锦屏电站引水隧洞Ф12．43m大直径TBM组装洞室设计与施工.doc

锦屏电站引水隧洞1243m大直径tbm组装洞室设计与施工第30卷第3期2010年6月窿建谨tunnelconstructionvo1.30no.3june2o10锦屏电站引水隧洞12.43m大直径tbm组装洞室设计与施工邓舜/(中铁十八局集团有限公司隧道工程公司,天津300222)摘要:据地质条件和tbm的形式,安装方式及采用的吊装设备,以及刀盘直径,tbm组件尺寸等因素,在充分考虑扩大洞室的功能特性,施工方法,衬砌结构等的组装,始发需要,并考虑tbm主机大件的摆放,部件转运所需的卸车区域等设计洞室的断面,长度,支护形式,衬砌结构,桥吊运行基础等,就施工过程提出有力的措施,以保证施工质量,安全与速度.上述设计方案与施工措施,为确保大直径tbm洞内顺利组装奠定了基础.关键词:锦屏电站;tbm;组装洞室;设计;施工中图分类号:u455.39文献标志码:b文章编号:1672741x(2010)03027105casestudyondesignandconstructionofassemblychamberfor12.43mlarge-diametertbminconstructionofdiversiontunnelofjinpinghydropowerstationdengyong(tunnelingbranchofchinarailway18thbureaugroupco.ltd.,tianjin300222,china)abstract:duetothesiterestraints,thetbmforthediversiontunnelofjinpinghydropowerstationhastobeassembledintheassemblychamber.thediameterofthetbmreaches12.43m,thereforethetbmassemblychamberhaslargecrosssection,hugeworkingquantity,complexconstructionprocessandhighconstructionqualityrequirements.thecrosssection,length,reinforcementtypes,liningstructuresandbridgecranefoundationsoftheassemblychamberareproposedonbasisofthegeologicalconditions,tbmstructures,assemblymethods,hoistingfacilityrequirementsandavailableconstructionmethods.countermeasuresareproposedfortheconstructionoftheassemblychambersoastoensurethequality,safetyandprogressoftheconstruction.thesuccessfuldesignandconstructionofthetbmassemblychamberhavelaidagoodfoundationfortheassemblyofthelargediametertbminthechamber.keywords:jinpinghydropowerstation;tbm;assemblychamber;design;construction0引言全断面隧道岩石掘进机(tbm)已越来越多在长大隧道中得到应用,受地形和场地的限制,在洞内组装情况时有发生,如何合理设计tbm组装洞室直接关系到结构安全,施工进度和工程投资.锦屏二级电站1引水洞采用直径12.4m的开敞式tbm施工,如此大断面的tbm在洞内组装,其洞室的设计与施工必须引起高度重视.为保证组装洞室设计,施工的顺利进行,做了深入,细致的调查研究,并阅读了大量相关参考文献.苏利军等介绍了直径为7.2in的tbm在洞内组装的情况,主机组装洞16.6mx13.4m,后配套组装洞为10.8m9.6in,围岩级别为iii级;赵志强及陈永权等所述的辽宁大伙房tbm的直径为8.0m左右,主机组装洞11.80m17.50m(长50m),后配套组装洞为10.0nlx9.201/1,围岩级别为iii级;毛东晖所述是同一工程的不同隧洞,tbm开挖直径及洞室断面均不同;刘绍宝重点介绍了tbm施工通风,供排水,供电,材料供应等辅助系统设计,所述tbm安装问的开挖尺寸为14.484m12.9m,长度80m,主机和后配套全部在此安装;朱永全等利用平面有限元对tbm安装洞室稳定性进行了计算,并对其施工动态进行了三维模拟计算.锦屏电站引水隧洞所用tbm直径更大,因而组装洞尺寸更大,而且围岩很差,与文献45相比侧重点不同,如何做好如此大断面的tbm组装洞的设计和施工,是本文讨论的重点.收稿日期:20091202作者简介:邓勇(1971一),男,贵州黄平人,2003年毕业于天津大学结卡句工程专业,硕士研究生,高级工程师,现从事隧道施工及管理工作莲建设第3o卷1工程概况锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里,盐源,冕宁3县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上,是雅砻江干流上的重要梯级电站.电站总装机容量4800mw,单机容量600mw.工程枢纽主要由首部拦河闸,引水系统,尾部地下厂房3大部分组成,为一低闸,长隧洞,大容量引水式电站.引水隧洞最大埋深约为2525111,具有埋深大,洞线长,洞径大的特点.东端i,2引水隧洞采用钻爆法和tbm法相结合的施工方案,其中1引水隧洞主要采用敞开式tbm施工,开挖直径为12.4m,该设备是目前国内甚至亚洲开挖直径最大的开敞式硬岩掘进机.由于受工地场地条件,总体工程布局限制,无法在洞外组装调试,必须在引水隧洞中开挖大断面扩大洞室,作为tbm的组装洞室.2tbm组装洞室设计2.1主要设计依据洞室设计应根据地质条件和tbm的形式,安装方式及采用的吊装设备,以及刀盘直径,tbm组件尺寸等因素,在充分考虑扩大洞室的功能特性,施工方法,衬砌结构形式,组装,始发需要,并考虑tbm主机大件的摆放,部件转运所需的卸车区域等而确定.2.1.1tbm设备工程所采用的tbm,刀盘安装新刀时开挖直径为12430mm,刀具磨损到极限时开挖直径不小于12400mm.tbm从结构上分为主机,皮带连接桥和后配套3个部分.整机长度250iti,其中主机长度为20fi1,皮带连接桥长度为40m(含轨道和轨枕安装区域),后配套长度为155m,斜坡段长度35m.tbm主机质量约1400t,后配套累计质量约1100t.2.1.2组装方案主机和连接桥在主机组装洞内组装,后配套组装根据组装洞长度有2种方案:一是在后配套组装洞长度受限情况下分节组装,主机组装完成带着部分后配套步进离开组装洞后,进行剩余后配套系统组装;二是在后配套组装洞长度足够的情况下一次组装完成.2.1.3吊装设备根据组装方案,tbm主机安装最大吊装质量为160t,配备2100t桥吊】台(独立移动双钩,每钩起吊能力100t)能够满足主机组装需要,另配备240t桥吊1台(独立移动双钩,每钩起吊能力40t)配合组装主机及连接桥;由于后配套组装时最大吊装质量小于40t,后配套组装洞内设置1x40t和120t桥吊各1台,负责后配套台车组装.2.1.4组装洞段地质条件根据工程总体部署以及tbm预计运抵工地的时间节点,结合前期勘测所得地质条件,综合计算后,确定组装洞室开始里程为引(1)16十175;通过导洞的开挖揭露,tbm组装洞段围岩以,类为主,类围岩长度占24%,iv类围岩长度占76%,岩性为y.灰黑色薄层状细晶大理岩.结构面发育,围岩以较破碎为主,局部破碎,结构面之间含岩屑,泥质较多,完整性较差,平均埋深740m.2.2组装洞室断面设计组装洞室的高度基本上由下列因素确定:桥吊洞内组装方式及其对顶部空间的要求,桥吊最大起升高度(由刀盘直径,刀盘与护盾等部件起吊时距吊钩的安全距离,刀盘及驱动组装件所需起吊高度等确定),桥吊顶部至吊钩的最小距离;同时还应考虑拱顶支护方式与厚度,地板混凝土结构形式及厚度以确定开挖尺寸.组装洞室的宽度,可根据下列参数确定:tbm最大宽度(即刀盘直径),组装时要求的工件与边墙之间的安全距离,两侧作业通行的合理空间;同时结合边墙混凝土厚度确定开挖尺寸.经周密研究与计算,确定主机组装洞的断面尺寸为高25.2iti,宽】7.6iti(城门洞形),参见图1;后配套组装洞断面尺寸为高21.8m,宽】7.6m(城门洞形).由于主机和后配套组装洞净宽相同,均为17.6ill,故组装洞内不需要设置过渡段.2.3组装洞平面布置根据2种不同组装方案,计算组装洞需要长度分别为165m和210m,通过对工程量,投资和工期进行对比分析(见表1),认为采取165m长度的方案相对较优,即tbm主机组装洞室长度75m,后配套组装洞室长度90rn(见图2),既能满足主机和后配套同时组装,又能达到投资相对较小,工期较短的目的.2.4初期支护参数扩大洞室围岩稳定是控制tbm顺利组装,掘进的重要因素,依据围岩条件确定支护方法及衬砌形式,以保证洞室稳定和安全.支护设计按新奥法施工原理进行设计,根据工程类比分析,以喷,锚,网,钢筋肋等作为初期支护,承受主要荷载,同时作为永久结构的一部分.本工程tbm组装洞段围岩以,类为主,结构面发育,较破碎,完整性较差,典型支护断面参见图3,初期支护参数见表2.2.5组装洞衬砌及岩壁梁结构衬砌结构与岩壁梁相结合进行综合设计,参照类似工程初步确定设计参数,经验算修正后,确定衬砌及岩壁梁支护参数如下:第3期邓勇:锦屏电站引水隧洞12.43m大直径tbm组装洞室设计与施工2731)主机组装洞岩壁梁采用c25钢筋混凝土结构,墙体厚65cm,竖向钢筋采用咖22,间距30cm,纵向钢筋采用16,间距30cm,横向拉筋采用10,间距30cm,托梁采用c30钢筋混凝土.2)考虑到浇筑混凝土时问较长,工期压力较大,且后配套组装吊装质量不大;因此,后配套组装洞岩壁梁采用钢梁,钢柱结构.钢柱间距9m,钢梁和钢柱均采用14mill厚的钢板加工,钢梁尺寸为100cm50cm(高宽),钢柱尺寸为50cm50cm(高宽).岩壁梁均通过结构验算,基础的承载力,结构的抗压,抗剪,抗冲切力均满足荷载要求.3)主机组装洞底板浇注厚50citi的c25钢筋混凝土,后配套组装洞底板浇注厚30cm的c25钢筋混凝土.-:.-一.一.:_:=.l|,一桥吊工作宽度,一聋.?il,寻j豳屯琶jh斟上厂鼙誊.jr0151j帧目/5o._l.,混凝土,孽15壁梁旱65,0,j乒jc30混凝土50边墙c25混凝土图1主机组装洞断面图(单位:cn1)fig.1crosssectionofassemblychamberformaintbmbody(cm)表1比选方案表table1comparisonandcontrastbetweendifferentlayoutplansoftbmassemblychamber274隧道霞第30卷l一25.2l21.8,=0%,=0%j.j主机组装洞室引(1)16+085后配套组装洞室图2tbm组装洞布置图(单位:n1)fig.2layoutplanoftbmassemblychamber(m)(a)m类围岩(b)iv类嘲岩注:(a)m类围岩:顶拱预应力中空注浆锚杆32mm,l=600c1/1,间距150cm150cm,t=100kn,梅花形布置;拱肩加密预应力中空注浆锚杆32ylnl,l=600cin,间距100mm150toni,t=100kn,梅花形布置;边墙喷c25混凝土,厚15cnl,局部挂网;边墙普通砂浆锚杆28him,l=600cr1,间距150itlti3150ttllti,梅花形布置;排水沟90citix50,m20砂浆抹面;路面c25钢筋混凝土,厚50cllq;顶拱挂网喷c25混凝土,厚15cdq.(b)iv类围岩:顶拱预应力中空注浆锚杆(b32inm,l=600cfi1,100cm100citi,t=100kn,梅花形布置;拱肩加密预应力中空注浆锚杆咖32nlnl,l=600cm,70itiiii1o0mn1,t=100kn,梅花形布置;边墙普通砂浆锚杆咖28inm,l=600800cnl,100mm100mnl,梅花形布置;排水沟90cm50em,m20砂浆抹面;路面c25钢筋混凝土,厚50cm;全断面钢筋拱肋,28film,间距100cm;全断面挂网喷c25混凝土,厚15cm.图3tbm主机组装洞室典型支护断面图fig.3typicaireinforeementofassemblychamberformaintbmbody表2初期支护参数table2parametersofprimaryreinforcement3tbm组装洞室施工施工中顶拱和吊车梁部位的开挖是扩大洞室施工的难点和重点,开挖,造孔等各道工序必须精心施工,确保质量,并使施工全过程具有可控性.采用钻爆法施工,导洞沿顶拱顶开挖轮廓线先行,再扩挖到两侧拱部至设计断面,下部分层开挖,支护.主机组装洞混凝土岩壁梁在开挖支护完成后进行施作,从底部分层向上浇筑,达到强度后进行桥吊设备安装3.1组装洞室开挖由于组装洞高于引水隧洞正常段i2m,先行导洞爬坡至组装洞顶,沿顶拱顶开挖轮廓线先行,再扩挖到两侧拱部至设计断面,导洞高度8.5nl.主机组装洞分4层开挖,后配套组装洞分3层开挖,分层高度56111,边墙采用预留光爆层见(图4).开挖采用yt28风枪钻孔,挖掘机配合装载机装渣,无轨运输出渣.施工程序说明:1)开挖i一1导洞,导洞贯穿tbm主机和后配套第3期邓勇:锦屏电站引水隧洞】2.43m大直径tbm组装洞室设计与施工组装洞;2)开挖i一2边墙,tbm主机,后配套组装洞两侧拱部扩挖;3)开挖ii一1中槽,一2两侧边墙;4)开挖m一1中槽,一2两侧边墙;5)开挖iv一1中槽,1v一2两侧边墙.:;12i1i一2l】一2i11li一2l1i一2ill一11ll一2lv2iv一】1v一2(a)主机组装涮(b)后配套组装涮图4组装洞室施工步骤图fig.4constructionsequenceoftbmassemblychamber3.2系统支护组装洞在开挖每步达到设计断面后,进行系统支护.支护采用353e三臂凿岩台车钻孔,人工安装锚杆,机械注浆,人工挂网,混凝土喷射台车喷射混凝土.1)系统锚杆施工.锚杆根据类型分为中空预应力锚杆和普通砂浆锚杆.中空预应力锚杆在锚杆安装完毕后先进行张拉,预应力锚杆正式张拉前,取20%设计张拉荷载对其预张拉,正式张拉取105%110%设计荷载对其张拉,预应力锚杆锁定48h内,若发现预应力损失大于锚杆设计值的10%时,应进行补偿张拉;注浆采用杆体内注浆,杆体外排气.2)钢筋网施工.在锚杆施工结束后进行钢筋网施工,施工前对岩面进行清理,钢筋网搭结处进行焊接,并与锚杆连接牢固.3)钢筋拱肋施工.钢筋拱肋采用现场加工,制作,每3根28钢筋为1组纵筋,与系统锚杆连接牢固后再在纵筋上按间距30till焊接横筋.4)喷射混凝土施工.在上述施工结束并达到要求后,进行喷射混凝土施工,由于喷混凝土设计厚度为15cnl,采用一次多遍喷射,保证混凝土厚度及强度.3.3岩壁梁施工在主机组装洞系统支护完成后,从底部分层向上进行岩壁梁浇注施工.首先进行岩壁梁位置基础清理,然后绑扎岩壁梁钢筋,并与锚杆尾段焊接固定;立模,利用拉杆,桁架固定牢固;泵送混凝土人仓,插入式振动器捣固密实.混凝土集中拌和,罐车运输,输送泵泵送入模后配套组装洞系统支护完成后,进行钢柱基础混凝土浇筑,并预埋螺栓.钢梁,钢柱提前按设计在工厂进行焊制,运至现场采用25t汽车吊安装.先安装钢柱,并与边墙附近的锚杆焊接,再安装钢梁及钢梁上的桥吊轨道.3.4设备安装根据现场及起吊设备条件,决定采用分片吊装,然后再在承轨梁上组装的方案.根据起重机起升高度,单片主梁及小车总成自重,选用足够吨位的汽车吊进行吊装.20,40t桥吊采用20t汽车吊安装,100t桥吊采用50t汽车吊和20t倒链相结合进行安装.导链安装在组装洞顶部预先设置的天锚上.桥吊安装完成后,进行静载试验,按照最大载重量的125%进行超载试验,检查桥吊主梁的挠度是否符合要求.3.5安全监测在tbm组装洞室施工过程中,为了及时了解围岩的应力状态和收敛情况,在组装洞3个断面共安装了15组两点式锚杆应力计(每个断面5组)和9个观测小棱镜(每个断面3个),锚杆应力计规格为拉300mpa,压100mpa.定期对锚杆应力和围岩收敛情况进行观测,根据应力状况和围岩变形的量测数据判断围岩的稳定性,及时提供支护结构的安全信息一j.4实施效果本工程tbm组装洞室设计方案经多次研讨,于2007年9月27日确定后,自2007年l0月11日开始施工,2008年1月11日开始进行岩壁梁施工;2008年2月26日开始tbm组装洞底板施工;2008年3月15日桥吊设备安装;2008年4月1日申请开始tbm设备组装;2008年11月18日tbm组装调试完成并开始试掘进.5结论与讨论锦屏二级水电站东端引水隧洞所采用的tbm是目前国内最大直径的硬岩隧道掘进机,通过组装洞施工和tbm组装的实践证明:该组装洞的设计既能满足tbm组装要求,又能方便组织施工,而且还达到了节约投资的目的,同时为类似工程积累了成功的经验.实施过程中有几点体会:1)组装洞在设计过程中应充分考虑tbm设备结构尺寸,组装方案,吊装设备的要求.2)采取导洞先行,不仅为组装洞的设计提供了依据,而且也为组装洞下一步施工提供了多个工作面.3)预留光爆层是确保开挖质量的保证.在地质条件较差的大型洞室开挖过程中,预留2m的光爆层以减小周边眼爆破对围岩的扰动是合适的.(下转303页)第3期赵岗领,等:城市地铁盾构通过暗挖隧道施工案例4技术要点4.1防止管片上拱盾构在暗挖隧道内推进过程中由于需要在底部安装管片,在推进时管片受力后会出现上拱,将直接影响到盾构的推进,因此应在安装拱底块管片时将每块管片的纵向螺栓连接紧固,并时刻观察管片的变化情况,如上拱趋势较大立即停止推进,在上拱处吊放1块管片进行施压,防止管片的上拱.4.2防止盾构侧滚在轨道或弧形导台上空推过程中,因轨道平面,高程位置存在偏差,而盾构机身跟轨道之间的摩擦力又较小,可能导致盾构机体侧滚过大.如不采取措施控制或调整则必然造成轨道在重力的作用下而移动.空推时在具有侧滚的一侧焊23个支撑牛腿,用液压千斤顶同步顶起,在盾体重力的作用下,盾体就会发生反向滚动,从而达到调整或防止侧滚的目的.4.3盾构姿态控制导台位置的准确性决定盾构的姿态,盾构到达二次始发导台前需进行核查,如误差较大,采用凿出或垫高的方法处理,其误差应控制在4-101iiii1;钢环,轨道是盾构的直接支撑,轨道位置直接决定了盾构的姿态,因此在焊接轨道施工时,要特别注意调整好预埋轨道的水平位置和高度,保证施工误差在4-5/l/lq.5实施效果1)经济效益施工速度快,工期效应明显.盾构机通过暗挖隧道日掘进速度最高达到60m,其综合进度比盾构法在一般地段的速度还快,暗挖隧道越长,工期提前的规模效应就越明显.后通过方案通过时所用轨道可用于后期运输轨道,相比之下能节约成本,根据施工成本测算,统计分析,可节约成本50多万元.2)社会效益此方案克服了盾构机通过时对导台要求质量高,盾构易叩头而咔住钢板的弊病,避免了盾构机先通过拆除管片带来的风险,保证了工程施工及周边环境的安全,对在西安市轨道交通工程得到推广使用,有较大的社会效益.6结论后通过方案之弧形导台加轨道法空推,反力支撑设计在盾构通过暗挖隧道时最为经济,合理,与常见的站内始发相比,不论在安全,空间,始发技术等各方面都有很大的差异,与盾构在矿山法隧道内推进同时拼装管片且下部无法架设轨道存在质的区别.本文以成功实施的工程案例,对盾构在狭小暗挖隧道空间内的接收,空推,反力支撑设计,始发等几个方面进行了介绍,以期为业界同仁在今后类似工程的施工决策提供一定的借鉴.参考文献:1李勇军.