TBM 法隧洞施工長距離排水計(jì)算分析

張青松

（中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽 110179）

1 工程概況

隧洞長度38253m，開挖洞徑7.0m，縱坡i=1/2583，采用2 臺TBM 施工（TBM1、TBM2），其中TBM1 掘進(jìn)段17888m、輔助洞室730m、TBM2 掘進(jìn)段19635m。本工程最大排水規(guī)模986m3/h，其中TBM1 施工段420m3/h、TBM2 施工段566m3/h。

2 排水方案

2.1 TBM1 施工段

為逆坡掘進(jìn)、順坡排水、施工廢水可形成自流，考慮文明施工要求，采取輔助排水措施。排水設(shè)施按Q=180m3/h 配置，超過180m3/h 的水量將采取自流方式排至輔助洞室集水倉，每3000m 布置1 套排水設(shè)備，共設(shè)置5 級，采用管道泵接力排水，施工排水流程：TBM1設(shè)備→1 級管道泵→2 級管道泵→…→5 級管道泵→輔助洞室集水倉→洞外污水處理系統(tǒng)。

2.2 TBM2 施工段

為順坡掘進(jìn)、逆坡排水，施工廢水集中流向掌子面，為防止淹機(jī)事故，采取強(qiáng)排措施[1-2]。排水設(shè)施按最大涌水量配置，每4000m 布置1 套排水設(shè)備，共設(shè)置4 級，采用集水倉、臥式離心泵接力方式集中排至輔助洞室集水倉，施工排水流程：TBM2 設(shè)備→1 級集水倉→2 級集水倉→ 3 級集水倉→4 級集水倉→輔助洞室集水倉→洞外污水處理系統(tǒng)。

3 排水計(jì)算

3.1 TBM2 施工段

3.1.1 管徑選擇

排水系統(tǒng)管路流速取v=1.0m/s ～2.2m/s，排水管選型計(jì)算如下[3-5]。

式中：Q—流經(jīng)管內(nèi)流量（m3/h）；v—流速，式中取2.0m/s。

通過計(jì)算，TBM2 施工段排水管徑316mm，按斷面計(jì)算，配置2 條管路，其中1 條φ219.1mm、1 條φ244.5mm 管路。

3.1.2 管道壁厚計(jì)算

式中：

c—計(jì)入制造負(fù)偏差和腐蝕的附加厚度，取0.20cm；p—計(jì)算管段的最大工作壓力（MPa），取1.5 MPa；Dw—管子外徑（cm）；φ—管子焊縫系數(shù)，直縫焊接鋼管取0.7；[σ]—管材許應(yīng)力，選擇直縫鋼管，[σ]=79MPa。

（1）φ219.1mm 鋼管：

TBM2 施工段排水管路選擇1 條6.0mm 厚φ219.1mm普通鋼管。

（2）φ244.5mm 鋼管：

TBM2 施工段排水管路另選擇1 條6.0mm 厚φ244.5mm普通鋼管。

3.1.3 水泵配置

根據(jù)排水規(guī)模以及管路布置，考慮排水量梯度情況，配置3 臺臥式離心泵，流量分別為：Q1=120m3/h、Q2=120m3/h、Q3=335m3/h，滿足最大排水規(guī)模566m3/h 要求，其中Q1、Q2共用1 條φ219.1×6mm 管路，Q3單獨(dú)使用1 條φ244.5×6mm 管路。

3.1.4 實(shí)際流速計(jì)算

（1）當(dāng)Q=120m3/h、1條φ219.1×6mm管路（d=207.1mm）時(shí)，v=4Q/(3600πd2)=0.99m/s。

（2）當(dāng)Q=240m3/h、1條φ219.1×6mm管路（d=207.1mm）時(shí)，v=4Q/(3600πd2)=1.98m/s。

（3）當(dāng)Q=335m3/h、1 條φ244.5×6mm（d=232.5mm）時(shí)，v=4Q/(3600πd2)=2.18m/s。

3.1.5 管路阻力計(jì)算

TBM2 施工段每級排水長度按4000m 考慮。

式 中，d=207.1mm時(shí)、λ=0.0304，d=232.5mm時(shí)、λ=0.0284。

局部水頭損失：

式中，ζ=1.0+10+3=14，閘閥1 個(gè)、逆止閥1 個(gè)、標(biāo)準(zhǔn)彎頭3 個(gè)。

（1）當(dāng)d=207.1mm、v=0.99m/s 時(shí)，則

（2）當(dāng)d=207.1mm、v=1.98m/s 時(shí)，則

（3）當(dāng)d=232.5mm、v=2.18m/s 時(shí)，則

3.1.6 揚(yáng)程計(jì)算

式中：HP=4000/2583=1.5m；Hg取3.0m，水泵吸上高度；1.02 系數(shù)主要考慮余量揚(yáng)程。

（1）當(dāng)Q=120m3/h、d=207.1mm 時(shí)：

（2）當(dāng)Q=240m3/h、d=207.1mm 時(shí)：

（3）當(dāng)Q=335m3/h、d=232.5mm 時(shí)：

3.1.7 水泵選型

TBM2 施工段排水選用臥式離心泵，每級布置3 臺，其中：2 臺MD120-50×3P 技術(shù)參數(shù)：Q=120m3/h、H=150m、N=90kW；1 臺MD280-43×4P，技術(shù)參數(shù)：Q=335m3/h、H=152m、N=200kW。

3.2 TBM1 施工段

TBM1 施工段采用管道泵接力強(qiáng)排，每3000m 布置1 臺排水設(shè)備，排水能力按180m3/h 考慮，按照上述計(jì)算：TBM1施工段排水管路選擇1 條6.0mm 厚φ219.1mm 普通鋼管，管道泵型號ISG200-400，主要技術(shù)參數(shù)：Q=200m3/h、H=50m、N=45kW。沿途根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置潛污泵向管道內(nèi)排水。

4 排水管路布置

TBM1 施工段布置1 條Φ219.1×6.0mm 排水管路；TBM2施工段布置1條φ219.1×6.0mm、1 條φ244.5×6.0mm 排水管路，采用卡扣連接，由錨桿固定于洞壁上。管路設(shè)置閘閥、止回閥，避免水流倒流毀壞水泵[6]。露天部分、距支洞口300m 以內(nèi)排水管線，纏繞電伴熱帶，同時(shí)加裝5cm 厚的聚氨酯保溫管殼等保溫材料，確保冬季順利施工排水[7]。

5 集水倉設(shè)計(jì)

TBM2 施工段集水倉設(shè)置是接力排水的關(guān)鍵，要因地制宜。鉆爆開挖集水倉將影響工期，設(shè)置水箱將占隧洞有限空間，影響TBM 掘進(jìn)物料運(yùn)輸機(jī)車通行。綜合以上因素，通過計(jì)算分析設(shè)計(jì)了架高機(jī)車軌道，利用下部空間作為集水倉的儲水方案（見圖1）。考慮最大件運(yùn)輸問題，機(jī)車軌道架設(shè)高度1.2m；考慮容積問題，架設(shè)長度140m，容積320m3，并設(shè)三級沉淀。同時(shí)利用集水倉上部平臺，安裝機(jī)車軌道道岔，實(shí)現(xiàn)了TBM 掘進(jìn)長距離單線物料運(yùn)輸會車的目的。

圖1 TBM2施工段接力排水集水倉

6 自動化控制

排水泵站手工操作，不僅難以排除管路最高處聚集的空氣，而且耗費(fèi)人工、效率低下、排氣耗時(shí)長。自動化控制節(jié)省成本，安全可靠。為實(shí)現(xiàn)排水全自動啟停，在主泵的進(jìn)出水口處加裝自動排氣閥；在主泵的正下方安裝一臺輔泵，利用輔泵直接把污水送到主泵泵腔；在主泵上方管接頭安裝壓力表，并在排污管道最高處加裝自動排氣閥（見圖2）。通過以上措施，采用水位傳感器實(shí)現(xiàn)了自動排氣、自動上水、自動啟泵和自動停泵。

圖2 自動化排水配置圖

7 提升排水效率

在排水泵組的安裝過程中，鑒于現(xiàn)場工況，排水管路會出現(xiàn)高低起伏的情況，與水泵連接管路隆起的最高處會有空氣聚集，而且越聚越多，排水管隆起的高處聚集的空氣對管路中行進(jìn)的污水會造成巨大阻力，削減其揚(yáng)程，減少其流量，從而降低排水泵的工作效率。水泵泵腔中的空氣與管路隆起高處聚集的空氣是造成水泵排水效率低下的原因。

排水系統(tǒng)是一個(gè)帶壓的密閉系統(tǒng)，既要把泵腔及管路中的空氣排掉，又要防止污水產(chǎn)生泄漏。因此，首先在輔泵出水處加裝自動排氣閥，排凈輔泵出水管與主泵泵腔中的空氣，然后在排水管隆起的最高處安裝自動排氣閥，排走主泵泵腔、主排水隆起最高處管路中的空氣。

安裝兩組自動排氣閥，保證主泵、輔泵正常排水；大大降低污水在排水管路中行進(jìn)時(shí)所受到的阻力，避免做無用功，達(dá)到省電節(jié)能的目的，提高主輔泵吸水流量，從而提升主泵排水效率，為實(shí)現(xiàn)排水自動化提供條件。

8 結(jié)語

TBM 法長大隧洞施工，長距離逆坡排水，是施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，設(shè)備選型必須安全可靠，排水級數(shù)要結(jié)合實(shí)際綜合考慮，排水設(shè)施配置要分析排水量梯度問題。本文通過計(jì)算分析、合理規(guī)劃，降低了排水成本，提高了TBM利用率，可為類似工程施工提供參考和借鑒。