CCS水電站引水隧洞TBM斷層帶卡機脫困技術

楊繼華,楊風威,姚 陽,苗 棟

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

CCS水電站引水隧洞TBM斷層帶卡機脫困技術

楊繼華,楊風威,姚 陽,苗 棟

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

厄瓜多爾CCS水電站引水隧洞采用大直徑雙護盾TBM施工,開挖洞徑9.11 m,在掘進至樁號K16+127.0 m時,由于斷層破碎帶圍巖塌方掩埋及堵塞刀盤造成卡機事故。在分析地震法物探成果和鉆孔巖芯的基礎上,確定斷層破碎帶及影響帶寬度約70 m,圍巖穩定性差,以Ⅳ類為主,局部Ⅴ類。拆除刀盤后方16.26 m處管片的上半部分后,沿洞壁兩側開挖旁洞,至刀盤后沿引水隧洞軸線進行導洞頂拱擴挖直至通過斷層破碎帶,導洞開挖前采用超前錨桿、固結灌漿等超前支護措施,開挖后采用鋼拱架、系統錨桿、掛網噴射混凝土支護措施;支護完成的導洞防止了TBM掘進時的洞頂塌方,TBM在斷層破碎帶內掘進時,每環掘進前均對掌子面前方圍巖進行固結灌漿以防掌子面圍巖塌方;采用以上技術措施后,TBM成功脫困并穿過了斷層破碎帶。

CCS水電站;引水隧洞;雙護盾隧洞掘進機;斷層破碎帶;卡機;脫困技術;厄瓜多爾

TBM隧洞施工具有掘進速度高、成洞質量好、對圍巖擾動小、人員和設備安全性高及對環境保護好的技術特點,已在國內外的水利水電工程隧洞、鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵隧道等領域得到了廣泛的應用[1-4]。

TBM設備龐大,對地質條件的適應性遠沒有鉆爆法靈活,尤其是對不良地質條件適應性差,在不良地質條件下如果操作不當,容易發生卡機事故,如云南昆明上公山引水隧洞[5-7]、遼寧大伙房輸水隧洞[8]、臺灣坪林公路隧道[9]、印度Dul Hasti水電工程引水隧洞[10]等,這些隧洞的卡機脫困處理少則3～5個月,多則數年,甚至個別隧洞中TBM被埋或者嚴重損壞,導致TBM被拆除、工期延誤數年,造成巨大的經濟損失[6]。

一旦發生卡機TBM事故,采取合適的處理措施與技術使TBM盡快脫困就成為一項重要的工作。目前根據卡機原因,卡機一般可分為卡刀盤、卡護盾及刀盤和護盾同時被卡3種類型[11],不同類型的卡機事故采取的脫困措施也各不相同,如固結灌漿、側壁導坑等。本文就厄瓜多爾CCS水電站引水隧洞大直徑雙護盾TBM卡機事故,在分析卡機原因的基礎上,有針對性地提出了脫困處理措施及技術方法,可為類似工程的雙護盾TBM脫困提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

厄瓜多爾CCS水電站工程[12-14]位于Napo省和Sucumbios省境內的Coca河中游,為一座引水式電站。電站在首部樞紐建壩攔蓄河水,通過1條引水隧洞將庫水引至調蓄水庫,再由引水發電洞引水至地下廠房,利用調蓄水庫與地下廠房之間530 m的水頭差發電。工程平面布置如圖1所示,電站總裝機容量1 500 MW。

圖1 CCS水電站工程平面布置示意圖

CCS水電站引水隧洞全長約24.8 km,采用2臺雙護盾TBM和鉆爆法聯合施工,其中TBM1由位于隧洞中部的2號施工支洞向隧洞進水口方向掘進,掘進總長度約10.0 km,TBM2由隧洞出水口向2號施工支洞方向掘進,掘進總長度約13.8 km。引水隧洞洞身斷面為圓形,開挖洞徑9.11 m,為大直徑隧洞,設計流量222 m3/s,進水口洞底高程1 250.00 m,出水口洞底高程1 204.50 m,縱坡0.173%。

1.2 工程設計概況

CCS水電站引水隧洞為無壓明流隧洞,其中TBM施工段采用預制鋼筋混凝土管片襯砌,襯砌后洞徑8.20 m,管片與洞壁之間采用豆礫石回填灌漿。每環管片由7塊組成,管片厚度30 cm,每環管片縱向長度1.80 m,對應的TBM每循環掘進進尺也為1.80 m。共設計了3種型號的管片,即B、C、D型,其中B型管片適用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖,C型管片適用于Ⅳ類圍巖,D型管片適用于Ⅴ類圍巖,在實際施工過程中,根據揭露的圍巖條件選用對應的管片。3種型號的管片外形尺寸完全相同,但管片的配筋量和混凝土等級逐漸增加。

1.3 工程地質條件

CCS水電站引水隧洞沿線地形起伏較大,地勢總體呈西高東低,最高點海拔1 998 m,最低點海拔1 205 m,隧洞埋深一般洞段為300～600 m,局部洞段超過700 m。

隧洞沿線穿過的地層主要為侏羅紀～白堊紀Misahualli地層(JKm)安山巖、凝灰巖,白堊紀下統Hollin地層(Kh)砂、頁巖,局部分布有花崗巖侵入體(Gd)。隧洞區為一單斜地層,沿線共發育有不同規模的斷層33條,斷層寬度多小于2 m,少量斷層及破碎帶寬度大于10 m,斷層產狀多陡傾,與洞軸線大角度相交。區內地應力為中至低地應力水平,最大主應力8 ～10 MPa,方向為315°～340°。區內隧洞地下水類型主要是Hollin地層及Misahualli地層的基巖裂隙水,補給來源主要是大氣降水、地表水及相鄰含水層的越流補給,由于工程區多年平均降雨量在5 000 mm以上,地表補給充足,初步估計隧洞會出現0.5～1.0 m3/s的集中涌水。

2 卡機事故經過

2013年12月9日凌晨,TBM掘進至樁號K16+130.0 m～K16+127.0 m洞段時,掌子面圍巖破碎、穩定性差,發生了較嚴重塌方,掘進1環進尺(1.80 m)的出渣量相當于正常情況下2環的渣量,最終導致出渣量超過皮帶機的出渣能力,皮帶機被壓停,后配套皮帶局部傾覆,巖渣散落洞底,掩埋小火車軌道,此時被迫停機清理皮帶機上與洞底的巖渣;清理完后啟動TBM準備正常掘進時發現TBM刀盤水泵出現故障,不得不再次停機維修水泵。12月10日夜間,水泵修好后啟動刀盤時刀盤無法轉動。對刀盤檢查后發現掌子面塌方體呈散體狀,部分塊石進入滾刀與刀盤之間的空隙,于是對掌子面前方塌方體及圍巖進行化學灌漿固結,于12月12日晚間再次啟動刀盤,但刀盤仍無法轉動,啟用TBM的脫困扭矩(最大扭矩達到了19 179 kN·m)直至主驅動電機過熱報警,刀盤仍無法轉動。2013年12月13日至2014年1月5日在刀盤前進行了多次化學灌漿處理,2014年1月5—6日多次嘗試啟動TBM都未成功。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刀盤被卡的卡機事故,由圖2可以看出,刀盤前方圍巖坍塌,散落的碎塊石將刀盤掩埋,導致刀盤無法轉動。

圖2 引水隧洞K16+127.0 m處TBM卡機示意圖(單位:m)

3 卡機段工程地質條件

根據TBM開挖揭露地質情況,在樁號K16+130.0 m～K16+127.0 m洞段出露侏羅系～白堊系Misahualli地層,巖性以青灰色、深灰色安山巖為主,巖體破碎,以碎裂結構為主,局部呈散體狀,蝕變嚴重,巖石強度低,圍巖穩定性差,巖石微風化～中等風化,洞壁干燥,基本無地下水。受TBM掘進時刀盤擾動的影響,樁號K16+130.0 m～K16+127.0 m洞段發生掌子面和洞頂塌方,初步估計塌方量為150～200 m3,塌方巖體最大粒徑60～80 cm,塌方體掩埋了刀盤和部分護盾。刀盤前和伸縮護盾處的巖體見圖3和圖4。

圖3 刀盤處散落的巖體

圖4 伸縮護盾處圍巖

為查明掌子面前方圍巖情況,采用ISIS地震法物探設備——綜合地震成像系統(integrated seismic imaging system)對掌子面前方進行探測,探測數據解譯結果如圖5所示。由圖5可以看出,掌子前方約10 m范圍內巖體反射面扭曲變形、左右不連貫且厚度較大,推測是由隧洞上部巖體松動、塌方引起的；掌子面前方約60 m范圍內巖體反射面密集、厚度大,顯示結構面密集發育,推測巖體破碎。

圖5 K16+127.0 m掌子面前方圍巖地震法探測成果示意圖

為進一步確認掌子面前方圍巖地質條件,在掌子面附近洞壁兩側的旁洞內向前方水平鉆孔,鉆孔方向與洞軸線平行。GA1鉆孔位于右側旁洞,鉆孔深度61.0 m,對應隧洞樁號K16+128.7 m～K16+67.7 m;GA2鉆孔位于左側旁洞,鉆孔深度50.2 m,對應隧洞樁號K16+132.6 m～K16+82.4 m。鉆孔方式為回轉清水鉆進繩索取芯,采用“多回次,少進尺”的方法,提高巖芯采取率。對鉆進巖芯現場編錄,編錄內容主要包括巖石的顏色、礦物成分、風化程度、堅硬程度等,并對節理、裂隙發育情況及裂隙面特征、充填膠結情況進行描述統計,計算巖芯采取率、巖石質量指標(RQD)等定量指標,評價巖體質量。鉆孔部分巖芯如圖6所示。

圖6 鉆孔部分巖芯

根據鉆孔巖芯編錄資料,可以看出2個鉆孔巖芯破碎,巖芯RQD值較低,在破碎段一般低于20%,巖石強度低,同時結合旁洞開挖揭示的地質情況(圖7),判定引水隧洞樁號K16+131.0 m～K16+61.0 m處發育有一斷層。斷層破碎帶及影響帶寬度約70 m,斷層帶巖性主要為深灰色安山巖,巖體破碎,呈鑲嵌～碎裂～散體結構,多處可見斷層泥、糜棱巖及碎裂巖,地下水不發育。斷層產狀10°∠78°,與引水隧洞軸線小角度相交,對隧洞穩定性不利(圖8)。綜合物探、鉆孔巖芯及旁洞地質編錄資料,認為斷層破碎帶及影響帶按照RMR圍巖分類標準以Ⅳ類圍巖主,局部夾泥段為Ⅴ類,圍巖自穩時間短,自穩能力差,TBM掘進時,在刀盤的擾動下,洞頂及掌子面極易塌方。

圖7 左旁洞K16+130.87 m～K16+128.67 m塌方

圖8 斷層與洞軸線位置關系示意圖

4 脫困處理措施

目前對于TBM刀盤被埋的卡機脫困處理一般是在護盾上方或側壁開設1條旁洞,繞到刀盤前方,清理塌方體為刀盤解困,但CCS水電站引水隧洞洞徑大,1條旁洞的處理能力有限,因此在洞壁兩側分別開挖1條旁洞。根據已查明的地質條件,刀盤前方70 m范圍內為斷層破碎帶,圍巖穩定性差,刀盤解困后利用TBM掘進,則圍巖塌方導致TBM再次被卡的風險極大,因此決定用鉆爆法開挖整個斷層破碎帶,具體措施如下:

a. 采用I16工字鋼在擬開洞口高程位置(距刀盤后方16.26 m處,樁號K16+141.8 m,第4793環管片)搭建TBM保護平臺,搭建平臺的目的是為旁洞開挖提供工作場地,還可以為TBM后配套設備提供保護。平臺上滿鋪10 cm厚木板,并用鉛絲與平臺固定,平臺中部預留1.0 m×1.0 m溜渣口。平臺具體布置見圖9。

圖9 保護平臺及旁洞開口位置(單位:m)

b. 為保證已安裝好管片的穩定性,對管片底部注入水泥砂漿,兩側及底拱采用豆礫石回填并灌漿。拆除4793環管片隧洞上部120°范圍內相關管片的上半部分,對未拆除的4793環頂部管片和側壁管片進行錨桿固定。

c. 從已拆除的管片開口處沿與洞軸線相垂直方向開挖旁洞,左右兩側旁洞同時開挖,旁洞為圓拱直邊墻型。旁洞寬2.42 m,高2.01 m,在開挖2.05 m后轉為與引水隧洞軸線平行方向,直至開挖到刀盤位置。旁洞開挖時,保持1%的縱坡以利于排水。開挖方式為人工手風鉆鉆孔、淺孔弱爆破、多循環、短進尺,每循環的進尺不超過1 m,人工手推車出渣。開挖前采用直徑25 mm、長3.0 m、間距30 cm的自進式錨桿對旁洞頂拱進行超前加固,開挖后對于Ⅳ類圍巖采用直徑25 mm、長1.5 m、間距2.0 m的系統錨桿對頂拱和邊墻支護,同時掛網(φ6@0.15 m×0.15 m)噴10～15 cm厚C20混凝土;對于Ⅴ類圍巖,在Ⅳ類圍巖支護的基礎上增加鋼拱架支護,鋼拱架為I12工字鋼,間距50～80 cm。

d. 右側旁洞開挖至樁號K16+128.7 m,左側旁洞開挖至樁號K16+132.6 m,待支護完成后,在旁洞掌子面上沿與主洞軸線平行方向水平鉆孔,目的是查明前方地質條件。

e. 鉆孔完成后,由旁洞沿徑向朝中間開挖,以形成圓弧形擴大頂拱,擴大頂拱中點距原隧洞洞底11.36 m。

f. 沿洞軸線方向向前開挖擴大頂拱直至穿過整個斷層破碎帶。導洞分4塊開挖,開挖方式為人工手風鉆鉆孔、淺孔弱爆破、多循環,每循環進尺控制在1.0 m以內。

g. 擴大頂拱開挖前采用直徑25 mm、長6.0 m、間距35 cm的自進式錨桿對頂拱進行超前加固,同時對圍巖進行固結灌漿處理。開挖后進行鋼拱架支護,鋼拱架為I20工字鋼,縱向間距50～80 cm,采用直徑25 mm、長4.0 m、間距1.0 m的系統錨桿對頂拱進行系統支護,同時掛網(φ6@0.15 m×0.15 m)噴10～15 cm厚C20混凝土。擴大頂拱開挖支護后的情況見圖10。

圖10 頂拱擴挖支護后情況

h. 擴大開挖支護完成后,在導洞頂拱中心線120°范圍內布孔進行圍巖固結灌漿處理;左右拱腳各安裝2根直徑25 mm、長4.5 m鎖腳錨桿,1根水平,1根與水平呈40°～60°夾角斜向下。安裝錨桿前對拱腳部位圍巖進行固結灌漿處理。

i. 擴大頂拱下部的圍巖未進行人工開挖,待清理掉刀盤前方的散落體使刀盤解困后,啟動TBM刀盤進行掘進出渣。掘進過程中,為防止掌子面圍巖塌方,在每環掘進前均對掌子面前方圍巖進行固結灌漿處理,待圍巖穩定后方可掘進。

j. TBM掘進出渣的同時安裝管片,管片與擴大頂拱之間的空腔采用混凝土回填。TBM啟動后,第一環管片安裝完成后開始洞室下部的豆礫石回填,安裝一環回填一環,直到第5環安裝完成,開始進行第1環的上部混凝土回填,循環進行,直至通過整個斷層破碎帶。

k. 待TBM通過整個斷層破碎帶后,對旁洞采用混凝土回填,對斷層破碎帶的圍巖進行系統的固結灌漿處理,灌漿深度為5.0 m。

采用開挖擴大頂拱并加強支護的措施后,頂拱圍巖在掘進過程中,未出現較大的變形,支護措施滿足了圍巖穩定性的要求。TBM在斷層破碎帶內掘進時,頂拱圍巖不再塌方,僅掌子面出現了少量的塌方,但對掘進影響較小。從卡機到恢復正常掘進,共歷時173 d。

5 結 語

斷層破碎帶塌方是造成CCS水電站引水隧K16+127.0 m處雙護盾TBM卡機的主要原因,通過地質分析、物探及水平鉆孔的方法查明了卡機處掌子面前方的地質條件。采用了拆除管片、人工開挖兩側旁洞至掌子面前方,然后開挖擴大頂拱的方法通過斷層破碎帶。人工開挖過程中,為保證頂拱圍巖的穩定,采用了超前錨桿、固結灌漿等超前支護措施,開挖后采用鋼拱架、系統錨桿、掛網噴射混凝土支護措施。TBM在斷層破碎帶內掘進時,對掌子面前圍巖進行固結灌漿處理,以防止圍巖大量塌方。采用以上技術措施后,TBM成功脫困并通過了斷層破碎帶。

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TechnologyforTBMunblockinginafaultzoneatCCSHydropowerStationheadracetunnel

YANG Jihua, YANG Fengwei, YAO Yang, MIAO Dong

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou450003,China)

The CCS Hydropower Station headrace tunnel in Ecuador was constructed by a large diameter double-shields tunnel-boring machine (TBM) with an excavation diameter 9.11 m. The cutterhead was blocked due to the collapse of the surrounding rock in a fault fracture zone when it reached K16+127.0 m. Based on the results of geophysical prospecting by seismic method along with borehole core analysis, the width of the fault fracture zone and its influencing zone was determined to be about 70 m. The main composition of the surrounding rock was graded as class Ⅳ and class Ⅴ locally, indicating a very poor stability. The upper part of the segment 16.26 m behind the cutterhead was removed to excavate flank tunnels along the two sides of the main tunnel wall. When the flank tunnels reached the cutterhead, the pilot tunnel was enlarged along the headrace tunnel axis as far as it passed through the fault fracture zone. The advanced anchor bolts and consolidation grouting were used for advanced support before the pilot tunnel excavation. Steel arch, system anchor bolts, hanging net and shotcrete were used for system support after the pilot tunnel excavation. With these support methods, top arch collapse of the pilot tunnel could be prevented during TBM tunneling. When TBM tunneling in fracture zones, the consolidation grouting to the surrounding rock ahead of the tunnel face should be performed at every tunnel cycle to prevent rock collapse. With the employment of above technologies, the TBM was back in normal operation and it successfully passed through the fault fracture zone.

CCS Hydropower Station; headrace tunnel; double-shields TBM; fault fracture zone; TBM blocked; unblocking technology; Ecuador

楊繼華(1980—),男,高級工程師,博士,主要從事隧洞與地下工程勘察與設計工作。E-mail:yangjihua68@sohu.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.016

TV732；U455.43

：A

：1006-7647(2017)05-0089-06

2016-10-13 編輯：熊水斌)