厄瓜多爾CCS項目雙護盾TBM通過斷層破碎帶施工技術研究與實施

(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、調節水庫進場道路、調節水庫、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。合同工作內容包括項目的勘察設計、土建及金屬機構安裝施工、永久設備及電氣設備的采購、安裝及調試等。

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，設計引水流量222m3/s。混凝土管片采用預制管片，分左右環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，導致皮帶供電系統故障不能運行，大量巖渣外溢，掉落于回程皮帶和TBM后配套內，小火車軌道被埋不能運輸，TBM被迫停止掘進。現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值；?根據以上參數可計算出渣方量為917.28m3。

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

3 區域段地質情況分析

通過地質資料分析，該區劃段埋深約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。現掘進樁號已通過預測斷層樁號約670m，判斷現樁號圍巖破碎帶與預測16+800樁號錯動斷層息息相關，為此決定不能魯莽掘進，以免引起大塌方壓住TBM全機，造成災難性的后果。

4 初期采取的快速解決措施

經過對前方圍巖、TBM系統、刀盤以及伸縮盾的檢查后，嘗試采用正反轉交替方式啟動刀盤，在系統規定的參數下，未能正常啟動，但刀盤有反應，有渣料掉出。由于刀盤尚存有活動空間，為確保主軸承工況，采用刀盤內打孔或鉆孔進行化學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空洞現象。

在起初實施完化學灌漿后，通過觀察松散巖體，化學灌漿材料已基本形成保護殼，為進一步加強松散體固結效果，決定再次通過刀盤內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，防止漿液流出。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期的加固目的。

通過以上應急措施的實施，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，而且安全風險進一步加大，上部塌空區將進一步擴大，因此決定停止化灌固結轉入下步解決方案。

5 方案研究論證與實施

5.1 旁洞+固結灌漿

利用左右側開挖小斷面旁洞至圍巖較好區域后，沿旁洞周邊鉆孔進行化學灌漿及水泥灌漿。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生另外一種風險，故此方案無法滿足現有要求。

5.2 旁洞+上導洞揭頂開挖

利用左右側開挖小斷面旁洞至護盾區域較好巖石段，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、架設鋼支撐和系統支護，從后向前穩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步處理，遵循常規處理不良地質段的原則。

結論：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，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+上導洞揭頂開挖作為斷層破碎帶施工方案。

6 旁洞+上導洞揭頂開挖設計與施工

6.1 旁洞設計與布置原則

?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；

?結合后期恢復掘進后，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 上導洞揭頂開挖設計原則

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

?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(為防止漿液外流，采用定量灌注水泥漿液)，強支護，確保施工安全；

?復核鋼支撐承載力，計算鋼支撐斷面及節點長度，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，揭頂開挖完成后采用系統固結灌漿；

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

6.3 旁洞布置型式與施工

6.3.1 布置型式

左右各開設一條旁洞，旁洞布置在尾盾倒數第三個環管片位置上，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設備進行拆除或轉移；

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

?采用φ25藥卷錨桿鎖定4791～4795環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，每循環進尺均采用全站儀進行控制；

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

?旁洞開挖采用手風鉆鉆孔，淺孔弱爆破，多循環、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連續皮帶系統運渣至洞外。支護形式根據圍巖情況采用鋼支撐+錨噴網+系統錨桿。

6.4 上導洞揭頂開挖施工

根據左、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，逐步形成上部導洞開挖掌子面；向前領進開挖導洞直至穿過斷層破碎帶較好圍巖的洞段為止。導洞分為兩段，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.采用小炮結合人工風鎬半開挖，跟進半側分段開挖噴混凝土及半邊拱架支護，之后開挖另一側，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，后兩側跟進。隨后跟進鋼支撐+錨噴網系統支護，拱架間距50cm。

6.5 頂拱固結和鎖腳加固灌漿施工

頂拱固結灌漿按設計進行布孔，深度為3.5m，間距為1.80m，采用手風鉆鉆孔。鎖腳加固采用手風鉆鉆入自進式錨桿灌漿，在鋼支撐每側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。

根據管片位置，從下部管片開始回填豆礫石到上部管片區域結束。當TBM掘進開始時，第一環管片安裝完成后開始管片下部的豆礫石回填，安一環填一環，直到第五環，然后開始進行第一環的上部豆礫石回填。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)、拱架鎖腳連續梁澆筑、拱架加強鎖腳錨桿及兩側固結灌漿施工以及批準設計圖Ⅳ～Ⅴ類圍巖頂拱固結灌漿；同時，全面系統地完成了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TBM掘進施工，TBM掘進中鋼支撐未出現變形，兩側拱腳穩固，各項掘進參數指標正常，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期。

8 結 語

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

b.當已發現掌子面出現塌腔時，一定要高度重視，認真計算循環出渣量，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，應選擇合理的掘進參數，快速通過。

c.此次斷層破碎帶處理上導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.在刀盤內實施鉆孔水泥灌漿時，務必慎重，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，防止漿液包裹，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后啟用小型設備出渣，其效率將會明顯提高。

f. TBM施工中處理不良地質時需總體規劃，全盤統籌，但在施工過程中也要根據地質情況和監控測量情況及時調整方案，做到“方案清晰、動態設計、動態施工”。

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