楊繼華，齊三紅，郭衛(wèi)新，楊風(fēng)威，婁國川

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 4 50003)

0 引言

TBM施工具有快速、高效、優(yōu)質(zhì)、安全及環(huán)保的技術(shù)特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)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(jìn)速度一般為傳統(tǒng)鉆爆法的3～10倍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來全世界30% ～40%的隧洞是由TBM施工完成的。實(shí)踐表明，當(dāng)隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)超過3 km或隧洞長徑比大于600時(shí)有必要研究TBM施工的可行性［1-4］。

與鉆爆法相比，TBM對地質(zhì)條件適應(yīng)性較差，當(dāng)在沒有預(yù)案的情況下遇到不良地質(zhì)條件時(shí)，往往會導(dǎo)致掘進(jìn)速度緩慢、延誤工期及經(jīng)濟(jì)損失等。針對此問題，國內(nèi)學(xué)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(zhì)條件，得出了有益的結(jié)論，并針對TBM施工的工程地質(zhì)問題提出了對策。

目前相關(guān)的研究主要集中在工程地質(zhì)條件分析方面。眾所周知，掘進(jìn)速度快是TBM法隧洞施工的核心優(yōu)勢，而TBM的掘進(jìn)效率會受到工程地質(zhì)條件的制約，故只有將兩者相結(jié)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(jìn)效率研究引水隧洞的工程地質(zhì)條件，并針對可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題提出預(yù)防措施和對策。

1 工程地質(zhì)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(nèi)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(diào)蓄水庫，再通過引水發(fā)電洞至地下廠房(見圖1)。利用調(diào)蓄水庫與地下廠房之間500余m的天然水頭差進(jìn)行發(fā)電，電站總裝機(jī)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(hù)盾式TBM進(jìn)行開挖施工。洞身采用預(yù)制混凝土管片襯砌、豆礫石回填灌漿的支護(hù)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(zhì)條件

隧洞進(jìn)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(gè)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(jì)-白堊紀(jì)Misahualli地層(J-Km)安山巖為主，進(jìn)口處600～700 m為花崗巖侵入體(Gd)，出口段2 500 m為白堊紀(jì)下統(tǒng)Hollin地層(Kh)砂巖、頁巖互層。

工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，斷層多沿溝谷、河床及侵入體界限附近發(fā)育，傾角較陡。區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)分散，主要分為3組，其平均產(chǎn)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(qū)內(nèi)應(yīng)力場由構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力疊加而成，最大主應(yīng)力(σ1)為8～10 MPa，方向?yàn)?15°～340°。區(qū)內(nèi)地下水位始終高于隧洞高程，水壓力與隧洞深度有關(guān)，一般比隧洞高幾十米，初步估計(jì)隧洞最大涌水量可達(dá)到750 L/s。

2 影響TBM掘進(jìn)效率的主要工程地質(zhì)因素

2．1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)

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

表1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度與TBM工作條件關(guān)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(guān)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(dāng)石英、長石含量超過70%時(shí)對刀具的磨損很大，刀具的頻繁更換會大大降低掘進(jìn)效率，并顯著增加工程成本。巖石的耐磨性指標(biāo)目前一般采用CERCHAR試驗(yàn)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(biāo)Ab(0．1 mm)由針尖的磨損值來確定，根據(jù)Ab值可將巖石的耐磨性分為5級。根據(jù)國內(nèi)、外大量TBM工程實(shí)踐，在低-中等耐磨性的巖石條件下TBM掘進(jìn)效率較高，而在強(qiáng)-特強(qiáng)耐磨性的巖石條件下掘進(jìn)效率較低?？筛鶕?jù)Ab值將TBM的工作條件分為“好、一般、差”3個(gè)等級(見表2)。

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

2．3 結(jié)構(gòu)面狀況

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

表3 結(jié)構(gòu)面狀況與TBM工作條件關(guān)系Table 3 Relationship between structural surface of rocks and working difficulty of TBM

2．4 其他因素

1)地應(yīng)力。當(dāng)?shù)貞?yīng)力較高時(shí)，如果圍巖為堅(jiān)硬完整的脆性巖石時(shí)，則有可能發(fā)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(yán)重時(shí)會發(fā)生TBM卡機(jī)事故。因此，TBM較適合在中-低地應(yīng)力條件下掘進(jìn)。

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

3 CCS水電站引水隧洞TBM法施工地質(zhì)適應(yīng)性分析

對引水隧洞沿線關(guān)鍵洞段圍巖進(jìn)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(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、耐磨性及完整性3個(gè)指標(biāo)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(jié)構(gòu)，砂巖、頁巖呈層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理、裂隙中等發(fā)育，地應(yīng)力處于中-低水平，地下水總體不活躍，局部可能存在涌水。結(jié)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(zhì)問題及對策

隧洞穿過的地層自西向東依次為白堊紀(jì)下統(tǒng)Hollin地層(Kh)砂、頁巖(工程樁號 K24+816～K22+403)，侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)Misahualli地層(J-Km)安山巖、凝灰?guī)r，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(jìn)行了初步分類，分類結(jié)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?guī)r為主，地質(zhì)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(jié)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(jīng)過對CCS引水隧洞沿線地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析，在施工過程中很有可能出現(xiàn)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(zhì)問題。由于TBM法施工地質(zhì)適應(yīng)性較差的技術(shù)特點(diǎn)，如果事前沒有預(yù)案及對策，可能會造成掘進(jìn)緩慢或者被迫停機(jī)，兩者都會大大降低TBM的平均掘進(jìn)效率，無法發(fā)揮TBM掘進(jìn)速度快的核心優(yōu)勢。

4．1 斷層帶圍巖塌方

引水隧洞區(qū)內(nèi)構(gòu)造強(qiáng)烈、復(fù)雜，初步判斷存在較多的節(jié)理密集帶及斷層剪切破碎帶。在TBM施工中如處理不當(dāng)，可能會引起圍巖塌方導(dǎo)致TBM刀盤及護(hù)盾被埋的嚴(yán)重事故。針對以上問題，可采取以下措施。

4．1．1 超前預(yù)報(bào)

采用超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)對掌子面前方圍巖進(jìn)行預(yù)測，目前地震法超前預(yù)報(bào)可探測距離達(dá)200 m，可作為長期預(yù)報(bào)，每周進(jìn)行1次即可，對圍巖進(jìn)行初步判別。一旦發(fā)現(xiàn)存在斷層，應(yīng)加密探測。當(dāng)掘進(jìn)至斷層5～10 m處時(shí)，可利用TBM配備的超前鉆機(jī)向掌子面前方鉆探，進(jìn)一步查明斷層的規(guī)模及性狀，以便針對性地采取施工措施。

4．1．2 超前支護(hù)

采用TBM超前鉆機(jī)向掌子面前方鉆設(shè)超前錨桿，對掌子面前方圍巖提前進(jìn)行支護(hù)，并對前方圍巖進(jìn)行注漿固結(jié)。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(xué)灌漿，以形成在錨固圈保護(hù)下的掘進(jìn)作業(yè)。為防止掌子面圍巖塌方，在掘進(jìn)前應(yīng)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(qiáng)度較低，在埋深較大洞段，在地應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生較大變形，輕則破壞襯砌管片，嚴(yán)重時(shí)會卡住TBM護(hù)盾，造成卡機(jī)事故。

4．2．1 適當(dāng)超挖及快速通過

如遇到短時(shí)間內(nèi)快速收斂變形的圍巖，可調(diào)整TBM刀盤邊刀并安裝擴(kuò)挖刀，適當(dāng)超挖以增加護(hù)盾與開挖面之間的空隙以避免護(hù)盾被卡住。軟弱圍巖的變形與時(shí)間有直接的關(guān)系，因此當(dāng)掘進(jìn)到快速收斂洞段時(shí)，應(yīng)增加掘進(jìn)時(shí)間，減小機(jī)械維護(hù)時(shí)間，使TBM在圍巖發(fā)生足夠大的變形之前盡快通過。

4．2．2 人工處理

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

4．3 巖爆

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

4．3．1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

巖爆的發(fā)生不僅取決于地應(yīng)力條件，還與巖性及其分布特征、巖體結(jié)構(gòu)和地下水狀況及其他因素有關(guān)。在施工過程中，可觀察巖石特征，并采用超前鉆探的方法進(jìn)行超前地質(zhì)探測，預(yù)測地應(yīng)力大小及巖爆發(fā)生的可能性，為巖爆防治提供依據(jù)。

4．3．2 釋放巖體中的應(yīng)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(yīng)力提前釋放，必要時(shí)可打垂直洞壁巖面的徑向應(yīng)力釋放孔。如果預(yù)測的地應(yīng)力較高，可在超前鉆孔裝設(shè)炸藥震裂完整巖體，也可向超前鉆孔內(nèi)注入高壓水使圍巖內(nèi)部形成破裂帶，從而降低掌子面和洞壁的高應(yīng)力，以降低應(yīng)力集中導(dǎo)致巖爆的可能性。

4．4 涌水

根據(jù)勘測設(shè)計(jì)成果，CCS水電站引水隧洞沿線全部位于地下水位以下。經(jīng)初步預(yù)測，隧洞斷層破碎帶最大涌水總量可達(dá)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(yán)重影響施工進(jìn)度，如何應(yīng)對掘進(jìn)過程中的涌水是施工中的關(guān)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(jìn)

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

4．4．2 超前排水

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，一旦發(fā)現(xiàn)掌子面前方的含水帶，可采用超前鉆打排水孔排水，同時(shí)增加洞內(nèi)排水泵的數(shù)量，及時(shí)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(qū)內(nèi)年平均降雨量超過5 000 mm，地下水有充足的補(bǔ)給來源，對于隧洞內(nèi)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(nèi)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(shí)間沖刷下有失穩(wěn)的可能，后果嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致襯砌的變形與損壞。此時(shí)，可采用高壓灌注水泥漿或化學(xué)注漿方式堵塞住圍巖中地下水的活動通道，達(dá)到止水的目的，以保證隧洞圍巖的穩(wěn)定性及施工順利進(jìn)行。

4．5 高地溫及有害氣體

CCS水電站工程區(qū)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(fā)在1976年，火山活動較頻繁，地層深部巖漿活動強(qiáng)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(yīng)及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，并可在TBM上配備噴淋設(shè)施，向掌子面和洞壁圍巖噴水降溫，同時(shí)加強(qiáng)通風(fēng)，以降低隧洞的溫度。

根據(jù)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(jìn)行超前探測，將有害氣體排出洞外并監(jiān)測有害氣體含量，并加強(qiáng)通風(fēng)，同時(shí)采取嚴(yán)格的防火措施，以確保洞內(nèi)人員的施工安全。

5 結(jié)論與討論

本文對影響TBM掘進(jìn)效率的工程地質(zhì)因素進(jìn)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(zhì)適應(yīng)性進(jìn)行了分析，并針對可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題進(jìn)行了研究，提出了預(yù)防措施和對策。主要結(jié)論如下:

1)影響TBM掘進(jìn)效率的主要工程地質(zhì)因素為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的硬度及耐磨性、巖體的完整性、結(jié)構(gòu)面走向與掘進(jìn)方向的夾角、地應(yīng)力及地下水等。經(jīng)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(xiàn)的工程地質(zhì)問題進(jìn)行了預(yù)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(gè)方面，并根據(jù)不同的地質(zhì)問題提出了相應(yīng)的預(yù)案和對策。

CCS水電站引水隧洞由2臺雙護(hù)盾式TBM施工，于2012年9月開始掘進(jìn)，目前總掘進(jìn)里程已經(jīng)過半，TBM1和 TBM2累計(jì)掘進(jìn)進(jìn)尺分別為 7．65 km和8．00 km，分別占計(jì)劃進(jìn)尺的70．8%和58．0%，其平均月進(jìn)尺分別達(dá)到了545 m和667 m。在掘進(jìn)過程中，局部洞段遇到的工程地質(zhì)問題主要有斷層破碎帶、節(jié)理密集帶巖體塌方及涌水等，用事前準(zhǔn)備的施工預(yù)案進(jìn)行處理，TBM均順利通過了不良地質(zhì)段，不良地質(zhì)條件未對TBM掘進(jìn)造成明顯的影響。

工程地質(zhì)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(zhì)條件進(jìn)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。

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