变频调压分级接力供水技术在特长隧道TBM施工中的应用

周雁领

(中铁十八局集团隧道工程有限公司,天津 300222)

1 工程概况及供水需求

1.1 工程概况

西秦岭特长隧道位于新建铁路兰渝线中段,地处甘肃省陇南市武都区境内,进口位于透防乡潘家沟,出口位于洛塘镇老盘底,隧道走行于秦岭高中山区,地势总体趋势西高东低,山体陡峻,沟谷深切多呈“V”字形。高程多在1 000～2 400 m,相对高差约1 400 m,隧道最大埋深约1 400 m。设计为两座单线隧道,线间距40 m,至出口段缩至25 m。右线起讫里程为DK395+116.582～DK423+351.422(长链1.742 m),全长2 8236.582 m。

该隧道从出口段采用TBM法施工,开挖直径10.23 m,计划掘进长度16 249 m,其施工区段划分如图1所示,其中的黑色部分为TBM法掘进,白色部分采用钻爆法施工,TBM步进通过。

图1 西秦岭隧道右线TBM施工区段划分示意

气象条件：隧道沿线属北亚热带湿润向暖温半湿润过渡的季风气候,受境内高山深谷地形的影响,在气候上有明显的区域特征,气候差异悬殊,垂直分带的差异性明显,河谷炎热,山地寒冷。最高气温38.6 ℃,最低气温-8.6 ℃,年降水量(471.9 mm)远小于蒸发量(1 897.5 mm),以东南风为主,土壤最大冻结深度13 cm。

1.2 供水条件与需求1.2.1 隧道曲线与坡度

隧道右线洞身除出口段410.779 m位于R=4 500 m的左偏曲线上以外,其余地段均位于直线地段,出口段自出口至洞内652 m段、652 m至16 672 m段分别以4.6‰、3‰的坡度上坡,从16 672 m至17 292 m段、17 292 m至19 800 m段分别以7.0‰、13‰的坡度下坡,出口高程1 065 m。

1.2.2 供水系统相关要求

供水系统从隧道出口进入隧道,隧道内最远供水距离为19 800 m,因此最远供水点按20 km考虑；最远供水点出水口流量不小于60 m3/h,出水压力不小于0.5 MPa,沿途二次衬砌累计用水量约15 m3/h。

供水系统水源地距离隧道出口平面距离为500 m,垂直高差为35 m,洞内最高供水点距离水源地高差100 m。铺设焊管输水,泵房到隧道出口沿途设4处不大于90°的弯道,洞内每隔500 m设置闸阀1个。

供水系统必须配置2个泵组,交替循环使用,确保24 h不间断供水。

供水系统能保证供水压力稳定,波动范围小；供水量满足施工需求且最大限度减小浪费；具备节能环保性能。

2 方案比选

2.1 高位水池供水方案

水源地修建大口井,离心泵抽水至容量不小于200 m3的高位水池,经管路引流至隧道内供水点；根据供水距离的不断变化,在出水口位置安装适当的减压阀。经计算,高位水池距离隧道入口高差约为300 m,隧道洞口段约5～7 km需要采用厚壁无缝钢管。

该方案结构简单,以往隧道施工长度不大、供水距离较短时经常应用,但在本工程中,由于地形限制,高位水池选址困难、建设成本和管路配置成本较高；高位水池距离水源地高差较大,单级泵水则要求高程、功率大,采取分级增压方式更为合理；水首先要泵送到高位水池,之后从高位水池引入洞内,不论取水点距离高位水池的距离长短,能量消耗都一样,能源浪费较为严重。

2.2 单级变频供水方案

在水源地修建集水池或者大口井,安装变频水泵,直接送水至隧道内的用水点。该方案需要配置扬程为300～350 m的水泵,靠近水泵端约5～7 km需要铺设厚壁无缝钢管。

主要设备配置如下：潜水泵数量2台,1用1备,规格250QJ-100-320-160,流量100 m3/h,功率160 kW,扬程320 m。

通常供水距离和高差不很大的情况下,适于采用单级变频供水方式,其优势更加明显；本方案在该项工程中要求变频水泵的扬程、功率都比较大,且洞口段需要采用承压能力强的厚壁无缝钢管,则设备、水管投入成本仍会比较高。

但该方案与高位水池方案相比,不必修建高位水池,泵房内以变频水泵替代多级离心泵,相当于节约了高位水池建设以及部分管路铺设工作量与成本；且以往施工实践证明,变频供水方案在长大隧道施工中,使用效果以及电力消耗均大幅下降,因而本工程采用变频供水方案明显优于高位水池方案。

2.3 二级变频供水方案

大口井内安装多台潜水泵向隧道内直接供水,水源处的水平面距离隧道内最高点的垂直高差为100 m,隧道长19 800 m,隧道内每隔500 m加装一个闸阀,泵房到隧道入口处有4个弯头,水泵系统的供水流量不小于90 m3/h,供水系统的最远距离不少于20 000 m,供水管道前5 000 m采用DN200 mm焊管,后面采用DN150 mm焊管,在11 000 m处安装增压泵进行供水。

经计算与选型,前11 000 m主要供水设备配置如下。

水泵 共配置2组,每组3台潜水泵(2台同时工作,1台备用,在用水量小的时候还可以用1台工作,该配置可靠性更高,有利于节能),水泵型号250QJ50-280,流量50 m3/h,功率63 kW,扬程280 m。

后9 000 m主要供水设备配置：

水泵 2组,每组1台立式多级泵,用以二次增压,水泵型号100DL72-25×7,流量72 m3/h,功率55 kW,扬程180 m。

2.4 三级变频供水方案

大口井中安装2潜水泵,规格100QW100-15-11,流量100 m3/h,功率11 kW,扬程25 m；地面泵房内安装2台多级离心泵,作为二级接力,规格100 D-45×5,流量97 m3/h,功率90 kW,扬程225 m；距离洞口11 km处安装2台多级离心泵,作为三级接力,规格100D-45×3,流量97 m3/h,功率55 kW,扬程135 m。

显然,二级、三级变频供水方案明显优于单级变频供水方案。

二级变频供水方案,总功率配置488 kW,共有8台水泵及相应的变频控制柜,设备造价为90～100万元；三级变频供水方案,总功率配置312 kW,共有6台水泵及相应的变频控制柜,设备造价为50～60万元,同时该方案配备休眠功能,更有利于节能。

因此,三级变频供水方案是最佳选择。

3 变频调压三级接力供水系统

3.1 总体供水方案

本系统采用三级接力供水方式,如图2所示。

图2 变频调压三级接力供水系统

大口井中安装2台潜水泵(一级供水),它的流量要大于或等于泵房地面上的多级离心泵(二级供水)的流量,第一启动的是潜水泵,当水被送到泵房地面时,水流指示器动作,控制二级供水的多级离心泵的变频控制系统便对其发出开泵指令,由它将带压的水送到隧道的作业面上。当施工用水点推进至隧道内11 km处、水压降至0.5 MPa时,再装2台多级离心泵(三级供水),一直将水送到隧道的施工末端,保证施工末端的用水流量为60 m3/h,用水压力为0.5 MPa。

三级供水水泵均采用变频调压技术控制,一级供水压力信号取自二级供水的多级离心泵与潜水泵之间的管道中的压力,二级供水的压力信号取自于二级供水与三级供水之间的管道中的压力,三级供水的压力回馈信号取自于其泵的出口端。

变频器选用芬兰产ABB供水专用型,1台变频器驱动控制1台水泵,即变频器1用1备,循环交替使用。2台变频器都设有手动控制模式,且能快速切换。这样恒压变频供水系统在1台水泵损坏需要维修,或1台变频控制器发生故障,或1台水泵和变频器都发生故障的情况下依然有足够的供水能力。

供水管路采用DN200 mm焊管。

3.2 水泵规格与主要参数(表1)

表1 水泵规格与主要参数

3.3 供水计算

3.3.1 一级供水扬程计算

从潜水泵到二级供水的多级离心泵的管阻

(1)

式中，q为供水流量；D为水管直径；Re为雷诺数；Δp为管阻。

将数值q=1 667 L/min,D=125 mm(一、二级水泵间水管直径)代入公式(1)、(2),得管阻Δp=0.155 2 m水柱。

二级供水多级离心泵进水口压力计算

P2=He1-Ha1-Hb-Δp(3)

式中，P2为二级供水多级离心泵进水口压力；He1为潜水泵总扬程；Ha1为多级离心泵泵口与大口井水面的高差；Hb为拐弯损失压力；Δp为管阻。

将He1=25、Ha1=12.6、Hb=2、Δp=0.155 2代入公式(3),得P2=10.24 m水柱。

结论：潜水泵完全可以将水送到二级供水的多级离心泵，进水口处尚有余压10.24 m水柱。

3.3.2 二级供水管道末端压力计算

三级供水的多级离心泵进水口压力计算

P3=He2-Ha2-Ha3-Δp2-Δp3-Hb-Hc(4)

式中，P3为三级供水的多级离心泵进水口压力；He2为第二级供水的多级离心泵扬程；Ha2为11 km处与洞口的高差(坡度3/1 000)；Ha3为泵房平面至隧道洞之间的高差；Δp2为泵房至隧道口之间的管阻；Δp3为隧道口至11 km处的管阻；Hb为拐弯处水头损失；Hc为沿途砌衬用水水头的损失。

根据公式(1)、(2),D=200 mm、q=1 600 L/min,得泵房平面至隧道口之间管阻Δp2=2.78 m,隧道口至11 km处的管阻Δp3=61.6 m。

将He2=225 m、Ha2=33 m、Ha3=35 m、Δp2=2.78 m、Δp3=61.6 m、Hb=6 m(按6个弯头计算)、Hc=35 m(根据经验估计)代入公式(4),则P3=48.63 m水柱。

上述计算结果没有包括潜水泵压力迭加部分,未考虑因管道泄露而产生的压力损失。

3.3.3 三级供水管道末端压力计算

隧道20 km处供水管道末端压力计算

P4=He3-Ha3-Δp4-Hb+P3-Hc(5)

式中，He3为三级供水多级离心泵扬程；Ha3为9 km斜坡的高差；Δp4为9 km管道损失；Hb为拐弯损失水柱；P3为二级供水剩余压力；Hc为砌衬损失压力。

将He3=135 m、Ha3=27 m、Δp4=55.26 m(将D=200 mm,q=1 600 L/min代入公式(1)计算得到)、Hb=3 m(按3个弯头计算)、Hc=35 m(根据经验估计)、P3=48.63 m代入公式(5),则P4=65 m水柱。

上述计算结果没有包括潜水泵压力迭加部分、没考虑因管道泄露而产生的压力损失。

上述计算误差最大是砌衬压力损失,因为没有取水点个数与取水管管径的大小,所以只能根据经验估计；如果每个取水点都装减压阀,尽量缩小用水管管径的话,其流量与压力损失会降至最低限度,从而接近我们的理论计算值,如果实际运用中二级供水末端压力偏低,我们可以酌情将三级供水水泵功率提高一个等级,现场的运作,以实际情况为准。

4 变频调压分级接力供水系统的优势

(1)设备采购成本大幅降低

如前所述,采用变频调压三级接力供水系统,较二级接力供水方案,节约设备采购成本约40万元。

(2)动能迭加,利于节能

一级供水潜水泵及二级供水多级泵输送的水,其动能并没有浪费,而是与下一级多级离心泵输出水的动能相迭加,于是水会被送得更高、送得更远,从而保证最终出水口的水压不会低于0.5 MPa。

(3)功率搭配合理,节能效果显著

如果不采用分级供水,则水泵功率为180 kW,现采用90 kW+11 kW水泵,每小时节电79 kW·h,一昼夜节电1 896 kW·h,以0.8元/kW·h计算,一天节约电费1 519元,一年节约电费55万元；再考虑启用休眠功能,节电效果更加明显。

(4)小功率潜水泵替代大型潜水泵,节约设备投入,且维护方便

大功率的潜水泵的功率大、耗能多,而且一旦出现故障,吊起维修难度大,且泵房建设规模大、成本增加。

接力供水方式采用小功率潜水泵,制泵技术相对成熟得多,运行起来也较稳定,可靠性高；即使发生故障,吊起便捷,维护方便；二级供水多级泵安装于地面上的泵房内,一旦出现故障也便于维修。

(5)控制单位的功率减小,设备的控制难度减小,稳定性增加,可靠性提高。

(6)采用三级接力供水的方式,地面上的2组多级离心泵两头安装可曲绕软接头,有效地减小对输水管道的扰动。

(7)三级接力式供水,在用电安全性上也远远优于大功率潜水泵供水。

5 系统运行

5.1 运行压力设置

(1)供水距离为2～5 km时,压力设定值为0.1 MPa；

(2)供水距离为5～10 km时,压力设定值为0.15 MPa；

(3)供水距离为10～15 km时,压力设定值为0.10 MPa；

(4)供水距离为15～20 km时,压力设定值为0.15 MPa。

上述压力设定值为理论设定值,具体设定方案可以根据现场的具体情况决定。按照上面的设计,可以有效地保证TBM掘进用水及沿途衬砌用水,这样设定水压值,既可节省电能,又可保护沿途用水设备不因为水压过高而损坏。

5.2 沿途用水点加装减压阀

在隧道的沿途用水口加装减压阀,可减少水压损失,保证下游用水流量与用水压力；高压对用水设备冲击力大,破坏力强,加装减压阀便可保护用水设备，更加有利于保障人身安全。

5.3 启用休眠功能

隧道施工全天候施作,因此要求供水系统必须24 h不间断运行,根据现场实际运行情况,供水并非全天满负荷运行,由于施工工序衔接、施工设备故障等原因而存在供水间歇,因此启用休眠功能。所谓休眠功能是指变频调压供水系统,在用水负荷等于零或趋近零,电机低速运转维持一定时间时,变频调压供水系统便进入休眠状态,电机停止转动,一旦负荷出现,系统又重新开始工作。如此循环往复,每年可以节省10万元左右的电费。

6 应用效果

目前,西秦岭隧道供水距离已经达到5.5 km,最远供水点为TBM施工掌子面,沿途小边墙以及3部同步衬砌台车同时施工,变频调压分级接力供水系统的一级、二级供水投入使用,运转平稳,为隧道施工提供了有效的供水保障。目前二级接力供水系统压力设置为0.1 MPa,实际运行状态与设计思路是一致的,总体方案选择以及设备配置是合理的。

但施工过程中,曾多次出现洞内水管连接法兰处密封不良、管路内的水喷涌而出,压力下降,水泵长时间大负荷连续运转。为保证供水系统正常运行,需要加强供水系统的管理和维护,否则,随着供水距离的延长,管路故障几率会增加,影响TBM正常掘进；另外,枯水季节需要采取增设蓄水渗水池向大口井补水等其他辅助措施,以保证井内水位。

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