长距离输水隧洞TBM施工洞内风、水、电供应设计

钱鹤轩

摘 要：天水曲溪城乡供水工程的引水隧洞全长为21.669 km，其中隧道掘进机（TBM）施工段隧洞长为21.441 km，其属于特长隧洞，是整个工程施工的关键项目。洞内风、水、电供应方式是TBM掘进顺利实施的保证，也是整个隧洞投资概算合理的基础保障。本文针对长距离隧洞TBM施工特点，简要介绍了洞内施工要素的计算及设计原则，为今后类似工程提供参考。

关键词：特长隧洞;TBM施工洞;风、水、电供应

中图分类号：TV551.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0068-03

Design of Wind， Water and Electricity Supply in TBM Construction

Tunnel of Long-Distance Water Conveyance Tunnel

QIAN Hexuan

（Gansu Water Conservancy Engineering Construction Supervision Consulting Center Co.， Ltd.，Lanzhou Gansu 730000）

Abstract： The total length of the diversion tunnel of the Tianshui Quxi urban and rural water supply project is 21.669 km， of which the tunnel length of the tunnel boring machine （TBM） construction section is 21.441 km， it belongs to an extra-long tunnel and is a key project of the entire project construction. The supply of wind， water， and electricity in the tunnel is the guarantee for the smooth implementation of TBM tunnelling， and it is also the basic guarantee for the reasonable investment budget of the entire tunnel. In view of the construction characteristics of long-distance tunnel TBM， this paper briefly introduces the calculation and design principles of the construction elements in the tunnel， and provides a reference for similar projects in the future.

Keywords： extra-long tunnel;TBM construction tunnel;wind， water， and electricity supply

天水曲溪城鄉供水工程位于天水市秦州区和麦积区境内，其中引水隧洞全长为21.669 km。引水隧洞为无压洞，设计流量为1.44 m3/s，加大流量为1.56 m3/s。其中，冷水河连接明洞长为70.65 m，冷水河～胡家沟段长度为21.441 km，其属于特长隧洞，是整个工程施工的关键项目。

1 地质条件

隧洞自南向北穿过西秦岭山地，山峰与沟谷相间发育。隧洞自南向北通过望天沟背斜和望天沟脑向斜两个次级褶皱，隧洞沿线区域断层有6条，泥钙质胶结一般或较差，挤压紧密，上、下盘往往有40～200 m的影响带，岩体较破碎，多呈碎裂结构。次级断层有68条，其中规模较大的有16条，断层性质以逆断层为主，少数兼具扭性，个别为正断层。

2 洞内施工风、水、电供应

2.1 施工供风系统

施工供风系统由施工期压缩空气供应和施工通风两部分组成[1]。

2.1.1 压缩空气站规划布置。进口掘进机后配套系统安装1台10 m3/min的空气压缩机，用于锚钻孔供风，出口掘进机后配套系统安装1台20 m3/min的空气压缩机，用于锚杆的钻孔和超前钻机供风。

2.1.2 隧洞通风设计。引水隧洞全长为21.441 km，进口段～1#竖井段的长度为7 987.79 m，1#竖井～2#竖井段的长度为5 421.29 m，2#竖井～隧洞出口的全长为8 007.12 m。隧洞掘进最大长度为8 007.12 m，通风难度较大。TBM施工时，掘进、出渣、衬砌和回填灌浆等多道工序集中在TBM主机和后配套区域内完成。通风中主要考虑满足洞内施工人员和设备对新鲜风的需求。主要考虑的内容有：洞内施工人员对新鲜空气的需求;TBM各部件发热导致温度过高时洞内降温的需求;洞内有毒气体的稀释和排放。TBM最大掘进段通风要做好以下工作[2-3]。

2.1.2.1 系统布置。系统采用长管道压入式通风，将洞外新鲜空气压入TBM后配套系统，再经过TBM后配套系统上的辅助风机将其送到开挖工作面。工作面污风从主洞断面流出洞外。

2.1.2.2 工作面风量确定。为确保工作面劳卫环境指标达到《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》（DL/T 5099—2011）所规定的标准，工作面附近最小风速不得低于0.25 m/s。掌子面最小需风量的计算公式为：

[Q=60×V×S]                           （1）

式中：[Q]为供风容量，m3/min;[V]为工作面最小风速，m/s;[S]为隧洞断面面积，m2。

2.1.2.3 漏风系数计算。若供风长度大，则要选择优质软风管。漏风系数的计算公式为：

[PL=1（1-β）L/100]                                   （2）

式中：[PL]为漏风系数;[β]为百米漏风率，%，取0.7%;[L]为通风管道长度，m，取8 000 m。

将相关参数带入式（2），计算可得，[PL=1.75]。

2.1.2.4 风机风量确定。考虑机械、除尘等用风量，洞内最大需风量为820 m3/min。风机设计风量的计算公式为：

[Qj=PL×Q]                                （3）

式中：[Qj]为风机设计风量，m3/min。

带入相关参数，经计算，风机设计风量为1 600 m3/min。

2.1.2.5 通风系统全压计算。通风系统要克服通风阻力并保证风管末端风流量具有一定的动压。通风机产生的风压可以克服这些阻力，以维持风流的连续流动。

风管的摩擦风阻计算公式为：

[Rf=6.5αL/D5]                              （4）

式中：[Rf]为风管的摩擦风阻，N·s2/m8;[α]为风管的摩擦阻力系数，kg/m3;[D]为风管直径，m。

通风管沿程阻力损失的计算公式为：

[Hf=Qj2Rf/PL]                                （5）

式中：[Hf]为通风管沿程阻力损失，Pa。

系统静压的计算公式为：

[Ht=Hf+Hd]                                  （6）

式中：[Ht]为系统静压，Pa;[Hd]为动压损失，Pa。

经估算，系统风压为10 436 Pa。

2.1.2.6 通风机选型。本设计选择2DT-140型对旋式通风机，3台串联，每台设计风量为1 600 m3/min，全压为3 500 Pa，电动机功率为180 kW，转速为980 r/min。其余洞段隧洞通风均采用长管道压入和竖井抽出的混合通风方式。

竖井抽风机可采用1台功率较小的SDA-AD-F75型单级轴流风机，设计风量为3 600 m3/min，全压为800 Pa，电动机功率为75 kW。风管均选择[Φ]1 000 mm软管。

2.2 施工供、排水系统

2.2.1 施工供水。TBM施工段掘进期间，施工单位在隧洞进、出口建变频恒压给水抽水泵站，在隧洞进、出口处的冷水河、胡家沟中修建集水井，利用水泵从集水井抽水，经[Φ]200 mm钢管通过隧洞已掘进段引至TBM后配套系统的清水箱。

2.2.2 施工期洞内排水。引水隧洞拟采用两台TBM相向掘进，其中进口工作面为顺坡掘进，出口工作面为逆坡掘进。沿线地下水类型为基岩裂隙水，其分布主要受断裂的发育及分布情况控制，地下水位一般高出洞顶120～300 m，最大达500 m。断裂不发育的洞段洞室潮湿或渗、滴水，对施工基本无影响;地下水规模较小，表现为线状流水，每10 m的正常涌水量为11.9 m3/d，每10 m的最大涌水量为20.1 m3/d，对施工影响不大;规模较大的断层通过段及褶皱核部附近地下水表现为涌水，局部断层破碎带可能存在突泥，每10 m的正常涌水量为148.7 m3/d，每10 m的最大涌水量为254.9 m3/d，对施工影响较大。施工期洞内排水是保证TBM顺利施工的关键。

隧洞排水按对TBM施工影响较大的最大涌水量254.9 m3/d控制，超过此流量时应采取超前阻水注浆处理，确保TBM顺利通过。在掘进过程中，随时进行超前地质预报，提前处理发现的地下水富集带。因地质条件的不确定性，应充分考虑突发涌水，预留一定的涌水超排能力。

正常排水时，由于TBM主机部位较后部铺设的管片低，进口工作面需要在主机部位随TBM配置防爆型潜水泵，抽排该部位的积水至后配套污水箱，再利用水泵抽水至集水井（每隔1 km设集水井一处）再经水泵抽排至洞外污水处理池。为加大管道排水能力，每隔2 km安装1台加压泵。引水管道采用[Φ]200 mm钢管。

出口工作面主要采用自流方式，也需要在主机部位随TBM配置防爆型潜水泵，抽排该部位的积水至后配套污水箱，经沉淀后排入隧洞并流入出口场地的污水处理池。考虑到本段施工可能存在大涌水，为防止地下涌水影響人员与设备的安全、掘进与管片拼装等工作的进度，在主机尾部配置2台防爆型潜水泵，沿TBM铺设两路[Φ]200 mm钢管排水管路，延伸至后配套系统尾部，必要时启动该强制排水系统，用以抽排前方涌水[4]。

隧洞进口排水设备选用2台200S42型水泵（1台备用），水泵扬程为42 m，流量为280 m3/h;出口排水设备选用2台150S78型水泵（1台备用），水泵扬程为50 m，流量为160 m3/h[3]。

2.3 施工供电

2.3.1 施工供电对象及范围。电负荷点主要集中在输水洞进、出口及竖井施工区，均在天水市供电公司供电范围之内。隧洞进口工作面主要施工用电负荷共计约5 231 kVAR，1#竖井工作面主要施工用电负荷共计约2 070 kVAR，2#竖井工作面主要施工用电负荷共计约2 070 kVAR，TBM设备负荷同时率为100%。主要施工用电负荷如表1所示。

2.3.2 供配电方案。施工供电电源采用就近新建35 kV箱式变电站并新建35 kV供电线路的方式供电。施工供电设计综合考虑永久供电需求，尽量避免重复建设，以使设计合理、可行、经济。

2.3.3 施工供电线路。一是要明确设计基本要求，二是要做好供电线路选择。

2.3.3.1 设计基本要求。施工供电线路设计要符合35 kV配电线路设计規范要求，力求线路短、耗材少、投资省;导线截面选择要满足5～10年用电负荷发展要求;尽可能避开果林、防护林、通信线路、易燃易爆厂房及库房等;尽可能靠近公路，便于线路的维修和管理;根据地形变化采用合理的杆型及挡距。

2.3.3.2 供电线路选择。经计算，隧洞施工供电线路选择35 kV输电线路，导线适合选用钢芯铝绞线，导线设计应力确定为10.8 kg/mm2，安全系数为2.5。根据相关规定，35 kV输电允许电压损失不超过±5%，10 kV及以下配电允许电压损失不超过±7%。根据用电负荷的大小，每个施工负荷点相应地配置35 kV箱式变压器或35 kV级S13型配电变压器，高压侧经户外真空断路器以“T”接的方式接至新建35 kV架空线路上，降压后供给施工用电源[2]。

2.4 洞内线路布置

TBM施工过程中，洞内所有管线将通过专用加工件悬挂固定在管片连接螺栓上。隧洞的照明用电电源最初由洞外变压器提供，当照明线路过长，电压降过大时，可在适当位置安装30 kVAR变压器，同时向前后两个方向供给照明用电（可减少洞内照明变压器的使用数量）。该变压器电源由TBM电缆“T”接引出。照明线路采用三相四线制，布置在隧洞的右侧洞壁，每500 m加装1台空气开关，以便进行其他临时用电操作。照明灯选用250 W的高压钠灯（交流电源220 V），灯具电源接线采用三相交替连接和等负荷分配。灯具排列为沿隧洞洞壁间隔30 m等间距布置[2]。洞内管线布置如图1所示。图中，数据单位均为毫米（mm）。

3 结语

本工程引水隧洞属特长隧洞，地质条件较差且工作面掘进长度较长，施工难度大。合理的通风、排水及供电方案是整个工程顺利实施的保障。本文简要介绍了设计过程中洞内供风、水、电技术指标的统筹规划思路及简要计算过程，为以后的类似工程提供相关参考。各设计阶段应尽可能较为准确地提出风、水、电供应指标，以保证概算基础单价的相对准确，进而保证工程整体投资的合理性。这对TBM选型、布置、组装和调试有一定的指导意义。

参考文献：

[1]水利部.水利水电工程施工组织设计规范：SL 303—2017[S].北京：中国水利水电出版社，2017.

[2]陈馈.TBM设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2017：4.

[3]钟汉华，冷涛.水利水电施工技术[M].北京：中国水利水电出版社，2004：3.