中部引黄输水隧洞工程施工关键技术研究.pdf
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1、 年 月下第 卷 第 期施工技术(中英文):中部引黄输水隧洞工程施工关键技术研究王 锋(武汉地铁集团有限公司,湖北 武汉)摘要 中部引黄输水隧洞工程 标施工段面临 完整坚硬岩段破岩能耗高、高压富水洞段反坡施工风险突出、超长隧洞独头掘进出碴及通风困难等关键技术问题。针对上述问题,研发了 滚刀破岩效能提升技术;设计了小断面高压富水洞段分级反坡排水系统;研发了磁力摩擦式辅助驱动技术、工艺与设备,创建了巷道式通风与接力通风相结合的复合通风方式,解决了双护盾 隧洞超长距离出碴和通风的难题。中部引黄输水隧洞 标施工段的掘进实践表明,所取得的技术成果有效解决了工程建设难题,确保了施工安全。关键词 隧道工程;
2、输水隧洞;破岩;高压突涌水;施工技术中图分类号 文献标识码 文章编号()(,):,:;中铁十八局集团有限公司科技研究开发计划()作者简介 王 锋,高级工程师,:收稿日期 引言 近年来,越来越多的跨流域调水工程已开始建设或纳入规划。随着我国 规模的逐渐壮大,施工技术日益成熟,施工技术在我国水利隧洞工程施工中发挥的作用越来越大。对于长隧道施工,施工具有安全性高、掘进速度快、机械化水平高及施工环境好等优点,但在面对复杂地质条件时,受设备及作业空间限制,其灵活性远不如钻爆法,易出现各种工程地质问题,使掘进效率大大降低,同时,隧洞在特殊施工条件下的方案选择和应对措施等技术问题也决定着 的掘进效率和工程安
3、全。针对上述问题,已有大量的学者开展了相关研究,如韩超等针对隧道极硬岩施工,提出了刀盘刀具的针对性设计及优化方案;吴世勇等结合锦屏辅助洞发生的多次高压大流量突涌水和富水区灌浆封堵问题,提出了针对性的处理原则;许金林等、齐梦学、郭志等、任吉涛等分别根据隧洞特殊工程条件研究了不同形式的出碴施工技 施工技术(中英文)第 卷术;孙振川等、曹正卯针对隧道长距离通风难题,对施工通风特性和关键技术进行了研究,提出了针对性的通风设计方案。但不同的隧洞工程均有其特殊性,导致不同工程 施工所面临的问题不尽相同,需根据实际工程条件开展针对性研究,以提出解决方案。本文以超长距离穿越复杂地质的中部引黄输水隧洞工程为依托
4、,针对完整坚硬岩段破岩、高压富水洞段反坡排水、超长隧洞独头掘进出碴及通风等技术难题进行研究,提出了相应的技术方案,以期为类似输水隧洞工程施工提供借鉴和参考。工程概况 输水隧洞设计 中部引黄输水隧洞工程是山西省“十二五”水利规划的重点工程之一,为山西大水网建设工程“两纵十横”中的第 横,其中总干线 号隧洞 标位于黄河流域吕梁山境内,施工段全长,采用 台双护盾 反坡掘进施工。隧洞设计开挖洞径为 ,衬砌后洞径为 ,为无压输水隧洞。施工段采用预制混凝土管片衬砌,管片为六边形蜂窝状结构,管片外径为,内径为 ,厚度为,每环管片宽,预 制 管 片 背 后 与 围 岩 间 的 空 腔 平 均 为,采用豆砾石充
5、填并进行回填灌浆。标施工段包括进洞支洞和主洞两部分,设计由施工支洞进洞,全长 ,设计纵坡 ,洞口高程与主洞高差为 ,于桩号 处始发掘进。进洞支洞与隧洞主洞相交于()后,开始向主洞下游方向掘进至()处拆卸洞室停止掘进,主洞全长 ,设计坡度 。整体施工布置如图 所示。图 中部引黄输水隧洞 标掘进段示意 工程水文地质条件 标施工段沿线高程最高点为 ,最低点为湫水河 ,相对高差约为,为低中山区,隧洞埋深主要在 。隧洞穿越地层依次为奥陶系灰岩和泥灰岩、寒武系白云岩和泥质条带灰岩、太古界黑云斜长片麻岩、石墨透闪石大理岩和变质石英砂岩。隧洞进洞支洞和主洞沿轴线方向共经过 条断层,包括组成离石大断裂的断层。其
6、中主洞段共经过 条断层,条断层位于地下水位以下,具体如表 所示。表 主洞段沿线断层分布统计 断层编号断层性质破碎带里程宽度地下水位情况正断层()()正断层()()逆断层()()地下水位以上,洞 身 为碳酸盐岩正断层()()正断层()()地下水位以下,洞 身 为变质岩 隧洞主洞段沿线地下水类型主要有变质岩类裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水(区间水及层间水)。自()以后,隧洞多位于地下水位以下,地下水位高于洞顶,设计预测全隧洞最大涌水量为 ,为典型的高压富水隧洞。工程重难点分析 )隧洞局部洞段岩石较坚硬,抗压强度一般为,石英含量为,可钻性为 级,岩体相对较完整,裂隙发育程度较低。在完整坚硬岩段中掘进时,
7、可钻性及掘进效率显著下降,刀具检查频次及消耗量明显增加。根据相邻洞段的施工经验,相同掘进距离条件下硬岩段查 换刀时间约为软岩段的 倍,刀具消耗量约为软岩段的 倍,将极大地影响 掘进效率与施工成本。)根据勘察设计资料,隧洞沿线涉及天桥泉域和柳林泉域,泉域分水岭在()的黑茶山一带,地下水的补给为大气降水补给及其他类水的侧向补给或越流补给。,断层距离较近,且均为倾角较陡的正断层,形成地堑式的断层组合,成为有利的富水构造,极有可能存在高压力、大流量、突发性的涌水。)标施工段采用双护盾 施工,掘进距离为 ,施工后成洞段净空仅 ,由于地质条件限制,隧洞沿线无条件布置辅助坑道,使隧洞连续出碴距离及独头通风距
8、离均达到目前国 王 锋:中部引黄输水隧洞工程施工关键技术研究 内最长。在隧洞掘进距离长、施工断面小的条件下,如何解决长距离出碴及隧道通风,保证 持续稳定快速施工是本工程的两大难题。施工关键技术 滚刀破岩效能提升技术 中部引黄输水隧洞 标施工段采用 台直径为 的双护盾,刀盘上共设有 把(英寸)滚刀,如图 所示。其中,刀盘中心处布置 把双刃滚刀,刀刃编号为 号;布置 把单刃滚刀,其中 号为正面滚刀,号为边缘滚刀。刀具额定荷载。图 刀盘刀具布置 根据现场施工情况统计,中部引黄输水隧洞 掘进至()后,揭露地层为太古界界河口群奥家湾组变质岩,岩石较坚硬,岩体较完整,裂隙发育程度较低。统计 掘进至高磨蚀性
9、硬岩段前 个月和后 个月的滚刀使用情况,如表 所示。由表 可知,在高磨蚀性硬岩段中掘进时,刀具检查频次及消耗量明显增加。表 滚刀使用情况统计 桩号围岩掘进 检查频次 次掘进 刀具更换 把()前碳酸盐岩 ()后变质岩 根据以往工程经验,滚刀在完整坚硬岩段掘进时,存在明显的掘进功耗大、掘进速度慢、破岩效率低、刀具损耗大等问题,其可能原因为岩石强度致密且强度大,同时刀刃平且钝,导致滚刀在许用荷载下贯入岩石时,刀下密实核所传递的荷载不足以驱动刀间侧向裂纹贯通,岩石不能有效破碎为片状岩碴,造成滚刀刃反复碾磨掌子面,破岩效率低下,掘进速度慢。因此,在完整硬岩段施工时,需对 滚刀进行针对性设计。针对开展全尺
10、度滚刀直线破岩试验周期长、成本高、可重复性差等难题,采用规模化小尺度滚刀破岩试验和滚刀破岩现场掘进试验相结合的手段,对滚刀破岩效能提升技术开展研究。小尺度滚刀破岩试验 目前室内小尺度滚刀破岩试验平台多为非滚压破岩模式,无法实时准确测试破岩荷载,多用于滚刀磨损分析而非破岩机制研究。鉴于此,研制了多功能滚刀破岩试验平台(见图),对岩样进行直线切割破岩试验。试验平台由控制系统、试验台及测试系统组成,具有与实际 滚刀破岩机理相似、岩石试样利用率高、围压加载方便、破岩荷载测试方便等优点。图 小尺度多功能滚刀破岩试验平台 分别对平刃、楔刃和复合刃 种刃形滚刀的破岩效果 进 行 测 试,种 刃 形 刀 圈
11、的 直 径 均 为,平刃滚刀的刃部宽度为 ;楔刃滚刀的刃部宽度为 ,楔角为 ;复合刃滚刀的刃部宽度为 ,为双段楔角结构,第 段楔角为、第 段楔角为。其中,复合刃滚刀的基本刃形根据施工期间滚刀正常磨损的最终形态确定,在此基础上通过数值模拟手段确定最优刃部宽度和楔角角度。设定试验滚刀贯入深度为,切割速度为 ,试验过程中以 频率对滚刀破岩后岩碴大小、质量、滚刀法向力及破岩比能等参数进行分析。为分析 滚刀刃形对破岩效果的影响规律,将不同滚刀刃形各试验组的平均法向力、峰值法向力、岩碴质量、比能等数据分别取平均值进行对比。小尺度滚刀破岩试验结果表明,平刃、楔刃和复合刃滚刀的平均法向力分别为 ,楔刃 施工技
12、术(中英文)第 卷和复合刃滚刀的平均法向力接近,且明显小于平刃滚刀,减小幅度为 ;平刃、楔刃和复合刃滚刀的峰值法向力分别为 ,楔刃和复合刃滚刀的峰值法向力明显小于平刃滚刀,复合刃滚刀的减小幅度约为;平刃、楔刃和复合刃滚刀的岩碴量分别为 ,楔刃滚刀和复合刃滚刀产生的岩碴量小于平刃滚刀;平刃、楔刃和复合 刃 滚 刀 的 破 岩 比 能 分 别 为 ,复合刃滚刀的破岩比能比平刃滚刀的破岩比能小约,破岩效率显著提升。结合滚刀破岩机理,可看出平刃滚刀刀刃与岩石接触区域较宽,在破碎硬岩时,不足以驱动侧向裂纹的扩展、贯通乃至成碴,使滚刀刃反复碾磨掌子面;楔刃滚刀刀刃锋锐,刀刃与岩石接触区域较窄,使刀刃易贯入
13、岩石,同时,由于楔刃滚刀的楔形结构形式,滚刀刃一旦贯入岩石后,其楔刃面将对两侧岩石产生较大的侧向推挤力,加速刀间侧向裂纹的扩展和贯通,可有效提升滚刀破岩效率。但楔刃滚刀的刃宽较小、刃部楔角较小,致使其强度减弱,崩刃风险增大,如图 所示,试验过程中楔刃滚刀出现了崩刃现象,而平刃滚刀和复合刃滚刀使用均较完好,未出现明显破损现象。图 楔刃滚刀崩刃 滚刀破岩现场掘进试验 标施工段进入完整坚硬岩段后,开展不同刃形滚刀破岩现场掘进工艺性试验,采用 种刃形全盘滚刀分别掘进,且试验时保证刀盘转速和贯入度相同,测定 种工况条件下 掘进参数,现场试验结果如表 所示。表 不同刃形滚刀施工时掘进参数对比 工况推力 扭
14、矩()滚刀异常损坏平刃刀圈 把滚刀轴承破坏楔刃刀圈 多把边刀很快失效复合刃刀圈 整体平稳 由表 可知,平刃刀圈在硬岩段掘进时,由于岩石强度较高,破岩过程中刀盘推力较大,造成滚刀超负荷运转而导致轴承出现破坏;楔刃刀圈破岩过程中产生巨大冲击荷载,造成多把 滚刀刀圈崩裂;复合刃刀圈滚刀整体表现平稳,试验段掘进过程中没有滚刀出现异常损坏。与平刃刀圈相比,在相同转速和贯入度的情况下,复合刃刀圈掘进时 刀盘推力下降约,扭矩下降约。滚刀破岩现场试验与室内小尺度滚刀破岩试验结论一致,表明复合刃刀圈可有效降低破岩荷载、提高 滚刀破岩效率。实际应用效果 中部引黄输水隧洞施工期间对滚刀刀圈刃形进行优化改进后,使用寿
15、命由改进前设计寿命的提高到设计寿命的。刀圈异常损坏情况基本消失,仅偶尔出现刀圈较小程度的偏磨和崩刃现象。后续洞段施工期间,掘进速度由滚刀 优 化 前 的 平 均 提 高 至 。工程实践证明,针对 滚刀的优化设计有效提高了滚刀在高耐磨性硬岩段的破岩效率和 掘进效率,整体加快了工程进度。小断面高压富水隧洞反坡排水 中部引黄输水隧洞全程反坡掘进 ,开挖断面直径为 ,衬砌后隧洞断面直径仅为,抽排水扬程。穿越高压富水洞段时,存在小断面隧洞长距离、高扬程、大流量抽排水难度高的问题。鉴于此,对洞内管道系统进行优化设计,提出管道系统分流多级反坡排水系统。根据隧洞沿线水文地质条件,设计单位预测隧洞最大涌水量为
16、。根据规范要求,工作水泵的排水能力应满足在 内排出隧洞 的正常涌水量,中部引黄输水隧洞设计总排水能力为,隧洞内管道排水系统具体管路布置如图 所示。隧洞排水系统沿洞线可分为:伸缩盾连接桥后配套移动污水箱主洞洞身蓄水池主支洞交叉扩挖洞蓄水池隧洞洞外。伸缩盾 连接桥至后配套移动污水箱 在 伸缩盾内和连接桥处各安装 台功率,流量 的国外进口潜水泵,分别排水至距连接桥 处的 后配套中部移动污水箱,机泵额定排水能力达 。后配套移动污水箱至洞身蓄水沉淀池 主洞段长度为 ,抽排水距离较长,在主洞内()处设置洞身蓄水池,可储水量。在蓄水池处设置主 移动泵站,将 台 王 锋:中部引黄输水隧洞工程施工关键技术研究
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