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斗罢艰险又出发中国水电三局天水曲溪“黄河号”TBM掘进施工纪实


发布日期:2021-11-25 信息来源:制安分局 作者:何海鹏 陈桂萍 字号:[ ] 分享

天水曲溪城乡供水工程是一项跨流域调水工程,工程由大坝枢纽、输水隧洞、引水管线、调蓄水池等组成,是甘肃省列重点工程;总投资约21.3亿元。工程建成后将极大的缓解天水市城区水资源短缺问题,是保障天水市城区生产、生活用水需求的重大民生工程;中国水电三局制安分局天水曲溪城乡供水工程TBM项目部承担了该项目主要控制性工程—长达22千米的输水隧洞TBM掘进施工。

本工程采用2台φ4米的国产超强脱困型双护盾TBM“长江号”、“黄河号”从输水隧洞进口和出口相向掘进,其中,进口段“长江号”掘进14千米、出口段“黄河号”掘进8千米;这2台设备是目前国内开挖直径最小的双护盾TBM。

2021年6月30日,天水曲溪城乡供水工程引水隧洞出口平台彩旗飘扬,一派喜庆气象,上午10时30分,天水中电建曲溪城乡供水有限公司总经理齐志华庄重宣布“黄河号”TBM始发试掘进!“黄河号”TBM自此开始了它的穿越之旅。

截至2021年10月30日,“黄河号”TBM已累计掘进600米、安装管片500环。好事多磨,“黄河号”TBM这短短600米的掘进却经历了刀具偏磨、刀盘前泥饼、突涌水及破碎带等困难,使得这趟穿越之旅步履蹒跚。

争分夺秒  鏖战TBM组装

“黄河号”TBM刀盘直径4.03米,整机总长434米、总重约800吨,主机部分主要包括刀盘、前盾、伸缩盾、撑紧盾及尾盾等,主机长约11米、重约280吨。2021年3月6日,在工友们的殷切期盼中TBM第一车设备到货,由于道路、场地等因素制约,直到4月6日才完全具备组装条件,随后开始了紧张的设备组装工作。TBM采用洞外分段组装方案,通过200吨汽车吊配合100吨汽车吊完成组装。时值初春,工友们冒着绵绵细雨,他们有的在清洗配件,有的在检查工器具,有的在把合螺栓,呈现出一派有条不紊、热火朝天的繁忙景象。

 

4月16日,TBM主机及连接桥组装完成具备步进条件。16日早上,项目总工陈桂萍带领技术员早早来到现场亲自指挥,从步进装置管线连接、系统调试到TBM顺利步进各个环节都有陈总严肃又忙碌的身影。通过26个小时的不懈努力,于4月18日TBM主机及连接桥步进至掌子面。紧接着又开始TBM后配套台车组装、步进,到4月28日TBM已具备带电调试条件。然而,天不遂人愿,通往出口平台的20kV电力线路不具备带电条件,项目部一方面安排出口平台临时设施施工,一方面通过多方协调,终于在5月28日送电。经过不分昼夜的紧张调试,TBM终于具备始发试掘进的条件,此时工友们早已摩拳擦掌:大显身手的时候到了!

集思广益 解决技术难题

输水隧洞自南向北穿过西秦岭山地,地质复杂多变,地下水丰富、TBM掘进过程中,须穿越大小68条断层、2个褶皱,具有突泥、涌水、软岩变形卡机等施工风险,施工难度可想而知。初设报告中关于隧洞出口段地质情况是这样描述的:输水隧洞出口段基本适宜TBM掘进的部分占15.03%;适宜性差的部分占84.97%,隧洞出口段TBM掘进适宜性总体评价:适宜性差。加之,输水隧洞出口段8千米洞挖施工,受麦积山风景区、军事管理区的影响,考虑钻爆法施工对地面扰动较大,只能采用TBM法施工。

随着TBM刀盘缓缓转动,每天的掘进进尺也在稳步增加,1米、2米、4米……正当大家憧憬着创造下一个国产双护盾TBM的进尺纪录时,施工一线传来消息:刀具偏磨,仅7月4日一天就发现12把刀具偏磨,12把刀具更换耗时三十多个小时。在以往工程中从未碰到如此规模的刀具偏磨,一时间项目部上上下下都被一种莫名的恐慌所笼罩,是TBM刀盘结构设计不合理?刀具布置不合理?围岩石英含量高?掘进参数设置不合理?项目部当即联合TBM设备厂家就此问题展开专题研究,并要求作业队提高掘进过程中查刀次数,实时监测刀具磨损情况及时更换刀具。随着紧急处置措施的启动,刀具偏磨数量有所下降,但依然无法有效杜绝该现象。TBM设备厂家非常重视刀具偏磨问题,派出专员进驻现场协助研究分析,同时厂内对刀盘结构及刀具布置重新验算分析,排除了刀盘结构及刀具布置方面的原因。

 

另一方面,项目部邀请地质设代同项目部地质工程师一起对当前洞段围岩岩性进行确认,经过仔细研究确认该段围岩为混合岩化片岩,石英含量不高。那么,到底是什么原因引起的刀具偏磨呢?项目总工陈桂萍陷入沉思,之后连续一个星期,陈总每天早早去到隧洞出口平台观察TBM掘进时的掘进参数变化,与TBM设备厂家、刀具厂家讨论分析,在这过程中他发现了两处不易被发现的异常:在当前围岩抗压强度不高的情况下TBM掘进时刀盘转速过高;刀盘初装刀的扭矩较大。这两个异常凑到一起造成的效果就是当主推力不大且刀盘转速较高时,刀具与岩石间的切削力无法克服刀具的扭矩使刀具无法转动,最终导致刀具偏磨。

原因找到,就是对症下药了:后续的掘进中适当降低了刀盘转速,同时组装刀具时扭矩也适当调低。这些针对性措施实施后,刀具偏磨现象得到有效解决。项目部上下都松了口气,心中的阴霾随之散尽:终于可以正常掘进了!

TBM恢复正常掘进,每日进尺在逐步上升,但8月6日TBM掘进中,刀盘转矩突然不断增大直至因刀盘转矩超限自动停机。跟班的刀具班班长进入刀盘检查,发现刀盘前部渣料呈饼状完全糊住了刀具及铲斗,渣料无法进入刀盘。经过地质工程师对该段围岩分析:该段围岩属破碎松散岩块,含有断层泥并夹杂少量碎裂岩,岩渣主要由岩块、岩屑及岩粉组成。掘进过程中,岩渣在刀盘的碾压下自刀盘中心位置向刀盘面上形成附着的泥饼,并在高温、高压作用下不断变厚变硬,最终导致刀具、铲斗被糊住,刀盘失去切削能力同时刀盘转矩明显增大,但掘进速度没有明显变化。

 

结合以往施工经验,这种情况下只能进入刀盘人工清理。TBM掘进队和施工技术人员分4个小组共同参与、交替作业,面对空间狭小的刀盘,施工人员不畏艰难进入刀盘区域,连续清理,终将糊在刀盘上的泥饼清理下来并装袋搬运至主机皮带机。过程中,每个小组清理2个小时,然后各小组依次轮换。当清理人员从刀盘钻出来时各个都是浑身沾满泥污、汗水夹着泥水。

原本每天的两班掘进施工基本变成了一班掘进、一班清理,TBM施工降效严重。但是没关系,想想水电前辈们靠着肩扛手提建造起一座座巍峨大坝,这点苦与累又算什么! 

干群一心  迎战富水地段

TBM掘进至8月份时,日进尺已基本稳定在每天16m~18m,工友们对这台TBM设备越来越熟悉,设备操作也愈发熟练,一切都在向好的方向发展!8月21日,夜班掘进施工如往常一样进行着,凌晨3:00左右管片拼装手发现围岩渗水变大,掘进队长随即安排人将排水泵接好并投入运行,并嘱咐管片拼装手持续关注渗水情况。凌晨5:20左右,围岩渗水持续变大,掘进队长当即与值班生产经理沟通,一致认为围岩渗水持续恶化将存在淹机风险,决定立即启动应急预案:停止掘进作业,TBM上的作业人员撤出洞外,避免水情进一步加大危及人身安全;同时安排人员将备用泵投入,并联系物资部值班人员连夜送两台排水泵到现场分别安装在伸缩盾、刀盘位置,保证设备安全。

 

幸运的是四台水泵全部投运后,涌水量没有继续增大,也未造成任何设备损坏。经测算,这次地下水流量达到了每小时90立方米。经过三天连续不断的抽排,水量明显减少,尝试掘进作业后水量也未见增大,随即恢复掘进施工。

勇毅前行  向着胜利进发

8月29日、30日连续两天日进尺突破20米,累计进尺突破了500米,早先初设报告上提到的引水隧洞出口段不适宜掘进的阴影也随之散去。彼时,与TBM配套的轨道系统也安装完成;项目部未雨绸缪,联系山东大学超前预报系统的研发人员紧急赶往现场,对项目部技术人员就便携式SAP地震超前预报系统进行实地的操作与培训,万事俱备,只待高产!

9月1日,日进尺15米;9月2日,日进尺12米;9月5日,日进尺4.5米,日进尺连续下降并且出渣量异常,引起了项目部的高度警惕。项目地质工程师进入刀盘检查,发现掌子面右上方局部掉块、出现塌腔,且掌子面有线状流水,与岩渣、不稳定碎块岩混合呈流体状。掘进过程中,掌子面塌方的岩渣涌入刀盘,造成刀盘转矩增大;同时涌入刀盘的岩渣不能及时被运走而持续增加,最终因涌入刀盘岩渣过多侵占主机皮带机运行空间而造成停机。

这种情况下优先尝试封堵刀盘铲斗以减小刀盘进渣量,四个铲斗逐一封堵,经过五天的不断尝试,刀盘进渣量依然较大,均未能顺利通过该段。9月10日,项目部技术人员继续进洞对当前掌子面进行超前地质预报,分别在TBM尾盾、连接桥部位布设炮击点和采样点采集数据并利用专用软件进行数据分析。经分析:掌子面前方约50米范围内围岩破碎,节理裂隙发育,易发生掉块,局部出现塌腔。经地质设代确认进入破碎带。

军情紧急,刻不容缓,如不立即采取处理措施,可能会造成卡机或TBM被埋,结合兰州水源地施工经验,项目经理宋卿果断决策,采用化灌超前预处理的方案通过该破碎带。项目领导立即安排技术人员连夜编制《破碎带处理方案》,与业主、项目公司、监理、业主咨询就破碎带预处理的有关问题积极沟通,并邀请公司TBM首席专家黄继敏到现场指导并审核方案,经多方讨论,修改完善后立即上报监理部。另一方面,紧急采购化灌材料,并邀请破碎带预处理业内专家到现场指导施工。 


准备妥当后,9月13日开始了第一个循环的预处理施工,主要从刀盘和前盾尾壳在顶拱120度范围钻孔、灌浆。项目总工不分昼夜的守在现场,根据掌子面围岩情况分析钻孔方位、从钻孔深度分析浆液灌注量,实时调整、优化方案。每个循环陈总都会将调整、优化后的方案记录在一张白纸上,大家都笑称这是专治破碎带的“处方”。

 

虽然破碎带对TBM施工造成很大的影响,但眼前遭遇的挫折并未击倒水电三局天水曲溪TBM项目的广大干部职工。在处理现场,他们迎难而上、越挫越勇的工作热情温暖着每个员工的心。处理现场施工环境恶劣,不仅要克服掌子面空间狭小、人员进出不便的难题,还要克服掌子面渗水等困难。从岩缝中渗出的水冰冷刺骨,刀盘内作业人员蜷缩其中,冒着头顶的冷水进行钻孔作业,干一会就浑身湿透,出来烤干衣服后,又进入掌子面继续工作;导向系统是TBM的眼睛,每循环开始钻孔前,测量员穿着雨衣顺着主机皮带机爬进盾体用制作的铁盒子将导向系统的激光靶保护起来,开始掘进前又再次爬进盾体拆走保护铁盒;如此循环,只为争分夺秒,只为全力以赴。

 

项目部通过精心组织,科学施工,截至2021年10月30日,采用化学灌浆的处理方法已完成十九个循环的化灌处理及掘进,累计掘进86.451米。在处理期间,项目经理宋卿多次深入施工一线,在隧洞掌子面前共同探讨解决方案,协调沟通,大大提高了处理效率,也为快速通过破碎带赢取了宝贵的时间。目前虽然尚未完全通过这段破碎带,但是项目部上下一心,坚信会迎来最终胜利,就跟工友们说的一样“咬牙坚持就行了!”

艰难困苦,玉汝于成。困难和挫折从来都不是通向成功之路的绊脚石,而是磨刀石。水电三局TBM团队从鸭绿江畔的长白山、黄河之滨的祁连山辗转至横贯东西的秦岭山脉,一路披荆斩棘,一路踏平坎坷,靠的就是三局人 “自强不息,勇于超越”的拼搏精神。

国之利器,在大山深处穿越,水电三局TBM人,必将守得云开终见月明!

天水曲溪城乡供水引水隧洞总长22千米,可谓任重道远,此刻项目部全员更要提振士气,齐心协力,以党的十九大精神为指引,以饱满的工作热情,坚韧的战斗意志,打一场漂亮的翻身仗,争取早日实现输水隧洞的全线贯通,干好这项惠民工程,为百万龙城人民交上一份满意的答卷。 







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