厄瓜多爾CCS項(xiàng)目TBM2拆機(jī)硐室的設(shè)計(jì)與施工

張 國(guó)

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

COCA CODO SINCLAIR水電站(簡(jiǎn)稱CCS水電站)位于厄瓜多爾共和國(guó)北部NAPO省和SUCUMBIOS 省交界處，總裝機(jī)容量為1 500 MW，安裝8 臺(tái)沖擊式水輪機(jī)組。電站主要建筑物包括首部樞紐(含面板壩、溢流壩、沉沙池及取水口)、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫(kù)、壓力管道、地下廠房等。

輸水隧洞之94.1%洞段采用兩臺(tái)TBM同時(shí)掘進(jìn)施工，5.9%的洞段采用鉆爆法開(kāi)挖。TBM1由2A支洞向上游掘進(jìn)至1#支洞出洞，掘進(jìn)長(zhǎng)度為10.8 km(其中輸水隧洞掘進(jìn)長(zhǎng)度為9.59 km)，TBM2由輸水隧洞出口直接進(jìn)入主洞，到2B支洞出洞，掘進(jìn)長(zhǎng)度為13.75 km(圖1)。

2B施工支洞進(jìn)口底高程 為1 260 m，全 長(zhǎng)1 360 m，縱坡i=0.89%，為下坡洞，與輸水隧洞相交于K11+005處，交點(diǎn)處輸水隧洞底高程為1 247.86 m。支洞斷面為城門(mén)洞型，上部圓形斷面直徑為6.5 m，底部?jī)魧?.5 m(圖2)。

圖1 輸水隧洞平面布置圖

TBM拆機(jī)硐室布置于靠近主洞50 m、2B施工支洞末端軸線上，拆機(jī)硐室長(zhǎng)度為40 m，滿足TBM盾體拆卸的需要；硐室寬度為T(mén)BM最大直徑處加上兩側(cè)預(yù)留空間1.56 m；硐室的高度主要是考慮100 t橋機(jī)起吊高度和安裝高度的需要，總高度為22.29 m(圖3)。

2 施工支洞與拆機(jī)硐室之論證與布置原則

2.1 2B施工支洞

CCS項(xiàng)目2B施工支洞的布置受多種因素影響：(1)2B施工支洞工作面最先具備場(chǎng)地施工條件，可預(yù)先進(jìn)行工業(yè)廣場(chǎng)的各項(xiàng)布置(即TBM進(jìn)場(chǎng)必需有組裝場(chǎng)所，不作轉(zhuǎn)運(yùn)考慮)；(2)外部條件發(fā)生變化時(shí)及時(shí)調(diào)整方案，集中全力打通至庫(kù)區(qū)的公路。采取TBM從庫(kù)區(qū)輸水隧洞出口工作面進(jìn)洞的方式，此時(shí)的2B施工支洞僅作為后期TBM出洞接應(yīng)；(3)2B施工支洞布置的目的既作為T(mén)BM2出洞接應(yīng)并消除2A支洞的施工干擾問(wèn)題，即在TBM2掘進(jìn)未達(dá)到計(jì)劃節(jié)點(diǎn)時(shí)采取人工鉆爆的方式向下游接應(yīng)，根據(jù)具體的節(jié)點(diǎn)時(shí)間采取鋼模臺(tái)車(chē)現(xiàn)澆施工以及TBM棄機(jī)方案，而后結(jié)合項(xiàng)目總體規(guī)劃以及合同考慮，將2B施工支洞作為永久檢修通道考慮。

圖3 拆機(jī)硐室結(jié)構(gòu)圖

2B施工支洞的布置原則：①考慮后期拆卸的需要，洞內(nèi)轉(zhuǎn)彎半徑不小于70 m(后期受TBM盾體滑行需要，將施工支洞末端轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)整為120 m)；②洞內(nèi)寬度按拆卸最大件尺寸兩側(cè)加0.2 m考慮(因存在施工超挖)。

2.2 拆機(jī)硐室

綜合分析后得知：在2B施工支洞的功能僅作為T(mén)BM2接應(yīng)洞的情況下，僅需考慮TBM2到達(dá)2B施工支洞時(shí)如何進(jìn)行拆卸等問(wèn)題，筆者重點(diǎn)考慮了以下幾點(diǎn)并進(jìn)行了論證分析：

①在主洞內(nèi)布置拆機(jī)硐室將會(huì)預(yù)占后期工期且主體工程量將會(huì)增大。因主洞段均為現(xiàn)澆全襯砌混凝土，開(kāi)挖拆機(jī)硐室后回填混凝土將會(huì)大大增加施工成本，對(duì)后期工期的分析亦不成立，故不可取。

②分析現(xiàn)有支洞轉(zhuǎn)彎半徑能否滿足TBM滑行的需要；前期2B施工支洞僅考慮了大件運(yùn)輸車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑(R=70 m)，而未充分考慮TBM盾體和后配套滑行的需要(經(jīng)改裝及分體至少需R=120 m)，當(dāng)前的施工支洞轉(zhuǎn)彎半徑滿足不了TBM滑行的要求，但根據(jù)計(jì)劃還有時(shí)間進(jìn)行削角處理，故此，將靠近主洞末端部位的轉(zhuǎn)彎半徑處理成R=120 m，故該方案可取。

③分析了在支洞內(nèi)布置拆機(jī)硐室的條件。其一，分析了施工支洞末端的地質(zhì)情況以及拆機(jī)硐室臨近輸水隧洞主洞有無(wú)其它影響，該段地質(zhì)條件均為Ⅱ類(lèi)圍巖，適宜擴(kuò)大硐室開(kāi)挖。為不影響已襯砌完成的主洞段混凝土結(jié)構(gòu)，僅需將拆機(jī)硐室延伸至主洞外50 m；其二，研究了TBM盾體和后配套采用何種方式滑行至拆機(jī)硐室內(nèi)。因受施工支洞末端轉(zhuǎn)彎半徑的影響，采用原TBM滑行方式已不可取，但能分體分段滑行、減小曲線長(zhǎng)度，該點(diǎn)通過(guò)設(shè)備技改后可以達(dá)到，故分體分段滑行從設(shè)備角度考慮可行；其三，研究了TBM從掘進(jìn)貫通面分體分段滑行采取何種滑行方式，論證了兩種模型并進(jìn)行了分析：第一種是澆筑半圓型預(yù)埋滑軌，依靠單護(hù)盾掘進(jìn)模式完成每一循環(huán)滑行，該單護(hù)盾模式易造成TBM滾動(dòng)，故澆筑半圓型預(yù)埋滑軌不可取；第二種是澆筑矩形槽預(yù)埋滑軌，將TBM盾體自行滑至預(yù)埋滑軌上的胎模上，在矩形槽中安裝鋼結(jié)構(gòu)反力支撐，利用9#和10#油缸完成TBM盾體的推進(jìn)，該方案的可行性較第一種方案對(duì)TBM滑行而言自由度大、不易造成盾體被卡或滾動(dòng)；另外，單獨(dú)考慮了反力支撐結(jié)構(gòu)，有利于充分發(fā)揮油缸推進(jìn)滑行，故此，通過(guò)對(duì)上述兩種模型進(jìn)行了研究分析與證論，選擇澆筑矩形槽預(yù)埋滑軌的方案優(yōu)點(diǎn)與安全保證性均高于第一種方案。

④研究了支洞內(nèi)布置拆機(jī)硐室的開(kāi)挖方式。因?yàn)椴饳C(jī)硐室類(lèi)似于一個(gè)小型地下廠房，僅有施工支洞一個(gè)通道且其還布置于底部，從底部到上部開(kāi)挖只能通過(guò)超挖墊渣形成上部開(kāi)挖高度的工作面，故需從拆機(jī)硐室前方打開(kāi)翼口，爬坡至頂部高程面，先中導(dǎo)洞領(lǐng)進(jìn)、兩側(cè)擴(kuò)幫跟進(jìn)，逐步擴(kuò)大形成第一層大頂拱工作面。故在支洞內(nèi)布置拆機(jī)硐室利用現(xiàn)有通道開(kāi)挖的方式是可以達(dá)到要求的。

3 拆機(jī)硐室的設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 硐室段圍巖地質(zhì)情況

經(jīng)圍巖類(lèi)別鑒定，2B支洞從K0+765樁號(hào)至K1+403(終點(diǎn))均為Ⅱ類(lèi)圍巖，圍巖狀況較好。

3.2 TBM外徑尺寸和其它尺寸

TBM外徑尺寸為9.11 m，預(yù)留兩側(cè)空間各0.78 m。

主軸承吊裝平衡梁高度為1.2 m。

最小吊鉤收縮高度為1.5 m。

3.3 門(mén)機(jī)相關(guān)參數(shù)

門(mén)機(jī)主梁長(zhǎng)度為15.94 m。

門(mén)機(jī)小車(chē)至輪軌高度為7.606 m。上部預(yù)留安裝空間2.5 m。

門(mén)機(jī)安裝完成后的運(yùn)行重量：110 t(1臺(tái)小車(chē)、門(mén)機(jī)主梁和端梁及行走機(jī)構(gòu)重量之和)。

TBM2拆件中的最大重量：105 t(主軸承)。

門(mén)機(jī)軌道(QU100)：88.96 kg/m。

3.4 硐室支護(hù)參數(shù)

注漿帶墊板錨桿φ28，L=6 m，間距1.5 m×1.5 m；掛鋼筋網(wǎng)φ6@150 mm×150 mm；噴混凝土(30 MPa)厚度為0.15 m；軌道梁混凝土等級(jí)為C30(圓柱體)；軌道梁主筋為φ16，副筋為φ14。

綜上所述：下部?jī)魧挸叽?0.9 m；上部?jī)魧挸叽?7.8 m；軌道梁至開(kāi)挖底板為12.19 m；凈空高度為22.29 m。

4 拆機(jī)硐室的開(kāi)挖與支護(hù)施工

4.1 施工規(guī)劃

在TBM2完成掘進(jìn)之前，從2B支洞進(jìn)入完成相應(yīng)洞室的擴(kuò)挖支護(hù)，確保TBM2的正常滑行空間。在TBM2開(kāi)挖掘進(jìn)至主洞樁號(hào)K11+032.95后，利用自身油缸繼續(xù)向前推行至樁號(hào)K11+019.15，之后利用自身動(dòng)力將TBM2拉行進(jìn)入拆機(jī)硐室。對(duì)現(xiàn)有200 t門(mén)機(jī)進(jìn)行必要的改造并將其安裝在拆機(jī)硐室內(nèi)，將其作為T(mén)BM2拆除的主要吊裝工具。

4.2 施工方法

對(duì)擴(kuò)挖洞段先進(jìn)行頂部擴(kuò)挖并完成相應(yīng)的支護(hù)后再進(jìn)行兩側(cè)擴(kuò)挖。對(duì)拆機(jī)硐室段(STA1+291.78 ～ STA1+331.78)如圖4所示分四層進(jìn)行開(kāi)挖。對(duì)門(mén)機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)采用水平光面爆破，確保開(kāi)挖成型質(zhì)量(圖4)。

圖4 開(kāi)挖分層示意圖

開(kāi)挖采用人工手風(fēng)鉆和兩臂鉆鉆孔，周邊光面爆破。根據(jù)圍巖情況，將循環(huán)進(jìn)尺控制在1～3.5 m左右。采用直孔菱形掏槽方式，手風(fēng)鉆造孔孔深為1～2 m；兩臂鉆鉆孔時(shí)，孔深為1～4 m。周邊孔距為0.4～0.5 m，輔助孔孔間距為0.8～1 m。周邊孔采用φ25巖石乳化炸藥間隔均勻裝藥，輔助孔采用φ32巖石乳化炸藥連續(xù)裝藥。出渣采用裝載機(jī)裝自卸汽車(chē)運(yùn)渣至渣場(chǎng)。

4.3 支護(hù)施工

(1)錨桿施工。

錨桿主要為注漿錨桿，錨桿施工隨開(kāi)挖及時(shí)跟進(jìn)。

采用DT820兩臂臺(tái)車(chē)造孔。水平錨桿采用“先注漿后插桿”工藝。人工現(xiàn)場(chǎng)拌制砂漿，由SJB—10注漿機(jī)注漿。仰角錨桿采用“先插桿后注漿”工藝，先將錨桿自頂部沿一側(cè)綁扎固定φ6排氣管，要求錨桿安插到位后排氣管距孔底5 cm，孔口外露15 cm，利用平臺(tái)架人工安插鋼筋，孔口安置注漿管并用麻絲封閉后對(duì)錨桿孔注漿。

(2)噴混凝土施工。

噴混凝土采用“濕噴法”工藝。噴混凝土前，用高壓水將巖面沖洗干凈，清除巖石碎屑和松動(dòng)的巖塊，經(jīng)6 m3混凝土罐車(chē)運(yùn)輸入洞，混凝土臺(tái)車(chē)噴料，分層、分段噴混凝土至設(shè)計(jì)要求的厚度。噴混凝土施工一般采用自下而上的施工順序，將邊墻每層噴混凝土厚度控制在3～5 cm，頂拱每層噴混凝土控制在2～3 cm。噴混凝土終凝后，人工進(jìn)行噴水或?yàn)⑺B(yǎng)護(hù)，保持混凝土面濕潤(rùn)直至養(yǎng)護(hù)期結(jié)束。

5 TBM拆卸硐室具有的主要技術(shù)特點(diǎn)

5.1 TBM的拆卸全部在洞內(nèi)完成，在同類(lèi)TBM中獨(dú)具創(chuàng)新

CCS項(xiàng)目的洞內(nèi)全部拆機(jī)是在TBM完成掘進(jìn)任務(wù)后綜合考慮各種施工條件等情況下采取的特定拆卸手段。通過(guò)大量的方案論證和類(lèi)似工程對(duì)比，確定了包括TBM拆機(jī)洞室的布置型式、TBM轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)TBM滑行的影響、TBM滑行采取的反力支撐型式、TBM滑行軌道型式等，通過(guò)實(shí)際拆卸，總結(jié)分析了應(yīng)用與效果，可為日后洞內(nèi)拆卸TBM提供思路及基礎(chǔ)。

5.2 將前期組裝的200 t門(mén)機(jī)經(jīng)技術(shù)改造為洞內(nèi)橋機(jī)，既滿足了吊卸要求，又降低了成本

通過(guò)對(duì)門(mén)機(jī)荷載進(jìn)行研究以及廠家建議以不隨意改動(dòng)原設(shè)備主體結(jié)構(gòu)、外形尺寸為原則，取消了支腿、中橫梁和下梁結(jié)構(gòu)件后增加了主梁與大車(chē)行走機(jī)構(gòu)連接裝置，在主梁兩端與支腿連接端頭內(nèi)部布置肋板進(jìn)行加固，經(jīng)對(duì)門(mén)機(jī)技改和日后拆卸重量計(jì)算，能夠滿足拆卸過(guò)程中的最大件吊卸，既發(fā)揮了工程技術(shù)人員的聰明才智，又節(jié)約了成本。

5.3 現(xiàn)有轉(zhuǎn)彎半徑條件采用特制胎模滑行盾體，具有可靠性及安全性

TBM盾體重量約1 000 t，且其在滑行中不可能支解太多的部件，主要是考慮其整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，利用特制的胎模將全部TBM盾體置于胎模上，增大了胎模與地下預(yù)埋滑軌的滑動(dòng)面積并降低了滑動(dòng)系數(shù)，結(jié)合TBM自身油缸推力輔助提供反作用力，實(shí)現(xiàn)了胎模與預(yù)埋滑軌的滑動(dòng)。采用該方案，TBM盾體移動(dòng)自由度大，不會(huì)發(fā)生側(cè)向滾動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)反扭矩油缸調(diào)節(jié)拆卸盾的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)滑行，但有可能在轉(zhuǎn)彎段發(fā)生胎模側(cè)向滑塊與導(dǎo)向滑軌“啃咬”現(xiàn)象，此時(shí)，需采用千斤頂從外側(cè)將TBM往內(nèi)側(cè)頂，強(qiáng)迫其轉(zhuǎn)彎。

5.4 在120 m轉(zhuǎn)彎半徑條件下成功滑行TBM盾體和后配套

CCS項(xiàng)目TBM掘進(jìn)設(shè)計(jì)最小轉(zhuǎn)彎半徑為400 m，但在120 m轉(zhuǎn)彎半徑下滑行，必需將TBM盾體和后配套從牽引油缸處分開(kāi)，然后各自單獨(dú)滑行至拆機(jī)硐室。經(jīng)海端克廠家的專(zhuān)家建議和指導(dǎo)，從2B支洞引入了動(dòng)力電和冷卻水，改造超前鉆系統(tǒng)的液壓泵站作為動(dòng)力源，并與尾盾內(nèi)側(cè)底部的9#和10#油缸的高壓油管連接，利用9#和10#油缸完成TBM盾體的推進(jìn)工作。