锦屏二级水电站引水隧洞TBM 施工问题与对策探讨

王 鸽， 龚 秋 明

(1.二滩水电开发有限责任公司，四川 成都 610051;2.北京工业大学，北京 100124)

1 概述

自上世纪50年代利用TBM首次进行工业化生产以来，由于TBM开挖在一般岩体条件下施工速度快、长隧道施工中经济效益良好、施工环境友好、施工安全及施工劳动强度低、对围岩影响小等优势而得到了快速发展。到上世纪70、80年代，TBM隧道开挖在欧美市场已占到了相当份额。随着TBM技术的发展，TBM推力、扭矩、滚刀技术、支护技术、超前预测技术都得到了很大提高。TBM的类型已经多样化，针对不同的地质条件可选不同或设计个性化的TBM。

锦屏二级水电站位于雅砻江下游的四川省凉山州境内，装机容量4 800 MW，最大引水流量为465 m3/s，紧邻锦屏一级水电站。该电站利用雅砻江下游河段150 km长大河湾的天然落差，通过长约16.7 km的4条引水隧洞，截弯取直，获得水头约310 m。本电站引水隧洞属于深埋特长隧洞，其中2条引水隧洞施工采用敞开式硬岩掘进机(TBM)进行施工。引水隧洞硬岩TBM开挖直径12.4 m，最大埋深达2 525 m，位列世界第二。隧洞施工中存在高地应力(岩爆)及高压水(突涌水)等问题。针对这些特殊的工程地质条件以及施工条件，相关设计、科研、施工单位已专门作了大量的研究工作，取得了许多研究成果。笔者基于对已取得的水文及工程地质资料的基础上，基于TBM开挖机理，对TBM开挖可能出现的问题进行了分析，对TBM 在施工控制措施及对策方面进行了研究。

2 锦屏二级水电站引水隧洞区域工程地质条件

2.1 地形地貌

锦屏二级水电站地处青藏高原向四川盆地过渡的地貌斜坡地带，锦屏山以近南北向展布于河湾范围内，主体山峰高程4 000 m以上，最高峰为4 488 m，山峰最大高差达3 000 m以上。工程区的地貌可以划分为高山区(高程3 600 m以上)、中山区(高程2 000～3 600 m)、峡谷地貌。其主要地貌特征:三级夷平面(Ⅰ级——高程4 000 m，Ⅱ级——高程 3 000 m，Ⅲ级——高程 2 200 m)、阶地及岩溶地貌和冰蚀地貌等。各种地貌形态成层叠置，反映出本区长期稳定上升型的地貌特征。

2.2 地层岩性

工程区内出露的地层为前泥盆系至第四系的一套浅海滨海相、海陆交替相地层。区内三迭系地层广布，分布面积约占90%以上，其中碳酸盐岩出露面积占70%～80%。引水隧洞沿线主要出露的地层为三迭系下统(T1)、中统(T2)和上统(T3)的部分地层。

2.3 地质构造

锦屏二级水电站工程区在大地构造上处于松潘甘孜地槽褶皱带的东南部，受NWW～SEE向应力场控制，形成一系列近南北向展布的紧密复式褶皱和高倾角的压性或压扭性走向断裂，并伴有NWW向张性或张扭性断层。

NNE、NE、近EW向构造组成了本区的构造骨架。而纵张断层和横张断层、节理切割带则常为地下水活动通道，也为地下水富集地带。

2.4 地应力

工程区实测地应力成果显示，地应力值随埋深增加而增加，且自洞深600～3 000 m最大主应力由平行岸坡转变成近垂直向，即地应力从水平应力状态转变为以垂直应力为主状态，实测最大应力值达42.11 MPa，地质钻探中出现饼状岩芯，属高地应力区[1]。岩爆以弱、中等为主，局部地段出现强岩爆。岩爆破坏方式有片/层状剥落、弯曲鼓折破裂及穹状/楔状爆裂三种方式。主要以张性、张剪性破坏为主。辅助洞开挖表明东端岩爆强度较西端强度大，声响特征明显。强烈岩爆时部分发生弹射。

2.5 岩溶地下水条件

在上世纪90年代锦屏长探洞(高程比辅助洞低200 m左右)的施工过程中，曾发生多次大的涌水，且各大涌水点具有高水头、大流量的特点，在有其他出水孔释放的情况下，测得最大涌水压力为 3.5 MPa，集中涌水量达 4.91 m3/s，稳定流量为2～3 m3/s

3 正常岩体条件下TBM施工的相关问题

TBM开挖过程是岩体与TBM相互作用的过程，也是在不同的岩体环境下TBM的破岩过程。TBM隧道开挖工效可以由四个指标表示，分别为掘进速度(Penetration Rate or PR)、掘进进度(Advance Rate or AR)、利用率(Utilization)、滚刀磨损(Cutter Wear)。掘进速度为刀盘净掘进过程的开挖速度;掘进进度为平均开挖速度，可以为每天、每星期或每个月等;利用率为TBM开挖时间与同期施工时间之比值;滚刀磨损以单个滚刀开挖的岩石体积(m3)或单个滚刀所行走的距离(km)表示。

掘进速度(PR)主要受TBM的破岩效率控制，包括TBM的设计参数、岩体参数及施工运行参数。在确定了TBM设计后，对不同岩体选择相适应的运行参数就显得尤为重要。影响TBM破岩效率的岩体因素主要有岩石的强度、脆性、节理的间距及节理的方向，许多TBM掘进速度预测模型中都直接或间接地用到了这四个参数。对于锦屏二级水电站引水隧洞，另一个问题是隧道轴线出现的岩组及岩体类型多，掌子面出现不同程度的多种混合地层会影响到TBM的开挖效率，如在滚刀上产生冲击载荷、滚刀超载及刀盘振动较大等问题。

掘进进度(AR)因为影响的因素较多，比如岩体质量与支护方式、地下水、地应力及施工管理等。TBM施工实例中掘进进度也显示了极大的差异性，从百分之几至百分之五十多都有。掘进进度是业主及施工方最为关注的问题。在正常岩体条件下，提高支护效率，缩短岩体支护时间，合理安排进料，提高TBM的利用率是施工需要细致考虑的重点。另外，TBM需要开挖不同岩体条件段，对TBM的维护应该常态化。

滚刀磨损(CW)是TBM隧道开挖中影响施工经济指标的一个重要因素。影响滚刀磨损的因素较多，包括TBM破岩是否有效、混合地层的情况、岩石本身的摩擦性、出渣是否顺畅等。锦屏二级水电站引水隧洞所穿越的岩组较多，目前还没有岩石摩擦性试验的结果，估计砂岩的摩擦性较大;另外，混合地层在开挖面出现的长度也会大大影响滚刀的磨损，尤其是滚刀的异常磨损会大大增多。

锦屏二级水电站已查明有高地应力、高压水头及突涌水的存在，这些环境因素将直接影响TBM开挖的成功与否。在施工中应在已有辅助洞开挖资料及勘察资料的基础上，对已开挖的辅助洞典型岩体特征、破坏模式、涌水量、岩爆发生的等级进行现场调查，并取样进行室内相关TBM开挖工效指数试验，对主要由岩爆控制、地下水涌水量控制及岩体特征控制的地段进行分段分级评价，优化规划TBM施工与钻爆法施工。

4 TBM施工应对高地应力问题与对策探讨

针对锦屏二级水电站引水隧洞的工程地质条件，TBM在设计阶段就已经充分考虑到岩爆对施工的影响，在设备制造中已经采取了相应的措施，比如增加了顶护盾等。但面临如此高的地应力，国内外TBM施工都没有现成的经验可遵循，需采取有针对性的预防措施。高地应力对TBM开挖产生的影响主要表现在以下几个方面:

(1)高地应力对TBM开挖(掘进速度)的影响有:

①当地应力较低或不足以使岩石产生板裂时，地应力的增加意味着围压增加，不利于岩石破碎，TBM掘进速度随之降低。

②相对于岩石强度，如果地应力足以使岩石产生板裂，而且又不至于造成破坏产生岩爆，有利于岩石破碎，TBM掘进速度随之增加。

③如果地应力过高，使岩石产生劈裂、剥裂、岩爆等，会造成掌子面不稳定，不利于岩石破碎和进尺。

(2)高地应力对岩体支护(掘进进度)的影响:

①高地应力作用下，脆性岩石产生的岩爆对施工安全及支护产生很大的影响。岩爆造成了隧洞洞壁的破坏，对TBM撑靴的稳定及提供反力产生了很大的困难。

②高地应力作用下，软弱岩体会产生很大的挤压变形，隧洞中产生很大的收敛，给支护及TBM开挖造成很大困难，也可能造成TBM卡机事故的发生。

(3)高地应力对TBM滚刀磨损的影响:

①高地应力条件下，掌子面岩石的破裂及劈裂造成岩石不规则破坏，容易形成大块的岩石不能进入岩石收集口，从而形成岩块的二次碾磨。

②另一方面，岩爆过程中形成的岩片易造成滚刀口的堵塞，从而造成滚刀的异常磨损及轴承的破坏。

对TBM开挖受岩爆控制的隧洞段，需对已开挖辅助洞岩爆发生的型式、规模、范围、部位进行仔细调查，并通过室内岩爆模拟试验，分析不同等级岩爆发生情况下对TBM开挖的影响。在轻微及中等岩爆条件下，通过对TBM进行改进并制定开挖及支护标准，可利用TBM进行开挖。同时也要尽量避免在强岩爆条件下进行TBM开挖，以免发生卡机及岩爆破坏TBM的事故。

5 TBM施工应对地下突涌水问题与对策探讨

引水隧洞施工中，对于施工突涌水的处理是隧洞在掘进过程中需要解决的关键技术问题。该引水隧洞岩溶总体虽不发育，但其地下突涌水具有压力高、稳定流量大等特点，地下突涌水的处理将是工程安全、快速施工的关键。在国内一些工程中，曾有TBM施工中出现地下水的工程实例，但是其出水量和压力远小于锦屏二级水电站引水隧洞所在区域。针对锦屏二级水电站的地下水处理，必须有针对性的提出处理和应对措施。

针对锦屏二级水电站地下水的特点，高压地下水对TBM开挖的影响主要有以下几个方面:

(1)地下水对TBM开挖方面(施工速度)影响很小，主要是影响TBM的有效施工时间，降低了TBM的施工进度及利用率。

(2)地下水与TBM开挖过程中形成的岩石颗粒与岩粉形成的糊状物可能堵塞滚刀口，形成对滚刀的二次磨损。

锦屏二级水电站TBM施工可能遇到高水头压力及高涌水量的问题，对裂隙水、岩溶水及含水断层带地下水应进行不同的处理。对不同储存类型的地下水控制应制订不同的措施及控制标准。例如对裂隙水要看其涌水量、排水量随时间的变化及排水对环境的影响，也就是由其连通性来决定是否采取灌浆或其它的排水措施来处理，然后进行超前钻探、水压测量、水量观测、分析水量水压随时间变化、在掘进过程中严格依据标准进行处理并根据实际情况对标准进行修正。对于涌水量较大的情况，要按特殊工程问题进行处理。以上这些步骤是解决这些问题的良好途径。

6 结语

通过分析锦屏二级水电站引水隧洞工程地质条件，可以看出引水隧洞沿线岩组众多，岩体赋存条件复杂，主要存在高地应力及高地下水头及高涌水量的影响。结合TBM隧洞开挖情况，提出了对正常岩体条件、受高地应力控制开挖段及受高水头压力及高涌水量控制地段进行分段分析并进行施工预测，以优化TBM开挖与钻爆法开挖规划。正常岩体条件下，主要存在混合地层开挖问题、不同岩组的优化开挖问题、滚刀磨损及异常磨损等问题。对正常岩体条件下TBM开挖优化提出了具体的解决方案。对受高地应力控制段，探讨了TBM开挖可能出现的问题，如卡机、TBM撑靴支撑力问题、支护问题等，也提出了一些解决问题的建议。对受地下水涌入控制的岩体开挖段，分析了地下水对TBM开挖的影响特点。针对引水隧洞涌水的特点——初期涌水衰减至稳定涌水提出了一整套的分析、管理措施。

[1]任旭华，李同春，陈祥荣.锦屏二级水电站深埋引水隧洞衬砌及围岩结构分析[J].岩石力学与工程学报，2001，20(1):16－19.