面壁两年图破壁 蛰伏一载为贯通——兰州市水源地建设工程开工建设两
周年之际TBM1首段贯通侧记


作者:王志强    来源:兰州市水源地建设工程EPC总承包项目部    发布日期:2017/9/1    

2015年8月20日,兰州市水源地建设工程在TBM1工业广场举行了开工仪式。时隔两年,在兰州市水源地建设工程开工建设两周年之际,在隧洞中蛰伏了一年多的钢铁蛟龙-TBM1掘进机破壁而出,于2017年8月21日晚21时48分到达接触带竖井控制段上游掌子面,顺利实现首段贯通。

TBM1从2016年3月16日始发至今,经历了523个不平凡的日夜,艰难跋涉于极坚硬的石英闪长岩、石英片岩和蚀变花岗岩,完成掘进8.3公里。近两年的风风雨雨,暂不提前期施工准备的困难重重,单单TBM1进洞后的种种遭遇和磨难,足以叫参与者终身难忘。

颇具挑战的施工难度

TBM1是兰州市水源地建设工程的控制性节点工程之一,施工控制长度12.2公里,其中5#支洞掘进段长3公里、主洞掘进段7.7公里、接触带竖井TBM1滑行长1.5公里。

兰州市水源地工程TBM施工输水主隧洞为国内首条采用管片衬砌的有压隧洞,出口压力达到0.7MPa,对豆砾石吹填的密实度、回填灌浆质量及后续的固结灌浆、接触灌浆要求很高;采用的四边形管片(5+1)型,为国内首次应用于引水工程,管片制造难度大、安装精度要求高;豆砾石回填灌浆目前在国内尚无规范、标准可依,需在施工过程中进行探索;TBM1控制段地质条件复杂,岩性变化多端,从极坚硬的石英闪长岩、花岗岩、安山岩到极软的泥质砂岩和粉砂质粘土岩,岩石强度差别大(10MPa ~170MPa),首段掘进以石英片岩和蚀变花岗岩为主,花岗岩地层地质条件具有多变性、复杂性及难以预测性等特点,存在突泥、涌水、卡机等风险;TBM1是由中国中铁工程装备集团有限公司生产的国产首台双护盾TBM,施工分包商为首次驾驭双护盾TBM施工,设备制造及TBM施工环节均存在不同程度的不可控因素。设备制造商及施工分包商的经验不足,加之异常紧迫的施工工期、复杂的地质条件、极高的技术要求,给TBM1施工带来了极大的挑战。

然而,面对重重艰难险阻,在黄河设计公司的正确领导下,EPC总承包项目部齐心协力、迎难而上,从设备制造到施工筹备再到现场施工监控,从无所不在的设计支持再到超前精准的地质勘察,科学部署,组织分包商攻克一道道技术难题和施工障碍,以钢铁般的意志一步步实现了TBM1首段贯通。

全程参与的设备制造

为使TBM设备能达预期功能,EPC总承包项目部高度重视TBM设备制造环节,时刻关注设备制造的进度及质量。自设备制造以来,项目副经理兼TBM总监汪雪英分别于2015年10月9日和2015年10月17日组织召开两次设计联络会,并邀请国内知名专家到场进行指导、咨询。设备制造期间,汪雪英多次组织分包商及业内专家到制造车间、总装车间进行监督检查,对TBM制造、组装技术和质量控制等进行了技术指导,对TBM监造中发现的问题进行现场协调解决。2016年1月10日,EPC总承包项目部组织验收小组(业主、水电四局及特聘专家)在成都对TBM1进行出厂验收,验收小组依据出厂验收大纲进行逐项验收并编制验收报告。自此,黄河设计公司参与共同研发、具有完全自主知识产权的首台双护盾TBM研制成功,填补了我国双护盾硬岩TBM研制的空白,并将TBM制造周期成果缩短至6个月。

未雨绸缪的施工准备

在大力推进设备制造及TBM工业广场施工的同时,EPC总承包项目部提前谋划,积极组织分包商筹备TBM施工准备工作。

2015年12月20, EPC组织TBM施工专家组到现场对TBM进场前的施工准备工作进行检查和指导,组织召开TBM施工技术专题讨论会,针对TBM工业广场施工布置、TBM组装、滑行、始发等技术方案等提出了建议和解决措施。

为建立健全管片生产及TBM施工的组织结构和技术保障体系,明确TBM设备操作、维保人员的职责和要求,以期合理配置TBM作业班组人员和技术能力,实现施工队伍的专业化,确保输水主隧洞工程质量和进度。2016年2月2日,EPC总承包特邀TBM专家组织召开"管片预制及TBM施工队伍技术能力评估"专题会,并对TBM施工团队人员逐一进行现场考核及评价。根据现场考核情况,EPC项目部提出了具体的评估意见,督促分包商根据评估意见快速组建和完善管片预制及TBM施工关键技术人员配置,形成可靠的TBM施工技术保障体系。

经过短暂筹备,2016年1月20日,TBM1分批运抵施工现场,并于2月4日快速组装完成,开始始发进洞滑行。

一路坎坷的掘进历程

TBM1掘进之旅可谓路途坎坷、荆棘密布、困难重重。2016年3月试掘进伊始,即遇超硬岩地质段,岩石单轴抗压强度高达180MPa,刀具磨损严重,刀座开裂,设备故障频发,掘进效率低,对TBM设备和施工带来了极大考验。掘进过程中洞内温度高、粉尘污染大、通风不畅等使得作业环境十分恶劣,不同程度的影响着TBM1的顺利掘进。

自试掘进以来,TBM1掘进过程中曾6次穿越断层破碎带等不良地质条件;2016年11月,掘进至3.7公里时,总长3.3公里的连续皮带机整体倾覆;2017年3月份以来,接连遭遇围岩挤压变形卡机事件、突涌水等不良地质条件;8月19日,首段贯通前夕,TBM1再次遭遇突涌水,这些突发事件都阻挡了TBM1快速前进的脚步!

在最艰难、最困难的时刻,特别是在TBM1 遭遇卡机时,董事长张金良、总经理安新代、副总经理马跃生、牛富敏等公司领导多次赶赴水源地项目,深入现场调查研究,指导制订攻坚克难技术方案,并协调相关资源协助项目部全力以赴解决技术难题和突发事件,有力的推动了TBM施工正常、顺利进行!

无所不在的技术支撑

工程开工伊始,张金良董事长即下达了要充分发挥EPC的技术优势,充分发挥设计的龙头优势等重要指示。

两年来,秉承为设计为施工服务,设计与施工高度融合的理念,公司总工景来红、副总工毛文然多次不远千里深入施工现场一线,从管片制作燕尾槽的优化,到豆砾石回填灌浆施工方案的确定,再到固结灌浆的设计优化等等,殚精竭虑为TBM施工建言献策,为TBM施工提供优质高效的技术指导。

施工过程中,针对TBM管片预制、豆砾石回填灌浆、固结灌浆等关键性施工工序,以副经理耿波为首的设计团队,多次组织设计人员对分包商进行技术交底及技术指导;为进一步服务施工,设计管理部派员驻扎至施工一线,跟踪关键工序施工过程,为优化设计收集现场第一手资料。

同时,为更高效及时地进行项目技术决策,实现设计与施工高度融合,兰州水源地EPC项目部创造性地成立项目部技术决策专家委员会,收集并组织识别TBM施工技术问题,及时组织进行决策,并统筹安排处理,为TBM掘进的快速、顺利施工解除了后顾之忧,提供了全方位的技术服务。

超前精准的地质勘察

从可研至初设,以EPC项目部副经理、地质总监齐三红为首的地质团队多次组织地质人员对TBM施工控制段进行了周密的地质勘探、地表测绘。根据勘察成果,准确研判出接触带竖井不良地质条件的存在范围,并建议采用人工钻爆法提前挖除,避免TBM掘进时的卡机风险!施工阶段,依据前期勘察资料和丰富的工程经验,制定了一套系统的TBM施工阶段地质工作流程和围岩分类方法,并多次与分包商召开地质专题会、技术讨论会,对可能遇到的地质风险进行交底、分析,确定应对措施。现场地质工程师时刻跟踪围岩变化,每天通过钻入刀盘查看掌子面,结合TBM出渣情况确定围岩类型,不断完善地质信息,为TBM施工提供最精确的地质参考资料,并根据围岩变化情况建议分包商合理调整掘进参数(推力、贯入度,刀盘转速等),及时调整掘进模式及姿态,及时调整、确定安装管片类型。

从勘察到施工,公司副总工路新景、王学潮会同地质院领导、专家,多次深入现场查看地形地质条件,参与技术审查,就TBM施工段可能遇到的地质风险问题进行了详细的剖析,给出了处理措施。同时,为高效服务于TBM施工,副总工路新景牵头组织武汉大学、山东大学、中科院及郑州大学等国内知名科研机构的地质专家教授,采用地质分析、地震法、激发极化法相结合的综合超前预报方法对掌子面前方地质条件进行预报,在地质条件相对较差的洞段,进行叠加预报,通过多次预报的叠加,对预报结果进行对比,实现精确预报,为TBM施工多次穿越不良地质带提供了超前精准的地质研判和强有力的技术支撑。

全程监控的施工管理

面对分包商专业核心技术不够、施工组织经验不足、对TBM设备与掘进施工规律掌握不完全、施工工序衔接管理效率不高、岩石地质预判不精确、设备维保及配件供应不及时、应对超硬岩地质和不良地质的经验和措施不够等现实,EPC总承包项目部从系统性和前瞻性出发,组建了以TBM总监汪雪英为首,设计、施工、地质人员共同参与的TBM小组,根据工作需要常驻施工现场,及时、高效解决TBM施工问题;细致分析TBM1自试掘进以来暴露出的关键问题,并邀请国内知名专家进行现场咨询、技术指导,组织分包商及设备厂商进行设备改造,改善了施工作业环境,解决了制约TBM掘进的设备问题;拟定TBM施工专题例会制度,以剖析掘进过程各环节时间分布为主,识别影响掘进的关键工序及辅助工序,制定改进措施,提高TBM设备利用率,保证TBM施工进度;面对豆砾石回填灌浆没有成熟经验、规范可依的困难,不畏艰难,组织分包商进行豆砾石原材料逊径及岩粉含量敏感性分析,同时在洞内工艺试验过程中不拘泥于常规灌浆以压力控制的终灌标准,创造性地探索出一套豆砾石回填灌浆施工技术,不仅解决了本工程豆砾石回填灌浆质量问题,为国内类似工程提供了参考,同时,该项创新也为国内空缺的豆砾石回填灌浆技术规范的编制奠定了基础。设备改造及豆砾石回填灌浆问题的解决,使得TBM1迅速完成试掘进,进入全速掘进阶段。

完成试掘进后,TBM1首段掘进能否与接触带竖井控制段的顺利贯通对接,又成了一大考验。为此,EPC总承包项目部以项目部常务副经理熊建清为首的项目经理团队工作重心前移,组织施工监控部对TBM1施工进行精细化管理,落实责任到人。同时,组织设计管理部、施工监控部、HSE安全环保部人员多次组织进行专项检查,坚决坚持进度服从质量、质量服从安全的施工原则,保证TBM贯通施工安全。

为确保TBM1能够按期贯通,常务副经理熊建清及TBM总监汪雪英针对设备故障问题多次组织水电四局和设备厂商召开设备专题会,及时高效地解决了设备故障问题,保证了TBM1掘进的顺利进行。

为确保TBM1能够顺利贯通,常务副经理熊建清亲自督办协调河南锦源与水电四局建立联合工作机制,采取在接触带上游掌子面施工贯通控制导孔、在距离贯通面300米前完成地下基本导线复核测量的双重方式保证TBM掘进精准贯通。掘进过程中,时刻关注TBM掘进适时姿态,严格控制TBM掘进轴线偏差,全过程跟踪TBM导向系统工作参数,依据TBM1导向系统反映的偏差大小和方向,及时指导分包商进行TBM姿态纠编,最终实现了TBM1首段与接触带控制段的完美对接。

TBM1首段贯通后,将在进行全面检修后,开始新的征程,进入1.5公里滑行段及剩余2.4公里掘进段施工的冲刺阶段,工期压力依然很大,与前期硬岩掘进不同,TBM1即将面临滑行段快速滑行通过,刀具对泥质砂岩段地质条件适应性及长距离隧洞独头掘进时施工通风的多重考验。TBM设备性能虽日趋稳定,但已掘进8.3公里,部分设备会不同程度的存在老化问题,设备故障问题依然会频繁发生。为此,EPC总承包项目于2017年8月16日组织召开TBM1首段贯通及滑行段施工技术保障措施,对TBM1首段贯通、滑行段施工及后续泥质砂岩掘进段施工可能存在的风险因素进行了充分剖析,并制定了相应的管控措施。

结语

TBM1首段贯通,这一阶段性胜利标志着TBM1施工任务完成三分之二,同时也为后续TBM1滑行及第二段快速掘进积累了宝贵经验。

TBM1首段顺利贯通,倾注着公司领导的关怀与支持,倾注着EPC总承包项目部每位员工的辛勤汗水,标志着兰州市水源地建设工程取得了阶段性的胜利,同时为2017年实现输水主隧洞全线贯通奠定了坚实的基础。