錦屏二級水電站引水隧洞TBM 施工問題與對策探討

王 鴿， 龔 秋 明

(1.二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051;2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

1 概述

自上世紀(jì)50年代利用TBM首次進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)以來，由于TBM開挖在一般巖體條件下施工速度快、長隧道施工中經(jīng)濟效益良好、施工環(huán)境友好、施工安全及施工勞動強度低、對圍巖影響小等優(yōu)勢而得到了快速發(fā)展。到上世紀(jì)70、80年代，TBM隧道開挖在歐美市場已占到了相當(dāng)份額。隨著TBM技術(shù)的發(fā)展，TBM推力、扭矩、滾刀技術(shù)、支護(hù)技術(shù)、超前預(yù)測技術(shù)都得到了很大提高。TBM的類型已經(jīng)多樣化，針對不同的地質(zhì)條件可選不同或設(shè)計個性化的TBM。

錦屏二級水電站位于雅礱江下游的四川省涼山州境內(nèi)，裝機容量4 800 MW，最大引水流量為465 m3/s，緊鄰錦屏一級水電站。該電站利用雅礱江下游河段150 km長大河灣的天然落差，通過長約16.7 km的4條引水隧洞，截彎取直，獲得水頭約310 m。本電站引水隧洞屬于深埋特長隧洞，其中2條引水隧洞施工采用敞開式硬巖掘進(jìn)機(TBM)進(jìn)行施工。引水隧洞硬巖TBM開挖直徑12.4 m，最大埋深達(dá)2 525 m，位列世界第二。隧洞施工中存在高地應(yīng)力(巖爆)及高壓水(突涌水)等問題。針對這些特殊的工程地質(zhì)條件以及施工條件，相關(guān)設(shè)計、科研、施工單位已專門作了大量的研究工作，取得了許多研究成果。筆者基于對已取得的水文及工程地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，基于TBM開挖機理，對TBM開挖可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，對TBM 在施工控制措施及對策方面進(jìn)行了研究。

2 錦屏二級水電站引水隧洞區(qū)域工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

錦屏二級水電站地處青藏高原向四川盆地過渡的地貌斜坡地帶，錦屏山以近南北向展布于河灣范圍內(nèi)，主體山峰高程4 000 m以上，最高峰為4 488 m，山峰最大高差達(dá)3 000 m以上。工程區(qū)的地貌可以劃分為高山區(qū)(高程3 600 m以上)、中山區(qū)(高程2 000～3 600 m)、峽谷地貌。其主要地貌特征:三級夷平面(Ⅰ級——高程4 000 m，Ⅱ級——高程 3 000 m，Ⅲ級——高程 2 200 m)、階地及巖溶地貌和冰蝕地貌等。各種地貌形態(tài)成層疊置，反映出本區(qū)長期穩(wěn)定上升型的地貌特征。

2.2 地層巖性

工程區(qū)內(nèi)出露的地層為前泥盆系至第四系的一套淺海濱海相、海陸交替相地層。區(qū)內(nèi)三迭系地層廣布，分布面積約占90%以上，其中碳酸鹽巖出露面積占70%～80%。引水隧洞沿線主要出露的地層為三迭系下統(tǒng)(T1)、中統(tǒng)(T2)和上統(tǒng)(T3)的部分地層。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

錦屏二級水電站工程區(qū)在大地構(gòu)造上處于松潘甘孜地槽褶皺帶的東南部，受NWW～SEE向應(yīng)力場控制，形成一系列近南北向展布的緊密復(fù)式褶皺和高傾角的壓性或壓扭性走向斷裂，并伴有NWW向張性或張扭性斷層。

NNE、NE、近EW向構(gòu)造組成了本區(qū)的構(gòu)造骨架。而縱張斷層和橫張斷層、節(jié)理切割帶則常為地下水活動通道，也為地下水富集地帶。

2.4 地應(yīng)力

工程區(qū)實測地應(yīng)力成果顯示，地應(yīng)力值隨埋深增加而增加，且自洞深600～3 000 m最大主應(yīng)力由平行岸坡轉(zhuǎn)變成近垂直向，即地應(yīng)力從水平應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐源怪睉?yīng)力為主狀態(tài)，實測最大應(yīng)力值達(dá)42.11 MPa，地質(zhì)鉆探中出現(xiàn)餅狀巖芯，屬高地應(yīng)力區(qū)[1]。巖爆以弱、中等為主，局部地段出現(xiàn)強巖爆。巖爆破壞方式有片/層狀剝落、彎曲鼓折破裂及穹狀/楔狀爆裂三種方式。主要以張性、張剪性破壞為主。輔助洞開挖表明東端巖爆強度較西端強度大，聲響特征明顯。強烈?guī)r爆時部分發(fā)生彈射。

2.5 巖溶地下水條件

在上世紀(jì)90年代錦屏長探洞(高程比輔助洞低200 m左右)的施工過程中，曾發(fā)生多次大的涌水，且各大涌水點具有高水頭、大流量的特點，在有其他出水孔釋放的情況下，測得最大涌水壓力為 3.5 MPa，集中涌水量達(dá) 4.91 m3/s，穩(wěn)定流量為2～3 m3/s

3 正常巖體條件下TBM施工的相關(guān)問題

TBM開挖過程是巖體與TBM相互作用的過程，也是在不同的巖體環(huán)境下TBM的破巖過程。TBM隧道開挖工效可以由四個指標(biāo)表示，分別為掘進(jìn)速度(Penetration Rate or PR)、掘進(jìn)進(jìn)度(Advance Rate or AR)、利用率(Utilization)、滾刀磨損(Cutter Wear)。掘進(jìn)速度為刀盤凈掘進(jìn)過程的開挖速度;掘進(jìn)進(jìn)度為平均開挖速度，可以為每天、每星期或每個月等;利用率為TBM開挖時間與同期施工時間之比值;滾刀磨損以單個滾刀開挖的巖石體積(m3)或單個滾刀所行走的距離(km)表示。

掘進(jìn)速度(PR)主要受TBM的破巖效率控制，包括TBM的設(shè)計參數(shù)、巖體參數(shù)及施工運行參數(shù)。在確定了TBM設(shè)計后，對不同巖體選擇相適應(yīng)的運行參數(shù)就顯得尤為重要。影響TBM破巖效率的巖體因素主要有巖石的強度、脆性、節(jié)理的間距及節(jié)理的方向，許多TBM掘進(jìn)速度預(yù)測模型中都直接或間接地用到了這四個參數(shù)。對于錦屏二級水電站引水隧洞，另一個問題是隧道軸線出現(xiàn)的巖組及巖體類型多，掌子面出現(xiàn)不同程度的多種混合地層會影響到TBM的開挖效率，如在滾刀上產(chǎn)生沖擊載荷、滾刀超載及刀盤振動較大等問題。

掘進(jìn)進(jìn)度(AR)因為影響的因素較多，比如巖體質(zhì)量與支護(hù)方式、地下水、地應(yīng)力及施工管理等。TBM施工實例中掘進(jìn)進(jìn)度也顯示了極大的差異性，從百分之幾至百分之五十多都有。掘進(jìn)進(jìn)度是業(yè)主及施工方最為關(guān)注的問題。在正常巖體條件下，提高支護(hù)效率，縮短巖體支護(hù)時間，合理安排進(jìn)料，提高TBM的利用率是施工需要細(xì)致考慮的重點。另外，TBM需要開挖不同巖體條件段，對TBM的維護(hù)應(yīng)該常態(tài)化。

滾刀磨損(CW)是TBM隧道開挖中影響施工經(jīng)濟指標(biāo)的一個重要因素。影響滾刀磨損的因素較多，包括TBM破巖是否有效、混合地層的情況、巖石本身的摩擦性、出渣是否順暢等。錦屏二級水電站引水隧洞所穿越的巖組較多，目前還沒有巖石摩擦性試驗的結(jié)果，估計砂巖的摩擦性較大;另外，混合地層在開挖面出現(xiàn)的長度也會大大影響滾刀的磨損，尤其是滾刀的異常磨損會大大增多。

錦屏二級水電站已查明有高地應(yīng)力、高壓水頭及突涌水的存在，這些環(huán)境因素將直接影響TBM開挖的成功與否。在施工中應(yīng)在已有輔助洞開挖資料及勘察資料的基礎(chǔ)上，對已開挖的輔助洞典型巖體特征、破壞模式、涌水量、巖爆發(fā)生的等級進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，并取樣進(jìn)行室內(nèi)相關(guān)TBM開挖工效指數(shù)試驗，對主要由巖爆控制、地下水涌水量控制及巖體特征控制的地段進(jìn)行分段分級評價，優(yōu)化規(guī)劃TBM施工與鉆爆法施工。

4 TBM施工應(yīng)對高地應(yīng)力問題與對策探討

針對錦屏二級水電站引水隧洞的工程地質(zhì)條件，TBM在設(shè)計階段就已經(jīng)充分考慮到巖爆對施工的影響，在設(shè)備制造中已經(jīng)采取了相應(yīng)的措施，比如增加了頂護(hù)盾等。但面臨如此高的地應(yīng)力，國內(nèi)外TBM施工都沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可遵循，需采取有針對性的預(yù)防措施。高地應(yīng)力對TBM開挖產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)高地應(yīng)力對TBM開挖(掘進(jìn)速度)的影響有:

①當(dāng)?shù)貞?yīng)力較低或不足以使巖石產(chǎn)生板裂時，地應(yīng)力的增加意味著圍壓增加，不利于巖石破碎，TBM掘進(jìn)速度隨之降低。

②相對于巖石強度，如果地應(yīng)力足以使巖石產(chǎn)生板裂，而且又不至于造成破壞產(chǎn)生巖爆，有利于巖石破碎，TBM掘進(jìn)速度隨之增加。

③如果地應(yīng)力過高，使巖石產(chǎn)生劈裂、剝裂、巖爆等，會造成掌子面不穩(wěn)定，不利于巖石破碎和進(jìn)尺。

(2)高地應(yīng)力對巖體支護(hù)(掘進(jìn)進(jìn)度)的影響:

①高地應(yīng)力作用下，脆性巖石產(chǎn)生的巖爆對施工安全及支護(hù)產(chǎn)生很大的影響。巖爆造成了隧洞洞壁的破壞，對TBM撐靴的穩(wěn)定及提供反力產(chǎn)生了很大的困難。

②高地應(yīng)力作用下，軟弱巖體會產(chǎn)生很大的擠壓變形，隧洞中產(chǎn)生很大的收斂，給支護(hù)及TBM開挖造成很大困難，也可能造成TBM卡機事故的發(fā)生。

(3)高地應(yīng)力對TBM滾刀磨損的影響:

①高地應(yīng)力條件下，掌子面巖石的破裂及劈裂造成巖石不規(guī)則破壞，容易形成大塊的巖石不能進(jìn)入巖石收集口，從而形成巖塊的二次碾磨。

②另一方面，巖爆過程中形成的巖片易造成滾刀口的堵塞，從而造成滾刀的異常磨損及軸承的破壞。

對TBM開挖受巖爆控制的隧洞段，需對已開挖輔助洞巖爆發(fā)生的型式、規(guī)模、范圍、部位進(jìn)行仔細(xì)調(diào)查，并通過室內(nèi)巖爆模擬試驗，分析不同等級巖爆發(fā)生情況下對TBM開挖的影響。在輕微及中等巖爆條件下，通過對TBM進(jìn)行改進(jìn)并制定開挖及支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，可利用TBM進(jìn)行開挖。同時也要盡量避免在強巖爆條件下進(jìn)行TBM開挖，以免發(fā)生卡機及巖爆破壞TBM的事故。

5 TBM施工應(yīng)對地下突涌水問題與對策探討

引水隧洞施工中，對于施工突涌水的處理是隧洞在掘進(jìn)過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。該引水隧洞巖溶總體雖不發(fā)育，但其地下突涌水具有壓力高、穩(wěn)定流量大等特點，地下突涌水的處理將是工程安全、快速施工的關(guān)鍵。在國內(nèi)一些工程中，曾有TBM施工中出現(xiàn)地下水的工程實例，但是其出水量和壓力遠(yuǎn)小于錦屏二級水電站引水隧洞所在區(qū)域。針對錦屏二級水電站的地下水處理，必須有針對性的提出處理和應(yīng)對措施。

針對錦屏二級水電站地下水的特點，高壓地下水對TBM開挖的影響主要有以下幾個方面:

(1)地下水對TBM開挖方面(施工速度)影響很小，主要是影響TBM的有效施工時間，降低了TBM的施工進(jìn)度及利用率。

(2)地下水與TBM開挖過程中形成的巖石顆粒與巖粉形成的糊狀物可能堵塞滾刀口，形成對滾刀的二次磨損。

錦屏二級水電站TBM施工可能遇到高水頭壓力及高涌水量的問題，對裂隙水、巖溶水及含水?dāng)鄬訋У叵滤畱?yīng)進(jìn)行不同的處理。對不同儲存類型的地下水控制應(yīng)制訂不同的措施及控制標(biāo)準(zhǔn)。例如對裂隙水要看其涌水量、排水量隨時間的變化及排水對環(huán)境的影響，也就是由其連通性來決定是否采取灌漿或其它的排水措施來處理，然后進(jìn)行超前鉆探、水壓測量、水量觀測、分析水量水壓隨時間變化、在掘進(jìn)過程中嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理并根據(jù)實際情況對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正。對于涌水量較大的情況，要按特殊工程問題進(jìn)行處理。以上這些步驟是解決這些問題的良好途徑。

6 結(jié)語

通過分析錦屏二級水電站引水隧洞工程地質(zhì)條件，可以看出引水隧洞沿線巖組眾多，巖體賦存條件復(fù)雜，主要存在高地應(yīng)力及高地下水頭及高涌水量的影響。結(jié)合TBM隧洞開挖情況，提出了對正常巖體條件、受高地應(yīng)力控制開挖段及受高水頭壓力及高涌水量控制地段進(jìn)行分段分析并進(jìn)行施工預(yù)測，以優(yōu)化TBM開挖與鉆爆法開挖規(guī)劃。正常巖體條件下，主要存在混合地層開挖問題、不同巖組的優(yōu)化開挖問題、滾刀磨損及異常磨損等問題。對正常巖體條件下TBM開挖優(yōu)化提出了具體的解決方案。對受高地應(yīng)力控制段，探討了TBM開挖可能出現(xiàn)的問題，如卡機、TBM撐靴支撐力問題、支護(hù)問題等，也提出了一些解決問題的建議。對受地下水涌入控制的巖體開挖段，分析了地下水對TBM開挖的影響特點。針對引水隧洞涌水的特點——初期涌水衰減至穩(wěn)定涌水提出了一整套的分析、管理措施。

[1]任旭華，李同春，陳祥榮.錦屏二級水電站深埋引水隧洞襯砌及圍巖結(jié)構(gòu)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(1):16－19.