张青松

（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁沈阳 110179）

1 工程概况

隧洞长度38253m，开挖洞径7.0m，纵坡i=1/2583，采用2 台TBM 施工（TBM1、TBM2），其中TBM1 掘进段17888m、辅助洞室730m、TBM2 掘进段19635m。本工程最大排水规模986m3/h，其中TBM1 施工段420m3/h、TBM2 施工段566m3/h。

2 排水方案

2.1 TBM1 施工段

为逆坡掘进、顺坡排水、施工废水可形成自流，考虑文明施工要求，采取辅助排水措施。排水设施按Q=180m3/h 配置，超过180m3/h 的水量将采取自流方式排至辅助洞室集水仓，每3000m 布置1 套排水设备，共设置5 级，采用管道泵接力排水，施工排水流程：TBM1设备→1 级管道泵→2 级管道泵→…→5 级管道泵→辅助洞室集水仓→洞外污水处理系统。

2.2 TBM2 施工段

为顺坡掘进、逆坡排水，施工废水集中流向掌子面，为防止淹机事故，采取强排措施[1-2]。排水设施按最大涌水量配置，每4000m 布置1 套排水设备，共设置4 级，采用集水仓、卧式离心泵接力方式集中排至辅助洞室集水仓，施工排水流程：TBM2 设备→1 级集水仓→2 级集水仓→ 3 级集水仓→4 级集水仓→辅助洞室集水仓→洞外污水处理系统。

3 排水计算

3.1 TBM2 施工段

3.1.1 管径选择

排水系统管路流速取v=1.0m/s ～2.2m/s，排水管选型计算如下[3-5]。

式中：Q—流经管内流量（m3/h）；v—流速，式中取2.0m/s。

通过计算，TBM2 施工段排水管径316mm，按断面计算，配置2 条管路，其中1 条φ219.1mm、1 条φ244.5mm 管路。

3.1.2 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；p—计算管段的最大工作压力（MPa），取1.5 MPa；Dw—管子外径（cm）；φ—管子焊缝系数，直缝焊接钢管取0.7；[σ]—管材许应力，选择直缝钢管，[σ]=79MPa。

（1）φ219.1mm 钢管：

TBM2 施工段排水管路选择1 条6.0mm 厚φ219.1mm普通钢管。

（2）φ244.5mm 钢管：

TBM2 施工段排水管路另选择1 条6.0mm 厚φ244.5mm普通钢管。

3.1.3 水泵配置

根据排水规模以及管路布置，考虑排水量梯度情况，配置3 台卧式离心泵，流量分别为：Q1=120m3/h、Q2=120m3/h、Q3=335m3/h，满足最大排水规模566m3/h 要求，其中Q1、Q2共用1 条φ219.1×6mm 管路，Q3单独使用1 条φ244.5×6mm 管路。

3.1.4 实际流速计算

（1）当Q=120m3/h、1条φ219.1×6mm管路（d=207.1mm）时，v=4Q/(3600πd2)=0.99m/s。

（2）当Q=240m3/h、1条φ219.1×6mm管路（d=207.1mm）时，v=4Q/(3600πd2)=1.98m/s。

（3）当Q=335m3/h、1 条φ244.5×6mm（d=232.5mm）时，v=4Q/(3600πd2)=2.18m/s。

3.1.5 管路阻力计算

TBM2 施工段每级排水长度按4000m 考虑。

式 中，d=207.1mm时、λ=0.0304，d=232.5mm时、λ=0.0284。

局部水头损失：

式中，ζ=1.0+10+3=14，闸阀1 个、逆止阀1 个、标准弯头3 个。

（1）当d=207.1mm、v=0.99m/s 时，则

（2）当d=207.1mm、v=1.98m/s 时，则

（3）当d=232.5mm、v=2.18m/s 时，则

3.1.6 扬程计算

式中：HP=4000/2583=1.5m；Hg取3.0m，水泵吸上高度；1.02 系数主要考虑余量扬程。

（1）当Q=120m3/h、d=207.1mm 时：

（2）当Q=240m3/h、d=207.1mm 时：

（3）当Q=335m3/h、d=232.5mm 时：

3.1.7 水泵选型

TBM2 施工段排水选用卧式离心泵，每级布置3 台，其中：2 台MD120-50×3P 技术参数：Q=120m3/h、H=150m、N=90kW；1 台MD280-43×4P，技术参数：Q=335m3/h、H=152m、N=200kW。

3.2 TBM1 施工段

TBM1 施工段采用管道泵接力强排，每3000m 布置1 台排水设备，排水能力按180m3/h 考虑，按照上述计算：TBM1施工段排水管路选择1 条6.0mm 厚φ219.1mm 普通钢管，管道泵型号ISG200-400，主要技术参数：Q=200m3/h、H=50m、N=45kW。沿途根据实际情况设置潜污泵向管道内排水。

4 排水管路布置

TBM1 施工段布置1 条Φ219.1×6.0mm 排水管路；TBM2施工段布置1条φ219.1×6.0mm、1 条φ244.5×6.0mm 排水管路，采用卡扣连接，由锚杆固定于洞壁上。管路设置闸阀、止回阀，避免水流倒流毁坏水泵[6]。露天部分、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，确保冬季顺利施工排水[7]。

5 集水仓设计

TBM2 施工段集水仓设置是接力排水的关键，要因地制宜。钻爆开挖集水仓将影响工期，设置水箱将占隧洞有限空间，影响TBM 掘进物料运输机车通行。综合以上因素，通过计算分析设计了架高机车轨道，利用下部空间作为集水仓的储水方案（见图1）。考虑最大件运输问题，机车轨道架设高度1.2m；考虑容积问题，架设长度140m，容积320m3，并设三级沉淀。同时利用集水仓上部平台，安装机车轨道道岔，实现了TBM 掘进长距离单线物料运输会车的目的。

图1 TBM2施工段接力排水集水仓

6 自动化控制

排水泵站手工操作，不仅难以排除管路最高处聚集的空气，而且耗费人工、效率低下、排气耗时长。自动化控制节省成本，安全可靠。为实现排水全自动启停，在主泵的进出水口处加装自动排气阀；在主泵的正下方安装一台辅泵，利用辅泵直接把污水送到主泵泵腔；在主泵上方管接头安装压力表，并在排污管道最高处加装自动排气阀（见图2）。通过以上措施，采用水位传感器实现了自动排气、自动上水、自动启泵和自动停泵。

图2 自动化排水配置图

7 提升排水效率

在排水泵组的安装过程中，鉴于现场工况，排水管路会出现高低起伏的情况，与水泵连接管路隆起的最高处会有空气聚集，而且越聚越多，排水管隆起的高处聚集的空气对管路中行进的污水会造成巨大阻力，削减其扬程，减少其流量，从而降低排水泵的工作效率。水泵泵腔中的空气与管路隆起高处聚集的空气是造成水泵排水效率低下的原因。

排水系统是一个带压的密闭系统，既要把泵腔及管路中的空气排掉，又要防止污水产生泄漏。因此，首先在辅泵出水处加装自动排气阀，排净辅泵出水管与主泵泵腔中的空气，然后在排水管隆起的最高处安装自动排气阀，排走主泵泵腔、主排水隆起最高处管路中的空气。

安装两组自动排气阀，保证主泵、辅泵正常排水；大大降低污水在排水管路中行进时所受到的阻力，避免做无用功，达到省电节能的目的，提高主辅泵吸水流量，从而提升主泵排水效率，为实现排水自动化提供条件。

8 结语

TBM 法长大隧洞施工，长距离逆坡排水，是施工的重点和难点，设备选型必须安全可靠，排水级数要结合实际综合考虑，排水设施配置要分析排水量梯度问题。本文通过计算分析、合理规划，降低了排水成本，提高了TBM利用率，可为类似工程施工提供参考和借鉴。