綜合排水系統(tǒng)在大坡度、長(zhǎng)距離TBM掘進(jìn)中的應(yīng)用

摘要：在大坡比TBM順坡掘進(jìn)過(guò)程中，隧洞涌水及TBM施工廢水對(duì)施工影響較平洞TBM隧洞開(kāi)挖的危害更為顯著。本文通過(guò)對(duì)新疆某項(xiàng)目水文地質(zhì)資料分析，以及在TBM開(kāi)挖過(guò)程中隧洞水流特點(diǎn)及危害進(jìn)行分析，針對(duì)其特征與危害，結(jié)合實(shí)際施工中的實(shí)踐，總結(jié)出一套以強(qiáng)排為主，局部設(shè)置輔助排水的綜合性排水系統(tǒng)，有效解決了類似項(xiàng)目中的排水問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：反坡排水;系統(tǒng)排水;阻水棧橋

中圖分類號(hào)：TV554? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0概述

隨著TBM設(shè)計(jì)、制造技術(shù)迅猛發(fā)展，隧道掘進(jìn)機(jī)的適應(yīng)范圍越來(lái)越廣泛，在長(zhǎng)大隧道施工中的應(yīng)用也越來(lái)越多[1]。在與TBM設(shè)備配套的輔助生產(chǎn)設(shè)施及相關(guān)問(wèn)題的解決方案也急需進(jìn)一步提高。斜井排水在鉆爆法施工中已經(jīng)非常成熟，而在TBM施工中排水方案一直存在一些缺陷，排水不及時(shí)導(dǎo)致積水聚集在刀盤位置，存在淹沒(méi)電機(jī)以及回油泵等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)TBM開(kāi)挖存在連續(xù)性、成洞形狀以及開(kāi)挖集水井難度大等特殊性，排水問(wèn)題的有效解決直接關(guān)系到隧道施工安全及效率。

1大坡比TBM順坡掘進(jìn)水流特點(diǎn)及危害

1.1特點(diǎn)

（1）水量越來(lái)越大。順坡掘進(jìn)，掌子面是最低點(diǎn)。洞口的雨水、雪融水以及沿線水管路跑冒滴漏的水都倒灌進(jìn)隧洞內(nèi)。隧洞沿線的涌水點(diǎn)，都會(huì)聚集在一起，隨著掘進(jìn)里程的增加，掌子面水量越來(lái)越大。（2）水的流速越來(lái)越高。TBM掘進(jìn)開(kāi)挖斷面為圓形，成洞規(guī)則光滑，水流截面偏窄、偏深，水的流速會(huì)隨著隧洞的延伸增大。（3）泥沙等會(huì)被水流挾帶到掌子面位置[2]。

1.2危害

（1）排水不及時(shí)、刀盤位置大量積水，會(huì)淹沒(méi)回油泵及回油口，對(duì)潤(rùn)滑油造成污染，直接威脅主軸承、大齒圈運(yùn)行安全;水位繼續(xù)升高還會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主梁下的配電柜等構(gòu)成威脅。（2）水流的沖刷力，會(huì)將洞底泥沙沖刷到刀盤處，在設(shè)備停機(jī)檢修期間，造成泥沙淤積，對(duì)施工造成很大困擾，見(jiàn)圖1。（3）掌子面的大量積水，導(dǎo)致在TBM啟動(dòng)時(shí)，大量泥水溢出主機(jī)皮帶的收料口，皮帶尾輪在大量泥水沖擊下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承極易損壞。

2大坡比長(zhǎng)距離綜合排水系統(tǒng)的解決方案

2.1綜合排水系統(tǒng)

針對(duì)大坡比TBM順坡掘進(jìn)涌水特點(diǎn)及危害，結(jié)合其他斜井隧洞施工中的排水經(jīng)驗(yàn)，排水系統(tǒng)需要及時(shí)攔水以減少排水距離，還能有效減少水沖刷。同時(shí)，TBM開(kāi)挖洞室很難進(jìn)行爆破作業(yè)，也就不能設(shè)置集水井和引水槽等。

經(jīng)過(guò)施工過(guò)程中不斷探索實(shí)踐，形成了一套以多級(jí)強(qiáng)排為主，阻水棧橋分段截水并排到就近接力水箱為輔，下級(jí)截水棧橋?yàn)樯霞?jí)備用的綜合性排水方案，有效解決了上述困難，效果顯著，而且施工簡(jiǎn)單，造價(jià)較低。綜合排水系統(tǒng)示意圖如圖2。

TBM上設(shè)置排水箱，通過(guò)潛污泵將主驅(qū)動(dòng)附近的積水排進(jìn)水箱，經(jīng)過(guò)初級(jí)沉淀，由高揚(yáng)程多級(jí)離心泵排放到接力水箱，經(jīng)過(guò)多級(jí)接力水箱排出到洞外排污池。同時(shí)，為了緩解長(zhǎng)距離仰拱流水的危害，在隧洞沿線根據(jù)水流情況安裝阻水棧橋，把水擋住形成一個(gè)集水井，設(shè)置小流量、高揚(yáng)程潛污泵把水排進(jìn)接力水箱或前面第二級(jí)阻水棧橋，在不影響車輛通行的情況下收集沿線流水，減輕刀盤位置排水壓力以及水的沖刷破壞。

2.2輔助排水系統(tǒng)

輔助排水系統(tǒng)主要由阻水棧橋、潛污泵、管路、濾網(wǎng)等組成。阻水棧橋結(jié)構(gòu)及布置如圖3。

阻水棧橋尺寸依據(jù)隧洞尺寸以及行車條件設(shè)計(jì)制作，滿足運(yùn)輸車輛爬坡條件，通過(guò)棧橋后為石渣路，可以根據(jù)實(shí)際情況確定石渣鋪設(shè)距離。在棧橋中間支撐梁處設(shè)置2-3到過(guò)濾網(wǎng)，最后端安裝潛污泵，通過(guò)軟管排進(jìn)接力水箱或者其他棧橋處。棧橋依據(jù)隧洞涌水情況進(jìn)行布設(shè)，一般在較大涌水點(diǎn)下游、大面積滲水地段下游布設(shè)，如果附近有鋼拱架，最好布設(shè)在最上游鋼拱架前方，可以綜合利用鋪路的石渣。多個(gè)棧橋一起使用時(shí)，依據(jù)距離接力水箱的遠(yuǎn)近給其編號(hào)，1#、2#棧橋水泵直接排水道接力水箱，這樣2#棧橋?yàn)?#棧橋的備用;3#棧橋排水道1#棧橋，3#棧橋?yàn)?#棧橋備用，4#棧橋排水道2#棧橋，為3#棧橋備用，以此類推，形成互為備用的輔助排水系統(tǒng)。

3綜合排水系統(tǒng)的應(yīng)用

綜合排水系統(tǒng)在新疆某大坡比TBM順坡掘進(jìn)項(xiàng)目中不斷摸索完善總結(jié)而成，取得了良好的使用效果。阻水棧橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，安裝快捷方便，不影響正常施工。

3.1項(xiàng)目概況

應(yīng)用綜合排水系統(tǒng)的隧洞項(xiàng)目為連接主洞的勘探試驗(yàn)洞，進(jìn)口布置在主洞左側(cè)，與主洞夾角83°，縱坡11.5%，隧洞長(zhǎng)度5.35km，采用TBM掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，斷面尺寸8m。地下水為基巖裂隙水，洞壁以滲水、滴水為主，斷層帶內(nèi)以線狀水流為主。隧洞段涌水量36m3/h。

3.2排水系統(tǒng)布置方案

主排水系統(tǒng)選用多級(jí)接力水箱逐級(jí)強(qiáng)排方式。TBM上設(shè)置兩級(jí)水箱，污水從刀盤附近用潛污泵排進(jìn)第一級(jí)水箱經(jīng)過(guò)初步沉淀后，排入第二級(jí)水箱，第二級(jí)水箱靠底部位置連接高揚(yáng)程多級(jí)離心泵排入就近的接力水箱，利用接力水箱逐級(jí)排出洞外。每級(jí)接力水箱由相鄰的進(jìn)水和排水兩個(gè)水箱組成，進(jìn)水箱安裝在上游，對(duì)進(jìn)水進(jìn)行沉淀，排水箱連接高揚(yáng)程多級(jí)離心泵，所有出水口設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)。本項(xiàng)目分別在樁號(hào)0+750、1+1700、2+700、3+800及4+700處設(shè)立接力水箱利用接力水箱逐級(jí)排出洞外，接力水箱布置間距為1000米。每級(jí)接力水箱由相鄰的進(jìn)水和排水兩個(gè)水箱組成，進(jìn)水箱安裝在上游，對(duì)進(jìn)水進(jìn)行沉淀，排水箱連接高揚(yáng)程多級(jí)離心泵，所有出水口設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)。每級(jí)接力水箱配備2臺(tái)多級(jí)離心泵，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為37KW，配套兩根DN125、壁厚5mm無(wú)縫鋼管的排水管路。

輔助排水系統(tǒng)根據(jù)隧洞地質(zhì)情況以及仰拱水流情況，分別在1+600、2+800、3+900、4+100、4+200處設(shè)置阻水棧橋，每個(gè)阻水棧橋安裝3道過(guò)濾網(wǎng)，最低處安裝潛污泵。其中第一、二道棧橋安裝65WQ25-24-3型潛污泵，功率3kw，配管內(nèi)徑65mm，直接排放到下游相鄰水箱。后三道阻水棧橋安裝80WQ30-30-5.5潛污泵，功率5.5 kw，配管內(nèi)徑80mm，以后面棧橋?yàn)榍胺絺溆玫脑瓌t排入相應(yīng)水箱或棧橋。

3.3相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算

據(jù)地質(zhì)資料進(jìn)行分析，隧洞段涌水量Q=36m3/h，主要為基巖裂隙滲水?？紤]TBM掘進(jìn)機(jī)施工的廢水排放量約為5m3/h，則該試驗(yàn)洞施工的總涌水量為41m3/h。按照排水系統(tǒng)安全系數(shù)的選擇原則取K=1.2，則最大排水量Q=41×1.2=49.2m3/h，考慮實(shí)際施工狀況取Q=50m3/h。

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

（4）管徑選擇

管徑的大小決定了運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)和前期投資費(fèi)用，而運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)和前期投資費(fèi)用在總費(fèi)用中起決定性因素。通常采用試取管內(nèi)流速的方法求得管徑，其計(jì)算公式為

由以上數(shù)據(jù)及公式計(jì)算得：

（5）管材壁厚確定：

《隧道施工安全規(guī)程》要求，通常情況下，當(dāng)隧道深度超過(guò)200 m時(shí)應(yīng)采用無(wú)縫鋼管。根據(jù)力學(xué)最大變形理論，采用厚壁圓筒分析法，鋼管壁厚計(jì)算公式：

把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入得到管道壁的厚度大約0.4左右，考慮到工作實(shí)際情況和機(jī)械加工等因素可以去壁厚為5mm的無(wú)縫鋼管，即滿足要求。

4結(jié)論

通過(guò)工程實(shí)踐證明，綜合排水系統(tǒng)，始終及時(shí)攔水并就近排出洞外，減少了TBM設(shè)備的排水壓力和清渣壓力，有效保證了TBM順利施工。同時(shí)，綜合排水系統(tǒng)避免了所有的水都要從最低處排到洞外的情況，從洞口到掌子面的各級(jí)水箱排水量逐級(jí)減小，有效降低了排水功率。

參考文獻(xiàn)

[1]雷升祥.斜井TBM法施工技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

[2]侯國(guó)祥，孫江龍，王先洲，等.工程流體力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

收稿日期：2021-08-02

作者簡(jiǎn)介：李曉兵（1975—），男，甘肅高臺(tái)人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：水利水電工程。