尹德文, 汪雪英, 楊曉箐
(黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司, 河南 鄭州 450003)
TBM是集隧洞掘進、出渣、管片安裝或初期支護于一體的大型聯(lián)合現(xiàn)代化施工設備,具有快速掘進,高效成洞,安全、環(huán)保施工等優(yōu)勢[1]。21世紀以來,地下空間資源正在被大力開發(fā)利用,各領域?qū)λ淼兰暗叵鹿こ叹哂兄卮笮枨骩2],尤其是跨流域大型調(diào)水工程對超長輸水隧道建設的需求將超過1 000 km,TBM應用將更加廣泛。
TBM施工隧洞工程技術是區(qū)別于鉆爆法的工程技術,包括TBM施工隧洞的工程設計、TBM設備的設計制造、隧洞施工等,是集隧洞施工設備TBM、隧洞設計、隧洞施工于一體的綜合性技術,三者互為關聯(lián)、相互適應、高度融合,完全打破了常規(guī)鉆爆法工程技術中設計、施工及施工設備等的專業(yè)劃分。目前,大多數(shù)TBM施工隧洞仍采用常規(guī)鉆爆法技術的設計理念進行設計,這種設計理念人為地將高度融合為一體的隧洞設計、TBM設備和隧洞施工三者割裂開來,常常出現(xiàn)隧洞工程設計方案與TBM設備和TBM現(xiàn)場施工不相適應的情況,使得TBM施工速度緩慢,TBM施工隧洞工程技術的高效率、高收益性不能發(fā)揮,造成工程建設資源浪費、工期延長、工程投資增加,甚至面臨業(yè)主的巨額罰款。
本文研究案例中,設計工程師改變傳統(tǒng)設計思維模式,將TBM設備性能和隧洞施工技術高度融合于全過程動態(tài)優(yōu)化設計中,為TBM快速掘進,高效成洞,安全、環(huán)保施工提供便利的隧洞設計和施工方案。通過輸水隧洞工程典型案例總結,分享動態(tài)優(yōu)化設計經(jīng)驗,以期為類似工程提供借鑒; 同時,為推進TBM工程技術發(fā)展,保證TBM的高效性、安全性,最大限度地發(fā)揮TBM的優(yōu)勢和潛能,呼吁設計工程師改變單極設計思維模式,構建適宜于TBM工程技術的設計模式。
厄瓜多爾科卡科多辛克雷(Coca Codo Sinclair,簡稱CCS)水電站位于亞馬遜河二級支流科卡河上,距離首都基多130 km,總裝機150萬kW,總合同額23億美元。工程采用EPC建設模式,于2010年7月28日正式開工建設,2016年11月18日實現(xiàn)8臺機組并網(wǎng)發(fā)電。
CCS水電站工程主要包括5部分: 首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、壓力管道、地下廠房發(fā)電系統(tǒng)。其中輸水隧洞工程是CCS水電站控制工期的關鍵項目。CCS水電站工程引水系統(tǒng)布置見圖1。
圖1 CCS水電站工程引水系統(tǒng)布置示意圖(單位: m)
輸水隧洞由進口段、洞身段、出口閘室及消力池組成,總長24.8 km,設計引水流量為222 m3/s,設計內(nèi)徑為8.20 m,全線采用管片或現(xiàn)澆混凝土襯砌。隧洞采用2臺雙護盾TBM+鉆爆法聯(lián)合施工,TBM開挖洞徑為9.11 m,采用預制鋼筋混凝土管片襯砌,管片采用6+1通用型管片,厚0.3 m,環(huán)寬1.8 m;鉆爆段采用全斷面鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚0.5~1.5 m。CCS水電站輸水隧洞TBM施工布置見圖2。
輸水隧洞位于Reventador火山東南部,地形起伏較大,隧洞埋深為30~600 m,局部超過700 m[3]。隧洞穿越區(qū)域植被發(fā)育,河流眾多,溝谷較陡峻。
隧洞穿越地層由進口至出口依次為花崗閃長巖侵入體(GD),長度約為780 m;侏羅—白堊系Misahualli地層(J-Km),主要巖性包括安山巖、玄武巖、流紋巖、凝灰?guī)r、熔結凝灰?guī)r和角礫巖等,長度約為21 771 m;白堊系下統(tǒng)Hollin地層(Kh),巖性主要為頁巖、砂巖互層,長度約為2 256 m[4]。隧洞巖石物理力學指標見表1。
圖2 CCS水電站輸水隧洞TBM施工布置示意圖
Fig. 2 Layout of TBM construction of headrace tunnel of CCS Hydropower Station
輸水隧洞地質(zhì)圍巖分類(參考國際通用的RMR分類法)見圖3。圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主,占隧洞總長度的94.5%。其中Ⅱ類圍巖2 544.25 m,約占10.26%,Ⅲ類圍巖20 910.91 m,約占84.29%,圍巖穩(wěn)定性好;Ⅳ類圍巖1 305.42 m,約占5.26%;Ⅴ類圍巖46.4 m,約占0.19%。
表1 輸水隧洞巖體物理力學參數(shù)
圖3 輸水隧洞地質(zhì)圍巖分類餅狀圖
Fig. 3 Pie chart of surrounding rock classification of headrace tunnel
輸水隧洞工程地質(zhì)條件較復雜。沿線穿越不等規(guī)模的斷層約25條,受構造運動影響,隧洞內(nèi)構造活動帶及兩側影響帶范圍內(nèi)巖體較破碎,地下水豐富,存在較大涌水。
隧洞施工中遇到的主要工程地質(zhì)問題有斷層破碎帶、塌方、涌水等。受f500和f512斷層帶影響,TBM1、TBM2分別掘進至K2+201、K16+127時出現(xiàn)卡機事故[5],處理時間分別為8個月和6個月;施工過程中出現(xiàn)4次大的涌水,且均大于設計階段預估涌水量(200 L/s),其涌水量統(tǒng)計見表2。
滿足TBM施工的關鍵條件主要有3部分: 一是對外交通條件,首先要滿足TBM大件運輸要求;二是TBM施工場地布置條件,包括施工支洞布置、混凝土管片預制場、TBM組裝及運行期工業(yè)廣場布置;三是施工用電,TBM用電容量高達7 700 kW,且用電質(zhì)量要求高。
表2 TBM施工涌水量統(tǒng)計
1)現(xiàn)場交通條件。輸水隧洞工區(qū)沿Coca河左岸已有基多—拉格里奧湖國道,路面寬約6~8 m,為瀝青路面。在項目開工前,CCS項目業(yè)主已修建完成到廠房的施工道路,長20 km;到調(diào)蓄水庫即隧洞出口端無進場施工道路。從對外交通條件分析,2010年才開始修建到調(diào)蓄水庫的進場道路,而且道路穿越森林或叢林,支洞、場地布置條件差。輸水隧洞工區(qū)交通布置見圖4。
圖4 輸水隧洞工區(qū)交通布置圖
2)受交通影響,調(diào)蓄水庫區(qū)域不具備TBM運輸及場地布置條件。
3)厄瓜多爾整個國家缺電,只能采用柴油自發(fā)電。
4)合同工期66個月,首批機組發(fā)電60個月,工期延遲1 d罰款85萬美元。
上述條件是工程設計必須考慮的基本條件。
輸水隧洞原設計方案主要包括4部分: 隧洞輸水方式、隧洞布置方案、隧洞斷面設計、隧洞施工布置方案。
輸水隧洞是將首部樞紐的水輸送到調(diào)蓄水庫,因此,隧洞輸水方式受調(diào)蓄水庫水位變化的影響。調(diào)蓄水庫庫容量800萬m3,為日調(diào)節(jié)水庫,相關參數(shù)及輸水方式見表3。
表3調(diào)蓄水庫水位變幅及隧洞輸水方式
Table 3 Variation of regulating reservoir water level and water conveyance mode of tunnel
水位變化/h 水庫水位/m 水位變幅/m 輸水方式 4 1 229.5~1 216.0 13.5~0 明滿流 15 1 229.5 0 壓力流 5 1 216.0~1 229.5 0~13.5 明滿流
調(diào)蓄水庫正常蓄水位為1 229.50 m時,全洞為壓力流狀態(tài);調(diào)蓄水庫水位為1 216.00 m時,僅在隧洞出口段局部范圍內(nèi)為壓力流狀態(tài)。明流和壓力流2種流態(tài)的轉換點依據(jù)引水流量和調(diào)蓄水庫水位變化,且明流流態(tài)下進口段洞內(nèi)水面線以上的空間為隧洞斷面面積的7.6%,不滿足規(guī)范[6]的要求值(15%)。綜上所述,原輸水方式特點為: 明流和壓力流交替,流態(tài)復雜。
隧洞設計2座深埋通氣豎井和出口段雙層襯砌方案,輸水隧洞平面布置見圖5。由圖5可知,隧洞平面布置以2#支洞為界分為2部分: 2#支洞上游0+258~9+889段長9.63 km,由TBM1施工; 2#支洞下游11+164~24+823段長13.66 km,由TBM2施工。隧洞進口、2#支洞主洞交叉段采用鉆爆法施工。
1#豎井在輸水隧洞6+046.77處,直徑為2 m,深約530 m; 2#豎井在2#施工支洞附近10+851.92處,直徑為2 m,深約560 m; 同時,在隧洞出口段2.4 km采用雙層襯砌。
圖5 輸水隧洞平面布置圖
隧洞斷面設計特點是變徑設計和管片變厚度設計。TBM施工段開挖洞徑為8.7 m,設計洞徑分別為8.0、7.8、7.5 m,混凝土預制管片厚度分別為25、30、35 cm;鉆爆段設計洞徑為7.5 m,隧洞出口段2.4 km采用雙層襯砌,設計洞徑為7.4 m。
隧洞施工布置示意見圖6。由圖6可知,共布置2條支洞,其中2#施工支洞同時承擔2臺雙護盾TBM施工期的物料運輸。
采用2臺雙護盾TBM施工,TBM1逆坡掘進長度為9.69 km, TBM2順坡掘進長度為13.66 km;隧洞進口、隧洞出口段2.4 km、2#支洞與主洞段采用鉆爆法開挖。TBM1、TBM2分別在洞外組裝后由2#支洞進入主洞,分別向上游、下游掘進施工,TBM1由1#支洞滑行出洞,TBM2由隧洞出口出洞。
1)輸水方式既有壓力流又有明流,存在明滿流過渡流態(tài)。根據(jù)規(guī)范[6]要求: 一般輸水隧洞盡量呈現(xiàn)單一壓力流態(tài),不宜呈現(xiàn)明滿流交替流態(tài),明滿流過渡流態(tài)復雜,水流不穩(wěn)定,將會出現(xiàn)振動、氣蝕和脈動壓力等現(xiàn)象,不僅對隧洞的過流能力有影響,而且對隧洞結構受力狀態(tài)、隧洞相鄰建筑物產(chǎn)生不利影響。原方案隧洞流態(tài)受調(diào)蓄水庫水位影響,明滿流流態(tài)轉換頻繁,且轉換點為隧洞長度范圍的任意位置,不固定。
2)隧洞布置方案。為滿足隧洞既有壓力流又有明流的輸水方式,布置2個深度均超過500 m的通氣豎井,施工難度大;單層管片襯砌一般用于明流洞,考慮出口段存在內(nèi)水壓力,隧洞出口段2.4 km軟巖段采用雙層襯砌(管片+內(nèi)層現(xiàn)澆混凝土襯砌),該段施工工期長,不滿足工期要求。
3)隧洞斷面設計。隧洞變徑、管片變厚度設計時,鋼筋混凝土預制管片厚度分別為25、30、35 cm,設計方案理論上可行,但施工難度大,而且給TBM設計制造、管片預制生產(chǎn)、管片安裝、施工調(diào)度及現(xiàn)場管理帶來極大的不便和資源浪費。
圖6 輸水隧洞施工布置示意圖
4)施工方案布置。雙護盾TBM施工效率高,運輸量大,但2臺TBM均從2#支洞進入主洞掘進施工,2#支洞需同時承擔2臺雙護盾TBM物料運輸,運輸系統(tǒng)相互干擾大,TBM高效施工難以實現(xiàn)。
綜上所述,隧洞輸水方式為明滿流交替流態(tài),運行復雜,存在結構安全隱患,同時出口軟巖段存在內(nèi)水壓力,需要采用雙層襯砌;變徑設計完全從理論上的“經(jīng)濟”角度出發(fā),沒有兼顧工期、TBM施工技術等。設計方案應適應于TBM設備的高效性和便捷的現(xiàn)場施工及組織管理,充分發(fā)揮TBM的高投入、高效率、高收益的特性。
5.1.1 設計優(yōu)化目的
根據(jù)工程主合同要求,工期每延遲1 d罰款85萬美元,優(yōu)化設計首先要滿足合同要求,即總工期66個月,首批機組發(fā)電60個月; 同時,輸水隧洞應采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。
5.1.2 設計優(yōu)化依據(jù)
5.1.2.1 原方案存在問題
詳見4.5節(jié)內(nèi)容。
5.1.2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件
工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件影響TBM設備選型,但TBM設備選型不僅僅與地質(zhì)條件有關,更要考慮合同對工程設計及工期的要求。該工程地質(zhì)條件采用敞開式和雙護盾TBM均可行,經(jīng)方案比較分析,敞開式TBM完成隧洞開挖后需要進行全洞段現(xiàn)澆混凝土襯砌,施工工期約68個月,不滿足合同工期要求;雙護盾TBM開挖與管片襯砌同時進行,施工工期控制在60個月以內(nèi)。因此,為滿足合同要求,只能選用雙護盾TBM。
5.1.2.3 施工環(huán)境條件
施工環(huán)境條件主要包括現(xiàn)場交通、TBM工業(yè)廣場布置(組裝期、運行期)、混凝土管片預制廠、混凝土骨料場、渣場、施工用電等。
5.1.2.4 TBM施工隧洞工程技術特點
TBM施工技術與鉆爆法的區(qū)別是集設備、設計、施工及管理于一體的綜合性技術,三者相互關聯(lián)、相互適應、高度融合,打破了常規(guī)鉆爆法工程技術中的專業(yè)劃分。
5.1.2.5 意義
設計及施工規(guī)劃方案應具有系統(tǒng)性和前瞻性,意義在于充分發(fā)揮雙護盾TBM快速、高效、安全施工的優(yōu)勢,消除或減少隱性成本增加,滿足合同要求,實現(xiàn)投資可控。
根據(jù)上述優(yōu)化依據(jù),本工程從概念設計、基本設計、詳細設計直至現(xiàn)場施工,對隧洞工程進行系統(tǒng)性動態(tài)優(yōu)化設計。隧洞設計平面布置見圖7。
圖7輸水隧洞設計平面布置圖
Fig. 7 Layout plan of headrace tunnel design
隧洞為單一明流流態(tài),設計洞徑為8.2 m; TBM開挖洞徑為9.11 m,厚0.3 m,環(huán)寬1.8 m,管片采用6+1通用型管片;鉆爆段襯砌厚0.5~1.5 m。
隧洞長24.83 km,縱坡為0.173%,平曲線半徑為500 m,豎曲線半徑為1 000 m??傮w分為5段,2個TBM施工段: TBM1(K0+295~K9+878)、TBM2 (K24+745~K11+032 )。3個鉆爆段: D&B1(K0+000~+295)、 D&B2(K9+878~K11+032)、D&B3(K24+745~+835),其中K24+800~+835段為隧洞出口漸變+閘室段。TBM 段占94.5%,鉆爆段占5.55%。
輸水隧洞設計優(yōu)化后取消2個超500 m深豎井和隧洞出口2.4 km雙層襯砌,增設隧洞出口閘室段,長35 m; 增加1條2B支洞,共布置3條施工支洞,即1#支洞、2A支洞、2B支洞。
TBM2施工段位于關鍵線路上,隨著CCS項目現(xiàn)場施工進展,隧洞施工區(qū)域環(huán)境條件不斷變化,且施工環(huán)境條件的變化將直接影響隧洞施工規(guī)劃方案。
隧洞施工環(huán)境條件主要為施工道路運輸條件(滿足TBM大件運輸)、管片預制廠場地條件、管片預制骨料料場及TBM工業(yè)廣場等。根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境條件變化,結合隧洞工程設計及工程控制性工期要求,經(jīng)過對TBM設備制造、TBM運輸方案、TBM運輸計劃安排和現(xiàn)場施工道路的施工進展,以及調(diào)蓄水庫系統(tǒng)各建筑物的施工分區(qū)、施工工序、施工進度計劃等進行系統(tǒng)性和前瞻性分析后,從概念設計到施工階段,對TBM2施工段進行了全過程動態(tài)優(yōu)化設計(先后共進行了5次施工方案優(yōu)化),最終通過增設2B支洞,使隧洞施工方案達到最優(yōu),即技術可靠、經(jīng)濟且滿足工期要求。隧洞施工布置示意見圖8。
該方案共布置3條施工支洞(1#、2A、2B), 2個TBM掘進工作面和4個鉆爆法工作面。1#、2B 支洞采用鉆爆法施工,分別為TBM1、TBM2出洞和拆卸運輸通道,2A支洞為TMB1施工通道,進口段410 m為鉆爆法施工,后段1 250 m為TBM施工。TBM1在洞外工業(yè)廣場組裝,進入2A支洞滑行400 m后,洞內(nèi)始發(fā)掘進1 250 m至主支洞交叉處,直接進入主隧洞逆坡掘進至K0+258,由1#支洞滑行出洞; TBM2在洞外工業(yè)廣場組裝,由主隧洞進口滑行通過鉆爆段D&B4后,洞內(nèi)始發(fā)逆坡掘進至K11+032,再滑行進入2B支洞拆卸洞室,洞內(nèi)拆卸后由2B支洞運輸出洞。在TBM施工的同時,利用1#、2B支洞分別進行鉆爆段D&B1、 D&B2和 D&B3施工。隧洞施工工期約為52.4個月。
圖8 輸水隧洞施工布置示意圖
該方案具有4大優(yōu)勢:
1)TBM2由隧洞出口進洞逆坡掘進,減少了TBM掘進的施工排水風險。
2)調(diào)蓄水庫進場公路7 km處有足夠的場地和豐富的砂石料源,為混凝土管片生產(chǎn)提供得天獨厚的條件。
3)優(yōu)化2B施工支洞布置。增加主支洞交叉段鉆爆法施工工作面,縮短控制工期的TBM2掘進長度; TBM2在2B支洞內(nèi)拆機,拆機不占直線工期;保證TBM1物料運輸系統(tǒng)擁有獨立的2A施工支洞,滿足TBM1高效施工; 隧洞施工工期最短。
4)TBM2管片預制廠由2A支洞處轉移至調(diào)蓄水庫進場公路7 km處,大大縮短了管片運輸距離,節(jié)約工程投資。
該方案缺點是TBM2工業(yè)廣場占用調(diào)蓄水庫庫尾施工,調(diào)蓄水庫開挖施工需要分期開挖,但不影響總工期。
進行管片設計厚度及管片安裝類型優(yōu)化,目的是在滿足工程質(zhì)量的同時,最大限度地適應TBM現(xiàn)場施工。
5.4.1 管片設計階段優(yōu)化
管片厚度由0.25、0.3、0.35 m優(yōu)化為統(tǒng)一厚度0.3 m。根據(jù)圍巖分類,將管片分為A、B、C、D 4種類型,見表4。
表4圍巖分類與管片襯砌類型統(tǒng)計表
Table 4 Classification of surrounding rocks and segment lining modes
管片類型圍巖類型隧洞內(nèi)徑/m襯砌厚度/m管片混凝土強度等級AⅡ類8.20.3C40BⅢ類8.20.3C50CⅣ類8.20.3C60D介于Ⅳ類與擠壓破碎帶之間8.20.3C60
5.4.2 施工階段管片安裝類型優(yōu)化
施工過程中根據(jù)圍巖分類、管片類型所占比例、管片安裝類型轉換工序等,把管片安裝類型優(yōu)化為2~3種。管片襯砌施工安裝分類見表5。
表5 管片襯砌安裝分類表
管片安裝類型的轉換工序包括現(xiàn)場圍巖類別及時判斷、洞外管片類別儲存、管片類別運輸、管片類別安裝等,這一系列轉換工序要求現(xiàn)場運輸調(diào)度人員與地質(zhì)工程師密切配合,更重要的是要保證管片類型安裝的時效性。管片安裝類型的優(yōu)化,避免了因管片安裝類型確定不及時或不準確造成工程質(zhì)量缺陷和現(xiàn)場調(diào)度管理困難(管片裝車后卸車或者管片進洞后又運出洞外的情況發(fā)生),提高了TBM施工效率,實現(xiàn)了真正意義上的縮短工期、節(jié)省投資。
CCS項目經(jīng)過全程動態(tài)設計優(yōu)化,工程質(zhì)量、工期均滿足合同要求,同時工程投資也得到有效控制。
6.1.1 工程質(zhì)量、安全
原明滿流流態(tài)優(yōu)化為單一明流流態(tài),保證結構安全;增設的2B施工支洞后期改建為永久檢修通道,保證工程運行期安全。
6.1.2 工期保障
1)豎井施工難度大且嚴重影響工期,通過對隧洞設計優(yōu)化為明流輸水方式,取消了2個超500 m深的通氣豎井和出口段2.4 km雙層襯砌,保證了合同工期滿足要求。
2)增設了多功性2B施工支洞。①2B支洞保證了位于關鍵線路上的TBM2拆機不占直線工期; ②TBM1擁有獨立的2A施工支洞,保證其高效施工; ③增加主支洞交叉段鉆爆施工面,縮短鉆爆段施工工期; ④縮短控制隧洞工期的TBM2施工段長度,保證了工期; ⑤永久和臨時建筑物相結合,2B支洞后期改為永久檢修通道。
3)設計階段將管片厚度由0.25、0.30、0.35 m 優(yōu)化為統(tǒng)一厚度0.3 m; 施工過程中將A、B、C、D 4種安裝類型的管片優(yōu)化為B、D和B、C、D類型,減少了不同類型管片安裝轉換工序,大大降低了運輸調(diào)度和現(xiàn)場管理的難度,有效控制了TBM關鍵工序管片安裝時間,保證了TBM高效施工。
6.1.3 施工風險
1)施工排水是TBM施工的重大管控風險,TBM2由順坡改為逆坡掘進,最大程度地降低了施工排水風險。
2)解除了深埋豎井施工風險。
6.1.4 工程投資控制
工程采用EPC模式,做到滿足合同要求與成本控制相平衡。
1)取消2個深豎井和出口段2.4 km雙層襯砌。
2)TBM2逆坡施工,實現(xiàn)了自流排水,降低了排水費用。
3)TBM2預制場由2A支洞處轉移至調(diào)蓄水庫道路7 km處,管片運輸距離縮短約40 km。
4)2B支洞既縮短了工期,又為隧洞后期運行安全提供檢修通道,永久和臨時建筑物相結合,節(jié)省了工程投資。
6.1.5 B型管片配筋優(yōu)化
B型管片施工用量最多,約占全部管片的76%。原B型管片結構設計是基于EPC合同規(guī)定的美國規(guī)范,后期按照歐洲規(guī)范進行了優(yōu)化設計,鋼筋含量由原來的115.78 kg/m3優(yōu)化為91.1 kg/m3,含筋量減少24.68 kg/m3,直接節(jié)省445.2萬美元。
通過對CCS水電站輸水隧洞案例設計優(yōu)化總結,提出了TBM施工隧洞工程設計、TBM設備及TBM施工高度融合為一體的設計理念,實現(xiàn)了設計既主導又服務于施工,設計方案適應于TBM高效性和便捷的現(xiàn)場施工及組織管理,最大限度地發(fā)揮了TBM 的優(yōu)勢和潛能。工程總承包模式為TBM施工隧洞工程技術動態(tài)優(yōu)化提供了便利的外部環(huán)境條件。