綜合排水系統在大坡度、長距離TBM掘進中的應用

摘要：在大坡比TBM順坡掘進過程中，隧洞涌水及TBM施工廢水對施工影響較平洞TBM隧洞開挖的危害更為顯著。本文通過對新疆某項目水文地質資料分析，以及在TBM開挖過程中隧洞水流特點及危害進行分析，針對其特征與危害，結合實際施工中的實踐，總結出一套以強排為主，局部設置輔助排水的綜合性排水系統，有效解決了類似項目中的排水問題。

關鍵詞：反坡排水;系統排水;阻水棧橋

中圖分類號：TV554? 文獻標識碼：A

0概述

隨著TBM設計、制造技術迅猛發展，隧道掘進機的適應范圍越來越廣泛，在長大隧道施工中的應用也越來越多[1]。在與TBM設備配套的輔助生產設施及相關問題的解決方案也急需進一步提高。斜井排水在鉆爆法施工中已經非常成熟，而在TBM施工中排水方案一直存在一些缺陷，排水不及時導致積水聚集在刀盤位置，存在淹沒電機以及回油泵等風險，同時TBM開挖存在連續性、成洞形狀以及開挖集水井難度大等特殊性，排水問題的有效解決直接關系到隧道施工安全及效率。

1大坡比TBM順坡掘進水流特點及危害

1.1特點

（1）水量越來越大。順坡掘進，掌子面是最低點。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隧洞內。隧洞沿線的涌水點，都會聚集在一起，隨著掘進里程的增加，掌子面水量越來越大。（2）水的流速越來越高。TBM掘進開挖斷面為圓形，成洞規則光滑，水流截面偏窄、偏深，水的流速會隨著隧洞的延伸增大。（3）泥沙等會被水流挾帶到掌子面位置[2]。

1.2危害

（1）排水不及時、刀盤位置大量積水，會淹沒回油泵及回油口，對潤滑油造成污染，直接威脅主軸承、大齒圈運行安全;水位繼續升高還會對驅動電機、主梁下的配電柜等構成威脅。（2）水流的沖刷力，會將洞底泥沙沖刷到刀盤處，在設備停機檢修期間，造成泥沙淤積，對施工造成很大困擾，見圖1。（3）掌子面的大量積水，導致在TBM啟動時，大量泥水溢出主機皮帶的收料口，皮帶尾輪在大量泥水沖擊下高速運轉，軸承極易損壞。

2大坡比長距離綜合排水系統的解決方案

2.1綜合排水系統

針對大坡比TBM順坡掘進涌水特點及危害，結合其他斜井隧洞施工中的排水經驗，排水系統需要及時攔水以減少排水距離，還能有效減少水沖刷。同時，TBM開挖洞室很難進行爆破作業，也就不能設置集水井和引水槽等。

經過施工過程中不斷探索實踐，形成了一套以多級強排為主，阻水棧橋分段截水并排到就近接力水箱為輔，下級截水棧橋為上級備用的綜合性排水方案，有效解決了上述困難，效果顯著，而且施工簡單，造價較低。綜合排水系統示意圖如圖2。

TBM上設置排水箱，通過潛污泵將主驅動附近的積水排進水箱，經過初級沉淀，由高揚程多級離心泵排放到接力水箱，經過多級接力水箱排出到洞外排污池。同時，為了緩解長距離仰拱流水的危害，在隧洞沿線根據水流情況安裝阻水棧橋，把水擋住形成一個集水井，設置小流量、高揚程潛污泵把水排進接力水箱或前面第二級阻水棧橋，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

輔助排水系統主要由阻水棧橋、潛污泵、管路、濾網等組成。阻水棧橋結構及布置如圖3。

阻水棧橋尺寸依據隧洞尺寸以及行車條件設計制作，滿足運輸車輛爬坡條件，通過棧橋后為石渣路，可以根據實際情況確定石渣鋪設距離。在棧橋中間支撐梁處設置2-3到過濾網，最后端安裝潛污泵，通過軟管排進接力水箱或者其他棧橋處。棧橋依據隧洞涌水情況進行布設，一般在較大涌水點下游、大面積滲水地段下游布設，如果附近有鋼拱架，最好布設在最上游鋼拱架前方，可以綜合利用鋪路的石渣。多個棧橋一起使用時，依據距離接力水箱的遠近給其編號，1#、2#棧橋水泵直接排水道接力水箱，這樣2#棧橋為1#棧橋的備用;3#棧橋排水道1#棧橋，3#棧橋為2#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。

3綜合排水系統的應用

綜合排水系統在新疆某大坡比TBM順坡掘進項目中不斷摸索完善總結而成，取得了良好的使用效果。阻水棧橋結構簡單，制作成本低，安裝快捷方便，不影響正常施工。

3.1項目概況

應用綜合排水系統的隧洞項目為連接主洞的勘探試驗洞，進口布置在主洞左側，與主洞夾角83°，縱坡11.5%，隧洞長度5.35km，采用TBM掘進機開挖，斷面尺寸8m。地下水為基巖裂隙水，洞壁以滲水、滴水為主，斷層帶內以線狀水流為主。隧洞段涌水量36m3/h。

3.2排水系統布置方案

主排水系統選用多級接力水箱逐級強排方式。TBM上設置兩級水箱，污水從刀盤附近用潛污泵排進第一級水箱經過初步沉淀后，排入第二級水箱，第二級水箱靠底部位置連接高揚程多級離心泵排入就近的接力水箱，利用接力水箱逐級排出洞外。每級接力水箱由相鄰的進水和排水兩個水箱組成，進水箱安裝在上游，對進水進行沉淀，排水箱連接高揚程多級離心泵，所有出水口設置過濾網。本項目分別在樁號0+750、1+1700、2+700、3+800及4+700處設立接力水箱利用接力水箱逐級排出洞外，接力水箱布置間距為1000米。每級接力水箱由相鄰的進水和排水兩個水箱組成，進水箱安裝在上游，對進水進行沉淀，排水箱連接高揚程多級離心泵，所有出水口設置過濾網。每級接力水箱配備2臺多級離心泵，驅動電機為37KW，配套兩根DN125、壁厚5mm無縫鋼管的排水管路。

輔助排水系統根據隧洞地質情況以及仰拱水流情況，分別在1+600、2+800、3+900、4+100、4+200處設置阻水棧橋，每個阻水棧橋安裝3道過濾網，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，配管內徑80mm，以后面棧橋為前方備用的原則排入相應水箱或棧橋。

3.3相關設計計算

據地質資料進行分析，隧洞段涌水量Q=36m3/h，主要為基巖裂隙滲水。考慮TBM掘進機施工的廢水排放量約為5m3/h，則該試驗洞施工的總涌水量為41m3/h。按照排水系統安全系數的選擇原則取K=1.2，則最大排水量Q=41×1.2=49.2m3/h，考慮實際施工狀況取Q=50m3/h。

固定水箱單臺水泵排水量50m3/h，揚程115m，輸水距離1000m。

（4）管徑選擇

管徑的大小決定了運轉費和前期投資費用，而運轉費和前期投資費用在總費用中起決定性因素。通常采用試取管內流速的方法求得管徑，其計算公式為

由以上數據及公式計算得：

（5）管材壁厚確定：

《隧道施工安全規程》要求，通常情況下，當隧道深度超過200 m時應采用無縫鋼管。根據力學最大變形理論，采用厚壁圓筒分析法，鋼管壁厚計算公式：

把相關數據帶入得到管道壁的厚度大約0.4左右，考慮到工作實際情況和機械加工等因素可以去壁厚為5mm的無縫鋼管，即滿足要求。

4結論

通過工程實踐證明，綜合排水系統，始終及時攔水并就近排出洞外，減少了TBM設備的排水壓力和清渣壓力，有效保證了TBM順利施工。同時，綜合排水系統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水箱排水量逐級減小，有效降低了排水功率。

參考文獻

[1]雷升祥.斜井TBM法施工技術[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2]侯國祥，孫江龍，王先洲，等.工程流體力學[M].北京：機械工業出版社，2006.

收稿日期：2021-08-02

作者簡介：李曉兵（1975—），男，甘肅高臺人，本科，高級工程師，研究方向：水利水電工程。