厄瓜多爾CCS水電站引水隧洞TBM選型及工程地質問題與對策

楊繼華, 齊三紅, 郭衛新, 苗 棟

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

厄瓜多爾CCS水電站引水隧洞TBM選型及工程地質問題與對策

楊繼華, 齊三紅, 郭衛新, 苗 棟

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

厄瓜多爾CCS水電站引水隧洞全長24.8 km,開挖洞徑9.11 m,隧洞開挖擬采用TBM法。隧洞沿線地質構造較復雜,斷層發育,水文地質條件不良。對開敞式、單護盾及雙護盾3種類型TBM技術特點和地質適應范圍進行了細致分析,同時結合CCS水電站引水隧洞的工程地質條件和存在的工程地質問題,并參照國內外已有的TBM工程實踐,決定CCS水電站引水隧洞施工選用雙護盾TBM。圍巖分類和超前地質預報是CCS水電站引水隧洞TBM施工過程的兩項重要地質工作。通過巖石現場回彈測試、掌子面及洞壁圍巖局部觀測、巖渣分析、掘進參數分析、地下水流量觀測及測試等方法獲取圍巖分類指標,建立圍巖分類標準,并確定合適的管片支護。通過地質分析、物探法、超前鉆探的綜合預報方法,查明掌子面前方的不良地質條件,為TBM的順利掘進提供保證。針對施工過程中出現的斷層破碎帶塌方、涌水、砂巖砂化等工程地質問題,提出有效的處理措施。施工實踐表明:CCS水電站引水隧洞選用雙護盾TBM是成功的。

TBM;引水隧洞;選型;工程地質問題

TBM隧洞施工具有掘進速度高、成洞質量好、對圍巖擾動小、人員和設備安全性高及環境保護好的技術特點,在國內外的水利水電隧洞、鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵隧道等領域得到了廣泛的應用,其平均施工速度約為鉆爆法的3～8倍[1-4]。

TBM選型受工期、隧洞設計及工程地質條件等因素的影響,其中工程地質條件對選型影響最大。最好的TBM不一定是最先進的,而是最適合隧洞工程地質條件的TBM。針對TBM選型問題,國內、外多個工程均進行了詳細的論證研究,并取得了較好的效果。吳世勇等[5]根據錦屏Ⅱ級水電站12.4 m直徑的引水隧洞的工程特點及工程地質條件,選取了開敞式TBM,并對施工中的關鍵技術進行了研究。琚時軒[6]研究了不同類型TBM的適用范圍并對其特點進行了比較。張軍偉等[7]、葉定海等[8]、毛擁政等[9]分別對大伙房輸水工程特長隧洞、南水北調西線工程引水隧洞、引紅濟石工程長隧洞的工程特點和工程地質條件進行了研究,并選取了合適的TBM機型。尚彥軍等[10]則對國內外3個TBM選型失敗的案例進行了分析并從中得到了深刻的經驗和教訓。

本文以CCS水電站工程24.8 km長引水隧洞為研究對象,基于引水隧洞的工程地質、水文地質條件分析,研究對比開敞式、雙護盾和單護盾3種類型的硬巖TBM的特點及適用的地質條件,結合工期等因素,綜合選定了引水隧洞采用雙護盾TBM施工。針對引水隧洞TBM施工過程中存在的工程地質問題,提出了相應的處理措施,保證了TBM快速、安全施工。相關研究方法可為類似工程的TBM選型及施工對策提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

厄瓜多爾CCS水電站引水隧洞[11-12]洞線全長約24.8 km(圖1),擬采用2臺TBM施工。洞身斷面為圓形,開挖洞徑9.11 m,采用預制鋼筋混凝土管片襯砌,襯砌后洞徑8.20 m,隧洞進水口洞底高程1 250.00 m,出水口洞底高程1 204.50 m,縱坡0.173%。

1.2 工程地質條件

CCS水電站引水隧洞沿線地形起伏較大,地勢總體呈西高東低,最高點海拔1 998 m,最低點海拔1 205 m,隧洞埋深一般洞段為300～600 m,局部洞段超過700 m。

圖1 CCS水電站布置圖Fig.1 The layout of CCS Hydropower Station

引水隧洞穿過的地層主要有:侏羅紀—白堊紀Misahualli地層(JKm)的凝灰巖、安山巖,白堊紀下統Hollin地層(Kh)的砂巖、頁巖互層,局部洞段可見花崗巖侵入體(Gd),各類地層比例見圖2。在詳細設計階段,根據勘察成果,采用的RMR[13-14]圍巖分類法對引水隧洞進行分段圍巖分類,見圖3,結果表明:引水隧洞圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主,所占比例為79.2%,分布有較多的斷層及破碎帶,圍巖以多為Ⅳ、Ⅴ類,所占比例約20.8%。隧洞工程地質剖面圖見圖4。砂、頁巖單軸飽和抗壓強度20～40 MPa,安山巖和花崗巖分別為80～120 MPa、60～80 MPa,斷層破碎帶巖石<10 MPa。

圖2 引水隧洞各類地層比例Fig.2 The strata proportion of the headrace tunnel

圖3 引水隧洞各類圍巖比例Fig.3 The surrounding rock proportion of the headrace tunnel

圖4 CCS水電站引水隧洞工程地質剖面圖Fig.4 The engineering geology section of the headrace tunnel at CCS Hydropower Station1.侏羅紀—白堊紀Misahualli地層凝灰巖、安山巖;2.白堊紀下統Hollin地層砂巖、頁巖;3.白堊紀中統Napo地層頁巖、砂巖;4.花崗巖侵入體;5.地層界線;6.斷裂帶。

工程區為一單斜地層,隧洞沿線共發育有不同規模的斷層33條,斷層寬度多<2 m,少量斷層及破碎帶寬度>10 m,斷層產狀多陡傾,與洞軸線大角度相交。區內巖體節理、裂隙面根據其產狀大致可分為3組:30°～50°∠70°～80°,180°～200°∠75°～80°,330°～350°∠70°～80°。區內地應力為中—低地應力水平,最大主應力方向為315°～340°,量值約8～10 MPa。區內影響隧洞地下水類型主要是Hollin地層及Misahualli地層的含水巖層及構造裂隙水,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,初步估計隧洞在施工過程會出現最大0.5～1.0 m3/s的集中涌水。

2 CCS水電站引水隧洞TBM選型

2.1 TBM類型

目前國內、外隧洞施工中,常用的巖石全斷面TBM主要有開敞式、單護盾、雙護盾三種類型。三種類型的TBM都有各自不同的技術特點和適應的地質條件[15-20]。其中開敞式TBM適合穩定性較好的Ⅱ、Ⅲ類圍巖隧洞,單護盾TBM適合穩定性差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖隧洞,雙護盾TBM綜合了開敞式和單護盾的優點,對Ⅱ-Ⅴ類都有較好的適應性。

2.2 CCS水電站引水隧洞TBM選型

根據前期勘測設計成果,CCS水電站引水隧洞適合TBM施工,具體選用何種類型的TBM,還需要根據隧洞的工程地質條件進行綜合分析和研究。

2.2.1 工程地質條件分析

隧洞區的主要地層為侏羅紀—白堊紀Misahualli地層(JKm)的安山巖,進水口段約600～700 m為花崗巖侵入體(Gd),出水口段2 500 m為白堊紀下統Kh地層砂、頁巖,其中安山巖和花崗巖為塊狀結構,砂、頁巖為層狀結構,斷層破碎帶、節理密集帶以及中等風化、強風化巖體為破碎結構,斷層破碎帶以及全風化巖體為散體結構。安山巖的單軸飽和抗壓強度80～120 MPa,花崗巖60～80 MPa,砂巖、頁巖20～40 MPa,斷層帶巖石>10 MPa。按照圍巖穩定性來劃分,穩定性好的Ⅱ類圍巖占58.6%,穩定性一般的Ⅲ類圍巖占20.6%,穩定性差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖占20.8%。

2.2.2 三種類型TBM比選

根據不同類型TBM性能與適應地質的條件來看,開敞式TBM主要適用于穩定性較好Ⅱ、Ⅲ類圍巖隧洞,雖然近年來開敞式TBM通過配備多種支護及超前處理設備具備了通過特殊不良地質段的能力,但對不良地質段的處理會大量占用時間,從而減少了純掘進時間,導致其平均掘進速度較低。從國內、外的實踐來看,Ⅱ、Ⅲ類圍巖占90%以上的隧洞采用開敞式TBM最為合適。而CCS水電站引水隧洞有20.8%的Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段,發育有多處斷層破碎帶和節理密集帶,開敞式TBM在Ⅳ、Ⅴ類圍巖施工必然會遇到很大的困難。另外,開敞式TBM掘進時僅能進行噴錨初期支護,二次襯砌由專門的襯砌臺車來施工,在不增設施工支洞的前提下考慮到在掘進時繁忙的洞內交通狀況,二次襯砌一般在隧洞貫通后方可進行,掘進和二次襯砌兩者相加所需要時間較長,而CCS水電站總體工期緊張,時間成本必須加以考慮。綜合以上分析,開敞式TBM不適合于CCS水電站引水隧洞施工。

單護盾TBM最適合穩定性較差、巖石單軸飽和抗壓強度10～50 MPa的Ⅳ、Ⅴ類圍巖隧洞,在中—硬巖地層中不能發揮其優勢,CCS水電站引水隧洞Ⅳ、Ⅴ類圍巖所占比例僅為20.8%,根據前期的勘察成果,強度高的安山巖和花崗巖所占比例超過80%,大部洞段的安山巖單軸飽和抗壓強度在80 MPa以上,少量達到150 MPa以上,單護盾TBM破巖能力無法勝任,因此單護盾TBM也不適合于CCS水電站引水隧洞施工。

雙護盾TBM對Ⅱ-Ⅴ類圍巖隧洞均有良好的適應性,在硬巖、穩定性好的圍巖條件下采用雙護盾模式掘進,掘進和管片安裝同步時,掘進速度高,在軟巖、穩定性差的圍巖條件下采用單護盾模式掘進,管片安裝在掘進停止后進行,掘進速度會有所降低,但由于管片襯砌緊接在盾尾進行,消除了開敞式TBM因大量的初期支護而引起的停機延誤,掘進速度可以有所補償。CCS水電站引水隧洞Ⅱ-Ⅴ類圍巖均有一定范圍的分布,考慮到對不同地質條件的適應能力,雙護盾TBM最為合適。一般認為,管片襯砌為剛性支護,不適合高地應力和高外水壓力的地質條件,CCS水電站引水隧洞地應力和外水壓力總體上為中—低水平,對管片襯砌的影響較小。隧洞開挖過程中可能出現較大規模的涌水,但采用上坡掘進后,隧洞自身具有較強的排水能力,設備本身無被淹沒的可能。雙護盾TBM在設備費用及工程成本上較開敞式高,其占地面積與環境保護方面也略差,但考慮到雙護盾TBM較高的掘進速度從而使工程提前竣工投入運營以產生巨大的經濟效益、時間效益和社會效益,其略顯高昂的設備成本也是可以接受的。

2.2.3 TBM選型及性能

通過多種因素的對比和分析,綜合工程的實際情況和國內、外已有的TBM的實踐經驗,結合CCS水電站引水隧洞圍巖的地質條件,在對所適用的TBM類型進行深入細致的研究前提下,決定CCS水電站引水隧洞施工采用雙護盾式TBM施工。

最終CCS水電引水隧洞選用了兩臺德國海瑞克公司制造的雙護盾TBM。其中TBM1由位于隧洞中部2#施工支洞向隧洞進口方向掘進,掘進長度約10.0 km;TBM2由隧洞出口向2#施工支洞方向掘進,掘進長度約13.8 km(見圖1)。兩臺TBM的配置完全相同,設備的主要性能參數如下:主機長(刀盤+護盾)12.4 m,后配套長度157.0 m,TBM總重量約1 960 t,開挖直徑9.11 m,盤形滾刀直徑483 mm,其中中心滾刀8把、面刀38把、邊刀13把、擴挖刀3把,安裝擴挖刀后,可使開挖直徑擴大10 cm。刀盤動力系采用變頻電機,刀盤總功率4 200 kW(12×350 kW),刀盤最大轉速5.95 rPm,最大扭矩在2.95 rPm時19 179 kNm,在5.95 rPm時9 589 kNm,后配套上配備了管片安裝機、超前鉆機、豆礫石回填系統、水泥漿注入系統、砂漿注入系統等設備。

3 工程地質問題及對策

為確保CCS水電站引水隧洞TBM的快速、安全施工,須根據雙護盾TBM自身特點和工程地質問題采取相應施工預案和對策,以保證TBM施工的順利進行。

3.1 綜合圍巖分類法

CCS水電站引水隧洞采用雙護盾TBM施工,預制鋼筋混凝土管片襯砌,管片與洞壁之間的空隙采用豆礫石回填灌漿。針對不同的圍巖類別共設計了3種型號的管片,B型管片對應Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ類圍巖(穩定圍巖),C型管片對應Ⅳ類圍巖(不穩定圍巖),D型管片對應Ⅴ類圍巖(極不穩定圍巖,斷層破碎帶),3種型號管片的外形尺寸參數完全相同,所用混凝土等級也相同,區別在于配筋量,其支護強度以D型最強,C型次之,B型最弱。對于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖,在管片襯砌的基礎上,還需要對圍巖進行固結灌漿。

雙護盾TBM在掘進時,受刀盤、護盾及已安裝好管片遮擋的影響,能直接觀察到的掌子面和洞壁的圍巖非常有限,因此無法像鉆爆法隧洞采用直接地質素描的方法進行圍巖分類。針對此問題,在CCS水電站引水隧洞雙護盾TBM施工過程中,以RMR圍巖分類法為基礎,采取巖石現場回彈測試、掌子面及洞壁圍巖局部觀測、巖渣分析、掘進參數分析[21]、地下水流量觀測及測試等方法獲取圍巖分類指標,建立圍巖分類標準(見表1),并以此為依據進行綜合圍巖分類,根據分類結果選擇合適型號的管片及其它處理措施。

表1 CCS水電站TBM施工引水隧洞圍巖分類標準Table 1 The classification standard of surrounding rock in the TBM construction of the headrace tunnel at CCS Hydropower Station

3.2 綜合超前地質預報

CCS水電站引水隧洞穿越了多個地質單元,地質條件復雜,在TBM施工過程中可能遇到斷層破碎帶塌方、軟巖塑性變形、突涌水等工程地質問題,由于前期勘察工作精度不高,對于以上這些不良地質條件僅做出了定性的判斷,滿足不了TBM施工階段地質精度的要求。這就要求在施工階段要加強超前地質預報,通過超前地質預報,查明掌子面前方的地質條件,探明不良地質體的位置、規模、性質,評價其對TBM施工的影響程度,根據預報結果有針對性地采取處理措施,避免隧洞地質災害的發生,或減輕地質災害對TBM施工的影響。

在CCS水電站引水隧洞TBM過程中,采用了綜合超前地質預報方法,即以地質分析為基礎,通過地震法、電法等物探方法、超前鉆探等,根據需要對掌子面前方進行預報。具體流程如下:以詳細設計階段的工程地質平面圖、工程地質剖面圖、水文地質圖為基礎,結合洞內已開挖揭露的地質條件,對掌子面前方圍巖做出初步判斷;如果判斷出有不良地質體,則在距離不良地質體約50 m處進行地震法探測,進一步探測不良地質體的位置和規模,如果地震法未發現不良質體,則在接下來施工中進行地震法連續探測,以避免出現漏判的情況;當地震法探測到不良地質體后,則在距離不良地質體約10 m處采用超前鉆機進行鉆探,同時結合電法探測,對不良地質體的性質、規模及危害性進行確認。

在CCS水電站引水隧洞雙護盾TBM施工過程中,根據綜合超前地質預報結果,針對不良地質體采取有效的處理措施,TBM順利地通過了斷層破碎帶、涌水等多處不良地質段。

3.3 不良地質段及處理措施

3.3.1 斷層破碎帶

CCS水電站引水隧洞區內地質構造復雜,發現有較多的斷層破碎帶及其影響帶,破碎帶圍巖穩定性差,易發生塌方,當塌方量較大時,則容易造成“卡機”事故。

針對斷層破碎帶,采取了以下處理措施:采用綜合超前地質預報方法,查明斷層帶的位置、規模、性質;調整TBM掘進參數,采用單護盾模式掘進,降低刀盤推力及轉速,減少對圍巖的擾動;對掌子面不能自穩的圍巖采用超前灌漿加固圍巖;及時封堵地下水,減少地下水對圍巖穩定的影響;安裝配筋量高的D型管片,保證隧洞的穩定性。通過以上措施,TBM順利通過了多條斷層破碎帶。

3.3.2 涌水

TBM掘進至樁號22+723 m處時,根據沿線地質分析,初步判斷掌子面前方為Hollin地層的砂、頁巖和Misahualli地層的安山巖的接觸帶,圍巖破碎,可能發生涌水。采取了如下措施:采用ISIS地震法對掌子面前方圍巖進行了3次超前地質預報,確定掌子面前方圍巖破碎、富含地下水;增加排水設備;調整了掘進參數,考慮到涌水會降低圍巖穩定性,采用單護盾模式掘進;采用化學灌漿方法封堵地下水通道,減少涌水量。

在掘進過程中遇到了300 L/s的涌水,但由于準備措施得當,順利地通過了涌水不良地質段。

3.3.3 砂巖砂化

TBM掘進至樁號23+082 m 處時,地層巖性為砂巖夾有少量頁巖,巖體破碎、強度低,在滾刀的擾動和地下水作用下,迅速砂化。砂化后的巖渣由于摩擦力小,皮帶機無法出渣,大部分砂粒沖入洞底,淹沒軌道,影響小火車運行。針對此問題,采取了如下措施:停機進行地震法和鉆探超前地質預報,查明砂巖洞段的長度及特征;及時封堵地下水通道,減少涌水量;調整TBM掘進參數,降低刀盤的轉速和推力,減小對圍巖的擾動;對散落到洞底的砂粒采用人工清渣。

采用以上措施后,雖然掘進速度緩慢,但未發生大的事故,TBM安全地通過了砂化不良地質段。

4 結語

CCS水電站引水隧洞TBM1于2013年1月開始正洞試掘進,2015年3月掘進完成;TBM2于2012年9月開始試掘進,2015年1月掘進完成。在掘進過程中,TBM1和TBM2分別于2013年11月和2013年4月創造了1 025.9 m和1 000.4 m的最高月進尺記錄,這在國內外類似洞徑的TBM施工速度中名列前矛。在施工過程中采用了地質分析、地震法、電法、超前鉆機等綜合超前地質預報方法對不良地質條件進行超前探測,取得了良好的效果,兩臺TBM克服了砂性地層、斷層破碎帶塌方、強涌水等不良地質條件,大部分時間的平均月進尺超過了600 m。

通過雙護盾TBM在CCS水電站引水隧洞的實踐,得到如下幾點認識:

(1) CCS水電站引水隧洞Ⅱ-Ⅴ類圍巖均有一定范圍的分布,選用雙護盾TBM,既具有開敞式TBM掘進硬巖能力,又具有單護盾TBM突破穩定性差圍巖的能力,實踐表明:雙護盾TBM在CCS水電站引水隧洞的運用是成功的。

(2) 雙護盾TBM施工時,無法采用傳統地質素描的方法進行圍巖分類,而應根據巖石的回彈測試、掌子面和洞壁局部圍巖觀察、巖渣分析、掘進參數分析、地下水流量觀測及測試多種手段獲取圍巖的地質信息進行圍巖分類。

(3) 詳細、準確的地質信息是TBM快速、安全施工的保障,TBM施工過程中,應采用以地質分析為基礎,結合物探、超前鉆探的綜合超前地質預報方法,查明不良地質條件位置、性質、規模及對TBM施工的影響程度。

(4) 不良地質條件制約著TBM的掘進速度,如處理不當,會造成TBM掘進受阻,對于不良地質條件的處理,應做到寧慢勿闖,在對不良地質條件做出準確評估的基礎上,根據其危害性采取有效的處理措施。

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(責任編輯：陳姣霞)

Problems on TBM Section and Engineering Geological Conditions andCountermeasures in Construction of Headrace Tunnel at CCSHydropower Station in Ecuador

YANG Jihua, QI Sanhong, GUO Weixin, MIAO Dong

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

The headrace tunnel of CCS hydropower station in Ecuador is 24.8km in length and 9.11 m in diameter,which is suitable for tunnel excavating by TBM method. The geological structure along the tunnel is complicated with fault development and adverse hydrologic geology conditions. In this paper,the technical characteristics and geological adaptive ranges of the open-type TBM,single-shield TBM and double-shield TBM are analyzed in detail. Combined with the engineering geological conditions of the project and their existential questions,double-shield TBM is selected for tunnel construction after an assessment of existing TBM engineering practices.Rock classification and advanced geological prediction were two important geological work in TBM tunnel construction process.The methods such as rock rebound testing,surrounding and tunnel face local observation,rock gravel analysis,tunneling parameters analysis,and groundwater flow observation and testing are used to establish classification indices and standards for surrounding rocks,and confirm appropriate segment lining.Adverse geological conditions in the tunnel face are detected out by the comprehensive prediction method of geological analysis,geophysical exploration,and advanced drilling,which provides a guarantee for the propitiousness driving of TBM. Effective measures are proposed in the construction process for the engineering geological problems like the fault fracture zone collapse,water gushing and sandification. Construction practice shows that it is triumphant toapply double-shield TBM into the headrace tunnel of CCS hydropower station.

TBM; headrace tunnel; type-selection; engineering geological problems; countermeasures

2017-06-09;改回日期:2017-07-03

楊繼華(1980-),男,高級工程師,博士,巖土工程專業,從事隧道及地下工程的勘察與研究工作。E-mail:yangjihua68@sohu.com

TV672.+1

A

1671-1211(2017)04-0425-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.016

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1432.016.html 數字出版日期:2017-05-16 14:32