厄瓜多尔CCS水电站TBM引水隧洞左右通用型管片的设计与实践

王美斋,肖 豫,陈晓年,董甲甲

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

厄瓜多尔CCS水电站TBM引水隧洞左右通用型管片的设计与实践

王美斋,肖 豫,陈晓年,董甲甲

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

输水隧洞工程利用TBM掘进管片衬砌,可大大提高施工进度,提前产生效益,从而节约投资,管片的选型与设计对于工程成败至关重要,有必要对其进行深入分析研究。结合厄瓜多尔 Coca-Codo Sinclair 水电站TBM输水隧洞设计工程实例,对管片的型式选择及细部设计进行深入分析与探讨,实践证明:左右通用型管片方便转弯与纠偏,可提高管片的安装质量与TBM的掘进速度。

TBM输水隧洞;左右通用型管片;厄瓜多尔水电站

图1 引水隧洞平面布置图Fig.1 Layout of water diversion tunnel

1 工程概况

厄瓜多尔Coca-Codo Sinclair水电站(简称CCS水电站)位于厄瓜多尔Napo省和Sucumbios省境内的Coca河下游,电站装机容量为1 500 MW,是厄瓜多尔最大的水电站。主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道、地下厂房与发电系统等。其中TBM输水隧洞全长24.828 km,设计引水流量为222 m3/s,采用全衬砌结构形式,内径8.2 m,外径8.8 m,开挖洞径9.1 m。进口底板高程1 266.90 m,出口底板高程1 244.00 m,纵坡为0.173%,隧洞出口设事故闸门,闸室段后设台阶消能,正常运行工况为明流,非常工况(即机组甩负荷)、隧洞出口闸门关闭时,洞内出现压力流,设计采用两台双护盾TBM同时掘进,并辅以钻爆法施工。2B支洞上游桩号0+189.95～9+878.18为TBM1段,总长9 688.23 m;2A支洞下游桩号10+700.80～24+590.05为TBM2段,总长11 928.18 m。引水隧洞平面布置图见图1。

隧洞沿线主要为一单斜地层,岩层大多倾向NE,倾角以5°～10°为主,地层岩性以侏罗纪—白垩纪 Misahualli地层安山岩为主,进口处600～700 m 为花岗岩侵入体,出口段2 500 m为白垩纪下统Hollin地层砂岩、页岩互层[1]。隧洞最大埋深700 m,最小埋深40 m,平均埋深462 m。

2 管片型式选择

TBM输水隧洞管片型式主要有六边形管片(又称蜂窝型管片)、通用型管片、平行四边形管片等三种型式。由于管片的形状不同,使得管片在细部构造、衬砌环受力、施工安装方便性等方面存在一定的差异[2]。

(1) 平行四边形、通用型管片形状为四边形,外形相对简单,止水安装较易满足密封要求。四边形管片间纵向接缝是一个管片与一个管片相接,采取适当措施即可保证其相对均匀受力。而六边形管片相互交错咬合,环向传力方式是一个管片向相接的两个管片传力,由于制造及安装上存在一定误差,即使采取措施也难以保证相邻两管片同时均匀受力,管片上易产生较大的集中应力。

(2) 尽管平行四边形管片与六边形管片的位置相对固定,在底管片布置施工轨道平台、垫座,方便施工期运输轨道布置、施工期排水、底部水泥砂浆回填,但转弯和纠偏不容易控制。通用型管片可在环宽方向设计一定的楔形量,通过调整各管片的相对位置,方便在隧洞掘进过程中转弯和纠偏,管片安装精度较高。

本工程TBM输水隧洞有4个半径为500 m的转弯段,为便于在掘进过程中转弯和纠偏,控制管片的施工进度,最终选择了通用型管片。同时为了保证封顶块位于整环的上半部,方便施工安装,管片衬砌受力有利,将管片分为左环和右环楔形管片,施工时通过左、右环管片之间的交替安装衬砌直线段隧洞,通过连续安装左环或连续安装右环实现衬砌转弯,需要两套模具进行管片的预制生产。

3 管片细部设计

3.1 衬砌环环宽

不同环宽的最大内力基本相同,管片的宽度主要受机械系统的约束,随着管片宽度的增加,对管片的水平和垂直运输系统的要求越来越高,但管片的加宽可减少环向接缝,有利于隧洞防水和控制纵向不均匀沉降,节省防水材料、钢筋和螺栓用量。在整个施工系统配备合理的情况下,管片加宽可提高施工效率和进度。本工程输水主洞洞径较大,根据目前的施工水平,为节省投资和提高施工进度,尽量选择较宽的管片,因此,本工程管片宽度选为1.8 m。

3.2 衬砌环分块及拼装方式

衬砌环的分块、封顶块的大小与管片的制作、运输能力、TBM机内起吊、拼装方式、千斤顶行程的选择等都有关系。从降低制作费用、提高防水性能角度看,每环管片的分块数越少越好,但如果块数过少,管片的单体就变大、重量增加,其运输、拼装作业相对不便。本工程隧洞内径8.1 m,环宽为1.8 m,整环管片的重量达35.72 t,从TBM施工、受力、防水诸方面综合比较分析,结合国内外大直径隧道衬砌的设计实例,全环分成7块,由1块封顶块、2块邻接块和4块标准块组成。采用小封顶的型式,封顶块的重量为1.87 t,单块最大重量约5.7 t。环间采用错缝拼装,以提高隧道结构纵向、横向整体刚度,减少结构变形。CCS左右通用型管片及衬砌环三维效果见图2,左、右环构造及平面布置见图3。

图2 CCS左右通用型管片及衬砌环三维图Fig.2 CCS general-purpose segment and lining ring three-dimensional map

3.3 管片厚度及强度等级

根据该段洞线围岩分类、水文地质条件、隧洞埋深及所承受的荷载,通过计算分析并考虑考虑本工程100年使用寿命,管片的厚度采用300 mm,混凝土标号采用C50、C60。

3.4 楔形量

每环管片的楔形量由输水隧洞的最小转弯半径确定,可根据以下公式计算,每环管片楔形量计算示意图见图4。

θ=2γ=2arctgδ/D=L/R

式中:θ为转弯环的偏转角,弧度;δ为转弯环的最大楔形量的一半,m;D为管片直径,m;R为曲线半径,m;L为1环管片的平均宽度,m。

本工程TBM输水隧洞有4个半径为500 m的转弯段,同时考虑TBM施工纠偏的需要,按纠偏曲线半径382 m来设置楔形量,最大楔形量为4 mm。

3.5 连接方式

根据衬砌结构的接头内力计算结果,考虑施工期止水回弹力,管片与管片之间设置2根8.8级M24环向螺栓,每环14根,嵌入管片内的长度为140 mm,使管片与管片之间紧密相连,能有效减少纵缝张开及结构变形,环与环之间设置21根8.8级M24环向螺栓,嵌入管片内的长度为140 mm,既能适应一定的纵向变形,又能将纵向变形控制在防水要求的范围内。

3.6 止水及止水槽[3]

本工程隧洞衬砌管片环纵向接缝设计采用复合式橡胶止水条止水,止水水头按0.4 MPa进行设计,由迎缝面遇水膨胀橡胶和背缝面弹性橡胶复合而成,断面形状为“M”型,规格尺寸31(总宽)mm×25(顶宽)mm×10.5(总高)mm。复合式橡胶止水条为避免风吹日晒、雨水浸泡,在管片进洞安装前粘贴,应与管片粘贴牢固、平整、严密,位置正确,避免起鼓、超长和缺口现象;单块管片必须采用整条复合式橡胶止水条,严禁断续相接,环向接头采用硫化模压型式;复合式橡胶止水条与管片粘结剂为不可溶的和热固性的,其质量必须稳定可靠,并具有足够的粘结强度,按照设计要求涂抹刷至足够厚度,保证其与管片能够粘结牢固。

图3 左、右环构造及平面布置图(单位:mm)Fig.3 Left and right ring structure and plan layout(unit:mm)

图4 每环管片楔形量计算示意图Fig.4 The wedge calculation diagram of each annulus segment

图5 复合式橡胶止水条横截面图(单位:mm)Fig.5 Composite rubber sealing strip cross section graph(unit:mm)

复合式橡胶止水条横截面型式与尺寸见图5,复合式橡胶止水条镶嵌安装设计见图6。

图6 复合式橡胶止水条安装设计图(单位:mm)Fig.6 Composite rubber seal installation design(unit:mm)

背缝面弹性橡胶胶种采用三元乙丙橡胶(EPDM),复合式橡胶止水条主要技术性能指标设计要求见表1。

3.7 豆砾石回填灌浆孔

衬砌混凝土管片外侧与岩石之间的环形空隙用豆砾石及水泥浆回填密实,达到满填满灌。为稳定管片和减少管片环变形,当管片推出尾盾后首先应及时回填两侧管片的豆砾石,随后再回填底拱、顶部豆砾石,在完成豆砾石回填后尽早进行豆砾石回填灌浆。为保证豆砾石回填灌浆的质量和进度,在每个管片的中间部位设置豆砾石回填灌浆孔,灌浆孔自管片外侧弧面向管片内侧弧面朝着掘进方向倾斜开设,灌浆孔的轴线与隧洞轴线的夹角为60°,在灌浆时能够使豆砾石浆液很好地在管片与洞壁间充填,解决了豆砾石浆液流动不畅而造成灌浆不密实的问题,灌浆孔布置示意图见图7。

表1 复合式橡胶止水条主要技术性能指标表Table 1 The main technical performance index of composite rubber sealing strip

图7 灌浆孔布置示意图Fig.7 Grouting hole layout diagram1.管片;2.灌浆孔;3.管片外侧弧面;4.管片内侧弧面;5.掘进方向;6.灌浆孔轴线;7.隧洞轴线。

施工过程中为了检查豆砾石回填灌浆的效果,进行了取芯检查,芯样完整密实,芯样的渗透系数不大于10-6cm/s,28天抗压强度≥15 MPa,均达到了设计要求,效果良好。

4 结语

由于采用了左右通用型管片,管片类型少,不同地质条件下急转弯、纠偏时不需频繁更换管片类型,简化TBM施工难度,提高管片安装质量与TBM的掘进速度,单月进尺1 000.8 m创造了同类洞径TBM掘进速度世界第三的记录。目前电站已经发电运行,TBM输水隧洞运行良好。根据监测资料进行动态反馈分析研究,位移、应力等指标均在设计控制的范围之内,实践证明采用左右通用型管片衬砌型式是成功的,对类似工程的管片设计具有很好的借鉴意义。

[1] 杨继华,齐三红,郭卫新,等.厄瓜多尔CCS水电站TBM法施工引水隧洞工程地质条件及问题初步研究[J].隧道建设,2014,34(6):513-516.

[2] 王美斋,史海英.兰州市水源地建设工程初步设计报告[R].郑州:黄河勘测规划设计有限公司,2015.

[3] 王美斋,肖豫,陈晓年.厄瓜多尔CCS水电站TBM引水隧洞管片止水技术要求[R].郑州:黄河勘测规划设计有限公司,2011.

(责任编辑：陈姣霞 费雯丽)

Design and Practice of General-purpose Segment of TBM Diversion Tunnelin Ecuador CCS Hydropower Station

WANG Meizhai,XIAO Yu,CHEN Xiaonian,DONG Jiajia

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003)

TBM tunneling lining is used in the water tunnel project can greatly improve the construction progress and advance the benefits.In order to save the investment,the selection and design of the segment is very important to the success or failure of the project.It is necessary to carry on the thorough analysis.Based on the example of TBM water tunnel design in Coca-Codo Sinclair hydropower station in Ecuador,this paper analyzes and discusses the type selection and detail design of the segment.It is proved that the general type of pipe can be turned around and corrected to improve the installation of the pipe quality and TBM tunneling speed.

TBM diversion tunnel; general-purpose segment; Ecuador Hydropower Station

TV554; TV672+.1

A

1671-1211(2017)05-0606-04

2017-04-22;改回日期2017-09-04

王美斋(1979-),男,高级工程师,水工结构工程专业,从事TBM输水隧洞、混凝土坝等水工建筑物的设计与研究。E-mail:16203343@qq.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.022.html数字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.021