎn)速為980 r/min。其余洞段隧洞通風(fēng)均采用長(zhǎng)管道壓入和豎井抽出的混合通風(fēng)方式。

豎井抽風(fēng)機(jī)可采用1臺(tái)功率較小的SDA-AD-F75型單級(jí)軸流風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)風(fēng)量為3 600 m3/min，全壓為800 Pa，電動(dòng)機(jī)功率為75 kW。風(fēng)管均選擇[Φ]1 000 mm軟管。

2.2 施工供、排水系統(tǒng)

2.2.1 施工供水。TBM施工段掘進(jìn)期間，施工單位在隧洞進(jìn)、出口建變頻恒壓給水抽水泵站，在隧洞進(jìn)、出口處的冷水河、胡家溝中修建集水井，利用水泵從集水井抽水，經(jīng)[Φ]200 mm鋼管通過(guò)隧洞已掘進(jìn)段引至TBM后配套系統(tǒng)的清水箱。

2.2.2 施工期洞內(nèi)排水。引水隧洞擬采用兩臺(tái)TBM相向掘進(jìn)，其中進(jìn)口工作面為順坡掘進(jìn)，出口工作面為逆坡掘進(jìn)。沿線地下水類型為基巖裂隙水，其分布主要受斷裂的發(fā)育及分布情況控制，地下水位一般高出洞頂120～300 m，最大達(dá)500 m。斷裂不發(fā)育的洞段洞室潮濕或滲、滴水，對(duì)施工基本無(wú)影響;地下水規(guī)模較小，表現(xiàn)為線狀流水，每10 m的正常涌水量為11.9 m3/d，每10 m的最大涌水量為20.1 m3/d，對(duì)施工影響不大;規(guī)模較大的斷層通過(guò)段及褶皺核部附近地下水表現(xiàn)為涌水，局部斷層破碎帶可能存在突泥，每10 m的正常涌水量為148.7 m3/d，每10 m的最大涌水量為254.9 m3/d，對(duì)施工影響較大。施工期洞內(nèi)排水是保證TBM順利施工的關(guān)鍵。

隧洞排水按對(duì)TBM施工影響較大的最大涌水量254.9 m3/d控制，超過(guò)此流量時(shí)應(yīng)采取超前阻水注漿處理，確保TBM順利通過(guò)。在掘進(jìn)過(guò)程中，隨時(shí)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提前處理發(fā)現(xiàn)的地下水富集帶。因地質(zhì)條件的不確定性，應(yīng)充分考慮突發(fā)涌水，預(yù)留一定的涌水超排能力。

正常排水時(shí)，由于TBM主機(jī)部位較后部鋪設(shè)的管片低，進(jìn)口工作面需要在主機(jī)部位隨TBM配置防爆型潛水泵，抽排該部位的積水至后配套污水箱，再利用水泵抽水至集水井（每隔1 km設(shè)集水井一處）再經(jīng)水泵抽排至洞外污水處理池。為加大管道排水能力，每隔2 km安裝1臺(tái)加壓泵。引水管道采用[Φ]200 mm鋼管。

出口工作面主要采用自流方式，也需要在主機(jī)部位隨TBM配置防爆型潛水泵，抽排該部位的積水至后配套污水箱，經(jīng)沉淀后排入隧洞并流入出口場(chǎng)地的污水處理池?？紤]到本段施工可能存在大涌水，為防止地下涌水影響人員與設(shè)備的安全、掘進(jìn)與管片拼裝等工作的進(jìn)度，在主機(jī)尾部配置2臺(tái)防爆型潛水泵，沿TBM鋪設(shè)兩路[Φ]200 mm鋼管排水管路，延伸至后配套系統(tǒng)尾部，必要時(shí)啟動(dòng)該強(qiáng)制排水系統(tǒng)，用以抽排前方涌水[4]。

隧洞進(jìn)口排水設(shè)備選用2臺(tái)200S42型水泵（1臺(tái)備用），水泵揚(yáng)程為42 m，流量為280 m3/h;出口排水設(shè)備選用2臺(tái)150S78型水泵（1臺(tái)備用），水泵揚(yáng)程為50 m，流量為160 m3/h[3]。

2.3 施工供電

2.3.1 施工供電對(duì)象及范圍。電負(fù)荷點(diǎn)主要集中在輸水洞進(jìn)、出口及豎井施工區(qū)，均在天水市供電公司供電范圍之內(nèi)。隧洞進(jìn)口工作面主要施工用電負(fù)荷共計(jì)約5 231 kVAR，1#豎井工作面主要施工用電負(fù)荷共計(jì)約2 070 kVAR，2#豎井工作面主要施工用電負(fù)荷共計(jì)約2 070 kVAR，TBM設(shè)備負(fù)荷同時(shí)率為100%。主要施工用電負(fù)荷如表1所示。

2.3.2 供配電方案。施工供電電源采用就近新建35 kV箱式變電站并新建35 kV供電線路的方式供電。施工供電設(shè)計(jì)綜合考慮永久供電需求，盡量避免重復(fù)建設(shè)，以使設(shè)計(jì)合理、可行、經(jīng)濟(jì)。

2.3.3 施工供電線路。一是要明確設(shè)計(jì)基本要求，二是要做好供電線路選擇。

2.3.3.1 設(shè)計(jì)基本要求。施工供電線路設(shè)計(jì)要符合35 kV配電線路設(shè)計(jì)規(guī)范要求，力求線路短、耗材少、投資省;導(dǎo)線截面選擇要滿足5～10年用電負(fù)荷發(fā)展要求;盡可能避開(kāi)果林、防護(hù)林、通信線路、易燃易爆廠房及庫(kù)房等;盡可能靠近公路，便于線路的維修和管理;根據(jù)地形變化采用合理的桿型及擋距。

2.3.3.2 供電線路選擇。經(jīng)計(jì)算，隧洞施工供電線路選擇35 kV輸電線路，導(dǎo)線適合選用鋼芯鋁絞線，導(dǎo)線設(shè)計(jì)應(yīng)力確定為10.8 kg/mm2，安全系數(shù)為2.5。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，35 kV輸電允許電壓損失不超過(guò)±5%，10 kV及以下配電允許電壓損失不超過(guò)±7%。根據(jù)用電負(fù)荷的大小，每個(gè)施工負(fù)荷點(diǎn)相應(yīng)地配置35 kV箱式變壓器或35 kV級(jí)S13型配電變壓器，高壓側(cè)經(jīng)戶外真空斷路器以“T”接的方式接至新建35 kV架空線路上，降壓后供給施工用電源[2]。

2.4 洞內(nèi)線路布置

TBM施工過(guò)程中，洞內(nèi)所有管線將通過(guò)專用加工件懸掛固定在管片連接螺栓上。隧洞的照明用電電源最初由洞外變壓器提供，當(dāng)照明線路過(guò)長(zhǎng)，電壓降過(guò)大時(shí)，可在適當(dāng)位置安裝30 kVAR變壓器，同時(shí)向前后兩個(gè)方向供給照明用電（可減少洞內(nèi)照明變壓器的使用數(shù)量）。該變壓器電源由TBM電纜“T”接引出。照明線路采用三相四線制，布置在隧洞的右側(cè)洞壁，每500 m加裝1臺(tái)空氣開(kāi)關(guān)，以便進(jìn)行其他臨時(shí)用電操作。照明燈選用250 W的高壓鈉燈（交流電源220 V），燈具電源接線采用三相交替連接和等負(fù)荷分配。燈具排列為沿隧洞洞壁間隔30 m等間距布置[2]。洞內(nèi)管線布置如圖1所示。圖中，數(shù)據(jù)單位均為毫米（mm）。

3 結(jié)語(yǔ)

本工程引水隧洞屬特長(zhǎng)隧洞，地質(zhì)條件較差且工作面掘進(jìn)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，施工難度大。合理的通風(fēng)、排水及供電方案是整個(gè)工程順利實(shí)施的保障。本文簡(jiǎn)要介紹了設(shè)計(jì)過(guò)程中洞內(nèi)供風(fēng)、水、電技術(shù)指標(biāo)的統(tǒng)籌規(guī)劃思路及簡(jiǎn)要計(jì)算過(guò)程，為以后的類似工程提供相關(guān)參考。各設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能較為準(zhǔn)確地提出風(fēng)、水、電供應(yīng)指標(biāo)，以保證概算基礎(chǔ)單價(jià)的相對(duì)準(zhǔn)確，進(jìn)而保證工程整體投資的合理性。這對(duì)TBM選型、布置、組裝和調(diào)試有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]水利部.水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 303—2017[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2017.

[2]陳饋.TBM設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，2017：4.

[3]鐘漢華，冷濤.水利水電施工技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004：3.