田志斌

(山西省中部引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030002)

山西大水網(wǎng)工程是全國“江河湖庫水系連通”試點工程，于2011年正式開工建設(shè)。由于其幾乎遍及山西各個縣市，工程戰(zhàn)線長，隧洞數(shù)量多，地質(zhì)條件復(fù)雜，最大單洞長度達241km，為世界之最，平均隧洞埋深超過300m，施工難度極大。根據(jù)工程特點，在設(shè)計之初即引入了4臺全斷面TBM完成總計約89km的施工任務(wù)，取得了較好的效果，尤其是TBM1標單月完成掘進1411m，單年度完成掘進10.6km[1]。但與此同時，由于隧洞距離長、埋深大、空間小，突涌水點多、量大、預(yù)測難度高，從而對施工排水系統(tǒng)建設(shè)提出了極高的要求，特別是當隧洞為順坡掘進、反坡排水時，存在較大的淹機風(fēng)險。

本文結(jié)合煤礦、鐵路等隧洞施工的排水系統(tǒng)布置經(jīng)驗[2]，提出采用分流多級排水系統(tǒng)，將大功率水泵應(yīng)急排水與小功率水泵日常排水相結(jié)合，從而有效解決了TBM1標反坡施工排水的問題，為其他類似工程提供了經(jīng)驗。

1 工程概況

中部引黃工程是山西大水網(wǎng)建設(shè)的重要骨干工程之一，其中TBM1標穿越黑茶山自然保護區(qū)，最大埋深610m，進洞支洞長5.30km，坡度3.86%，主洞長度21km(總77+020～總98+070)，坡度0.04%[3]。進洞支洞和主洞為TBM掘進，采用一臺φ5.06m雙護盾TBM獨頭掘進，施工斷面為圓形，成型管片內(nèi)徑4.30m。工程前期反坡排水系統(tǒng)由主洞2條φ150鍍鋅鋼管及進洞支洞1條φ300、φ200串聯(lián)管路構(gòu)成，經(jīng)實測可實現(xiàn)300m3/h的排水能力。

2 事故發(fā)生情況

工程自2015年正式始發(fā)掘進，期間先后遭遇多次突涌水情況。2017年4月29日，掘進至樁號總90+990處時，最大瞬時流量約140m3/h；2017年8月5日，掘進至樁號總91+867處時，最大瞬時流量約420m3/h；2017年9月21日，掘進至樁號總91+886處時，最大瞬時流量達1187m3/h，持續(xù)時間短。由于第一次突涌水量未超過排水系統(tǒng)設(shè)計排水量，而后兩次雖瞬時涌水量超過設(shè)計排水量，但持續(xù)時間均很短，采用洞身儲水方案即可應(yīng)對，對施工未造成較大影響。

2018年3月6日，掘進至樁號總94+323處時，突涌水瞬時流量達1102m3/h，且涌水持續(xù)時間長，雖后來涌水流量有所下降，但多日平均估算涌水量仍達到600m3/h，遠超隧道設(shè)計排水能力，造成TBM設(shè)備被淹。鑒于以上情況，需對TBM排水系統(tǒng)進行重新研究與優(yōu)化設(shè)計。

3 超前地質(zhì)預(yù)報及涌水量預(yù)測

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

為進一步預(yù)測掌子面前方的地層含水情況，分別采用震波超前探測技術(shù)和瞬變電磁探測技術(shù)對樁號總94+323處掘進迎頭進行超前探測，劃分出重點防治范圍。

震波探測是在掌子面正前方中心點布置一條水平測線，探測正前方100m范圍內(nèi)情況，測線上布置12個錘擊點，每個錘擊點為3道數(shù)據(jù)，共計36道。因本次探測范圍巖層裂隙較發(fā)育，石墨透閃石大理巖波速采用波速4000m/s，據(jù)震波探測：掘進前方20m是探測盲區(qū)，Ⅰ號異常區(qū)位于掘進前方18～32m，Ⅱ號反射界面位于掘進前方45m左右，Ⅲ號異常區(qū)位于掘進前方65～78m范圍；分析認為Ⅰ號異常區(qū)、Ⅱ號反射界面為大理巖巖層界面或局部節(jié)理裂隙發(fā)育形成較強反射所致；Ⅲ號異常區(qū)為巖層界面或局部節(jié)理裂隙發(fā)育形成較強反射所致；以上異常區(qū)均位于掘進正前方，應(yīng)予以重視并鉆探進一步驗證。

瞬變電磁探測盲區(qū)約為20m，瞬變電磁技術(shù)超前探測是以掘進方向為基準0°平面，分別朝上45°、上30°、掘進0°、下30°、下45°五個方向進行探測，合計5個斷面，每個斷面測13個物理點；再以掘進方向為基準0°立面，對掘進0°方向進行剖面探測，共計6個斷面78個物理數(shù)據(jù)點。測得前方0～80m，偏左30m～偏右70m范圍為低阻異常區(qū)域，分析認為受巖層界面或節(jié)理裂隙發(fā)育影響，局部有溶洞發(fā)育可能，有涌水可能。

3.2 涌水量預(yù)測

工程線路涉及天橋泉域和柳林泉域，泉域分水嶺約在樁號總94+700的黑茶山一帶，在樁號總86+850以后，隧洞多位于地下水位以下，地下水位高于洞頂最大約350m，隧洞施工時存在涌水可能。根據(jù)人工源大地電磁法物探勘察，預(yù)測樁號總92+374～總97+228段變質(zhì)巖類裂隙水位于洞頂以上，地下水位高于洞頂130～350m，該地段隧洞穿過變質(zhì)巖，變質(zhì)巖以上多分布碳酸鹽巖地層，分析認為洞身地下水狀況與洞頂以上變質(zhì)巖厚度及構(gòu)造相關(guān)：當洞頂以上變質(zhì)巖厚度小時，洞內(nèi)可能遇到一定數(shù)量裂隙地下水；當洞段斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育時，洞內(nèi)可能有涌水，推測斷層位于樁號總 94+800處。

根據(jù)隧洞沿線水文地質(zhì)條件，分別采用潛水完整式水平坑道公式、潛水非完整式水平坑道公式和斷裂帶集中涌水計算公式對可能受地下水影響洞段涌水量進行估算，結(jié)果見表1。

表1 分段涌水量估算

4 排水系統(tǒng)設(shè)計

4.1 設(shè)計排水量確定

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求工作水泵的排水能力應(yīng)滿足在20h內(nèi)排出隧洞24h的正常涌水量[4]。根據(jù)表1可知，隧洞在總95+350～總97+228段估算涌水量最大，為816m3/h，因此，考慮最大涌水情況下的隧洞排水能力見式(1)：

(1)

式中Q——隧洞的設(shè)計總排水能力,m3/h；

qmax——隧道最大涌水量,m3/h。

計算得，隧洞的設(shè)計總排水能力為980m3/h。

4.2 排水管徑選擇

結(jié)合已有300m3/h的排水系統(tǒng)，為實現(xiàn)最大涌水條件下的隧洞應(yīng)急排水，還需增加排水能力680m3/h，考慮隧道空間限制，擬布置單趟管路以滿足上述條件。根據(jù)《室外給水設(shè)計規(guī)范》(GB 50013—2018)[5]并參考相關(guān)工程經(jīng)驗[6]，當出水管直徑在0.25～1m時，正常排水管道的經(jīng)濟流速為2～2.50m/s，應(yīng)急排水管道流速應(yīng)為3～3.50m/s。排水管徑計算見式(2)。

(2)

式中dp——試算排水管徑,m；

q——管路設(shè)計排水流量,m3/s；

vp——經(jīng)濟流速,m/s，從經(jīng)濟可靠的角度出發(fā)，本工程取為3m/s。

計算得，dp=0.28m，因此該應(yīng)急排水管路采用鍍鋅鋼管，直徑取為0.30m。

4.3 水泵選型

應(yīng)急排水管路按兩級階梯排水系統(tǒng)設(shè)計，永久階梯泵站分別位于樁號總97+835及總87+412處，當掘進里程未到達總97+835之前，在TBM臺車上設(shè)移動水箱，以滿足取水要求。根據(jù)設(shè)計排水流量，擬初選配置一臺MD680-56×5離心泵，額定流量680m3/h，揚程280m，功率710kW，現(xiàn)需對主要設(shè)備參數(shù)進行驗算。

4.3.1 揚程驗算

排水泵站水頭損失主要由排水高差h1、沿程水頭損失h2及局部水頭損失h3三部分組成，水泵揚程H需滿足式(3)要求：

H≥h1+h2+h3

(3)

在管道系統(tǒng)中，局部水頭損失只占沿程水頭損失的10%以下，尤其是在本工程中，管線基本為直線布置，洞線坡度小，且僅在通過連續(xù)皮帶機加力站和錯車平臺處時各設(shè)乙字彎頭2個，泵站間設(shè)檢修閥門10個，因此排水高差及局部水頭損失均很小，主要需考慮沿程水頭損失的計算，見式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中Re——雷諾數(shù)；

v——管道設(shè)計流速,m3/s；

ρ——管道流體密度,kg/m3；

D——管道直徑,m；

μ——管道流體黏度系數(shù)，對于10℃的水來說，μ取為1.308。

計算得，Re=612774。

對于該應(yīng)急排水管路，可判斷處于紊流狀態(tài)。

對于圓管滿流，一般采用達西公式進行沿程水頭損失計算，見式(6)：

(6)

式中λ——沿程阻力系數(shù)；

L——泵站區(qū)間管道長度,m；

g——重力加速度，取為9.80m/s2。

對于沿程阻力系數(shù)λ的選取，在工程實踐中一般采用柯爾勃洛克-齊恩公式、海曾-威廉公式、柯爾勃洛克-懷特公式、謝維列夫新鋼管公式等，其中《室外給水設(shè)計規(guī)范》(GB 50013—2018)[5]推薦采用海曾-威廉公式，見式(7)：

(7)

式中Cw——海曾-威廉粗糙系數(shù)，對于新鑄鐵管、涂瀝青或水泥的鑄鐵管，可取為130。

而柯爾勃洛克-懷特公式適用于各種紊流流態(tài)，是適用性最廣、計算精度最高的公式之一，對于紊流區(qū)鋼管及其他光滑管道：

(8)

式中k——管道等效均勻粗糙度，鋼管取0.0001～0.0002m。

本文根據(jù)以上公式分別計算沿程阻力系數(shù)，由海曾-威廉公式計算得λ=0.0172，由柯爾勃洛克-懷特公式計算得λ=0.0173，計算結(jié)果幾乎相同，因此沿程水頭損失為218m。

局部水頭損失考慮管道通過連續(xù)皮帶機加力站和錯車平臺處時各設(shè)的2個乙字彎頭及泵站間10個檢修閥門的影響，按沿程水頭損失的10%予以計算，可得局部水頭損失為21.8m。

排水高差為泵站間距離與隧洞縱坡的乘積，則h1=0.04%L=4.2m。因此，排水泵站水頭總損失為244m，小于水泵揚程，故水泵揚程滿足設(shè)計要求。

4.3.2 功率驗算

根據(jù)式(9)進行功率驗算:

(9)

式中N——水泵功率,W；

K——考慮傳動效率損失的安全系數(shù)，一般取1.1～1.2；

η——水泵效率，一般高壓離心泵為0.6～0.85。

計算得，水泵功率為693kW。因此，水泵電機功率經(jīng)驗算滿足使用要求。

5 系統(tǒng)運行控制

通過排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，在主洞內(nèi)新增了一條φ300的應(yīng)急排水管路，輔助原系統(tǒng)中的兩條φ150排水管路，可以達到980m3/h的隧洞設(shè)計排水能力。但是在實際掘進過程中并不需要始終保持最大排水能力運行，需要對整體排水系統(tǒng)進行分流量控制，從而保持系統(tǒng)始終在經(jīng)濟合理范圍內(nèi)運行。

5.1 水泵單體控制

為在實際運行中能夠根據(jù)不同涌水量進行排水流量調(diào)節(jié)，需選擇690V800kW變頻器進行變頻使用。

變頻器根據(jù)隧洞環(huán)境特點須滿足如下技術(shù)要求：變頻器防護等級IP54；根據(jù)電機區(qū)間溫度來控制電機冷卻風(fēng)機啟停及電機自動加熱啟停；液位傳感器滿足啟停電機要求，電機赫茲區(qū)間為0～50Hz并手動/自動控制；變頻器設(shè)置為全封閉式，采用空調(diào)對變頻器冷卻；變頻器有就地/遠程控制功能；變頻器含控制面板，面板顯示有電機溫度、電機實時功率、電機轉(zhuǎn)速、電流、泵出口水壓力(隔膜數(shù)顯壓力表)及流量。

5.2 排水系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度

經(jīng)優(yōu)化后的排水系統(tǒng)沿洞線共分三個部分：

a.第一部分：TBM伸縮盾/連接橋至TBM機尾移動水箱(1號、2號、3號)配置了3臺468m3/h潛水泵，分別通過一條φ300和一條φ200的鋼絲軟管進行掌子面取水。

b.第二部分：TBM機尾移動水箱至主支洞交叉段在各泵站配置了1臺MD680-56×5和2臺YDII155-67×4水泵分別向φ300的應(yīng)急排水管路和2條φ150排水管路供水。

c.第三部分：主支洞交叉段至洞外配置了2條φ300和2條φ150排水管路，其中2條φ300管路通過1臺YDII360-74×6和2臺YD360-75×6水泵并聯(lián)運行排水；2條φ150管路通過2臺MD155-30×6水泵進行兩級接力排水。

當掌子面涌水量小于300m3/h時，伸縮盾取水進入1號、2號移動水箱，由主洞原配置的2條DN150排水管路排出水量0～300m3/h(變頻)；當涌水量300～680m3/h時，伸縮盾取水選擇進入3號移動水箱，啟用DN300排水管路機泵進行排水(變頻)；當排水量為680～980m3/h時，伸縮盾取水進入1號、2號、3號移動水箱，同時開啟DN300排水管路機泵和2條DN150排水管路機泵中的1條或2條排水管路進行聯(lián)合變頻排水，具體管路布置見圖1。

圖1 排水系統(tǒng)布置

6 結(jié) 語

隧洞突涌水預(yù)測與防治是深埋長隧洞TBM施工的關(guān)鍵問題之一，如果處理不好將會造成淹機等重大損失。在工程設(shè)計時應(yīng)加強水文地質(zhì)探測工作，合理預(yù)測涌水量，在施工中應(yīng)首先采取超前地質(zhì)預(yù)報及注漿、回填灌漿與封閉、預(yù)留泄水孔等方法進行涌水防治及組織，從而保證TBM的持續(xù)順利掘進；隧洞排水是治理隧洞突涌水的最后一道防線，應(yīng)設(shè)置滿足設(shè)計要求排水能力的排水系統(tǒng)，并預(yù)留一定量的應(yīng)急排水能力，本文通過對排水管路、設(shè)備選型、調(diào)度運行等方面的設(shè)計研究，提出了采用分流、多級反坡排水系統(tǒng)，可有效解決TBM施工中不同流量條件下的排水問題，可為類似工程提供經(jīng)驗。