厄瓜多爾CCS項目雙護盾TBM通過斷層破碎帶施工技術(shù)研究與實施

(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

厄瓜多爾克犬克多辛克雷(簡稱CCS)水電站位于厄瓜多爾東部的Coca河流域，為引水式電站，主要由首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)節(jié)水庫進場道路、調(diào)節(jié)水庫、壓力管道和地下廠房組成，機組共8臺，總裝機1500MW。工程合同為標準EPC合同范本。合同工作內(nèi)容包括項目的勘察設(shè)計、土建及金屬機構(gòu)安裝施工、永久設(shè)備及電氣設(shè)備的采購、安裝及調(diào)試等。

CCS水電站輸水隧洞全長24.8km，開挖洞徑9.11m，縱坡0.173%，為無壓明流洞，設(shè)計引水流量222m3/s?；炷凉芷捎妙A(yù)制管片，分左右環(huán)6+1形式，厚度為0.3m，襯砌后洞徑8.2m。輸水隧洞由2臺雙護盾TBM進行施工，2號TBM輸水隧洞下游K11+019～K24+779段(L=13760m)的施工(以下簡稱TBM2)，占輸水隧洞總長度的55.5%，是整個CCS項目的關(guān)鍵線路。輸水隧洞平面布置示意圖如圖1所示。

圖1 輸水隧洞平面布置示意圖

2 TBM2突遇斷層破碎帶事件背景

2013年12月9日05：20，掘進至樁號16+127.41時，單護盾掘進模式，刀盤前方突遇塌方，大量渣料瞬間超過3號皮帶的運渣能力，導(dǎo)致皮帶供電系統(tǒng)故障不能運行，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輸，TBM被迫停止掘進。現(xiàn)場人員立即檢查刀旁及前方圍巖，頂拱11點至12點方向出現(xiàn)局部塌方，組織人員對回程皮帶上的巖渣、后配套軌道和小車軌道進行清理。在初步判斷后再次啟動刀盤準備掘進時，刀盤的最大扭矩已達17.9MN·m，仍不能啟動刀盤。

通過3號皮帶斷面和掘進出渣時間初步計算塌方量：

?3號皮帶正常運渣截面面積為0.1m2，超載運渣截面面積為0.18m2；?3號皮帶正常運渣約2/3，超載運渣約1/3；?皮帶運渣速度為2.6m/s；?12月9日清晨掘進2.64m，時長46min，正常出渣方量為264m3，但因前方塌方，出渣方量遠大于此數(shù)值；?根據(jù)以上參數(shù)可計算出渣方量為917.28m3。

通過以上數(shù)據(jù)分析，掘進了2.64m的出渣量為正常出渣量的3.5倍，說明已出現(xiàn)較大塌方，并且根據(jù)判斷，上部已形成了較大空腔。若繼續(xù)強行掘進，空腔區(qū)若再次發(fā)生大塌方，勢必造成設(shè)備或管片損壞，并且威脅人員安全。故決定停止掘進，論證快速解決辦法。

3 區(qū)域段地質(zhì)情況分析

通過地質(zhì)資料分析，該區(qū)劃段埋深約450m，在16+800樁號附近有一錯動斷層，但在實際掘進中，16+800附近并未出現(xiàn)斷層和明顯圍巖變化，圍巖巖性為侏羅系—白堊系迷薩華依地層(JKm)安山巖?，F(xiàn)掘進樁號已通過預(yù)測斷層樁號約670m，判斷現(xiàn)樁號圍巖破碎帶與預(yù)測16+800樁號錯動斷層息息相關(guān)，為此決定不能魯莽掘進，以免引起大塌方壓住TBM全機，造成災(zāi)難性的后果。

4 初期采取的快速解決措施

經(jīng)過對前方圍巖、TBM系統(tǒng)、刀盤以及伸縮盾的檢查后，嘗試采用正反轉(zhuǎn)交替方式啟動刀盤，在系統(tǒng)規(guī)定的參數(shù)下，未能正常啟動，但刀盤有反應(yīng)，有渣料掉出。由于刀盤尚存有活動空間，為確保主軸承工況，采用刀盤內(nèi)打孔或鉆孔進行化學(xué)灌漿加固前方塌方松散巖體并超前鉆探前方巖體情況，同時采用手風(fēng)鉆在9號、16號刀孔位置(中心部位)進行探孔檢查，判斷前方地質(zhì)情況。為減少出渣量，局部封堵4處鏟斗，為減小刀盤扭矩，拆卸6把滾刀。

刀盤內(nèi)打孔采用直徑25mm鋼管沿頂部鏟斗及邊刀處直接打入，鉆孔采用改裝短氣腿手風(fēng)鉆，分段加連接套鉆入自進式鉆桿，打孔及鉆孔長度以進入巖體打不動為準，盡量加大入巖長度，采用氣動注漿泵注入瑞米加固充填一號(A組份和B組份)。超前鉆探采用TBM自帶超前鉆機，從尾盾入孔處鉆進，計算推進速度并記錄卡鉆或出現(xiàn)空洞現(xiàn)象。

在起初實施完化學(xué)灌漿后，通過觀察松散巖體，化學(xué)灌漿材料已基本形成保護殼，為進一步加強松散體固結(jié)效果，決定再次通過刀盤內(nèi)鉆孔采用水泥間歇式灌漿，并封堵護盾與主軸承之間的間隙，防止?jié){液流出。但實際灌漿中，漿液仍從護盾部位流入刀盤，甚至出現(xiàn)漿液直接流至護盾外的情況，只能暫停灌漿。水泥灌漿的效果達不到預(yù)期的加固目的。

通過以上應(yīng)急措施的實施，以及多方論證，1月6日再次啟動掘進，但由于渣量過大，上方巖體依然存在塌方，在掘進完65cm后，渣量超過皮帶負荷造成皮帶停機，故停止掘進。通過此次掘進分析，該巖體非常破碎，若實施化學(xué)灌漿強行緩慢掘進，不僅成本劇增，工期無法控制，而且安全風(fēng)險進一步加大，上部塌空區(qū)將進一步擴大，因此決定停止化灌固結(jié)轉(zhuǎn)入下步解決方案。

5 方案研究論證與實施

5.1 旁洞+固結(jié)灌漿

利用左右側(cè)開挖小斷面旁洞至圍巖較好區(qū)域后，沿旁洞周邊鉆孔進行化學(xué)灌漿及水泥灌漿。若要快速開挖旁洞到達較好巖石，勢必斷面小、支護速度快，而小斷面采用鉆孔設(shè)備受限，新購鉆機也需4—5個月的時間，且費用昂貴。另外，旁洞開挖距離遠，人工出渣將會受到極大制約，效率將會明顯下降；此外，即使加大投入，保證出渣，確保旁洞按期到達較好巖石，此后的鉆孔效率是否會受破碎圍巖影響而大打折扣，灌漿效果能否保證TBM掘進需要仍不確定。因此，若要保證灌漿效果，唯有增加灌漿孔數(shù)量，但工期長、費用高、不易控制等因素對處理高效TBM施工不可取。

結(jié)論：受斷面限制，鉆機尺寸無法快速滿足要求，且灌漿帶來的未知效果將會產(chǎn)生另外一種風(fēng)險，故此方案無法滿足現(xiàn)有要求。

5.2 旁洞+上導(dǎo)洞揭頂開挖

利用左右側(cè)開挖小斷面旁洞至護盾區(qū)域較好巖石段，貫穿左右旁洞形成鋼支撐大拱，在鋼支撐的保證下，順軸線方向采用超前灌漿管棚、架設(shè)鋼支撐和系統(tǒng)支護，從后向前穩(wěn)步處理塌方體或松散體。通過伸縮縫觀察，此處圍巖與護盾存有間隙，未發(fā)生塌方，說明有一定條件在此位置開挖形成左右連接洞，若在實際開挖過程中連接洞成型困難，可采取架設(shè)臨時鋼支撐和后退至好巖石段形成連接洞。采用此方法時，注意要始終保持在安全的前提下穩(wěn)步處理，遵循常規(guī)處理不良地質(zhì)段的原則。

結(jié)論：此方法由后向前處理塌方體，可直觀進入塌方體作為下一步TBM掘進判斷的依據(jù)，且對塌方體一步處理到位，不留后患；若要加固周邊松散塌方體，采用的鉆機尺寸也能滿足空間要求，且保證系數(shù)大。另外，資源配置也能得到保證，快速啟動施工，對處理進度有利。此外，對掘進了8.5km的刀盤來說，能有空間和時間進行維護。故采用旁洞+上導(dǎo)洞揭頂開挖作為斷層破碎帶施工方案。

6 旁洞+上導(dǎo)洞揭頂開挖設(shè)計與施工

6.1 旁洞設(shè)計與布置原則

?盡量靠近尾盾部位，利用豆礫石高程平臺；

?考慮爆破影響，保護油缸等電器設(shè)備，旁洞位置需形成有效保護空間；

?充分利用1號皮帶機進行出渣；

?結(jié)合后期恢復(fù)掘進后，掘進模式依然采用單護盾，需考慮輔推油缸的行程和管片的穩(wěn)定；

?考慮人工出渣方式，減小工程量；

?考慮旁洞爆破開挖對尾盾及管片之間的破壞影響。

6.2 上導(dǎo)洞揭頂開挖設(shè)計原則

?揭頂開挖在護盾上設(shè)計高度按人員能夠站立來計算，同時考慮兩側(cè)距護盾之間距離；

?通過刀盤后，在滿足TBM掘進的前提下盡可能降低開挖高度，減小開挖工程量；

?采用自進式超前灌漿管棚(為防止?jié){液外流，采用定量灌注水泥漿液)，強支護，確保施工安全；

?復(fù)核鋼支撐承載力，計算鋼支撐斷面及節(jié)點長度，同時澆筑鋼支撐拱腳鋼筋混凝土，形成整體；

?考慮上部存在塌方空腔區(qū)，揭頂開挖完成后采用系統(tǒng)固結(jié)灌漿；

?考慮TBM掘進時刀盤擾動兩側(cè)拱腳下部巖體，增設(shè)水平、45°、靠近開挖線50cm三個位置范圍內(nèi)錨桿和固結(jié)灌漿。

6.3 旁洞布置型式與施工

6.3.1 布置型式

左右各開設(shè)一條旁洞，旁洞布置在尾盾倒數(shù)第三個環(huán)管片位置上，距底板6.816m。由于管片寬度只有1.8m，故進口只有1.8m寬度，進入巖體后斷面調(diào)整為2.4m×2m(寬×高)。旁洞布置圖見圖2和圖3。

圖2 旁洞布置平面圖(單位：mm)

圖3 旁洞布置剖面圖(單位：mm)

6.3.2 旁洞施工

?對所有已安裝管片背部充填礫石至飽滿；

?對位于旁洞進口附近的TBM設(shè)備進行拆除或轉(zhuǎn)移；

?采用工字鋼搭設(shè)剛性保護平臺，滿鋪10cm×10cm木枋并可靠固定。平臺兩端設(shè)置欄桿，并采用木板或鋼板進行封閉。平臺中間設(shè)1m×1m的溜渣孔；

?采用φ25藥卷錨桿鎖定4791～4795環(huán)上所有上半部分的管片。鉆孔位置利用管片操作孔，盡量減小對管片的損壞。采用螺栓加墊板的方式鎖定管片；

?建立施工控制點，每循環(huán)進尺均采用全站儀進行控制；

?利用風(fēng)鎬或電鎬按圖所示在第4793環(huán)對管片進行部分破除，并切斷鋼筋，露出巖面；

?旁洞開挖采用手風(fēng)鉆鉆孔，淺孔弱爆破，多循環(huán)、短進尺進行開挖，逐步形成旁洞開挖工作面，并朝刀頭方向延伸旁洞。為便于排水，旁洞延伸時保持約1%的縱坡。出渣采用人工手推車將炮渣運至操作平臺的溜渣孔，TBM連續(xù)皮帶系統(tǒng)運渣至洞外。支護形式根據(jù)圍巖情況采用鋼支撐+錨噴網(wǎng)+系統(tǒng)錨桿。

6.4 上導(dǎo)洞揭頂開挖施工

根據(jù)左、右旁洞開挖后揭露出來的巖石情況，從左右旁洞向中間徑向開挖，逐步形成上部導(dǎo)洞開挖掌子面；向前領(lǐng)進開挖導(dǎo)洞直至穿過斷層破碎帶較好圍巖的洞段為止。導(dǎo)洞分為兩段，第一段：隧16+131～16+114采用距護盾高度1.8m；第二段：隧16+114～16+087采用距護盾高度1.0m。出渣前15m采用人工推車運至刀盤鏟斗處下渣，后期采用輪式“兩頭馬”出渣。

根據(jù)圍巖情況開挖分成兩種，如圖4所示。

圖4 揭頂開挖剖面圖 (單位：mm)

a.采用小炮結(jié)合人工風(fēng)鎬半開挖，跟進半側(cè)分段開挖噴混凝土及半邊拱架支護，之后開挖另一側(cè)，使之形成大拱，拱架間距50cm。超前管棚(φ25自進式錨桿)或超前錨桿L=4.6～6m，間距30cm ,開挖長度為管棚長度的1/2～2/3，管棚內(nèi)定量進行水泥灌漿。

b.分兩次爆破，先中部超前1m左右，后兩側(cè)跟進。隨后跟進鋼支撐+錨噴網(wǎng)系統(tǒng)支護，拱架間距50cm。

6.5 頂拱固結(jié)和鎖腳加固灌漿施工

頂拱固結(jié)灌漿按設(shè)計進行布孔，深度為3.5m，間距為1.80m，采用手風(fēng)鉆鉆孔。鎖腳加固采用手風(fēng)鉆鉆入自進式錨桿灌漿，在鋼支撐每側(cè)拱腳處各布置一根水平錨桿灌漿，一根45°錨桿灌漿，一根隧洞垂直方向錨桿灌漿，長度均為4.5m。在鎖腳加固錨桿灌漿完成后，將其錨桿全部連接成整體，并與每榀鋼支撐焊接牢固，最后噴混凝土封閉。

灌漿漿液比為0.8∶1(水∶灰)，摻加0.8%的減水劑。頂部圍巖固結(jié)灌漿壓力為0.5MPa，鎖腳加固自進式錨桿灌漿壓力為1.0MPa。

6.6 豆礫石回填灌漿施工

在TBM通過塌方段后，頂拱部位采用豆礫石回填和灌漿施工。

根據(jù)管片位置，從下部管片開始回填豆礫石到上部管片區(qū)域結(jié)束。當TBM掘進開始時，第一環(huán)管片安裝完成后開始管片下部的豆礫石回填，安一環(huán)填一環(huán)，直到第五環(huán)，然后開始進行第一環(huán)的上部豆礫石回填。上部和下部的回填都是由下至上進行，在最上部孔處結(jié)束，使用金屬蓋子蓋住，以避免豆礫石流失。由于豆礫石容器罐的容量有限，回填時無法完全填滿，因此當TBM掘進到斷層終點時，TBM2停止工作，待豆礫石完全回填完成，進行二次回填。豆礫石回填時在噴嘴上安裝一根附加管，距離出口20～30cm，附加管固定在里面，以便進行后續(xù)的水泥灌漿。

6.7 旁洞回填及破損管片修補

TBM在通過斷層破碎帶后，進行左、右旁洞豆礫石回填和水泥灌漿。待左、右旁洞豆礫石回填及水泥灌漿完成后，清理破損管片切口，鉆孔插筋，預(yù)制鋼筋籠安裝，安裝管片瀝青墊片，封模，小型攪拌機拌制與管片同強度的混凝土，人工桶裝混凝土運送入倉。

7 施工實施效果

自2014年1月16日起，按照即定方案完成塌方段揭頂開挖與支護(鋼支撐+管棚)、拱架鎖腳連續(xù)梁澆筑、拱架加強鎖腳錨桿及兩側(cè)固結(jié)灌漿施工以及批準設(shè)計圖Ⅳ～Ⅴ類圍巖頂拱固結(jié)灌漿；同時，全面系統(tǒng)地完成了TBM全機各項檢查維護以及刀盤刀具的修補處理，歷時4月零10天，于5月26日正式恢復(fù)TBM掘進施工，TBM掘進中鋼支撐未出現(xiàn)變形，兩側(cè)拱腳穩(wěn)固，各項掘進參數(shù)指標正常，于6月6日順利通過50m斷層破碎帶，處理實施效果達到了預(yù)期。

8 結(jié) 語

a.當TBM掘進中發(fā)現(xiàn)圍巖發(fā)生變化時，必須及時分析原因及觀察圍巖狀況，選擇合理的掘進參數(shù)和模式，盡量快速通過，切不能盲目停機造成卡機。

b.當已發(fā)現(xiàn)掌子面出現(xiàn)塌腔時，一定要高度重視，認真計算循環(huán)出渣量，若出渣量超過皮帶運輸量，但皮帶能夠承受運載能力時，不能盲目停機，應(yīng)選擇合理的掘進參數(shù)，快速通過。

c.此次斷層破碎帶處理上導(dǎo)洞采取先打密排超前錨桿，并且定量灌注水泥漿，對塌方松散體起到超前加固作用，然后再進行分段開挖，及時架設(shè)鋼支撐與快速噴混凝土，降低塌方的程度，保障施工人員安全。

d.在刀盤內(nèi)實施鉆孔水泥灌漿時，務(wù)必慎重，采用一定量的化灌材料作保護層，同時仔細觀察護盾與主軸承之間的間隙有無漿液流出，防止?jié){液包裹，增大處理難度。可適當采取間歇式水泥灌漿另加水玻璃快速硬化的方法，但這樣會快速封堵管路，無法灌漿。

e.在揭頂開挖中，運用了小型“兩頭馬”出渣，其施工進度提高了兩倍，故在日后類似工程遇到同類問題時，一定要提前考慮斷面尺寸和TBM運輸通道，在通過刀盤10m后啟用小型設(shè)備出渣，其效率將會明顯提高。

f. TBM施工中處理不良地質(zhì)時需總體規(guī)劃，全盤統(tǒng)籌，但在施工過程中也要根據(jù)地質(zhì)情況和監(jiān)控測量情況及時調(diào)整方案，做到“方案清晰、動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工”。

g.對于大直徑雙護盾TBM，若遇較大斷層破碎帶，采取刀盤內(nèi)化學(xué)灌漿成本急劇增加，而且不一定能達到預(yù)期效果。此時，需快速組織啟動上導(dǎo)洞揭頂開挖程序，以便進入破碎帶后適宜調(diào)整施工方案，同時，在完成上導(dǎo)洞揭頂開挖支護后，務(wù)必高度重視拱腳兩側(cè)圍巖加固。