西康铁路秦岭隧道I线TBM施工反坡排水方案设计与实施.pdf

公路隧道 2 0 1 3年第 4 期 ( 6 - 第 8 4期) 西康铁路秦岭隧道 I线 T B M 施工反坡排水 方案设计 与实施 毛本庆 ( 中国铁建十八局集团 天津3 0 0 2 2 2 ) 摘 要T B M由于自 身系统复杂、 体积庞大、 只能进不能退的特点， 在施工中对突、 涌水的处理要求比钻爆 法更有效、 更及时， 否则后果严重， 甚至会导致整机瘫痪。秦岭隧道 I 线 T B M1 1 反坡施工中排水问题的解决， 优 化了原有设计， 并设计了一套较为完善的反坡排水备用系统 ， 有效地扼制了水患， 保证了TB M 的正常施工。 关键词T B M反坡排水方案 1 工程地质与 T B M 简介 1 1 工程地质简介 秦岭隧道是西安一安康铁路的重点控制工程， 是 目前我 国最长 的并行单线铁路之一 ， 曾号称 “ 中 国第一长 隧” ， 工线全长 1 8 4 4 8 k m， 1 I 线全长 1 8 4 5 7 k m， 通 过 区为秦 岭 中山 区， 穿越 我 国两 大水 系长江与黄河水系。受多期构造运动 的影响 ， 断裂构造发育 ， 岩脉穿插频繁 ， 隧道穿越 山体长 ， 洞 室埋深变化较大， 跨越多个构造 断裂带和不 同地质 构造段 ， 所 以工程地质 、 水文地质条件复杂 ， 地质灾 害多。秦岭隧道 出口段长 8 9 k m， 反坡段长 ， 从里 程点 DK7 9 +5 6 0开始进入 3 反坡施工 ， 从里程点 D K7 9 +5 6 0进人 9 0 反 坡施 工， 从里程点 D K7 9 + 5 6 0进入 1 1 反坡施工 ； 富水 区延续长 ， 涌水量大 ， 突、 涌水灾 害严重 ， 并 且富水 区多为 断层 破裂构造 带、 岩脉穿插带 。 1 2 T B M 简介 T B M( Tu n n e l B o r i n g Ma c h i n e ) 全 断面隧 道掘进机是近 5 0年来欧美等发达 国家研制 和发展 起来的， 是 目前长大隧道施工最有效的大型综合性 供水系统各泵站及 电机冷却废水D N 1 0 0 5 0 施工机械之一 。为促 进我 国长大铁路 隧道施工技 术的发展 和进步 ， 1 9 9 7年我 国首次 引进 两台德 国 WI RTH公司生产 的 T B 8 8 0 E掘进机 ， 分别用 于秦 岭隧道 工线进 口和 出口段施工 ， 其最为突出的特点 是集 快 速 性、 安 全 性、 同 步 性 、 系 统 性 于 一 机 。 T B 8 8 0 E掘进机刀盘直径 8 8 m， 整机全长 2 5 6 m， 由主机 、 连接桥和后配套 三大部分组成 ， 具体包括 刀盘及其驱动系统、 Z E D激光导向系统、 通信系统、 岩石支护系统 、 通风除尘 系统 、 运输 系统 。操作 系 统及整机各关键部位均由P L C进行程序控制。 2 反坡排水方案设计与实施的意义及 必要性 2 1 T B 8 8 0 E原有排水系统简介 T B 8 8 0 E原有排水系统 由装于主机底部 的一 台 2 2 k w潜水泵 排水量 1 6 8 0 L m in( 1 0 0 8 m z h ) 、 布于后配套左侧的 D N1 0 0水管 、 装于 1 6 #拖 车左侧 的 2 0 污水箱 、 一台 7 5 k W 排水量 2 5 9 0 L mi n ( 1 5 5 4 m。 h ) 污水 回水泵及装 于 1 6#拖车右侧 的水管卷筒和软管组成 ( 见图 1 ) 。 连接桥一2 #车 3 一l 5 #车 1 6 # 车一尾部 图 1 改造前的反坡排水系统图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 毛本庆 西康铁路秦岭隧道 工线 TB M 施工反坡排水方案设计与实施 2 2 增设备用排水 系统的意义与必要性 工线和 线隧道 中心线 间距 3 0 m， 虽受 线平 导开挖的影响 ， I线隧道施工过程中水量将较 线 有所减少 ， 但与 线平导涌水区相对 应的地质构造 区段 ， 仍将出现一定的涌水。 秦岭隧道南口在 D K 7 9 +1 5 0 里程点进入 l 1 下坡施工。根据地质勘测及 线平导施工 的资料 ， D K7 8 +6 8 0 一D K7 8 +4 4 5里程段 ， 可能的最大涌水 量 为 2 8 0 m。 h ， 稳 定 流量 为 1 2 5 m。 h ； DK7 8+ 2 4 5 一 DK7 8 + 3 8 0， DK7 8+ 1 5 3 一 DK7 8 + 0 2 5 ， DK7 7 + 9 6 0 DK7 7+ 8 6 0， DK7 7+ 5 2 0 一 DK7 7+ 4 6 0， D K7 4 +9 2 0 一DK7 4 +8 3 0里程段 的最大涌水 量也 超过 1 0 0 m。 h 。利用 T B 8 8 0 E原有的排水系统 ， 显 然远远不能满足施工需要。况且 ， 对 于任何设备都 不可避免地会 出现故障 ， 而 T B 8 8 0 E配套设备 中没 有提供 2 2 k w 潜水泵的备用件 。一旦在突 、 涌水情 况下， 排水系统的任何部位出现故障， 均将导致排 水工作的停止 。 T B 8 8 0 E掘进机 刀盘后 部的液压 系统、 主轴 承 润滑油系统及其密封冲刷系统、 辅助胶带输送机均 应注意防水 。一旦油液含水量超标 ， 所带来的后 果 是不堪设 想 的： 液 压油 含水量 超标 将造 成 油液 乳 化、 粘度降低， 使整个液压系统工作能力下降、 元件 腐蚀与磨损加剧， 从而降低系统的使用寿命 ； 主轴 承润滑油含水量超标 ， 将加剧主轴承滚动副的腐 蚀 磨损 ， 造成早期损坏 ， 而主轴承是 TB M 极为关键的 部件， 制约着 T B M 的使用寿命， 严重影响施工进 度 。同时 ， 此区域的电气及监测系统元器件位置较 低 ， 一旦 出现大涌水 而不能及 时排 出， 将使 设备 绝 缘值偏低而导致停机 ， 甚至整个 电气系统瘫 痪 ； 刀 盘后部清渣 区及仰拱铺设 区， 在大涌水的情况下施 工无法进行 ， 且对 作业人员 的人身安全造 成影响 。 鉴于此 ， 根据施工实际， 为坚决 杜绝“ 水淹 T B M” 事 故的发生 ， 必须改造 、 优化和加强 TB 8 8 0 E的反坡排 水系统 。 3 方案设计 3 1 总体思路设计 对于原有的排水系统 基本保持原设计 ， 仅作局 部改造； 同时， 设计安装两套备用排水系统。 T B M施工中， 洞内必须保证排水工作 2 4 h正 常运转， 因此， 供电系统必须保证 2 4 h不间断运行。 3 2 机械部分方案设计 3 2 1 改进原有 系统 对于原有排水系统基本保持不变 ， 水泵置于前 外机架正下方 ， 通过导链 悬挂于机架 ， 换步过程 中 将水泵升起 ， 其他 时间可落于洞底 ， 以减轻震动； 如 果洞底积碴较多 ， 也可将水泵升至适当高度 。原置 于 1 6 #拖车右侧的水管卷筒不便于通过横通道向 线平导排水 ( 注 ： 由出 口向洞 内看 线平导位 于 I线的左侧) ， 将其移至 1 7 #拖车风机左侧 ， 水管相 应调整。为避免因污水箱或污水泵故障导致排水 系统停止工作 ， 在污水箱 进水管上加装三通及球阀 ( 1 5 #、 1 6 #拖车之 间) ， 一路引入水箱 ， 另一路经球 阀、 三通与水管卷筒相连。 3 2 2 设计备用系统 1 ) 水泵的选用与安装 根据对涌 水情况 的预测 ， 经研 究 ， 反坡 排水选 用 6 Z X - 2 0 型自吸泵， 性能参数详见表 1 。安装在连 接桥前下部左侧 注浆泵前方 ， 采用 1 0 0槽钢支架悬 挂于连接桥 中层平台下 。 表 1 6 z x - 2 o型自吸泵性能参数 流量 Q 扬程 H 转数 r 功率 P k W 型号 效率 允许吸上真空高度 HS m m a h L rai n m ( r rai n ) 轴功率 配用功率 6 Z ) ( - 2 0 2 5 0 6 9 5 1 8 1 4 8 0 1 6 4 2 2 7 5 7 5 ( 1 ) 水泵与支架之间 以 M2 0螺栓连接 ， 并增设 橡胶减震垫 。 ( 2 ) 支架与 T B M 连接桥之间采用螺栓连接， 并 且两台水泵的支架是相互独立的， 如某水泵出现故 障需更换， 可用导链将之吊起， 迅速拆除支架， 将水 泵落下， 再装新泵。这样可避免影响另一 台水泵 工作 。 ( 3 ) 两支架的内侧分别设计一个可翻转的工作 平台， 以便于检修、 保养水泵及电机。 ( 4 ) 两 台水泵在 安装时 电机 相靠近 ， 以利于水 管安装 。 2 ) 水管选用与布置 根据水泵选型 ， 水 管选用 DN1 5 0钢管及软管 ， 布置方案如下 ： ( 1 ) 进水管部分。全部采用软管， 架于内机架 下部单轨 吊机导轨支架 上， 延伸 至前外机架 下方 ， 通过机架处 吊环垂下 ， 并在悬挂点与支架之 间预 留 5 m， 以利于 T B M掘进及换步。进水软管的前端设 5 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路 隧道 2 0 1 3年第 4期( 4 - 第 8 4 期) 计钢筋拦网， 防止碎石侵入而损坏水泵 。 ( 2 ) 出水管部分 ： 连接桥部位 。大部分采用钢管 ， 通过 自制支 架置于顶部平 台左侧 。与 1 #拖车之间， 通过软管 连接 ， 并留出足够预留量 ， 以免干涉拖拉后配套 。 1 #拖车部 分。为钢管 ， 置于主液压 系统油 箱与 3 #皮带机之间 ， 以托架 固定 。 2 # 拖车部分。为钢管， 置于 3 #皮带机左侧 过道上 ， 以托架 固定 。 3 #拖车 部分。为钢管 ， 通过托架 固定 于空 压机左侧、 护栏外侧 。 4 #至 1 3#拖 车部分 。为钢管， 利用左侧拖 车支架 布 置 ， 以托 架 固定 ， 下 部 托架 距 拖 车平 台 供水系统各泵站及电机冷却废水D N1 0 0 1 i 0 m， 在拖车之间以软管相连 ， 钢管上下排列 。 1 4 号拖车部分。由于左侧支架相阻， 采用软 管 ， 以托架固定。 1 5 #车至后坡道部分。采用钢管， 以托架固 定于左侧过道上 ， 延伸至后配套尾部。 机器之后至横通道部分。以钢管为主， 置于 仰拱块左侧 ， 延伸至横通道 ， 后配套尾部 与钢管之 间以软管相连。 ( 3 ) 增设止回阀 为防止管路中水倒流对泵产生不 良影响， 在 自 吸泵与出水管之间增设止回阀 。 改进后的反坡排水系统如图 2 所示。 图 2 改造后的排水 系统图 3 2 3 TB M 通过 区洞 壁 滴水地段 的 处理 方案 对于 TB M 通 过后 洞壁滴水 较为严重的地段 ， 可视实际情况临时采用小功率潜水泵通过横通道 向线平导排水。 3 2 4 减 少排 水 量 根据实际情况， 长期停电时， 洞外停水， 以减少 排水量。 3 3 电气部分方案设计 反坡排水系统配置专用的配电箱， 容量为 1 8 0 k V A， 安装于连接桥部位 E 0 2配电柜外侧过道平 台上 。一般情况下 ， 电力主要 由 T B M 原有 的 E 0 4 5 2 配电柜提供 ； 在 E 0 4停 电时， 通过架设 于横通 道及 洞壁的电缆线由线可移动变压器供给。为保证 排水工作不间断， 充足的照明是必要的， 因此， 在配 电柜、 主机下部水泵处、 后配套 1 7 #拖车污水管卷 筒和污水回水泵处均增设应急照明灯 。 4 方案实施及效果检验 论证了上述方案的可行性之后， 将改造后的反 坡排水系统安装于 T B M 之上， 经调试运转正常。 当掘进到达 DK7 8 +1 3 5里程点之后 ， TB M 原有排 水系统的潜水泵损坏， 备用排水系统投人运转， 否 则 ， 必将严重影响 TB M 施工 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m