杨继华, 苗 栋, 杨风威, 齐三红, 姚 阳

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

CCS水电站输水隧洞双护盾TBM穿越不良地质段的处理技术

杨继华, 苗 栋, 杨风威, 齐三红, 姚 阳

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

CCS水电站输水隧洞在TBM施工过程中,遇到了砂岩崩解砂化、断层破碎带塌方、突涌水、围岩失稳等不良地质条件,导致了掘进速度缓慢、卡机等不良后果。经过采取有效的处理措施,TBM通过了不良地质段,为输水隧洞的如期完成提供了保障。

CCS水电站;输水隧洞;双护盾TBM;不良地质条件;处理技术

1 工程概况

厄瓜多尔科卡科多—辛克莱尔(Coca Codo Sinclair,简称CCS)水电站为引水式电站,电站主体工程由首部枢纽、输水隧洞、调节水库、压力管道及地下厂房等组成,电站总装机容量1 500 MW,是厄瓜多尔最大的水电站[1]。输水隧洞是CCS水电站的控制性工程,为无压明流隧洞,全长约24.8 km,采用钻爆法和TBM联合施工,TBM施工段全长约23.8 km,由两台大直径双护盾式TBM完成,其中TBM1由2#施工支洞始发向隧洞进口方向掘进,掘进长度约10 km,TBM2由隧洞出口向2#施工支洞方向掘进,掘进长度约13.8 km,TBM施工布置见图1。TBM隧洞开挖洞径9.11 m,预制钢筋混凝土管片衬砌、豆砾石回填灌浆,衬砌后洞径8.20 m。

两台TBM为德国海瑞克公司(HERRENKNECHT AG)生产的S671、S672型双护盾式TBM,两台TBM的配置和性能基本相同,主要性能参数如下:主机长12.4 m,整机长度157 m,主机及其后配套总重1 959 t,刀盘开挖直径9.11 m,共配备19英寸的中心刀4把、正滚刀38把、边滚刀13把及扩挖刀3把,采用变频电机(VFD)驱动,刀盘功率4 200 kW,刀盘转速0～5.95 rPm,最大扭矩19 179 kNm@2.95 rPm、9 589 kNm@5.95 rPm,配备了超前钻机、管片安装机、豆砾石注入系统、回填灌浆系统、砂浆回填系统等设备。

图1 CCS水电站平面布置示意图Fig.1 The layout of CCS hydropower station

TBM隧洞施工具有快速、高效、安全、环保的技术特点,其掘进速度一般为钻爆法的3～10倍[2-5],但与钻爆法相比,TBM对不良地质条件的适应性较差[6-10]。CCS水电站输水隧洞TBM施工过程中,先后遇到了砂岩崩解砂化,断层破碎带塌方、突涌水、围岩失稳等不良地质条件,造成了TBM掘进缓慢、卡机等事故。通过采取有效的处理措施,TBM通过了不良地质段,相关处理技术和方法可为类似工程TBM施工提供参考。

2 砂岩崩解砂化洞段

TBM2掘进至桩号23+080 m处时,遇到了流砂地层。本段的地层岩性为白垩纪下统Hollin地层(Kh)砂、页岩互层,砂、页岩的比例约为9∶1,砂、页岩的强度为20～40 MPa,岩石遇水易崩解;受构造影响,节理发育,岩体破碎,地下水丰富,涌水量约100 L/s。TBM掘进时,在滚刀扰动和地下水的作用下,砂岩快速崩解,崩解后呈中—粗砂的散体状,由于掌子面涌水量较大,大部分砂粒来不及被刀盘铲斗铲起即被冲入洞中,砂粒掩埋了洞内轨道,导致小火车多次跳道脱轨,洞内排水亦受阻,部分设备被淹没;小部分砂粒被铲斗铲起后,卸到主机皮带机上,由于水的作用砂粒与皮带的摩擦力极小,导致碴粒在皮带机上打滑,皮带机无法正常出碴。

针对以上情况,采取了以下处理措施:①调整TBM掘进参数,收回支撑靴,伸缩护盾处于收缩状态,采用单护盾模式掘进,降低刀盘推力和刀盘转速,以减少对围岩的扰动,防止掌子面和洞壁围岩塌方;②对洞内的集中涌水点进行封堵;③掘进时减少刀盘喷水量,减缓砂岩的崩解速度;④组织大量人工清理洞底砂粒,将砂粒装袋后由小火车运出洞外;⑤严密监测洞底火车轨道情况,防止砂粒掩埋轨道;⑥安装重型管片,并及时进行豆砾石回填灌浆。

通过以上处理措施,TBM慢速掘进,每天掘进2～3环,经过四十余天的努力,终于通过了此不良地质段,未发生其它严重事故。

3 断层破碎带塌方洞段

TBM2掘进至桩号16+130.0～16+125.6 m段时,掌子面围岩发生塌方,出碴量约为正常掘进的2倍,造成主机皮带机倾覆,不得不停机处理。皮带机处理完毕后,启动刀盘掘进,此时刀盘水泵故障,不得不再次停机修理水泵,水泵修理共历时约36 h,启动刀盘后发现刀盘无法转动。进入刀盘对掌子面进行检查,发现整个刀盘被塌方岩体所掩埋,初步估计塌方量约为100～150 m3,塌方岩体最大粒径60～80 cm,部分散落体进入刀盘和滚刀的间隙,决定对掌子面塌方体进行化学灌浆。灌浆完毕后,再次启动刀盘,无法转动,启用刀盘的脱困扭矩后,直至驱动电机过热报警,刀盘还是无法转动。此后对塌方体进行了多次化学灌浆,启动刀盘仍然失败。经业主、设计、监理及施工单位四方会商并征求多位TBM专家的意见后,认定本次事故为掌子面破碎岩体塌方引起的TBM刀盘被卡的卡机事件。

针对刀盘被卡的特征,决定采取开挖旁洞清理塌方体的TBM脱困措施:

(1) 拆除距刀盘约16.2 m处的隧洞两侧中上部120°内的两块管片,并采用锚固的方式对顶拱管片和侧壁管片进行固定。

(2) 从管片开口处向与TBM掘进方向的垂直方向开挖旁洞(图2),旁洞断面为城门洞型(图3),宽2.4 m,高2.0 m,在开挖2.0 m后转为与TBM掘进方向平行直至刀盘位置,旁洞开挖时采用自进式锚杆、挂网、喷混凝土、钢拱架等方式进行支护。

图2 断层破碎带洞段旁洞平面位置Fig.2 The plane location of flanking tunnel at fault fracture zone

图3 断层破碎带洞段旁洞与主洞位置Fig.3 The flanking and main tunnel location at fault fracture zone

(3) 左、右两侧旁洞分别开挖至桩号16+132.6 m、16+128.7 m时,采用地质钻机沿与TBM掘进方向的平行方向进行水平钻孔,同时采用地震法物探对前方进行超前预报。钻孔和物探结果表明:掌子面前方桩号16+131.0～16+061.0 m处发育有一挤压断层,断层产状10°～15°∠75°～80°,断层破碎带及其影响带宽度60～70 m,岩性为侏罗纪—白垩纪Misahualli地层(J-Km)深灰色安山岩,岩体破碎,呈碎裂—镶嵌结构,可见断层泥、碎裂岩;地下水不活跃,洞壁干燥—潮湿,局部滴水;断层走向与TBM掘进方向小角度相交;断层破碎带以Ⅳ类围岩为主,局部为Ⅴ类,围岩不稳定,在TBM掘进扰动下,隧洞顶拱及掌子面围岩易塌方。

(4) 由左、右两侧的旁洞向中间开挖,形成主洞上方的扩大顶拱,扩大顶拱分为4块开挖(图4),沿主洞轴线方向向前开挖直至穿过整个断层破碎带及影响带,扩大顶拱开挖时采用自进式锚杆、超前灌浆、挂网、喷混凝土、钢拱架等方式联合支护。

(5) 扩大顶拱开挖支护完成后,启动TBM刀盘,扩大顶拱下部的岩体由TBM掘进出碴,同时安装重型管片,顶部管片与扩大顶拱之间的空隙采用豆砾石回填灌浆,直至通过整个断层破碎带。

图4 断层破碎带洞段顶拱分块扩挖图Fig.4 The block excavation of top arch at fault fracture zone

4 突水、围岩失稳洞段

TBM1掘进至桩号2+201.8 m时,在例行的设备维护工作后,启动TBM准备继续掘进时,发现刀盘可以旋转,但机身无法前进,伸缩盾可以打开,经过分析认为由于围岩塌方导致TBM前盾被卡。打开伸缩盾之后,从伸缩盾右侧底部可见粘土等细颗粒物质,岩体呈碎裂状,微风化,推测为断层发育。随之采取了一系列措施,加大推力、灌注膨润土等,均未能脱困。然后开始从伸缩盾左侧位置清碴,清碴洞约长6 m,断面近似于矩形,尺寸为1.80 m×1.60 m,清碴洞洞壁干燥无水,节理裂隙发育,岩体破碎,节理面平直光滑,扰动后易坍塌。

在清碴过程中盾体右侧岩体突发突泥涌水,并夹杂着块碎石冲出,导致伸缩盾、尾盾等设备被掩埋。初期水质浑浊,流量达到2 200 L/s,约10 h后,涌水变清,经过3—5 d,涌水量逐渐稳定到400～500 L/s。

清碴洞涌水塌方后,决定采用开挖导洞的方式处理涌水塌方,具体措施如下:

(1) 对尾盾后第1～9环管片加固,以防塌方区影响到已安装好的管片。

(2) 在尾盾后第10环管片左侧开挖清碴洞M1(图5),向刀盘方向开挖,开挖断面1.8 m×2 m;在盾尾后第10环管片右侧开挖排水洞M2,向刀盘方向开挖,开挖断面2.0 m×2.5 m;出碴洞开挖至0+62 m位置时,靠近刀盘侧岩面出现大量渗水,暂停目前出碴洞开挖,出碴洞新增M1-B支洞开挖后立即转弯与输水隧洞相交,相交桩号为刀盘前19 m处,然后从刀盘前19 m处向刀盘方向开挖。M1、M2、M1-B支洞在开挖过程中及时采用了超前锚杆、挂网、喷混凝土支护。M1支洞总长约61.8 m,M2支洞总长约52.5 m,M1-B支洞总长约28.8 m。

图5 突水、围岩失稳段支洞位置图Fig.5 The branch tunnel location of water inrush and instability surrounding rock tunnel

(3) 在M2、M1-B支洞内沿TBM掘进方向布置了3个水平钻孔,以查明前方地质条件,结合支洞开挖揭露地质情况,确定本段地质条件如下:本段岩性为侏罗系—白垩系Misahualli(J-Km)地层灰色安山岩,发育一断层,产状110°～130°∠60°～70°,宽约8 m,走向与洞轴线夹角较小,断层及其影响带内岩体破碎,多处可见糜棱岩、碎裂岩、断层泥,涌水严重,围岩以Ⅳ-Ⅴ类为主,稳定性差。

(4) 由M1、M2、M1-B支洞开始进行主洞扩大顶拱开挖,扩大顶拱跨度11.739 m,顶拱中心距设计主洞顶拱1.80 m,开挖时采用超前小导管、锚杆、挂网、钢拱架、喷混凝土联合支护,扩大顶拱穿过整个断层及破碎带。

(5) 扩大顶拱开挖支护完成后,启动TBM掘进出碴,同时安装重型管片,管片与扩大顶拱之间的空隙采用豆砾石回填灌浆。

5 结语

CCS水电站输水隧洞TBM施工过程中,遇到了砂岩崩解砂化、断层破碎带塌方、突涌水、围岩失稳等不良地质条件,导致了掘进速度缓慢、卡机等不良后果,经过采取有效的处理措施,TBM通过了不良地质段,为输水隧洞的如期完成提供了保障。通过CCS水电站输水隧洞TBM施工不良地质段的处理,得到了如下的认识:

(1) 不良地质条件对TBM施工起着制约的作用,在国内、外的TBM隧洞施工中,不良地质条件造成的TBM被困事件时有发生。CCS水电站输水隧洞虽然如期完成,但处理TBM1和TBM2仍分别花费了6个月和8个月的时间,造成了较大的经济损失。如果没有这两次卡机事件,输水隧洞至少可以提前半年完工,水电站提前发电所产生的经济效益和社会效益不可估量。

(2) 双护盾式TBM对地质条件的适宜范围较开敞式和单护盾TBM大,但在断层破碎塌方、突涌水等极端地质条件下,由于双护盾TBM能采用的超前处理的手段极其有限,更容易发生TBM被困事故,双护盾TBM被困后,处理起来比开敞式TBM更为困难,所花费的时间更多、经济成本更高。

(3) 在不良地质段施工时,应降低掘进推力、刀盘转速,以减少对围岩的扰动。由于围岩的塌方失稳与时间直接相关,因此应避免在不良地质段内长时间停机,尽量减少停机维护时间,连续掘进以通过整个不良地质段。

(4) 详细、准确的地质资料是TBM快速掘进的基本保证。双护盾TBM施工时,受刀盘、护盾和衬砌管片的影响,无法直接获取地质信息,因此在施工中加强超前地质预报就十分必要。通过超前地质预报,确定不良地质体的位置、规模、性质及其对TBM施工的影响程度,从而有针对性地采取超前处理措施,可避免TBM被困等不良后果。

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(责任编辑：于继红)

Treatment Technology of Crossing Unfavorable Geological Tunnel Section byDouble Shield TBM at CCS Hydropower Station Water Conveyance Tunnel

YANG Jihua, MIAO Dong, YANG Fengwei, QI Sanhong, YAO Yang

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

The sandstone disintegrating,fault fracture zone collapse,water inrush,surrounding rock instability were encountered in TBM construction process,which leading to the low excavation speed,TBM blocked and other adverse consequences.The TBM crossed the unfavorable tunnel section by taking effective measures,which provided a guarantee for completion of water conveyance tunnel timely.

CCS hydropower station; water conveyance tunnel; double shield TBM; unfavorable geological condition; treatment technology

TV732.3

A

1671-1211(2016)03-0539-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.066