厄瓜多尔CCS水电站TBM法施工引水隧洞工程地质条件及问题初步研究

杨继华，齐三红，郭卫新，杨风威，娄国川

(黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 4 50003)

0 引言

TBM施工具有快速、高效、优质、安全及环保的技术特点，已广泛应用于水利水电、交通、国防及市政等工程的隧洞施工中，其掘进速度一般为传统钻爆法的3～10倍。据统计，近年来全世界30% ～40%的隧洞是由TBM施工完成的。实践表明，当隧洞独头掘进超过3 km或隧洞长径比大于600时有必要研究TBM施工的可行性［1-4］。

与钻爆法相比，TBM对地质条件适应性较差，当在没有预案的情况下遇到不良地质条件时，往往会导致掘进速度缓慢、延误工期及经济损失等。针对此问题，国内学者尚彦军等［5］、罗志虎等［6］、李元等［7］、刘芃呈等［8］分别研究万家寨引黄工程隧洞、锦屏二级水电站深埋长引水隧洞、大伙房输水隧洞等工程的地质条件，得出了有益的结论，并针对TBM施工的工程地质问题提出了对策。

目前相关的研究主要集中在工程地质条件分析方面。众所周知，掘进速度快是TBM法隧洞施工的核心优势，而TBM的掘进效率会受到工程地质条件的制约，故只有将两者相结合研究，才能做到研究的针对性。

本文以厄瓜多尔Coca-Codo Sinclair水电站(简称CCS水电站)引水隧洞为工程背景，基于TBM的掘进效率研究引水隧洞的工程地质条件，并针对可能出现的工程地质问题提出预防措施和对策。

1 工程地质条件

1．1 工程概况

CCS水电站位于厄瓜多尔Napo省和Sucumbios省境内的Coca河下游，电站在首部枢纽建坝拦蓄河水，库水通过一条引水隧洞输至调蓄水库，再通过引水发电洞至地下厂房(见图1)。利用调蓄水库与地下厂房之间500余m的天然水头差进行发电，电站总装机1 500 MW，是厄瓜多尔最大的水电站。

图1 CCS水电站平面布置图Fig．1 Plan layout of CCS hydropower station

CCS水电站引水隧洞洞线长度约24．8 km，拟采用2台双护盾式TBM进行开挖施工。洞身采用预制混凝土管片衬砌、豆砾石回填灌浆的支护方式，开挖洞径为9．11 m，衬砌后洞径为8．20 m。

1．2 工程地质条件

隧洞进水口洞底高程为1 250．00 m，出水口洞底高程为1 204．50 m，隧洞沿线埋深总体较大，一般洞段在300～600 m，个别洞段大于700 m。隧洞沿线主要为一单斜地层，岩层大多倾向NE，倾角以5°～10°为主，隧洞穿过的地层岩性以侏罗纪-白垩纪Misahualli地层(J-Km)安山岩为主，进口处600～700 m为花岗岩侵入体(Gd)，出口段2 500 m为白垩纪下统Hollin地层(Kh)砂岩、页岩互层。

工程区地质构造比较复杂，断层多沿沟谷、河床及侵入体界限附近发育，倾角较陡。区内岩体结构面数据分散，主要分为3组，其平均产状如下:1)走向310°，倾向 NE 或 SW，倾角70°～80°;2)走向285°，倾向 NE 或SW，倾角75°～80°;3)走向80°，倾向NW 或SE，倾角70°～80°。区内应力场由构造应力和自重应力叠加而成，最大主应力(σ1)为8～10 MPa，方向为315°～340°。区内地下水位始终高于隧洞高程，水压力与隧洞深度有关，一般比隧洞高几十米，初步估计隧洞最大涌水量可达到750 L/s。

2 影响TBM掘进效率的主要工程地质因素

2．1 岩石单轴抗压强度(Rc)

理论上，单轴抗压强度(Rc)在5～250 MPa的岩石都可采用TBM施工，一定范围内Rc越低，TBM的滚刀的贯入度越高，掘进速率越高;反之Rc越高，TBM的滚刀贯入度越低，掘进速率越低。但如果Rc太低，TBM掘进后围岩的自稳时间极短，甚至不能自稳，从而引起塌方或围岩快速收敛变形等灾害，导致停机处理，降低纯掘进时间。因此，当Rc值在一定范围内时，TBM既能保持一定的掘进速率，又能使隧洞围岩在一定时间内保持自稳。目前大多数硬岩TBM较适合单轴抗压强度Rc值为30～150 MPa的岩石。可将岩石单轴抗压强度与TBM工作条件划分为“好、一般、差”3个级别(见表1)。

表1 岩石单轴抗压强度与TBM工作条件关系［9］Table 1 Relationship between uniaxial compressive strength of rocks and working difficulty of TBM［9］

2．2 岩石耐磨性

岩石的耐磨性与岩石的矿物成分有着密切的关系。石英、长石等矿物的含量对耐磨性影响较大，其含量越高则岩石的耐磨性越大。当石英、长石含量超过70%时对刀具的磨损很大，刀具的频繁更换会大大降低掘进效率，并显著增加工程成本。岩石的耐磨性指标目前一般采用CERCHAR试验法［10-12］，其方法为:使用一根锥夹角90°的钢针在70 N的荷载下于岩石表面以10 mm/min的速率移动10 mm，磨损后针尖的直径D用显微镜测量，岩石的耐磨性指标Ab(0．1 mm)由针尖的磨损值来确定，根据Ab值可将岩石的耐磨性分为5级。根据国内、外大量TBM工程实践，在低-中等耐磨性的岩石条件下TBM掘进效率较高，而在强-特强耐磨性的岩石条件下掘进效率较低。可根据Ab值将TBM的工作条件分为“好、一般、差”3个等级(见表2)。

表2 岩石的耐磨性与TBM工作条件关系［9］Table 2 Relationship between abrasiveness of rocks and working difficulty of TBM［9］

2．3 结构面状况

围岩的结构面状况一般可用岩石完整性系数Kv和结构面走向与掘进方向的夹角来衡量，岩体中节理、裂隙发育程度及其产状会在一定程度上影响TBM的掘进效率［13-14］。围岩结构面密度越大，则完整系数越小，此时有利于滚刀破岩，TBM掘进速率就越高。但当岩体中结构面特别发育时，岩体完整性系数很小，岩体呈碎裂状或散体状，已不具有自稳能力，此时必须对不稳定围岩进行大量加固处理，从而大大降低TBM掘进效率;当围岩结构面不发育时，岩体的完整性系数Kv很高，TBM破岩完全依赖于滚刀的作用，此时掘进效率也会降低。另外，结构面走向与掘进方向的夹角也会影响掘进效率。当夹角小于60°时，掘进效率随着夹角增大而增大;当夹角为60°时最有利于滚刀破岩;当夹角大于60°时，掘进效率有随着夹角增大而减小的趋势［14］。根据岩体完整性系数Kv和结构面走向与掘进方向的夹角可将TBM的工作条件分为3级(见表3)。

表3 结构面状况与TBM工作条件关系Table 3 Relationship between structural surface of rocks and working difficulty of TBM

2．4 其他因素

1)地应力。当地应力较高时，如果围岩为坚硬完整的脆性岩石时，则有可能发生岩爆;如果围岩为软岩，则有可能造成围岩的快速收敛变形，严重时会发生TBM卡机事故。因此，TBM较适合在中-低地应力条件下掘进。

2)地下水。地下水的涌水量和涌水范围对TBM掘进效率有所影响，在大涌水量的情况下，TBM施工条件和工作环境会变得恶劣，进而降低TBM的掘进效率。

3 CCS水电站引水隧洞TBM法施工地质适应性分析

对引水隧洞沿线关键洞段围岩进行取样，每种岩性均取样10组以上，岩性为新鲜的砂、页岩、安山岩及花岗岩。经过现场试验和室内试验，岩石的单轴抗压强度、耐磨性及完整性3个指标的范围值如表4所示。

表4 CCS水电站输水隧洞岩石的TBM工作条件Table 4 Working difficulty of TBM of headrace tunnel of CCS hydropower station

引水隧洞沿线的岩性主要由安山岩、砂岩、页岩及花岗岩组成，其中安山岩、花岗岩呈整体块状、块状结构，砂岩、页岩呈层状结构，节理、裂隙中等发育，地应力处于中-低水平，地下水总体不活跃，局部可能存在涌水。结合表4可以看出，CCS水电站引水隧洞TBM工作条件总体较好。

4 工程地质问题及对策

隧洞穿过的地层自西向东依次为白垩纪下统Hollin地层(Kh)砂、页岩(工程桩号 K24+816～K22+403)，侏罗纪-白垩纪Misahualli地层(J-Km)安山岩、凝灰岩，花岗岩侵入体(Gd)(工程桩号 K0+694～+000)。沿线各类地层所占比例如图2所示。按照RMR分类法对隧洞围岩进行了初步分类，分类结果如图3所示。由图2和图3可以看出，隧洞沿线穿过的地层主要为Misahualli地层，岩性以安山岩和凝灰岩为主，地质条件较好、适合成洞的Ⅱ类和Ⅲ类围岩占 79．2%，成洞条件差的Ⅳ类和Ⅴ类围岩占20．8%，主要分布在断层破碎带和节理密集带。

图2 隧洞沿线各类地层比例Fig．2 Proportion of different strata along the tunnel

图3 隧洞沿线各类围岩比例Fig．3 Proportion of surrounding rocks of different grades along the tunnel

经过对CCS引水隧洞沿线地质条件进行综合分析，在施工过程中很有可能出现一些诸如断层带围岩塌方、软岩大变形、岩爆、涌水、高地温及有害气体等不良地质问题。由于TBM法施工地质适应性较差的技术特点，如果事前没有预案及对策，可能会造成掘进缓慢或者被迫停机，两者都会大大降低TBM的平均掘进效率，无法发挥TBM掘进速度快的核心优势。

4．1 断层带围岩塌方

引水隧洞区内构造强烈、复杂，初步判断存在较多的节理密集带及断层剪切破碎带。在TBM施工中如处理不当，可能会引起围岩塌方导致TBM刀盘及护盾被埋的严重事故。针对以上问题，可采取以下措施。

4．1．1 超前预报

采用超前预报系统对掌子面前方围岩进行预测，目前地震法超前预报可探测距离达200 m，可作为长期预报，每周进行1次即可，对围岩进行初步判别。一旦发现存在断层，应加密探测。当掘进至断层5～10 m处时，可利用TBM配备的超前钻机向掌子面前方钻探，进一步查明断层的规模及性状，以便针对性地采取施工措施。

4．1．2 超前支护

采用TBM超前钻机向掌子面前方钻设超前锚杆，对掌子面前方围岩提前进行支护，并对前方围岩进行注浆固结。如果地下水不活跃，可注入水泥浆液;如果地下水流量较大，可采用化学灌浆，以形成在锚固圈保护下的掘进作业。为防止掌子面围岩塌方，在掘进前应对掌子面喷射混凝土。

4．2 软岩大变形

引水隧洞穿过约2 km的砂岩、页岩地层，砂岩、页岩强度较低，在埋深较大洞段，在地应力作用下，会产生较大变形，轻则破坏衬砌管片，严重时会卡住TBM护盾，造成卡机事故。

4．2．1 适当超挖及快速通过

如遇到短时间内快速收敛变形的围岩，可调整TBM刀盘边刀并安装扩挖刀，适当超挖以增加护盾与开挖面之间的空隙以避免护盾被卡住。软弱围岩的变形与时间有直接的关系，因此当掘进到快速收敛洞段时，应增加掘进时间，减小机械维护时间，使TBM在围岩发生足够大的变形之前尽快通过。

4．2．2 人工处理

一旦发生护盾被卡事故，可采用人工的办法凿除护盾周边的坍塌体和收缩围岩，以减少对护盾的挤压，并对前方岩体采用强化固结灌浆的办法以保持围岩的完整性进而提高围岩的稳定性。

4．3 岩爆

CCS水电站引水隧洞工程区构造运动剧烈，岩性以坚硬性脆的火山岩和侵入岩为主，易产生地应力聚集。另外，由于TBM开挖洞壁较光滑，不利于地应力的释放。因此，初步判断在局部高埋深洞段有发生岩爆的可能。针对可能出现的岩爆问题，可以采取以下预防措施及对策。

4．3．1 超前地质预报

岩爆的发生不仅取决于地应力条件，还与岩性及其分布特征、岩体结构和地下水状况及其他因素有关。在施工过程中，可观察岩石特征，并采用超前钻探的方法进行超前地质探测，预测地应力大小及岩爆发生的可能性，为岩爆防治提供依据。

4．3．2 释放岩体中的应力

可利用超前钻在掌子面上打超前钻孔，对掌子面的高地应力提前释放，必要时可打垂直洞壁岩面的径向应力释放孔。如果预测的地应力较高，可在超前钻孔装设炸药震裂完整岩体，也可向超前钻孔内注入高压水使围岩内部形成破裂带，从而降低掌子面和洞壁的高应力，以降低应力集中导致岩爆的可能性。

4．4 涌水

根据勘测设计成果，CCS水电站引水隧洞沿线全部位于地下水位以下。经初步预测，隧洞断层破碎带最大涌水总量可达到750 L/s。TBM施工中大的涌水会给施工带来很大的困难，特别是在围岩破碎的情况下，会严重影响施工进度，如何应对掘进过程中的涌水是施工中的关键问题之一。对于较大的地下涌水可采取以下措施。

4．4．1 逆向掘进

TBM采取逆向掘进的方式，即由下游向上游方向逆坡掘进，充分利用隧洞顺坡向排水的功能，减小大量涌水时TBM被淹的风险。

4．4．2 超前排水

根据超前地质预报结果，一旦发现掌子面前方的含水带，可采用超前钻打排水孔排水，同时增加洞内排水泵的数量，及时将地下水排出洞外。

4．4．3 注浆堵水

CCS水电站引水隧洞工程区内年平均降雨量超过5 000 mm，地下水有充足的补给来源，对于隧洞内少量涌水，可通过打排水孔的方法处理。对于大量的涌水，在隧洞内打排水孔并不能明显减小涌水量，并且隧洞围岩在大量涌水的长时间冲刷下有失稳的可能，后果严重时会导致衬砌的变形与损坏。此时，可采用高压灌注水泥浆或化学注浆方式堵塞住围岩中地下水的活动通道，达到止水的目的，以保证隧洞围岩的稳定性及施工顺利进行。

4．5 高地温及有害气体

CCS水电站工程区西北部的Reventador火山为一座活火山，距隧洞最近约10 km，最近一次喷发在1976年，火山活动较频繁，地层深部岩浆活动强烈。一般情况下，在火山地带及附近修筑地下工程都会遇到较高的地温问题，初步判断隧洞局部地温较高。施工过程中应及时进行监测，并可在TBM上配备喷淋设施，向掌子面和洞壁围岩喷水降温，同时加强通风，以降低隧洞的温度。

根据隧洞围岩岩性特征分析，有害气体主要有一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)及甲烷(CH4)等。针对有害气体问题，可在侵入岩及断层破碎带等有害气体易出露部位进行超前探测，将有害气体排出洞外并监测有害气体含量，并加强通风，同时采取严格的防火措施，以确保洞内人员的施工安全。

5 结论与讨论

本文对影响TBM掘进效率的工程地质因素进行了探讨，以厄瓜多尔 CCS水电站引水隧洞为例，对TBM施工的地质适应性进行了分析，并针对可能出现的工程地质问题进行了研究，提出了预防措施和对策。主要结论如下:

1)影响TBM掘进效率的主要工程地质因素为岩石的单轴抗压强度、岩石的硬度及耐磨性、岩体的完整性、结构面走向与掘进方向的夹角、地应力及地下水等。经过分析，CCS水电站引水隧洞在这些因素上适合TBM法施工，且工作条件较好。

2)对CCS水电站引水隧洞TBM施工可能出现的工程地质问题进行了预测分析，主要包括断层破碎带塌方、软岩大变形、岩爆、涌水和高地温及有害气体5个方面，并根据不同的地质问题提出了相应的预案和对策。

CCS水电站引水隧洞由2台双护盾式TBM施工，于2012年9月开始掘进，目前总掘进里程已经过半，TBM1和 TBM2累计掘进进尺分别为 7．65 km和8．00 km，分别占计划进尺的70．8%和58．0%，其平均月进尺分别达到了545 m和667 m。在掘进过程中，局部洞段遇到的工程地质问题主要有断层破碎带、节理密集带岩体塌方及涌水等，用事前准备的施工预案进行处理，TBM均顺利通过了不良地质段，不良地质条件未对TBM掘进造成明显的影响。

工程地质条件对TBM的选型、施工组织及施工效率都有较大的影响，只有施工前对工程地质条件进行综合分析，找出不利因素，才能做到工程措施的针对性和有效性，从而提高TBM施工的效率。

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