CCS水電站輸水隧洞雙護盾TBM穿越不良地質段的處理技術

楊繼華, 苗 棟, 楊風威, 齊三紅, 姚 陽

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

CCS水電站輸水隧洞雙護盾TBM穿越不良地質段的處理技術

楊繼華, 苗 棟, 楊風威, 齊三紅, 姚 陽

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

CCS水電站輸水隧洞在TBM施工過程中,遇到了砂巖崩解砂化、斷層破碎帶塌方、突涌水、圍巖失穩等不良地質條件,導致了掘進速度緩慢、卡機等不良后果。經過采取有效的處理措施,TBM通過了不良地質段,為輸水隧洞的如期完成提供了保障。

CCS水電站;輸水隧洞;雙護盾TBM;不良地質條件;處理技術

1 工程概況

厄瓜多爾科卡科多—辛克萊爾(Coca Codo Sinclair,簡稱CCS)水電站為引水式電站,電站主體工程由首部樞紐、輸水隧洞、調節水庫、壓力管道及地下廠房等組成,電站總裝機容量1 500 MW,是厄瓜多爾最大的水電站[1]。輸水隧洞是CCS水電站的控制性工程,為無壓明流隧洞,全長約24.8 km,采用鉆爆法和TBM聯合施工,TBM施工段全長約23.8 km,由兩臺大直徑雙護盾式TBM完成,其中TBM1由2#施工支洞始發向隧洞進口方向掘進,掘進長度約10 km,TBM2由隧洞出口向2#施工支洞方向掘進,掘進長度約13.8 km,TBM施工布置見圖1。TBM隧洞開挖洞徑9.11 m,預制鋼筋混凝土管片襯砌、豆礫石回填灌漿,襯砌后洞徑8.20 m。

兩臺TBM為德國海瑞克公司(HERRENKNECHT AG)生產的S671、S672型雙護盾式TBM,兩臺TBM的配置和性能基本相同,主要性能參數如下:主機長12.4 m,整機長度157 m,主機及其后配套總重1 959 t,刀盤開挖直徑9.11 m,共配備19英寸的中心刀4把、正滾刀38把、邊滾刀13把及擴挖刀3把,采用變頻電機(VFD)驅動,刀盤功率4 200 kW,刀盤轉速0～5.95 rPm,最大扭矩19 179 kNm@2.95 rPm、9 589 kNm@5.95 rPm,配備了超前鉆機、管片安裝機、豆礫石注入系統、回填灌漿系統、砂漿回填系統等設備。

圖1 CCS水電站平面布置示意圖Fig.1 The layout of CCS hydropower station

TBM隧洞施工具有快速、高效、安全、環保的技術特點,其掘進速度一般為鉆爆法的3～10倍[2-5],但與鉆爆法相比,TBM對不良地質條件的適應性較差[6-10]。CCS水電站輸水隧洞TBM施工過程中,先后遇到了砂巖崩解砂化,斷層破碎帶塌方、突涌水、圍巖失穩等不良地質條件,造成了TBM掘進緩慢、卡機等事故。通過采取有效的處理措施,TBM通過了不良地質段,相關處理技術和方法可為類似工程TBM施工提供參考。

2 砂巖崩解砂化洞段

TBM2掘進至樁號23+080 m處時,遇到了流砂地層。本段的地層巖性為白堊紀下統Hollin地層(Kh)砂、頁巖互層,砂、頁巖的比例約為9∶1,砂、頁巖的強度為20～40 MPa,巖石遇水易崩解;受構造影響,節理發育,巖體破碎,地下水豐富,涌水量約100 L/s。TBM掘進時,在滾刀擾動和地下水的作用下,砂巖快速崩解,崩解后呈中—粗砂的散體狀,由于掌子面涌水量較大,大部分砂粒來不及被刀盤鏟斗鏟起即被沖入洞中,砂粒掩埋了洞內軌道,導致小火車多次跳道脫軌,洞內排水亦受阻,部分設備被淹沒;小部分砂粒被鏟斗鏟起后,卸到主機皮帶機上,由于水的作用砂粒與皮帶的摩擦力極小,導致碴粒在皮帶機上打滑,皮帶機無法正常出碴。

針對以上情況,采取了以下處理措施:①調整TBM掘進參數,收回支撐靴,伸縮護盾處于收縮狀態,采用單護盾模式掘進,降低刀盤推力和刀盤轉速,以減少對圍巖的擾動,防止掌子面和洞壁圍巖塌方;②對洞內的集中涌水點進行封堵;③掘進時減少刀盤噴水量,減緩砂巖的崩解速度;④組織大量人工清理洞底砂粒,將砂粒裝袋后由小火車運出洞外;⑤嚴密監測洞底火車軌道情況,防止砂粒掩埋軌道;⑥安裝重型管片,并及時進行豆礫石回填灌漿。

通過以上處理措施,TBM慢速掘進,每天掘進2～3環,經過四十余天的努力,終于通過了此不良地質段,未發生其它嚴重事故。

3 斷層破碎帶塌方洞段

TBM2掘進至樁號16+130.0～16+125.6 m段時,掌子面圍巖發生塌方,出碴量約為正常掘進的2倍,造成主機皮帶機傾覆,不得不停機處理。皮帶機處理完畢后,啟動刀盤掘進,此時刀盤水泵故障,不得不再次停機修理水泵,水泵修理共歷時約36 h,啟動刀盤后發現刀盤無法轉動。進入刀盤對掌子面進行檢查,發現整個刀盤被塌方巖體所掩埋,初步估計塌方量約為100～150 m3,塌方巖體最大粒徑60～80 cm,部分散落體進入刀盤和滾刀的間隙,決定對掌子面塌方體進行化學灌漿。灌漿完畢后,再次啟動刀盤,無法轉動,啟用刀盤的脫困扭矩后,直至驅動電機過熱報警,刀盤還是無法轉動。此后對塌方體進行了多次化學灌漿,啟動刀盤仍然失敗。經業主、設計、監理及施工單位四方會商并征求多位TBM專家的意見后,認定本次事故為掌子面破碎巖體塌方引起的TBM刀盤被卡的卡機事件。

針對刀盤被卡的特征,決定采取開挖旁洞清理塌方體的TBM脫困措施:

(1) 拆除距刀盤約16.2 m處的隧洞兩側中上部120°內的兩塊管片,并采用錨固的方式對頂拱管片和側壁管片進行固定。

(2) 從管片開口處向與TBM掘進方向的垂直方向開挖旁洞(圖2),旁洞斷面為城門洞型(圖3),寬2.4 m,高2.0 m,在開挖2.0 m后轉為與TBM掘進方向平行直至刀盤位置,旁洞開挖時采用自進式錨桿、掛網、噴混凝土、鋼拱架等方式進行支護。

圖2 斷層破碎帶洞段旁洞平面位置Fig.2 The plane location of flanking tunnel at fault fracture zone

圖3 斷層破碎帶洞段旁洞與主洞位置Fig.3 The flanking and main tunnel location at fault fracture zone

(3) 左、右兩側旁洞分別開挖至樁號16+132.6 m、16+128.7 m時,采用地質鉆機沿與TBM掘進方向的平行方向進行水平鉆孔,同時采用地震法物探對前方進行超前預報。鉆孔和物探結果表明:掌子面前方樁號16+131.0～16+061.0 m處發育有一擠壓斷層,斷層產狀10°～15°∠75°～80°,斷層破碎帶及其影響帶寬度60～70 m,巖性為侏羅紀—白堊紀Misahualli地層(J-Km)深灰色安山巖,巖體破碎,呈碎裂—鑲嵌結構,可見斷層泥、碎裂巖;地下水不活躍,洞壁干燥—潮濕,局部滴水;斷層走向與TBM掘進方向小角度相交;斷層破碎帶以Ⅳ類圍巖為主,局部為Ⅴ類,圍巖不穩定,在TBM掘進擾動下,隧洞頂拱及掌子面圍巖易塌方。

(4) 由左、右兩側的旁洞向中間開挖,形成主洞上方的擴大頂拱,擴大頂拱分為4塊開挖(圖4),沿主洞軸線方向向前開挖直至穿過整個斷層破碎帶及影響帶,擴大頂拱開挖時采用自進式錨桿、超前灌漿、掛網、噴混凝土、鋼拱架等方式聯合支護。

(5) 擴大頂拱開挖支護完成后,啟動TBM刀盤,擴大頂拱下部的巖體由TBM掘進出碴,同時安裝重型管片,頂部管片與擴大頂拱之間的空隙采用豆礫石回填灌漿,直至通過整個斷層破碎帶。

圖4 斷層破碎帶洞段頂拱分塊擴挖圖Fig.4 The block excavation of top arch at fault fracture zone

4 突水、圍巖失穩洞段

TBM1掘進至樁號2+201.8 m時,在例行的設備維護工作后,啟動TBM準備繼續掘進時,發現刀盤可以旋轉,但機身無法前進,伸縮盾可以打開,經過分析認為由于圍巖塌方導致TBM前盾被卡。打開伸縮盾之后,從伸縮盾右側底部可見粘土等細顆粒物質,巖體呈碎裂狀,微風化,推測為斷層發育。隨之采取了一系列措施,加大推力、灌注膨潤土等,均未能脫困。然后開始從伸縮盾左側位置清碴,清碴洞約長6 m,斷面近似于矩形,尺寸為1.80 m×1.60 m,清碴洞洞壁干燥無水,節理裂隙發育,巖體破碎,節理面平直光滑,擾動后易坍塌。

在清碴過程中盾體右側巖體突發突泥涌水,并夾雜著塊碎石沖出,導致伸縮盾、尾盾等設備被掩埋。初期水質渾濁,流量達到2 200 L/s,約10 h后,涌水變清,經過3—5 d,涌水量逐漸穩定到400～500 L/s。

清碴洞涌水塌方后,決定采用開挖導洞的方式處理涌水塌方,具體措施如下:

(1) 對尾盾后第1～9環管片加固,以防塌方區影響到已安裝好的管片。

(2) 在尾盾后第10環管片左側開挖清碴洞M1(圖5),向刀盤方向開挖,開挖斷面1.8 m×2 m;在盾尾后第10環管片右側開挖排水洞M2,向刀盤方向開挖,開挖斷面2.0 m×2.5 m;出碴洞開挖至0+62 m位置時,靠近刀盤側巖面出現大量滲水,暫停目前出碴洞開挖,出碴洞新增M1-B支洞開挖后立即轉彎與輸水隧洞相交,相交樁號為刀盤前19 m處,然后從刀盤前19 m處向刀盤方向開挖。M1、M2、M1-B支洞在開挖過程中及時采用了超前錨桿、掛網、噴混凝土支護。M1支洞總長約61.8 m,M2支洞總長約52.5 m,M1-B支洞總長約28.8 m。

圖5 突水、圍巖失穩段支洞位置圖Fig.5 The branch tunnel location of water inrush and instability surrounding rock tunnel

(3) 在M2、M1-B支洞內沿TBM掘進方向布置了3個水平鉆孔,以查明前方地質條件,結合支洞開挖揭露地質情況,確定本段地質條件如下:本段巖性為侏羅系—白堊系Misahualli(J-Km)地層灰色安山巖,發育一斷層,產狀110°～130°∠60°～70°,寬約8 m,走向與洞軸線夾角較小,斷層及其影響帶內巖體破碎,多處可見糜棱巖、碎裂巖、斷層泥,涌水嚴重,圍巖以Ⅳ-Ⅴ類為主,穩定性差。

(4) 由M1、M2、M1-B支洞開始進行主洞擴大頂拱開挖,擴大頂拱跨度11.739 m,頂拱中心距設計主洞頂拱1.80 m,開挖時采用超前小導管、錨桿、掛網、鋼拱架、噴混凝土聯合支護,擴大頂拱穿過整個斷層及破碎帶。

(5) 擴大頂拱開挖支護完成后,啟動TBM掘進出碴,同時安裝重型管片,管片與擴大頂拱之間的空隙采用豆礫石回填灌漿。

5 結語

CCS水電站輸水隧洞TBM施工過程中,遇到了砂巖崩解砂化、斷層破碎帶塌方、突涌水、圍巖失穩等不良地質條件,導致了掘進速度緩慢、卡機等不良后果,經過采取有效的處理措施,TBM通過了不良地質段,為輸水隧洞的如期完成提供了保障。通過CCS水電站輸水隧洞TBM施工不良地質段的處理,得到了如下的認識:

(1) 不良地質條件對TBM施工起著制約的作用,在國內、外的TBM隧洞施工中,不良地質條件造成的TBM被困事件時有發生。CCS水電站輸水隧洞雖然如期完成,但處理TBM1和TBM2仍分別花費了6個月和8個月的時間,造成了較大的經濟損失。如果沒有這兩次卡機事件,輸水隧洞至少可以提前半年完工,水電站提前發電所產生的經濟效益和社會效益不可估量。

(2) 雙護盾式TBM對地質條件的適宜范圍較開敞式和單護盾TBM大,但在斷層破碎塌方、突涌水等極端地質條件下,由于雙護盾TBM能采用的超前處理的手段極其有限,更容易發生TBM被困事故,雙護盾TBM被困后,處理起來比開敞式TBM更為困難,所花費的時間更多、經濟成本更高。

(3) 在不良地質段施工時,應降低掘進推力、刀盤轉速,以減少對圍巖的擾動。由于圍巖的塌方失穩與時間直接相關,因此應避免在不良地質段內長時間停機,盡量減少停機維護時間,連續掘進以通過整個不良地質段。

(4) 詳細、準確的地質資料是TBM快速掘進的基本保證。雙護盾TBM施工時,受刀盤、護盾和襯砌管片的影響,無法直接獲取地質信息,因此在施工中加強超前地質預報就十分必要。通過超前地質預報,確定不良地質體的位置、規模、性質及其對TBM施工的影響程度,從而有針對性地采取超前處理措施,可避免TBM被困等不良后果。

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(責任編輯：于繼紅)

Treatment Technology of Crossing Unfavorable Geological Tunnel Section byDouble Shield TBM at CCS Hydropower Station Water Conveyance Tunnel

YANG Jihua, MIAO Dong, YANG Fengwei, QI Sanhong, YAO Yang

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

The sandstone disintegrating,fault fracture zone collapse,water inrush,surrounding rock instability were encountered in TBM construction process,which leading to the low excavation speed,TBM blocked and other adverse consequences.The TBM crossed the unfavorable tunnel section by taking effective measures,which provided a guarantee for completion of water conveyance tunnel timely.

CCS hydropower station; water conveyance tunnel; double shield TBM; unfavorable geological condition; treatment technology

TV732.3

A

1671-1211(2016)03-0539-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.066