長隧道中隧道掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2010-01-14 共4頁
2.3 中國山西省萬家寨引黃工程TBM施工
萬家寨引黃工程是從根本上解決山西水資源緊缺，促進(jìn)山西工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，提高人民生活水平，維系國家能源重化工基地發(fā)展的生命工程，由萬家寨水利樞紐、總干、南干、連接段、北干等部分組成。
樞紐工程是在偏關(guān)縣萬家寨村西黃河上修建一座90m高的混凝土重力壩，庫容8.96×108m3，壩后建一調(diào)峰電站，裝機(jī)容量108×104kW，年發(fā)電量27.5×108kWh.
引黃工程從萬家寨水利樞紐庫區(qū)取水。年引水總量12×108m3.由萬家寨向東至偏關(guān)縣下土寨村為總干線，全長44.35km，引水流量48m3/s；由下土寨村分水往南過偏關(guān)河穿越管涔山到寧武縣頭馬營村為南干線，全長102.4公里，引水流量25.8 m3/s，每年可向太原供水6.4×108m3；由下土寨村往東過朔州、神頭折北到大同趙家小村水庫為北干線，全長166.88km，引水流量22.2 m3/s，每年可向朔州、大同地區(qū)供水5.6×108m3；從寧武縣頭馬營村南干隧洞出口到太原市接水口呼延村水廠為連接段，全長138.60km，包括81.20km的天然河道和57.40km的輸水管線。
引黃工程分兩期完成。一期工程建設(shè)總干線、南干線、聯(lián)接段和部分機(jī)組的安裝，集中解決太原地區(qū)用水，一期工程概算112.97億元，其中利用世界銀行貸款4.0億美元，其余建設(shè)資金使用水資源補(bǔ)償費(fèi)。二期工程建設(shè)北干線和南干泵站剩余機(jī)組的安裝。工程實(shí)行國內(nèi)國際招投標(biāo)制。工程建成后，基本滿足2020年前或更長一段時(shí)期山西省太原、大同、朔州等地區(qū)工業(yè)及城市生活的用水需要。
總干線的6#、7#、8#洞全長約22km，已于1993年3月由意大利的CMC公司中標(biāo)承建，使用一臺(tái)目前世界上最先進(jìn)的隧洞施工機(jī)械即全斷面雙護(hù)盾隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工；開挖直徑6.125m；成洞直徑5.46m.于1994年7月至1997年9月歷時(shí)三年兩個(gè)月貫通。隧洞經(jīng)過的地質(zhì)條件大部分為石灰?guī)r地層，局部夾有N2紅土層；隧洞進(jìn)出口部位均覆蓋著Q2、Q3黃土層；地下水不發(fā)育，未遇到較大的地質(zhì)構(gòu)造。
南干線的4#、5#、6#、7#隧洞全長約90km，由意大利的Impregil.公司和CMC公司以及中國水電四局組成的萬龍聯(lián)營體中標(biāo)承建，用四臺(tái)全斷面雙護(hù)盾TBM對該工程全線進(jìn)行施工。
南干4#、5#、6#、7#隧洞地質(zhì)條件主要為灰?guī)r（前57km）和砂巖、泥頁巖互層（后33km）。6#洞有溶洞、地下水和局部軟弱層。7#“洞有地下水、煤層、膨脹巖和摩天嶺大斷層，其影響帶約長300m.隧洞開挖直徑4.82 m ～4.94m，成洞直徑4.20 m ～4.30m.南干4#、5#、6#、7#隧洞于1997年9月至2001年5月歷時(shí)3年8個(gè)月貫通。
聯(lián)接段7#隧洞長13.5km，采用一臺(tái)全斷面雙護(hù)盾TBM施工，并且已經(jīng)由意大利CMC公司中標(biāo)承建。隧洞地質(zhì)條件為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)白云巖，地下水位低于洞線。隧洞開挖直徑4.819m，成洞直徑4.14m.目前，該隧洞正在掘進(jìn)中，并創(chuàng)造了最高日掘進(jìn)113m和最高月進(jìn)尺1645m的記錄。預(yù)計(jì)2001年年底以前該洞能建成完工。
綜上所述，山西省萬家寨引黃工程總計(jì)采用6臺(tái)TBM進(jìn)行無壓引水隧洞的施工，其掘進(jìn)總長度為125.5km.
掘進(jìn)機(jī)是這樣工作的：后盾通過緊固裝置，牢牢地固定在洞壁上，而后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在推進(jìn)液壓缸的作用下，帶動(dòng)刀頭破巖，此時(shí)配套輔助設(shè)備均停留在洞內(nèi)，棄碴由周邊鏟斗不停地鏟起，通過漏斗和溜槽卸到工作面的皮帶運(yùn)輸機(jī)上，出碴列車在皮帶機(jī)底部接碴。在后盾的安裝室，同時(shí)進(jìn)行調(diào)運(yùn)和安裝混凝土管片，并在安裝好的管片背后和圍巖之間充填豆礫石和灌漿。在掘進(jìn)過程中，可控制推進(jìn)液壓缸的油量來完成掘進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)向。
當(dāng)?shù)额^與前盾向前推進(jìn)完成掘進(jìn)，暫停工作后，前盾借助加緊裝置固定在巖壁上，后盾則通過推力液壓機(jī)缸的反作用力，向前推進(jìn)，后續(xù)列車由固定在刀頭支架上的一組特別牽引液壓機(jī)缸向前推進(jìn)。在后續(xù)列車前移時(shí)，通過操縱相應(yīng)的裝置，自動(dòng)延伸風(fēng)筒、水管、電纜和軌道，至此即完成了一個(gè)循環(huán)的破巖、石碴裝運(yùn)，延伸管線的工作。
掘進(jìn)方向的掌握是依靠安裝在機(jī)頭上的激光導(dǎo)向系統(tǒng)產(chǎn)生的激光束反映到光目標(biāo)上，再反映到測斜儀上，為操作人員提供刀頭和前護(hù)盾的位置信息，該信息與理論軸線的差異可以精確到毫米。根據(jù)掘進(jìn)的速度及進(jìn)尺每隔100m左右向前移動(dòng)一次激光機(jī)。對TBM單向掘進(jìn)貫通精度的要求如表1所示。
表1 TBM單向掘進(jìn)貫通精度的要求
| 全部貫通測量精度 | 橫向≤280mm |
| 縱向≤570mm | |
| 豎向≤40mm～60mm | |
| 注：表中豎向精度根據(jù)無壓引水隧洞底坡的大小決定。底坡大,取上限值。底坡小,取下限值。 | |
雙護(hù)盾TBM的特點(diǎn)是開挖、襯砌一次完成，邊開挖、邊襯砌?；炷令A(yù)制管片做成六邊形蜂窩狀。安裝程序是將預(yù)制管片由專門運(yùn)輸車運(yùn)到距開挖工作面約40m處，再改由專門起吊裝卸設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)到距開挖工作面約8m～10m的后護(hù)盾內(nèi)，先裝底拱片，再裝邊拱片，最后裝頂拱片。由于形狀為六邊形，所以每環(huán)的底片和兩側(cè)邊拱片相差半片寬度，邊片和頂片也相差半片寬度。這就使得每環(huán)的環(huán)縫均不在同一斷面上，各片各環(huán)間形成相互約束。
襯砌管片安裝后和TBM掘進(jìn)的洞徑之間存在著5cm左右的空隙，這也就是TBM護(hù)盾殼的厚度及其對圍巖的摩損形成的，必須用混凝土填充，使其密實(shí)。因此采用先回填豆礫石（粒徑為5 mm～10mm）再用水泥漿灌注，使其成為預(yù)壓骨料混凝土，既保證了施工期間管片的穩(wěn)定又能使管片和圍巖接觸緊密，形成整體共同承受外力的作用?；靥畛绦?yàn)橄忍畹坠捌偬顑蓚?cè)邊拱片，最后填頂拱片。豆礫石也是由專門罐車運(yùn)入洞內(nèi)，由泵通過軟管及管片上的預(yù)留孔打入空隙，灌注水泥漿時(shí)壓力不超過0.2MPa.
每臺(tái)TBM有三個(gè)班組，其中一個(gè)班組每日上午進(jìn)行機(jī)械檢修、保養(yǎng)、清理、測量等工作，其他時(shí)間為正式掘進(jìn)、管片安裝、回填豆礫石、灌水泥漿等工作，由其余的兩個(gè)班組輪換工作。
預(yù)制混凝土管片每環(huán)均分為4片。根據(jù)不同洞徑，管片厚度分別為22cm、25cm和28cm：管片寬度分別為1.2m、1.4m和1.6m.又根據(jù)圍巖類別分別設(shè)計(jì)為A、B、C三種型號(hào)和A、B、C、D、E五種型號(hào)。混凝土管片在預(yù)制廠進(jìn)行加工生產(chǎn)，根據(jù)掘進(jìn)速度及進(jìn)度要求，確定預(yù)制廠的生產(chǎn)規(guī)模及作業(yè)班次。管片廠采用蒸汽養(yǎng)護(hù)快速生產(chǎn)的工藝流程，包括鋼筋加工、混凝土澆注和養(yǎng)護(hù)。混凝土入倉后通過液壓振動(dòng)臺(tái)及人工插入振搗聯(lián)合作業(yè)振搗，澆注好一片后推入預(yù)熱窯，經(jīng)過0.5h和50℃的預(yù)熱后馬上轉(zhuǎn)入高溫窯進(jìn)行蒸養(yǎng)，溫度為80℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為2 h～3h.出窯脫模后，吊運(yùn)到廠房內(nèi)部的預(yù)冷場預(yù)冷一晝夜，然后再轉(zhuǎn)移到露天存放或使用。在預(yù)冷期間要對每個(gè)管片進(jìn)行外觀檢查，如發(fā)現(xiàn)有蜂窩、麻面、掉邊角等質(zhì)量問題，則馬上進(jìn)行修補(bǔ)，對不能修補(bǔ)或修補(bǔ)后仍有損強(qiáng)度或其他質(zhì)量問題的，則運(yùn)到廢品處放置或作他用。
掘進(jìn)中遇到的問題有以下幾方面：
a. 溶洞
該工程在TBM掘進(jìn)到總干6#洞時(shí)曾經(jīng)遇到兩處較大的溶洞，其體積約為30 m3~50m3.采用以下方法處理：先停機(jī)，然后通過機(jī)頭上的人孔對溶洞的情況進(jìn)行觀察，再根據(jù)對溶洞的檢查情況，首先對底部進(jìn)行豆礫石或混凝土回填并使其密實(shí)，當(dāng)?shù)撞咳刻畹蕉醋娱_挖直徑的高程時(shí)，則開動(dòng)機(jī)子，邊前進(jìn)、邊安裝管片，對兩邊管片上開鑿人孔對兩側(cè)及頂拱溶洞的其他部位進(jìn)行填筑骨料灌漿或填筑混凝土，使溶洞部分都用混凝土填密實(shí)，并且和安裝的管片結(jié)合成整體，起到完整圍巖的作用。
為了預(yù)防因巖溶造成機(jī)頭下沉的事故，用于巖溶發(fā)育地段施工的TBM應(yīng)配有超前鉆探設(shè)備。超前鉆探的深度應(yīng)大于每日的掘進(jìn)長度，以確保TBM掘進(jìn)的安全。時(shí)間可安排在每日TBM檢修時(shí)進(jìn)行。
對于一些小溶洞的處理，可在TBM掘進(jìn)通過后，向襯砌管片與圍巖間回填豆礫石后，再通過灌漿固結(jié)即可。南干6#洞也遇到溶洞，同樣進(jìn)行了處理。
b. 斷層
摩天嶺大斷層是南干7#洞內(nèi)一區(qū)域性大斷層，其影響帶大約為300m長，為構(gòu)造角礫巖1999年5月28日，掘進(jìn)機(jī)開挖至摩天嶺斷層影響帶，發(fā)生了卡機(jī)事故，不得不停止掘進(jìn)。
卡機(jī)事故發(fā)生后，首先是打超前鉆，進(jìn)行超前化學(xué)灌漿、水泥灌漿：接著打上導(dǎo)洞，對TBM前、上方進(jìn)行化學(xué)灌漿和水泥灌漿，再對前方塌方體進(jìn)行了水泥灌漿。8月8日，上導(dǎo)洞前方發(fā)現(xiàn)一大空洞，再用水泥回填灌漿。在對塌方體進(jìn)行固結(jié)灌漿的同時(shí)，將TBM刀盤附近的松散巖體進(jìn)行開挖，確保了TBM在8月31日啟動(dòng)成功。
因松散巖層對TBM后護(hù)盾壓力過大，造成后護(hù)盾變形，管片安裝護(hù)盾的一半連接螺栓折斷。采取了加焊鋼板的措施，使TBM在邊掘進(jìn)邊處理中穩(wěn)步通過。
經(jīng)過100多天的晝夜奮戰(zhàn)，TBM掘進(jìn)機(jī)于9月7日順利通過大斷層。
c. 膨脹巖
由于膨脹巖的膨脹、收縮、崩解、軟化等一系列不良的工程特性，TBM在通過7#洞2.5km長的中、強(qiáng)膨脹巖地層時(shí)采取以下措施：a.加強(qiáng)襯砌支護(hù)：有關(guān)資料表明，7#隧洞強(qiáng)膨脹性巖的飽和極限膨脹壓力可達(dá)到3.0MPa以上，因此在襯砌管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮圍巖膨脹力對管片可能施加的荷載，確保襯砌結(jié)構(gòu)安全。b.做好止水防滲：施工時(shí)，特別注意襯砌管片接縫寬度的控制和止水條安裝的質(zhì)量。膨脹巖的含水量損失越小越好，防止圍巖崩解、軟化而使TBM下沉等事故的發(fā)生。c.增大開挖斷面：為了預(yù)留一定的圍巖膨脹變形量，施工時(shí)增大邊緣滾刀的外凸量或在TBM刀盤邊緣加焊鏟齒，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)挖的目的。擴(kuò)挖量的大小應(yīng)根據(jù)TBM通過巖層的工程性質(zhì)及圍巖和隧洞的穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)來調(diào)整。
d. 土層
掘進(jìn)中總干6#洞遇到較長一段N2紅土層，而且含水量較大，形成塑性從而造成粘刀頭的現(xiàn)象，使切削下來的粘泥不能較順利地從出渣漏斗排出。只好采用人工從出渣漏斗一點(diǎn)一點(diǎn)往外掏的辦法將其排除，進(jìn)度非常緩慢。當(dāng)然，如果所掘進(jìn)的地質(zhì)條件全部屬于這種地層，則可選用盾構(gòu)機(jī)。
土層中還遇到機(jī)頭下沉，這在總干7#洞的Q2、Q3黃土層內(nèi)出現(xiàn)過，其中有一處最大值達(dá)30 cm～50cm，使洞底在此處形成低洼段。主要是TBM操作者沒有提前將機(jī)頭上抬、使其逐步爬坡以抵消其下沉。其原因是沒有對此類地層承載能力能否滿足TBM機(jī)頭這樣大的壓力估計(jì)不足造成。
e. 錯(cuò)臺(tái)
錯(cuò)臺(tái)是管片安裝中普遍存在的一個(gè)問題，總干6#、7#、8#和南干4#、5#、6#、7#隧洞襯砌的每一圓環(huán)都是由4片管片組成，塊與塊間，環(huán)與環(huán)間都應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求組裝。但由于管片和圍巖有5cm左右的間隙，要求安裝管片時(shí)一是精心對縫，二是要立即回填豆礫石和灌漿，將管片和圍巖間空隙填死，使管片穩(wěn)固和不產(chǎn)生變位。合同要求接縫平整度不超過5mm，實(shí)際有些竟達(dá)到20mm～30mm之多。產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)原因主要是操作不熟練和操作不認(rèn)真。錯(cuò)臺(tái)表面用砂漿摻膨脹劑進(jìn)行勾縫。
在聯(lián)接段7#洞TBM施工中，承包商與業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位合作，對管片設(shè)計(jì)、管片安裝、回填豆礫石與灌漿等等方面進(jìn)行了改進(jìn)，使接縫90％以上合格（即錯(cuò)臺(tái)小于5mm）。
f. 密封問題
TBM的大密封損壞是一件大事，大密封是用于封閉旋轉(zhuǎn)刀盤和TBM護(hù)盾之間的間隙，避免灰塵雜物進(jìn)入驅(qū)動(dòng)缸體或護(hù)盾殼內(nèi)，要求密封條應(yīng)耐磨有彈性，能適應(yīng)由于弱性變形引起的密封間隙加寬現(xiàn)象。這要求密封材料具有最大的適應(yīng)變形的能力，在溫度不超過100℃的情況下，材料特性保持不變。TBM開挖室的溫度一般在40℃以上，加上電動(dòng)機(jī)散熱，使密封唇摩擦生熱很快超過允許溫度。因此，需用多排密封并列放置，形成環(huán)形室，再通過向環(huán)形室注油來控制密封升溫，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測工作保證TBM正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)然，有時(shí)由于護(hù)盾刀口變形超過密封允許形值，使開挖石渣進(jìn)入刀頭與護(hù)盾殼間，加上刀盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的抽吸作用使密封損壞，也有時(shí)由于支撐力從刀頭傳遞到主軸承發(fā)生偏心。
山西省萬家寨引黃工程引水隧洞先后使用了6臺(tái)雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工，是到目前為止國內(nèi)應(yīng)用TBM最多的工程。
實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可初步歸納以下幾方面。
a. 長隧道采用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工，具有快速、安全、掘進(jìn)和襯砌同時(shí)完成的優(yōu)點(diǎn)。萬家寨引黃工程TBM施工證實(shí)了這一結(jié)論。
通過業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理諸方面的合作，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，從總干6#、7#、8#隧洞施工質(zhì)量不能令人滿意，到聯(lián)接段7#隧洞施工質(zhì)量達(dá)到以下令人滿意的指標(biāo)：
①開挖誤差控制到水平方向±150mm，垂直方向（即豎向）±50mm.
?、诠芷惭b錯(cuò)臺(tái)90％控制在5mm范圍內(nèi)，管片接縫基本合格。
③豆礫石回填和水泥灌漿基本達(dá)到滿填滿灌，一次完成。
?、芄芷涌p勾縫平滑、均勻、無微細(xì)裂縫，粘結(jié)緊密。
?、莨芷a(chǎn)、安裝無明顯破損或其他質(zhì)量缺陷。
⑥創(chuàng)造了TBM最高日進(jìn)尺113m和最高月進(jìn)尺1645m的記錄。
b. 長隧洞采用TBM施工必須進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報(bào)，否則遇到不良地質(zhì)將不僅會(huì)拖延工程進(jìn)度，而且會(huì)使工程陷于被動(dòng)。
c. 長隧洞采用TBM施工而成洞直徑不大（例如本項(xiàng)工程南干D=4.30 m～4.20）時(shí)，要十分重視洞內(nèi)輕軌車輛交通安全，避免人員傷亡。萬家寨引黃工程南干TBM施工的洞內(nèi)交通事故死亡5人，傷2人。
d. 采用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行隧洞施工時(shí)，必須對管片安裝人員先培訓(xùn)后上崗，或聘用具有管片安裝經(jīng)驗(yàn)的操作人員，否則初期管片安裝質(zhì)量和進(jìn)度不能得到保證。
e. 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的巖粉，沉積在隧洞底部120°范圍內(nèi)，并且?guī)r粉被主機(jī)自重壓得十分密實(shí)，水泥灌漿難能灌入巖粉層，形成強(qiáng)度低于灌漿后豆礫石層的一個(gè)弱層。
f. 由于萬家寨引黃工程所用的6臺(tái)TBM全部是雙護(hù)盾式，只能在護(hù)盾底部或側(cè)面觀察小窗口了解圍巖情況，使得地質(zhì)填圖工作十分困難，這是雙護(hù)盾TBM的缺點(diǎn)。
g. 采用雙護(hù)盾TBM并配合預(yù)制管片襯砌進(jìn)行隧洞施工的工程，只適用于無壓引水的水利水電工程。當(dāng)然，公路和鐵路的隧道不輸送水，這種型式TBM是能充分發(fā)揮作用的。
