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反坡斜井截水栈桥在TBM施工中的应用

发表时间：2020/11/12 来源：《基层建设》2020年第22期作者：阮超

[导读] 摘要：作为国内罕见的长距离大坡度顺坡TBM法施工项目，新疆T3勘探试验洞在施工过程中需要解决大坡度长距离单向物料运输，长距离反坡排水困难等问题。

        中国水利水电第六工程局有限公司辽宁沈阳 110179
        摘要：作为国内罕见的长距离大坡度顺坡TBM法施工项目，新疆T3勘探试验洞在施工过程中需要解决大坡度长距离单向物料运输，长距离反坡排水困难等问题。为解决TBM施工排水问题，我们采用多级固定水箱逐级强排的方案，将汇集到TBM主机前端的废水和洞内涌水，用潜污泵抽排至TBM设备的水箱经排水卷盘排至固定水箱后逐级排至洞外污水处理系统。随着TBM开挖斜井的延长，洞内涌水量不断增加，汇集到TBM主机前端的水量越来越大，一旦排水不及时将使TBM设备受淹，即影响TBM开挖进度又增加了施工成本。如何防止洞内涌水不向TBM主机汇集成为解决问题的关键。
        关键词：反坡斜井截水栈桥；TBM施工；应用
        1.工程概况
        T3勘探试验洞进口高程1176.948m，与主洞交点高程571.384m，明槽长度203.628m，隧洞长度5352.247m，采用开敞式TBM掘进机独头顺坡开挖，断面尺寸8.0m。洞身纵坡11.5%，洞内废水主要为TBM施工产生废水和岩石裂隙渗涌水以及明挖段汇集流入洞内的雨水。
        2.水文地质情况
        根据地质资料，该隧洞段主要为基岩裂隙水，涌水量小，洞壁以渗水、滴水为主，断层带内以线状水流为主。地下水对普通混凝土具有强腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性。
        3.TBM施工排水方案
        对洞内渗涌水及施工废水，采用强排措施，即收集顺坡汇集至TBM设备主机位置的积水，采用潜污泵抽排至TBM掘进机后配套设置的水箱，经初步沉淀后，再由高扬程水泵分级泵送至洞外污水处理系统。试验洞总长5352.2m，坡度11.5%，排水系统需满足615m高度扬程要求，即采用多级固定水箱逐级强排方式，固定水箱布置间距1000m，共分五级排水。

        4.排水方案未能解决的问题
        随着TBM开挖距离的延长，尤其是TBM开挖超过3000m后，在下一级固定水箱未安装前，所有的岩石裂隙渗涌水量和水流速度不断增加，夹带沿线底板泥渣进入TBM主机最前端，并快速淤积沉淀抬高水平面。一旦排水不及时就会造成TBM的液压回油泵及驱动电机等部件被水淹没，影响施工进度增加施工成本。
        5.截水栈桥设计思路
        安装截水栈桥主要从“截”的角度出发，根据涌水量的大小，在长距离顺坡洞不同部位截住沿线裂隙渗涌水，经截水栈桥截住的裂隙渗涌水用潜污泵抽排至固定的水箱逐级排放至洞外,减小乃至杜绝TBM主机前的积水。截水栈桥采用钢结构拼装，安装速度快，不影响TBM施工，可满足物料运输和截水两用的效果。
        6.截水栈桥的设计
        6.1截水栈桥布设位置
        考虑桩号3+850处的水量较大，且栈桥上方皮带中间驱动部位（桩号3+750）有两处较大的岩石裂隙渗涌水，水量约为5m³/h。为将这两处的渗涌水截住，将栈桥布置在3+850处。距上方固定水箱100m,坡度11.5%，排水水泵需满足15.5m（水箱和栈桥的高差11.5m+水箱高度4m）高度扬程要求即可。

        6.2渗水量的统计
        桩号：0+000～3+850之间有5处岩石裂隙渗涌水较大的地方，分别为桩号：0+564有约为3m³/h的渗涌水量、1+635有约为3m³/h的渗涌水量、2+345有约为5m³/h的渗涌水量、2+750有约为5m³/h的渗涌水量、3+840有两处共计约为5m³/h的渗涌水量，总计渗涌水量约为21m³/h，再加上洞内其他小的渗水点，桩号：0+000～3+850段总渗涌水量按约为25m³/h计算。
        6.3排水设计计算
        1）排水管选型计算：
        排水管直径：dp=（4Q/（3600×π×V））1/2
        =（4×25/（3600×π×1.5～2.2））1/2=76～63mm。
        式中:Q―流经管内流量（m3/h）；
        V―管口水流速度，一般排水管口V=1.5～2.2m/s。
        选用DN75的胶管，为确保施工中的安全，管路设置两条，一备一用，每条管路长度为100m。
        2）、水泵选型
        （1）选型依据
        截水栈桥水泵排水量25m3/h，扬程15.5m，输水距离100m。
        （2）水泵扬程

        3）管路流速
        VP=4Q/（3600πdp2）=4×50/（3600×π×0.115×0.115）=0.66m/s。
        式中：dp—排水管内径；Q—流量；v—流速。

        截水栈桥三维效果图
        4）功率最小需求
        N=H×Q×A×g/(η×3600×100)
        =15.5×25×1020×9.8/(0.745×3600×100)
        =14kw
        式中：H—扬程（m）；Q—流量（m3）；A—渣浆密度（kg/m3）；η—效率（74.5%）。
        6.4截水栈桥结构
        截水栈桥总长3.4m，宽3.5m，高0.4m。栈桥的轴线与洞轴线平行栈桥采用20mm工字钢和5mm钢板制作拼接而成。组装后需在底板上打孔布设φ30的钢筋，孔内用锚固剂填满，将栈桥与插筋焊接防止长时间物料运输使栈桥移动。为了方便物料运输，在栈桥拼装后及时用石料填出缓坡台。
        栈桥内设有4条横向20mm工字钢，前3条工字钢前分别安装了过滤钢网，将泥渣和水中的垃圾拦截在潜污泵之前，减小潜污泵淤堵损坏的可能性。安排专门人员定期的对滤网内的泥渣进行清理。
        7.截水栈桥的应用效果

        截水栈桥截水前                                    截水栈桥                                截水栈桥截水后
        3+850前岩石裂隙渗涌水经过栈桥截流排至3+750处固定水箱，有效防止该段水向TBM主机前端汇集，减小TBM主机处的排水压力，降低了设备被淹的风险，使TBM的掘进时间增长、利用率增大。
        截水栈桥的成功应用，彻底解决了顺坡敞开式TBM法开挖过程中大量渗涌水汇集到TBM主机前端的问题，同时满足道路物料运输的需求，为TBM斜井开挖赢得了宝贵的时间。
        参考文献
        [1]GB 50015-2003.建筑给水排水设计规范 (2009年版).