TBM掘進隧洞施工期排水能力分析

房敦敏， 熊保鋒， 潘益斌

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司， 浙江 杭州 311122)

TBM掘進隧洞施工期排水能力分析

房敦敏， 熊保鋒， 潘益斌

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司， 浙江 杭州 311122)

為準確評估TBM掘進隧洞支撐軌道所用的軌排對隧洞排水能力的影響，依托某引水發電隧洞工程，將解析法和數值法2種手段相結合用于排水能力的分析，數值法算得的綜合糙率代入解析公式，能準確預測在預報的涌水量條件下保證安全施工的泄流能力。該方法已在實際工程中應用，施工期間發生的數次大涌水情況下的計算過流能力與實際過流能力較符合，證明了文章所述排水能力計算分析方法的準確性與實用性。

隧洞； TBM； 排水能力； 軌排； 糙率

0 引言

TBM掘進隧洞的施工期排水能力受軌排等因素影響較大，實際排水能力和理論計算排水能力往往相差較大，一旦發生瞬時大流量突涌水，極有可能導致施工暫停且易引發安全事故[1-2]； 因此，需要對隧洞的實際排水能力進行準確的計算分析，以便根據預測的最大突涌水量采取相應的工程措施，避免突涌水狀況下TBM設備被淹受損，影響施工。

目前關于TBM掘進隧洞遭遇大流量地下水的相關研究工作主要集中在超前探水[3-4]、超前堵水灌漿[5-6]、加強抽排[7]等方面。上述研究多是側重于突涌水應對措施方面，尚未發現關于對設置有軌排的隧洞排水能力預測的公開研究成果。如文獻[8]在那邦水電站TBM掘進隧洞排水能力復核時，按照明渠均勻流進行計算，未考慮軌排對排水能力的影響。

本文將解析法和數值法2種手段相結合，將數值法算得的綜合糙率(考慮軌排的影響)代入解析公式，可以預測隧洞不同涌水量下的水深或實際排水能力。隧洞實際排水能力同灌漿、抽排等具體工程措施相結合，可以科學合理地制定掘進方案和突涌水處理方案。

1 工程概況

某引水發電工程隧洞洞線總長約17 km，隧洞自末端往進口方向12 km采用TBM掘進，隧洞直徑4.5 m。隧洞沿線巖性較單一，為片麻巖，屬太古代變質巖。隧洞一般埋深300～600 m，最大埋深900 m。工程區域降雨量較大，地下水位較高，開挖過程中隧洞涌水量較大。

TBM掘進隧洞常見的物資運輸方式有無軌與有軌2種[9-10]。考慮以下因素，本工程選擇有軌運輸方式： 1)地下水發育，如采用無軌運輸，地下水將帶來安全隱患，加大施工難度[11]；而有軌運輸方式可利用軌道下部空間排水，對施工影響顯著減小。2)隧洞斷面有限，如采用無軌運輸，隧洞弧度對行車影響較大，初估需1 m左右厚的墊渣，而墊渣影響施工期排水，使道路維護難度大，后期清理難度大。

綜合考慮上述因素，TBM后配套及材料軌道運輸系統的軌排采用Ⅰ15型鋼拱架 (Ⅰ15拱架截面高度15 cm)，軌排排距約1.2 m，如圖1所示。

圖1 引水隧洞TBM軌排布置示意圖(單位： cm)

固定間距布置的軌排侵占了隧洞底部的排水斷面，且該工程隧洞直徑僅4.5 m，為保證TBM掘進過程中不因排水能力的限制影響施工，需要對該工程隧洞預報涌水量的實際排水能力進行計算分析。隧洞縱坡坡度主要有2.500%和0.311% 2種。坡度越緩，排水能力越差，即整條隧洞的排水能力受到坡度最緩段的控制； 因此，選用坡度為0.311%進行排水能力的相關計算和分析。

由于無實測資料，無法準確得到過水斷面的實際綜合糙率，因此，需對糙率進行敏感性分析。

綜合以上各種因素，首先，將隧洞底部排水簡化為明渠均勻流[12-13]，進行考慮軌排和不考慮軌排2種情況的過流能力解析法初步計算；其次，針對預測的最大涌水量進行考慮軌排后不同糙率的敏感性分析，表明解析解可能與實際情況相差較大；再次，采用三維流場分析軟件進行預測的最大涌水量下、水位分別達到軌排橫向支撐底部和頂部時過流能力等工況的計算，進而反算得到綜合糙率；最后，利用得到的綜合糙率通過解析法進行過流能力的復核計算。

2 排水能力解析法初步試算

明渠均勻流公式：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；C為謝才系數，m1/2/s；R為水力半徑，m；i為底坡，量綱一的量；n為糙率，量綱一的量。

根據明渠均勻流公式，對坡度為0.311%洞段的排水能力進行計算。根據《水工隧洞設計規范》[15]，掘進機開挖時，巖面無襯砌，糙率n可取0.017。考慮到糙率的不確定性,擬將糙率在0.013～0.023內進行分析。

由于軌排橫撐底部距洞底最大高度為0.41 m，水深在0.41～0.56 m時，流態復雜，采用解析法計算的精度將受到很大的影響； 因此，按照最大水深為0.41 m時，對考慮與不考慮軌排及不同糙率下的過流能力進行計算，其中考慮軌排工況采用最小過流斷面進行計算。計算結果如表1和圖2所示。

表1 水深為0.41 m時考慮與不考慮軌排及不同糙率下的排水能力

Table 1 Drainage capacity under different roughnesses with/without track skeleton (with water depth of 0.41 m)

糙率不考慮軌排流量/(m3/s)考慮軌排流量/(m3/s)考慮軌排后泄流能力降低比例/%0.0131.270.7243.300.0151.100.6243.600.0170.970.5543.300.0190.870.4943.700.0210.780.4542.300.0230.720.4143.10

圖2 水深為0.41 m時考慮與不考慮軌排及不同糙率下的排水能力曲線

Fig. 2 Curves of drainage capacity under different roughnesses with/without track skeleton (with water depth of 0.41 m)

由表1和圖2可以看出，軌排對排水能力的影響較大。其原因在于： 就軌排斷面本身而言，一方面軌排侵占了較大的過水斷面(以0.41 m的水深為例，軌排侵占過水斷面15%)；另一方面由于軌排的存在，使得濕周較大幅度的增加(以0.41 m的水深為例，不考慮軌排濕周為2.76 m，考慮軌排濕周為4.24 m)，從而使過流能力受到較大影響。因此，在計算中必須考慮軌排對排水能力的影響。

根據地質資料，引水隧洞TBM掘進段預測最大涌水量在0.369～0.497 m3/s，因此選用流量分別為0.4 m3/s和0.5 m3/s進行水深計算。為了進一步考慮糙率敏感性的影響，分別進行糙率在0.013～0.023內的敏感性分析，計算結果如表2和圖3所示。

表2 預測最大涌水量下的運行水深

Table 2 Running water depths under maximum predicted water gushing volume

糙率流量為0.4m3/s時的水深/m流量為0.5m3/s時的水深/m0.0130.3100.3400.0150.3250.3700.0170.3400.3900.0190.3550.4100.0210.3700.4300.0230.3900.450

圖3 不同涌水量下的水深

Fig. 3 Curves of running water depths under different water gushing volumes

由圖3可以看出： 若涌水量為0.4 m3/s，在糙率敏感性分析的范圍內，最大水深不超過0.39 m；若涌水量為0.5 m3/s、糙率不大于0.019時，最大水深不超過0.41 m(即軌排橫撐底部)；若糙率大于0.019，則水深超過0.41 m，計算精度將受到較大影響。

3 綜合糙率三維數值反算

3.1 計算說明

為驗證理論公式計算成果，采用Fluent軟件進行三維流場模擬分析，計算分析的工況、模型、邊界條件如表3—5及圖4所示。

表3 計算工況

表4 計算模型

表5 邊界條件

圖4 計算模型(工況1)

1)水體模型。考慮模型長度方向的尺寸效應，選取30 m洞段作為數值模擬洞段，兩端各延長15 m作為平順水流長度，模型總長為60 m。

2)空氣模型。由于目前水深為推測水深，假設水面至隧洞中心平面均為空氣模型。

3.2 計算結果

Fluent軟件內部函數定義： 水頭H=p總/9 810，m；坐標原點位于模型中間，30 m模擬軌排洞段的進口與出口斷面坐標分別為y=-15 m和y=15 m；模擬洞段坡度為0.311%，則30 m洞段坡降為z=0.311%×30 m=0.093 m。

水頭損失為沿程損失與局部損失之和，目前初步估算沿程損失為坡降高程，局部損失為進出口總水頭損失。水頭損失計算成果見表6。

表6 水頭損失

綜合糙率的計算公式為

(3)

式中： n為糙率，量綱一的量； hf為水頭損失，m； R為水力半徑，m； v為流速，m/s； L為長度，m。

綜合糙率計算成果見表7。

表7 計算水深及綜合糙率

從表7可以看出： 出口水深在0～0.48 m時，綜合糙率取0.04；出口水深在0.48～0.92 m時，綜合糙率取0.07。上述成果與規范建議值相差較大，分析主要是由于軌排的存在不僅侵占了過流斷面，而且由于軌排形狀不規則，將過流斷面分割成數個小過流斷面，且當水深淹沒軌排后流態復雜，對泄流能力影響較大。

4 排水能力綜合分析

三維流場針對2種工況下的計算成果如表7所示。其中： 工況1水深為0.59～0.48 m，此時水深位于軌排橫撐之間(即出口部位的水深淹沒軌排橫撐底部，但未淹沒橫撐頂部)，綜合糙率為0.04；工況2水深為1.0～0.92 m，此時水深完全淹沒軌排橫撐，綜合糙率為0.07。

由于三維流場并未計算水深為0.41 m以下(即水深低于軌排橫撐底部)的工況，此時的綜合糙率暫按照0.04考慮。即： 水深在0～0.56 m時，綜合糙率取0.04；水深在0.56～1.00 m時，綜合糙率取0.07。

將上述綜合糙率計算成果代入式(1)和式(2)，得到坡度為0.311%時不同水深下的過流能力計算成果，見表8和表9。水深-排水能力關系曲線如圖5所示。

根據上述計算成果： 水深達到軌排橫撐底部，即水深為0.41 m時，對應的排水能力為0.23 m3/s；水深為0.56 m、恰好完全淹沒軌排橫撐時，排水能力為 0.44 m3/s。

表8 不同水深下的排水能力(水深0.56 m以下，綜合糙率0.04)

Table 8 Drainage capacities under different water depths (with water depth under 0.56 m and comprehensive roughness of 0.04)

水深/m排水能力/(m3/s)0.10.010.20.050.30.120.40.220.410.23

表9 不同水深下的排水能力(水深0.56 m以上，綜合糙率0.07)

Table 9 Drainage capacities under different water depths (with water depth above 0.56 m and comprehensive roughness of 0.07)

水深/m排水能力/(m3/s)0.50.350.560.440.60.520.70.720.80.94

圖5 水深-排水能力關系曲線

根據前期地質勘探資料分析，本隧洞預測最大涌水量為0.497 m3/s，由表9和圖5可知，此時最大水深不到0.6 m，不會影響有軌運輸機車通行。

5 結論與討論

對于施工期設有軌排的隧洞工程的排水能力，通過解析法與數值法相結合的方法，將數值法算得的綜合糙率代入解析公式，能準確預測特定縱坡隧洞不同水深下的排水量，以指導現場施工。研究成果表明，軌排對本工程TBM施工隧洞排水能力影響較大。水深在軌排橫撐以下(0.41 m)和以上(0.41～1.00 m)的綜合糙率分別達到0.04和0.07，較開挖巖面綜合糙率0.017顯著加大。

本文所述工程TBM掘進期間，采用上述方法準確預測了隧洞實際排水能力，結合超前探水手段，對不同洞段可能出現的不同涌水狀況采用直排、加強抽排、底部堆渣清理等處理措施，未發生設備被淹及受損情況。如本工程TBM掘進至引水隧洞15+640樁號左右時，基于前期地質工作宏觀判斷已進入出水帶，根據預測的最大涌水量及實際排水能力制定了掘進方案及排水方案，順利地通過了實測最大涌水量達604 L/s的出水帶。

對于TBM施工設置軌排的隧洞工程，由于不同水深對應的綜合糙率是不同的，后續應進一步將綜合糙率的計算細化、分段化，使排水能力的計算更為精確。

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Analysis of Drainage Capacity of Tunnel Bored by TBM during Construction Period

FANG Dunmin, XIONG Baofeng, PAN Yibin

(HuadongEngineeringCorporationLimited,PowerChina,Hangzhou311122,Zhejiang,China)

The influence of track skeleton for track support of TBM tunneling on drainage capacity of a diversion power tunnel is estimated by analytical method and numerical method. The drainage capacity needed, which can guarantee the safe tunnel construction under different water gushing volumes, can be predicted by putting the comprehensive roughness gained from the numerical method into the analytical formula. The above-mentioned method has been applied to practice. The results show that the calculated drainage capacity coincides with actual one well so as to prove the accuracy and practicability of the method.

tunnel; TBM; drainage capacity; track skeleton; roughness

2016-11-11;

2017-04-25

房敦敏(1981—)，男，山東青島人，2007年畢業于西南交通大學，隧道及地下工程專業，碩士，高級工程師，現從事水工隧道及地下工程設計工作。E-mail： fang_dm@ecidi.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.010

U 453.6

A

1672-741X(2017)08-0980-05