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厄瓜多爾CCS項目雙護盾TBM通過斷層破碎帶施工技術(shù)研究與實施

2018-06-26 03:41
水利建設(shè)與管理 2018年6期
關(guān)鍵詞:出渣礫石塌方

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610072)

1 工程概述

厄瓜多爾克犬克多辛克雷(簡稱CCS)水電站位于厄瓜多爾東部的Coca河流域,為引水式電站,主要由首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)節(jié)水庫進場道路、調(diào)節(jié)水庫、壓力管道和地下廠房組成,機組共8臺,總裝機1500MW。工程合同為標準EPC合同范本。合同工作內(nèi)容包括項目的勘察設(shè)計、土建及金屬機構(gòu)安裝施工、永久設(shè)備及電氣設(shè)備的采購、安裝及調(diào)試等。

CCS水電站輸水隧洞全長24.8km,開挖洞徑9.11m,縱坡0.173%,為無壓明流洞,設(shè)計引水流量222m3/s?;炷凉芷捎妙A(yù)制管片,分左右環(huán)6+1形式,厚度為0.3m,襯砌后洞徑8.2m。輸水隧洞由2臺雙護盾TBM進行施工,2號TBM輸水隧洞下游K11+019~K24+779段(L=13760m)的施工(以下簡稱TBM2),占輸水隧洞總長度的55.5%,是整個CCS項目的關(guān)鍵線路。輸水隧洞平面布置示意圖如圖1所示。

圖1 輸水隧洞平面布置示意圖

2 TBM2突遇斷層破碎帶事件背景

2013年12月9日05:20,掘進至樁號16+127.41時,單護盾掘進模式,刀盤前方突遇塌方,大量渣料瞬間超過3號皮帶的運渣能力,導(dǎo)致皮帶供電系統(tǒng)故障不能運行,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輸,TBM被迫停止掘進。現(xiàn)場人員立即檢查刀旁及前方圍巖,頂拱11點至12點方向出現(xiàn)局部塌方,組織人員對回程皮帶上的巖渣、后配套軌道和小車軌道進行清理。在初步判斷后再次啟動刀盤準備掘進時,刀盤的最大扭矩已達17.9MN·m,仍不能啟動刀盤。

通過3號皮帶斷面和掘進出渣時間初步計算塌方量:

?3號皮帶正常運渣截面面積為0.1m2,超載運渣截面面積為0.18m2;?3號皮帶正常運渣約2/3,超載運渣約1/3;?皮帶運渣速度為2.6m/s;?12月9日清晨掘進2.64m,時長46min,正常出渣方量為264m3,但因前方塌方,出渣方量遠大于此數(shù)值;?根據(jù)以上參數(shù)可計算出渣方量為917.28m3。

通過以上數(shù)據(jù)分析,掘進了2.64m的出渣量為正常出渣量的3.5倍,說明已出現(xiàn)較大塌方,并且根據(jù)判斷,上部已形成了較大空腔。若繼續(xù)強行掘進,空腔區(qū)若再次發(fā)生大塌方,勢必造成設(shè)備或管片損壞,并且威脅人員安全。故決定停止掘進,論證快速解決辦法。

3 區(qū)域段地質(zhì)情況分析

通過地質(zhì)資料分析,該區(qū)劃段埋深約450m,在16+800樁號附近有一錯動斷層,但在實際掘進中,16+800附近并未出現(xiàn)斷層和明顯圍巖變化,圍巖巖性為侏羅系—白堊系迷薩華依地層(JKm)安山巖?,F(xiàn)掘進樁號已通過預(yù)測斷層樁號約670m,判斷現(xiàn)樁號圍巖破碎帶與預(yù)測16+800樁號錯動斷層息息相關(guān),為此決定不能魯莽掘進,以免引起大塌方壓住TBM全機,造成災(zāi)難性的后果。

4 初期采取的快速解決措施

經(jīng)過對前方圍巖、TBM系統(tǒng)、刀盤以及伸縮盾的檢查后,嘗試采用正反轉(zhuǎn)交替方式啟動刀盤,在系統(tǒng)規(guī)定的參數(shù)下,未能正常啟動,但刀盤有反應(yīng),有渣料掉出。由于刀盤尚存有活動空間,為確保主軸承工況,采用刀盤內(nèi)打孔或鉆孔進行化學(xué)灌漿加固前方塌方松散巖體并超前鉆探前方巖體情況,同時采用手風(fēng)鉆在9號、16號刀孔位置(中心部位)進行探孔檢查,判斷前方地質(zhì)情況。為減少出渣量,局部封堵4處鏟斗,為減小刀盤扭矩,拆卸6把滾刀。

刀盤內(nèi)打孔采用直徑25mm鋼管沿頂部鏟斗及邊刀處直接打入,鉆孔采用改裝短氣腿手風(fēng)鉆,分段加連接套鉆入自進式鉆桿,打孔及鉆孔長度以進入巖體打不動為準,盡量加大入巖長度,采用氣動注漿泵注入瑞米加固充填一號(A組份和B組份)。超前鉆探采用TBM自帶超前鉆機,從尾盾入孔處鉆進,計算推進速度并記錄卡鉆或出現(xiàn)空洞現(xiàn)象。

在起初實施完化學(xué)灌漿后,通過觀察松散巖體,化學(xué)灌漿材料已基本形成保護殼,為進一步加強松散體固結(jié)效果,決定再次通過刀盤內(nèi)鉆孔采用水泥間歇式灌漿,并封堵護盾與主軸承之間的間隙,防止?jié){液流出。但實際灌漿中,漿液仍從護盾部位流入刀盤,甚至出現(xiàn)漿液直接流至護盾外的情況,只能暫停灌漿。水泥灌漿的效果達不到預(yù)期的加固目的。

通過以上應(yīng)急措施的實施,以及多方論證,1月6日再次啟動掘進,但由于渣量過大,上方巖體依然存在塌方,在掘進完65cm后,渣量超過皮帶負荷造成皮帶停機,故停止掘進。通過此次掘進分析,該巖體非常破碎,若實施化學(xué)灌漿強行緩慢掘進,不僅成本劇增,工期無法控制,而且安全風(fēng)險進一步加大,上部塌空區(qū)將進一步擴大,因此決定停止化灌固結(jié)轉(zhuǎn)入下步解決方案。

5 方案研究論證與實施

5.1 旁洞+固結(jié)灌漿

利用左右側(cè)開挖小斷面旁洞至圍巖較好區(qū)域后,沿旁洞周邊鉆孔進行化學(xué)灌漿及水泥灌漿。若要快速開挖旁洞到達較好巖石,勢必斷面小、支護速度快,而小斷面采用鉆孔設(shè)備受限,新購鉆機也需4—5個月的時間,且費用昂貴。另外,旁洞開挖距離遠,人工出渣將會受到極大制約,效率將會明顯下降;此外,即使加大投入,保證出渣,確保旁洞按期到達較好巖石,此后的鉆孔效率是否會受破碎圍巖影響而大打折扣,灌漿效果能否保證TBM掘進需要仍不確定。因此,若要保證灌漿效果,唯有增加灌漿孔數(shù)量,但工期長、費用高、不易控制等因素對處理高效TBM施工不可取。

結(jié)論:受斷面限制,鉆機尺寸無法快速滿足要求,且灌漿帶來的未知效果將會產(chǎn)生另外一種風(fēng)險,故此方案無法滿足現(xiàn)有要求。

5.2 旁洞+上導(dǎo)洞揭頂開挖

利用左右側(cè)開挖小斷面旁洞至護盾區(qū)域較好巖石段,貫穿左右旁洞形成鋼支撐大拱,在鋼支撐的保證下,順軸線方向采用超前灌漿管棚、架設(shè)鋼支撐和系統(tǒng)支護,從后向前穩(wěn)步處理塌方體或松散體。通過伸縮縫觀察,此處圍巖與護盾存有間隙,未發(fā)生塌方,說明有一定條件在此位置開挖形成左右連接洞,若在實際開挖過程中連接洞成型困難,可采取架設(shè)臨時鋼支撐和后退至好巖石段形成連接洞。采用此方法時,注意要始終保持在安全的前提下穩(wěn)步處理,遵循常規(guī)處理不良地質(zhì)段的原則。

結(jié)論:此方法由后向前處理塌方體,可直觀進入塌方體作為下一步TBM掘進判斷的依據(jù),且對塌方體一步處理到位,不留后患;若要加固周邊松散塌方體,采用的鉆機尺寸也能滿足空間要求,且保證系數(shù)大。另外,資源配置也能得到保證,快速啟動施工,對處理進度有利。此外,對掘進了8.5km的刀盤來說,能有空間和時間進行維護。故采用旁洞+上導(dǎo)洞揭頂開挖作為斷層破碎帶施工方案。

6 旁洞+上導(dǎo)洞揭頂開挖設(shè)計與施工

6.1 旁洞設(shè)計與布置原則

?盡量靠近尾盾部位,利用豆礫石高程平臺;

?考慮爆破影響,保護油缸等電器設(shè)備,旁洞位置需形成有效保護空間;

?充分利用1號皮帶機進行出渣;

?結(jié)合后期恢復(fù)掘進后,掘進模式依然采用單護盾,需考慮輔推油缸的行程和管片的穩(wěn)定;

?考慮人工出渣方式,減小工程量;

?考慮旁洞爆破開挖對尾盾及管片之間的破壞影響。

6.2 上導(dǎo)洞揭頂開挖設(shè)計原則

?揭頂開挖在護盾上設(shè)計高度按人員能夠站立來計算,同時考慮兩側(cè)距護盾之間距離;

?通過刀盤后,在滿足TBM掘進的前提下盡可能降低開挖高度,減小開挖工程量;

?采用自進式超前灌漿管棚(為防止?jié){液外流,采用定量灌注水泥漿液),強支護,確保施工安全;

?復(fù)核鋼支撐承載力,計算鋼支撐斷面及節(jié)點長度,同時澆筑鋼支撐拱腳鋼筋混凝土,形成整體;

?考慮上部存在塌方空腔區(qū),揭頂開挖完成后采用系統(tǒng)固結(jié)灌漿;

?考慮TBM掘進時刀盤擾動兩側(cè)拱腳下部巖體,增設(shè)水平、45°、靠近開挖線50cm三個位置范圍內(nèi)錨桿和固結(jié)灌漿。

6.3 旁洞布置型式與施工

6.3.1 布置型式

左右各開設(shè)一條旁洞,旁洞布置在尾盾倒數(shù)第三個環(huán)管片位置上,距底板6.816m。由于管片寬度只有1.8m,故進口只有1.8m寬度,進入巖體后斷面調(diào)整為2.4m×2m(寬×高)。旁洞布置圖見圖2和圖3。

圖2 旁洞布置平面圖(單位:mm)

圖3 旁洞布置剖面圖(單位:mm)

6.3.2 旁洞施工

?對所有已安裝管片背部充填礫石至飽滿;

?對位于旁洞進口附近的TBM設(shè)備進行拆除或轉(zhuǎn)移;

?采用工字鋼搭設(shè)剛性保護平臺,滿鋪10cm×10cm木枋并可靠固定。平臺兩端設(shè)置欄桿,并采用木板或鋼板進行封閉。平臺中間設(shè)1m×1m的溜渣孔;

?采用φ25藥卷錨桿鎖定4791~4795環(huán)上所有上半部分的管片。鉆孔位置利用管片操作孔,盡量減小對管片的損壞。采用螺栓加墊板的方式鎖定管片;

?建立施工控制點,每循環(huán)進尺均采用全站儀進行控制;

?利用風(fēng)鎬或電鎬按圖所示在第4793環(huán)對管片進行部分破除,并切斷鋼筋,露出巖面;

?旁洞開挖采用手風(fēng)鉆鉆孔,淺孔弱爆破,多循環(huán)、短進尺進行開挖,逐步形成旁洞開挖工作面,并朝刀頭方向延伸旁洞。為便于排水,旁洞延伸時保持約1%的縱坡。出渣采用人工手推車將炮渣運至操作平臺的溜渣孔,TBM連續(xù)皮帶系統(tǒng)運渣至洞外。支護形式根據(jù)圍巖情況采用鋼支撐+錨噴網(wǎng)+系統(tǒng)錨桿。

6.4 上導(dǎo)洞揭頂開挖施工

根據(jù)左、右旁洞開挖后揭露出來的巖石情況,從左右旁洞向中間徑向開挖,逐步形成上部導(dǎo)洞開挖掌子面;向前領(lǐng)進開挖導(dǎo)洞直至穿過斷層破碎帶較好圍巖的洞段為止。導(dǎo)洞分為兩段,第一段:隧16+131~16+114采用距護盾高度1.8m;第二段:隧16+114~16+087采用距護盾高度1.0m。出渣前15m采用人工推車運至刀盤鏟斗處下渣,后期采用輪式“兩頭馬”出渣。

根據(jù)圍巖情況開挖分成兩種,如圖4所示。

圖4 揭頂開挖剖面圖 (單位:mm)

a.采用小炮結(jié)合人工風(fēng)鎬半開挖,跟進半側(cè)分段開挖噴混凝土及半邊拱架支護,之后開挖另一側(cè),使之形成大拱,拱架間距50cm。超前管棚(φ25自進式錨桿)或超前錨桿L=4.6~6m,間距30cm ,開挖長度為管棚長度的1/2~2/3,管棚內(nèi)定量進行水泥灌漿。

b.分兩次爆破,先中部超前1m左右,后兩側(cè)跟進。隨后跟進鋼支撐+錨噴網(wǎng)系統(tǒng)支護,拱架間距50cm。

6.5 頂拱固結(jié)和鎖腳加固灌漿施工

頂拱固結(jié)灌漿按設(shè)計進行布孔,深度為3.5m,間距為1.80m,采用手風(fēng)鉆鉆孔。鎖腳加固采用手風(fēng)鉆鉆入自進式錨桿灌漿,在鋼支撐每側(cè)拱腳處各布置一根水平錨桿灌漿,一根45°錨桿灌漿,一根隧洞垂直方向錨桿灌漿,長度均為4.5m。在鎖腳加固錨桿灌漿完成后,將其錨桿全部連接成整體,并與每榀鋼支撐焊接牢固,最后噴混凝土封閉。

灌漿漿液比為0.8∶1(水∶灰),摻加0.8%的減水劑。頂部圍巖固結(jié)灌漿壓力為0.5MPa,鎖腳加固自進式錨桿灌漿壓力為1.0MPa。

6.6 豆礫石回填灌漿施工

在TBM通過塌方段后,頂拱部位采用豆礫石回填和灌漿施工。

根據(jù)管片位置,從下部管片開始回填豆礫石到上部管片區(qū)域結(jié)束。當TBM掘進開始時,第一環(huán)管片安裝完成后開始管片下部的豆礫石回填,安一環(huán)填一環(huán),直到第五環(huán),然后開始進行第一環(huán)的上部豆礫石回填。上部和下部的回填都是由下至上進行,在最上部孔處結(jié)束,使用金屬蓋子蓋住,以避免豆礫石流失。由于豆礫石容器罐的容量有限,回填時無法完全填滿,因此當TBM掘進到斷層終點時,TBM2停止工作,待豆礫石完全回填完成,進行二次回填。豆礫石回填時在噴嘴上安裝一根附加管,距離出口20~30cm,附加管固定在里面,以便進行后續(xù)的水泥灌漿。

6.7 旁洞回填及破損管片修補

TBM在通過斷層破碎帶后,進行左、右旁洞豆礫石回填和水泥灌漿。待左、右旁洞豆礫石回填及水泥灌漿完成后,清理破損管片切口,鉆孔插筋,預(yù)制鋼筋籠安裝,安裝管片瀝青墊片,封模,小型攪拌機拌制與管片同強度的混凝土,人工桶裝混凝土運送入倉。

7 施工實施效果

自2014年1月16日起,按照即定方案完成塌方段揭頂開挖與支護(鋼支撐+管棚)、拱架鎖腳連續(xù)梁澆筑、拱架加強鎖腳錨桿及兩側(cè)固結(jié)灌漿施工以及批準設(shè)計圖Ⅳ~Ⅴ類圍巖頂拱固結(jié)灌漿;同時,全面系統(tǒng)地完成了TBM全機各項檢查維護以及刀盤刀具的修補處理,歷時4月零10天,于5月26日正式恢復(fù)TBM掘進施工,TBM掘進中鋼支撐未出現(xiàn)變形,兩側(cè)拱腳穩(wěn)固,各項掘進參數(shù)指標正常,于6月6日順利通過50m斷層破碎帶,處理實施效果達到了預(yù)期。

8 結(jié) 語

a.當TBM掘進中發(fā)現(xiàn)圍巖發(fā)生變化時,必須及時分析原因及觀察圍巖狀況,選擇合理的掘進參數(shù)和模式,盡量快速通過,切不能盲目停機造成卡機。

b.當已發(fā)現(xiàn)掌子面出現(xiàn)塌腔時,一定要高度重視,認真計算循環(huán)出渣量,若出渣量超過皮帶運輸量,但皮帶能夠承受運載能力時,不能盲目停機,應(yīng)選擇合理的掘進參數(shù),快速通過。

c.此次斷層破碎帶處理上導(dǎo)洞采取先打密排超前錨桿,并且定量灌注水泥漿,對塌方松散體起到超前加固作用,然后再進行分段開挖,及時架設(shè)鋼支撐與快速噴混凝土,降低塌方的程度,保障施工人員安全。

d.在刀盤內(nèi)實施鉆孔水泥灌漿時,務(wù)必慎重,采用一定量的化灌材料作保護層,同時仔細觀察護盾與主軸承之間的間隙有無漿液流出,防止?jié){液包裹,增大處理難度??蛇m當采取間歇式水泥灌漿另加水玻璃快速硬化的方法,但這樣會快速封堵管路,無法灌漿。

e.在揭頂開挖中,運用了小型“兩頭馬”出渣,其施工進度提高了兩倍,故在日后類似工程遇到同類問題時,一定要提前考慮斷面尺寸和TBM運輸通道,在通過刀盤10m后啟用小型設(shè)備出渣,其效率將會明顯提高。

f. TBM施工中處理不良地質(zhì)時需總體規(guī)劃,全盤統(tǒng)籌,但在施工過程中也要根據(jù)地質(zhì)情況和監(jiān)控測量情況及時調(diào)整方案,做到“方案清晰、動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工”。

g.對于大直徑雙護盾TBM,若遇較大斷層破碎帶,采取刀盤內(nèi)化學(xué)灌漿成本急劇增加,而且不一定能達到預(yù)期效果。此時,需快速組織啟動上導(dǎo)洞揭頂開挖程序,以便進入破碎帶后適宜調(diào)整施工方案,同時,在完成上導(dǎo)洞揭頂開挖支護后,務(wù)必高度重視拱腳兩側(cè)圍巖加固。

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