張 國, 陳 勇

(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

Coca Codo Sinclair水電站(簡(jiǎn)稱CCS)項(xiàng)目位于南美洲厄瓜多爾共和國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24.8 km，縱坡為0.173%，為無壓明流洞，設(shè)計(jì)引用流量222 m3/s。采用全襯砌結(jié)構(gòu)形式。在鉆爆開挖隧洞區(qū)段內(nèi)，開挖直徑為9.7 m，混凝土襯砌厚度為0.5 m；在TBM掘進(jìn)機(jī)施工的洞段中，開挖洞徑為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)，厚度為0.3 m。輸水隧洞以2#支洞為界，采用2臺(tái)TBM施工，1臺(tái)由2#支洞向上游掘進(jìn)至1#支洞出洞，另外1臺(tái)由輸水隧洞出口工作面進(jìn)入(調(diào)節(jié)水庫庫區(qū)內(nèi))至增設(shè)的2#-B支洞出洞。

2 隧洞沿線工程地質(zhì)條件

輸水隧洞位于雷本塔爾多火山東南部，地形起伏較大，地勢(shì)總體呈西高東低，最高處為北部的REVENTADOR火山，海拔3 500 m左右。隧洞沿線山體平緩，無大的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地表植被茂盛，多處發(fā)現(xiàn)溪流。河道左岸已開挖的進(jìn)場(chǎng)道路揭露的邊坡巖體為頁巖，呈水平狀，為隔水層。在河道兩邊揭露的基巖呈水平狀。河道兩側(cè)覆蓋物均為火山灰坡積物，坡面平緩，不利于隧洞開挖。

輸水隧洞穿過的地層基本為侏羅紀(jì)～白堊紀(jì)迷薩華林(J-km)安山巖體，進(jìn)口段600～700 m為花崗巖侵入體，出口段約4 000 m為白堊紀(jì)下統(tǒng)浩林地層(K1h)砂頁巖。根據(jù)對(duì)廠房和取水口已開挖的探洞及鉆孔取芯資料進(jìn)行分析得知，迷薩華林地層安山巖巖體完整，具有良好的工程地質(zhì)特征，砂巖和頁巖呈水平狀。

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的資料得知，Ⅱ類圍巖約占隧洞總長(zhǎng)的60%，主要為隧洞中部迷薩華林地層的安山巖體：Ⅲ類圍巖約占隧洞總長(zhǎng)的20%，巖體以層狀結(jié)構(gòu)為主，質(zhì)量中等，包括進(jìn)口段花崗侵入巖和浩林地層的砂巖、頁巖；Ⅳ類圍巖約占隧洞總長(zhǎng)的20%，分布不連續(xù)，主要為斷層及其影響帶與巖層接觸的部位。輸水隧洞巖性分布情況為：

(1)樁號(hào)0+000～0+600：隧洞埋深0～260 m，巖性為花崗巖，為Ⅱ類圍巖。

(2)樁號(hào)0+600～3+000：隧洞埋深260～560 m，圍巖巖性為侏羅系-白堊系迷薩華林地層(J-km)，以火山巖構(gòu)造為主，表現(xiàn)為安山巖、粗面巖和玄武巖等。能見厚度為200 m，估測(cè)厚度大于650 m。該段推測(cè)發(fā)育有斷層8條，斷層間距500～1 000 m，圍巖為Ⅱ、Ⅲ類巖體，斷層帶為Ⅳ、Ⅴ類圍巖。

(3)樁號(hào)3+000～11+500：隧洞埋深500～560 m，圍巖巖性為侏羅系-白堊系迷薩華林地層(J-km)，山頂多有白堊系奧林地層(Kh)砂巖和那波地層(Kn)石灰?guī)r及泥灰?guī)r分布。該段分布有9條斷層。

(4)樁號(hào)11+500～21+000：隧洞埋深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)育有5條斷層。

(5)樁號(hào)21+000～24+779：隧洞埋深50～200 m，圍巖巖性為白堊系奧林地層(Kh)砂巖，山頂有那波地層(Kn)石灰?guī)r及泥灰?guī)r分布。為Ⅲ、Ⅳ類巖體。該段發(fā)育有5條斷層。

3 輸水隧洞施工方案初步研究及論證

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地航空考察及陸地徒步勘察后，對(duì)世界上現(xiàn)有的隧洞施工技術(shù)方法進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及工期的比較論證與研究。

3.1 鉆爆法施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形勘察，有條件且適宜鉆爆作業(yè)的位置只有現(xiàn)有的2#施工支洞位置，根據(jù)初期設(shè)計(jì)資料得知，2#支洞所在的位置至主洞長(zhǎng)度為

2 003 m。根據(jù)實(shí)地路線勘察得知，僅在5.8 km處有條件布置支洞，其長(zhǎng)度最短亦大于2 km，且為下坡洞，坡度約在1.5%左右；其它地方不具備條件或支洞更長(zhǎng)，特別是因火山灰堆積而導(dǎo)致其水平長(zhǎng)度無法預(yù)測(cè)。

據(jù)此條件及長(zhǎng)度計(jì)算，上游段10 km洞段的控制工期需69～72個(gè)月，無法滿足總工期要求。若再考慮增加施工支洞，其支洞長(zhǎng)度也將超過2 km，最終將導(dǎo)致增加的兩個(gè)施工支洞累計(jì)長(zhǎng)度超過4 km，在經(jīng)濟(jì)上不可取(備注：在工期計(jì)算中未考慮地下水、超長(zhǎng)隧洞通風(fēng)散煙等不良因素的影響。另外，也未考慮當(dāng)?shù)卣畬?duì)火工產(chǎn)品和爆破作業(yè)?？氐纫蛩氐牟焕绊?。

根據(jù)地形地貌資料及實(shí)地考察情況進(jìn)行分析得知，從2#施工支洞至出口段基本不具備布置施工支洞的條件，而該段洞長(zhǎng)達(dá)14 km，若采用鉆爆法施工，單個(gè)工作面的控制長(zhǎng)度達(dá)7 km，且為超長(zhǎng)隧洞施工。按基準(zhǔn)進(jìn)度120 m/月考慮， 主洞開挖(單個(gè)工作面7km)時(shí)間將超過58個(gè)月，混凝土襯砌35個(gè)月，從而導(dǎo)致工期無法保障且施工安全及后期通風(fēng)散煙問題不易解決。

因此，該工期無法滿足合同總工期的要求。另外，由于進(jìn)場(chǎng)施工道路在河道左岸，而輸水隧洞布置在右岸，故每增加一條支洞必須修建橋梁、施工道路等工程；同時(shí)，考慮到該地區(qū)為厄瓜多爾的自然保護(hù)區(qū)，沿山邊開挖施工道路和洞臉必然會(huì)造成環(huán)境破壞，很難得到當(dāng)?shù)卣脑S可。因此在現(xiàn)場(chǎng)考察期間，業(yè)主非常反對(duì)增加施工支洞而破壞環(huán)境的施工方案。

結(jié)論：若采用鉆爆法施工，無論從工期上、經(jīng)濟(jì)上，還是政治上都是不可取的。

3.2 兩臺(tái)開敞式TBM施工

考慮了以下施工方式：采用TBM1從2#施工支洞進(jìn)入，1#施工支洞鉆出。TBM2從隧洞出口進(jìn)入(調(diào)節(jié)水庫庫區(qū))，新增2#-B施工支洞鉆出。2#施工支洞處的明槽開挖采用常規(guī)開挖施工，火山灰坡積物洞段采用管棚法施工，上游和主洞連接的巖石洞段均采用TBM施工，下游和主洞連接的巖石洞段均采用鉆爆法施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探資料得知，隧洞沿線共發(fā)育有27條斷層,其中2#支洞上游段發(fā)育15條斷層，下游段發(fā)育12條斷層。由于開敞式TBM通過斷層帶需要預(yù)先進(jìn)行處理，按每個(gè)斷層平均需要10 d時(shí)間通過進(jìn)行的計(jì)算情況見表1。

表1 2臺(tái)開敞式TBM施工進(jìn)度分析表

結(jié)論：采用兩臺(tái)開敞式TBM施工在工期上無法滿足合同要求。同時(shí)，考慮到斷層帶的影響，如果因發(fā)生不良地質(zhì)段或圍巖塌落而導(dǎo)致支撐靴無法工作以及混凝土襯砌的時(shí)間，不推薦采用開敞式TBM。

另外，由于開敞式TBM僅有一套支撐系統(tǒng)，當(dāng)遇到圍巖坍塌或軟弱地層時(shí)支撐系統(tǒng)無法工作，必須通過常規(guī)方法進(jìn)行處理，現(xiàn)澆混凝土為支撐掌提供推進(jìn)力。為此，將要花費(fèi)的時(shí)間難以估計(jì)，而且噴錨支護(hù)工作在遇到不穩(wěn)定圍巖時(shí)必須停機(jī)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，所要花費(fèi)的時(shí)間亦難以估計(jì)。因此，采用開敞式TBM存在很多不確定性因素，很難事先預(yù)計(jì)施工工期。

3.3 兩臺(tái)雙護(hù)盾TBM施工

雙護(hù)盾TBM采用輔助推進(jìn)缸支撐在已襯砌的管片環(huán)上，可順利地通過中小斷層。對(duì)于大斷層且不穩(wěn)定的圍巖，可采用超前預(yù)固結(jié)或灌注聚氨脂泡沫通過。襯砌采用混凝土預(yù)制管片加豆礫石回填灌漿和止水條，可實(shí)現(xiàn)開挖與支護(hù)同步施工 。

3.3.1 雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)具有的優(yōu)點(diǎn)

(1)為了使TBM能順利通過軟弱地層、破碎帶等不良地質(zhì)洞段；

(2)為了實(shí)現(xiàn)開挖與支護(hù)同步進(jìn)行，充分發(fā)揮TBM的掘進(jìn)優(yōu)勢(shì)。

3.3.2 雙護(hù)盾TBM與開敞式TBM的根本區(qū)別

(1)增加了一套輔助推進(jìn)系統(tǒng)；

(2)采用預(yù)制管片支護(hù)，實(shí)現(xiàn)了開挖與支護(hù)同步進(jìn)行；

(3)推進(jìn)缸沿護(hù)盾周邊均布，有利于TBM的方向控制。

3.3.3 工期分析見表2。

表2 2臺(tái)雙護(hù)盾TBM工期分析表

結(jié)論：采用兩臺(tái)雙護(hù)盾TBM，實(shí)現(xiàn)了開挖與支護(hù)同步施工，能夠順利通過軟弱圍巖及一般斷層帶，控制工期為53.5個(gè)月，能夠滿足合同工期要求。故最終決定采用兩臺(tái)德國海端克雙護(hù)盾TBM加混凝土預(yù)制管片襯砌的施工方案。

4 S-672型雙護(hù)盾TBM的主要技術(shù)特性、參數(shù)

4.1 主要選型因素及技術(shù)特性

由于本工程地質(zhì)條件為多斷層、較大的地下水、部分洞段巖石單軸抗壓強(qiáng)度高，因此，TBM選型主要考慮了以下幾個(gè)因素；

(1)刀盤設(shè)計(jì)：由于本工程巖石偏硬且以安山巖為主，巖石最大單軸抗壓強(qiáng)度為250 MPa；需要適合硬巖的刀盤和刀具。最終采用的19in(1in=2.54 cm)刀具可承受較大的推力。刀具的布置以及刀盤主要考慮抗磨特別設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)較高的掘進(jìn)速度和使用壽命；

(2)在保證掘進(jìn)行程的前提下，整機(jī)的長(zhǎng)度應(yīng)盡量短；

(3)施工地段發(fā)育有不少斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象段，在TBM設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下要求：

①刀盤采用扁形設(shè)計(jì)，盡量減少其外露寬度；

②前護(hù)盾+支撐護(hù)盾+后護(hù)盾的外形按錐形設(shè)計(jì)，頭大身?。?/p>

③在前護(hù)盾設(shè)計(jì)周邊超前注漿預(yù)留孔，以便在刀盤前進(jìn)行化學(xué)固結(jié)工作；

④TBM前護(hù)盾應(yīng)有較大的回縮能力，并應(yīng)具有足夠的脫困能力；

(4)由于本工程地下水豐富，故從設(shè)備設(shè)計(jì)上需采取以下措施：

①主機(jī)設(shè)計(jì)需考慮防水，一些主要部件需有較高的防護(hù)等級(jí)；

②刀盤設(shè)計(jì)需考慮渣水分離，盡量減少皮帶機(jī)帶水；

③在伸縮護(hù)盾及尾盾專門設(shè)計(jì)有排水設(shè)施，從而將伸縮護(hù)盾及尾盾部位的水直接排到后配套之后，以減少伸縮護(hù)盾中間的石粉和泥砂淤積；

④在尾盾部位專門設(shè)計(jì)有清渣設(shè)備，避免此部位的積渣影響管片的安裝。

4.2 主要技術(shù)參數(shù)

4.2.1 整 機(jī)

①主機(jī)長(zhǎng)：12.41 m；②整機(jī)長(zhǎng)：172 m；③主機(jī)及后配套總重：1 986 t；④最小轉(zhuǎn)彎半徑：400 m。

4.2.2 刀 盤

①開挖直徑：9.11 m；②刀具數(shù)量：61把(單刀設(shè)計(jì)荷載315 kN)；③滾刀直徑：483 mm(19in)；④主軸承形式：3軸滾柱軸承；⑤刀盤功率：12×350=4 200(kW)；⑥脫困扭矩：21 736 kN·m(約為最大扭矩的1.7倍)；⑦刀盤轉(zhuǎn)速：0～5.95 r/min。

4.2.3 護(hù) 盾

①前護(hù)盾外徑、長(zhǎng)度：9.04 m、2.07 m；②伸縮盾外徑、長(zhǎng)度：8.94 m、2.1 m；③支撐護(hù)盾外徑、長(zhǎng)度：8.94 m、4.76 m；④尾盾外徑、長(zhǎng)度：8.94 m、

2.69 m。

4.2.4 掘進(jìn)系統(tǒng)

①主推進(jìn)最大推力：61 575 kN @350 Pa；②主推油缸數(shù)量：14根；③主推油缸行程 ：1.9 m；④輔助推進(jìn)缸最大推力：104 411 kN @500 Pa；⑤輔助油缸數(shù)量：23根；⑥輔助油缸行程：2.4 m。

4.2.5 電力系統(tǒng)

①初級(jí)電壓：20 kV (+/- 10%)50 Hz (+/- 10%)；②次級(jí)電壓：690/380/220 V；③變壓器總?cè)萘浚?×2 700 kVA (690 V) +1× 3 500 kVA (380/220 V)。

4.2.6 出渣系統(tǒng)

隧洞連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)，運(yùn)行速度為0 ～2.5 m/s。

4.2.7 后配套臺(tái)車

9臺(tái)臺(tái)車+1臺(tái)橋架，允許列車通過尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)68 m×6.2 m × 4 m。

4.2.8 全機(jī)總功率

全機(jī)總功率：7 661.5 kW。

4.2.9 主要性能及參數(shù)

(1)管片安裝機(jī)在熟練的操作人員操作下安裝一環(huán)的時(shí)間不大于20 min。

(2)掘進(jìn)機(jī)換步時(shí)間應(yīng)小于5 min。

(3)最小轉(zhuǎn)彎半徑不小于500 m。

(4)刀盤、主軸承在偏心荷載大扭矩工況下純工作時(shí)間應(yīng)保證不小于15 000 h。

(5)大齒圈傳動(dòng)主密封、主驅(qū)動(dòng)、變頻器、減速器、液壓馬達(dá)、閥組、油泵、油缸、PLC、變壓器、電器控制柜等主要部件以及后配套上的主要設(shè)備純工作時(shí)間應(yīng)保證不小于12 000 h。

(6)刀盤具有擴(kuò)挖措施，擴(kuò)挖半徑不小于100 mm。

5 雙護(hù)盾TBM施工方案

5.1 施工設(shè)施布置

TBM施工的總體布置主要包括TBM工業(yè)廣場(chǎng)、管片預(yù)制廠、12 000 kW柴油發(fā)電廠、給排水系統(tǒng)等設(shè)施的布置。

TBM工業(yè)廣場(chǎng)：由軌道運(yùn)輸系統(tǒng)、倉庫(包括備品備件、材料)、管片堆放場(chǎng)、骨料堆放場(chǎng)、水泥庫房、砂漿拌和站、道軌、水管堆放場(chǎng)、刀具修理車間、機(jī)修車間、風(fēng)機(jī)房、現(xiàn)場(chǎng)辦公室等組成。

管片預(yù)制廠：主要由管片生產(chǎn)線、鋼筋加工生產(chǎn)線、蒸養(yǎng)生產(chǎn)線、混凝土拌和站、管片堆放場(chǎng)、現(xiàn)場(chǎng)值班室等組成。

施工供電：采用9臺(tái)C2250D5柴油發(fā)電機(jī)，持續(xù)總功率12 150 kW 。

給水排水：修建500 m3高位水位供水設(shè)施，排水采用水泵抽排與自流排水。

通風(fēng)：采用壓入式通風(fēng)，選用3×160 kW軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)筒直徑2.4 m。

隧洞出渣：采用連續(xù)皮帶機(jī)及洞內(nèi)增設(shè)皮帶加力站運(yùn)輸至洞外的方式，自卸車轉(zhuǎn)運(yùn)至渣場(chǎng)。

施工測(cè)量：采用德國VMT激光制導(dǎo)系統(tǒng)，其集數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示一體化。

TBM施工材料運(yùn)輸：采用小火車列車編組、有軌運(yùn)輸加固定錯(cuò)車平臺(tái)。每列編組列車可滿足兩個(gè)掘進(jìn)循環(huán)材料運(yùn)輸要求。整組列車由1列砂漿車、2列管片車、1列豆礫石罐車、1列管路與載人車、1列水泥車和1個(gè)內(nèi)燃機(jī)車牽引車組成，總長(zhǎng)度為86 m。

5.2 TBM的主要部位

TBM主要由刀盤、刀盤驅(qū)動(dòng)、護(hù)盾(前護(hù)盾、伸縮護(hù)盾、支撐護(hù)盾、尾護(hù))、管片拼裝機(jī)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、除塵通風(fēng)系統(tǒng)、后配套臺(tái)車系統(tǒng)等組成。

5.3 TBM掘進(jìn)施工

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)作出準(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)。依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(不再撐緊洞壁)，主推進(jìn)油缸也收回，前盾和支撐盾作為一個(gè)整體動(dòng)作，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進(jìn)力，TBM掘進(jìn)時(shí)無法拼裝管片，只能在掘進(jìn)行程完成之后停止掘進(jìn)，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)。

TBM施工采取三班制，兩班掘進(jìn)，一班維護(hù)，掘進(jìn)工班每班工作8 h，維護(hù)工班每班工作4 h，維護(hù)工作安排在每天上午。

5.4 管片預(yù)制

管片襯砌結(jié)構(gòu)由YREC(黃河設(shè)計(jì)公司)設(shè)計(jì)，管片形式為6+1四邊形，其中第七塊管片為楔塊(又稱鎖定)管片，分左右環(huán)。

管片厚度統(tǒng)一為0.3 m，寬度為1.8 m，每環(huán)管片(6+1=7片)混凝土量為14.286 7 m3，結(jié)構(gòu)配筋按照Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖分為A、B、C、D型，其中A型管片含筋量為107 kg/m3、B型管片含筋量為116 kg/m3、C型管片含筋量為128 kg/m3、D型管片含筋量為244 kg/m3。管片混凝土強(qiáng)度：A、B型采用C40 MPa，C、D型采用C50 MPa(為圓柱體強(qiáng)度)，由于Ⅱ類圍巖段權(quán)重較小，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)狀況并優(yōu)化生產(chǎn)程序，提高管片生產(chǎn)效率，故取消A型管片，采用B型管片代替，又由法國克茵公司重新計(jì)算校核管片結(jié)構(gòu)配筋率后將B型管片的含筋率調(diào)整至90 kg/m3，降低了22.4%的鋼筋用量。

管片環(huán)向采用33根M24高強(qiáng)度螺栓連接，管片接縫采用一條復(fù)合式橡膠止水條(每環(huán)長(zhǎng)度為31 m)，管片表面接縫設(shè)計(jì)成燕尾槽，每片管片設(shè)有兩個(gè)安裝孔和一個(gè)注漿孔，供搬運(yùn)、安裝、充填豆礫石和灌漿之用。

管片預(yù)制生產(chǎn)由距離21 km外的預(yù)制管片廠生產(chǎn)，采用生產(chǎn)流水線共計(jì)6套(6套×7片=42片/套)模具，最高單日生產(chǎn)量為126片(18環(huán)/ 32.4 m)，但因各種故障及溫度等原因，實(shí)際生產(chǎn)率一般為每天90～95片。故管片生產(chǎn)需在考慮滿足TBM掘進(jìn)強(qiáng)度時(shí)至少提前3～5個(gè)月生產(chǎn)。

管片生產(chǎn)采取三班制，鋼筋線、澆筑線、運(yùn)行線需配相應(yīng)人員作業(yè)。管片模具維護(hù)的時(shí)間一般與混凝土拌和站維護(hù)同時(shí)進(jìn)行。

5.5 管片的襯砌與安裝

管片由拖車運(yùn)至工業(yè)廣場(chǎng)的管片堆放場(chǎng)，由30 t門機(jī)吊裝至列車編組的管片列車。洞內(nèi)采用行走于桁架結(jié)構(gòu)上的專用管片運(yùn)輸機(jī)將管片從管片車上卸入喂片機(jī)上，喂片機(jī)上能存2環(huán)共14塊管片。管片襯砌在TBM護(hù)盾的尾部由管片拼裝機(jī)分片進(jìn)行安裝。

5.6 豆礫石的回填與灌漿

豆礫石儲(chǔ)存于后配套第5節(jié)臺(tái)車，每環(huán)管片安裝完成后立即進(jìn)行，由豆礫石泵接管泵送。

水泥灌漿在后配套第7節(jié)臺(tái)車，現(xiàn)場(chǎng)攪拌，然后用注漿泵將漿液注入到回填好的豆礫石中。

6 CCS項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM的實(shí)際掘進(jìn)記錄與分析

(1)掘進(jìn)循環(huán)最高速度：20 min/環(huán)。

(2)單環(huán)管片安裝速度：12 min。

(3)單日最高進(jìn)尺：45 m。

(4)周最高進(jìn)尺：252 m。

(5)月最高進(jìn)尺：1 000.41 m。

2013年TBM2掘進(jìn)進(jìn)尺柱狀圖見圖1.

圖1 2013年TBM2掘進(jìn)進(jìn)尺柱狀圖

通過對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，TBM掘進(jìn)與設(shè)備故障、不良地質(zhì)段影響以及組織協(xié)調(diào)直接相關(guān)。2013年2月至3月上旬，突遇超標(biāo)涌水和涌砂，每天清渣時(shí)間約占2/3，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率。2013年12月9日突遇斷層破碎帶，塌方量巨大，無法實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)渣，被迫停機(jī)處理。當(dāng)遇到較大斷層破碎帶時(shí)，對(duì)任何一臺(tái)TBM來說都是一個(gè)沉重的打擊。若TBM設(shè)備故障少，圍巖狀況良好，其施工效率極為明顯。如2013年4月，該月掘進(jìn)了1 000.41 m，平均每日進(jìn)尺32.3 m，創(chuàng)造了同等直徑TBM世界第三的掘進(jìn)紀(jì)錄。

7 TBM在CCS項(xiàng)目遇到的問題及采取的施工措施

7.1 軟弱擠壓圍巖

在掘進(jìn)至21.5 km時(shí)遇到軟弱擠壓圍巖段，伸縮盾及尾盾有被擠壓現(xiàn)象，掘進(jìn)推力逐漸增大。處理措施：認(rèn)真觀察、分析擠壓部位，通過切換高壓模式，更改PLC程序，在推力達(dá)到48 500 kN時(shí)才得以通過。

改進(jìn)措施 ：地質(zhì)工程師每班至少進(jìn)入刀盤2次，認(rèn)真觀察圍巖狀態(tài)；操作手認(rèn)真總結(jié)并對(duì)比掘進(jìn)參數(shù)及渣塊渣料情況。

7.2 涌水和流砂

2013年2月3日，當(dāng)掘進(jìn)至樁號(hào)22+992時(shí)，突遇較大涌水和流砂，涌水量達(dá)到120 L/s。該段地質(zhì)條件為Hollin地層和Missahualli地層的過渡段，上部為Hollin地層的石英砂巖，屬強(qiáng)透水層，下部為Missahualli地層的火成巖，為弱透水層。由于TBM下部為弱透水層，Hollin地層中的大量涌水通過TBM刀盤和護(hù)盾與圍巖之間的間隙涌入TBM機(jī)身。另外，所遇到的Hollin地層相對(duì)穩(wěn)定，巖性為粗粒石英砂巖，經(jīng)TBM滾刀擠壓旋轉(zhuǎn)后變?yōu)樗缮⒌氖⑸埃殡S大量涌水通過刀盤旋轉(zhuǎn)和TBM刀盤鏟斗進(jìn)入刀盤集料斗，部分流入伸縮護(hù)盾和尾護(hù)盾并淤積在伸縮護(hù)盾和尾護(hù)盾處。此外，由于大量的水和砂從TBM刀盤集料斗進(jìn)入1#皮帶和2#皮帶，造成皮帶翻渣，直接流到管片喂片機(jī)上，導(dǎo)致喂片機(jī)經(jīng)常無法正常工作。

處理措施：(1)為確保TBM正常掘進(jìn)，加大了排水和清渣力度，共計(jì)配置了740 m3/h水泵抽排。(2)在每天進(jìn)行的刀盤維修前，事先排空刀盤中的積水和淤砂。(3)伸縮盾、尾護(hù)盾及管片喂片機(jī)部位是重點(diǎn)，除確保水泵正常運(yùn)行外，按3 h清渣時(shí)間定時(shí)換人進(jìn)行清理，確保清渣效率。(4)后配套尾部為確保火車通行，安排固定人員依然按照3 h清渣裝袋實(shí)施。

改進(jìn)措施：(1)配置效率高、輕便的抽砂泵，配置專用的耐磨軟管，以提高抽水及排砂的速度；(2)增大TBM機(jī)上的清渣泵排量；(3)將TBM2#皮帶由原來的平板皮帶改為擋邊皮帶，減小了2#皮帶翻渣流砂直接流入管片喂片機(jī)和尾盾部位的程度，進(jìn)而減小了清渣量。

7.3 斷層破碎帶

2013年12月9日，掘進(jìn)至樁號(hào)16+127.41時(shí)采用單護(hù)盾掘進(jìn)模式，刀盤前方突遇塌方，大量渣料瞬間超過3#皮帶的運(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)。后通過清渣及各種掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置、刀盤實(shí)施化學(xué)灌漿和水泥灌漿，因掘進(jìn)出渣量大，塌方嚴(yán)重，皮帶負(fù)荷大而導(dǎo)致停機(jī)。該段圍巖為安山巖，墨綠色～灰黑色，新鮮～微風(fēng)化,巖體破碎，呈碎塊狀，略有滲水。

處理措施：從尾盾倒數(shù)第三環(huán)管片位置先行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，采用上導(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)條件時(shí)停止開挖。支護(hù)采用I20工字鋼，系統(tǒng)錨桿加鎖腳錨桿，掛網(wǎng)及全封閉包裹式噴混凝土，鋼支撐拱腳澆筑鋼筋混凝土梁，開挖及支護(hù)完成，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。整個(gè)斷層破碎帶長(zhǎng)50 m，處理周期為6個(gè)月。

經(jīng)驗(yàn)及改進(jìn)措施與思路：(1)改進(jìn)刀盤內(nèi)能夠充分發(fā)揮鉆孔設(shè)備的空間和位置，在刀盤面多增加孔位，滿足覆蓋實(shí)施化灌的區(qū)域；(2)調(diào)整并改進(jìn)TBM自帶超前液壓鉆的位置，使其盡量能夠靠近刀盤；(3)備足一定數(shù)量的化學(xué)灌漿材料，以便快速之用；(4)在揭頂開挖空間內(nèi)，采用機(jī)械出渣設(shè)備，效率將直線提高；同時(shí)，在TBM機(jī)型上也要考慮該設(shè)備的預(yù)留空間尺寸；(5)在實(shí)施水泥固結(jié)灌漿時(shí)需慎重，注意觀察護(hù)盾與圍巖之間的變化，若有漿液通過，需及時(shí)停止灌漿，以免水泥漿將護(hù)盾和圍巖裹??；(6)加強(qiáng)鋼支撐拱腳部位的安全，在啟動(dòng)TBM掘進(jìn)后，兩側(cè)拱腳不能發(fā)生較大的塌方，同時(shí)，在掘進(jìn)后的兩側(cè)拱腳部位及時(shí)回填豆礫石包袋或豆礫石加水泥混裝袋；(7)在TBM通過揭頂開挖段后，采用最大配備及最快速度回填頂部豆礫石。

7.4 管片錯(cuò)臺(tái)

在遇到軟弱圍巖、掘進(jìn)姿態(tài)控制不佳、豆礫石及底部砂漿未及時(shí)跟進(jìn)回填、管片安裝位置與尾盾空隙過小等原因時(shí)，在TBM尾盾伸出或斜向輪壓過管片時(shí)易造成管片形成錯(cuò)臺(tái)，其關(guān)鍵在于形成錯(cuò)臺(tái)后還需進(jìn)行鑿毛修補(bǔ)，即費(fèi)工費(fèi)時(shí)，又造成外觀質(zhì)量下降及成本增大。

經(jīng)驗(yàn)及改進(jìn)措施：(1)當(dāng)遇到不良地質(zhì)洞段時(shí)，需精準(zhǔn)控制掘進(jìn)姿態(tài)，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)速度及油缸行程，及時(shí)切換掘進(jìn)模式，采用單護(hù)盾掘進(jìn)。(2)管片安裝時(shí)，仔細(xì)測(cè)量管片與尾盾之間的間隙，根據(jù)尾盾間隙適當(dāng)調(diào)整管片安裝位置。(3)

延長(zhǎng)管路，增設(shè)平臺(tái)，豆礫石回填跟進(jìn)尾盾倒數(shù)第二環(huán)管片回填。(4)根據(jù)砂漿運(yùn)輸情況，及時(shí)進(jìn)行一次性灌注砂漿，保證尾盾倒數(shù)第二環(huán)管片底部均有砂漿。

7.5 掘進(jìn)速度快而導(dǎo)致回填灌漿跟不上，從而形成二次灌漿

從設(shè)計(jì)后配套豆礫石回填灌漿的設(shè)備配置及實(shí)際應(yīng)用效果看，原后配套水泥灌漿設(shè)備配置略顯不足，從而造成頂部回填不滿或不均勻。另外，由于受掘進(jìn)速度影響，有些管片來不及回填，TBM需換步前行，從而形成了二次灌漿。

經(jīng)驗(yàn)及改進(jìn)措施：(1)增大后配套水泥灌漿設(shè)備配置，采用袋裝水泥運(yùn)輸。(2)在滿足管片底部砂漿回填的同時(shí)，采用泵送砂漿的方式回填頂拱(此法在得到正式批準(zhǔn)后應(yīng)用效果較好)。

8 結(jié)論及總結(jié)

(1)TBM施工是一個(gè)系統(tǒng)工程。對(duì)于TBM從設(shè)備選型、合同談判到制造、海運(yùn)、清關(guān)，直至陸運(yùn)、組裝、運(yùn)行以及后期的配件供應(yīng)維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)均要求有較好的組織協(xié)調(diào)；施工中包括施工資源組織調(diào)度、與TBM廠家人員的溝通、TBM各個(gè)施工崗位的職責(zé)與管理等，均將對(duì)TBM整個(gè)系統(tǒng)工程造成重大影響。

(2)TBM是集土建、機(jī)械、電器、液壓于一體的、多專業(yè)的團(tuán)隊(duì)，每個(gè)專業(yè)的快速反應(yīng)與判斷對(duì)TBM高效掘進(jìn)至關(guān)重要。

(3)雙護(hù)盾TBM在適宜的各種復(fù)雜的地質(zhì)條件下確實(shí)顯示出了其具有的優(yōu)點(diǎn)，但在遇到大斷層時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)刀盤或盾內(nèi)的固結(jié)灌漿仍需要進(jìn)行認(rèn)真地總結(jié)和改進(jìn)。