變頻調壓分級接力供水技術在特長隧道TBM施工中的應用

周雁領

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司,天津 300222)

1 工程概況及供水需求

1.1 工程概況

西秦嶺特長隧道位于新建鐵路蘭渝線中段,地處甘肅省隴南市武都區境內,進口位于透防鄉潘家溝,出口位于洛塘鎮老盤底,隧道走行于秦嶺高中山區,地勢總體趨勢西高東低,山體陡峻,溝谷深切多呈“V”字形。高程多在1 000～2 400 m,相對高差約1 400 m,隧道最大埋深約1 400 m。設計為兩座單線隧道,線間距40 m,至出口段縮至25 m。右線起訖里程為DK395+116.582～DK423+351.422(長鏈1.742 m),全長2 8236.582 m。

該隧道從出口段采用TBM法施工,開挖直徑10.23 m,計劃掘進長度16 249 m,其施工區段劃分如圖1所示,其中的黑色部分為TBM法掘進,白色部分采用鉆爆法施工,TBM步進通過。

圖1 西秦嶺隧道右線TBM施工區段劃分示意

氣象條件：隧道沿線屬北亞熱帶濕潤向暖溫半濕潤過渡的季風氣候,受境內高山深谷地形的影響,在氣候上有明顯的區域特征,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)遠小于蒸發量(1 897.5 mm),以東南風為主,土壤最大凍結深度13 cm。

1.2 供水條件與需求1.2.1 隧道曲線與坡度

隧道右線洞身除出口段410.779 m位于R=4 500 m的左偏曲線上以外,其余地段均位于直線地段,出口段自出口至洞內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 供水系統相關要求

供水系統從隧道出口進入隧道,隧道內最遠供水距離為19 800 m,因此最遠供水點按20 km考慮；最遠供水點出水口流量不小于60 m3/h,出水壓力不小于0.5 MPa,沿途二次襯砌累計用水量約15 m3/h。

供水系統水源地距離隧道出口平面距離為500 m,垂直高差為35 m,洞內最高供水點距離水源地高差100 m。鋪設焊管輸水,泵房到隧道出口沿途設4處不大于90°的彎道,洞內每隔500 m設置閘閥1個。

供水系統必須配置2個泵組,交替循環使用,確保24 h不間斷供水。

供水系統能保證供水壓力穩定,波動范圍小；供水量滿足施工需求且最大限度減小浪費；具備節能環保性能。

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,經管路引流至隧道內供水點；根據供水距離的不斷變化,在出水口位置安裝適當的減壓閥。經計算,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需要采用厚壁無縫鋼管。

該方案結構簡單,以往隧道施工長度不大、供水距離較短時經常應用,但在本工程中,由于地形限制,高位水池選址困難、建設成本和管路配置成本較高；高位水池距離水源地高差較大,單級泵水則要求高程、功率大,采取分級增壓方式更為合理；水首先要泵送到高位水池,之后從高位水池引入洞內,不論取水點距離高位水池的距離長短,能量消耗都一樣,能源浪費較為嚴重。

2.2 單級變頻供水方案

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

主要設備配置如下：潛水泵數量2臺,1用1備,規格250QJ-100-320-160,流量100 m3/h,功率160 kW,揚程320 m。

通常供水距離和高差不很大的情況下,適于采用單級變頻供水方式,其優勢更加明顯；本方案在該項工程中要求變頻水泵的揚程、功率都比較大,且洞口段需要采用承壓能力強的厚壁無縫鋼管,則設備、水管投入成本仍會比較高。

但該方案與高位水池方案相比,不必修建高位水池,泵房內以變頻水泵替代多級離心泵,相當于節約了高位水池建設以及部分管路鋪設工作量與成本；且以往施工實踐證明,變頻供水方案在長大隧道施工中,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于高位水池方案。

2.3 二級變頻供水方案

大口井內安裝多臺潛水泵向隧道內直接供水,水源處的水平面距離隧道內最高點的垂直高差為100 m,隧道長19 800 m,隧道內每隔500 m加裝一個閘閥,泵房到隧道入口處有4個彎頭,水泵系統的供水流量不小于90 m3/h,供水系統的最遠距離不少于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處安裝增壓泵進行供水。

經計算與選型,前11 000 m主要供水設備配置如下。

水泵 共配置2組,每組3臺潛水泵(2臺同時工作,1臺備用,在用水量小的時候還可以用1臺工作,該配置可靠性更高,有利于節能),水泵型號250QJ50-280,流量50 m3/h,功率63 kW,揚程280 m。

后9 000 m主要供水設備配置：

水泵 2組,每組1臺立式多級泵,用以二次增壓,水泵型號100DL72-25×7,流量72 m3/h,功率55 kW,揚程180 m。

2.4 三級變頻供水方案

大口井中安裝2潛水泵,規格100QW100-15-11,流量100 m3/h,功率11 kW,揚程25 m；地面泵房內安裝2臺多級離心泵,作為二級接力,規格100 D-45×5,流量97 m3/h,功率90 kW,揚程225 m；距離洞口11 km處安裝2臺多級離心泵,作為三級接力,規格100D-45×3,流量97 m3/h,功率55 kW,揚程135 m。

顯然,二級、三級變頻供水方案明顯優于單級變頻供水方案。

二級變頻供水方案,總功率配置488 kW,共有8臺水泵及相應的變頻控制柜,設備造價為90～100萬元；三級變頻供水方案,總功率配置312 kW,共有6臺水泵及相應的變頻控制柜,設備造價為50～60萬元,同時該方案配備休眠功能,更有利于節能。

因此,三級變頻供水方案是最佳選擇。

3 變頻調壓三級接力供水系統

3.1 總體供水方案

本系統采用三級接力供水方式,如圖2所示。

圖2 變頻調壓三級接力供水系統

大口井中安裝2臺潛水泵(一級供水),它的流量要大于或等于泵房地面上的多級離心泵(二級供水)的流量,第一啟動的是潛水泵,當水被送到泵房地面時,水流指示器動作,控制二級供水的多級離心泵的變頻控制系統便對其發出開泵指令,由它將帶壓的水送到隧道的作業面上。當施工用水點推進至隧道內11 km處、水壓降至0.5 MPa時,再裝2臺多級離心泵(三級供水),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。

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

變頻器選用芬蘭產ABB供水專用型,1臺變頻器驅動控制1臺水泵,即變頻器1用1備,循環交替使用。2臺變頻器都設有手動控制模式,且能快速切換。這樣恒壓變頻供水系統在1臺水泵損壞需要維修,或1臺變頻控制器發生故障,或1臺水泵和變頻器都發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 水泵規格與主要參數(表1)

表1 水泵規格與主要參數

3.3 供水計算

3.3.1 一級供水揚程計算

從潛水泵到二級供水的多級離心泵的管阻

(1)

式中，q為供水流量；D為水管直徑；Re為雷諾數；Δp為管阻。

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

二級供水多級離心泵進水口壓力計算

P2=He1-Ha1-Hb-Δp(3)

式中，P2為二級供水多級離心泵進水口壓力；He1為潛水泵總揚程；Ha1為多級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。

結論：潛水泵完全可以將水送到二級供水的多級離心泵，進水口處尚有余壓10.24 m水柱。

3.3.2 二級供水管道末端壓力計算

三級供水的多級離心泵進水口壓力計算

P3=He2-Ha2-Ha3-Δp2-Δp3-Hb-Hc(4)

式中，P3為三級供水的多級離心泵進水口壓力；He2為第二級供水的多級離心泵揚程；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個彎頭計算)、Hc=35 m(根據經驗估計)代入公式(4),則P3=48.63 m水柱。

上述計算結果沒有包括潛水泵壓力迭加部分,未考慮因管道泄露而產生的壓力損失。

3.3.3 三級供水管道末端壓力計算

隧道20 km處供水管道末端壓力計算

P4=He3-Ha3-Δp4-Hb+P3-Hc(5)

式中，He3為三級供水多級離心泵揚程；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)計算得到)、Hb=3 m(按3個彎頭計算)、Hc=35 m(根據經驗估計)、P3=48.63 m代入公式(5),則P4=65 m水柱。

上述計算結果沒有包括潛水泵壓力迭加部分、沒考慮因管道泄露而產生的壓力損失。

上述計算誤差最大是砌襯壓力損失,因為沒有取水點個數與取水管管徑的大小,所以只能根據經驗估計；如果每個取水點都裝減壓閥,盡量縮小用水管管徑的話,其流量與壓力損失會降至最低限度,從而接近我們的理論計算值,如果實際運用中二級供水末端壓力偏低,我們可以酌情將三級供水水泵功率提高一個等級,現場的運作,以實際情況為準。

4 變頻調壓分級接力供水系統的優勢

(1)設備采購成本大幅降低

如前所述,采用變頻調壓三級接力供水系統,較二級接力供水方案,節約設備采購成本約40萬元。

(2)動能迭加,利于節能

一級供水潛水泵及二級供水多級泵輸送的水,其動能并沒有浪費,而是與下一級多級離心泵輸出水的動能相迭加,于是水會被送得更高、送得更遠,從而保證最終出水口的水壓不會低于0.5 MPa。

(3)功率搭配合理,節能效果顯著

如果不采用分級供水,則水泵功率為180 kW,現采用90 kW+11 kW水泵,每小時節電79 kW·h,一晝夜節電1 896 kW·h,以0.8元/kW·h計算,一天節約電費1 519元,一年節約電費55萬元；再考慮啟用休眠功能,節電效果更加明顯。

(4)小功率潛水泵替代大型潛水泵,節約設備投入,且維護方便

大功率的潛水泵的功率大、耗能多,而且一旦出現故障,吊起維修難度大,且泵房建設規模大、成本增加。

接力供水方式采用小功率潛水泵,制泵技術相對成熟得多,運行起來也較穩定,可靠性高；即使發生故障,吊起便捷,維護方便；二級供水多級泵安裝于地面上的泵房內,一旦出現故障也便于維修。

(5)控制單位的功率減小,設備的控制難度減小,穩定性增加,可靠性提高。

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

(7)三級接力式供水,在用電安全性上也遠遠優于大功率潛水泵供水。

5 系統運行

5.1 運行壓力設置

(1)供水距離為2～5 km時,壓力設定值為0.1 MPa；

(2)供水距離為5～10 km時,壓力設定值為0.15 MPa；

(3)供水距離為10～15 km時,壓力設定值為0.10 MPa；

(4)供水距離為15～20 km時,壓力設定值為0.15 MPa。

上述壓力設定值為理論設定值,具體設定方案可以根據現場的具體情況決定。按照上面的設計,可以有效地保證TBM掘進用水及沿途襯砌用水,這樣設定水壓值,既可節省電能,又可保護沿途用水設備不因為水壓過高而損壞。

5.2 沿途用水點加裝減壓閥

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；高壓對用水設備沖擊力大,破壞力強,加裝減壓閥便可保護用水設備，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,因此要求供水系統必須24 h不間斷運行,根據現場實際運行情況,供水并非全天滿負荷運行,由于施工工序銜接、施工設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壓供水系統,在用水負荷等于零或趨近零,電機低速運轉維持一定時間時,變頻調壓供水系統便進入休眠狀態,電機停止轉動,一旦負荷出現,系統又重新開始工作。如此循環往復,每年可以節省10萬元左右的電費。

6 應用效果

目前,西秦嶺隧道供水距離已經達到5.5 km,最遠供水點為TBM施工掌子面,沿途小邊墻以及3部同步襯砌臺車同時施工,變頻調壓分級接力供水系統的一級、二級供水投入使用,運轉平穩,為隧道施工提供了有效的供水保障。目前二級接力供水系統壓力設置為0.1 MPa,實際運行狀態與設計思路是一致的,總體方案選擇以及設備配置是合理的。

但施工過程中,曾多次出現洞內水管連接法蘭處密封不良、管路內的水噴涌而出,壓力下降,水泵長時間大負荷連續運轉。為保證供水系統正常運行,需要加強供水系統的管理和維護,否則,隨著供水距離的延長,管路故障幾率會增加,影響TBM正常掘進；另外,枯水季節需要采取增設蓄水滲水池向大口井補水等其他輔助措施,以保證井內水位。

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