屈天放

（中國(guó)水利水電第六工程局（四分局），遼寧沈陽(yáng)110179）

科卡科多水電站TBM卡機(jī)處理方法探討

屈天放

（中國(guó)水利水電第六工程局（四分局），遼寧沈陽(yáng)110179）

科卡科多水電站引水隧洞施工過(guò)程中發(fā)生雙護(hù)盾TBM卡機(jī)現(xiàn)象，根據(jù)TBM掘進(jìn)記錄和地質(zhì)情況分析是受斷層破碎帶的影響。為使TBM脫困，采取開挖TBM上方巖體，鉆設(shè)超前小導(dǎo)管、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、支鋼拱架等方法使圍巖保持穩(wěn)定，再清理TBM護(hù)盾上方散落的巖石，終使TBM脫困并通過(guò)斷層破碎帶。

雙護(hù)盾TBM；斷層破碎帶；科卡科多水電站

1　概述

厄瓜多爾科卡科多-辛克雷水電站安裝8臺(tái)發(fā)電機(jī)，裝機(jī)的容量為1 500 MW，年發(fā)電量88億kW·h，引水隧洞長(zhǎng)24.8 km，開挖洞徑約9.2 m，采用2臺(tái)雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)（TBM）和鉆爆法開挖施工。

2014年1月25日TBM1在掘進(jìn)至樁號(hào)2+ 202 m時(shí)前盾被卡，采取加大推力、灌注膨潤(rùn)土等措施均未能脫困。2014年2月2日施工方開始在伸縮盾處清渣，但在2月8日清渣過(guò)程中因受前期塌方及施工擾動(dòng)影響，隔水層破裂導(dǎo)致盾體左側(cè)突發(fā)塌方和涌水現(xiàn)象，塌方和涌水持續(xù)了數(shù)小時(shí)，水與塊石一同涌入隧洞，形成泥石流。塌方體中的塊石巖性主要為安山巖及少量角礫巖，磨圓較差，塊徑大小不一，多為2～10 cm，涌水初期水質(zhì)渾濁，約10 h后，涌水才變清。這次塌方和涌水導(dǎo)致清渣工作暫停、伸縮盾、尾盾等設(shè)備被掩埋，尾盾后方1～10環(huán)管片滲水，1～4環(huán)管片破損下沉，為了使TBM脫困以便繼續(xù)開挖施工，必須分析事故原因并采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?/p>

2　原因分析

根據(jù)TBM掘進(jìn)參數(shù)記錄，TBM在掘進(jìn)至4846環(huán)時(shí)推力由13 000～15 000 kN下降至10 000 kN以下，最低降到6 700 kN，扭矩由3.26 MN·m大幅下降至1.5 MN·m，貫入度卻由15 mm/r上升至18 mm/r，由此推斷從4846環(huán)開始巖石變差。打開伸縮盾，在TBM右側(cè)及頂部看到兩個(gè)斷層，其中一個(gè)斷層寬約20 cm，另一個(gè)斷層寬約10 cm。斷層與隧洞掘進(jìn)方向成約60°的傾角。斷層位置相對(duì)干燥，無(wú)明顯滲水。斷層處的圍巖為強(qiáng)風(fēng)化的安山巖、玄武巖，巖石破碎有夾泥，圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類，極易塌方、掉塊、卸荷。根據(jù)TBM掘進(jìn)記錄和地質(zhì)資料分析，斷層破碎帶是導(dǎo)致TBM被卡的主要原因，應(yīng)該采取工程措施對(duì)TBM護(hù)盾和TBM前方20 m范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行處理，使TBM脫困并能繼續(xù)開挖施工。［1］

3　處理方法

3.1加強(qiáng)已完工程的防護(hù)

因?yàn)門BM尾盾后的管片已經(jīng)出現(xiàn)破損情況，為了防止塌方對(duì)已安裝好的管片的影響，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，需對(duì)尾盾后1～5環(huán)管片進(jìn)行水泥灌漿加固，對(duì)尾盾后第1～9環(huán)管片在隧洞內(nèi)部用鋼支撐進(jìn)行加固。

安裝3組收斂變形計(jì)，一組安裝在盾尾盾體上，監(jiān)測(cè)塌方對(duì)盾體產(chǎn)生的變形影響；另兩組分別安裝在盾尾后第3環(huán)、第11環(huán)管片上，用來(lái)監(jiān)測(cè)管片變形情況。

3.2開挖排水洞

為了排除地下水，減少滲水對(duì)施工作業(yè)的影響，在掘進(jìn)方向右側(cè)盾尾后第10環(huán)管片處向刀盤方向開挖PD2支洞，作為塌方段的排水洞，開挖斷面1.8 m×2.0 m（局部地質(zhì)鉆超前勘探部位及打排水孔部位擴(kuò)挖斷面至2.0 m×2.5 m）。在導(dǎo)洞開挖完成后采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆兩個(gè)深20 m的排水孔，一個(gè)排水孔垂直頂拱，另一個(gè)排水孔與隧洞軸線成60°。

3.3開挖TBM開挖斷面上方的巖體

開挖斷層破碎內(nèi)TBM開挖斷面上方的巖體，并形成可靠的支護(hù)體，使TBM在支護(hù)體的防護(hù)下開挖并通過(guò)斷層破碎帶。為了到TBM護(hù)盾前方進(jìn)行開挖與支護(hù)作業(yè)，在掘進(jìn)方向左側(cè)盾尾后第10環(huán)管片上開洞PD1，從第10環(huán)管片向刀盤方向開挖，開挖斷面1.8 m×2.0 m。PD1支洞開挖至刀盤前掌子面，開始處理刀盤、盾體部位塌方區(qū)，在盾尾部分塌方區(qū)域處理完成后，開始對(duì)伸縮盾內(nèi)、尾盾內(nèi)掉落石渣進(jìn)行清理，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查和恢復(fù)。開挖過(guò)程中根據(jù)地質(zhì)情況決定增設(shè)PD1－B支洞，用于刀盤前0+19～0+6.5 m斷的開挖支護(hù)施工輔助支洞。

刀盤前至TBM尾盾部位擴(kuò)挖段總體方案如圖1所示。

圖1　擴(kuò)挖段總體布置圖

1）0+19～0+6.5 m段擴(kuò)挖段開挖。開挖斷面按如圖2施工。

分3區(qū)開挖，先開挖Ⅰ區(qū)，再開挖Ⅱ，Ⅲ區(qū)。其中Ⅰ區(qū)超前Ⅱ，Ⅲ區(qū)2～3排炮。Ⅰ區(qū)開挖排炮進(jìn)尺1.5～2.0 m，鋼支撐間距0.8～1.0 m。

支護(hù)型式：先超前錨桿（φ25鋼筋，L=3 m），工20鋼支撐，掛網(wǎng)噴混凝土。

2）0+6.5～0－11.5段擴(kuò)挖段開挖。開挖斷面挖如圖3施工。

先開挖Ⅰ區(qū)，開挖排炮進(jìn)尺1.2 m，鋼支撐間距0.6 m。根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整開挖方案，根據(jù)涌水情況，也可先開挖Ⅱ區(qū)，再開挖Ⅲ區(qū)，最后開挖Ⅰ區(qū)。

支護(hù)型式：先超前小導(dǎo)管（φ42鋼管，L=3 m），工20鋼支撐，掛網(wǎng)噴混凝土。

圖2　 0+19～0+6.5 m段擴(kuò)挖段開挖支護(hù)圖

圖3　 0+6.5～0～11.5 m段擴(kuò)挖段開挖支護(hù)圖

4　開挖方法

4.1施工準(zhǔn)備

1）對(duì)PD1，PD2支洞旁邊的TBM設(shè)備進(jìn)行必要的拆除、轉(zhuǎn)移及保護(hù)。

2）采用φ25藥卷錨桿加固管片開口部位，鉆孔位置選在管片安裝操作孔處，并為盡量減小對(duì)管片的損壞采用螺栓加墊板的方式鎖定管片。

3）在PD1支洞洞口搭設(shè)鋼板平臺(tái)，并通過(guò)自制皮帶與主洞皮帶相接，用于PD1支洞開挖渣料運(yùn)輸。在PD2支洞搭設(shè)平臺(tái)及溜槽，渣料直接卸入主洞皮帶，對(duì)主洞皮帶兩側(cè)進(jìn)行防護(hù)，防止大塊石渣損壞皮帶。

4.2施工布置

1）施工供風(fēng)、供水、供電：利用TBM上已有風(fēng)、水、電系統(tǒng)。

2）通風(fēng)：在開挖過(guò)程中考慮用φ30或φ50風(fēng)管延伸。

3）鋼結(jié)構(gòu)、錨桿制作：在洞外制作好后，用小火車運(yùn)入洞內(nèi)。

4）噴混凝土：在洞外拌和好干料運(yùn)入洞內(nèi)，采用干噴機(jī)噴射混凝土。

4.3PD1，PD2支洞開挖方案

1）根據(jù)測(cè)量放線，利用切割機(jī)、風(fēng)鎬等設(shè)備將第10環(huán)管片PD1，PD2支洞洞口管片拆除，露出巖面。

2）為減少爆破對(duì)TBM設(shè)備影響，在距支洞口5 m內(nèi)循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～0.8 m，采用淺孔弱爆破、多循環(huán)、短進(jìn)尺開挖方法，并在爆破時(shí)對(duì)洞口進(jìn)行防護(hù)，避免飛石造成TBM設(shè)備的損壞。在PD1，PD2支洞進(jìn)入轉(zhuǎn)彎段后，開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在2 m以內(nèi)，單次爆破藥量不超過(guò)3 kg。采用人工裝渣，手推車運(yùn)輸至皮帶機(jī)，再轉(zhuǎn)運(yùn)至洞外。

3）支洞內(nèi)III類圍巖段開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在1.5～ 2.0 m，每開挖3～5排炮立即噴3～5 cm厚C20混凝土，再安裝系統(tǒng)錨桿，最后噴二次混凝土到8～10 cm厚。

4）支洞內(nèi)IV，V類圍巖段開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在1 m以內(nèi)，鋼支撐緊隨掌子面進(jìn)行安裝，鋼支撐間距0.5～0.8 m。布設(shè)系統(tǒng)錨桿φ25，L=1.5 m，錨桿間距1 m，按設(shè)計(jì)要求掛網(wǎng)并噴10 cm厚混凝土。鋼筋網(wǎng)在洞外裁剪成60～80 cm寬、100～150 cm長(zhǎng)的鋼筋網(wǎng)片，以便洞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和安裝。

4.4擴(kuò)挖段上導(dǎo)洞開挖

1）出渣洞新增支洞PD－1B開挖至刀盤前19 m時(shí)轉(zhuǎn)彎進(jìn)入輸水隧洞，并垂直輸水隧洞軸線開挖斷面為2 m×3 m的導(dǎo)洞至隧洞邊線。

2）導(dǎo)洞開挖完成后，再沿輸水隧洞下游方向開挖刀盤前19.0～6.5 m段。開挖斷面按上述總體方案開挖斷面開挖。先開挖中間Ⅰ區(qū)，再開挖Ⅱ、Ⅲ區(qū)。其中Ⅰ區(qū)超前Ⅱ、Ⅲ區(qū)2～3排炮。

3）開挖時(shí)如遇滲水，滲水部位采用膠管引排。滲水造成無(wú)法支護(hù)鋼支撐和噴混凝土工作，可采取以下措施：在支護(hù)前，提前用土工膜或者彩鋼瓦等對(duì)支護(hù)區(qū)域封閉，并快速支護(hù)鋼支撐；噴混凝土?xí)r先邊墻后頂拱，先下部再上部。分層噴射，噴層厚3～5 cm。在滲水不嚴(yán)重地段，采用水玻璃作速凝劑干噴，噴完一層后立即打排水孔以減少地下水對(duì)噴層的壓力，防止噴層被破壞。

4）鋼支撐上部出現(xiàn)空腔，可采用填筑木材、汽車輪胎等，減少空腔塌方。另外木材或者輪胎對(duì)上部掉渣能起到緩沖作用；木材或者輪胎比重小，能減少對(duì)鋼支撐的壓力。

5　施工安全

1）所有與搶險(xiǎn)施工無(wú)關(guān)人員，不得進(jìn)入TBM作業(yè)面。

2）配備2名專職安全工程師監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)施工，并在爆破后檢測(cè)有害氣體濃度。爆破后持續(xù)通風(fēng)散煙，直至有害氣體含量滿足要求時(shí)方可進(jìn)入下一施工工序。

3）充分做好施工準(zhǔn)備工作，并由專職安全工程師檢查合格后方可開始鉆爆施工。

4）裝藥由專業(yè)爆破工進(jìn)行，安全員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督。

5）爆破前，安全員對(duì)所有安全防護(hù)進(jìn)行確認(rèn)檢查，并鳴哨警戒，所有人員撤離至TBM救生艙內(nèi)，或撤離至TBM尾部之后50 m以外。

6）配置專職救護(hù)員，配足藥品及口罩，配足勞保用品，爆破前，TBM尾部停放1臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車待命，以便緊急情況下及時(shí)撤離人員。

7）洞口利用木方和舊皮帶制作保護(hù)簾。爆破前將此保護(hù)簾放置于旁洞進(jìn)口，以減少爆破沖擊。

6　結(jié)語(yǔ)

科卡科多水電站TBM1卡機(jī)處理中，根據(jù)地質(zhì)情況，采取擴(kuò)挖TBM上方巖體，用超前小導(dǎo)管、鋼支撐、掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土等施工方法，使TBM上方的巖體保持穩(wěn)定，再清理TBM護(hù)盾上松散巖石，使TBM得以脫困，為雙護(hù)盾TBM通過(guò)斷層破碎帶積累了施工經(jīng)驗(yàn)。

［1］宋濤.TBM不良地質(zhì)地段施工技術(shù)［J］.湖南水利水電，2010（08）.

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2015-01-29