深埋長(zhǎng)隧洞突發(fā)涌水時(shí)分流多級(jí)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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(diǎn)工程，于2011年正式開工建設(shè)。由于其幾乎遍及山西各個(gè)縣市，工程戰(zhàn)線長(zhǎng)，隧洞數(shù)量多，地質(zhì)條件復(fù)雜，最大單洞長(zhǎng)度達(dá)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(diǎn)，在設(shè)計(jì)之初即引入了4臺(tái)全斷面TBM完成總計(jì)約89km的施工任務(wù)，取得了較好的效果，尤其是TBM1標(biāo)單月完成掘進(jìn)1411m，單年度完成掘進(jìn)10.6km[1]。但與此同時(shí)，由于隧洞距離長(zhǎng)、埋深大、空間小，突涌水點(diǎn)多、量大、預(yù)測(cè)難度高，從而對(duì)施工排水系統(tǒng)建設(shè)提出了極高的要求，特別是當(dāng)隧洞為順坡掘進(jìn)、反坡排水時(shí)，存在較大的淹機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

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(yàn)[2]，提出采用分流多級(jí)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(biāo)反坡施工排水的問題，為其他類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)。

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(biāo)穿越黑茶山自然保護(hù)區(qū)，最大埋深610m，進(jìn)洞支洞長(zhǎng)5.30km，坡度3.86%，主洞長(zhǎng)度21km(總77+020～總98+070)，坡度0.04%[3]。進(jìn)洞支洞和主洞為TBM掘進(jìn)，采用一臺(tái)φ5.06m雙護(hù)盾TBM獨(dú)頭掘進(jìn)，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(jìn)洞支洞1條φ300、φ200串聯(lián)管路構(gòu)成，經(jīng)實(shí)測(cè)可實(shí)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(jìn)，期間先后遭遇多次突涌水情況。2017年4月29日，掘進(jìn)至樁號(hào)總90+990處時(shí)，最大瞬時(shí)流量約140m3/h；2017年8月5日，掘進(jìn)至樁號(hào)總91+867處時(shí)，最大瞬時(shí)流量約420m3/h；2017年9月21日，掘進(jìn)至樁號(hào)總91+886處時(shí)，最大瞬時(shí)流量達(dá)1187m3/h，持續(xù)時(shí)間短。由于第一次突涌水量未超過排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)排水量，而后兩次雖瞬時(shí)涌水量超過設(shè)計(jì)排水量，但持續(xù)時(shí)間均很短，采用洞身儲(chǔ)水方案即可應(yīng)對(duì)，對(duì)施工未造成較大影響。

2018年3月6日，掘進(jìn)至樁號(hào)總94+323處時(shí)，突涌水瞬時(shí)流量達(dá)1102m3/h，且涌水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，雖后來涌水流量有所下降，但多日平均估算涌水量仍達(dá)到600m3/h，遠(yuǎn)超隧道設(shè)計(jì)排水能力，造成TBM設(shè)備被淹。鑒于以上情況，需對(duì)TBM排水系統(tǒng)進(jìn)行重新研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及涌水量預(yù)測(cè)

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為進(jìn)一步預(yù)測(cè)掌子面前方的地層含水情況，分別采用震波超前探測(cè)技術(shù)和瞬變電磁探測(cè)技術(shù)對(duì)樁號(hào)總94+323處掘進(jìn)迎頭進(jìn)行超前探測(cè)，劃分出重點(diǎn)防治范圍。

震波探測(cè)是在掌子面正前方中心點(diǎn)布置一條水平測(cè)線，探測(cè)正前方100m范圍內(nèi)情況，測(cè)線上布置12個(gè)錘擊點(diǎn)，每個(gè)錘擊點(diǎn)為3道數(shù)據(jù)，共計(jì)36道。因本次探測(cè)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(cè)：掘進(jìn)前方20m是探測(cè)盲區(qū)，Ⅰ號(hào)異常區(qū)位于掘進(jìn)前方18～32m，Ⅱ號(hào)反射界面位于掘進(jìn)前方45m左右，Ⅲ號(hào)異常區(qū)位于掘進(jìn)前方65～78m范圍；分析認(rèn)為Ⅰ號(hào)異常區(qū)、Ⅱ號(hào)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(qiáng)反射所致；Ⅲ號(hào)異常區(qū)為巖層界面或局部節(jié)理裂隙發(fā)育形成較強(qiáng)反射所致；以上異常區(qū)均位于掘進(jìn)正前方，應(yīng)予以重視并鉆探進(jìn)一步驗(yàn)證。

瞬變電磁探測(cè)盲區(qū)約為20m，瞬變電磁技術(shù)超前探測(cè)是以掘進(jìn)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)0°平面，分別朝上45°、上30°、掘進(jìn)0°、下30°、下45°五個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)，合計(jì)5個(gè)斷面，每個(gè)斷面測(cè)13個(gè)物理點(diǎn)；再以掘進(jìn)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)0°立面，對(duì)掘進(jìn)0°方向進(jìn)行剖面探測(cè)，共計(jì)6個(gè)斷面78個(gè)物理數(shù)據(jù)點(diǎn)。測(cè)得前方0～80m，偏左30m～偏右70m范圍為低阻異常區(qū)域，分析認(rèn)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(cè)

工程線路涉及天橋泉域和柳林泉域，泉域分水嶺約在樁號(hào)總94+700的黑茶山一帶，在樁號(hào)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(shí)存在涌水可能。根據(jù)人工源大地電磁法物探勘察，預(yù)測(cè)樁號(hào)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(rèn)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(dāng)洞頂以上變質(zhì)巖厚度小時(shí)，洞內(nèi)可能遇到一定數(shù)量裂隙地下水；當(dāng)洞段斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育時(shí)，洞內(nèi)可能有涌水，推測(cè)斷層位于樁號(hào)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(jì)算公式對(duì)可能受地下水影響洞段涌水量進(jìn)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(jì)

4.1 設(shè)計(jì)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(jì)總排水能力,m3/h；

qmax——隧道最大涌水量,m3/h。

計(jì)算得，隧洞的設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)規(guī)范》(GB 50013—2018)[5]并參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)[6]，當(dāng)出水管直徑在0.25～1m時(shí)，正常排水管道的經(jīng)濟(jì)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(jì)算見式(2)。

(2)

式中dp——試算排水管徑,m；

q——管路設(shè)計(jì)排水流量,m3/s；

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

計(jì)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(jí)階梯排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，永久階梯泵站分別位于樁號(hào)總97+835及總87+412處，當(dāng)掘進(jìn)里程未到達(dá)總97+835之前，在TBM臺(tái)車上設(shè)移動(dòng)水箱，以滿足取水要求。根據(jù)設(shè)計(jì)排水流量，擬初選配置一臺(tái)MD680-56×5離心泵，額定流量680m3/h，揚(yáng)程280m，功率710kW，現(xiàn)需對(duì)主要設(shè)備參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。

4.3.1 揚(yáng)程驗(yàn)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(yáng)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(jī)加力站和錯(cuò)車平臺(tái)處時(shí)各設(shè)乙字彎頭2個(gè)，泵站間設(shè)檢修閥門10個(gè)，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(jì)算，見式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中Re——雷諾數(shù)；

v——管道設(shè)計(jì)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(duì)于10℃的水來說，μ取為1.308。

計(jì)算得，Re=612774。

對(duì)于該應(yīng)急排水管路，可判斷處于紊流狀態(tài)。

對(duì)于圓管滿流，一般采用達(dá)西公式進(jìn)行沿程水頭損失計(jì)算，見式(6)：

(6)

式中λ——沿程阻力系數(shù)；

L——泵站區(qū)間管道長(zhǎng)度,m；

g——重力加速度，取為9.80m/s2。

對(duì)于沿程阻力系數(shù)λ的選取，在工程實(shí)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(jì)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(duì)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(jì)算精度最高的公式之一，對(duì)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(jì)算沿程阻力系數(shù)，由海曾-威廉公式計(jì)算得λ=0.0172，由柯爾勃洛克-懷特公式計(jì)算得λ=0.0173，計(jì)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(jī)加力站和錯(cuò)車平臺(tái)處時(shí)各設(shè)的2個(gè)乙字彎頭及泵站間10個(gè)檢修閥門的影響，按沿程水頭損失的10%予以計(jì)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(yáng)程，故水泵揚(yáng)程滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3.2 功率驗(yàn)算

根據(jù)式(9)進(jìn)行功率驗(yàn)算:

(9)

式中N——水泵功率,W；

K——考慮傳動(dòng)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(jì)算得，水泵功率為693kW。因此，水泵電機(jī)功率經(jīng)驗(yàn)算滿足使用要求。

5 系統(tǒng)運(yùn)行控制

通過排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(dá)到980m3/h的隧洞設(shè)計(jì)排水能力。但是在實(shí)際掘進(jìn)過程中并不需要始終保持最大排水能力運(yùn)行，需要對(duì)整體排水系統(tǒng)進(jìn)行分流量控制，從而保持系統(tǒng)始終在經(jīng)濟(jì)合理范圍內(nèi)運(yùn)行。

5.1 水泵單體控制

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

變頻器根據(jù)隧洞環(huán)境特點(diǎn)須滿足如下技術(shù)要求：變頻器防護(hù)等級(jí)IP54；根據(jù)電機(jī)區(qū)間溫度來控制電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)啟停及電機(jī)自動(dòng)加熱啟停；液位傳感器滿足啟停電機(jī)要求，電機(jī)赫茲區(qū)間為0～50Hz并手動(dòng)/自動(dòng)控制；變頻器設(shè)置為全封閉式，采用空調(diào)對(duì)變頻器冷卻；變頻器有就地/遠(yuǎn)程控制功能；變頻器含控制面板，面板顯示有電機(jī)溫度、電機(jī)實(shí)時(shí)功率、電機(jī)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(gè)部分：

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

b.第二部分：TBM機(jī)尾移動(dòng)水箱至主支洞交叉段在各泵站配置了1臺(tái)MD680-56×5和2臺(tái)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(tái)YDII360-74×6和2臺(tái)YD360-75×6水泵并聯(lián)運(yùn)行排水；2條φ150管路通過2臺(tái)MD155-30×6水泵進(jìn)行兩級(jí)接力排水。

當(dāng)掌子面涌水量小于300m3/h時(shí)，伸縮盾取水進(jìn)入1號(hào)、2號(hào)移動(dòng)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(dāng)涌水量300～680m3/h時(shí)，伸縮盾取水選擇進(jìn)入3號(hào)移動(dòng)水箱，啟用DN300排水管路機(jī)泵進(jìn)行排水(變頻)；當(dāng)排水量為680～980m3/h時(shí)，伸縮盾取水進(jìn)入1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)移動(dòng)水箱，同時(shí)開啟DN300排水管路機(jī)泵和2條DN150排水管路機(jī)泵中的1條或2條排水管路進(jìn)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(cè)與防治是深埋長(zhǎng)隧洞TBM施工的關(guān)鍵問題之一，如果處理不好將會(huì)造成淹機(jī)等重大損失。在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)水文地質(zhì)探測(cè)工作，合理預(yù)測(cè)涌水量，在施工中應(yīng)首先采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及注漿、回填灌漿與封閉、預(yù)留泄水孔等方法進(jìn)行涌水防治及組織，從而保證TBM的持續(xù)順利掘進(jìn)；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(jì)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(duì)排水管路、設(shè)備選型、調(diào)度運(yùn)行等方面的設(shè)計(jì)研究，提出了采用分流、多級(jí)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(yàn)。