牛紅培

(中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300171)

關(guān)角隧道斜井施工自動(dòng)化排水技術(shù)

牛紅培

(中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300171)

關(guān)角隧道是中國最長的鐵路隧道，該隧道富水區(qū)長22.5 km，涌水量大，施工難度高。以關(guān)角隧道5#斜井為背景，通過對(duì)排水設(shè)備的選型和組合，實(shí)現(xiàn)斜井的自動(dòng)排水。介紹使用PLC控制器及軟啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水的原理，對(duì)傳統(tǒng)泵站的缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)自動(dòng)排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)進(jìn)行比較。結(jié)果證明，自動(dòng)排水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性均優(yōu)于傳統(tǒng)排水系統(tǒng)，該自動(dòng)排水系統(tǒng)在關(guān)角隧道的施工中得到了有效的應(yīng)用,并降低了工程成本。

關(guān)角隧道；富水；斜井；排水；PLC；軟啟動(dòng)器

0 引言

隨著施工技術(shù)的發(fā)展，長大隧道將會(huì)越來越多，“長隧短打”的施工方法在較長時(shí)間內(nèi)仍會(huì)繼續(xù)使用[1]。因此，在需要使用斜井反坡排水的富水隧道施工中，如何優(yōu)化排水方案以降低工程成本，是隧道施工中重要的研究課題。

傳統(tǒng)的人工排水系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，操作繁瑣，管理復(fù)雜，應(yīng)急能力差。目前，自動(dòng)化給排水系統(tǒng)在礦井、水庫建設(shè)中已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用[2-3],但在隧道建設(shè)中的使用還不常見。隧道建設(shè)工程通常因工期較短，對(duì)屬于臨時(shí)設(shè)施的施工排水設(shè)施投資較小，大多采用人工值守的方法進(jìn)行排水[4-5]。在部分長斜井隧道中也有采用多級(jí)泵站自動(dòng)排水的先例，如烏鞘嶺隧道[1]、包家山隧道，但其排水系統(tǒng)較為簡單，僅能控制水泵啟動(dòng)和停止，以及基本的超壓、欠壓等水泵保護(hù)。關(guān)角隧道5#斜井的排水系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)水泵統(tǒng)一調(diào)度，協(xié)調(diào)工作，互為備用，以及軟啟動(dòng)器二拖多的功能，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化排水。此功能有利于節(jié)約工程成本，可為今后類似的工程施工提供參考。

1 工程概況

西格二線關(guān)角隧道為2座平行單線隧道，全長32.645 km，是國內(nèi)最長的鐵路隧道，也是世界最長的高原鐵路隧道，全線共設(shè)置10座斜井，斜井總長15.32 km[6]。該隧道為富水隧道，單座斜井日最高涌水量為30 000 m3，曾導(dǎo)致部分斜井多次淹井，累計(jì)停工時(shí)間達(dá)359 d，給施工單位造成了巨大財(cái)產(chǎn)損失，并嚴(yán)重拖延了工期。其中，斜井反坡排水是最主要的難題[7]。

5#斜井總長為1 945.68 m，井口至井底高差為195.08 m，綜合坡度為10.08%，斜井穿過正洞Ⅰ線經(jīng)由橫通道與正洞Ⅱ線相交。斜井平面布置見圖1。斜井及正洞主要為三疊系及二疊系砂巖、灰?guī)r和變質(zhì)砂巖，圍巖級(jí)別為Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)。灰?guī)r中有古巖溶發(fā)育，富水性好，屬于中等富水區(qū)[8]。

圖1 斜井平面布置圖

2 排水方案

2.1 涌水量計(jì)算

根據(jù)關(guān)角隧道的設(shè)計(jì)文件，斜井設(shè)計(jì)正常涌水量為5 029.9 m3/d，可能最大涌水量為12 071.8 m3/d；正洞設(shè)計(jì)正常涌水量Ⅰ線為3 m3/(d·m)，Ⅱ線為1.81 m3/(d·m)；可能最大涌水量Ⅰ線為7.19 m3/(d·m)，Ⅱ線為4.34 m3/(d·m)。

5#斜井負(fù)責(zé)Ⅰ線DK292+492～DK294+700和Ⅱ線DYK292+180～DYK294+675里程段施工，施工中采用雙向四工作面同時(shí)掘進(jìn)。根據(jù)鐵建設(shè)[2008]160號(hào)文件要求，鐵路隧道二次襯砌距掌子面最大安全步距為200 m，超過此步距則需施作防水層及混凝土二次襯砌，因此正洞內(nèi)最大涌水段長度為每個(gè)工作面200 m，共計(jì)800 m。本工程中正常總涌水量為：

3 m3/(d·m)×200 m×2+1.81 m3/(d·m)×200 m×2+5 029.9 m3/d=6 953.9 m3/d。

最大總涌水量為：

7.19 m3/(d·m)×200 m×2+4.34 m3/(d·m)×200 m×2+12 071.8 m3/d=16 683.8 m3/d。

2.2 排水設(shè)備選型研究

根據(jù)《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》第10.2條規(guī)定，工作泵和排水管的能力，應(yīng)能在20 h內(nèi)排出24 h的隧道設(shè)計(jì)涌水量；工作和備用水泵的總能力應(yīng)能在20 h內(nèi)排出24 h的隧道最大涌水量。

因此，各級(jí)泵站的正常排水量為Q=6 953.9÷20=347.7 m3/h；最大排水量為Qmax=16 683.8÷20=834.19 m3/h。

換算單位后可求出設(shè)計(jì)正常流量為96.58 L/s，最大流量為231.72 L/s。

根據(jù)排水量計(jì)算結(jié)果，擬采用5臺(tái)格蘭富155 kW潛水泵，則每條管道最大流量為46.34 L/s，查直管損失表可知最小管徑為150 mm[9]?？紤]管道備用、維修等問題，選用200 mm管道，截面積A=0.031 4 m2。流速

v=q/A。

(1)

式中：q為流量；A為管道截面積。

求得最大流速為1.48 m/s，查表可知200 mm管道最大流速為2.69 m/s，符合要求[7]。

由于斜井高差較大，因此需采用多級(jí)泵站。根據(jù)155 kW水泵揚(yáng)程，暫定為5級(jí)泵站。泵站布置如圖2所示。

1#，2#泵站間管道長度為380 m，高差約38.09 m，其他泵站間管道長度為390 m，高差為39.1 m。

計(jì)算沿程水頭損失：

采用內(nèi)插值法查管路水頭損失估算表可知，最大流量時(shí)每100 m管長損失揚(yáng)程1.28 m，則1#，2#泵站間沿程水頭損失為380÷100×1.28=4.86 m；其他泵站間沿程水頭損失為390÷100×1.28=4.99 m。

計(jì)算局部水頭損失：

每個(gè)水泵需接3個(gè)90°彎頭，查表可知彎頭造成的水頭損失為200×12÷1 000÷100×1.28 m×3=0.09 m；逆止閥1個(gè)，揚(yáng)程損失為200×100÷1 000÷100×1.28=0.26 m。此外，1#，2#泵站間管道彎路造成的局部水頭損失，由公式：

hj=ζv2/(2g)；

(2)

ζ=0.946 sin2(θ/2)+2.05 sin4(θ/2)。

(3)

式中：hj為局部水頭損失；v為流速；ζ為局部水頭損失系數(shù)；g為重力加速度；θ為管道轉(zhuǎn)彎角度。

求得hj=0.02 m。

由于水泵揚(yáng)程=靜揚(yáng)程+沿程水頭損失+局部水頭損失，可求得：

1#，2#泵站間揚(yáng)程為38.09+4.86+0.09+0.26+0.02=43.32 m；其他泵站間揚(yáng)程為39.1+4.99+0.09+0.26=44.44 m。因此，單個(gè)水泵揚(yáng)程應(yīng)大于44.44 m，考慮到泵站位置可能隨現(xiàn)場實(shí)際情況有所調(diào)整，因此采用揚(yáng)程為50 m以上水泵。綜上數(shù)據(jù)，決定選擇格蘭富155 kW水泵,其排水量為170 m3/h。

圖2 泵站布置圖

3 自動(dòng)化水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

3.1 傳統(tǒng)泵站的缺點(diǎn)

在以往的隧道施工中，水泵的啟動(dòng)和停止通常由人工操作，每個(gè)泵站至少需要2人進(jìn)行24 h值班。由于人工操作并不可靠，容易造成集水池溢水和水泵干燒，當(dāng)需要根據(jù)涌水量同時(shí)啟動(dòng)多臺(tái)水泵時(shí)，更容易出現(xiàn)判斷失誤。

許多工程中采用液位繼電器使水泵具備簡單的自動(dòng)啟停功能，但這種方法只能用于小型泵站。在水泵數(shù)量多、功率大時(shí)，其缺點(diǎn)就非常明顯，表現(xiàn)為：

1)水泵無法輪換啟動(dòng)，導(dǎo)致部分水泵因長時(shí)間工作出現(xiàn)較大磨損，而其他水泵因長期閑置使元件銹蝕，2種情況均容易使水泵出現(xiàn)故障。

2)軟啟動(dòng)器無法輪換啟動(dòng)，如采用一拖一的方式，需要購買大量的軟啟動(dòng)器，而采用一拖多的方式，會(huì)造成軟啟動(dòng)器因頻繁啟動(dòng)而出現(xiàn)故障。

3)無警報(bào)功能，在液位繼電器、水泵出現(xiàn)故障或水位異常時(shí)不能及時(shí)采取處理措施，容易造成重大損失。

因此，在涌水量高、排水設(shè)備投資大的工程中，為了節(jié)約人力，減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，降低事故風(fēng)險(xiǎn)，可以考慮采用自動(dòng)化泵站設(shè)計(jì)。

3.2 自動(dòng)化設(shè)備選型

大功率的水泵直接啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)啟動(dòng)電流，對(duì)電機(jī)內(nèi)部和電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起其他設(shè)備的停機(jī)和故障[10]，此外水泵在直接停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的水錘效應(yīng)也較為明顯，對(duì)設(shè)備和管道的危害極大，采用軟啟動(dòng)器可以完美地解決以上問題。

每臺(tái)水泵單獨(dú)配備軟啟動(dòng)器成本過高，為降低成本，決定使用2臺(tái)容量為160 kW的軟啟動(dòng)器對(duì)水泵進(jìn)行二拖五啟停。軟啟動(dòng)器外接旁路接觸器，1臺(tái)水泵啟動(dòng)完成后接入旁路，然后再進(jìn)行第2臺(tái)水泵啟動(dòng)，軟停車與啟動(dòng)原理相同。

水泵及軟啟動(dòng)器價(jià)格昂貴，為了降低成本，在使用中要求2臺(tái)軟啟動(dòng)器及5臺(tái)水泵均能輪流啟動(dòng)，互為備用。因此，在本方案中使用1臺(tái)西門子PLC控制器來完成2臺(tái)軟啟動(dòng)器對(duì)5臺(tái)水泵的控制。

3.3 自動(dòng)化泵站運(yùn)行原理分析

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)有集水池水位、水泵溫度、排水管壓力、軟啟動(dòng)柜接觸器狀態(tài)、水泵開關(guān)狀態(tài)及水泵出水口壓力。

集水池水位高度采用超聲波液位傳感器采集[11]，并將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸入PLC，它是最重要的數(shù)據(jù)，用于判斷集水池儲(chǔ)水量和涌水速率。為提高傳感器的可靠性，應(yīng)采用2套傳感器，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)差值過大時(shí)及時(shí)安排人員進(jìn)行檢修；水泵溫度和排水管壓力、水泵出水口壓力采用溫度傳感器和壓力傳感器采集，用于判斷單個(gè)水泵工作狀態(tài)是否正常。

3.3.2 控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)水泵輪流啟動(dòng)的目的，5臺(tái)水泵均需并聯(lián)在軟啟動(dòng)器下，其主回路圖如圖3所示。

圖3 主回路圖

PLC系統(tǒng)主要由CPU、輸入模塊和輸出模塊組成，并可安裝觸控屏幕進(jìn)行人機(jī)交流。其基本原理是通過輸入模塊采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)過CPU運(yùn)算后，由輸出模塊向軟啟動(dòng)器發(fā)出啟動(dòng)和停止的指令，控制原理如圖4所示。

圖4 控制原理圖

根據(jù)圖5設(shè)置好的水位，系統(tǒng)運(yùn)行模式如下：

1)水位低于H1時(shí)，關(guān)閉水泵。

2)水位位于H1，H2之間時(shí)，開啟1臺(tái)水泵。

3)水位位于H2，H3之間時(shí)，開啟2臺(tái)水泵。

4)水位位于H3，H4之間時(shí)，開啟3臺(tái)水泵。

5)水位位于H4，H5之間時(shí)，開啟4臺(tái)水泵。

6)水位位于H5，H6之間時(shí)，開啟5臺(tái)水泵。

同時(shí)，當(dāng)水位高于H6時(shí)，發(fā)出警戒水位報(bào)警；當(dāng)水位低于H1但檢測(cè)到水泵無法全部關(guān)閉時(shí)，發(fā)出故障報(bào)警。

圖5 水位設(shè)定示意圖

依據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行模式，可繪制泵站的系統(tǒng)流程圖，如圖6所示。

圖6 排水系統(tǒng)流程圖

水泵并非按順序啟動(dòng)，為使水泵均衡使用，PLC需對(duì)水泵運(yùn)行次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以避免某臺(tái)水泵頻繁啟動(dòng)，同時(shí)對(duì)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，優(yōu)先啟動(dòng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的水泵[12]。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某臺(tái)水泵無法正常工作時(shí)，則該水泵退出工作循環(huán)，自動(dòng)切換至下一臺(tái)水泵，并發(fā)出檢修信號(hào)。

3.4 供電設(shè)備

各級(jí)泵站總功率即為水泵功率之和P=155 kW×5=775 kW，因此考慮選用容量為1 000 kVA的變壓器。洞內(nèi)主要用電設(shè)備功率見表1。

表1 主要用電設(shè)備一覽表Table 1 Main electrical equipment

共同用電最大負(fù)荷計(jì)算：

P=1.1(K1ΣP1+K2ΣP2)。

(4)

式中：K1為同時(shí)施工用具系數(shù)，取0.7；ΣP1為施工用具總功率；K2為洞內(nèi)照明同時(shí)工作系數(shù)，取0.8；ΣP2為洞內(nèi)照明總功率。

根據(jù)表1求和可知：ΣP1=8 477 kW，ΣP2=100 kW，帶入式(4)計(jì)算可知：

P=1.1(0.7×8 477+0.8×100)=6 615 kW。

斜井采用10 kV鎧裝電纜進(jìn)洞，其最大工作電流可按式(5)計(jì)算：

(5)

式中：I為最大工作電流；P為總功率；U為電纜電壓；cosφ為功率因數(shù)，取0.85。

代入數(shù)據(jù)后可得I=450 A。

查表可知銅芯電纜的經(jīng)濟(jì)電流密度為2 A/mm2，因此電纜最小截面積為450÷2=225 mm2。

查閱《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，截面積240 mm2的銅芯鎧裝電纜其允許載流量為378×1.29=487 A>450 A，滿足要求。但考慮用電設(shè)備還有可能增加，因此最終采用截面積不小于300 mm2電纜。

4 自動(dòng)化泵站系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析

設(shè)人工值守、傳統(tǒng)無人值守、新型無人值守分別為方案A，B，C，其設(shè)備數(shù)量及資金對(duì)比如表2所示。其中，人工工資按4年計(jì)算。

表2 新舊式泵站對(duì)比表Table 2 Comparison and contrast among different water pumping systems

由表2可知，與人工值守的泵站相比，新型的泵站可節(jié)約費(fèi)用150余萬元，其中，僅人工費(fèi)即相差144萬元。而傳統(tǒng)的無人值守泵站雖然也能節(jié)省人工費(fèi)，但其每個(gè)液位傳感器只能與1臺(tái)水泵形成獨(dú)立的系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵協(xié)同工作，因此僅適用于水量較小的斜井施工。

在涌水量較大的斜井，如關(guān)角隧道3#，4#斜井中，仍然采用人工值守的方法。3#斜井曾遭遇4次淹井，累計(jì)停工抽排水117 d；4#斜井遭遇2次淹井，累計(jì)停工抽排水242 d。

新型的泵站系統(tǒng)避免前二者的不足，既適用于大涌水量的斜井排水，又避免了人工值守容易出現(xiàn)的操作失誤對(duì)設(shè)備造成的損害，還可延長軟啟動(dòng)器和水泵壽命，節(jié)約了大量隱性支出，降低了工程成本。

5 結(jié)論與討論

關(guān)角隧道5#斜井自2007年開始施工，至今已進(jìn)行了6年，由于排水設(shè)備的選型和組合得當(dāng)，5#斜井從未發(fā)生過淹井事故，大大加快了施工進(jìn)度，縮短了工期。文章所述的無人值守排水方法，在工期長、投資大的隧道工程中，對(duì)成本和安全控制非常有利。

同時(shí)自動(dòng)排水技術(shù)尚存在一些難以解決的問題：

1)PLC控制器屬于電氣自動(dòng)化專業(yè)范疇，由于自動(dòng)排水系統(tǒng)的可靠性主要依賴于PLC，因此對(duì)其接地、抗干擾、布線方式等均有較高要求，需要廠家的專業(yè)工程師進(jìn)行安裝調(diào)試，而且一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，單次的維護(hù)費(fèi)用也較高。

2)為了提高系統(tǒng)可靠性，本工程中采取了冗余設(shè)計(jì)，使用了2套液位傳感器，并增設(shè)了壓力、溫度傳感器。增設(shè)傳感器會(huì)導(dǎo)致費(fèi)用的增加，因而在實(shí)際應(yīng)用中，可靠性與經(jīng)濟(jì)性的平衡較難掌握。

3)隧道涌水量的計(jì)算方法很多，但其精度都不高，難以應(yīng)用于施工實(shí)踐。而且多數(shù)方法均對(duì)水文地質(zhì)資料的積累程度有較高要求，對(duì)于施工單位較難實(shí)現(xiàn)。本工程中仍采用設(shè)計(jì)文件中的涌水量進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)際水量有一定的出入。

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AutomaticWaterPumpingTechnologyforInclinedShaftsCaseStudyonNo.5InclinedShaftofGuanjiaoTunnel

NIU Hongpei

(The2ndEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailway16thConstructionBureauLtd.,Tianjin300171,China)

Guanjiao tunnel is the longest railway tunnel in China.The water-rich section of the tunnel reaches 22.5 km long.Due to the serious water inflow,there is great difficulty in the construction of the tunnel.Proper water pumping equipment is selected for No.5 inclined shaft of Guanjiao and automatic water pumping is realized.In the paper,the principle of the automatic water pumping based on PLC controller and soft starter is presented,and comparison and contrast is made between the automatic water pumping system and the conventional water pumping system.It is concluded that the automatic water pumping system is superior to the conventional water pumping system in terms of economical efficiency and reliability.The automatic water pumping system has been successfully used in the construction of Guanjiao tunnel,and the construction cost has been reduced.

Guanjiao tunnel;water-rich;inclined shaft;water pumping;PLC;soft starter

2014-03-11;

2014-05-10

牛紅培(1987—)，男，河南安陽人，2009年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)從事隧道施工技術(shù)管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.013

U 45

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1672-741X(2014)08-0784-06