王美齋,肖 豫,陳曉年,董甲甲

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

厄瓜多爾CCS水電站TBM引水隧洞左右通用型管片的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王美齋,肖 豫,陳曉年,董甲甲

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

輸水隧洞工程利用TBM掘進(jìn)管片襯砌,可大大提高施工進(jìn)度,提前產(chǎn)生效益,從而節(jié)約投資,管片的選型與設(shè)計(jì)對(duì)于工程成敗至關(guān)重要,有必要對(duì)其進(jìn)行深入分析研究。結(jié)合厄瓜多爾 Coca-Codo Sinclair 水電站TBM輸水隧洞設(shè)計(jì)工程實(shí)例,對(duì)管片的型式選擇及細(xì)部設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析與探討,實(shí)踐證明:左右通用型管片方便轉(zhuǎn)彎與糾偏,可提高管片的安裝質(zhì)量與TBM的掘進(jìn)速度。

TBM輸水隧洞;左右通用型管片;厄瓜多爾水電站

圖1 引水隧洞平面布置圖Fig.1 Layout of water diversion tunnel

1 工程概況

厄瓜多爾Coca-Codo Sinclair水電站(簡稱CCS水電站)位于厄瓜多爾Napo省和Sucumbios省境內(nèi)的Coca河下游,電站裝機(jī)容量為1 500 MW,是厄瓜多爾最大的水電站。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。其中TBM輸水隧洞全長24.828 km,設(shè)計(jì)引水流量為222 m3/s,采用全襯砌結(jié)構(gòu)形式,內(nèi)徑8.2 m,外徑8.8 m,開挖洞徑9.1 m。進(jìn)口底板高程1 266.90 m,出口底板高程1 244.00 m,縱坡為0.173%,隧洞出口設(shè)事故閘門,閘室段后設(shè)臺(tái)階消能,正常運(yùn)行工況為明流,非常工況(即機(jī)組甩負(fù)荷)、隧洞出口閘門關(guān)閉時(shí),洞內(nèi)出現(xiàn)壓力流,設(shè)計(jì)采用兩臺(tái)雙護(hù)盾TBM同時(shí)掘進(jìn),并輔以鉆爆法施工。2B支洞上游樁號(hào)0+189.95～9+878.18為TBM1段,總長9 688.23 m;2A支洞下游樁號(hào)10+700.80～24+590.05為TBM2段,總長11 928.18 m。引水隧洞平面布置圖見圖1。

隧洞沿線主要為一單斜地層,巖層大多傾向NE,傾角以5°～10°為主,地層巖性以侏羅紀(jì)—白堊紀(jì) Misahualli地層安山巖為主,進(jìn)口處600～700 m 為花崗巖侵入體,出口段2 500 m為白堊紀(jì)下統(tǒng)Hollin地層砂巖、頁巖互層[1]。隧洞最大埋深700 m,最小埋深40 m,平均埋深462 m。

2 管片型式選擇

TBM輸水隧洞管片型式主要有六邊形管片(又稱蜂窩型管片)、通用型管片、平行四邊形管片等三種型式。由于管片的形狀不同,使得管片在細(xì)部構(gòu)造、襯砌環(huán)受力、施工安裝方便性等方面存在一定的差異[2]。

(1) 平行四邊形、通用型管片形狀為四邊形,外形相對(duì)簡單,止水安裝較易滿足密封要求。四邊形管片間縱向接縫是一個(gè)管片與一個(gè)管片相接,采取適當(dāng)措施即可保證其相對(duì)均勻受力。而六邊形管片相互交錯(cuò)咬合,環(huán)向傳力方式是一個(gè)管片向相接的兩個(gè)管片傳力,由于制造及安裝上存在一定誤差,即使采取措施也難以保證相鄰兩管片同時(shí)均勻受力,管片上易產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力。

(2) 盡管平行四邊形管片與六邊形管片的位置相對(duì)固定,在底管片布置施工軌道平臺(tái)、墊座,方便施工期運(yùn)輸軌道布置、施工期排水、底部水泥砂漿回填,但轉(zhuǎn)彎和糾偏不容易控制。通用型管片可在環(huán)寬方向設(shè)計(jì)一定的楔形量,通過調(diào)整各管片的相對(duì)位置,方便在隧洞掘進(jìn)過程中轉(zhuǎn)彎和糾偏,管片安裝精度較高。

本工程TBM輸水隧洞有4個(gè)半徑為500 m的轉(zhuǎn)彎段,為便于在掘進(jìn)過程中轉(zhuǎn)彎和糾偏,控制管片的施工進(jìn)度,最終選擇了通用型管片。同時(shí)為了保證封頂塊位于整環(huán)的上半部,方便施工安裝,管片襯砌受力有利,將管片分為左環(huán)和右環(huán)楔形管片,施工時(shí)通過左、右環(huán)管片之間的交替安裝襯砌直線段隧洞,通過連續(xù)安裝左環(huán)或連續(xù)安裝右環(huán)實(shí)現(xiàn)襯砌轉(zhuǎn)彎,需要兩套模具進(jìn)行管片的預(yù)制生產(chǎn)。

3 管片細(xì)部設(shè)計(jì)

3.1 襯砌環(huán)環(huán)寬

不同環(huán)寬的最大內(nèi)力基本相同,管片的寬度主要受機(jī)械系統(tǒng)的約束,隨著管片寬度的增加,對(duì)管片的水平和垂直運(yùn)輸系統(tǒng)的要求越來越高,但管片的加寬可減少環(huán)向接縫,有利于隧洞防水和控制縱向不均勻沉降,節(jié)省防水材料、鋼筋和螺栓用量。在整個(gè)施工系統(tǒng)配備合理的情況下,管片加寬可提高施工效率和進(jìn)度。本工程輸水主洞洞徑較大,根據(jù)目前的施工水平,為節(jié)省投資和提高施工進(jìn)度,盡量選擇較寬的管片,因此,本工程管片寬度選為1.8 m。

3.2 襯砌環(huán)分塊及拼裝方式

襯砌環(huán)的分塊、封頂塊的大小與管片的制作、運(yùn)輸能力、TBM機(jī)內(nèi)起吊、拼裝方式、千斤頂行程的選擇等都有關(guān)系。從降低制作費(fèi)用、提高防水性能角度看,每環(huán)管片的分塊數(shù)越少越好,但如果塊數(shù)過少,管片的單體就變大、重量增加,其運(yùn)輸、拼裝作業(yè)相對(duì)不便。本工程隧洞內(nèi)徑8.1 m,環(huán)寬為1.8 m,整環(huán)管片的重量達(dá)35.72 t,從TBM施工、受力、防水諸方面綜合比較分析,結(jié)合國內(nèi)外大直徑隧道襯砌的設(shè)計(jì)實(shí)例,全環(huán)分成7塊,由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和4塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成。采用小封頂?shù)男褪?封頂塊的重量為1.87 t,單塊最大重量約5.7 t。環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝,以提高隧道結(jié)構(gòu)縱向、橫向整體剛度,減少結(jié)構(gòu)變形。CCS左右通用型管片及襯砌環(huán)三維效果見圖2,左、右環(huán)構(gòu)造及平面布置見圖3。

圖2 CCS左右通用型管片及襯砌環(huán)三維圖Fig.2 CCS general-purpose segment and lining ring three-dimensional map

3.3 管片厚度及強(qiáng)度等級(jí)

根據(jù)該段洞線圍巖分類、水文地質(zhì)條件、隧洞埋深及所承受的荷載,通過計(jì)算分析并考慮考慮本工程100年使用壽命,管片的厚度采用300 mm,混凝土標(biāo)號(hào)采用C50、C60。

3.4 楔形量

每環(huán)管片的楔形量由輸水隧洞的最小轉(zhuǎn)彎半徑確定,可根據(jù)以下公式計(jì)算,每環(huán)管片楔形量計(jì)算示意圖見圖4。

θ=2γ=2arctgδ/D=L/R

式中:θ為轉(zhuǎn)彎環(huán)的偏轉(zhuǎn)角,弧度;δ為轉(zhuǎn)彎環(huán)的最大楔形量的一半,m;D為管片直徑,m;R為曲線半徑,m;L為1環(huán)管片的平均寬度,m。

本工程TBM輸水隧洞有4個(gè)半徑為500 m的轉(zhuǎn)彎段,同時(shí)考慮TBM施工糾偏的需要,按糾偏曲線半徑382 m來設(shè)置楔形量,最大楔形量為4 mm。

3.5 連接方式

根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)的接頭內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,考慮施工期止水回彈力,管片與管片之間設(shè)置2根8.8級(jí)M24環(huán)向螺栓,每環(huán)14根,嵌入管片內(nèi)的長度為140 mm,使管片與管片之間緊密相連,能有效減少縱縫張開及結(jié)構(gòu)變形,環(huán)與環(huán)之間設(shè)置21根8.8級(jí)M24環(huán)向螺栓,嵌入管片內(nèi)的長度為140 mm,既能適應(yīng)一定的縱向變形,又能將縱向變形控制在防水要求的范圍內(nèi)。

3.6 止水及止水槽[3]

本工程隧洞襯砌管片環(huán)縱向接縫設(shè)計(jì)采用復(fù)合式橡膠止水條止水,止水水頭按0.4 MPa進(jìn)行設(shè)計(jì),由迎縫面遇水膨脹橡膠和背縫面彈性橡膠復(fù)合而成,斷面形狀為“M”型,規(guī)格尺寸31(總寬)mm×25(頂寬)mm×10.5(總高)mm。復(fù)合式橡膠止水條為避免風(fēng)吹日曬、雨水浸泡,在管片進(jìn)洞安裝前粘貼,應(yīng)與管片粘貼牢固、平整、嚴(yán)密,位置正確,避免起鼓、超長和缺口現(xiàn)象;單塊管片必須采用整條復(fù)合式橡膠止水條,嚴(yán)禁斷續(xù)相接,環(huán)向接頭采用硫化模壓型式;復(fù)合式橡膠止水條與管片粘結(jié)劑為不可溶的和熱固性的,其質(zhì)量必須穩(wěn)定可靠,并具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度,按照設(shè)計(jì)要求涂抹刷至足夠厚度,保證其與管片能夠粘結(jié)牢固。

圖3 左、右環(huán)構(gòu)造及平面布置圖(單位:mm)Fig.3 Left and right ring structure and plan layout(unit:mm)

圖4 每環(huán)管片楔形量計(jì)算示意圖Fig.4 The wedge calculation diagram of each annulus segment

圖5 復(fù)合式橡膠止水條橫截面圖(單位:mm)Fig.5 Composite rubber sealing strip cross section graph(unit:mm)

復(fù)合式橡膠止水條橫截面型式與尺寸見圖5,復(fù)合式橡膠止水條鑲嵌安裝設(shè)計(jì)見圖6。

圖6 復(fù)合式橡膠止水條安裝設(shè)計(jì)圖(單位:mm)Fig.6 Composite rubber seal installation design(unit:mm)

背縫面彈性橡膠膠種采用三元乙丙橡膠(EPDM),復(fù)合式橡膠止水條主要技術(shù)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求見表1。

3.7 豆礫石回填灌漿孔

襯砌混凝土管片外側(cè)與巖石之間的環(huán)形空隙用豆礫石及水泥漿回填密實(shí),達(dá)到滿填滿灌。為穩(wěn)定管片和減少管片環(huán)變形,當(dāng)管片推出尾盾后首先應(yīng)及時(shí)回填兩側(cè)管片的豆礫石,隨后再回填底拱、頂部豆礫石,在完成豆礫石回填后盡早進(jìn)行豆礫石回填灌漿。為保證豆礫石回填灌漿的質(zhì)量和進(jìn)度,在每個(gè)管片的中間部位設(shè)置豆礫石回填灌漿孔,灌漿孔自管片外側(cè)弧面向管片內(nèi)側(cè)弧面朝著掘進(jìn)方向傾斜開設(shè),灌漿孔的軸線與隧洞軸線的夾角為60°,在灌漿時(shí)能夠使豆礫石漿液很好地在管片與洞壁間充填,解決了豆礫石漿液流動(dòng)不暢而造成灌漿不密實(shí)的問題,灌漿孔布置示意圖見圖7。

表1 復(fù)合式橡膠止水條主要技術(shù)性能指標(biāo)表Table 1 The main technical performance index of composite rubber sealing strip

圖7 灌漿孔布置示意圖Fig.7 Grouting hole layout diagram1.管片;2.灌漿孔;3.管片外側(cè)弧面;4.管片內(nèi)側(cè)弧面;5.掘進(jìn)方向;6.灌漿孔軸線;7.隧洞軸線。

施工過程中為了檢查豆礫石回填灌漿的效果,進(jìn)行了取芯檢查,芯樣完整密實(shí),芯樣的滲透系數(shù)不大于10-6cm/s,28天抗壓強(qiáng)度≥15 MPa,均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,效果良好。

4 結(jié)語

由于采用了左右通用型管片,管片類型少,不同地質(zhì)條件下急轉(zhuǎn)彎、糾偏時(shí)不需頻繁更換管片類型,簡化TBM施工難度,提高管片安裝質(zhì)量與TBM的掘進(jìn)速度,單月進(jìn)尺1 000.8 m創(chuàng)造了同類洞徑TBM掘進(jìn)速度世界第三的記錄。目前電站已經(jīng)發(fā)電運(yùn)行,TBM輸水隧洞運(yùn)行良好。根據(jù)監(jiān)測資料進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋分析研究,位移、應(yīng)力等指標(biāo)均在設(shè)計(jì)控制的范圍之內(nèi),實(shí)踐證明采用左右通用型管片襯砌型式是成功的,對(duì)類似工程的管片設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

[1] 楊繼華,齊三紅,郭衛(wèi)新,等.厄瓜多爾CCS水電站TBM法施工引水隧洞工程地質(zhì)條件及問題初步研究[J].隧道建設(shè),2014,34(6):513-516.

[2] 王美齋,史海英.蘭州市水源地建設(shè)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].鄭州:黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,2015.

[3] 王美齋,肖豫,陳曉年.厄瓜多爾CCS水電站TBM引水隧洞管片止水技術(shù)要求[R].鄭州:黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,2011.

(責(zé)任編輯：陳姣霞 費(fèi)雯麗)

Design and Practice of General-purpose Segment of TBM Diversion Tunnelin Ecuador CCS Hydropower Station

WANG Meizhai,XIAO Yu,CHEN Xiaonian,DONG Jiajia

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003)

TBM tunneling lining is used in the water tunnel project can greatly improve the construction progress and advance the benefits.In order to save the investment,the selection and design of the segment is very important to the success or failure of the project.It is necessary to carry on the thorough analysis.Based on the example of TBM water tunnel design in Coca-Codo Sinclair hydropower station in Ecuador,this paper analyzes and discusses the type selection and detail design of the segment.It is proved that the general type of pipe can be turned around and corrected to improve the installation of the pipe quality and TBM tunneling speed.

TBM diversion tunnel; general-purpose segment; Ecuador Hydropower Station

TV554; TV672+.1

A

1671-1211(2017)05-0606-04

2017-04-22;改回日期2017-09-04

王美齋(1979-),男,高級(jí)工程師,水工結(jié)構(gòu)工程專業(yè),從事TBM輸水隧洞、混凝土壩等水工建筑物的設(shè)計(jì)與研究。E-mail:16203343@qq.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.022.html數(shù)字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.021