综合排水系统在大坡度、长距离TBM掘进中的应用

摘要：在大坡比TBM顺坡掘进过程中，隧洞涌水及TBM施工废水对施工影响较平洞TBM隧洞开挖的危害更为显著。本文通过对新疆某项目水文地质资料分析，以及在TBM开挖过程中隧洞水流特点及危害进行分析，针对其特征与危害，结合实际施工中的实践，总结出一套以强排为主，局部设置辅助排水的综合性排水系统，有效解决了类似项目中的排水问题。

关键词：反坡排水;系统排水;阻水栈桥

中图分类号：TV554  文献标识码：A

0概述

随着TBM设计、制造技术迅猛发展，隧道掘进机的适应范围越来越广泛，在长大隧道施工中的应用也越来越多[1]。在与TBM设备配套的辅助生产设施及相关问题的解决方案也急需进一步提高。斜井排水在钻爆法施工中已经非常成熟，而在TBM施工中排水方案一直存在一些缺陷，排水不及时导致积水聚集在刀盘位置，存在淹没电机以及回油泵等风险，同时TBM开挖存在连续性、成洞形状以及开挖集水井难度大等特殊性，排水问题的有效解决直接关系到隧道施工安全及效率。

1大坡比TBM顺坡掘进水流特点及危害

1.1特点

（1）水量越来越大。顺坡掘进，掌子面是最低点。洞口的雨水、雪融水以及沿线水管路跑冒滴漏的水都倒灌进隧洞内。隧洞沿线的涌水点，都会聚集在一起，随着掘进里程的增加，掌子面水量越来越大。（2）水的流速越来越高。TBM掘进开挖断面为圆形，成洞规则光滑，水流截面偏窄、偏深，水的流速会随着隧洞的延伸增大。（3）泥沙等会被水流挟带到掌子面位置[2]。

1.2危害

（1）排水不及时、刀盘位置大量积水，会淹没回油泵及回油口，对润滑油造成污染，直接威胁主轴承、大齿圈运行安全;水位继续升高还会对驱动电机、主梁下的配电柜等构成威胁。（2）水流的冲刷力，会将洞底泥沙冲刷到刀盘处，在设备停机检修期间，造成泥沙淤积，对施工造成很大困扰，见图1。（3）掌子面的大量积水，导致在TBM启动时，大量泥水溢出主机皮带的收料口，皮带尾轮在大量泥水冲击下高速运转，轴承极易损坏。

2大坡比长距离综合排水系统的解决方案

2.1综合排水系统

针对大坡比TBM顺坡掘进涌水特点及危害，结合其他斜井隧洞施工中的排水经验，排水系统需要及时拦水以减少排水距离，还能有效减少水冲刷。同时，TBM开挖洞室很难进行爆破作业，也就不能设置集水井和引水槽等。

经过施工过程中不断探索实践，形成了一套以多级强排为主，阻水栈桥分段截水并排到就近接力水箱为辅，下级截水栈桥为上级备用的综合性排水方案，有效解决了上述困难，效果显著，而且施工简单，造价较低。综合排水系统示意图如图2。

TBM上设置排水箱，通过潜污泵将主驱动附近的积水排进水箱，经过初级沉淀，由高扬程多级离心泵排放到接力水箱，经过多级接力水箱排出到洞外排污池。同时，为了缓解长距离仰拱流水的危害，在隧洞沿线根据水流情况安装阻水栈桥，把水挡住形成一个集水井，设置小流量、高扬程潜污泵把水排进接力水箱或前面第二级阻水栈桥，在不影响车辆通行的情况下收集沿线流水，减轻刀盘位置排水压力以及水的冲刷破坏。

2.2辅助排水系统

辅助排水系统主要由阻水栈桥、潜污泵、管路、滤网等组成。阻水栈桥结构及布置如图3。

阻水栈桥尺寸依据隧洞尺寸以及行车条件设计制作，满足运输车辆爬坡条件，通过栈桥后为石渣路，可以根据实际情况确定石渣铺设距离。在栈桥中间支撑梁处设置2-3到过滤网，最后端安装潜污泵，通过软管排进接力水箱或者其他栈桥处。栈桥依据隧洞涌水情况进行布设，一般在较大涌水点下游、大面积渗水地段下游布设，如果附近有钢拱架，最好布设在最上游钢拱架前方，可以综合利用铺路的石渣。多个栈桥一起使用时，依据距离接力水箱的远近给其编号，1#、2#栈桥水泵直接排水道接力水箱，这样2#栈桥为1#栈桥的备用;3#栈桥排水道1#栈桥，3#栈桥为2#栈桥备用，4#栈桥排水道2#栈桥，为3#栈桥备用，以此类推，形成互为备用的辅助排水系统。

3综合排水系统的应用

综合排水系统在新疆某大坡比TBM顺坡掘进项目中不断摸索完善总结而成，取得了良好的使用效果。阻水栈桥结构简单，制作成本低，安装快捷方便，不影响正常施工。

3.1项目概况

应用综合排水系统的隧洞项目为连接主洞的勘探试验洞，进口布置在主洞左侧，与主洞夹角83°，纵坡11.5%，隧洞长度5.35km，采用TBM掘进机开挖，断面尺寸8m。地下水为基岩裂隙水，洞壁以渗水、滴水为主，断层带内以线状水流为主。隧洞段涌水量36m³/h。

3.2排水系统布置方案

主排水系统选用多级接力水箱逐级强排方式。TBM上设置两级水箱，污水从刀盘附近用潜污泵排进第一级水箱经过初步沉淀后，排入第二级水箱，第二级水箱靠底部位置连接高扬程多级离心泵排入就近的接力水箱，利用接力水箱逐级排出洞外。每级接力水箱由相邻的进水和排水两个水箱组成，进水箱安装在上游，对进水进行沉淀，排水箱连接高扬程多级离心泵，所有出水口设置过滤网。本项目分别在桩号0+750、1+1700、2+700、3+800及4+700处设立接力水箱利用接力水箱逐级排出洞外，接力水箱布置间距为1000米。每级接力水箱由相邻的进水和排水两个水箱组成，进水箱安装在上游，对进水进行沉淀，排水箱连接高扬程多级离心泵，所有出水口设置过滤网。每级接力水箱配备2台多级离心泵，驱动电机为37KW，配套两根DN125、壁厚5mm无缝钢管的排水管路。

辅助排水系统根据隧洞地质情况以及仰拱水流情况，分别在1+600、2+800、3+900、4+100、4+200处设置阻水栈桥，每个阻水栈桥安装3道过滤网，最低处安装潜污泵。其中第一、二道栈桥安装65WQ25-24-3型潜污泵，功率3kw，配管内径65mm，直接排放到下游相邻水箱。后三道阻水栈桥安装80WQ30-30-5.5潜污泵，功率5.5 kw，配管内径80mm，以后面栈桥为前方备用的原则排入相应水箱或栈桥。

3.3相关设计计算

据地质资料进行分析，隧洞段涌水量Q=36m³/h，主要为基岩裂隙渗水。考虑TBM掘进机施工的废水排放量约为5m³/h，则该试验洞施工的总涌水量为41m³/h。按照排水系统安全系数的选择原则取K=1.2，则最大排水量Q=41×1.2=49.2m³/h，考虑实际施工状况取Q=50m³/h。

固定水箱单台水泵排水量50m3/h，扬程115m，输水距离1000m。

（4）管径选择

管径的大小决定了运转费和前期投资费用，而运转费和前期投资费用在总费用中起决定性因素。通常采用试取管内流速的方法求得管径，其计算公式为

由以上数据及公式计算得：

（5）管材壁厚确定：

《隧道施工安全规程》要求，通常情况下，当隧道深度超过200 m时应采用无缝钢管。根据力学最大变形理论，采用厚壁圆筒分析法，钢管壁厚计算公式：

把相关数据带入得到管道壁的厚度大约0.4左右，考虑到工作实际情况和机械加工等因素可以去壁厚为5mm的无缝钢管，即满足要求。

4结论

通过工程实践证明，综合排水系统，始终及时拦水并就近排出洞外，减少了TBM设备的排水压力和清渣压力，有效保证了TBM顺利施工。同時，综合排水系统避免了所有的水都要从最低处排到洞外的情况，从洞口到掌子面的各级水箱排水量逐级减小，有效降低了排水功率。

参考文献

[1]雷升祥.斜井TBM法施工技术[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[2]侯国祥，孙江龙，王先洲，等.工程流体力学[M].北京：机械工业出版社，2006.

收稿日期：2021-08-02

作者简介：李晓兵（1975—），男，甘肃高台人，本科，高级工程师，研究方向：水利水电工程。