厄瓜多爾CCS水電站TBM法施工引水隧洞工程地質條件及問題初步研究

楊繼華，齊三紅，郭衛新，楊風威，婁國川

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 4 50003)

0 引言

TBM施工具有快速、高效、優質、安全及環保的技術特點，已廣泛應用于水利水電、交通、國防及市政等工程的隧洞施工中，其掘進速度一般為傳統鉆爆法的3～10倍。據統計，近年來全世界30% ～40%的隧洞是由TBM施工完成的。實踐表明，當隧洞獨頭掘進超過3 km或隧洞長徑比大于600時有必要研究TBM施工的可行性［1-4］。

與鉆爆法相比，TBM對地質條件適應性較差，當在沒有預案的情況下遇到不良地質條件時，往往會導致掘進速度緩慢、延誤工期及經濟損失等。針對此問題，國內學者尚彥軍等［5］、羅志虎等［6］、李元等［7］、劉芃呈等［8］分別研究萬家寨引黃工程隧洞、錦屏二級水電站深埋長引水隧洞、大伙房輸水隧洞等工程的地質條件，得出了有益的結論，并針對TBM施工的工程地質問題提出了對策。

目前相關的研究主要集中在工程地質條件分析方面。眾所周知，掘進速度快是TBM法隧洞施工的核心優勢，而TBM的掘進效率會受到工程地質條件的制約，故只有將兩者相結合研究，才能做到研究的針對性。

本文以厄瓜多爾Coca-Codo Sinclair水電站(簡稱CCS水電站)引水隧洞為工程背景，基于TBM的掘進效率研究引水隧洞的工程地質條件，并針對可能出現的工程地質問題提出預防措施和對策。

1 工程地質條件

1．1 工程概況

CCS水電站位于厄瓜多爾Napo省和Sucumbios省境內的Coca河下游，電站在首部樞紐建壩攔蓄河水，庫水通過一條引水隧洞輸至調蓄水庫，再通過引水發電洞至地下廠房(見圖1)。利用調蓄水庫與地下廠房之間500余m的天然水頭差進行發電，電站總裝機1 500 MW，是厄瓜多爾最大的水電站。

圖1 CCS水電站平面布置圖Fig．1 Plan layout of CCS hydropower station

CCS水電站引水隧洞洞線長度約24．8 km，擬采用2臺雙護盾式TBM進行開挖施工。洞身采用預制混凝土管片襯砌、豆礫石回填灌漿的支護方式，開挖洞徑為9．11 m，襯砌后洞徑為8．20 m。

1．2 工程地質條件

隧洞進水口洞底高程為1 250．00 m，出水口洞底高程為1 204．50 m，隧洞沿線埋深總體較大，一般洞段在300～600 m，個別洞段大于700 m。隧洞沿線主要為一單斜地層，巖層大多傾向NE，傾角以5°～10°為主，隧洞穿過的地層巖性以侏羅紀-白堊紀Misahualli地層(J-Km)安山巖為主，進口處600～700 m為花崗巖侵入體(Gd)，出口段2 500 m為白堊紀下統Hollin地層(Kh)砂巖、頁巖互層。

工程區地質構造比較復雜，斷層多沿溝谷、河床及侵入體界限附近發育，傾角較陡。區內巖體結構面數據分散，主要分為3組，其平均產狀如下:1)走向310°，傾向 NE 或 SW，傾角70°～80°;2)走向285°，傾向 NE 或SW，傾角75°～80°;3)走向80°，傾向NW 或SE，傾角70°～80°。區內應力場由構造應力和自重應力疊加而成，最大主應力(σ1)為8～10 MPa，方向為315°～340°。區內地下水位始終高于隧洞高程，水壓力與隧洞深度有關，一般比隧洞高幾十米，初步估計隧洞最大涌水量可達到750 L/s。

2 影響TBM掘進效率的主要工程地質因素

2．1 巖石單軸抗壓強度(Rc)

理論上，單軸抗壓強度(Rc)在5～250 MPa的巖石都可采用TBM施工，一定范圍內Rc越低，TBM的滾刀的貫入度越高，掘進速率越高;反之Rc越高，TBM的滾刀貫入度越低，掘進速率越低。但如果Rc太低，TBM掘進后圍巖的自穩時間極短，甚至不能自穩，從而引起塌方或圍巖快速收斂變形等災害，導致停機處理，降低純掘進時間。因此，當Rc值在一定范圍內時，TBM既能保持一定的掘進速率，又能使隧洞圍巖在一定時間內保持自穩。目前大多數硬巖TBM較適合單軸抗壓強度Rc值為30～150 MPa的巖石?？蓪r石單軸抗壓強度與TBM工作條件劃分為“好、一般、差”3個級別(見表1)。

表1 巖石單軸抗壓強度與TBM工作條件關系［9］Table 1 Relationship between uniaxial compressive strength of rocks and working difficulty of TBM［9］

2．2 巖石耐磨性

巖石的耐磨性與巖石的礦物成分有著密切的關系。石英、長石等礦物的含量對耐磨性影響較大，其含量越高則巖石的耐磨性越大。當石英、長石含量超過70%時對刀具的磨損很大，刀具的頻繁更換會大大降低掘進效率，并顯著增加工程成本。巖石的耐磨性指標目前一般采用CERCHAR試驗法［10-12］，其方法為:使用一根錐夾角90°的鋼針在70 N的荷載下于巖石表面以10 mm/min的速率移動10 mm，磨損后針尖的直徑D用顯微鏡測量，巖石的耐磨性指標Ab(0．1 mm)由針尖的磨損值來確定，根據Ab值可將巖石的耐磨性分為5級。根據國內、外大量TBM工程實踐，在低-中等耐磨性的巖石條件下TBM掘進效率較高，而在強-特強耐磨性的巖石條件下掘進效率較低?？筛鶕嗀b值將TBM的工作條件分為“好、一般、差”3個等級(見表2)。

表2 巖石的耐磨性與TBM工作條件關系［9］Table 2 Relationship between abrasiveness of rocks and working difficulty of TBM［9］

2．3 結構面狀況

圍巖的結構面狀況一般可用巖石完整性系數Kv和結構面走向與掘進方向的夾角來衡量，巖體中節理、裂隙發育程度及其產狀會在一定程度上影響TBM的掘進效率［13-14］。圍巖結構面密度越大，則完整系數越小，此時有利于滾刀破巖，TBM掘進速率就越高。但當巖體中結構面特別發育時，巖體完整性系數很小，巖體呈碎裂狀或散體狀，已不具有自穩能力，此時必須對不穩定圍巖進行大量加固處理，從而大大降低TBM掘進效率;當圍巖結構面不發育時，巖體的完整性系數Kv很高，TBM破巖完全依賴于滾刀的作用，此時掘進效率也會降低。另外，結構面走向與掘進方向的夾角也會影響掘進效率。當夾角小于60°時，掘進效率隨著夾角增大而增大;當夾角為60°時最有利于滾刀破巖;當夾角大于60°時，掘進效率有隨著夾角增大而減小的趨勢［14］。根據巖體完整性系數Kv和結構面走向與掘進方向的夾角可將TBM的工作條件分為3級(見表3)。

表3 結構面狀況與TBM工作條件關系Table 3 Relationship between structural surface of rocks and working difficulty of TBM

2．4 其他因素

1)地應力。當地應力較高時，如果圍巖為堅硬完整的脆性巖石時，則有可能發生巖爆;如果圍巖為軟巖，則有可能造成圍巖的快速收斂變形，嚴重時會發生TBM卡機事故。因此，TBM較適合在中-低地應力條件下掘進。

2)地下水。地下水的涌水量和涌水范圍對TBM掘進效率有所影響，在大涌水量的情況下，TBM施工條件和工作環境會變得惡劣，進而降低TBM的掘進效率。

3 CCS水電站引水隧洞TBM法施工地質適應性分析

對引水隧洞沿線關鍵洞段圍巖進行取樣，每種巖性均取樣10組以上，巖性為新鮮的砂、頁巖、安山巖及花崗巖。經過現場試驗和室內試驗，巖石的單軸抗壓強度、耐磨性及完整性3個指標的范圍值如表4所示。

表4 CCS水電站輸水隧洞巖石的TBM工作條件Table 4 Working difficulty of TBM of headrace tunnel of CCS hydropower station

引水隧洞沿線的巖性主要由安山巖、砂巖、頁巖及花崗巖組成，其中安山巖、花崗巖呈整體塊狀、塊狀結構，砂巖、頁巖呈層狀結構，節理、裂隙中等發育，地應力處于中-低水平，地下水總體不活躍，局部可能存在涌水。結合表4可以看出，CCS水電站引水隧洞TBM工作條件總體較好。

4 工程地質問題及對策

隧洞穿過的地層自西向東依次為白堊紀下統Hollin地層(Kh)砂、頁巖(工程樁號 K24+816～K22+403)，侏羅紀-白堊紀Misahualli地層(J-Km)安山巖、凝灰巖，花崗巖侵入體(Gd)(工程樁號 K0+694～+000)。沿線各類地層所占比例如圖2所示。按照RMR分類法對隧洞圍巖進行了初步分類，分類結果如圖3所示。由圖2和圖3可以看出，隧洞沿線穿過的地層主要為Misahualli地層，巖性以安山巖和凝灰巖為主，地質條件較好、適合成洞的Ⅱ類和Ⅲ類圍巖占 79．2%，成洞條件差的Ⅳ類和Ⅴ類圍巖占20．8%，主要分布在斷層破碎帶和節理密集帶。

圖2 隧洞沿線各類地層比例Fig．2 Proportion of different strata along the tunnel

圖3 隧洞沿線各類圍巖比例Fig．3 Proportion of surrounding rocks of different grades along the tunnel

經過對CCS引水隧洞沿線地質條件進行綜合分析，在施工過程中很有可能出現一些諸如斷層帶圍巖塌方、軟巖大變形、巖爆、涌水、高地溫及有害氣體等不良地質問題。由于TBM法施工地質適應性較差的技術特點，如果事前沒有預案及對策，可能會造成掘進緩慢或者被迫停機，兩者都會大大降低TBM的平均掘進效率，無法發揮TBM掘進速度快的核心優勢。

4．1 斷層帶圍巖塌方

引水隧洞區內構造強烈、復雜，初步判斷存在較多的節理密集帶及斷層剪切破碎帶。在TBM施工中如處理不當，可能會引起圍巖塌方導致TBM刀盤及護盾被埋的嚴重事故。針對以上問題，可采取以下措施。

4．1．1 超前預報

采用超前預報系統對掌子面前方圍巖進行預測，目前地震法超前預報可探測距離達200 m，可作為長期預報，每周進行1次即可，對圍巖進行初步判別。一旦發現存在斷層，應加密探測。當掘進至斷層5～10 m處時，可利用TBM配備的超前鉆機向掌子面前方鉆探，進一步查明斷層的規模及性狀，以便針對性地采取施工措施。

4．1．2 超前支護

采用TBM超前鉆機向掌子面前方鉆設超前錨桿，對掌子面前方圍巖提前進行支護，并對前方圍巖進行注漿固結。如果地下水不活躍，可注入水泥漿液;如果地下水流量較大，可采用化學灌漿，以形成在錨固圈保護下的掘進作業。為防止掌子面圍巖塌方，在掘進前應對掌子面噴射混凝土。

4．2 軟巖大變形

引水隧洞穿過約2 km的砂巖、頁巖地層，砂巖、頁巖強度較低，在埋深較大洞段，在地應力作用下，會產生較大變形，輕則破壞襯砌管片，嚴重時會卡住TBM護盾，造成卡機事故。

4．2．1 適當超挖及快速通過

如遇到短時間內快速收斂變形的圍巖，可調整TBM刀盤邊刀并安裝擴挖刀，適當超挖以增加護盾與開挖面之間的空隙以避免護盾被卡住。軟弱圍巖的變形與時間有直接的關系，因此當掘進到快速收斂洞段時，應增加掘進時間，減小機械維護時間，使TBM在圍巖發生足夠大的變形之前盡快通過。

4．2．2 人工處理

一旦發生護盾被卡事故，可采用人工的辦法鑿除護盾周邊的坍塌體和收縮圍巖，以減少對護盾的擠壓，并對前方巖體采用強化固結灌漿的辦法以保持圍巖的完整性進而提高圍巖的穩定性。

4．3 巖爆

CCS水電站引水隧洞工程區構造運動劇烈，巖性以堅硬性脆的火山巖和侵入巖為主，易產生地應力聚集。另外，由于TBM開挖洞壁較光滑，不利于地應力的釋放。因此，初步判斷在局部高埋深洞段有發生巖爆的可能。針對可能出現的巖爆問題，可以采取以下預防措施及對策。

4．3．1 超前地質預報

巖爆的發生不僅取決于地應力條件，還與巖性及其分布特征、巖體結構和地下水狀況及其他因素有關。在施工過程中，可觀察巖石特征，并采用超前鉆探的方法進行超前地質探測，預測地應力大小及巖爆發生的可能性，為巖爆防治提供依據。

4．3．2 釋放巖體中的應力

可利用超前鉆在掌子面上打超前鉆孔，對掌子面的高地應力提前釋放，必要時可打垂直洞壁巖面的徑向應力釋放孔。如果預測的地應力較高，可在超前鉆孔裝設炸藥震裂完整巖體，也可向超前鉆孔內注入高壓水使圍巖內部形成破裂帶，從而降低掌子面和洞壁的高應力，以降低應力集中導致巖爆的可能性。

4．4 涌水

根據勘測設計成果，CCS水電站引水隧洞沿線全部位于地下水位以下。經初步預測，隧洞斷層破碎帶最大涌水總量可達到750 L/s。TBM施工中大的涌水會給施工帶來很大的困難，特別是在圍巖破碎的情況下，會嚴重影響施工進度，如何應對掘進過程中的涌水是施工中的關鍵問題之一。對于較大的地下涌水可采取以下措施。

4．4．1 逆向掘進

TBM采取逆向掘進的方式，即由下游向上游方向逆坡掘進，充分利用隧洞順坡向排水的功能，減小大量涌水時TBM被淹的風險。

4．4．2 超前排水

根據超前地質預報結果，一旦發現掌子面前方的含水帶，可采用超前鉆打排水孔排水，同時增加洞內排水泵的數量，及時將地下水排出洞外。

4．4．3 注漿堵水

CCS水電站引水隧洞工程區內年平均降雨量超過5 000 mm，地下水有充足的補給來源，對于隧洞內少量涌水，可通過打排水孔的方法處理。對于大量的涌水，在隧洞內打排水孔并不能明顯減小涌水量，并且隧洞圍巖在大量涌水的長時間沖刷下有失穩的可能，后果嚴重時會導致襯砌的變形與損壞。此時，可采用高壓灌注水泥漿或化學注漿方式堵塞住圍巖中地下水的活動通道，達到止水的目的，以保證隧洞圍巖的穩定性及施工順利進行。

4．5 高地溫及有害氣體

CCS水電站工程區西北部的Reventador火山為一座活火山，距隧洞最近約10 km，最近一次噴發在1976年，火山活動較頻繁，地層深部巖漿活動強烈。一般情況下，在火山地帶及附近修筑地下工程都會遇到較高的地溫問題，初步判斷隧洞局部地溫較高。施工過程中應及時進行監測，并可在TBM上配備噴淋設施，向掌子面和洞壁圍巖噴水降溫，同時加強通風，以降低隧洞的溫度。

根據隧洞圍巖巖性特征分析，有害氣體主要有一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)及甲烷(CH4)等。針對有害氣體問題，可在侵入巖及斷層破碎帶等有害氣體易出露部位進行超前探測，將有害氣體排出洞外并監測有害氣體含量，并加強通風，同時采取嚴格的防火措施，以確保洞內人員的施工安全。

5 結論與討論

本文對影響TBM掘進效率的工程地質因素進行了探討，以厄瓜多爾 CCS水電站引水隧洞為例，對TBM施工的地質適應性進行了分析，并針對可能出現的工程地質問題進行了研究，提出了預防措施和對策。主要結論如下:

1)影響TBM掘進效率的主要工程地質因素為巖石的單軸抗壓強度、巖石的硬度及耐磨性、巖體的完整性、結構面走向與掘進方向的夾角、地應力及地下水等。經過分析，CCS水電站引水隧洞在這些因素上適合TBM法施工，且工作條件較好。

2)對CCS水電站引水隧洞TBM施工可能出現的工程地質問題進行了預測分析，主要包括斷層破碎帶塌方、軟巖大變形、巖爆、涌水和高地溫及有害氣體5個方面，并根據不同的地質問題提出了相應的預案和對策。

CCS水電站引水隧洞由2臺雙護盾式TBM施工，于2012年9月開始掘進，目前總掘進里程已經過半，TBM1和 TBM2累計掘進進尺分別為 7．65 km和8．00 km，分別占計劃進尺的70．8%和58．0%，其平均月進尺分別達到了545 m和667 m。在掘進過程中，局部洞段遇到的工程地質問題主要有斷層破碎帶、節理密集帶巖體塌方及涌水等，用事前準備的施工預案進行處理，TBM均順利通過了不良地質段，不良地質條件未對TBM掘進造成明顯的影響。

工程地質條件對TBM的選型、施工組織及施工效率都有較大的影響，只有施工前對工程地質條件進行綜合分析，找出不利因素，才能做到工程措施的針對性和有效性，從而提高TBM施工的效率。

［1］張鏡劍，傅冰駿．隧道掘進機在我國應用的進展［J］．巖石力學與工程學報，2007，26(2):226-238．(ZHANG Jingjian，FU Bingjun．Advances in tunnel boring machine application in China［J］． Chinese JournalofRock Mechanics and Engineering，2007，26(2):226-238 ．(in Chinese))

［2］張鏡劍．TBM的應用及其有關問題和展望［J］．巖石力學與工程學報，1999，18(3):363-367．(ZHANG Jingjian．The application and some problems of TBM and its prospects［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1999，18(3):363-367 ．(in Chinese))

［3］尹俊濤，尚彥軍，傅冰駿，等．TBM掘進技術發展及有關工程地質問題分析和對策［J］．工程地質學報，2005，13(3):389-397．(YⅠN Juntao，SHANG Yanjun，FU Bingjun，et al．Development of TBM-excavation technology and analyses＆countermeasures of related engineering geological problems ［J］．Journal of Engineering Geology，2005，13(3):389-397．(in Chinese))

［4］茅承覺．我國全斷面巖石掘進機(TBM)發展的回顧與思考［J］．建設機械技術與管理，2008，21(5):81-84．(MAO Chengjue．Review and thoughts of developmental full face rock tunnel boring machine(TBM)in China［J］．Construction Machinery Technology＆ Management，2008，21(5):81-84．(in Chinese))

［5］尚彥軍，王思敬，薛繼洪，等．萬家寨引黃工程泥灰巖段隧洞巖石掘進機(TBM)卡機事故工程地質分析和事故處理［J］．工程地質學報，2002，10(3):293-299．(SHANG Yanjun，WANG Sijing，XUE Jihong，et al．A case study on TBM block in marls at connection works NO．7 tunnel of yellow river diversion project［J］．Journal of Engineering Geology，2002，10(3):293-299．(in Chinese))

［6］羅志虎，楊鵬飛．錦屏二級水電站TBM施工中的巖爆問題分析及對策［J］．巖土工程技術，2009，23(1):52-55．(LUO Zhihuo，YANG Pengfie．Rock-burst and countermeasure of TBM construction in drainage tunnel of a hydropower station［J］．Geotechnical Engineering Technique，2009，23(1):52-55．(in Chinese))

［7］李元，王媛，張東明，等．錦屏水電站引水隧洞極強巖爆段TBM法施工措施研究［J］．成都大學學報:自然科學版，2011，30(1):86-90．(LⅠYuan，WANG Yuan，ZHANG Dongming，et al．Constructing measure of TBM boring project under exteme rock burst condition in Jingping-Ⅱhydroelectric tunnel［J］．Journal of Chengdou Univerity:Nature Science Edition，2011，30(1):86-90．(in Chinese))

［8］劉芃呈，邵文東，賀杰．淺談TBM掘進中的地質災害及防治措施［J］．水利水電技術，2006，37(4):49-51．(LⅠU Pengcheng，SHAO Wendong，HE Jie．On geologic hazards prevention measures during tunneling with TBM［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2006，37(4):49-51．(in Chinese))

［9］何發亮，谷明成，王石春．TBM施工隧道圍巖分級方法研究［J］．巖石力學與工程學報，2002，21(19):1350-1354．(HE Faliang，GU Mingcheng，WANG Shichun．Study on surrounding rockmass classification of tunnel cut by TBM［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(19):1350-1354．(in Chinese))

［10］龔秋明，佘祺銳，丁宇．大理巖摩擦試驗及隧道掘進機刀具磨損分析:錦屏二級水電站引水隧洞工程［J］．北京工業大學學報，2012，38(8):1196-1201．(GONG Qiuming，SHE Qirui，DⅠNG Yu．Abrasivity tests of marbles and cutter wear analysis of TBM:headrace tunnels of JinpingⅡhydropower station［J］．Journal of Beijing Unversity of Technology，2012，38(8):1196-1201．(in Chinese))

［11］王華，吳光．TBM施工隧道巖石耐磨性與力學強度相關性研究［J］．水文地質工程地質，2010，37(5):57-60．(WANG Hua，WU Guang．A research on the correlativity between rock abrasion and mechnical strength of TBM construction tunnnel［J］．Hydrogeology and Engineering Geology，2010，37(5):57-60．(in Chinese))

［12］王旭，李曉，廖秋林．巖石可掘進性研究的試驗方法述評［J］．地下空間與工程學報，2009，5(1):67-73．(WANG Xu，LⅠXiao，LⅠAO Qiulin．A review of rock boreability test for TBM tunnellingl［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，5(1):67-73．(in Chinese))

［13］馬洪素，紀洪廣．節理傾向對TBM滾刀破巖模式及掘進速率影響的試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2011，30(1):155-163．(MA Hongsu，JⅠHongguang．Experimental study of the effect of joint orientation on fragmentation modes and penetration rate under TBM disc cutters［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(1):155-163．(in Chinese))

［14］吳繼敏，盧瑾．節理走向對TBM掘進速率的影響分析［J］．水電能源科學，2010，28(8):104-106．(WU Jimin，LU Jin．Ⅰnfluence analysis of joint strike on TBM penetratint rate［J］．Water Resources and Power，2010，28(8):104-106．(in Chinese))