长距离、大坡度隧洞TBM施工排水系统设计浅析

2019-10-25加尔恒多那依

陕西水利 2019年9期

加尔恒·多那依

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000）

隧道掘进机（TBM）作为专用隧洞工程开挖施工的先进施工装备，具有施工速度快、安全、经济、优质且有利于环保和降低劳动强度等优点，在国内已经广泛应用于更多的水利工程。掘进过程中产生的废水以及由山体渗出或者涌出的水，需要及时从TBM施工区域排出，以免影响设备、人员以及作业安全[1]。新疆供水工程T3标段支洞区段可能有大涌水，排水系统任何部位出现问题都将会导致排水工作停止。基于此，本文针对工程中长距离、大坡度隧洞TBM施工的排水进行分析。

1 工程概述

1.1 工程简介

新疆供水工程T3标段支洞采用TBM掘进机开挖，设计长度为5352.25 m，纵坡为11.5%，开挖洞径8.0 m，断面型式为圆形，进口段高程约为1176.95 m，与主洞交点高程为571.38 m，施工过程均为顺坡开挖、反坡排水。

1.2 工程地质条件

工程总地势北高南低、东高西低，由东北向南西缓慢倾斜，海拔高程1150 m～1200 m，地形起伏不大，多为剥蚀残丘，一般高差10 m～20 m，最大高差约30 m，基岩大多裸露，主要为戈壁荒漠地貌。

根据地质测绘，地层岩性主要三是角闪安山玢岩、辉石安山玢岩及石炭系凝灰质砂岩，厚层状结构，岩石坚硬，岩体完整。

2 试验洞分段工程地质条件评价

0-028.00 m～0+042.50 m：该段岩性为角闪安山玢岩、辉石安山玢岩，处于强风化岩体中，强风化厚3 m～5 m，由于风化影响，岩体呈块状结构、裂隙面切割，洞身围岩较破碎，属于Ⅴ类围岩。估算该隧洞段总涌水量Q=0.17 m3/h。

0+042.50 m～0+106.30 m：该段岩性为角闪安山玢岩、辉石安山玢岩，处于弱风化～微风化岩体中，岩体较完整，地下水为基岩裂隙水，涌水量小，以渗水、滴水为主，地下水对普通混凝土具有强腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性。估算该段隧洞段总涌水量Q=0.26 m3/h，该段洞身围岩较完整，属于Ⅳ类围岩。

3 大坡度排水

3.1 排水量确定

根据水文地质资料，估算该隧洞段总涌水量Q=35.89 m3/h，地下水为基岩裂隙水，涌水量小，洞壁以渗水、滴水为主，断层带内以线状水流为主。TBM在隧洞开挖过程中产生的废水排放量为5 m3/h，该支洞正常总涌水量为41 m3/h。排水系统按照1.2倍安全系数储备，最大排水量取50 m3/h。

3.2 排水系统

该支洞在排水施工过程中采取强排措施，将顺坡汇集的洞内渗涌水和施工废水收集到TBM设备主机位置，并采用潜污泵将其抽排到TBM掘进机后配套设置的水箱，通过初步沉淀后，采用高扬程水泵分级泵排到洞外污水处理系统，污水处理能力不小于50 m3/h。由于该隧洞距离长，坡度较大，因此排水系统应该满足615 m高度扬程要求，采取强排方式用多级固定水箱逐级排抽，固定水箱形成之前设置临时水箱，布置间距为1000 m的固定水箱，共分5级排水，1级至5级排水高度150 m，排水系统总布置见图1。

图1 排水系统总布置图

3.3 排水泵的选型及布置

3.3.1 水泵选型

（1）选型依据

固定水箱单台水泵排水量50 m3/h，扬程115m，输水距离1000 m。

（2）水泵扬程

式中：Hp为排水高度，m；Hg为吸水高度，一般取4 m～5 m；ηg为管路效率，对斜井当倾角小于20°时，ηg=0.77～0.74。

3.3.2 水泵布置

排水泵布置应要考虑安装快速且经济、检修维护方便等因素，临时水箱部位和TBM设备水箱排水采用潜污泵，各级固定水箱排水选用离心泵方案，见表2。吸水过滤装置安装到水泵吸水口，避免将大颗粒的砂粒及碎石吸入泵内，从而影响水泵内的电机壳以及水泵叶轮等，以延长水泵使用寿命和提高排水效率。水泵抽水时，为了避免水面过低而吸入空气产生气蚀现象，设置带有水位传感器的自动液位控制装置。水箱的排水水位控制最低水位为1.0 m，从水箱底部算起，当水位低于1.0 m时水泵自动跳闸并停止排水。在用泵、备用泵、等修泵均采用同一型号的产品。

表2 水泵选型参数表

3.4 水箱布置

根据30 min涌水量来考虑固定水箱大小，水箱有效容积为25 m3。固定水箱共分五级：一级固定水箱桩号0+750.00，二级固定水箱桩号1+750.00，三级固定水箱桩号2+750.00，四级固定水箱桩号3+750.00，五级固定水箱桩号4+750.00。各级排水系统均布置2台卧式多级离心泵：Q=54 m3/h、H=158 m、P=45 kW，水泵排水高度115 m，采用“一用一备”的原则；临时水箱具有中转排水的功能。根据15 min涌水量考虑临时水箱大小，水箱有效容积为15 m3，距TBM设备350 m位置布设，固定水箱之间设2处，间距350 m，每处临时水箱布置3台潜水泵；TBM设备上水箱设置在后配套1#、2#、11#台车，1#台车左右两侧水箱各布置1台潜污泵，另备用1台；2#台车左右两侧水箱各设1台潜污泵，另备用1台，11#台车水箱布置3台潜污泵，水箱有效容积不小于8 m3。

3.5 管路布置

3.5.1 排水管选型

（1）隧洞管路

排水管选型计算如下：

排水管直径：

式中：Q为流经管内流量（m3/h）；V为管口水流速度，一般排水管口 V=1.5 m/s～2.2 m/s。

经计算排水管直径为110 mm～90 mm。

为确保施工中的安全，管路选用DN125的两条无缝钢管，一备一用，每条管路长度为1000 m。

（2）TBM设备管路

TBM设备后配套2#台车水箱至11#台车水箱之间布置三条胶管，与潜污泵配套使用；11#台车水箱两条管路与排水卷盘相连，另条备用作为涌水时应急管路。另外，设置1条DN50胶管，在隧洞主管路接续时，将管路中存水放入11#台车水箱。

3.5.2 排水管路布置

排水管路的布置应该要考虑隧洞断面尺寸、安装快捷、车辆运行以及检修维护方便等因素。由于管路直径较小，从水箱出来的两条管路采用并排垂直布置。排水管路均选用无缝钢管，排水系统管路规格为φ133×5。管路连接采用法兰盘接头进行连接，管路沿隧洞进洞方向敷设在隧洞右侧，并采用锚杆将管路固定于侧墙上方。为了避免水流倒流损坏水泵，管路设置闸阀和止回阀。