CCS水電站引水隧洞雙護盾TBM施工圍巖分類研究

楊繼華， 齊三紅， 郭衛(wèi)新， 張黨立

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司， 河南 鄭州 450003)

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CCS水電站引水隧洞雙護盾TBM施工圍巖分類研究

楊繼華， 齊三紅， 郭衛(wèi)新， 張黨立

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司， 河南 鄭州 450003)

為了對雙護盾TBM隧洞施工中的圍巖進行分類，以厄瓜多爾CCS水電站引水隧洞為例，參考RMR圍巖分類方法，通過伸縮護盾的間隙和刀盤的空隙對洞壁和掌子面圍巖進行觀測，結合巖渣及掘進參數(shù)，獲取巖石的質量指標RQD、節(jié)理間距和節(jié)理性狀等信息。通過綜合分析，選取巖石的回彈值、圍巖的完整性、巖石的質量指標RQD、刀盤推力、刀盤扭矩、片狀巖渣含量和地下水滲流量作為圍巖分類的指標，然后對7個指標分別賦值，建立圍巖的分類標準，并通過求和的方法進行綜合圍巖分類。分類結果表明: 選取的7個指標可以克服雙護盾TBM施工時無法對圍巖進行全面地質素描的困難，可以滿足TBM快速施工的需要,并且能較真實地反映圍巖的情況，分類結果可靠。

厄瓜多爾CCS水電站； 引水隧洞； 雙護盾TBM； 圍巖分類

0 引言

TBM施工具有掘進速度快、對圍巖擾動小、洞內環(huán)境好及人工勞動強度低的特點，在國內的水利水電、鐵路和公路隧道工程中得到了廣泛的應用[1-4]，其掘進速度一般為鉆爆法的3～10倍。目前適用于硬巖地質條件的TBM可分為敞開式和護盾式，后者又可分為單護盾、雙護盾和三護盾。

圍巖的穩(wěn)定性分類是隧道施工過程中的一項重要工作，圍巖的穩(wěn)定性直接關系到支護形式的選擇。圍巖的穩(wěn)定性分類主要取決于工程地質條件，例如巖石的單軸抗壓強度、巖體的質量指標RQD、結構面的間距、結構面的性狀、地下水和地應力等。這些指標可通過室內試驗、原位測試試驗及現(xiàn)場地質描述直接獲得或者采用其他指標間接獲得。目前，一般采用定性、定量或半定量的指標通過評分的方法把圍巖分為若干等級。常用的方法有RMR分類法[5]、Q系統(tǒng)分類法[6]、工程巖體分級方法[7]和水電系統(tǒng)的HC法[8]。

與鉆爆法和敞開式TBM隧洞施工方法不同，護盾式TBM施工時，掌子面和洞壁圍巖幾乎被刀盤、護盾和襯砌管片全部遮擋，無法直接對圍巖進行全面的地質描述，圍巖取樣和獲取分類指標存在較大的困難。針對以上問題，一些學者進行了相關的研究工作。劉躍麗等[9]結合已有的地質資料，根據(jù)開挖渣料和掘進參數(shù)，綜合確定了圍巖的類型，并預測了掘進前方圍巖的情況； 侯浩等[10]結合山西萬家寨引黃工程隧道雙護盾TBM的施工，進行了隧洞圍巖適宜性分類； 李蒼松等[11]以《水利水電工程地質勘察規(guī)范》中的圍巖分類方法為基礎，結合渣料、TBM工作效率及涌水情況對隧洞圍巖進行了分級； 張寧等[12]針對西南某水電站深埋引水隧洞，依據(jù)巖體完整性系數(shù)、巖石單軸抗壓強度和巖體結構特征對圍巖進行了分類； 吳煜宇等[13]基于圍巖的可掘進性進行了圍巖分類方法的研究； 黃祥志[14]以TBM掘進參數(shù)和渣料的地質編錄為基礎，采用可拓學理論，建立了圍巖穩(wěn)定性分類及評價方法。以上研究均未將圍巖分類所采用的指標結合在一起形成一個完整的分類標準，因此，如何將這些指標相結合形成一個完整的分類標準尚處于研究之中。

本研究以厄瓜多爾CCS水電站引水隧洞雙護盾TBM施工為背景，根據(jù)雙護盾TBM隧洞的施工特點，參考RMR圍巖分類法，采用巖石回彈測試、掌子面圍巖觀測、掘進參數(shù)分析、巖渣分析和地下水流量觀測等手段獲得圍巖分類指標，建立圍巖的分類標準。

1 工程背景

1.1 工程概況

厄瓜多爾CCS水電站工程[15-16]為引水式電站，電站總裝機容量為1 500 MW。引水隧洞為無壓明流隧洞，隧洞全長約為24.8 km，采用2臺德國海瑞克雙護盾TBM施工，其中一臺TBM1掘進總長度約為10.0 km，另一臺TBM2掘進總長度約為13.8 km。CCS水電站引水隧洞平面布置如圖1所示。引水隧洞的斷面為圓形，洞徑為9.11 m，采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，施作襯砌后洞徑為8.20 m，設計流量為222 m3/s。

1.2 工程地質條件

CCS水電站引水隧洞沿線地形起伏較大，地勢總體為西高東低，最高海拔為1 998 m，最低海拔為1 205 m，隧洞埋深一般為300～600 m，局部超過700 m。

隧洞沿線穿過的地層主要為侏羅紀-白堊紀Misahualli地層(J-Km)安山巖、凝灰?guī)r，白堊紀下統(tǒng)Hollin地層(Kh)砂、頁巖，局部分布有花崗巖侵入體(Gd)。CCS水電站引水隧洞地質剖面圖如圖2所示。隧址區(qū)為單斜地層，隧洞沿線發(fā)育的斷層共33條，斷層寬度一般小于2 m，少量斷層及破碎帶寬度大于10 m，斷層產狀多為陡傾狀，與洞軸線大角度相交。巖體節(jié)理面可分為3組： 30°～50°∠70°～80°，180°～200°∠75°～80°，330°～350°∠70°～80°。隧區(qū)址地應力為中-低地應力，最大主應力方向為315°～340°，為 8～10 MPa。影響隧洞地下水類型的主要是Hollin地層和Misahualli地層的含水巖層以及構造裂隙水，補給來源主要是大氣降水、地表水及相鄰含水層的越流補給。由于隧址區(qū)多年平均降雨量在5 000 mm以上，地表補給充足，初步估計隧洞會出現(xiàn)0.5～1.0 m3/s的集中涌水。

圖1 CCS水電站引水隧洞平面布置圖

Fig. 1 Plan of layout of diversion tunnel of CCS Hydropower Station

2 圍巖分類指標體系

對于鉆爆法和敞開式TBM隧洞施工，可以通過對掌子面和洞壁進行地質描述、現(xiàn)場測試和室內試驗的方法獲取巖石的單軸抗壓強度、巖石的質量指標RQD、節(jié)理間距、節(jié)理性狀、地下水情況及節(jié)理面修正系數(shù)等圍巖分類指標。對于雙護盾TBM獲取以上指標存在較大的困難。在CCS水電站引水隧洞雙護盾TBM施工過程中，參考RMR圍巖分類方法，對巖石的回彈值、圍巖的完整性、巖石的質量指標RQD、地下水情況、刀盤推力及扭矩和巖渣等指標的獲取方法進行分析。

2.1 巖石的回彈值

對于雙護盾TBM，巖石取樣較困難。因此，在CCS水電站引水隧洞施工中，采用高強回彈儀(如圖3所示)對掌子面或伸縮護盾處的巖石進行回彈測試。根據(jù)經(jīng)驗，回彈值>45、45～35、35～25、25～15及<15時對應的巖石堅硬性程度分別為堅硬、中硬、較軟、軟及極軟。

圖2 CCS水電站引水隧洞地質剖面圖Fig. 2 Geological profile of diversion tunnel of CCS Hydropower Station

圖3 高強回彈儀Fig. 3 Schmidt hammer

2.2 圍巖的完整性

雙護盾TBM施工時可采取以下2種方法對圍巖的完整性及節(jié)理性狀進行觀測和描述。

1)利用配備的超前鉆機(如圖4所示)對掌子面前方的圍巖進行鉆探。當鉆進方式為取芯鉆時，可通過采取的巖芯判斷掌子面前方一定范圍的巖性特征、風化程度和巖石強度，同時可確定節(jié)理面的類型、形態(tài)、發(fā)育程度、張開度、粗糙度、充填物及地下水條件等。

圖4 超前鉆機Fig. 4 Advanced drilling machine

2)通過TBM刀盤上的人形閘門、刀具空隙和伸縮護盾空隙對掌子面和洞壁的圍巖進行局部觀測，觀測情況如圖5所示。經(jīng)觀測可以得到圍巖的完整性、節(jié)理性狀、節(jié)理間距和節(jié)理的延伸長度等指標。

(a) 伸縮護盾處

(b) 掌子面處

2.3 巖石的質量指標RQD

巖石的質量指標RQD一般通過對鉆孔巖芯進行統(tǒng)計獲得。在TBM施工中，若初步判斷掌子面前方圍巖條件變化不大，考慮到TBM快速掘進的需要，一般不需進行超前取芯鉆探，也就無法通過原狀巖芯統(tǒng)計直接獲得巖石的質量指標。通過對掌子面和洞壁圍巖的節(jié)理發(fā)育情況進行統(tǒng)計，得出圍巖的體積節(jié)理數(shù)Jv，再由式(1)間接得出巖石的質量指標。由于可觀察的圍巖面積較小，應至少選擇3處圍巖進行統(tǒng)計。

RQD=115-3.3×Jv。

(1)

式中：RQD為巖石的質量指標；Jv為圍巖的體積節(jié)理數(shù),4.5

2.4 地下水情況

地下水流量可通過以下3種方法進行判斷。

1)根據(jù)巖渣的濕潤程度對地下水情況進行初步判斷。當巖渣呈干燥狀態(tài)時，可初步判斷地下水不發(fā)育；當巖渣和巖粉呈飽和狀態(tài)時，可初步判斷地下水較多。

2)通過刀盤空隙或護盾間隙觀察窗口對掌子面和洞壁的地下水狀態(tài)進行觀察，對圍巖的干燥、潮濕、滴水、線狀流水和涌水情況進行判斷，并初估其涌水量。

3)當?shù)叵滤^多時，可以在洞底選擇3個斷面進行流速測試，然后換算成地下水流量。當需要精確測量地下水流量時，可采用三角形量水堰法進行計算。

在實際操作過程中應根據(jù)地下水的條件對以上3種方法進行選擇。通常采用前2種方法，必要時可采用第3種方法。通過以上3種方法，估計出地下水流量，然后換算成每10 m洞段、每分鐘的滲流量，單位為L/(min·10 m)。

2.5 刀盤推力及扭矩

TBM掘進參數(shù)主要有推力、扭矩、貫入度、刀盤轉速及掘進速度等，掘進參數(shù)可在TBM控制室操作面板上實時顯示，并可自動存儲，便于進行參數(shù)分析。圍巖類別與掘進參數(shù)具有一定的關聯(lián)性[9-14]。在掘進速度相同的條件下，隨著巖石強度的增加和巖體完整性的提高，所需要的刀盤推力也隨之增加。而在相同的推力條件下，刀盤扭矩隨著巖石強度和巖體完整性的降低而增加。通過對刀盤推力和刀盤扭矩的變化情況進行分析，可對巖石的強度和完整性做出判斷。

2.6 巖渣分析

巖渣可提供圍巖發(fā)生變化時的重要信息。通過巖渣的形狀、塊度及均勻程度等可以初步判斷圍巖的情況： 1)巖渣主要呈片狀，可見少量粉狀，可初步判斷為完整、堅硬的Ⅰ類圍巖； 2)巖渣主要呈片狀且較為均勻，少見塊狀巖渣，可初步判斷為較完整、強度較高的Ⅱ類圍巖； 3)片狀巖渣和塊狀巖渣所占比例基本相同，可以初步判斷為Ⅲ類圍巖； 4)巖渣主要呈塊狀，塊體尺寸大小不一，掌子面出現(xiàn)局部塌方，皮帶機出渣不連續(xù)，可以初步判斷圍巖為破碎的Ⅳ類圍巖； 5)巖渣尺寸極不均勻，基本無片狀巖渣，巖粉量較低，掘進進尺與出渣量不匹配，巖渣量急劇減少或增加，部分巖塊泥質充填，巖渣中可見角礫，或被鈣質膠結，同時伴隨刀盤振動、刀盤前方異響劇烈，可初步判斷圍巖類別為Ⅴ類。

巖渣分析是初步判斷圍巖類別的一個重要輔助手段，但不能只根據(jù)巖渣的情況確定圍巖類別，必須結合其他方法對圍巖進行綜合判斷。

2.7 各指標綜合分析

選取巖石的回彈值、圍巖的完整性、巖石的質量指標、刀盤推力、刀盤扭矩、片狀巖渣含量和地下水流量7個指標進行圍巖分類。各個指標對圍巖分類的貢獻程度不同，部分指標之間具有一定的相關性，例如： 刀盤推力隨著巖石強度和巖體完整性的增加而增加，刀盤扭矩隨著巖石強度和巖體完整性的增加而降低，片狀巖渣含量隨著巖體完整性的降低而降低。根據(jù)工程經(jīng)驗，巖石強度與節(jié)理裂隙發(fā)育情況對圍巖影響最大，因此選擇的7個指標能基本上反映圍巖的真實情況。

3 CCS水電站引水隧洞雙護盾TBM施工圍巖分類標準

3.1 圍巖分類指標及評分

以CCS水電站引水隧洞的工程地質條件為基礎，根據(jù)雙護盾TBM隧洞施工的特點獲取圍巖的分類指標。結合掘進參數(shù)及巖渣分析，參考RMR圍巖分類法以及國內外雙護盾TBM的施工經(jīng)驗，根據(jù)各指標對圍巖分類的影響程度以及不同指標之間的相關性，賦于7個指標一定的分值。7個指標的取值和評分見表1。

3.2 綜合圍巖分類方法

在進行圍巖分類的過程中，將獲取的各指標評分值進行求和，見式(2)，然后通過評分的方法進行綜合圍巖分類，綜合圍巖分類見表2。

S=S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7。

(2)

式中S1—S7分別為巖石的回彈值、圍巖的完整性、巖石的質量指標RQD、刀盤推力、刀盤扭矩、片狀巖渣含量和地下水流量的評分值。

表1 圍巖分類指標Table 1 Indexes of surrounding rock classification

表2 圍巖分類標準

3.3 分段圍巖分類

采用3.1節(jié)和3.2節(jié)的方法進行隧洞的分段圍巖分類，部分洞段的分類結果見表3。根據(jù)分類結果選擇相應型號的管片及其他圍巖處理方式。

4 結論與討論

以CCS水電站引水隧洞雙護盾TBM施工為背景，參考RMR圍巖分類方法，選取巖石的回彈值、圍巖的完整性、巖石的質量指標RQD、刀盤推力、刀盤扭矩、片狀巖渣含量和地下水滲流量為圍巖分類指標，然后按照各個指標的重要性對指標進行賦值，建立圍巖的分類標準，并通過求和的方法進行綜合圍巖分類。

表3 部分洞段圍巖分類Table 3 Surrounding rock classification of part of tunnel sections

1)所選的7個圍巖分類指標較易獲取，可以克服雙護盾TBM施工時無法全面進行地質素描的困難，且7個指標基本上能反映圍巖的真實情況，分類結果較為可靠。

2)所選取的7個圍巖分類指標具有一定的相關性。在下一步的研究中，可以重點研究各指標的相關性，對相關性較好的指標進行優(yōu)化，以利于簡化指標實現(xiàn)對圍巖的快速判別。

根據(jù)各個指標的重要性程度對進行賦值，通過不同的分值體現(xiàn)各指標對圍巖分類的影響程度，這只是對雙護盾TBM圍巖分類的一個初步嘗試，各個指標賦值的普適性尚需大量的施工實踐進行檢驗和修正。

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Study of Surrounding Rock Classification of Diversion Tunnel of CCS Hydropower Station in Ecuador Bored by Double-shield TBM

YANG Jihua, QI Sanhong, GUO Weixin, ZHANG Dangli

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou450003,Henan,China)

The rock quality designation (RQD), joint space and joint characters of diversion tunnel of CCS Hydropower Station in Ecuador bored by double-shield TBM are obtained by rock mass rating (RMR), uniaxial compressive strength calculated by rebound test, observation of tunnel wall and working face through shield gaps and cutterhead gaps and rock slag and tunneling parameters. Seven indexes, i. e. rock rebounding value, surrounding rock integrity, RQD, cutterhead thrusting force, cutterhead torque, content of sheet rock slag, and seepage volume of groundwater, are selected and assigned by comprehensive analysis. The surrounding rock classification standards are established; and the classification of surrounding rocks is carried out by summation method. The classification results show that the selected seven indexes can overcome the difficulties of comprehensive geological sketching when using double-shield TBM, meet the rapid construction requirements and reflect the surrounding rock accurately. In other words, the classification results are reliable.

CCS Hydropower Station in Ecuador; diversion tunnel; double-shield TBM; surrounding rock classification

2016-10-12;

2016-11-17

楊繼華(1980—)，男，河南信陽人，2011年畢業(yè)于中國科學院武漢巖土力學研究所，巖土工程專業(yè)，博士，高級工程師，主要從事工程地質勘察和設計的研究工作。E-mail： yangjihua68@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.002

U 451+.2

A

1672-741X(2017)07-0788-06