厄瓜多爾CCS水電站雙護(hù)盾TBM針對(duì)大斷層脫困采取的施工技術(shù)

楊　弦，　周 長(zhǎng) 虹

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰　611830)

厄瓜多爾CCS水電站雙護(hù)盾TBM針對(duì)大斷層脫困采取的施工技術(shù)

楊弦，周 長(zhǎng) 虹

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰611830)

摘要：針對(duì)厄瓜多爾CCS水電站雙護(hù)盾TBM在掘進(jìn)過程中遇到的斷層破碎帶，提出了處理和解決的方案措施并予以實(shí)施，取得了較好的效果，可為今后雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：雙護(hù)盾TBM；斷層破碎帶；脫困；施工技術(shù)；厄瓜多爾CCS水電站

1工程概述

Coca Codo Sinclair 水電站(簡(jiǎn)稱CCS)位于南美洲厄瓜多爾共和國(guó)Napo和Sucumbios省內(nèi)，總裝機(jī)容量為1 500 MW。主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、壓力管道、地下廠房與發(fā)電系統(tǒng)等。CCS項(xiàng)目輸水隧洞總長(zhǎng)度為24.8 km，縱坡為0.173%，為無壓明流洞，設(shè)計(jì)引水流量為222 m3/s，采用全襯砌結(jié)構(gòu)形式。輸水隧洞采用2臺(tái)雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)同時(shí)施工，一臺(tái)從2A支洞(隧洞樁號(hào)9+878.18)向上游掘進(jìn)至1#支洞出洞，長(zhǎng)約9.8 km，另外一臺(tái)隧洞掘進(jìn)機(jī)從輸水隧洞出口(調(diào)節(jié)水庫庫區(qū)內(nèi))至2B支洞(隧洞樁號(hào)11+032.95)，長(zhǎng)約13.79 km；在TBM施工洞段，開挖直徑為9.1 m，混凝土管片襯砌采用左右環(huán)6+1形式(又稱萬能管片)，管片的內(nèi)徑為8.2 m，厚度為0.3 m，每環(huán)管片的長(zhǎng)度為1.8 m，管片外側(cè)回填豆礫石和砂漿并灌注水泥漿。

根據(jù)項(xiàng)目前期地質(zhì)勘查得知，輸水隧洞樁號(hào)11+500～21+000埋深200～500 m，圍巖巖性為侏羅系-白堊系迷薩華林地層(J-km)，山頂分布白堊系奧林地層(Kh)砂巖和那波地層(Kn)石灰?guī)r及泥灰?guī)r。該段發(fā)育5條斷層。

2雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工及斷層破碎帶對(duì)其產(chǎn)生的影響

2.1雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工原理

雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)有雙護(hù)盾和單護(hù)盾兩種掘進(jìn)模式。在掘進(jìn)施工過程中，需根據(jù)地質(zhì)圖、石渣、前序掘進(jìn)參數(shù)、超前地質(zhì)探測(cè)結(jié)果等對(duì)掌子面圍巖狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，據(jù)此選擇相應(yīng)的掘進(jìn)模式及掘進(jìn)參數(shù)。

雙護(hù)盾模式應(yīng)用于圍巖條件較好的情況下掘進(jìn)，倚靠支撐盾上的支撐靴支撐在洞壁上，在掘進(jìn)的同時(shí)可完成在尾盾拼裝管片、豆礫石回填等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與管片安裝同步作業(yè)。

單護(hù)盾模式應(yīng)用于斷層、圍巖破碎帶及軟巖條件下的掘進(jìn)，撐靴全部收回，主推進(jìn)油缸也收回，前盾和支撐盾作為一個(gè)整體，掘進(jìn)過程中輔助推進(jìn)油缸頂緊已經(jīng)拼裝好的管片提供推力，TBM掘進(jìn)時(shí)無法安裝管片，只有待管片拼裝及換步調(diào)向等工序完成后方可繼續(xù)掘進(jìn)。

2.2斷層破碎帶對(duì)TBM掘進(jìn)施工的影響

鑒于該隧洞處于高地應(yīng)力區(qū)內(nèi)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈，斷層較發(fā)育，易產(chǎn)生地應(yīng)力聚集，巖體可能會(huì)發(fā)生變形、崩解等破壞現(xiàn)象。TBM在掘進(jìn)過程中遇到圍巖不穩(wěn)定而導(dǎo)致快速變形或大體積坍塌，使得圍巖體容易卡住TBM刀盤而使其無法轉(zhuǎn)動(dòng)，從而嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

3TBM掘進(jìn)時(shí)遇到的K16+127大斷層破碎帶

2013年12月9日，TBM采用單護(hù)盾模式掘進(jìn)至樁號(hào)K16+127.41時(shí)刀盤前方突遇塌方，大量渣料瞬間超過皮帶機(jī)的運(yùn)渣能力，導(dǎo)致皮帶供電系統(tǒng)故障，不能運(yùn)行，大量巖渣外溢，掉落于回程皮帶和TBM后配套內(nèi)，小火車軌道被埋不能運(yùn)輸，TBM被迫停止掘進(jìn)。事發(fā)后，采取了在刀盤內(nèi)鉆孔實(shí)施化學(xué)灌漿和水泥灌漿并封堵護(hù)盾與主軸承之間的間隙以防止?jié){液流出的措施。但在實(shí)際灌漿中，漿液還是從護(hù)盾部位流入刀盤，甚至出現(xiàn)了漿液直接流入護(hù)盾外的情況，灌漿的效果達(dá)不到預(yù)期的固結(jié)目的。

項(xiàng)目部對(duì)TBM通過大斷層的處理方案進(jìn)行了充分研究、討論，決定采用左右各開挖一條旁洞進(jìn)入斷層破碎帶，之后根據(jù)實(shí)際揭露的圍巖地質(zhì)情況確定揭頂開挖位置，采用導(dǎo)洞揭頂開挖及管棚法處理斷層破碎帶，直到揭頂開挖至滿足TBM掘進(jìn)條件為止。

4施工布置

4.1施工風(fēng)水電系統(tǒng)

利用TBM自帶風(fēng)水電系統(tǒng)為旁洞和導(dǎo)洞開挖提供支持。

4.2通風(fēng)散煙

旁洞最長(zhǎng)開挖約15 m，可以不考慮旁洞內(nèi)的散煙，直接利用TBM自帶風(fēng)機(jī)由主洞內(nèi)散煙。導(dǎo)洞開挖期間兩旁洞已貫通，可形成循環(huán)通風(fēng)條件，從TBM自帶風(fēng)機(jī)接φ600帆布風(fēng)筒進(jìn)入左側(cè)旁洞，另一側(cè)旁洞作為循環(huán)通風(fēng)出口。

4.3其他

利用TBM工業(yè)廣場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)備與資源。

5施工順序

TBM脫困施工順序見圖1 。

6施工方案

6.1施工準(zhǔn)備

(1)對(duì)位于旁洞進(jìn)口附近的TBM設(shè)備進(jìn)行必要的拆除或轉(zhuǎn)移。

(2)采用I16工字鋼與擬開洞高程搭設(shè)剛性保護(hù)平臺(tái)兼做作業(yè)平臺(tái)。平臺(tái)頂部滿鋪10 cm×10 cm木枋，并采用鐵絲與平臺(tái)進(jìn)行可靠固定。平臺(tái)兩端采用鋼管設(shè)置高度約為1.5 m的欄桿并采用木板或鋼板封閉，防止人員墜落受傷和大塊炮渣掉落后損傷設(shè)備。平臺(tái)中間設(shè)1 m×1 m的溜渣孔，溜渣孔上方采用φ25鋼筋按20 cm×20 cm設(shè)置過濾網(wǎng)，防止卸渣時(shí)大塊的渣料損壞皮帶。

(3)對(duì)所有已安裝管片背部充填豆粒石至飽滿。

(4)采用φ25錨桿對(duì)4 791～4 795環(huán)上所有上半部分的管片進(jìn)行鎖定。鉆孔位置利用管片上的操作孔，盡量減小對(duì)管片的損壞。采用螺栓加墊板的方式鎖定管片。

6.2旁洞施工

6.2.1管片開孔

利用風(fēng)鎬或電鎬按圖2所示在第4 793環(huán)對(duì)AL、BL和FL管片進(jìn)行部分拆除并切斷鋼筋，露出巖面。

6.2.2旁洞開挖

旁洞開挖采用人工手風(fēng)鉆鉆孔，淺孔弱爆破，循環(huán)進(jìn)尺為0.8～1.2 m，周邊光面爆破，線裝藥密度為127 g/m。進(jìn)口位置先進(jìn)行兩茬掏槽爆破，再進(jìn)行崩落孔和周邊孔爆破，逐步形成旁洞開挖工作面，并朝刀頭方向延伸旁洞。開挖出渣采用人工手推車將炮渣運(yùn)至操作平臺(tái)的溜渣孔，TBM連續(xù)皮帶系統(tǒng)運(yùn)渣至洞外。

6.2.3旁洞支護(hù)

旁洞支護(hù)需根據(jù)圍巖情況確定支護(hù)類型和順序。Ⅳ類圍巖根據(jù)需要采用自進(jìn)式超前錨桿固結(jié)灌漿，開挖后首先噴3～5 cm厚混凝土封閉、圍巖再鉆設(shè)φ25系統(tǒng)錨桿并掛網(wǎng)，掛網(wǎng)后補(bǔ)噴混凝土0～15 cm厚；Ⅴ類圍巖采用自進(jìn)式錨桿進(jìn)行超前固結(jié)，至少每三個(gè)循環(huán)進(jìn)行一次超前固結(jié)灌漿。開挖后首先噴3～5 cm厚混凝土封閉圍巖，再掛網(wǎng)并安設(shè)工字鋼拱架，最后鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿并補(bǔ)噴厚10～15 cm的混凝土。具體開挖支護(hù)情況見圖2。

6.3對(duì)斷層破碎帶實(shí)施鉆孔取芯

在兩側(cè)旁洞內(nèi)各進(jìn)行一個(gè)鉆孔取芯，鉆孔取芯長(zhǎng)度貫穿整個(gè)斷層破碎帶且至少要有長(zhǎng)度10 m的、RQD(巖石完整系數(shù))大于或等于60%的良好巖石，根據(jù)取芯成果對(duì)導(dǎo)洞施工方案進(jìn)行優(yōu)化。

6.4導(dǎo)洞施工

根據(jù)左、右旁洞開挖后揭露出的巖石情況，將左、右旁洞拐點(diǎn)確定在輸水隧洞樁號(hào)K16+134.87。從左、右旁洞向中間徑向開挖，逐步形成上部導(dǎo)洞圓掌子面；向前領(lǐng)進(jìn)開挖導(dǎo)洞穿過斷層破碎帶，直至其進(jìn)入較好的圍巖洞段為止。

6.4.1超前管棚施工

考慮到導(dǎo)洞地質(zhì)條件差，開挖前對(duì)導(dǎo)洞頂拱120°范圍內(nèi)采用手風(fēng)鉆施工自進(jìn)式錨桿(φ25@35 cm，L=6 m，外插角約10°)并固結(jié)灌漿，形成超前管棚，每3個(gè)循環(huán)進(jìn)行一次超前錨桿固結(jié)灌漿施工。

6.4.2導(dǎo)洞的開挖、支護(hù)施工

(1)導(dǎo)洞分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ部分開挖、支護(hù)，見圖3。

(2)導(dǎo)洞開挖采用人工手風(fēng)鉆鉆孔裝藥爆破(小藥量、短進(jìn)尺、弱爆破)，人工、小型裝載機(jī)配合出渣，每循環(huán)進(jìn)尺約1 m。爆破裝藥量控制情況見表1。

(3)導(dǎo)洞的開挖與支護(hù)。

采用分部開挖的方式，及時(shí)進(jìn)行噴混凝土+鋼支撐+掛網(wǎng)噴混凝土+系統(tǒng)錨桿支護(hù)的導(dǎo)洞開挖支護(hù)，直到掌子面圍巖滿足掘進(jìn)條件為止。

6.4.3固結(jié)灌漿及鋼拱架加固

導(dǎo)洞開挖、支護(hù)完成后，實(shí)施頂拱固結(jié)灌漿和鋼支撐拱腳加強(qiáng)鎖腳及固結(jié)灌漿，并將所有鋼支撐拱腳用φ25鋼筋焊接，澆筑斷面為400 mm×400 mm鋼筋混凝土梁，具體加固措施見圖4。

7TBM準(zhǔn)備掘進(jìn)

2014年5月22日，導(dǎo)洞支護(hù)及各項(xiàng)加固措施經(jīng)驗(yàn)收合格、滿足條件后準(zhǔn)備開始掘進(jìn)。在掘進(jìn)過程中，密切關(guān)注兩側(cè)拱腳，同時(shí)在掘進(jìn)后的兩側(cè)拱腳部位及時(shí)回填豆粒石包袋或豆粒石加水泥混裝袋。

8結(jié)語

通過采用上述的施工方法，TBM順利地通過了塌方段，證明采用這種脫困方法是可行的，從而為今后雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)脫困施工提供了借鑒。

楊弦(1987-)，男，湖北天門人，助理工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

周長(zhǎng)虹(1986-),男，四川冕寧人，助理工程師，從事工程測(cè)量工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-02-15

文章編號(hào):1001-2184(2015)02-0021-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV52;TV554

作者簡(jiǎn)介: