超长深埋TBM隧洞反坡抽排水施工技术研究

王红1,刘伟隆1,邢阿龙1

[摘要] 针对某深埋长距离TBM隧洞抽排水问题，按照以堵为主、以排为辅、堵排结合的突涌水控制原则，建立适用于长距离反坡隧洞的正常抽排水系统和应急抽排水系统相结合的抽排水系统，并提出了相应的质量控制措施。可供其他深埋长距离TBM隧洞反坡抽排水参考。

[关键词] 超长深埋、TBM隧洞、反坡、抽排水系统

[中图分类号]          [文献标识码]         [文章编号]

1 引言

TBM（硬岩隧道掘进机）作为目前世界上先进的隧洞开挖机械设备，相比传统的钻爆法开挖施工，其在大埋深、长隧洞施工方面具有施工进度快、洞身成型效果好、操作自动化程度高及施工环境较为安全等明显的优势[1, 2]。但其适应性差、对地质条件敏感的特性也非常明显。相比钻爆法，TBM设备价值较高，且在突发情况下不能快速转移，尤其在反坡施工洞段，突涌水对TBM施工所产生影响就更为显著，TBM作为大型自动化、工厂化设备，所包含电气设备繁多[3]。涌水冲淋、浸泡 TBM 设备，损伤 TBM 液压和电气设施，特别是威胁轴承部件和电气装置的运行安全和使用寿命[4, 5]。尽管TBM设备在设计时就考虑了洞内长时间高湿环境的影响，进行了防水设计。但如遇到突发涌水不能得到及时抽排，随着水位的上升和时间的延长，洞内积水和高湿的空气将有可能对包括主轴承、主电机等电器设备造成极大的损伤，甚至可能造成无法修复的设备故障，进而严重影响施工工期[6]。如引汉济渭2·28突涌水事件造成TBM刀盘和主驱动部位积水2.7m深，加之长时间停工和高湿度环境，造成在主驱动变频器、主电机等在内的多项故障；现场积水抽排后，仅设备恢复时间就长达1个月（不包括主电机维修时间）。因此，针对长距离、反坡TBM隧洞，如何更快、以更高的经济效益实现洞内及时排水，是当前长距离反坡TBM隧洞排水系统设计的难点所在。

本文依托新疆某超长深埋TBM隧洞工程，确立了以堵为主、以排为辅的总体指导原则，提出了正常抽排系统和应急预案相结合的排水方案，实现了TBM反坡施工高效抽排水，确保了TBM正常掘进和人员安全。

2 工程概况

2.1 工程背景

新疆某TBM隧洞工程主洞长度38.253km，采用2台TBM施工（即TBM7、TBM8），开挖洞径约7m；T4支洞在0+352~5+124.247段采用TBM掘进，长度约4772.2m，其余洞段采用钻爆法施工，TBM掘进洞段纵坡坡度为11.5%，具体施工布置如表1和图1所示。

表1 工程分段规划表

工程分段	项目位置	起止桩号（m）		长度（m）	备注
TBM7	主洞	155+000	172+888	17888
钻爆	后配套、步进、始发洞段	172+888	173+253	365	支洞与主洞交点桩号173+253
钻爆	连接、安装、步进、始发洞段	173+253	173+618	365
TBM8	主洞	173+618	193+253	19635

图1 T4支洞纵断示意图

2.2 水文地质条件

本TBM7、TBM8工程段没有河流穿过，区内地表水贫乏，主要接受北部阿尔泰山区的冰雪融水和区内大气降水的补给，地下水径流方向总体上由北向南，最终流向准噶尔盆地中心。

本TBM7、TBM8工程段地下水主要类型为基岩裂隙水，裂隙水水量大多较小，没有连续的地下统一水面。地下水主要贮存于断层破碎带、裂隙密集带，隧洞内主要以渗水、滴水为主，局部出现线状流水。

3 超长深埋TBM隧洞反坡排水系统总体思路

TBM施工段出现不能及时处理的突涌水，将会对设备、人员和工期造成不可承受的严重后果。各参建单位在TBM施工前均充分重视抽排水系统的设计和突涌水的控制措施，以确保TBM出现突涌水时的人员和设备安全。

（1）在突涌水控制方面的总体原则为：以堵为主、以排为辅、堵排结合。

（2）在抽排水设计总体上考虑正常抽排加应急抽排的方案：

a) 正常渗水和施工用水的抽排系统设计；

b) 突发涌水的应急抽排方案设计；

c) 配备应急电源，确保突发停电情况下应急通风、照明和排水用电。

4 TBM施工段抽排水系统设计及质量控制

4.1 涌水量确定

根据前期现场地质勘查条件和设计复核结果，TBM7、TBM8、T4支洞设计排水能力分别为70m³/h、65m³/h、135m³/h，同时在辅助洞室与支洞交叉口附近做容量35 m³的集水仓。同时，在施工过程中坚持“以堵为主、以排为辅、堵排结合”的原则，在实际涌水量达到设计排水能力的80%时及时启动堵水灌浆施工，以有效减少实际用水量和排水压力。

4.2 正常抽排水系统设计

4.2.1 总体排水方案

（1）确定排水能力

根据最新设计文件明确的排水规模，支洞排水能力不小于135 m3/h，TBM7施工段排水能力不小于70m3/h、TBM8施工段排水能力不小于65m3/h。

（2）确定总体抽排方案

a) TBM设备段涌水抽排：利用TBM设备配置的水泵，将前端隧洞段渗涌水抽排至后配套台车上的污水箱内，再从污水箱利用水泵通过污水卷排至主洞排水管路。

b) TBM开挖段主洞排水：采用立式管道离心泵，每3000m布置1台ISG125-250B型管道泵，接力方式集中排至主支洞交叉部位（桩号173+223.00m）的集水仓。

c) 支洞排水：采用卧式离心泵两级排至洞外废水沉淀池。

4.2.2 TBM设备段涌水抽排

利用TBM设备配置的2台30m3/h（5.6kW）的水泵，将前端隧洞水抽至后配套台车上的污水箱内，经污水箱内的2台50m3/h（18kW）的水泵通过污水卷筒排至主洞排水管线。设备配置详见表2。

4.2.3 TBM开挖段主洞排水

TBM8施工段为顺坡掘进、反坡排水，采取逐级强排方式。TBM7施工段为反坡掘进、顺坡排水，由于主洞纵坡较缓（仅1/2583），自由排水不畅，根据实际施工经验，无法实现自流排水。为了实现排水目的，需辅以必要的强排措施。具体设计流程包含以下几部分：

（1）排水管设计原则

排水管路经济流速取1.0~1.5m/s，考虑到耐用性和经济型，综合考虑采用钢管作为排水管，排水管直径根据以下公式进行计算：

d=(4Q/(3600×π×v))1/2

式中: Q―流经管内流量（m3/h）；

v―流速，式中取1.0m/s。

经计算，TBM8施工段排水管选用φ168.3钢管。

（2）管路阻力计算

TBM8施工段每级排水长度为3000m：

式中：λ取0.0332，v取1.0m/s，d=168.3mm。

（3）扬程计算

（5）水泵选型

TBM8施工段排水选用立式管道离心泵，型号：ISG125-250B型，主要技术参数：Q=83m3/h、H=65m、N=37kW。

（6）管道壁厚计算

式中：

c—计入制造负偏差和腐蚀的附加厚度，取0.20cm；

—计算管段的最大工作压力（MPa），取1.0MPa；

—管子外径（cm）；

—管子焊缝系数，直缝焊接钢管取0.7；

[]—管材许应力，选择直缝钢管，[]=79MPa。

表2  TBM设备段排水设备配置表

排水位置	管路长度 （m）	管路规格 （mm）	排水设备	设备参数
TBM主机	195	Φ100	2台5.6kw水泵	Q=30m3/h、H=20m N=5.6kW
污水箱	20	Φ150	2台18kw水泵	Q=50m3/h、H=20m N=18kW

表3 主洞排水设备配置表

施工段	排水位置	排水高度 （m）	管路长度 （m）	钢管规格 （mm）	排水设备	设备参数
TBM8和 TBM7	每3000m一台	1.2	3000	Φ168.3×6.0	5-6台管道泵 ISG125-250B型	Q=83m3/h、H=65m N=37kW
	每1000m一台	0.4	1000		15-18台潜水泵WQ15-30-3JY	Q=15m3/h、H=30m N=3kW

表4 支洞排水设备配置表

排水级别	排水起点位置	排水高度 （m）	管路长度 （m）	钢管规格 （mm）	排水设备	设备参数
第一级排水	主洞173+223m处集水仓	291.0	2662	φ219×9.0	3台离心泵 MD155-67×6P	Q=155m3/h H=402m N=280kW
第二级排水	支洞2+519m处集水仓	313.7	2912	φ219×9.0	3台离心泵 MD155-67×6P	Q=155m3/h H=402m N=280kW

（7）排水布置

TBM8施工段布置1条Φ168.3×6.0普通钢管，采用卡扣连接。管路每3000m布置1台管道泵接力强排，沿途每1000m设置1台潜污泵向管道内排水。设备具体配置详见表3。

主洞排水管线沿水流方向右侧敷设，管路设置闸阀、止回阀，避免水流倒流毁坏水泵，采用锚杆固定于侧墙上方，见图2。

图2 主洞布置断面图

TBM7施工段属于顺坡，为方便现场施工管理，其排水布置完全同于TBM8施工段。

4.2.4 支洞排水

T4支洞排水规模135m3/h，设置两级排水，其排水设备配置详见表4。

支洞第一级排水：由主洞桩号173+223.00m至支洞桩号2+519.00m，排水管路长度2662m，其中主洞长度45m、支洞长度2617m。起点高程570.57m，终点高程861.58m，排水高差291.0m。集水仓布置在主洞桩号173+223.00m处右侧，扩挖深度10.0m，断面型式圆拱直墙型，断面尺寸10.36×9.48m（宽×高），有效容积345 m3。

支洞第二级排水：由支洞桩号2+519.00m至洞外废水沉淀池，排水管路长度2912m，其中支洞长度2564m、洞外长度348m。起点高程861.58m，终点高程1175.30m，排水高差313.7m。集水仓布置在支洞桩号2+519.00m处进洞方向左侧，扩挖深度19.0m，断面型式圆拱直墙型，断面尺寸8.2×8.6m（宽×高），有效容积407 m3。

具体设计及计算同TBM8和TBM7一致，经计算支洞设置两级排水，布置2条φ219×9.0mm无缝钢管，一备一用，采用法兰连接。每级排水布置3台MD155-67×6P型卧式多级离心泵（Q=155m3/h、H=402m、N=280kW），一备一用一检修。

沿支洞进洞方向左侧并排垂直敷设，管路采用锚杆固定于侧墙上方，见图3。

图3 支洞布置断面图

露天出露部分、距支洞口300m以内排水管线，缠绕电伴热带，同时加装5cm厚的聚氨酯保温管壳等保温材料。洞外废水沉淀池泵站搭建保温棚，内部设置取暖装置，确保冬季施工排水。

4.3 应急抽排水系统设计

应急抽排水系统设计的目的是在实际突涌水量超过设计排水规模（或设计突涌水量）的极端情况而导致TBM停机时，能够根据应急抽排水的方案，解决一定范围内的超量涌水，提高TBM设备面对突涌水时的安全系数。

由于TBM7在涌水量足够大的情况下可以实现自流排水，故TBM7不考虑应急抽排水系统。

TBM8应急抽排水主要措施如下：

a) 在TBM掘进段利用已开挖洞段，每隔3000m设置一座高1.7m的拦水坝，可以形成一个进1.2万m3的大水仓；上游拦水坝处水深约40cm，可以满足水泵作业的条件；在拦水坝处布置低扬程、大流量水泵（如QW300-7-11，流量300m3/h，扬程7m，功率11kw，每个拦水坝布置1台，则只需要6台。即新增66kW用电负荷即可形成主洞段300m3/h的抽排能力），可以不需要大幅增加用电需求的情况下快速将下游水仓的积水抽排到上游水仓；如此逐级抽排，可以在很大程度上降低TBM设备处水位，临时解决主洞抽排水问题。

b) 如果相邻工作面已贯通，则在现有支洞无法满足应急排水需要时，应考虑利用相邻已贯通的支洞和主洞，增加大型水仓和抽排水工作面。如引汉济渭2016年228突涌水抢险时就利用已贯通的1#和2#施工支洞和主洞，增加了两个约12万m3的大型水仓和抽排水工作面，并发挥了关键作用。

c) 在主洞排水泵供电变压器有足够富余量的情况下，利用上述方案可以快速形成供电能力。如有必要，可以考虑利用TBM供电电缆和新增变压器为应急抽排水系统进行应急供电。

4.4 质量控制措施

为保证排水和供电系统持续高效运转，故排水系统在进行方案设计时还需考虑以下三点：

（1）所有供电设备包括变压器和电缆要尽可能高置，并做好维保通道；

（2）水泵的位置和型号既要考虑维修、运行的方便，也要考虑高低水位变化、泥沙淤积等对抽排水效率和正常运行的影响，故建议正常抽排水可以考虑离心泵，但应急抽排水系统尽量考虑潜水泵，确保水位上涨后仍能进行抽排。

（3）权责到人，定期检修排水系统及电气设备，保证排水工作顺利进行。

5 结语

本文介绍了某超长深埋TBM隧洞的现场施工条件和工程概况，确立了以堵为主、以排为辅、堵排结合的突涌水控制原则。并根据TBM7、TBM8施工段以及支洞的线路特征，建立了TBM隧洞反坡正常抽排系统和应急预案相结合的排水方案，从而实现了超长深埋TBM隧洞反坡高效抽排水。本研究成果可为相关超长深埋TBM隧洞反坡抽排水系统布置提供参考。

参考文献

[1]加尔恒·多那依. 长距离,大坡度隧洞TBM施工排水系统设计浅析[J]. 陕西水利, 2019(9):3.

[2]张研. 隧洞TBM施工排水及突涌水专项施工措施分析[J]. 水能经济, 2017.

[3]高文涛, 吴志刚. 反坡排水技术在隧道涌水处理中的应用[J]. 土工基础, 2012,26(2):3.

[4]谢雄利. 长大隧洞TBM施工排水优化施工技术[J]. 建筑机械, 2019(5):3.

[5]蒋于波, 阳前坤. 特长深埋TBM施工隧洞反坡排水施工技术[J]. 水利建设与管理, 2017(1):5.

[6]孟诗然. 某TBM施工隧洞排水系统设计[J]. 东北水利水电, 2018,36(5):2.

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作者简介：

王红，1981.12，女，汉族，山东聊城市人，本科，高级工程师，从事水利水电工程建施工设技术及管理工作；

刘伟隆，1981.8，男，汉族，内蒙古赤峰市人，本科，高级工程师，从事水利水电工程建施工设技术及管理工作；

邢阿龙，1983.2，男，汉族，河南开封市人，本科，高级工程师，从事水利水电工程建施工设技术及管理工作。