水电站设计
第20卷第3期
DHPS2004年9月
格鲁吉亚卡杜里水电站引水隧洞
施工方案及施工组织优化
鞠其凤,谢新生
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(1.国家电力公司成都勘测设计研究院,四川成都 610072;2.四川大学水电学院,四川成都 610065)
摘 要:格鲁吉亚卡杜里水电站引水隧洞是影响该电站发电的关键工程。在工程实施过程中,依据工程所面临的具体建设环境和条件,对引水隧洞原施工技术方案进行了改进和优化,将常规钻爆法开挖改为TBM掘进开挖。这一举措不仅为工程的顺利实施提供了保障,也为本工程带来了显著的经济效益。
关键词:引水隧洞;施工方案;施工组织设计;隧洞掘进;格鲁吉亚卡杜里水电站
中图法分类号:TV52 文献标识码:B 文章编号:1003-9805(2004)03-0030-04
1 工程概况
卡杜里水电站位于格鲁吉亚卡克特(KAKHET)境内阿卡迈特(AKHMETA)区卡杜里村附近,距离
格鲁吉亚首府第比利斯198km。
卡杜里水电站的开发任务是发电,以解决格鲁吉亚电网和工程所在地区的电力供应紧张问题。在此之前,工程所在地区白天不能供电,晚间也只是间断供电,电力供应非常短缺。该地区盛产葡萄酒,是格鲁吉亚和前苏联的水果基地,有“后花园”之美称,但由于电力短缺,严重制约了当地的经济发展。电站枢纽工程主要建筑物由萨河(SamkuristskaliRiver)底格栏栅坝、沉砂池、引水隧洞,阿河(AlazaniRiver)底格栏栅坝、沉砂池、引水隧洞,以及合并后的隧洞、调压室、压力管道(包括长度为170余米的地下埋管段以及约570m的明管段)和地面厂房组成。地面厂房位于两河汇合口上游附近两河之间的坡脚地带。
本工程为引水式电站,装机容量2×12MW,多年及枯水年平均年发电量分别为1.386亿kW·h、1.23亿kW·h,年利用小时数为5780h,电站引用流量为10.36m3/s,额定水头278m。
阿河和萨河隧洞进口至汇口之间的隧洞长分别为3661.854m和1542.236m,汇口后隧洞总长1025.6m,皆为城门洞形,宽1.8m,汇口前后洞高分别为1.9m和2.0m。
收稿日期:2003-12-01
2 工程建设面临的问题
2.1 工程地质条件复杂,成洞条件差
工程位于格鲁吉亚东部高加索卡兹比吉-拉歌德科(Kazbegi-Lagodekhi)褶皱构造带南坡,强烈变位的阿里斯系地层主要由变质页岩构成,含有石英砂岩、辉绿岩脉。阿里斯系沉积层中有错综复杂的断
层、复式大背斜分布。
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隧洞穿过的地层均为侏罗纪下统(J1J21、J1kr、1d)
地层,岩性为石英岩、石英砂岩、页岩以及粘土页岩,产状为N50°～70°W/NE∠60°～80°,基本为单斜构造。有两条较大的断层F1及F2横穿或斜穿引水隧洞,沿线还有一些小断层及层间挤压带,断层附近的岩体破碎,裂隙极为发育,强度较低,对隧洞围岩稳定不利。
萨河引水线路洞线与层面夹角较大,石英岩、石英砂岩洞段围岩整体稳定性较好,页岩及粘土页岩洞段围岩稳定性较差,但洞线埋深较浅;阿河引水线路洞线与层面夹角较小(20°左右),岩层倾角较陡,围岩稳定性较差,隧洞埋深较大。根据隧洞围岩的岩性、构造、岩体结构等可将其分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四类。Ⅱ类主要分布于埋深较大的J11地层中,岩性以较完整坚硬的石英岩或石英砂岩为主,长度约占隧洞总长度的9.6%;Ⅲ类主要分
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布于J11及J1kr地层中,岩性主要为石英岩、石英砂
岩、砂岩与页岩互层,长度约占隧洞总长度的
作者简介:鞠其凤(1973-),男,重庆人,工程师,主要从事水电站工程施工监理工作。
3038.5%;Ⅳ类主要分布于J1kr及J1d地层中,在J1地层中有少量分布,岩性主要为砂页岩互层及埋深较浅的石英砂岩,约占隧洞全长的39.4%;Ⅴ类主要为断层破碎带及其影响带、裂隙密集带、页岩集中带,在各种地层中均有分布,约占隧洞全长的12.5%。
根据原进度计划,工程施工进度的主要控制工期为引水隧洞。如果采用常规钻爆法进行施工,鉴于上述地质条件,不仅因为成洞困难而存在较大的施工难度,而且由于安全支护和衬砌的工作量大,将严重拖延施工工期。
2.2 工程建设所需物资奇缺,制约了施工技术方案的选择
在格鲁吉亚工程建设所必需的各种建筑材料匮乏,尤其是火工产品(炸药、雷管、导爆索等的供应和管制)、钢材、木材等,而它们对于采用常规钻爆法进行地下隧洞的施工又是必需的。因此按原施工技术方案实施将造成极大困难,并使工期及投资难以控制,必须对原施工方案进行改进和优化。2.3 施工队伍的技术水平和管理水平低
格鲁吉亚缺乏成建制的水电工程施工队伍。尽管有几家前苏联时期遗留下来的专业施工队伍,但均已破败不堪。不仅施工设备破旧,而且缺乏各个层次的工程管理人员和专业技术人员,甚至包括一般的劳动力。同时,当地施工单位对目前行业中的各种新的施工技术和施工工艺的掌握和应用远远落后于行业的发展,在现场施工管理方面也还停留在比较低的水平。这样的施工单位无论是在工程质量方面,还是在保证工程进度方面,均不能满足工程按原计划实施的需要,使本来很简单的工程在当地实施变得异常艰难。如果选择国内的承包商去施工,从工程技术和管理上讲是非常简单的,但无疑将大大增加工程的费用,投资将远超过工程预算额度。2.4 施工能源缺乏
根据格鲁吉亚的能源现状以及工程所在地区的具体情况,如果依靠外来电源作为工程的施工电源,不但容量上很有限,供电的可靠性也很低,不能保证工程施工的需要。
鉴于在实施过程中所面临的上述环境和现有条件,原拟定的地下引水隧洞的施工技术方案中采用常规钻爆法难度很大,并将在工程的施工质量、施工工期方面带来巨大的潜在风险。为了确保工程质量,并按原定的进度计划实现首台机组发电的里程碑目标,必须对原施工技术方案和施工组织措施进一步优化。
3.1 原施工方案介绍
根据原施工方案,引水隧洞将采用常规钻孔、爆破的开挖方法以及钢筋混凝土和喷锚衬砌方案,两条引水隧洞同时施工,平行作业。为了满足现场施工需要增加工作面并缩短控制段的长度,故在不同部位总共布置了4条施工支洞,其中阿河隧洞沿线2条,萨河隧洞1条,并在两条隧洞汇合口附近也布置了1条。
根据原施工组织设计,两条隧洞同时充水、调试是首台机组发电的前提条件。引水隧洞施工是控制发电工期的关键线路。引水隧洞施工从2001年5月支洞土石明挖开始至2003年3月支洞封堵完毕,4月底具备通水发电条件,共历时24个月。
据此,在阿河隧洞上的2号施工支洞与阿河首部附近的1号施工支洞之间洞段(支洞长约520m,主洞长约2500m)的施工将成为首台机组发电的关键施工线路。共计3000余米的隧洞开挖支护、衬砌将在21个月之内完成,考虑双头推进,以及前期支洞口处理和后期支洞封堵等的影响,要求单工作面的平均综合月进尺(包括开挖、支护、衬砌以及设计所要求的灌浆和后期清理等工作)不得低于80m。由于隧洞断面较小,只能采取先开挖、完成之后再衬砌的工作程序。据此,单工作面开挖和安全支护月平均进尺不得低于120m。
2001年5月,通过议标,先开工阿河引水隧洞上的2号支洞以做探索。考虑到该工程的特殊环境,由业主向承包商提供工程施工所需的钢材和火工产品(炸药、雷管、导爆索等)。通过该施工支洞的实施表明:采用常规钻爆法进行地下引水隧洞的施工将使工程的实施异常艰难。
(1)进度方面:该施工支洞总长523m,于2001年5月底开工,并于2002年2月底完工,总历时9个月,开挖月平均进尺仅为58.1m,远远低于计划进度要求的120m。由于存在各种材料(主要是开挖阶段的火工产品和后期衬砌阶段的钢筋等)供应方面的问题,以及承包商的施工能力不足,工程进度不能得到保证。
(2)质量方面:众所周知,通过常规钻爆法开挖的地下隧洞周边的围岩由于受到爆破冲击波的影响,存在较宽的爆破影响松动带。加上当地承包商对地下洞室的衬砌认识不够,施工能力有限,无疑给工程的施工质量带来了潜在的隐患。
(3)工程量(投资)方面:由于施工单位对地下爆
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3 引水隧洞施工技术方案的比较及选定
破工艺(预裂、光面等)不能很好予以应用,导致超挖比较严重(达到10%左右),不仅增大了开挖工程量,而且增加了支护和衬砌(主要是回填)的工程量。同时,由爆破法开挖造成的松动带,也需要进行安全支护和衬砌。因此,隧洞的投资大大增加。
根据2号施工支洞的实施经验,如果继续采用常规钻爆法进行引水隧洞的开挖施工,不但施工质量和施工工期目标难以实现,而且在工程量和投资上也将很难控制。
3.2 新方案的选择及可行性论证
为了保证工程的顺利实施,工程建设有关各方就引水系统的布置和施工方案进行了充分的讨论和研究,其中包括:
(1)明管引水方案。为了避免大量的地下工程施工,分别从阿河和萨河首部开始,沿着两条河流的岸坡铺设引水管线到发电厂房。在施工组织方面仍然按照原来的两河同时引水发电的方案。尽管该方案可以避免大量的地下工程施工(包括开挖和支护、衬砌等),但取而代之的是大量的明挖和边坡支护工程量,仍然需要大量的火工产品、支护材料以及劳务。最主要的是,由于工程地形、地质方面的原因(河流两侧有大量“V”型沟谷切割,沟床一般均堆积了一些崩坡积的块碎石土,虽然大部分边坡植被发育,但在雨季和春天冰雪融化时也有大量地表水,因此山洪急流、泥石流、雪崩等不良物理地质作用时有发生),明管引水的方案难以实施,因此不予采用。
(2)TBM掘进方案。由于TBM掘进隧洞主要是依靠刀头对岩石的切割、挤压达到破碎岩石的目的,且工作面比较集中,不但可以避免大量的火工产品和支护材料的需求,还可以节省大量的劳务。在施工电源方面,尽管单个工作面对施工电源的容量要求比较高,但因为TBM掘进法的工作面相对比较集中,与常规钻爆法的多个工作面对施工电源的需求总和相比,两者相近。
因此,重点对常规钻爆法和TBM掘进法进行了分析比较,得出如下主要结论:
(1)施工质量方面。常规钻爆法开挖的地下洞室岩壁周围均存在一定程度的爆破松动带,不仅对施工期周边围岩的稳定和安全构成一定的潜在威胁,而且还对后期的隧洞衬砌也提出了更高的要求;同时,在开挖控制方面,钻爆法不仅受到测量的控制,还受到钻孔精度、爆破参数的采用等因素的影响。而在同样的地质条件下,采用TBM掘进的洞室不存在爆破松动带,仅仅在岩壁上遗留有很薄的一层挤压破碎带,通过高压风水冲洗即可露出原状岩石;其掘进的精度主要依靠测量控制,很少受到其他32施工因素的干扰,因此易于控制。
(2)工程进度方面。根据钻爆法的施工安排,主体工程开工之时就有4条施工支洞同时开工,进入永久引水隧洞施工时,同时施工的工作面将达到9个。如此众多的地下施工工作面无论在施工设备方面,还是在施工材料(包括火工产品、安全支护材料等)及劳务的提供方面,均对施工队伍提出了较高的要求。根据工程所在地的具体情况,要满足这些要求,难度非常大,甚至不现实,工程的施工工期也不能得到保障。根据2号施工支洞的实施结果(单工作面月平均开挖进尺仅58.1m),原计划的施工工期要求根本不可能得以实现。而采用TBM施工,不仅可以避免上述施工设备、施工材料和劳务方面的问题,更主要的是工程的施工进度比较有保障(标称月平均进尺可以达到300～600m),因此使本工程地下引水隧洞的实施变得更加可行。
另外,由于钻爆法开挖方法与TBM掘进法对周边围岩的扰动程度不同,导致后期的隧洞衬砌工作量也大不一样。对于本工程,不同开挖方案下的衬砌要求如表1所示。
表1 不同开挖方案下的衬砌要求
岩石类别Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类
钻爆法方案大部分不衬砌,局部喷锚
TBM方案大部分不衬砌
喷锚衬砌,局部钢筋混凝土大部分不衬砌,局部喷锚单层钢筋混凝土衬砌喷锚衬砌,局部钢筋混凝土双层钢筋混凝土衬砌
单层钢筋混凝土衬砌
根据工程开挖后揭露出的地质情况,引水隧洞
所经过的岩层除少部分(大约10%)为Ⅱ类围岩以外,大部分为Ⅲ类和Ⅳ类围岩(占75%以上),Ⅴ类围岩也占到15%左右。根据上述要求,引水隧洞的90%以上洞段需进行衬砌。而采用TBM掘进法隧洞衬砌工作量将大大减少,同时也节约了施工时间。
(3)工程量方面。在开挖阶段,由于常规钻爆法必然存在一定程度的超挖,理论上在7%左右,而考虑到当地承包商的实施水平以及各种施工参数的应用方面的因素并参照2号施工支洞的实施结果,实际超挖将达到10%,导致安全支护工作量及后期衬砌工程量(包括超挖部位的回填等)大幅增加。而根据TBM的掘进原理(切割、挤压破碎),对隧洞周边围岩扰动极小,不会导致任何超挖现象,也减少了安全支护工作量,同时还将大大减少后期衬砌的工程量。
(4)工程协调方面。由于常规钻爆法有多个工作面同时施工,不可避免地对工程的协调要求较高。而TBM掘进法由于工作面集中,工程施工协调难度降低,也为工程的顺利实施提供了有利条件。
常规钻爆法与TBM掘进法在引水隧洞施工方面的比较见表2。
经过工程有关各方对各种施工方案的综合分析比较并经过多次充分讨论和论证,最终决定选用TBM掘进法进行引水隧洞的施工。同时,根据各方面的综合考虑并结合工程的具体情况,确定选用刚
项 目工程质量
钻爆法施工方案
受爆破松动带的影响,质量保证比较困难
刚完成澳大利亚某工程的一台双护盾TBM(编号DS-297,刀头直径即开挖直径3.0m)进行引水隧洞的开挖,后续安全支护根据需要采用钢支撑与钢丝网相结合的方式,隧洞衬砌则在开挖完成以后进行。
TBM施工方案
不存在爆破松动带,质量更容易得到保证
基于现代施工技术和现代管理方法的施工方案,工程的
施工工期可以得到较高的保证。另外,衬砌工作量减少,工期缩短。萨河隧洞开挖贯通约10个月,该隧洞总工期约16个月
现代施工工艺,首期一次性投入高,后期使用投入低只需要日常润滑油等,投入低工作面集中,配合人力需求少
根据TBM掘进后的围岩情况以及周边围岩的扰动状况,需要衬砌的部位大大减少,所需要的各种投入和成本也大大降低
工作面相对集中,易于协调
表2 常规钻爆法与TBM掘进法的比较
工期保证
由于施工材料的供应、承包商的施工水平以及多个工作面之间的不确定因素等诸多原因,工期保证率较低。另外,衬砌工作量也较大,工期较长。隧洞计划工期21个月,其中开挖约15个月。根据试验结果,仅仅开挖就需要30余个月
比较原始的施工设备,首期投入低,后期使用投入高大量的火工产品,投入高工作面多,需要人力多
由于衬砌的部位多,工程量大,所需要的设备投入、材料投入、人力投入均较大,成本也较高。同时,由于衬砌的工作量较大,投资也增加工作面众多,协调难度大
工程投资
开挖阶段
设备投入材料投入人力投入衬砌阶段
工程协调
挖量比常规钻爆法节约开挖量10%左右,而衬砌工
4 施工组织的优化
根据原拟定的常规钻爆法的施工技术方案,施工组织要求阿河和萨河引水隧洞同时开工、竣工并满足首台机组充水发电的要求。
基于施工技术方案的改变,并结合工程进度和投资方面的综合权衡考虑,施工组织方面也进行了相应的优化,即选择单台TBM单向掘进,先贯通萨河引水隧洞引水发电,为建设单位带来提早发电的显著经济效益,并可解决后续工程施工的电力供应问题。
程量节省50%以上。由此可见,该施工技术方案的优化给工程带来的效益非常显著。
(2)提前发电对后期工程的实施起到了很大的推动作用。根据优化后的施工技术方案和施工组织措施,首台机组比采用常规钻爆法提前25个月投产发电,其间可发电量约为2.16亿kW·h,将从很大程度上缓解格鲁吉亚(尤其是工程所在地区)电力紧张的局面。在格鲁吉亚卡杜里这种极其艰难的特殊环境下,卡杜里水电站第一台机组的投产发电,不仅将带来极其显著的经济和社会效益,更为重要的是它更加坚定了工程有关各方成功完建本工程的信心和决心,无疑将大大地促进后续未完部分工程的顺利实施和完建。
5 工程实施结果
实践证明,在工程实施过程中对施工方案和施工组织的调整为工程的顺利实施提供了坚实的保障,并使工程利益实现了最大化。
(1)就工程本身而言,通过上述一系列调整,使工程在质量、进度和工程量方面均得到了有效控制。质量方面,鉴于所选择的施工技术方案的特点以及TBM设备供应厂家提供了熟练操作手,并在实施过程中加强测量控制的频率,确保了隧洞掘进的施工质量,为萨河引水隧洞的成功贯通提供了强有力的技术保障;在进度方面,仅仅在处于工程施工关键线路上的隧洞开挖方面就节省了20多个月的时间,考虑衬砌方面优化的工期,首台机组发电的总工期节省了25个月;工程量方面,通过TBM掘进的隧洞开
6 结束语
通过格鲁吉亚卡杜里水电站引水隧洞工程的实施可见,合理的施工技术方案和施工组织措施对一个项目的顺利实施乃至成败有着至关重要的作用。
因此,在选择施工技术方案和制定施工组织措施时,应当根据工程的具体情况,因地制宜,通过多方案的综合比较和分析,紧紧围绕项目整体利益最大化这一重点和核心,选择合理可行的施工技术方案并进行合理的施工组织。对行业中先进的施工技术、新工艺和先进设备应当优先考虑。尽管它们在前期一次性投入比较大,但由此带来的效益却是很显著的。
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