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穿越破碎带 风起再扬帆

作者:王志强 王媛 发布日期:2017-12-26 15:21

 ——兰州市水源地建设工程TBM2穿越破碎带纪实

    兰州市水源地建设工程是兰州市“一号工程”,也是目前国内水利行业采用EPC管理模式的第一大城市引供水工程。工程批复总投资59.67亿元,建成后年引水量为2.77亿立方米,主要包括取水工程、输水工程、分水工程、净水工程及配水管线5个部分。2015年7月黄河设计公司正式签订了兰州市水源地建设工程EPC总承包合同。

  兰州水源地工程输水主隧洞是国内首条采用双护盾TBM开挖、预制管片衬砌的有压引水隧洞,最大深埋900米、长达32千米,地质条件复杂,岩性变化多端。作为开山凿岩的“神兵利器”,TBM2承担着13千米输水主隧洞的掘进任务,自开工建设以来,一直都在遭遇和挑战着一个又一个的困难。

  自2016年3月试掘进以来,TBM2先后创造了日掘进55.2米、月掘进1019米的施工纪录,并成功实现了首段精准贯通。但就在持续掘进刚突破万米,剩余最后2.5千米时,遭遇了严重的地质破碎带,快速前行的步伐被迫停了下来。

  TBM2遭遇破碎带被迫停机后,兰州水务公司、黄河设计公司、中水三局的建设者们,面对破碎带又发起了新一轮的攻坚战。

  波澜再起 铁龙受困

  2017年9月13日凌晨5:50,TBM2掘进至桩号19+752时突然连续皮带自停,致使TBM掘进停止,经过一个半小时处理,于7:20连续皮带恢复运行,随即尝试启动刀盘。经检查,设备电器、液压各系统均无故障,在采取强行后退刀盘等多种措施后,刀盘均无法转动,初步判断刀盘被破碎岩体堆积压死,TBM被困。

  经过连续7天不间断的清渣处理,9月19日17:33刀盘成功启动,试掘进过程中实际出渣量远超出正常掘进时出渣量,渣料多次将主机皮带压死致其无法正常运行,同时出现涌水。

  事态紧急,黄河设计公司EPC总承包项目部(以下简称“EPC项目部”)立即组织业主、监理、分包商进洞现场勘察并召开现场施工专题会,参建各方一致认为:结合前期勘察资料,经观察盾尾洞壁、伸缩盾洞壁及掌子面等部位岩石情况、TBM掘进参数和渣料形态分析,桩号19+752洞段隧洞埋深约700米,受构造影响,该段岩体节理裂隙发育,呈碎裂结构,掌子面上前部出现较大范围塌方。掌子面及洞壁存在多处出水点,呈线流状态,总出水量约80立方米每小时。该段围岩为稳定性极差的V类围岩,且刀盘进入挤压破碎带区域约3~4米,如不停机处理,后续掘进过程中会出现更大的塌方,并存在TBM护盾被压的风险。

  周密部署 全面应对

  黄河设计公司各级领导对TBM2受困非常重视,公司董事长张金良、总经理安新代、副总经理牛富敏指示,要求EPC项目部靠前指挥,领导班子24小时驻扎现场,以高度负责的精神、客观求实的态度、全新开放的视野,积极牵头组织研究破碎带处置方案,打赢这场TBM2脱困攻坚战,不解决问题绝不收兵。

  为确保人员和设备安全,科学有序地开展TBM2破碎带处理工作,EPC项目部从现场管理及资源配置、地质条件分析、处置方案制定、设备保障等周密部署,沉着应对。

  EPC项目部迅速成立了由常务副经理熊建清担任组长,汪雪英、齐三红、耿波、左旭军、杨风威等副经理与设计管理部、HSE、施工监控部各部门骨干共同组成的兰州市水源地建设工程EPC项目部TBM2破碎带处置应急工作组,副经理团队轮流驻场值守,建立例会制度,全过程监控现场施工安全与进度,及时研判地质条件变化、设备运行状态,根据施工实际情况及时作出技术决策,为破碎带处理提供强大的技术支持。

  为制定科学的脱困方案,需对前方地质条件准确研判。项目副经理齐三红、杨风威带领地质团队,结合前期勘察资料,多次钻进刀盘查看掌子面,并再次组织进行地质地貌勘察,从地层岩性、构造影响、水文地质条件进行全面分析。同时,联合山东大学超前地质预报团队,在洞内采用三维地震法和激发极化法对前方工程地质和水文地质条件进行了预报,根据超前地质预报结果,掌子面前方30米范围内,围岩地质条件与掌子面类似,岩体破碎,出现塌方的风险仍较大。自掌子面延伸60米后也可能再次面临破碎带。

  结合地质条件分析及超前地质预报结果,9月21日,EPC项目部组织建设单位、监理单位、施工单位、设备厂家召开现场研讨会,并特邀国内有过类似施工经验的TBM施工专家现场咨询,形成了"手风钻+化学灌浆、手风钻+超前钻机"的实施方案,即先对刀盘前、上方一定范围内破碎岩体进行注浆加固,预注浆加固后清渣试掘进,后续再根据围岩状况,以同样的方式先加固破碎岩体,小步快走,掘进过程中不会恶化围岩状况,避免形成塌落空腔,保证TBM安全通过破碎带。

  TBM2破碎带处置方案确定后,EPC项目部副经理汪雪英兼TBM总监协调设备厂家关键技术人员立即赶赴现场,联合施工分包商、设备厂商组成TBM设备工作组,对配置的超前钻机洞内组装和调试进行技术指导,配合现场进行钻孔及注浆加固工作;对TBM设备进行全面检查和性能提升,为TBM脱困和加固后重新启动掘进做好一切准备;根据现场实际情况,调整设备参数设置,增大脱困扭矩,增大皮带机驱动扭矩,进一步提高TBM掘进过载能力。

  不畏艰难 昼夜奋战

  9月22日,在确定TBM2不良地质破碎带处理方案后,参建各方齐心协力,充分调动各方资源优势,调整现场生产模式,充实钻孔及灌浆施工技术力量,完善TBM2破碎带处理施工组织机构,按照既定方案积极推进破碎带处理工作的开展。

  然而,该洞段隧洞埋深约700米,存在高地应力释放的风险,该类地层处理难度极大,更为不利的是,隧洞洞径小,掌子面操作空间极为有限,钻孔设备受限,施工难度较大,只能通过拆除部分边刀、中心刀、铲斗齿等部位,利用间隙进行造孔作业,钻孔设备和操作人员不能适度配合,致使钻孔效率极低,而且受空间限制,钻孔方位、深度又不能一次到达设计要求,只能根据现场条件采取分步实施方案。同时施工过程中掌子面渗水量大且存在塌方现象,更加剧了施工难度。

  面对现场地质条件复杂、施工难度大的困难,EPC项目部没有气馁和退缩,根据现场处置条件及灌浆效果,先后组织召开4次TBM2破碎带处理专题会,从灌浆材料、施工设备、施工工艺、资源配置等方面多次对破碎带处理方案进行优化调整。在洞内造孔的同时,组织模拟洞内环境条件在洞外开展化灌模拟试验,确定化灌材料基本配比和凝结时间等技术参数,指导洞内化灌施工。为防止自进式中空锚杆后期损伤TBM刀具,将掌子面钻孔调整为玻璃纤维锚杆。为提高钻孔效率,增大钻孔深度,根据现场实际条件,对手风钻设备进行改造,加装短气腿。鉴于成孔难度大,避免废孔现象,要求化灌厂家总工进场指导,跟班实施化灌作业,根据掌子面涌水的施工特点,添加外加剂,有效保证了灌浆效果。11月8日,EPC项目部特邀意大利SELI公司技术总监抵达现场进洞考察,对施工中遇到的问题进行现场咨询,借鉴SELI公司在前不久泰国项目遇到的类似问题及成功处理经验,对TBM2处置方案进行优化、完善,并针对现场钻孔位置有效、成孔困难的实际条件,提出在盾体适当部位开孔,以增加刀盘上部灌浆加固效果的建议。

  前方的一举一动,牵动着后方公司领导的心。公司董事长张金良时刻关注着前方的破碎带处理进展,并根据现场处置情况适时提出技术指导。11月9日,受张金良董事长的委托,李清波副总经理率郑州大学院士团队亲临现场考察,从化灌材料特性、处置方案优化等方面给予了技术指导,提出了宝贵的建议。11月21日,公司副总经理兼EPC项目经理牛富敏再次组织现场施工专题会,为确保人员及设备安全,要求在本阶段灌浆加固处理完成后,根据灌浆孔间距及注浆量等进行化灌效果评估,经评估后方可进行试掘进。同时,要求结合现场实际条件,在实施化学灌浆加固方案的同时,补充制定管棚支护、掌子面开挖小导洞、拆除管片打旁洞等各级施工预案,确保一旦灌浆加固效果不理想时,能够及时实施下一级施工预案,施工预案之间实现顺利衔接,以希早日完成破碎带处理工作。

  这些措施是非常有效的,进一步激发了施工分包商的积极性和现场施工人员的工作热情。工人们纵然穿着连体雨衣,仍免不了浑身湿透,脸上分不清是汗水还是洞壁渗水,但仍干劲十足。钻孔操作空间狭小,洞内高温、高湿,体能消耗特别大,工人们3人一组,轮流上阵操持着手风钻,一个班下来,胳膊又酸又痛,但仍无所畏惧。刀盘位置钻孔部位有限,为保证一次加固能够达到预期效果,EPC项目部大胆提出在TBM前盾尾壳割开盾体增加钻孔的建议,在征求设备厂商同意后,现场克服实际操作困难,增补钻孔实施化灌,对化灌效果进一步增强。为有效指导钻孔灌浆施工及破碎带处理后TBM掘进,EPC项目部现场人员24小时跟进现场造孔、灌浆的施工记录及信息统计,形成详细资料数据,据此对地质情况预判及施工效果进行分析,为破碎带处理提供技术支撑。

  铁龙抖甲 重振雄风

  就这样,历经89天的昼夜奋战,12月10日,TBM2在经过设备维护保养后,再次开机调试掘进。随着刀盘的缓缓转动,沉寂了89天的皮带机再次运行,掘进岩渣随着皮带机源源不断地输向洞外,出渣量正常,掘进参数正常,现场一片欢呼雀跃。然而,水电三局生产经理郑伟华,身高1米9的陕西大汉哽咽了;兰州水源地公认的“女汉子”——EPC项目部副经理兼TBM总监汪雪英哽咽了,89天的艰难困苦和煎熬,成功实属不易,只有参与其中,方能体会到个中滋味。

  截至12月20日,TBM2自遭遇破碎带以来,已连续掘进126米,初步判断已基本通过此次破碎带,但剩余洞段仍存在一定的地质风险。EPC总承包项目部将联合山东大学对剩余洞段进行全覆盖超前地质预报,后续掘进过程中,参考超前地质预报,结合掘进参数及出渣量情况等做好地质研判工作,发现异常时应立即采取相应处理措施。

  站在新起点,EPC项目部将以更加坚如磐石的意志,始终站在一线最前沿,与参建各方同心携手、不畏困难、勇于拼搏、不忘初心,向着TBM2贯通及输水主洞全线贯通的目标奋进,早日实现清水入兰的庄严承诺!


TBM2破碎带处理专家咨询会


盾体清渣


专家现场咨询


专家现场指导化灌施工

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来源:黄河报·黄河网 编辑:李楠