長距離、大坡度隧洞TBM施工排水系統設計淺析

加爾恒·多那依

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

隧道掘進機（TBM）作為專用隧洞工程開挖施工的先進施工裝備，具有施工速度快、安全、經濟、優質且有利于環保和降低勞動強度等優點，在國內已經廣泛應用于更多的水利工程。掘進過程中產生的廢水以及由山體滲出或者涌出的水，需要及時從TBM施工區域排出，以免影響設備、人員以及作業安全[1]。新疆供水工程T3標段支洞區段可能有大涌水，排水系統任何部位出現問題都將會導致排水工作停止。基于此，本文針對工程中長距離、大坡度隧洞TBM施工的排水進行分析。

1 工程概述

1.1 工程簡介

新疆供水工程T3標段支洞采用TBM掘進機開挖，設計長度為5352.25 m，縱坡為11.5%，開挖洞徑8.0 m，斷面型式為圓形，進口段高程約為1176.95 m，與主洞交點高程為571.38 m，施工過程均為順坡開挖、反坡排水。

1.2 工程地質條件

工程總地勢北高南低、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。

根據地質測繪，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砂巖，厚層狀結構，巖石堅硬，巖體完整。

2 試驗洞分段工程地質條件評價

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，處于強風化巖體中，強風化厚3 m～5 m，由于風化影響，巖體呈塊狀結構、裂隙面切割，洞身圍巖較破碎，屬于Ⅴ類圍巖。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，處于弱風化～微風化巖體中，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，地下水對普通混凝土具有強腐蝕性，對混凝土結構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類圍巖。

3 大坡度排水

3.1 排水量確定

根據水文地質資料，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，斷層帶內以線狀水流為主。TBM在隧洞開挖過程中產生的廢水排放量為5 m3/h，該支洞正?？傆克繛?1 m3/h。排水系統按照1.2倍安全系數儲備，最大排水量取50 m3/h。

3.2 排水系統

該支洞在排水施工過程中采取強排措施，將順坡匯集的洞內滲涌水和施工廢水收集到TBM設備主機位置，并采用潛污泵將其抽排到TBM掘進機后配套設置的水箱，通過初步沉淀后，采用高揚程水泵分級泵排到洞外污水處理系統，污水處理能力不小于50 m3/h。由于該隧洞距離長，坡度較大，因此排水系統應該滿足615 m高度揚程要求，采取強排方式用多級固定水箱逐級排抽，固定水箱形成之前設置臨時水箱，布置間距為1000 m的固定水箱，共分5級排水，1級至5級排水高度150 m，排水系統總布置見圖1。

圖1 排水系統總布置圖

3.3 排水泵的選型及布置

3.3.1 水泵選型

（1）選型依據

固定水箱單臺水泵排水量50 m3/h，揚程115m，輸水距離1000 m。

（2）水泵揚程

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，對斜井當傾角小于20°時，ηg=0.77～0.74。

3.3.2 水泵布置

排水泵布置應要考慮安裝快速且經濟、檢修維護方便等因素，臨時水箱部位和TBM設備水箱排水采用潛污泵，各級固定水箱排水選用離心泵方案，見表2。吸水過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，從而影響水泵內的電機殼以及水泵葉輪等，以延長水泵使用壽命和提高排水效率。水泵抽水時，為了避免水面過低而吸入空氣產生氣蝕現象，設置帶有水位傳感器的自動液位控制裝置。水箱的排水水位控制最低水位為1.0 m，從水箱底部算起，當水位低于1.0 m時水泵自動跳閘并停止排水。在用泵、備用泵、等修泵均采用同一型號的產品。

表2 水泵選型參數表

3.4 水箱布置

根據30 min涌水量來考慮固定水箱大小，水箱有效容積為25 m3。固定水箱共分五級：一級固定水箱樁號0+750.00，二級固定水箱樁號1+750.00，三級固定水箱樁號2+750.00，四級固定水箱樁號3+750.00，五級固定水箱樁號4+750.00。各級排水系統均布置2臺臥式多級離心泵：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；臨時水箱具有中轉排水的功能。根據15 min涌水量考慮臨時水箱大小，水箱有效容積為15 m3，距TBM設備350 m位置布設，固定水箱之間設2處，間距350 m，每處臨時水箱布置3臺潛水泵；TBM設備上水箱設置在后配套1#、2#、11#臺車，1#臺車左右兩側水箱各布置1臺潛污泵，另備用1臺；2#臺車左右兩側水箱各設1臺潛污泵，另備用1臺，11#臺車水箱布置3臺潛污泵，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

排水管選型計算如下：

排水管直徑：

式中：Q為流經管內流量（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。

經計算排水管直徑為110 mm～90 mm。

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

（2）TBM設備管路

TBM設備后配套2#臺車水箱至11#臺車水箱之間布置三條膠管，與潛污泵配套使用；11#臺車水箱兩條管路與排水卷盤相連，另條備用作為涌水時應急管路。另外，設置1條DN50膠管，在隧洞主管路接續時，將管路中存水放入11#臺車水箱。

3.5.2 排水管路布置

排水管路的布置應該要考慮隧洞斷面尺寸、安裝快捷、車輛運行以及檢修維護方便等因素。由于管路直徑較小，從水箱出來的兩條管路采用并排垂直布置。排水管路均選用無縫鋼管，排水系統管路規格為φ133×5。管路連接采用法蘭盤接頭進行連接，管路沿隧洞進洞方向敷設在隧洞右側，并采用錨桿將管路固定于側墻上方。為了避免水流倒流損壞水泵，管路設置閘閥和止回閥。

3.6 排水流程

總體排水流程：TBM主機→后配套臺車固定水箱→臨時水箱→各級固定水箱→洞外污水處理系統，各施工階段排水流程見表3。

表3 TBM施工排水流程表

4 安全措施

排水系統采取多重保險措施來保證排水系統安全穩定運行，避免TBM設備被淹受損。

（1）雙條管路

各級固定水箱之間設置兩條排水管路并均為單管單泵工作，保證當一條排水管路出現故障時，另一條排水管路能立即進入工作狀態。

（2）雙重水泵保險

為保證排水系統的安全運行，每級固定水箱按“一用一備”的原則設2套水泵。

（3）雙回路供電線路

為避免線路斷電導致排水系統無法工作，水泵的供電線路均采用智能切換的雙回路供電線路。

（4）應急備用發電站

在緊急情況下施工現場應設置一套應急備用發電系統，能夠為隧洞的通風以及強排系統提供發電設備和升壓變壓器[2]。

5 結語

隧洞工程排水施工不到位不僅會導致TBM掘進機的嚴重損壞，也會嚴重影響工程進度，同時增加工程的費用投入。本排水施工方案具有操作性強，工作效率高等優勢，通過排水系統一級一級排水，把施工過程中的廢水及涌水排到洞外污水處理系統，確保了TBM設備的正常掘進，也提高了工程的經濟效益。