深埋长隧洞突发涌水时分流多级排水系统设计研究

田志斌

(山西省中部引黄工程建设管理局，山西 太原 030002)

山西大水网工程是全国“江河湖库水系连通”试点工程，于2011年正式开工建设。由于其几乎遍及山西各个县市，工程战线长，隧洞数量多，地质条件复杂，最大单洞长度达241km，为世界之最，平均隧洞埋深超过300m，施工难度极大。根据工程特点，在设计之初即引入了4台全断面TBM完成总计约89km的施工任务，取得了较好的效果，尤其是TBM1标单月完成掘进1411m，单年度完成掘进10.6km[1]。但与此同时，由于隧洞距离长、埋深大、空间小，突涌水点多、量大、预测难度高，从而对施工排水系统建设提出了极高的要求，特别是当隧洞为顺坡掘进、反坡排水时，存在较大的淹机风险。

本文结合煤矿、铁路等隧洞施工的排水系统布置经验[2]，提出采用分流多级排水系统，将大功率水泵应急排水与小功率水泵日常排水相结合，从而有效解决了TBM1标反坡施工排水的问题，为其他类似工程提供了经验。

1 工程概况

中部引黄工程是山西大水网建设的重要骨干工程之一，其中TBM1标穿越黑茶山自然保护区，最大埋深610m，进洞支洞长5.30km，坡度3.86%，主洞长度21km(总77+020～总98+070)，坡度0.04%[3]。进洞支洞和主洞为TBM掘进，采用一台φ5.06m双护盾TBM独头掘进，施工断面为圆形，成型管片内径4.30m。工程前期反坡排水系统由主洞2条φ150镀锌钢管及进洞支洞1条φ300、φ200串联管路构成，经实测可实现300m3/h的排水能力。

2 事故发生情况

工程自2015年正式始发掘进，期间先后遭遇多次突涌水情况。2017年4月29日，掘进至桩号总90+990处时，最大瞬时流量约140m3/h；2017年8月5日，掘进至桩号总91+867处时，最大瞬时流量约420m3/h；2017年9月21日，掘进至桩号总91+886处时，最大瞬时流量达1187m3/h，持续时间短。由于第一次突涌水量未超过排水系统设计排水量，而后两次虽瞬时涌水量超过设计排水量，但持续时间均很短，采用洞身储水方案即可应对，对施工未造成较大影响。

2018年3月6日，掘进至桩号总94+323处时，突涌水瞬时流量达1102m3/h，且涌水持续时间长，虽后来涌水流量有所下降，但多日平均估算涌水量仍达到600m3/h，远超隧道设计排水能力，造成TBM设备被淹。鉴于以上情况，需对TBM排水系统进行重新研究与优化设计。

3 超前地质预报及涌水量预测

3.1 超前地质预报

为进一步预测掌子面前方的地层含水情况，分别采用震波超前探测技术和瞬变电磁探测技术对桩号总94+323处掘进迎头进行超前探测，划分出重点防治范围。

震波探测是在掌子面正前方中心点布置一条水平测线，探测正前方100m范围内情况，测线上布置12个锤击点，每个锤击点为3道数据，共计36道。因本次探测范围岩层裂隙较发育，石墨透闪石大理岩波速采用波速4000m/s，据震波探测：掘进前方20m是探测盲区，Ⅰ号异常区位于掘进前方18～32m，Ⅱ号反射界面位于掘进前方45m左右，Ⅲ号异常区位于掘进前方65～78m范围；分析认为Ⅰ号异常区、Ⅱ号反射界面为大理岩岩层界面或局部节理裂隙发育形成较强反射所致；Ⅲ号异常区为岩层界面或局部节理裂隙发育形成较强反射所致；以上异常区均位于掘进正前方，应予以重视并钻探进一步验证。

瞬变电磁探测盲区约为20m，瞬变电磁技术超前探测是以掘进方向为基准0°平面，分别朝上45°、上30°、掘进0°、下30°、下45°五个方向进行探测，合计5个断面，每个断面测13个物理点；再以掘进方向为基准0°立面，对掘进0°方向进行剖面探测，共计6个断面78个物理数据点。测得前方0～80m，偏左30m～偏右70m范围为低阻异常区域，分析认为受岩层界面或节理裂隙发育影响，局部有溶洞发育可能，有涌水可能。

3.2 涌水量预测

工程线路涉及天桥泉域和柳林泉域，泉域分水岭约在桩号总94+700的黑茶山一带，在桩号总86+850以后，隧洞多位于地下水位以下，地下水位高于洞顶最大约350m，隧洞施工时存在涌水可能。根据人工源大地电磁法物探勘察，预测桩号总92+374～总97+228段变质岩类裂隙水位于洞顶以上，地下水位高于洞顶130～350m，该地段隧洞穿过变质岩，变质岩以上多分布碳酸盐岩地层，分析认为洞身地下水状况与洞顶以上变质岩厚度及构造相关：当洞顶以上变质岩厚度小时，洞内可能遇到一定数量裂隙地下水；当洞段断层、节理裂隙发育时，洞内可能有涌水，推测断层位于桩号总 94+800处。

根据隧洞沿线水文地质条件，分别采用潜水完整式水平坑道公式、潜水非完整式水平坑道公式和断裂带集中涌水计算公式对可能受地下水影响洞段涌水量进行估算，结果见表1。

表1 分段涌水量估算

4 排水系统设计

4.1 设计排水量确定

根据相关规范要求工作水泵的排水能力应满足在20h内排出隧洞24h的正常涌水量[4]。根据表1可知，隧洞在总95+350～总97+228段估算涌水量最大，为816m3/h，因此，考虑最大涌水情况下的隧洞排水能力见式(1)：

(1)

式中Q——隧洞的设计总排水能力,m3/h；

qmax——隧道最大涌水量,m3/h。

计算得，隧洞的设计总排水能力为980m3/h。

4.2 排水管径选择

结合已有300m3/h的排水系统，为实现最大涌水条件下的隧洞应急排水，还需增加排水能力680m3/h，考虑隧道空间限制，拟布置单趟管路以满足上述条件。根据《室外给水设计规范》(GB 50013—2018)[5]并参考相关工程经验[6]，当出水管直径在0.25～1m时，正常排水管道的经济流速为2～2.50m/s，应急排水管道流速应为3～3.50m/s。排水管径计算见式(2)。

(2)

式中dp——试算排水管径,m；

q——管路设计排水流量,m3/s；

vp——经济流速,m/s，从经济可靠的角度出发，本工程取为3m/s。

计算得，dp=0.28m，因此该应急排水管路采用镀锌钢管，直径取为0.30m。

4.3 水泵选型

应急排水管路按两级阶梯排水系统设计，永久阶梯泵站分别位于桩号总97+835及总87+412处，当掘进里程未到达总97+835之前，在TBM台车上设移动水箱，以满足取水要求。根据设计排水流量，拟初选配置一台MD680-56×5离心泵，额定流量680m3/h，扬程280m，功率710kW，现需对主要设备参数进行验算。

4.3.1 扬程验算

排水泵站水头损失主要由排水高差h1、沿程水头损失h2及局部水头损失h3三部分组成，水泵扬程H需满足式(3)要求：

H≥h1+h2+h3

(3)

在管道系统中，局部水头损失只占沿程水头损失的10%以下，尤其是在本工程中，管线基本为直线布置，洞线坡度小，且仅在通过连续皮带机加力站和错车平台处时各设乙字弯头2个，泵站间设检修阀门10个，因此排水高差及局部水头损失均很小，主要需考虑沿程水头损失的计算，见式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中Re——雷诺数；

v——管道设计流速,m3/s；

ρ——管道流体密度,kg/m3；

D——管道直径,m；

μ——管道流体黏度系数，对于10℃的水来说，μ取为1.308。

计算得，Re=612774。

对于该应急排水管路，可判断处于紊流状态。

对于圆管满流，一般采用达西公式进行沿程水头损失计算，见式(6)：

(6)

式中λ——沿程阻力系数；

L——泵站区间管道长度,m；

g——重力加速度，取为9.80m/s2。

对于沿程阻力系数λ的选取，在工程实践中一般采用柯尔勃洛克-齐恩公式、海曾-威廉公式、柯尔勃洛克-怀特公式、谢维列夫新钢管公式等，其中《室外给水设计规范》(GB 50013—2018)[5]推荐采用海曾-威廉公式，见式(7)：

(7)

式中Cw——海曾-威廉粗糙系数，对于新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管，可取为130。

而柯尔勃洛克-怀特公式适用于各种紊流流态，是适用性最广、计算精度最高的公式之一，对于紊流区钢管及其他光滑管道：

(8)

式中k——管道等效均匀粗糙度，钢管取0.0001～0.0002m。

本文根据以上公式分别计算沿程阻力系数，由海曾-威廉公式计算得λ=0.0172，由柯尔勃洛克-怀特公式计算得λ=0.0173，计算结果几乎相同，因此沿程水头损失为218m。

局部水头损失考虑管道通过连续皮带机加力站和错车平台处时各设的2个乙字弯头及泵站间10个检修阀门的影响，按沿程水头损失的10%予以计算，可得局部水头损失为21.8m。

排水高差为泵站间距离与隧洞纵坡的乘积，则h1=0.04%L=4.2m。因此，排水泵站水头总损失为244m，小于水泵扬程，故水泵扬程满足设计要求。

4.3.2 功率验算

根据式(9)进行功率验算:

(9)

式中N——水泵功率,W；

K——考虑传动效率损失的安全系数，一般取1.1～1.2；

η——水泵效率，一般高压离心泵为0.6～0.85。

计算得，水泵功率为693kW。因此，水泵电机功率经验算满足使用要求。

5 系统运行控制

通过排水系统优化设计，在主洞内新增了一条φ300的应急排水管路，辅助原系统中的两条φ150排水管路，可以达到980m3/h的隧洞设计排水能力。但是在实际掘进过程中并不需要始终保持最大排水能力运行，需要对整体排水系统进行分流量控制，从而保持系统始终在经济合理范围内运行。

5.1 水泵单体控制

为在实际运行中能够根据不同涌水量进行排水流量调节，需选择690V800kW变频器进行变频使用。

变频器根据隧洞环境特点须满足如下技术要求：变频器防护等级IP54；根据电机区间温度来控制电机冷却风机启停及电机自动加热启停；液位传感器满足启停电机要求，电机赫兹区间为0～50Hz并手动/自动控制；变频器设置为全封闭式，采用空调对变频器冷却；变频器有就地/远程控制功能；变频器含控制面板，面板显示有电机温度、电机实时功率、电机转速、电流、泵出口水压力(隔膜数显压力表)及流量。

5.2 排水系统联合调度

经优化后的排水系统沿洞线共分三个部分：

a.第一部分：TBM伸缩盾/连接桥至TBM机尾移动水箱(1号、2号、3号)配置了3台468m3/h潜水泵，分别通过一条φ300和一条φ200的钢丝软管进行掌子面取水。

b.第二部分：TBM机尾移动水箱至主支洞交叉段在各泵站配置了1台MD680-56×5和2台YDII155-67×4水泵分别向φ300的应急排水管路和2条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条φ300和2条φ150排水管路，其中2条φ300管路通过1台YDII360-74×6和2台YD360-75×6水泵并联运行排水；2条φ150管路通过2台MD155-30×6水泵进行两级接力排水。

当掌子面涌水量小于300m3/h时，伸缩盾取水进入1号、2号移动水箱，由主洞原配置的2条DN150排水管路排出水量0～300m3/h(变频)；当涌水量300～680m3/h时，伸缩盾取水选择进入3号移动水箱，启用DN300排水管路机泵进行排水(变频)；当排水量为680～980m3/h时，伸缩盾取水进入1号、2号、3号移动水箱，同时开启DN300排水管路机泵和2条DN150排水管路机泵中的1条或2条排水管路进行联合变频排水，具体管路布置见图1。

图1 排水系统布置

6 结 语

隧洞突涌水预测与防治是深埋长隧洞TBM施工的关键问题之一，如果处理不好将会造成淹机等重大损失。在工程设计时应加强水文地质探测工作，合理预测涌水量，在施工中应首先采取超前地质预报及注浆、回填灌浆与封闭、预留泄水孔等方法进行涌水防治及组织，从而保证TBM的持续顺利掘进；隧洞排水是治理隧洞突涌水的最后一道防线，应设置满足设计要求排水能力的排水系统，并预留一定量的应急排水能力，本文通过对排水管路、设备选型、调度运行等方面的设计研究，提出了采用分流、多级反坡排水系统，可有效解决TBM施工中不同流量条件下的排水问题，可为类似工程提供经验。