TBM法隧洞施工长距离排水计算分析.pdf

1202023年8月上 第15期 总第411期工程设计施工与管理China Science&Technology Overview1 工程概况隧洞长度 38253m，开挖洞径 7.0m，纵坡 i=1/2583，采用 2 台 TBM 施工（TBM1、TBM2），其中 TBM1 掘进段 17888m、辅助洞室 730m、TBM2 掘进段 19635m。本工程最大排水规模 986m3/h，其中 TBM1 施工段 420m3/h、TBM2 施工段 566m3/h。2 排水方案2.1 TBM1 施工段为逆坡掘进、顺坡排水、施工废水可形成自流，考虑文明施工要求，采取辅助排水措施。排水设施按Q=180m3/h 配置，超过 180m3/h 的水量将采取自流方式排至辅助洞室集水仓，每 3000m 布置 1 套排水设备，共设置 5 级，采用管道泵接力排水，施工排水流程：TBM1设备 1 级管道泵 2 级管道泵 5 级管道泵辅助洞室集水仓洞外污水处理系统。2.2 TBM2 施工段为顺坡掘进、逆坡排水，施工废水集中流向掌子面，为防止淹机事故，采取强排措施1-2。排水设施按最大涌水量配置，每 4000m 布置 1 套排水设备，共设置 4 级，采用集水仓、卧式离心泵接力方式集中排至辅助洞室集水仓，施工排水流程：TBM2设备1级集水仓2级集水仓 3级集水仓4级集水仓辅助洞室集水仓洞外污水处理系统。3 排水计算3.1 TBM2 施工段3.1.1 管径选择排水系统管路流速取 v=1.0m/s 2.2m/s，排水管选型计算如下3-5。排水管直径：d=(4Q/(3600v)1/2=316mm式中：Q流经管内流量（m3/h）；v流速，式中取2.0m/s。通过计算，TBM2施工段排水管径316mm，按断面计算，配置2条管路，其中1条219.1mm、1条244.5mm管路。3.1.2 管道壁厚计算c+=2.3(6.4)wpDp=+式中：c计入制造负偏差和腐蚀的附加厚度，取 0.20cm；p计算管段的最大工作压力（MPa），取 1.5 MPa；Dw管子外径（cm）；管子焊缝系数，直缝焊接钢管取 0.7；管材许应力，选择直缝钢管，=79MPa。（1）219.1mm 钢管：1.5 21.910.292.3(79 0.76.4)1.5=+0.290.200.49=+=TBM2 施工段排水管路选择 1 条 6.0mm 厚 219.1mm普通钢管。（2）244.5mm 钢管：1.5 24.450.322.3(79 0.76.4)1.5=+0.320.200.52=+=TBM2施工段排水管路另选择1条6.0mm厚244.5mm普通钢管。3.1.3 水泵配置根据排水规模以及管路布置，考虑排水量梯度情况，配置3台卧式离心泵，流量分别为：Q1=120m3/h、Q2=120m3/h、Q3=335m3/h，满足最大排水规模 566m3/h 要求，其中Q1、Q2共用 1 条 219.16mm 管路，Q3单独使用 1 条244.56mm 管路。3.1.4 实际流速计算（1）当Q=120m3/h、1条219.16mm管路（d=207.1mm）时，v=4Q/(3600d2)=0.99m/s。收稿日期：2022-12-20作者简介：张青松（1971），男，辽宁朝阳人，工程师，研究方向：水利工程等。TBM 法隧洞施工长距离排水计算分析张青松（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁沈阳 110179）摘要：TBM 法长大隧洞施工，排水不畅将会影响 TBM 掘进效率，一旦发生突涌水，可能导致淹机事故。尤其是长距离逆坡排水显得更为重要。通过计算分析、合理选型、科学规划、自动控制，可降低排水成本，提高 TBM 利用率，为 TBM 顺利掘进提供安全保障。关键词：TBM；隧洞；长距离；排水中图分类号：TU992 文献标识码：B 文章编号：1671-2064(2023)15-0120-031212023年8月上 第15期 总第411期工程设计施工与管理China Science&Technology Overview（2）当Q=240m3/h、1条219.16mm管路（d=207.1mm）时，v=4Q/(3600d2)=1.98m/s。（3）当 Q=335m3/h、1 条 244.56mm（d=232.5mm）时，v=4Q/(3600d2)=2.18m/s。3.1.5 管路阻力计算TBM2 施工段每级排水长度按 4000m 考虑。22Lvhfdg=式 中，d=207.1mm时、=0.0304，d=232.5mm时、=0.0284。局部水头损失：22vhjg=式中，=1.0+10+3=14，闸阀 1 个、逆止阀 1 个、标准弯头 3 个。（1）当 d=207.1mm、v=0.99m/s 时，则hf=29.4mhj=0.7m（2）当 d=207.1mm、v=1.98m/s 时，则hf=117.5mhj=2.8m（3）当 d=232.5mm、v=2.18m/s 时，则hf=117.7mhj=3.4m3.1.6 扬程计算H=1.02(HP+hf+hj+Hg)式中：HP=4000/2583=1.5m；Hg 取 3.0m，水泵吸上高度；1.02 系数主要考虑余量扬程。（1）当 Q=120m3/h、d=207.1mm 时：H=35.3m（2）当 Q=240m3/h、d=207.1mm 时：H=126.3m（3）当 Q=335m3/h、d=232.5mm 时：H=128.1m3.1.7 水泵选型TBM2 施工段排水选用卧式离心泵，每级布置 3 台，其中：2 台 MD120-503P 技术参数：Q=120m3/h、H=150m、N=90kW；1 台 MD280-434P，技术参数：Q=335m3/h、H=152m、N=200kW。3.2 TBM1 施工段TBM1施工段采用管道泵接力强排，每3000m布置1台排水设备，排水能力按180m3/h考虑，按照上述计算：TBM1施工段排水管路选择1条6.0mm厚219.1mm 普通钢管，管道泵型号 ISG200-400，主要技术参数：Q=200m3/h、H=50m、N=45kW。沿途根据实际情况设置潜污泵向管道内排水。4 排水管路布置TBM1施工段布置1条219.16.0mm排水管路；TBM2施 工 段 布 置1条219.16.0mm、1条244.56.0mm排水管路，采用卡扣连接，由锚杆固定于洞壁上。管路设置闸阀、止回阀，避免水流倒流毁坏水泵6。露天部分、距支洞口300m以内排水管线，缠绕电伴热带，同时加装5cm 厚的聚氨酯保温管壳等保温材料，确保冬季顺利施工排水7。5 集水仓设计TBM2 施工段集水仓设置是接力排水的关键，要因地制宜。钻爆开挖集水仓将影响工期，设置水箱将占隧洞有限空间，影响 TBM 掘进物料运输机车通行。综合以上因素，通过计算分析设计了架高机车轨道，利用下部空间作为集水仓的储水方案（见图 1）。考虑最大件运输问题，机车轨道架设高度 1.2m；考虑容积问题，架设长度 140m，容积 320m3，并设三级沉淀。同时利用集水仓上部平台，安装机车轨道道岔，实现了 TBM 掘进长距离单线物料运输会车的目的。图1 TBM2施工段接力排水集水仓6 自动化控制排水泵站手工操作，不仅难以排除管路最高处聚集的空气，而且耗费人工、效率低下、排气耗时长。自动化控制节省成本，安全可靠。为实现排水全自动启停，在主泵的进出水口处加装自动排气阀；在主泵的正下方安装一台辅泵，利用辅泵直接把污水送到主泵泵腔；在主泵上方管接头安装压力表，并在排污管道最高处加装自动排气阀（见图 2）。通过以上措施，采用水位传感器实现了自动排气、自动上水、自动启泵和自动停泵。7 提升排水效率在排水泵组的安装过程中，鉴于现场工况，排水管路会出现高低起伏的情况，与水泵连接管路隆起的最高处会有空气聚集，而且越聚越多，排水管隆起的高处聚集的空气对管路中行进的污水会造成巨大阻力，削减其扬程，减少其流量，从而降低排水泵的工作效率。水泵泵腔中的空气与管路隆起高处聚集的空气是造成水泵排水效率低下的原因。1222023年8月上 第15期 总第411期工程设计施工与管理China Science&Technology Overview排水系统是一个带压的密闭系统，既要把泵腔及管路中的空气排掉，又要防止污水产生泄漏。因此，首先在辅泵出水处加装自动排气阀，排净辅泵出水管与主泵泵腔中的空气，然后在排水管隆起的最高处安装自动排气阀，排走主泵泵腔、主排水隆起最高处管路中的空气。安装两组自动排气阀，保证主泵、辅泵正常排水；大大降低污水在排水管路中行进时所受到的阻力，避免做无用功，达到省电节能的目的，提高主辅泵吸水流量，从而提升主泵排水效率，为实现排水自动化提供条件。8 结语TBM 法长大隧洞施工，长距离逆坡排水，是施工的重点和难点，设备选型必须安全可靠，排水级数要结合实际综合考虑，排水设施配置要分析排水量梯度问题。本文通过计算分析、合理规划，降低了排水成本，提高了 TBM利用率，可为类似工程施工提供参考和借鉴。图2 自动化排水配置图Calculation and Analysis of Long Distance Drainage in TBM Tunnel ConstructionZHANG Qingsong(Sinohydro Bureau 6 Co.,Ltd.,Shenyang Liaoning 110179)Abstract:In the construction of long and large tunnels with TBM method,poor drainage will affect the TBM tunneling efficiency.Once water inrush occurs,it may lead to flooding accidents.In particular,long-distance reverse slope drainage is more important.Through calculation and analysis,reasonable selection,scientific planning and automatic control,this paper reduces the drainage cost,improves the utilization rate of TBM,and creates a safety guarantee for TBM smooth tunneling.Key words:TBM;tunnels;longdistance;drainage参考文献1 赵辉.长距离大坡比斜井施工排水控制措施J.中国科技纵横,2020(1):92-93.2 中国煤炭建设协会.煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范(GB50451-2008)M.北京:中国计划出版设,2009.3 加尔恒多那依.长距离、大坡度隧洞TBM施工排水系统设计浅析J.陕西水利,2019(9):186-187,192.4 成都中成华瑞科技有限公司.一种基于智能配浆设备的配浆优化决策方法:中国,CN202111115811.2P.2021-09-21.5 李荣飞.基于流体声发射的分支管网泄漏检测与定位算法研究D.青岛:山东科技大学,2018.6 姚海波,崔静伟,张传龙,等.大马力拖拉机的拖车气制动系统的散热方案研究J.内燃机与配件,2020(10):13-15.7 刘浩,刘杰,侯杰.长大隧道反坡排水新技术探讨J.城市建设理论研究:电子版,2014(34):3629-3630.变频柜自动排气阀压力表自动排气阀压力表主泵（多级离心泵）橡胶软接止回阀 蝶阀辅泵（潜水泵）水位传感器主辅泵配置图