TBM掘进隧洞施工期排水能力分析

房敦敏， 熊保锋， 潘益斌

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 浙江 杭州 311122)

TBM掘进隧洞施工期排水能力分析

房敦敏， 熊保锋， 潘益斌

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 浙江 杭州 311122)

为准确评估TBM掘进隧洞支撑轨道所用的轨排对隧洞排水能力的影响，依托某引水发电隧洞工程，将解析法和数值法2种手段相结合用于排水能力的分析，数值法算得的综合糙率代入解析公式，能准确预测在预报的涌水量条件下保证安全施工的泄流能力。该方法已在实际工程中应用，施工期间发生的数次大涌水情况下的计算过流能力与实际过流能力较符合，证明了文章所述排水能力计算分析方法的准确性与实用性。

隧洞； TBM； 排水能力； 轨排； 糙率

0 引言

TBM掘进隧洞的施工期排水能力受轨排等因素影响较大，实际排水能力和理论计算排水能力往往相差较大，一旦发生瞬时大流量突涌水，极有可能导致施工暂停且易引发安全事故[1-2]； 因此，需要对隧洞的实际排水能力进行准确的计算分析，以便根据预测的最大突涌水量采取相应的工程措施，避免突涌水状况下TBM设备被淹受损，影响施工。

目前关于TBM掘进隧洞遭遇大流量地下水的相关研究工作主要集中在超前探水[3-4]、超前堵水灌浆[5-6]、加强抽排[7]等方面。上述研究多是侧重于突涌水应对措施方面，尚未发现关于对设置有轨排的隧洞排水能力预测的公开研究成果。如文献[8]在那邦水电站TBM掘进隧洞排水能力复核时，按照明渠均匀流进行计算，未考虑轨排对排水能力的影响。

本文将解析法和数值法2种手段相结合，将数值法算得的综合糙率(考虑轨排的影响)代入解析公式，可以预测隧洞不同涌水量下的水深或实际排水能力。隧洞实际排水能力同灌浆、抽排等具体工程措施相结合，可以科学合理地制定掘进方案和突涌水处理方案。

1 工程概况

某引水发电工程隧洞洞线总长约17 km，隧洞自末端往进口方向12 km采用TBM掘进，隧洞直径4.5 m。隧洞沿线岩性较单一，为片麻岩，属太古代变质岩。隧洞一般埋深300～600 m，最大埋深900 m。工程区域降雨量较大，地下水位较高，开挖过程中隧洞涌水量较大。

TBM掘进隧洞常见的物资运输方式有无轨与有轨2种[9-10]。考虑以下因素，本工程选择有轨运输方式： 1)地下水发育，如采用无轨运输，地下水将带来安全隐患，加大施工难度[11]；而有轨运输方式可利用轨道下部空间排水，对施工影响显著减小。2)隧洞断面有限，如采用无轨运输，隧洞弧度对行车影响较大，初估需1 m左右厚的垫渣，而垫渣影响施工期排水，使道路维护难度大，后期清理难度大。

综合考虑上述因素，TBM后配套及材料轨道运输系统的轨排采用Ⅰ15型钢拱架 (Ⅰ15拱架截面高度15 cm)，轨排排距约1.2 m，如图1所示。

图1 引水隧洞TBM轨排布置示意图(单位： cm)

固定间距布置的轨排侵占了隧洞底部的排水断面，且该工程隧洞直径仅4.5 m，为保证TBM掘进过程中不因排水能力的限制影响施工，需要对该工程隧洞预报涌水量的实际排水能力进行计算分析。隧洞纵坡坡度主要有2.500%和0.311% 2种。坡度越缓，排水能力越差，即整条隧洞的排水能力受到坡度最缓段的控制； 因此，选用坡度为0.311%进行排水能力的相关计算和分析。

由于无实测资料，无法准确得到过水断面的实际综合糙率，因此，需对糙率进行敏感性分析。

综合以上各种因素，首先，将隧洞底部排水简化为明渠均匀流[12-13]，进行考虑轨排和不考虑轨排2种情况的过流能力解析法初步计算；其次，针对预测的最大涌水量进行考虑轨排后不同糙率的敏感性分析，表明解析解可能与实际情况相差较大；再次，采用三维流场分析软件进行预测的最大涌水量下、水位分别达到轨排横向支撑底部和顶部时过流能力等工况的计算，进而反算得到综合糙率；最后，利用得到的综合糙率通过解析法进行过流能力的复核计算。

2 排水能力解析法初步试算

明渠均匀流公式：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：Q为流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；C为谢才系数，m1/2/s；R为水力半径，m；i为底坡，量纲一的量；n为糙率，量纲一的量。

根据明渠均匀流公式，对坡度为0.311%洞段的排水能力进行计算。根据《水工隧洞设计规范》[15]，掘进机开挖时，岩面无衬砌，糙率n可取0.017。考虑到糙率的不确定性,拟将糙率在0.013～0.023内进行分析。

由于轨排横撑底部距洞底最大高度为0.41 m，水深在0.41～0.56 m时，流态复杂，采用解析法计算的精度将受到很大的影响； 因此，按照最大水深为0.41 m时，对考虑与不考虑轨排及不同糙率下的过流能力进行计算，其中考虑轨排工况采用最小过流断面进行计算。计算结果如表1和图2所示。

表1 水深为0.41 m时考虑与不考虑轨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)

糙率不考虑轨排流量/(m3/s)考虑轨排流量/(m3/s)考虑轨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

图2 水深为0.41 m时考虑与不考虑轨排及不同糙率下的排水能力曲线

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

由表1和图2可以看出，轨排对排水能力的影响较大。其原因在于： 就轨排断面本身而言，一方面轨排侵占了较大的过水断面(以0.41 m的水深为例，轨排侵占过水断面15%)；另一方面由于轨排的存在，使得湿周较大幅度的增加(以0.41 m的水深为例，不考虑轨排湿周为2.76 m，考虑轨排湿周为4.24 m)，从而使过流能力受到较大影响。因此，在计算中必须考虑轨排对排水能力的影响。

根据地质资料，引水隧洞TBM掘进段预测最大涌水量在0.369～0.497 m3/s，因此选用流量分别为0.4 m3/s和0.5 m3/s进行水深计算。为了进一步考虑糙率敏感性的影响，分别进行糙率在0.013～0.023内的敏感性分析，计算结果如表2和图3所示。

表2 预测最大涌水量下的运行水深

Table 2 Running water depths under maximum predicted water gushing volume

糙率流量为0.4m3/s时的水深/m流量为0.5m3/s时的水深/m0.0130.3100.3400.0150.3250.3700.0170.3400.3900.0190.3550.4100.0210.3700.4300.0230.3900.450

图3 不同涌水量下的水深

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

由图3可以看出： 若涌水量为0.4 m3/s，在糙率敏感性分析的范围内，最大水深不超过0.39 m；若涌水量为0.5 m3/s、糙率不大于0.019时，最大水深不超过0.41 m(即轨排横撑底部)；若糙率大于0.019，则水深超过0.41 m，计算精度将受到较大影响。

3 综合糙率三维数值反算

3.1 计算说明

为验证理论公式计算成果，采用Fluent软件进行三维流场模拟分析，计算分析的工况、模型、边界条件如表3—5及图4所示。

表3 计算工况

表4 计算模型

表5 边界条件

图4 计算模型(工况1)

1)水体模型。考虑模型长度方向的尺寸效应，选取30 m洞段作为数值模拟洞段，两端各延长15 m作为平顺水流长度，模型总长为60 m。

2)空气模型。由于目前水深为推测水深，假设水面至隧洞中心平面均为空气模型。

3.2 计算结果

Fluent软件内部函数定义： 水头H=p总/9 810，m；坐标原点位于模型中间，30 m模拟轨排洞段的进口与出口断面坐标分别为y=-15 m和y=15 m；模拟洞段坡度为0.311%，则30 m洞段坡降为z=0.311%×30 m=0.093 m。

水头损失为沿程损失与局部损失之和，目前初步估算沿程损失为坡降高程，局部损失为进出口总水头损失。水头损失计算成果见表6。

表6 水头损失

综合糙率的计算公式为

(3)

式中： n为糙率，量纲一的量； hf为水头损失，m； R为水力半径，m； v为流速，m/s； L为长度，m。

综合糙率计算成果见表7。

表7 计算水深及综合糙率

从表7可以看出： 出口水深在0～0.48 m时，综合糙率取0.04；出口水深在0.48～0.92 m时，综合糙率取0.07。上述成果与规范建议值相差较大，分析主要是由于轨排的存在不仅侵占了过流断面，而且由于轨排形状不规则，将过流断面分割成数个小过流断面，且当水深淹没轨排后流态复杂，对泄流能力影响较大。

4 排水能力综合分析

三维流场针对2种工况下的计算成果如表7所示。其中： 工况1水深为0.59～0.48 m，此时水深位于轨排横撑之间(即出口部位的水深淹没轨排横撑底部，但未淹没横撑顶部)，综合糙率为0.04；工况2水深为1.0～0.92 m，此时水深完全淹没轨排横撑，综合糙率为0.07。

由于三维流场并未计算水深为0.41 m以下(即水深低于轨排横撑底部)的工况，此时的综合糙率暂按照0.04考虑。即： 水深在0～0.56 m时，综合糙率取0.04；水深在0.56～1.00 m时，综合糙率取0.07。

将上述综合糙率计算成果代入式(1)和式(2)，得到坡度为0.311%时不同水深下的过流能力计算成果，见表8和表9。水深-排水能力关系曲线如图5所示。

根据上述计算成果： 水深达到轨排横撑底部，即水深为0.41 m时，对应的排水能力为0.23 m3/s；水深为0.56 m、恰好完全淹没轨排横撑时，排水能力为 0.44 m3/s。

表8 不同水深下的排水能力(水深0.56 m以下，综合糙率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，综合糙率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

图5 水深-排水能力关系曲线

根据前期地质勘探资料分析，本隧洞预测最大涌水量为0.497 m3/s，由表9和图5可知，此时最大水深不到0.6 m，不会影响有轨运输机车通行。

5 结论与讨论

对于施工期设有轨排的隧洞工程的排水能力，通过解析法与数值法相结合的方法，将数值法算得的综合糙率代入解析公式，能准确预测特定纵坡隧洞不同水深下的排水量，以指导现场施工。研究成果表明，轨排对本工程TBM施工隧洞排水能力影响较大。水深在轨排横撑以下(0.41 m)和以上(0.41～1.00 m)的综合糙率分别达到0.04和0.07，较开挖岩面综合糙率0.017显著加大。

本文所述工程TBM掘进期间，采用上述方法准确预测了隧洞实际排水能力，结合超前探水手段，对不同洞段可能出现的不同涌水状况采用直排、加强抽排、底部堆渣清理等处理措施，未发生设备被淹及受损情况。如本工程TBM掘进至引水隧洞15+640桩号左右时，基于前期地质工作宏观判断已进入出水带，根据预测的最大涌水量及实际排水能力制定了掘进方案及排水方案，顺利地通过了实测最大涌水量达604 L/s的出水带。

对于TBM施工设置轨排的隧洞工程，由于不同水深对应的综合糙率是不同的，后续应进一步将综合糙率的计算细化、分段化，使排水能力的计算更为精确。

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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，山东青岛人，2007年毕业于西南交通大学，隧道及地下工程专业，硕士，高级工程师，现从事水工隧道及地下工程设计工作。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