陳 勇, 王 生
(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610072)
厄瓜多爾CCS項(xiàng)目為引水式電站,裝機(jī)容量為1 500 MW,輸水隧洞總長(zhǎng)約24 km,開(kāi)挖洞徑為9.11 m,在其進(jìn)口、中間和出口分別設(shè)置有4個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑為500 m的彎道。根據(jù)項(xiàng)目前期地質(zhì)勘查得知,輸水隧洞圍巖主要由安山巖和凝灰?guī)r組成,大部分為Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)巖石;輸水隧洞出口段有大約2.2 km處于浩林(Hollín)地層,主要由砂巖和頁(yè)巖組成,大部分為Ⅲ類(lèi)和IV類(lèi)巖石。同時(shí),通過(guò)地質(zhì)勘察得知,隧洞沿線(xiàn)可確定的斷層有30個(gè),最大和最小埋深分別為700 m和40 m,平均埋深462 m。最終決定選用地質(zhì)適應(yīng)性最高、適用于中厚埋深、中高強(qiáng)度的雙護(hù)盾TBM進(jìn)行掘進(jìn)。
管片選型的原則有兩個(gè),第一:適合隧洞設(shè)計(jì)軸線(xiàn);第二:適應(yīng)TBM的姿態(tài)。
管片的主要類(lèi)型有:
(1)單一型管片,適合于無(wú)彎道隧洞襯砌;
(2)曲、直組合型管片,該組合采用直線(xiàn)環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)和右轉(zhuǎn)彎環(huán)3種管片形式,在直線(xiàn)段均采用直線(xiàn)環(huán)拼裝,曲線(xiàn)段按需要安裝左轉(zhuǎn)彎環(huán)或右轉(zhuǎn)彎環(huán)。此種管片組合模式可用于有彎隧洞,但需3套模具才能完成管片的預(yù)制生產(chǎn);
(3)分為左環(huán)和右環(huán)楔形管片,每環(huán)各片管片縱軸線(xiàn)長(zhǎng)度不一致,但左環(huán)和右環(huán)相互組合即為直線(xiàn)。施工時(shí)通過(guò)左、右環(huán)管片之間的交替安裝襯砌直線(xiàn)段隧洞,通過(guò)連續(xù)安裝左環(huán)或連續(xù)安裝右環(huán)實(shí)現(xiàn)襯砌轉(zhuǎn)彎,此類(lèi)管片需要兩套模具進(jìn)行管片的預(yù)制生產(chǎn)(圖1);
圖1 左、右環(huán)楔形管片拼裝圖
(4)通用型管片。該型管片采用一種類(lèi)型的楔形襯砌環(huán),在施工過(guò)程中根據(jù)需要對(duì)管片進(jìn)行適當(dāng)旋轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)段和曲線(xiàn)段的襯砌。此類(lèi)管片只需要一套模具進(jìn)行管片的預(yù)制生產(chǎn),但實(shí)際施工過(guò)程中需事先計(jì)算和模擬轉(zhuǎn)彎段管片組合模式、轉(zhuǎn)換角度,同樣,其對(duì)管片安裝手的操作水平要求較高,管片安裝速度較慢。
CCS項(xiàng)目輸水隧洞設(shè)有4個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑為500 m的彎道且其對(duì)掘進(jìn)速度要求較高,考慮到管片預(yù)制的投入和施工效率,最終決定采用上述(3)型——設(shè)有左、右環(huán)的楔形管片進(jìn)行襯砌。
雙護(hù)盾TBM施工時(shí),最后一環(huán)襯砌的管片處于TBM盾尾之內(nèi)(通常將盾尾與管片之間的間隙叫盾尾間隙),這是管片選型非常重要的依據(jù)。
當(dāng)管片安裝軸線(xiàn)與TBM掘進(jìn)軸線(xiàn)不一致時(shí),盾尾間隙將出現(xiàn)一側(cè)增大,而另一側(cè)對(duì)應(yīng)減小的現(xiàn)象。如果盾尾間隙過(guò)小,盾殼上的力可直接作用在管片上,則TBM在掘進(jìn)過(guò)程中盾尾將會(huì)與管片發(fā)生摩擦、碰撞;輕則增加盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)的阻力,降低掘進(jìn)速度,重則造成管片錯(cuò)臺(tái)、破損。同時(shí),盾尾間隙增大的一側(cè)則會(huì)造成盾尾刷密封不嚴(yán),致使后部灌漿易滲漏。
CCS項(xiàng)目輸水隧洞TBM掘進(jìn)洞徑為9.11 m,襯砌后管片外徑為8.8 m,開(kāi)挖掘進(jìn)軸線(xiàn)和管片安裝軸線(xiàn)平行時(shí)四周均有15.5 cm的間隙,可以有效地避免盾尾間隙過(guò)小的問(wèn)題。
當(dāng)雙護(hù)盾TBM伸縮護(hù)盾收死、采用輔助油缸反推已安裝的管片進(jìn)行掘進(jìn)時(shí),就必須要考慮管片楔形量與輔助油缸行程之間的關(guān)系。由于管片楔形量的存在,輔助油缸在推進(jìn)時(shí)將產(chǎn)生行程差,當(dāng)該差值過(guò)大時(shí),推進(jìn)油缸的推力就會(huì)在管片環(huán)的徑向產(chǎn)生較大的分力,從而影響已拼裝好的隧道管片以及掘進(jìn)姿態(tài),嚴(yán)重時(shí)將造成TBM掘進(jìn)歪斜和已安裝管片錯(cuò)臺(tái)。同時(shí),也可以看出,該差值過(guò)大時(shí)將影響下部的盾尾間隙。
管片分塊要考慮管片生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、安裝、糾偏以及對(duì)滲漏水和結(jié)構(gòu)剛度的影響等。管片分割數(shù)目愈少愈好,但應(yīng)考慮到搬運(yùn)與組裝的施工方便,一般情況下,小斷面隧道 (如市政管道等 )分 4~5塊,中至大斷面隧道 (如地鐵、公路隧道等 )分 6~10塊,而且從有利于管片運(yùn)輸、拼裝和減小TBM千斤頂?shù)男谐炭紤],一般采用小封頂塊,其他塊則體積、重量均較為類(lèi)似。CCS項(xiàng)目輸水隧洞洞徑較大,采用7塊分塊模式。
理論上封頂塊在任何位置都是可行的,但當(dāng)封頂塊位于拱腰以下部位時(shí),兩側(cè)管片拼裝后,由于自重原因會(huì)擠向最后拼裝的封頂塊預(yù)留空間,如此拼裝封頂塊時(shí)需增大千斤頂?shù)耐屏?,容易?duì)管片造成擠壓損壞,因而封頂塊一般位于拱腰以上部位。
封頂塊的拼裝形式主要有徑向楔入、縱向插入兩種:
(1)徑向楔入其半徑方向的兩邊線(xiàn)必須呈內(nèi)八字形或至少是平行,受荷后有向下滑動(dòng)的趨勢(shì),受力不利;
(2)縱向插入形式的封頂塊受力情況較好。受荷后,封頂塊不易向內(nèi)滑移;其缺點(diǎn)是在封頂塊管片拼裝時(shí),需要加長(zhǎng)盾構(gòu)千斤頂行程。
CCS項(xiàng)目采用的封頂塊位于正頂拱兩側(cè),封頂塊安裝時(shí)先徑向搭接約三分之二管片長(zhǎng)度,然后縱向插入剩余的三分之一長(zhǎng)度成環(huán)。
采用帶有楔形量的左右環(huán)管片,環(huán)與環(huán)之間一般采用螺栓連接,螺栓孔的個(gè)數(shù)及位置是確定每環(huán)分片的重要依據(jù)。
CCS項(xiàng)目管片輸水隧洞洞徑較大,采用7分塊的管片模式??紤]到管片安裝的穩(wěn)定牢固、避免發(fā)生錯(cuò)臺(tái),除在封頂塊設(shè)置一個(gè)連接螺栓孔外,其他6塊均設(shè)置了3個(gè)連接螺栓孔,則整環(huán)共有19個(gè)螺栓孔。按照已建和在建項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),為實(shí)現(xiàn)連接螺栓受力均勻,左右環(huán)管片交替安裝過(guò)程中螺栓孔的連接及螺栓孔的位置均按圓周均勻分布,則螺栓孔分布角度φ為:
φ=360°/19=18.948°
按照各片所占螺栓孔的個(gè)數(shù)和螺栓孔在管片內(nèi)均勻分布的原則,將圖2中所有管片螺栓孔徑向分布線(xiàn)按照φ/2的角度旋轉(zhuǎn)后根據(jù)封頂塊的位置和各片管片所占螺栓孔的數(shù)量得到圖3所示的管片分片圖。
以上方法是以右環(huán)為例進(jìn)行說(shuō)明。按照同樣的方法,將封頂塊位置置于頂拱右側(cè),即可得到左環(huán)分塊圖。
管片環(huán)寬主要取決于隧洞洞徑的大小和管片的厚度,同時(shí),管片寬度同樣決定了TBM油缸行程、管片安裝器千斤頂頂推重量和行程等制作參數(shù)。從另一方面考慮,由于TBM管片安裝器頂推重量是有限度的,因此,管片的環(huán)寬和厚度由于重量因素是相互制約的。
圖3 管片分片圖
從結(jié)構(gòu)防水、提高施工進(jìn)度、節(jié)省防水材料和管片連接件看,管片加寬是明顯有利的;從結(jié)構(gòu)受力方面考慮,管片加寬后區(qū)間隧洞接縫減少,有利于提高結(jié)構(gòu)的整體性;從施工速度方面考慮,管片加寬可以減小同等掘進(jìn)長(zhǎng)度下管片的安裝數(shù)量,提高施工效率和施工速度。但管片加寬將造成TBM長(zhǎng)度增加、油缸行程增大,同樣,在管片厚度不變的情況下管片安裝器頂推重量增加。同時(shí),由于管片寬度增大,致使TBM掘進(jìn)每個(gè)循環(huán)行程增大,出渣量增多,導(dǎo)致所配備的出渣皮帶或其他出渣設(shè)備增大或增多。因而管片環(huán)寬需綜合考慮洞徑大小、隧洞轉(zhuǎn)彎半徑大小、TBM及其出渣配套設(shè)備選型、月掘進(jìn)強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)。目前,國(guó)內(nèi)外隧洞所采用的管片環(huán)寬主要介于1.2~1.8 m之間。CCS項(xiàng)目輸水隧洞開(kāi)挖洞徑達(dá)9.11 m,轉(zhuǎn)彎半徑為500 m且月掘進(jìn)強(qiáng)度需達(dá)到600 m,因而選擇1.8 m環(huán)寬的管片進(jìn)行隧洞襯砌。
楔形量是左右環(huán)楔形管片的主要參數(shù)之一,主要取決于隧洞轉(zhuǎn)彎處的最小轉(zhuǎn)彎半徑,并采用盾尾間隙等參數(shù)進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)對(duì)已建施工項(xiàng)目進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)得知,當(dāng)管片外徑為5~7 m之間時(shí),楔形量為30~50 mm;當(dāng)管片外徑為8~10 m之間時(shí),楔形量為40~80 mm。
隧洞轉(zhuǎn)彎時(shí)由管片襯砌而成的柱體平面方向在洞軸線(xiàn)兩側(cè)形成兩個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑的弧線(xiàn),管片采用這兩個(gè)同心不同徑的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行計(jì)算,按照“彎曲隧道梯形環(huán)管片楔形塊位置選擇, RETC 2005,Samuel Swartz”,計(jì)算附圖及公式見(jiàn)圖4。
CCS項(xiàng) 目 輸 水 隧 洞L0=1 800 mm,Dext=
8 800 mm,r=500 m,計(jì)算時(shí)考慮掘進(jìn)誤差,按r=400 m進(jìn)行計(jì)算,則:
Lleft=1 820 mm
Lright=1 780 mm
式中Lleft為左邊長(zhǎng)度;Lright為右邊長(zhǎng)度;L0為管片標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度;Dext為管片外徑;r為轉(zhuǎn)變半徑。
按照計(jì)算,CCS項(xiàng)目管片楔形量為40 mm,即每一環(huán)0~(+/-)20 mm的長(zhǎng)度變化,管片展開(kāi)情況見(jiàn)圖5。
從結(jié)構(gòu)角度看,錯(cuò)縫拼裝能使襯砌圓環(huán)接縫剛度的分布趨于均勻,減少結(jié)構(gòu)變形,可取得較好的空間剛度,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,使管片抗變形能力得到了增強(qiáng),提高了防水效果。
CCS項(xiàng)目所采用的楔形左右環(huán)管片分別在每環(huán)管片腰線(xiàn)位置設(shè)置楔形量,通過(guò)環(huán)寬漸變實(shí)現(xiàn)頂端和底端均為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)寬。其中:
(1)左環(huán)為左側(cè)腰線(xiàn)環(huán)寬最小、右側(cè)腰線(xiàn)環(huán)寬最大,則連續(xù)安裝左環(huán)時(shí)隧洞可實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎;
(2)右環(huán)左側(cè)腰線(xiàn)環(huán)寬最大、右側(cè)腰線(xiàn)環(huán)寬最小,則連續(xù)安裝右環(huán)時(shí)隧洞可實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎;
(3)兩種管片交替安裝時(shí)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ),即為直線(xiàn)。
圖4 管片楔形量計(jì)算圖及計(jì)算公式
圖5 左右環(huán)管片展開(kāi)圖
圖6 管片螺栓連接展開(kāi)圖
由于左右環(huán)管片楔形塊分別位于頂拱左右兩側(cè),且兩種管片分片位置不一樣,在直線(xiàn)段交替安裝時(shí)完美地實(shí)現(xiàn)了管片錯(cuò)縫拼裝,隧洞轉(zhuǎn)彎段由于連續(xù)安裝同一類(lèi)型管片故為通縫連接,但因轉(zhuǎn)彎段長(zhǎng)度僅為CCS項(xiàng)目輸水隧洞長(zhǎng)度的5%,故可認(rèn)為隧洞整體均為錯(cuò)縫拼裝,有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
目前常用的螺栓連接形式有直螺栓連接、彎螺栓連接、斜螺栓連接、無(wú)螺栓連接 (砌塊 )以及銷(xiāo)釘連接等。
無(wú)螺栓連接 (砌塊 )和銷(xiāo)釘連接的接頭間沒(méi)有連接螺栓,也不能施加預(yù)緊力,襯砌的整體剛度小,隧洞的抗震和防水性能較差,不適應(yīng)CCS項(xiàng)目多變的隧洞地質(zhì)情況。在各類(lèi)螺栓連接方式中,直螺栓構(gòu)造較簡(jiǎn)單,施工方便,只需在管片設(shè)計(jì)和預(yù)制時(shí)對(duì)應(yīng)埋設(shè)和設(shè)置螺栓孔位即可,因此而適合CCS項(xiàng)目高強(qiáng)度掘進(jìn)的需要(圖6)。
CCS項(xiàng)目輸水隧洞管片設(shè)計(jì)結(jié)合國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn),先期經(jīng)過(guò)大量的考察論證,所設(shè)計(jì)選用的管片模式較好地解決了后期施工難度,從而提高了管片預(yù)制生產(chǎn)和管片拼裝的效率,為大洞徑下TBM高進(jìn)尺掘進(jìn)和管片安裝提供了有利保證。同樣,在管片選型確定后,跟進(jìn)的各類(lèi)結(jié)構(gòu)計(jì)算有效地解決了隧洞轉(zhuǎn)彎、適應(yīng)不同地質(zhì)情況地層等問(wèn)題。目前,CCS項(xiàng)目TBM平均月進(jìn)尺達(dá)650 m,最高月進(jìn)尺為1 000.41 m,創(chuàng)造了同洞徑掘進(jìn)速度世界第三的好成績(jī)。