大坡度反坡富水隧道固定泵站智能化技术研究

大坡度反坡富水隧道固定泵站智能化技术研究

路强

中铁十局第一工程有限公司  山东省济南市250031

摘要：本文以川藏铁路XX隧道2号斜井为依托，对固定泵站抽排水进系统行智能化改造，力求实现隧道抽排水的智能化控制，为类似工程的相关建设提供可参考的施工经验。

关键词：大坡度； 反坡； 富水； 固定泵站； 智能化

引言：

在解决富水隧道反坡排水方面，国内主要通过设置多个固定泵站的形式，利用大功率水泵进行梯级外排。在抽排水期间，固定泵站多只能利用人工对水泵进行启停，其运行效率较低、运行成本较高。面对川藏铁路超长隧道高富水大坡度的施工情况，众多的固定泵站极大增加了运维管理难度，对固定泵站开展智能化研究势在必行。

一、工程背景

新建川藏铁路XX隧道2号施工斜井位于海拔4300m的卡若区若巴乡叶绒沟南侧，斜井全长3666.5m，坡度-9.61%，设计最大日排水量达1.6万方，排水压力巨大。另外，该斜井是正洞四个掌子面的施工通道，承担正洞9437m的施工任务。为保证隧道渗流水的及时外排，在斜井每隔500-600m进行固定泵站系统建设。

二、固定泵站智能化设计思路

通过运用数字模拟，对固定泵站进行最优设计。同时，为解决设备故障，造成固定泵站抽排水系统停止运转所产生的不利影响，对关键节点的设备进行一备一用设置。结合固定泵站智能控制需求，通过智能化控制系统的设计与应用，实现对抽排水设备的智能化控制，保证抽排水系统的高效运转。另外，在固定泵站安装视频监控系统，提升对固定泵站运转情况的远程监控能力。

三、施工技术控制要点

3.1对固定泵站进行最优设计

利用数字化模拟技术实现对固定泵站间距、泵站尺寸及排水管道、水泵型号配置的最优设计，实现降低固定泵站系统排水能耗，保证排水设置满足隧道最大排水需求。另外，为提高设备运维管理能力，将主要排水设备统一厂家、统一型号。同时，对水泵、智能控制系统等进行一备一用设置，提升排水系统的应急处置能力。

3.2固定泵站基础建设

根据固定泵站结构尺寸，在隧道侧壁开挖洞室，并进行初期支护施工，利用混凝土形成底部汇水隔仓。为提高固定泵站的设备运行环境，对固定泵站基础上部的初支结构表面铺贴一层3mm厚防水板，其铺设要求与二衬防水板铺设要求一致。在防水结构施工完成后，在固定泵站基础上方安装钢制平台。

图3-1 固定泵站基础建设   图3-2 固定泵站施工平台安装

3.3水泵及排水管路安装

抽排水水泵按一备一用进行配置，并与排水管道进行有效连接。同时，为提备用水泵的快速启用能力，通过“Y”字型设计，将两套排水系统管道与主排水管道进行连接。一旦一台设备出现故障，实现另一台抽排水系统的快速切换。

图3-3 一备一用两台水泵   图3-4 排水管路两泵一管设置

3.4真空泵供水系统配置

为解决固定泵站离心泵启动上水问题，针对高原低压环境，研发真空泵供水系统。该真空泵系统由智能控制柜进行控制，并与智能水泵实现了智能化联动，提高了智能水泵的启动效率。

同时，为避免一套真空装置出现故障后，影响离心泵的使用。对真空装置进行优化改进，利用一套真空罐配套安装两台抽真空电机及两套进水系统，实现一备一用，提高应急处置能力，为固定泵站的正常运转提供了有效保障。

图3-5 真空装置一备一用设置 图3-6 进水过滤装置（一备一用）

3.5固定泵站智能化建设

为提高固定泵站抽排水智能化管理能力，减少人员投入，提高抽排水效率，在固定泵站内安装一套智能控制系统。该系统由智能水泵、排水闸阀、真空系统、PLC智能控制柜、软启动柜组成。系统通过数据传输光纤与液位计、离心泵系统、真空上水装置进行信息互连，利用信息化控制手段进行设置参数设定，实现抽排水设备的自动化精准启停，大大提升了固定泵站抽排水系统的自动化控制能力。

另外，该套智能控制系统还具备手动一键启动、远程启动控制、自动控制三种功能，方便施工方对固定泵站的管理。通过数字化大屏，实现了抽排水设备异常状态预警显示、维修保养提示等功能。当主要排水设备出现故障后，智能化控制系统可自动识别，并实现对备用设备的自动切换。

         图3-7 智能控制系统配置      图3-8 智能控制参数设置                

3.6增加固定泵站可视化监测系统

为提高对固定泵站运维的监管能力，通过设置水质自动监测、外排水量监测、用电量监测及视频监控等，提高了项目方管理人员对固定泵站运维效果的及时监管，提高固定泵站的运维能力。

图3-9 水质智能监控显示      图3-10 视频监控系统

3.7泥沙清理系统设计及使用

在固定泵站内，由于水泵吸附作用范围有限，高泥沙含量的汇水会带来大量泥沙在固定泵站底板进行沉积，从而直接影响泵站的汇水容量。因此，需定期对固定泵站内的泥沙进行有效清理。但受限于已安装的钢平台，造成泥沙清理困难。

依托隧道内使用的高压风系统，通过管道将高压风送至水池底部，利用高压风对泥沙进行吹流搅动。为保证供风压力，与掌子面用高压风管连接的主管道直径不小于15cm，并设置阀门。设置三根分管道沿泵站底部平行布置，分管道直径10cm，管道距泵站底部高度为30-40cm。为提高高压射流实施效果，底部管道环向设置直径不小于4mm圆孔，间距10cm。根据泵站底部泥沙淤积情况，每个班开启一次高压管道，开启时间不少于30min。

图3-11泥沙高压清理管道系统  图3-12高压清淤管道系统示意图

四、运营情况

XX隧道2号斜井自2021年12月开始施工，随着隧道开挖长度的增加，2022年4月份具备固定泵站建设条件，2022年5月份开始针对第一个固定泵站并进行智能化改造。2022年5月低完成改造并进行了验收，随后投入使用。截至2024年2月，该斜井已有3座固定泵站开展智能化运营工作。期间，整个系统运转良好。

五、结语

对固定泵站开展智能化技术研究及智能化应用，实现了固定泵站的智能化运维，提高了固定泵站智能化管控能力。其可视化监控手段的运用，提高了施工管理人员对泵站运行情况的远程实时掌握能力。通过配置电量、水量、水质监测设备，提高了对固定泵站的运营能力的管控水平。

另外，固定泵站排水系统关键设备一备一用模式的启用，极大提高了固定泵站的应急处置能力，消除了固定泵站设备故障所造成的掌子面被淹风险。

参考文献：

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[2]王生光.高寒地区隧道反坡抽排水施工技术[J].科学中国人，2016（12）：24-25.

[3]张 英.东江水利泵站运行智能化技术方案的构建[J].水利科学与寒区工程，2022（5）：146-148.

[4]范雪斌.智能化技术在泵站电气自动化控制中的应用[J].无线互联科技，2022（10）：77-78.

作者简介：路强，工程师，中铁十局川藏项目部副经理，主管现场生产工作。