科卡科多水电站TBM卡机处理方法探讨

2016-09-28屈天放

东北水利水电 2016年1期

关键词：支洞塌方进尺

屈天放

（中国水利水电第六工程局（四分局），辽宁沈阳110179）

科卡科多水电站TBM卡机处理方法探讨

屈天放

（中国水利水电第六工程局（四分局），辽宁沈阳110179）

科卡科多水电站引水隧洞施工过程中发生双护盾TBM卡机现象，根据TBM掘进记录和地质情况分析是受断层破碎带的影响。为使TBM脱困，采取开挖TBM上方岩体，钻设超前小导管、挂钢筋网、喷混凝土、支钢拱架等方法使围岩保持稳定，再清理TBM护盾上方散落的岩石，终使TBM脱困并通过断层破碎带。

双护盾TBM；断层破碎带；科卡科多水电站

1　概述

厄瓜多尔科卡科多-辛克雷水电站安装8台发电机，装机的容量为1 500 MW，年发电量88亿kW·h，引水隧洞长24.8 km，开挖洞径约9.2 m，采用2台双护盾掘进机（TBM）和钻爆法开挖施工。

2014年1月25日TBM1在掘进至桩号2+ 202 m时前盾被卡，采取加大推力、灌注膨润土等措施均未能脱困。2014年2月2日施工方开始在伸缩盾处清渣，但在2月8日清渣过程中因受前期塌方及施工扰动影响，隔水层破裂导致盾体左侧突发塌方和涌水现象，塌方和涌水持续了数小时，水与块石一同涌入隧洞，形成泥石流。塌方体中的块石岩性主要为安山岩及少量角砾岩，磨圆较差，块径大小不一，多为2～10 cm，涌水初期水质浑浊，约10 h后，涌水才变清。这次塌方和涌水导致清渣工作暂停、伸缩盾、尾盾等设备被掩埋，尾盾后方1～10环管片渗水，1～4环管片破损下沉，为了使TBM脱困以便继续开挖施工，必须分析事故原因并采取适当的处理措施。

2　原因分析

根据TBM掘进参数记录，TBM在掘进至4846环时推力由13 000～15 000 kN下降至10 000 kN以下，最低降到6 700 kN，扭矩由3.26 MN·m大幅下降至1.5 MN·m，贯入度却由15 mm/r上升至18 mm/r，由此推断从4846环开始岩石变差。打开伸缩盾，在TBM右侧及顶部看到两个断层，其中一个断层宽约20 cm，另一个断层宽约10 cm。断层与隧洞掘进方向成约60°的倾角。断层位置相对干燥，无明显渗水。断层处的围岩为强风化的安山岩、玄武岩，岩石破碎有夹泥，围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类，极易塌方、掉块、卸荷。根据TBM掘进记录和地质资料分析，断层破碎带是导致TBM被卡的主要原因，应该采取工程措施对TBM护盾和TBM前方20 m范围内的围岩进行处理，使TBM脱困并能继续开挖施工。［1］

3　处理方法

3.1加强已完工程的防护

因为TBM尾盾后的管片已经出现破损情况，为了防止塌方对已安装好的管片的影响，防止事故进一步扩大，需对尾盾后1～5环管片进行水泥灌浆加固，对尾盾后第1～9环管片在隧洞内部用钢支撑进行加固。

安装3组收敛变形计，一组安装在盾尾盾体上，监测塌方对盾体产生的变形影响；另两组分别安装在盾尾后第3环、第11环管片上，用来监测管片变形情况。

3.2开挖排水洞

为了排除地下水，减少渗水对施工作业的影响，在掘进方向右侧盾尾后第10环管片处向刀盘方向开挖PD2支洞，作为塌方段的排水洞，开挖断面1.8 m×2.0 m（局部地质钻超前勘探部位及打排水孔部位扩挖断面至2.0 m×2.5 m）。在导洞开挖完成后采用地质钻机钻两个深20 m的排水孔，一个排水孔垂直顶拱，另一个排水孔与隧洞轴线成60°。

3.3开挖TBM开挖断面上方的岩体

开挖断层破碎内TBM开挖断面上方的岩体，并形成可靠的支护体，使TBM在支护体的防护下开挖并通过断层破碎带。为了到TBM护盾前方进行开挖与支护作业，在掘进方向左侧盾尾后第10环管片上开洞PD1，从第10环管片向刀盘方向开挖，开挖断面1.8 m×2.0 m。PD1支洞开挖至刀盘前掌子面，开始处理刀盘、盾体部位塌方区，在盾尾部分塌方区域处理完成后，开始对伸缩盾内、尾盾内掉落石渣进行清理，并对设备进行检查和恢复。开挖过程中根据地质情况决定增设PD1－B支洞，用于刀盘前0+19～0+6.5 m断的开挖支护施工辅助支洞。

刀盘前至TBM尾盾部位扩挖段总体方案如图1所示。

图1　扩挖段总体布置图

1）0+19～0+6.5 m段扩挖段开挖。开挖断面按如图2施工。

分3区开挖，先开挖Ⅰ区，再开挖Ⅱ，Ⅲ区。其中Ⅰ区超前Ⅱ，Ⅲ区2～3排炮。Ⅰ区开挖排炮进尺1.5～2.0 m，钢支撑间距0.8～1.0 m。

支护型式：先超前锚杆（φ25钢筋，L=3 m），工20钢支撑，挂网喷混凝土。

2）0+6.5～0－11.5段扩挖段开挖。开挖断面挖如图3施工。

先开挖Ⅰ区，开挖排炮进尺1.2 m，钢支撑间距0.6 m。根据实际情况调整开挖方案，根据涌水情况，也可先开挖Ⅱ区，再开挖Ⅲ区，最后开挖Ⅰ区。

支护型式：先超前小导管（φ42钢管，L=3 m），工20钢支撑，挂网喷混凝土。

图2　 0+19～0+6.5 m段扩挖段开挖支护图

图3　 0+6.5～0～11.5 m段扩挖段开挖支护图

4　开挖方法

4.1施工准备

1）对PD1，PD2支洞旁边的TBM设备进行必要的拆除、转移及保护。

2）采用φ25药卷锚杆加固管片开口部位，钻孔位置选在管片安装操作孔处，并为尽量减小对管片的损坏采用螺栓加垫板的方式锁定管片。

3）在PD1支洞洞口搭设钢板平台，并通过自制皮带与主洞皮带相接，用于PD1支洞开挖渣料运输。在PD2支洞搭设平台及溜槽，渣料直接卸入主洞皮带，对主洞皮带两侧进行防护，防止大块石渣损坏皮带。

4.2施工布置

1）施工供风、供水、供电：利用TBM上已有风、水、电系统。

2）通风：在开挖过程中考虑用φ30或φ50风管延伸。

3）钢结构、锚杆制作：在洞外制作好后，用小火车运入洞内。

4）喷混凝土：在洞外拌和好干料运入洞内，采用干喷机喷射混凝土。

4.3PD1，PD2支洞开挖方案

1）根据测量放线，利用切割机、风镐等设备将第10环管片PD1，PD2支洞洞口管片拆除，露出岩面。

2）为减少爆破对TBM设备影响，在距支洞口5 m内循环进尺控制在0.5～0.8 m，采用浅孔弱爆破、多循环、短进尺开挖方法，并在爆破时对洞口进行防护，避免飞石造成TBM设备的损坏。在PD1，PD2支洞进入转弯段后，开挖循环进尺控制在2 m以内，单次爆破药量不超过3 kg。采用人工装渣，手推车运输至皮带机，再转运至洞外。

3）支洞内III类围岩段开挖循环进尺控制在1.5～ 2.0 m，每开挖3～5排炮立即喷3～5 cm厚C20混凝土，再安装系统锚杆，最后喷二次混凝土到8～10 cm厚。

4）支洞内IV，V类围岩段开挖循环进尺控制在1 m以内，钢支撑紧随掌子面进行安装，钢支撑间距0.5～0.8 m。布设系统锚杆φ25，L=1.5 m，锚杆间距1 m，按设计要求挂网并喷10 cm厚混凝土。钢筋网在洞外裁剪成60～80 cm宽、100～150 cm长的钢筋网片，以便洞内转运和安装。

4.4扩挖段上导洞开挖

1）出渣洞新增支洞PD－1B开挖至刀盘前19 m时转弯进入输水隧洞，并垂直输水隧洞轴线开挖断面为2 m×3 m的导洞至隧洞边线。

2）导洞开挖完成后，再沿输水隧洞下游方向开挖刀盘前19.0～6.5 m段。开挖断面按上述总体方案开挖断面开挖。先开挖中间Ⅰ区，再开挖Ⅱ、Ⅲ区。其中Ⅰ区超前Ⅱ、Ⅲ区2～3排炮。

3）开挖时如遇渗水，渗水部位采用胶管引排。渗水造成无法支护钢支撑和喷混凝土工作，可采取以下措施：在支护前，提前用土工膜或者彩钢瓦等对支护区域封闭，并快速支护钢支撑；喷混凝土时先边墙后顶拱，先下部再上部。分层喷射，喷层厚3～5 cm。在渗水不严重地段，采用水玻璃作速凝剂干喷，喷完一层后立即打排水孔以减少地下水对喷层的压力，防止喷层被破坏。

4）钢支撑上部出现空腔，可采用填筑木材、汽车轮胎等，减少空腔塌方。另外木材或者轮胎对上部掉渣能起到缓冲作用；木材或者轮胎比重小，能减少对钢支撑的压力。