錦屏二級水電站引水隧洞工程TBM施工

李衛(wèi)國，孔凡彬

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 611130)

1 工程概述

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上的重要梯級電站。其引水系統(tǒng)采用4洞8機布置形式，引水隧洞長16．67km，電站總裝機容量為4800MW，單機容量600MW。引水隧洞洞群沿線上覆巖體一般埋深為1500～2000m，最大埋深約為2525m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，為世界上規(guī)模最大的水工隧洞工程。隧洞區(qū)實測最大主應力值達到42．11MPa。全洞段有長達8km的高地應力區(qū)，特別是在引水隧洞中部的地應力在60MPa以上。

東端1#、3#引水隧洞采用TBM法施工，其開挖直徑為12．4m，初期采用噴錨支護，系統(tǒng)布置中空注漿錨桿，混凝土襯砌厚度為60cm，襯后隧洞洞徑為 11．2m，洞內(nèi)流速為4．72m/s。

2 TBM設備選型及其主要性能

TBM設備由業(yè)主負責采購，承包商使用后負責進行恢復性修理，驗收合格后移交業(yè)主。在設備選型階段，經(jīng)過多方面的分析、比較和論證，最終選用開敞式TBM設備，其具體選型要求如下:

(1)掘進機設備是全新的、定制的大功率硬巖掘進機，主機部件在掘進中不出現(xiàn)影響正常施工的損傷，掘進機刀盤設計應充分考慮換刀時間、開挖效率、經(jīng)濟性、可靠性及耐久性。

(2)掘進機應對本工程的高壓大流量涌水、大變形、高地應力巖爆、斷層等地質(zhì)情況都具有良好的破巖開挖能力和防護功能，在各種工況下能保證人員和設備的安全。

(3)TBM設備須具備脫困能力，脫困扭矩應為正常掘進的2倍以上;另外，設備應具備擴挖功能。

(4)刀盤應有足夠的強度、剛度、耐磨性，刀盤和刀具設計應能夠使掘進機高效、安全地通過洞線上的各類地層。刀盤后部配置可調(diào)整開挖直徑的短護盾，以安裝剛性支撐構件。

(5)主機的潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)均采取閉式回路設計，能承受本工程所遇到的高壓水;掘進機上應有移動式防水棚，以遮擋突涌水噴淋并具有自動引排水裝置。

(6)后配套系統(tǒng)設計中主要有:供給設備、移動設備、圍巖支護設備、地質(zhì)勘探設備、排水處理設備、隧洞運輸設備、掘進機基本設備、用于工作人員的安全設備和應急救生設備等。后配套設計還應考慮在掘進機跨越斷層或其他特殊地質(zhì)情況需要采用常規(guī)法開挖旁洞的情況。

(7)后配套臺車軌道架高1．5m，以滿足洞內(nèi)大流量、突涌水的過水要求。

(8)TBM皮帶機的運輸能力至少要滿足掘進機最高掘進速度要求。

經(jīng)過招投標，1#、3#引水隧洞分別采購了由美國ROBBINS公司和德國海瑞克公司生產(chǎn)的敞開式硬巖掘進機(簡稱TBM)。

3 TBM組裝洞、出發(fā)洞、步進洞及拆卸洞的設計

3．1 1#引水隧洞TBNM組裝洞、出發(fā)洞、步進洞

及拆卸洞的設計

1#引水隧洞TBM主機組裝洞室斷面尺寸為17．6m ×25．2m(寬 × 高)，長度為75m;TBM 后配套組裝洞室斷面尺寸為17．6m×21．8m(寬×高)，長度為90m。

出發(fā)洞長度為20m，C25鋼筋混凝土底板厚30cm，預埋4根H250型鋼。出發(fā)洞邊頂拱范圍進行二次混凝土襯砌，厚度為34．3cm。

步進洞長度為195m。開挖斷面為馬蹄形，半徑為6．8m，高 ×寬 =13．3m ×13．6m，底部凈寬10m，C25鋼筋混凝土底板厚30cm，預埋4根H250型鋼。

拆卸洞斷面尺寸為15．6m×25．2m(寬 ×高)，長度為53m。

3．2 3#引水隧洞TBM組裝洞、出發(fā)洞、步進洞及拆卸洞的設計

3#引水隧洞TBM主機組裝洞室斷面尺寸為17．6m×27(寬×高)，長度為83m;TBM后配套組裝洞斷面尺寸為15．2m×(19．8～27)m(寬×高)，長度為165m。該組裝洞是國內(nèi)開挖高度最大、長度最長、施工量最大的TBM組裝洞室，配置4臺橋機。

出發(fā)洞和步進洞合計總長度為49．5m。高×寬 =11．5m ×14．025m，C25 鋼筋混凝土底板厚60cm，預埋4根H300型鋼，邊頂拱范圍二次混凝土襯砌厚度為53cm。

拆卸洞斷面尺寸為(15～17．6)m ×(26．4～27)m(寬×高)，長度為60cm。

4 施工進度情況

4．1 1#引水隧洞

1#引水隧洞TBM于2008年4月1日完成組裝前的準備工作(組裝洞施工及其橋機的安裝和驗收)，具備組裝條件，2008年4月9日主軸承運抵現(xiàn)場，4月16日正式進入組裝，歷經(jīng)近5個半月的時間，至2008年9月18日TBM組裝工作完成，具備連續(xù)掘進的條件。

1#TBM于2008年11月16日開始試掘進，2009年12月11日完成2km試掘進。其中2009年8月11日至2009年9月27日為設備改造期。試掘進平均日進尺為5．17m(含設備改造時間，下同)，平均月進尺為155m，最高日進尺為26m，最高月進尺為324m。

2009年12月12日TBM進入正常掘進段，至2010年12月11日1#TBM完成掘進里程3860 m，最高月進尺為537m。但2010年3月由于突發(fā)大涌水，導致月進尺只有118m。2010年5月，由于巖體破碎、塌方頻發(fā)造成刀牙大量損壞、超前噴混凝土頻繁，致使5月份的進尺只有79m，6月份的進尺只有168m外，其余各月平均進尺達388．33m。2012年12月11日掘進結束。

4．2 3#引水隧洞

3#引水隧洞TBM的現(xiàn)場組裝工作自2008年5月26日開始，至2008年11月15日結束。

TBM于2008年11月16日正式開始試掘進工作，至2009年9月27日掘進長度為2002．28 m，試掘進期最高日進尺為30．03m(2009年7月20日)，平均月進尺為199．74m。

3#引水隧洞自2008年11月17日開始試掘進，至2011年2月21日掘進結束，共掘進進尺

6295．19m，平均月進尺為 228．10m。其中在2010年1月19日完成單日進尺33．67m，2010年1月完成進尺682．92m，均創(chuàng)造了國內(nèi)同等直徑TBM施工的最好成績。在掘進期間，屢屢遭受設備故障、巖爆、涌水、架高等因素的影響，其中293天日進尺小于3m(該時間段進尺151．14m)，除此之外，平均日進尺為11．48m，在地質(zhì)條件允許的情況下，TBM可以達到相對較好的施工進度。

為加快引水隧洞施工進度，確保按期實現(xiàn)發(fā)電目標，在引水隧洞中部增設了輔引1#，2#，3#支洞及排引1#，2#，3#支洞，從而使得引水隧洞中段具備采用鉆爆法進行“長洞短打”的條件。

5 TBM支護施工

為確保施工人員和設備的安全，L1區(qū)需完成臨時錨桿(盡可能采用“永久+臨時”結合)和必要的噴混凝土、掛網(wǎng)以及鋼拱架安裝施工;L2區(qū)在完成掛網(wǎng)和噴混凝土施工后，優(yōu)先進行了邊墻系統(tǒng)錨桿施工，并盡可能地完成了其他部位系統(tǒng)錨桿。系統(tǒng)(長)錨桿則由后備臺車完成。

L1區(qū)錨桿鉆機縱向行程取決于推進油缸，掘進時推進油缸全張開，錨桿鉆機最大行程為1．8 m。一般可施工邊頂拱220°范圍內(nèi)的系統(tǒng)錨桿。考慮到撐靴通過時可能會壓壞錨桿，故在實際施工時，一般施工頂拱110°左右范圍的系統(tǒng)錨桿。

L2區(qū)錨桿鉆機距離掌子面40～46m，理論縱向行程為6m，實際為5m。可施工錨桿范圍為頂拱110°～邊頂拱270°范圍的系統(tǒng)錨桿，實際施工時，L2區(qū)域的鉆機不能進行頂拱部位的錨桿孔施工(鉆機距頂拱有一定的距離)，其鉆孔有效深度達不到3．8m，因此，將撐靴頂部以下的所有錨桿孔均放在L2區(qū)進行，其施工角度為頂拱110°至270°范圍。

L1區(qū)左右兩側各配備一臺手動噴混凝土機，環(huán)向噴護范圍可覆蓋頂拱270°，實際工作能力一般為6～9m3/h，縱向覆蓋范圍為撐靴以前的頂拱和拱腰部位。

L2區(qū)配備2臺機械噴混凝土機，混凝土噴射范圍為邊頂拱270°，理論行程為12m，實際縱向行程為10m，噴射混凝土能力控制在14～16 m3/h，同時，在后配套臺車上備用一臺同樣的混凝土泵。

根據(jù)設計要求，引水隧洞需要施工長度為6 m/9m的系統(tǒng)錨桿。而TBM設備自身所配置的鉆機不具備施工長錨桿的能力。為了不影響TBM的掘進速度，在增加的臺車上施工長度為6 m/9m的系統(tǒng)錨桿。

6 TBM通過不良地質(zhì)洞段的處理及應對措施

6．1 大流量突涌水洞段

TBM掘進過程中，突發(fā)大涌水對施工產(chǎn)生了較大影響。涌水壓力過大會造成TBM潤滑系統(tǒng)進水，因此，需多次更換潤滑油以避免主軸承受損。同時，大涌水會導致排水系統(tǒng)無法滿足排水要求，掘進需緩慢進行。所采用的相應的涌水處理措施為:

(1)出水點孔徑較小的情況下，使用導引管將水引至洞底排出;

(2)出水點較大、不規(guī)則、水壓大的情況下，可使用注漿封堵或化學封堵，但這兩種方式均與TBM掘進相互干擾，封堵期間，掘進施工將停止。合理的處理方式是在后配套尾部鋪設擋水墻，在主機區(qū)增加抽水泵，將水抽至后配套尾部排出，降低主機區(qū)的水位，以保證軌道延伸正常進行;

(3)保證底拱水路通暢是最為關鍵的措施。由于1#引水隧洞為反坡掘進，在坡度的影響下，水流自流將極大地緩解抽排水的工作量，從而有效降低了主機區(qū)水位;

(4)大涌水在刀盤前方和主機區(qū)域時，對TBM掘進施工影響最大。當出水點到達連接橋后部時，立即在鋼枕設置圍堰，以減少返流水量，再配合大功率水泵抽排水，即可進行正常的掘進施工。軌道鋪設區(qū)域使用沙袋砌筑水壩，鋼枕鋪設分為左右兩部分分別進行。

6．2 高地應力及巖爆洞段

錦屏二級水電站引水隧洞的典型巖爆主要發(fā)生在隧洞的兩側邊墻部位，在局部洞段掌子面也會發(fā)生巖爆或大面積的應力型坍塌。

6．2．1 巖爆或大面積應力型坍塌造成的后果

(1)大量的巖石坍塌并堆積在護盾至主梁之間，且部分巖石塊體較大，坍塌的巖石占據(jù)了后配套軌道的敷設空間。受制于TBM設備空間的限制，大塊石解小及石渣清理只能采用人工和小型機械進行，清理效率低，花費的時間長，使得TBM不得不因清渣而停止掘進。

(2)TBM的護盾被卡，撐靴油缸被砸壞。

(3)護盾油缸因護盾受到巖爆的沖擊而遭受損壞。

(4)撐靴部位塌方嚴重，撐靴無法直接撐到巖壁。

(5)掌子面的巖石直接剝落，使得刀盤與掌子面部分接觸，刀盤荷載不均，若所設置的掘進參數(shù)不合適，滾刀的軸承將會受到損壞，嚴重時甚至可能會使主軸承受到損壞。

(6)刀具因掌子面巖石的剝落而被大量砸壞。

(7)撐靴撐過后，引起巖石的二次坍塌。

6．2．2 巖爆洞段實現(xiàn)順利掘進所采取的措施

(1)充分利用微震監(jiān)測手段提前預測并及時將監(jiān)測結果進行溝通，根據(jù)監(jiān)測結果指導現(xiàn)場施工，按照“安全第一、防治結合、科學操作”的原則組織施工。

(2)TBM采取短循環(huán)掘進，充分利用現(xiàn)有設備，加強支護，巖石在護盾出露后，立即對頂拱范圍采取早強、快速的錨網(wǎng)支護和噴射混凝土支護。錨桿采用能夠立即發(fā)揮作用的中空漲殼式預應力錨桿，掘進一個循環(huán)，支護一個循環(huán)。

(3)為減少撐靴撐過后引起的巖石二次坍塌，利用L1區(qū)的錨桿鉆機和平臺在撐靴部位施工水漲式錨桿進行臨時支護。

(4)錦屏二級水電站引水隧洞巖爆洞段開挖采取的具體處理方法見表1。

(5)巖爆后采取的主要處理措施。

對于巖爆產(chǎn)生的大量石渣，主要采取人工和小型機械出渣。石渣清理完成后再采取支護措施。巖爆的整體處理原則為:排險→清渣→再排險→再清渣→初噴混凝土→支護(以回填混凝土、錨桿、掛網(wǎng)為主)。

(6)巖爆造成卡機后采取的處理措施。

在TBM通過強巖爆洞段難免會發(fā)生刀盤和護盾被卡的情況。因巖爆大多發(fā)生在刀盤前部并隨之誘發(fā)護盾附近圍巖塌方或巖爆。但根據(jù)導洞開挖試驗，若發(fā)生掌子面巖爆情況，可適當調(diào)整掘進參數(shù)，先將前部塌方的石渣清除后再恢復掘進。

(7)對于長距離潛在的強和極強巖爆洞段，直接利用相鄰洞室先進行的導洞開挖釋放應力，然后采用TBM部分斷面掘進的方式予以通過。錦屏二級水電站現(xiàn)場在強巖爆洞段選取了3個導洞試驗段，先采用鉆爆法半導洞開挖進行預處理，然后采用TBM設備擴挖下半斷面，整個施工過程利用微震監(jiān)測手段實時監(jiān)測圍巖體能量的釋放規(guī)律，最后與TBM全斷面開挖圍巖能量釋放與巖爆情況進行對比，其結果顯示微震事件數(shù)量明顯減少，震級和能量明顯降低，巖爆風險明顯降低。鉆爆法開挖過程中，曾產(chǎn)生多次輕微、中等甚至強烈?guī)r爆，而TBM開挖通過此段時主要表現(xiàn)為邊墻局部塌方，對TBM的正常掘進影響較小。

(8)掘進過程中，應加強對石渣塊度大小及均勻程度的觀察，同時，利用換步的時間加強對掌子面的觀察，及時掌握掌子面的坍塌范圍并結合刀盤抖動情況適當?shù)恼{(diào)整掘進參數(shù)。

(9)對于巖爆洞段，應勤檢查刀具、刀盤、鏟齒，如有損壞或磨損立即進行更換。每個行程檢查一次，掘進超過10m后，每三個行程檢查一次。

7 結語

筆者對TBM在錦屏二級水電站引水隧洞中的施工經(jīng)驗進行了總結和梳理，介紹了TBM設備選型要求、TBM組裝洞及其拆卸洞的設計、TBM施工進尺、TBM在巖爆、突涌水不良地質(zhì)洞段的施工掘進技術，希望能對今后開敞式掘進機的選型和使用提供一些有益的參考。