锦屏二级水电站TBM穿越1#引水隧洞部分断面采用的掘进施工技术

2015-04-06李卫国

四川水力发电 2015年2期

黄翮，李卫国

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 611130)

1 概述

锦屏二级水电站利用雅砻江下游河段150 km长大河湾的天然落差，通过4条平行的引水隧洞(单条洞长度约16．67km)截弯取直，获得水头约310m。引水隧洞地处高地应力区，隧洞沿线上覆岩体一般埋深1500～2000m，最大埋深约为2525m，引水隧洞具有高埋深、高地应力、大断面、线路长、富含高承压地下水的特点。隧洞沿线岩石具有高储能性质，具备发生高地应力破坏的强度条件。在引水隧洞开挖中，以轻微～中等岩爆为主，部分洞段发生了强烈～极强岩爆。引水隧洞中部洞段地层为白山组(T2b)大理岩，岩石脆硬，该段隧洞埋深超过2000m，最大主应力σm≥40MPa，岩石强度应力比 Rb/σm＜2，地应力等级为极高地应力，属于岩爆高发洞段，其强烈程度以轻微～中等为主，局部洞段发生了强烈～极强岩爆。岩爆的发生严重威胁施工人员及设备的安全，影响施工进度，甚至造成隧道掘进机(TBM)停机。为了保证TBM顺利通过岩爆洞段，同时得到TBM通过岩爆洞段的优化掘进参数，在施工现场采用了钻爆法导洞预处理后、TBM再掘进剩余断面的施工方法。

1．1 TBM设备简介

锦屏二级水电站1#引水隧洞采用由美国罗宾斯公司生产的敞开式硬岩掘进机(简称TBM)施工，整机长度为255m，主机和后配套重量约为3400t，共装有78把直径为483mm的滚刀，单把滚刀的最大切削载荷为311kN，推荐的刀盘推力为22703kN，可承受的最大推力为24260kN，刀盘驱动的总功率为4410kW，刀盘转速为0～5．6 rpm，刀盘扭矩(2．4rpm 时)为16519kN·m，刀盘扭矩(5rpm时)为7509kN·m，挣脱扭矩为24778kN·m(3．3倍高速扭矩)。

1．2 部分断面的断面形式及其支护

为了保证1#引水隧洞施工顺利通过潜在强岩爆施工洞段，在1#引水隧洞引(1)12+127～11+976、引(1)10+981～10+892段进行了部分断面TBM的试验掘进施工。在试验掘进洞段，采取了2种不同型式的断面，一种断面为底部预留1 m高度(图1)，一种断面为底部预留7．4m的上导洞断面型式(图2)。

图中钻爆法开挖部分是通过相邻的2#引水隧洞及其横通道施工完成。预留1m断面的开挖半径较TBM开挖半径大30cm，边墙范围为避免TBM开挖至该段以后支护系统对TBM刀盘的损坏，采用长度为3m的玻璃纤维锚杆进行临时支护，在每一根锚杆上挂线后进行喷射混凝土施工;为确保喷射混凝土的平整度满足撑靴通过的要求，其余部位采用砂浆锚杆并喷射20cm厚混凝土进行系统支护;预留7．4m断面导洞顶部90°范围开挖半径较TBM开挖半径大30cm，采用砂浆锚杆并喷射20cm厚混凝土进行支护，边墙撑靴部位预留不开挖，采用3m长的玻璃纤维锚杆进行临时支护。

2 TBM穿越部分断面的掘进施工

2．1 掘进参数的选取

TBM穿越部分断面掘进时，空腔部位可能使得顶护盾和侧护盾与岩石表面没有接触而造成TBM稳定性减弱，同时，刀盘部分面积与岩石没有接触，导致刀盘和刀具受力不均，刀盘、主轴承及主梁等部件会受到偏心扭矩，可能会导致刀具、铲齿以及刀盘结构所受到的冲击载荷加大，因此，必须采取合理的掘进参数，减小刀具的损坏，确保主轴承及主机结构完好。

TBM操作参数中能直接控制的两个变量为推进流量和刀盘转速。实际操作中，在推进流量恒定的情况下，推进压力随围岩状况变化并影响推进速度;刀盘转速对出渣量影响明显，在一定程度上影响推进力及推进速度，故对参数的选择仅限于推进力及刀盘转速。

掘进参数应通过理论计算并结合施工经验确定初始参数，再通过现场试验后进行最终掘进参数的选取。

2．1．1 初始掘进参数的选取

推进力由两部分组成，即刀盘的总压力以及推进的摩擦阻力。推进的摩擦阻力由主机重量和侧护盾撑紧产生的摩擦力组成(后配套牵引处于浮动状态，不计)。摩擦系数根据现场实际情况选择0．35，则推进摩擦阻力为5320kN。

底部预留1m断面的TBM开挖部分的面积为4．6m2，占全断面开挖面积的4%，接触岩面的刀的数量最多时为3个，最少时为1个。在此工况下，TBM掘进的控制要素为单刀能够承受的最大荷载，因此，为保护刀具，刀盘的总压力为单刀最大载荷315kN，考虑到推进时的摩擦阻力，将最大推进定力为5635kN。

底部预留7．4m断面的TBM开挖部分的面积为80．6m2，占全断面开挖面积的67%，接触岩面的滚刀数量为50～57个。在此工况下，主轴承为偏心受力，应以主轴承滚柱对滚道的接触压力不高于正常掘进时的最大滚压为前提，根据断面的偏心距离、主轴承的抵抗矩、允许的最大滚压按照以下公式计算出单把滚刀的荷载，再根据接触岩面的滚刀数量计算出刀盘的允许最大推力。

公式:单刀荷载×岩面接触面滚刀数量/主轴承滚柱的接触面积+单刀荷载×岩面接触面滚刀数量×偏心距/主轴承抵抗矩=最大滚压

经计算，底部预留7．4m断面的单刀荷载为198kN。为保护主轴承，刀盘的总压力最大为9900kN(50×单刀荷载)，考虑到推进时的摩擦阻力，则其最大推进力为15220kN。为了确保TBM设备安全，考虑到TBM制造厂家的建议，选取了一定的安全系数，将初始掘进推力选为10 000kN，最大不超过14600kN。

刀盘转速从2rpm逐渐递增，将最高转速控制在3rpm，并根据实际刀具、刀牙的损坏及主机振动情况选择最为合适的转速。

2．1．2 实际采用的掘进参数

以选定的初始参数为基础，进行了6个工况(每个工况对应不同的刀盘推力和刀盘转速)的掘进测试，每个工况掘进距离为20～40cm，其中重点对转速2．5～3r/min之间的推力进行了测试。

每次推力试验的第一组均进行空推试验，即将刀盘后退，顶护盾和侧护盾正常施压，启动刀盘到即定的转速后，开始向前推进，当其达到需要的推进速度时，记录其推进力。实际测得的推进摩擦阻力值变化较大，范围为3300～8500kN。

通过对不同掘进参数下设备状况的监控及掘进效果(贯入度的大小)的比较，并最终选择出适合于1#引水隧洞部分断面开挖的掘进参数(表1)。

2．2 TBM穿越部分断面掘进采用的施工措施

2．2．1 掘进前的准备

(1)为保护刀具及刀盘部件，在TBM掘进施工前，安排专人及设备将超前导洞预处理段的大石块运出并检查是否有铁器遗留，及时清理。

(2)为保证设备安全、获得最合理的掘进参数，提前制定了监测方案并提前在全断面掘进段取得相应的监测数据。

(3)加强对掘进姿态的控制。TBM抵达部分断面掘进段前，其掘进轴线应尽量接近隧洞设计轴线。

(4)确保对钻爆施工预留1m断面撑靴部位的支护措施、施工工效以及喷层尺寸控制效果，以保证撑靴的正常支撑。

(5)考虑到可能出现的备件损耗，施工前需及时储备，以保证不影响正常施工。

2．2．2 掘进过程中的要点

每循环控制调向1～2次，以防止损坏刀具。由于两侧护盾能正常撑紧至洞壁，故轴向水平方向容易控制，而顶护盾因无法接触到洞壁，则调向重点在轴向垂直方向，需防止机器上漂。当发现机器有上扬趋势时应及时向下调向。通过采取上述措施，在锦屏二级水电站部分断面TBM开挖过程中的实际轴线控制均在允许偏差范围内。

掘进过程中安排专人观察刀盘及刀具的工作状况，同时观察刀盘前部岩石的积渣情况，若有大块石堆积，及时进行处理。在实际掘进过程中，可根据刀盘出渣块度的均匀程度和刀盘抖动情况适当调整掘进参数。

2．3 TBM穿越部分断面掘进的设备状态监测

2．3．1 设备状态检测的主要内容

在主轴承上端共布置了4个测点，测试主轴承不同工况下(全断面、预留1m断面和预留7．4 m断面)的振动速度。通过对测试数据进行分析，确定主轴承的振动优势频率及特征频率，据此判断主轴承的工作状态是否正常，是否存在其它振源干扰产生的振动叠加;通过振动速度幅值的计算，确定主轴承的振动烈度，并将不同工况下的数值进行对比，提供合理的掘进参数。

在6#、9#主驱动电机上共布置了4个测点，以测试主驱动电机不同工况下的振动加速度，通过观测主驱动电机的振动，可以确定刀盘掘进过程是否平稳。

在不同掘进工况下，对主轴承、主驱动变速箱、主液压系统等处润滑油的油样进行理化指标(粘度、水分)分析、铁谱分析、污染度检测、光谱分析，并根据设备油液的分析情况判断设备的振动程度及状态。

2．3．2 设备状态监测的分析结果

(1)与全断面掘进相比，部分断面掘进时，主轴承振动速度和加速度有效值均有所减小，主梁振动速度也有所减小，初步分析判断其为推力减小所致。

(2)根据对部分断面测试数据进行的分析，全断面掘进与部分断面掘进时主电机的振动加速度相差不多。

(3)与全断面掘进相比，部分断面掘进时，主梁上部主要受拉应力，下部主要受压应力，主梁的偏载稍大，但未超过一个数量级。

(4)1m高断面由于推力较小，故其各个测点的振动加速度值与速度值均很小。但与全断面和部分断面相比，主梁所受到的偏载并未减小，且在同种工况下略有增加。

(5)磁滤芯检查、取油样进行理化指标检测及铁谱分析表明:主轴承润滑油及主驱动电机减速箱润滑油运动粘度、水分、污染度均在许可范围内，外观呈棕色透亮，油液质量良好，油液中含有的异常磨粒数量较少，尺寸较小，均属于正常磨损。主轴承处于平稳运行状态，主轴承磨损正常。

对上述部分断面状态监测数据进行分析表明:部分断面掘进时偏载情况确实存在，数值略微超过全断面，但不会影响到主体结构的强度和安全;全断面与部分断面测点的振动值在水平方向稍小，垂直方向较大且相关，对于主电机没有影响且不相关;所选定的掘进参数对于设备而言是安全的，对部分断面的掘进是可行的，但需严格控制掘进参数。

2．4 TBM穿越部分断面掘进时备件的消耗情况

在掘进试验段施工时，刀具未发生损坏，刀牙损坏平均值为0．32个/m，相比前期刀牙损坏1．95个/m要低很多，由此说明掘进参数的选择合理，贯入度及转刀盘速控制合理。

在岩爆洞段部分断面掘进过程中刀具损坏3把(2把刀圈开裂，1把挡圈脱落)，刀牙未见损坏，虽然比试验段有所增加，但与全断面掘进相比，损耗量仍很少，属正常范围。因此，刀具检查时间可缩短至每班一次。

2．5 TBM穿越部分断面掘进的进尺情况

1#引水隧洞引(1)12+127～11+976试验掘进段:底部预留1m断面共施工了14d，施工段长为104m，最高日进尺为11．58m/d，平均日进尺为7．42m/d，最高掘进速度为 0．84m/h，平均掘进速度为0．78m/h;底部预留7．4m断面共施工了8d，施工段长47m，最高日进尺为12．01m/d，平均日进尺为5．88m/d。

在引(1)10+981～10+892强岩爆洞段:全部为底部预留7．4m断面，共长89m，施工了5 d，平均每天进尺为17．8m/d，最高日进尺达到了21．6m/d。该段进尺大幅度提高得益于掘进段试验所取得的经验，一方面，合理地优化了掘进参数;另一方面，适当减少了刀具检查频次，将试验掘进段每循环检查调整为每班检查，从而使TBM掘进的利用率得到了大幅度提高，达到了40%。