巴基斯坦N—J工程TBM安裝間設計研究

摘 要：巴基斯坦Neelum-Jhelum水電工程（簡稱NJ工程）地處喜馬拉雅山南麓，電站引水隧洞埋深大、地質條件復雜。原計劃采用常規鉆爆法施工，雖設計有多條施工支洞，但最長獨頭掘進長度仍大于9km。其中，埋深大于1500m的高埋深掘進段超過4.5km，在國際上尚無成功實施的先例。工程開工2年后因多種原因導致工期延誤，業主要求采用TBM方案進行趕工。由于引水隧洞軸線和地形限制，導致TBM必須采用洞內組裝方案。因本工程位于喜馬拉雅山區，地質條件極為復雜，加之趕工工期限制，要求安裝間在滿足設備安裝轉運的最小長度的前提下盡量布置緊湊。本項目創造性的采用了短安裝間+長始發洞形式；安裝間設計為高低臺階+鋼結構梁柱橋機結構；支護設計上結合圍巖特性采用少占直線工期的錨噴聯合支護形式。通過以上系列措施，加之合理的施工組織，克服了常規安裝間設計的缺點，降低了安裝間施工難度和施工強度。TBM安裝間以極短的施工時間完成建設，為TBM按期組裝提供了有利的條件。也為今后在高埋深復雜地質條件區域進行大斷面TBM洞內組裝奠定了堅實基礎。

關鍵詞：巴基斯坦N-J工程；引水隧洞；安裝間；設計研究

1 工程概況

巴基斯坦Neelum-Jhelum水電項目位于巴控克什米爾州。是迄今為止中國建筑承包商在海外承建的最大的水電工程。合同金額15.06億美元，被譽為巴基斯坦的“三峽工程”。

本工程為長隧洞引水式水電站。工程在尼魯姆河上建攔水壩和取水口，開挖一條軸線長28.6公里的引水隧洞將河水引入地下電站廠房，利用期間河水天然落差發電，尾水經尾水洞匯入杰盧姆河。電站總裝機容量963MW，工作水頭為420m。

引水隧洞總長28.6km（單線洞和雙線洞交錯布置），共設置5條施工支洞（分別為A1～A5），其中A1、A2支洞間的引水隧洞長13，577m，是本工程的關鍵線路和施工難點。原計劃采用常規鉆爆法施工，單向掘進最大長度約9km。存在高埋深、大收斂、地質條件復雜、斷層涌水及高地溫等問題。通風排煙、運輸困難，在國際上尚無成功實施的先例。加之業主提出趕工要求，經過2年多的充分論證和研究，2011年初確定采用TBM方案并進入實施階段。

根據最終確定的實施方案，硬巖TBM掘進施工段為M1-T3’雙線洞段，采用兩臺TBM自引水隧洞下游向上游逆坡掘進，單臺TBM掘進長度約為11.5km，設計縱坡為0.787%，設計開挖直徑為8.53m。引水隧洞T1-M1段（約4KM）仍由A1支洞向下通過鉆爆法施工完成。

由于TBM方案實施時引水隧洞總體設計方案已經基本確定，A3支洞及引水隧洞鉆爆合計已開挖約3KM，其它標段均已開挖到輸水隧洞主洞部位，TBM安裝間只能布置在已有完成的鉆爆洞段內布置，TBM只能在洞內組裝，在洞內拆卸。

2 安裝間平面布置

工程選用兩臺海瑞克敞開式全斷面硬巖掘進機，開挖直徑8.53m，全長190m，其中，主機長25m，直徑8.5m，連接橋及后配套拖車（1～7#）長165m，直徑7.5m。

TBM安裝間系統由安裝間、始發洞和漸變段等部分組成。海瑞克建議施工長度200m的安裝間以滿足安裝要求。由于1#TBM安裝間開挖時間較為滯后，且圍巖情況較差加之工期要求緊，最終確定S-696安裝間長度為60m，始發洞長度130m；2#TBM安裝間由于考慮預留洞內拌合系統空間，最終長度為100m，始發洞長度60m。

安裝間系統長度設置按滿足TBM主機、連接橋和1-6#拖車安裝需求確定。7#拖車在TBM正常掘進后，6#后配套臺車步進出安裝間后安裝。7#拖車組裝前采用臨時皮帶機出渣方案出渣。

TBM安裝間室布置見圖1。

2.1 主機及后配套安裝間

安裝間負責TBM主機及后配套安裝布置需要。其中左側2#安裝間（S-697）布置100m，滿足TBM主機、設備橋、1-2#臺車同步安裝需要。右側1#安裝間（S-696）布置60m，滿足TBM主機、設備橋同步安裝需要。而且，針對后配套臺車直徑小于TBM主機直徑的特點，通過精確計算計算后配套加高高差，將安裝間設計成頂拱高度一致、寬度一致，仰拱設計成高低巖石臺階。TBM主機組裝完成后，在安裝間低臺階至始發洞架設軌道支承架并鋪設軌道，滿足后配套步進要求。采用此設計方案的主要優點有：

（1）采用短安裝間+長始發洞形式，橋機采用梁柱結構，取消巖錨梁，可有效減少安裝間的施工難度和工程強度。并與TBM組裝的程序化操作相結合，滿足TBM快速安裝的需求。

（2）安裝間采用高低臺階，可有效利用安裝空間，減少安裝專用設備的數量， 避免了采用安裝間常規底板同高程布置方案時，后配套安裝需加高的問題。增加了安裝場地的利用率；

（3）高臺階直接埋設暗軌并與交通洞仰拱水平連接，可實現TBM主機和后配套組裝部件直接進洞，采用一臺橋機即可實現同軸線快速同步安裝。

2.2 漸變段

安裝間與引水隧洞常規鉆爆段尺寸及結構不同，設計中結合施工需要增加漸變段。漸變段長度20m。

2.3 始發洞

由于安裝間長度較短，始發洞承擔TBM已安裝部分的停放和始發要求。始發洞前20m設撐靴支撐段為支撐油缸提供支撐條件，為TBM掘進提供反力。

3 安裝間斷面設計

3.1 主機及后配套安裝間

選用的TBM主機直徑為8.5m，主機最大單件重132t，考慮以2×100噸橋機進行起重安裝。根據主驅吊裝方法，精準計算橋式起重機吊鉤最大起吊高度要求；依據最大起重量和橋機選型設計橋式起重機梁柱；根據橋式起重機及梁柱性能參數設計安裝間斷面尺寸；根據TBM主機及后配套結構尺寸，精確計算后配套軌道與主機底護盾支架之間的高差，將安裝間仰拱設計為高低巖石臺階，TBM主機放在低臺階安裝，高臺階用于安裝后配套。結合該地區圍巖情況，結合圍巖穩定分析計算，確定安裝間采用橢圓形斷面，最大凈高20.42m，最大凈跨19.7m，后配套安裝區底板高于主機安裝區0.941m的高低臺階仰拱形式。施工中采用預裂爆破及控制爆破技術完成此結構的開挖。為盡量減少安裝間高度，橋機選用德國德瑪克小車，并采用天錨起吊方式安裝橋機。

3.2 漸變段

引水洞已有鉆爆洞段7m×8m（寬×高，城門洞型），通過70m左右過渡段過渡到安裝間橢圓形斷面。

3.3 始發洞

TBM通過步進方式進入始發洞，始發洞直徑比TBM直徑稍大，以便順利步進通過。同時根據支撐油缸最大行程要求及盡量減少開挖工程量，擬定始發洞直徑為9.5m。始發洞前20m設撐靴砼支撐段。

4 TBM安裝間系統支護設計

TBM安裝間室埋深約800m，無大的地下水涌出點，無大的斷層破碎帶，圍巖類別為Q3、Q4類，巖性主要為SS-1/Ⅱ型砂巖、泥巖。根據相應巖石物理力學特性，并結合NJ工程其它洞室設計類比分析，擬定TBM安裝間室支護方式為錨噴網聯合支護。具體支護參數如下：

安裝間典型斷面布置圖參見圖3。

5 圍巖收斂變形監測情況和分析

TBM安裝間從2011年底開始施工至今，已有近兩年半時間。通過對安裝間的收斂變形監測數據收集及分析顯示，安裝間設計合理，圍巖收斂變形最大值發生在跨度最大的D-E斷面（僅為20～30mm），處于合理范圍，安全可靠。收斂監測數據參見圖4～6。

6 結束語

由于NJ工程TBM項目的特殊情況，TBM安裝間只能設置在引水隧洞內，埋深大，圍巖普遍較差，局部存在滲水現象。同時，由于工期緊張，可供TBM安裝間開挖、支護、金結安裝、起重設備安裝的時間僅有6個月。鑒于此，TBM安裝間經過精確計算，盡可能縮短安裝間尺寸，結合長始發洞設計，滿足TBM組裝需要的同時，盡可能的減少開挖支護工程量。另一方面，通過創新性的高低臺階設計，減少了常規安裝間后配套加高對安裝場地利用率的制約，增加了設備組裝的靈活性。第三，通過采用鋼梁柱形式的橋機結構，取消了巖錨梁的結構設計，加快了施工進度，實現了快速組裝的需要。

通過上述措施，NJ工程TBM安裝間設計方案解決了高埋深、大洞徑、喜馬拉雅山地質復雜區域的TBM快速組裝問題，為拓寬TBM施工使用領域奠定了堅實的基礎。

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