TBM掘進(jìn)隧洞施工期排水能力分析

房敦敏， 熊保鋒， 潘益斌

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 浙江 杭州 311122)

TBM掘進(jìn)隧洞施工期排水能力分析

房敦敏， 熊保鋒， 潘益斌

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 浙江 杭州 311122)

為準(zhǔn)確評(píng)估TBM掘進(jìn)隧洞支撐軌道所用的軌排對(duì)隧洞排水能力的影響，依托某引水發(fā)電隧洞工程，將解析法和數(shù)值法2種手段相結(jié)合用于排水能力的分析，數(shù)值法算得的綜合糙率代入解析公式，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在預(yù)報(bào)的涌水量條件下保證安全施工的泄流能力。該方法已在實(shí)際工程中應(yīng)用，施工期間發(fā)生的數(shù)次大涌水情況下的計(jì)算過(guò)流能力與實(shí)際過(guò)流能力較符合，證明了文章所述排水能力計(jì)算分析方法的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

隧洞； TBM； 排水能力； 軌排； 糙率

0 引言

TBM掘進(jìn)隧洞的施工期排水能力受軌排等因素影響較大，實(shí)際排水能力和理論計(jì)算排水能力往往相差較大，一旦發(fā)生瞬時(shí)大流量突涌水，極有可能導(dǎo)致施工暫停且易引發(fā)安全事故[1-2]； 因此，需要對(duì)隧洞的實(shí)際排水能力進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算分析，以便根據(jù)預(yù)測(cè)的最大突涌水量采取相應(yīng)的工程措施，避免突涌水狀況下TBM設(shè)備被淹受損，影響施工。

目前關(guān)于TBM掘進(jìn)隧洞遭遇大流量地下水的相關(guān)研究工作主要集中在超前探水[3-4]、超前堵水灌漿[5-6]、加強(qiáng)抽排[7]等方面。上述研究多是側(cè)重于突涌水應(yīng)對(duì)措施方面，尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于對(duì)設(shè)置有軌排的隧洞排水能力預(yù)測(cè)的公開(kāi)研究成果。如文獻(xiàn)[8]在那邦水電站TBM掘進(jìn)隧洞排水能力復(fù)核時(shí)，按照明渠均勻流進(jìn)行計(jì)算，未考慮軌排對(duì)排水能力的影響。

本文將解析法和數(shù)值法2種手段相結(jié)合，將數(shù)值法算得的綜合糙率(考慮軌排的影響)代入解析公式，可以預(yù)測(cè)隧洞不同涌水量下的水深或?qū)嶋H排水能力。隧洞實(shí)際排水能力同灌漿、抽排等具體工程措施相結(jié)合，可以科學(xué)合理地制定掘進(jìn)方案和突涌水處理方案。

1 工程概況

某引水發(fā)電工程隧洞洞線總長(zhǎng)約17 km，隧洞自末端往進(jìn)口方向12 km采用TBM掘進(jìn)，隧洞直徑4.5 m。隧洞沿線巖性較單一，為片麻巖，屬太古代變質(zhì)巖。隧洞一般埋深300～600 m，最大埋深900 m。工程區(qū)域降雨量較大，地下水位較高，開(kāi)挖過(guò)程中隧洞涌水量較大。

TBM掘進(jìn)隧洞常見(jiàn)的物資運(yùn)輸方式有無(wú)軌與有軌2種[9-10]?？紤]以下因素，本工程選擇有軌運(yùn)輸方式： 1)地下水發(fā)育，如采用無(wú)軌運(yùn)輸，地下水將帶來(lái)安全隱患，加大施工難度[11]；而有軌運(yùn)輸方式可利用軌道下部空間排水，對(duì)施工影響顯著減小。2)隧洞斷面有限，如采用無(wú)軌運(yùn)輸，隧洞弧度對(duì)行車影響較大，初估需1 m左右厚的墊渣，而墊渣影響施工期排水，使道路維護(hù)難度大，后期清理難度大。

綜合考慮上述因素，TBM后配套及材料軌道運(yùn)輸系統(tǒng)的軌排采用Ⅰ15型鋼拱架 (Ⅰ15拱架截面高度15 cm)，軌排排距約1.2 m，如圖1所示。

圖1 引水隧洞TBM軌排布置示意圖(單位： cm)

固定間距布置的軌排侵占了隧洞底部的排水?dāng)嗝?，且該工程隧洞直徑僅4.5 m，為保證TBM掘進(jìn)過(guò)程中不因排水能力的限制影響施工，需要對(duì)該工程隧洞預(yù)報(bào)涌水量的實(shí)際排水能力進(jìn)行計(jì)算分析。隧洞縱坡坡度主要有2.500%和0.311% 2種。坡度越緩，排水能力越差，即整條隧洞的排水能力受到坡度最緩段的控制； 因此，選用坡度為0.311%進(jìn)行排水能力的相關(guān)計(jì)算和分析。

由于無(wú)實(shí)測(cè)資料，無(wú)法準(zhǔn)確得到過(guò)水?dāng)嗝娴膶?shí)際綜合糙率，因此，需對(duì)糙率進(jìn)行敏感性分析。

綜合以上各種因素，首先，將隧洞底部排水簡(jiǎn)化為明渠均勻流[12-13]，進(jìn)行考慮軌排和不考慮軌排2種情況的過(guò)流能力解析法初步計(jì)算；其次，針對(duì)預(yù)測(cè)的最大涌水量進(jìn)行考慮軌排后不同糙率的敏感性分析，表明解析解可能與實(shí)際情況相差較大；再次，采用三維流場(chǎng)分析軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)的最大涌水量下、水位分別達(dá)到軌排橫向支撐底部和頂部時(shí)過(guò)流能力等工況的計(jì)算，進(jìn)而反算得到綜合糙率；最后，利用得到的綜合糙率通過(guò)解析法進(jìn)行過(guò)流能力的復(fù)核計(jì)算。

2 排水能力解析法初步試算

明渠均勻流公式：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：Q為流量，m3/s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；C為謝才系數(shù)，m1/2/s；R為水力半徑，m；i為底坡，量綱一的量；n為糙率，量綱一的量。

根據(jù)明渠均勻流公式，對(duì)坡度為0.311%洞段的排水能力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖時(shí)，巖面無(wú)襯砌，糙率n可取0.017?？紤]到糙率的不確定性,擬將糙率在0.013～0.023內(nèi)進(jìn)行分析。

由于軌排橫撐底部距洞底最大高度為0.41 m，水深在0.41～0.56 m時(shí)，流態(tài)復(fù)雜，采用解析法計(jì)算的精度將受到很大的影響； 因此，按照最大水深為0.41 m時(shí)，對(duì)考慮與不考慮軌排及不同糙率下的過(guò)流能力進(jìn)行計(jì)算，其中考慮軌排工況采用最小過(guò)流斷面進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1和圖2所示。

表1 水深為0.41 m時(shí)考慮與不考慮軌排及不同糙率下的排水能力

Table 1 Drainage capacity under different roughnesses with/without track skeleton (with water depth of 0.41 m)

糙率不考慮軌排流量/(m3/s)考慮軌排流量/(m3/s)考慮軌排后泄流能力降低比例/%0.0131.270.7243.300.0151.100.6243.600.0170.970.5543.300.0190.870.4943.700.0210.780.4542.300.0230.720.4143.10

圖2 水深為0.41 m時(shí)考慮與不考慮軌排及不同糙率下的排水能力曲線

Fig. 2 Curves of drainage capacity under different roughnesses with/without track skeleton (with water depth of 0.41 m)

由表1和圖2可以看出，軌排對(duì)排水能力的影響較大。其原因在于： 就軌排斷面本身而言，一方面軌排侵占了較大的過(guò)水?dāng)嗝?以0.41 m的水深為例，軌排侵占過(guò)水?dāng)嗝?5%)；另一方面由于軌排的存在，使得濕周較大幅度的增加(以0.41 m的水深為例，不考慮軌排濕周為2.76 m，考慮軌排濕周為4.24 m)，從而使過(guò)流能力受到較大影響。因此，在計(jì)算中必須考慮軌排對(duì)排水能力的影響。

根據(jù)地質(zhì)資料，引水隧洞TBM掘進(jìn)段預(yù)測(cè)最大涌水量在0.369～0.497 m3/s，因此選用流量分別為0.4 m3/s和0.5 m3/s進(jìn)行水深計(jì)算。為了進(jìn)一步考慮糙率敏感性的影響，分別進(jìn)行糙率在0.013～0.023內(nèi)的敏感性分析，計(jì)算結(jié)果如表2和圖3所示。

表2 預(yù)測(cè)最大涌水量下的運(yùn)行水深

Table 2 Running water depths under maximum predicted water gushing volume

糙率流量為0.4m3/s時(shí)的水深/m流量為0.5m3/s時(shí)的水深/m0.0130.3100.3400.0150.3250.3700.0170.3400.3900.0190.3550.4100.0210.3700.4300.0230.3900.450

圖3 不同涌水量下的水深

Fig. 3 Curves of running water depths under different water gushing volumes

由圖3可以看出： 若涌水量為0.4 m3/s，在糙率敏感性分析的范圍內(nèi)，最大水深不超過(guò)0.39 m；若涌水量為0.5 m3/s、糙率不大于0.019時(shí)，最大水深不超過(guò)0.41 m(即軌排橫撐底部)；若糙率大于0.019，則水深超過(guò)0.41 m，計(jì)算精度將受到較大影響。

3 綜合糙率三維數(shù)值反算

3.1 計(jì)算說(shuō)明

為驗(yàn)證理論公式計(jì)算成果，采用Fluent軟件進(jìn)行三維流場(chǎng)模擬分析，計(jì)算分析的工況、模型、邊界條件如表3—5及圖4所示。

表3 計(jì)算工況

表4 計(jì)算模型

表5 邊界條件

圖4 計(jì)算模型(工況1)

1)水體模型。考慮模型長(zhǎng)度方向的尺寸效應(yīng)，選取30 m洞段作為數(shù)值模擬洞段，兩端各延長(zhǎng)15 m作為平順?biāo)鏖L(zhǎng)度，模型總長(zhǎng)為60 m。

2)空氣模型。由于目前水深為推測(cè)水深，假設(shè)水面至隧洞中心平面均為空氣模型。

3.2 計(jì)算結(jié)果

Fluent軟件內(nèi)部函數(shù)定義： 水頭H=p總/9 810，m；坐標(biāo)原點(diǎn)位于模型中間，30 m模擬軌排洞段的進(jìn)口與出口斷面坐標(biāo)分別為y=-15 m和y=15 m；模擬洞段坡度為0.311%，則30 m洞段坡降為z=0.311%×30 m=0.093 m。

水頭損失為沿程損失與局部損失之和，目前初步估算沿程損失為坡降高程，局部損失為進(jìn)出口總水頭損失。水頭損失計(jì)算成果見(jiàn)表6。

表6 水頭損失

綜合糙率的計(jì)算公式為

(3)

式中： n為糙率，量綱一的量； hf為水頭損失，m； R為水力半徑，m； v為流速，m/s； L為長(zhǎng)度，m。

綜合糙率計(jì)算成果見(jiàn)表7。

表7 計(jì)算水深及綜合糙率

從表7可以看出： 出口水深在0～0.48 m時(shí)，綜合糙率取0.04；出口水深在0.48～0.92 m時(shí)，綜合糙率取0.07。上述成果與規(guī)范建議值相差較大，分析主要是由于軌排的存在不僅侵占了過(guò)流斷面，而且由于軌排形狀不規(guī)則，將過(guò)流斷面分割成數(shù)個(gè)小過(guò)流斷面，且當(dāng)水深淹沒(méi)軌排后流態(tài)復(fù)雜，對(duì)泄流能力影響較大。

4 排水能力綜合分析

三維流場(chǎng)針對(duì)2種工況下的計(jì)算成果如表7所示。其中： 工況1水深為0.59～0.48 m，此時(shí)水深位于軌排橫撐之間(即出口部位的水深淹沒(méi)軌排橫撐底部，但未淹沒(méi)橫撐頂部)，綜合糙率為0.04；工況2水深為1.0～0.92 m，此時(shí)水深完全淹沒(méi)軌排橫撐，綜合糙率為0.07。

由于三維流場(chǎng)并未計(jì)算水深為0.41 m以下(即水深低于軌排橫撐底部)的工況，此時(shí)的綜合糙率暫按照0.04考慮。即： 水深在0～0.56 m時(shí)，綜合糙率取0.04；水深在0.56～1.00 m時(shí)，綜合糙率取0.07。

將上述綜合糙率計(jì)算成果代入式(1)和式(2)，得到坡度為0.311%時(shí)不同水深下的過(guò)流能力計(jì)算成果，見(jiàn)表8和表9。水深-排水能力關(guān)系曲線如圖5所示。

根據(jù)上述計(jì)算成果： 水深達(dá)到軌排橫撐底部，即水深為0.41 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的排水能力為0.23 m3/s；水深為0.56 m、恰好完全淹沒(méi)軌排橫撐時(shí)，排水能力為 0.44 m3/s。

表8 不同水深下的排水能力(水深0.56 m以下，綜合糙率0.04)

Table 8 Drainage capacities under different water depths (with water depth under 0.56 m and comprehensive roughness of 0.04)

水深/m排水能力/(m3/s)0.10.010.20.050.30.120.40.220.410.23

表9 不同水深下的排水能力(水深0.56 m以上，綜合糙率0.07)

Table 9 Drainage capacities under different water depths (with water depth above 0.56 m and comprehensive roughness of 0.07)

水深/m排水能力/(m3/s)0.50.350.560.440.60.520.70.720.80.94

圖5 水深-排水能力關(guān)系曲線

根據(jù)前期地質(zhì)勘探資料分析，本隧洞預(yù)測(cè)最大涌水量為0.497 m3/s，由表9和圖5可知，此時(shí)最大水深不到0.6 m，不會(huì)影響有軌運(yùn)輸機(jī)車通行。

5 結(jié)論與討論

對(duì)于施工期設(shè)有軌排的隧洞工程的排水能力，通過(guò)解析法與數(shù)值法相結(jié)合的方法，將數(shù)值法算得的綜合糙率代入解析公式，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定縱坡隧洞不同水深下的排水量，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。研究成果表明，軌排對(duì)本工程TBM施工隧洞排水能力影響較大。水深在軌排橫撐以下(0.41 m)和以上(0.41～1.00 m)的綜合糙率分別達(dá)到0.04和0.07，較開(kāi)挖巖面綜合糙率0.017顯著加大。

本文所述工程TBM掘進(jìn)期間，采用上述方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了隧洞實(shí)際排水能力，結(jié)合超前探水手段，對(duì)不同洞段可能出現(xiàn)的不同涌水狀況采用直排、加強(qiáng)抽排、底部堆渣清理等處理措施，未發(fā)生設(shè)備被淹及受損情況。如本工程TBM掘進(jìn)至引水隧洞15+640樁號(hào)左右時(shí)，基于前期地質(zhì)工作宏觀判斷已進(jìn)入出水帶，根據(jù)預(yù)測(cè)的最大涌水量及實(shí)際排水能力制定了掘進(jìn)方案及排水方案，順利地通過(guò)了實(shí)測(cè)最大涌水量達(dá)604 L/s的出水帶。

對(duì)于TBM施工設(shè)置軌排的隧洞工程，由于不同水深對(duì)應(yīng)的綜合糙率是不同的，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步將綜合糙率的計(jì)算細(xì)化、分段化，使排水能力的計(jì)算更為精確。

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Analysis of Drainage Capacity of Tunnel Bored by TBM during Construction Period

FANG Dunmin, XIONG Baofeng, PAN Yibin

(HuadongEngineeringCorporationLimited,PowerChina,Hangzhou311122,Zhejiang,China)

The influence of track skeleton for track support of TBM tunneling on drainage capacity of a diversion power tunnel is estimated by analytical method and numerical method. The drainage capacity needed, which can guarantee the safe tunnel construction under different water gushing volumes, can be predicted by putting the comprehensive roughness gained from the numerical method into the analytical formula. The above-mentioned method has been applied to practice. The results show that the calculated drainage capacity coincides with actual one well so as to prove the accuracy and practicability of the method.

tunnel; TBM; drainage capacity; track skeleton; roughness

2016-11-11;

2017-04-25

房敦敏(1981—)，男，山東青島人，2007年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，隧道及地下工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事水工隧道及地下工程設(shè)計(jì)工作。E-mail： fang_dm@ecidi.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.010

U 453.6

A

1672-741X(2017)08-0980-05