锦屏二级水电站引水隧洞TBM遇突涌水施工对策

袁 亮，石 钊

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

1 前 言

锦屏二级水电站位于四川省凉山州境内的雅砻江上，是西电东送的骨干电站之一。电站采用引水式地下电站，引水系统并排布置4条引水隧洞，单条隧洞长16.67km。工程区地下水丰富，具有压力高、稳定流量大的特点。为解决施工期排水问题，设计1条与引水隧洞平行的排水洞，排水洞直径为7.2m，每间隔约1km有横向排水洞将引水隧洞与排水洞相联通。其中，1号引水洞、3号引水洞和排水洞东段采用TBM掘进，其余隧洞采用钻爆开挖。在引水隧洞TBM掘进过程中曾遭遇多次突涌水，其中单点出水最大达1.84m3/s，出水流量大、随机性强直接影响工程施工安全和进度。然而，通过改进TBM设备的结构设计、加强施工过程中的地质预测和现场采取积极可靠的措施，较为成功地解决了TBM突涌水施工的技术难题，保证了TBM设备安全，顺利穿越了涌水点。

2 工程水文地质条件

锦屏二级水电站引水隧洞穿越的锦屏山属裸露型深切河间高山峡谷岩溶区，岩溶水主要接受大气降水补给。岩溶化地层和非岩溶化地层呈NNE走向分布于河间地块，可溶岩地层主要分布于锦屏山中部，而非可溶岩分布于东西两侧。受NNE向主构造线与横向(NWW、NEE)扭～张扭性断裂交叉网络的影响，构成了河间地块地下水的集水和导水网络。根据地质探洞揭露并结合岩溶水文地质条件分析预测，由TBM掘进的1号引水隧洞和3号引水隧洞在施工过程中最大可能的涌水量分别为5.75～7.75m3/s和3.95m3/s。根据三维渗流场分析，在天然状态下地下水埋藏较深，均在1 000m以上，其压力水头线平缓，区域最高地下水位约2 623m，最大压力水头约为1 100m左右。

3 涌水及其危害

3.1 TBM掘进段的涌水特点

截至2010年底，1号TBM和2号TBM实际遭遇大小不同的地下水近30余次，其中集中出水较大的突涌水4次(见表1)。具有出水突发性强、涌水量大、出水前期伴有夹泥、掘进过程中常冲带掘进的渣料等特点。

表1 3号引水隧洞TBM掘进过程中典型的突涌水

3.2 涌水的危害

TBM是集机械、液压、电气及光电于一体的大型现代化挖掘设备。当掘进过程中突然遭遇突涌水时，出水直接冲淋或浸泡设备，损坏设备器件，影响正常的掘进施工，甚至威胁设备和人员安全，制约TBM的掘进进度。具体工程危害如下:

(1)涌水冲淋、浸泡TBM设备，损伤TBM液压和电气设施，特别是威胁轴承部件和电气装置的运行安全和使用寿命。

(2)TBM掘进渣料与水混合，影响皮带出渣传输和运输沿线的施工环境。

(3)出水冲积渣料堆积于TBM下方，掩埋钢拱架安装器等TBM结构件，制约TBM掘进。

(4)出水流向TBM后部，淹及TBM后配套及材料运输通道，破坏TBM正常的施工条件。

(5)部分突涌水威胁人员的安全和隧洞稳定。

4 突涌水的防治措施与对策

对于TBM在突涌水地段施工，本着尽可能避免或缩短设备在水中冲淋和浸泡时间，降低设备长时间遇水损坏的风险，在作好围岩安全支护的前提下，创造条件保证设备快速掘进，用最短的时间穿越涌水地段。这是TBM施工中防治突涌水的基本思路。

4.1 地质预测

地质预测是TBM应对各种不良地质的首要工作之一，对TBM掘进过程中的突涌水预测也是十分必要的。相对准确的涌水预测可以指导施工人员作好设备和人员的突涌水施工准备，提前作好涌水预案和应对措施。

对锦屏二级引水隧洞的突涌水预测，主要采取宏观预测和借助BEAM系统进行短距离预报相结合的方式。其中，宏观预测主要通过区域水文地质条件和地质构造，分析地勘资料等宏观判断可能出现涌水的富水地层和区域，基本确定可能出水的洞段。

短距离预测主要依托BEAM系统的信息采集和对比分析，短距离判断掌子面前方的地质情况，结合掘进现场揭露的围岩地质情况，分析预测掌子面前方的突涌水情况，以指导现场施工。

4.2 TBM防突涌水结构设计

为应对TBM掘进过程中可能出现的突涌水，在TBM设备设计制造阶段进行有针对性的设备防突涌水设计是十分必要的。锦屏二级水电站引水隧洞TBM在设备设计制造阶段，主要从以下方面进行了TBM设备防突涌水的结构设计:

(1)后配套轨道架高设计(见图1)。将后配套行走装置抬高1.5m，在施工过程中，利用支腿式钢枕架将TBM后配套轨道和有轨机车轨道抬高，在其下部形成大的排水通道，供涌水沿隧洞底拱利用顺坡自行流排，有效解决了涌水外排以及避免后配套设备和机车运输设备因轨道过低被浸泡水中而影响正常运行问题。

图1 轨道架高设计断面示意

(2)电气设备防水设计。对关键的电气设施及可能被水冲淋的电气元件进行防水设计，譬如主驱动电机装置等按照IP67的防水等级设计，以增强TBM设备自身抵抗突涌水的能力。

(3)渣、水分离设计。TBM在突涌水地段掘进，一方面涌水冲带渣料溢出积渣斗或主机皮带，制约渣料运输;另一方面出渣料与水混合进入皮带，影响皮带运输设施如刮渣板等的正常运行和皮带沿线的安全文明施工。为解决这些问题，对设备的出渣装置进行必要的渣、水分离设计是十分必要的。渣、水分离设计主要有:

a．刀盘隔板的空格设计。TBM掘进过程中，掌子面切屑的渣料通过铲斗进入刀盘空腔，在刀盘旋转上升过程中，渣料沿刀盘空腔隔板溜至运转的传输皮带上运出。为使进入铲斗的渣料和水分离开来，将刀盘隔板设计成网格状，在渣料和水混合料沿隔板下溜的过程中，水从隔板下漏，石渣仍沿隔板溜至皮带．这样便实现了一次渣、水分离的过程，在一定程度上减少了进入主机皮带上的水量。

b．设计上升的斜皮带进行水回流分离。渣、水混合料进入长距离输送皮带前，设计一条上升的斜皮带，利用斜皮带传输过程中水和石渣与皮带的摩擦系数的差异，实现在斜皮带上升传输过程中，水沿皮带回流流出斜皮带，而石渣仍沿斜皮带上升传输的方式实现渣、水分离。

(4)泄、排水设计。为便于掌子面的涌水顺畅排出，防止刀盘前部水位壅高浸泡TBM设备，影响TBM掘进和危害主轴承，在底部护盾支撑上设计可关闭的泄水口，在正常情况下泄水口保持关闭，出现涌水时开启闸门进行泄水。

(5)减压分水设计。根据地质预测，锦屏工程具有高压涌水的风险。为防止高压水损伤设备和人员，在TBM的L1区专门设计有可安装钢瓦片的机械装置，即在遭遇高压突涌水时，利用机械装置将钢板顶升至出水点，分散出水降低水压，以方便人工在该区域进行锚杆及拱架的支护作业。实际上，在掘进过程中并未遇到高水压的涌水，该设备也未在实践中应用。

(6)积水抽排设计。为防止出水积聚于TBM下部，影响设备安全和TBM运行，在TBM设备上配备有大功率的抽排水设施和输水管路(可延伸至TBM尾部)，必要情况下实施强排水。

4.3 在现场进一步改进设备的防水

为尽可能增加TBM设备的自身防水能力，在TBM掘进至富水地段之前，对TBM后配套设备尚没有防雨设施的变频器及配电柜等设施，利用彩钢板进行遮挡。

4.4 排水方案规划设计

根据地质勘查成果，对可能出现的涌水部位及涌水量进行预测，然后结合现场工程地质条件，进行总体排水方案规划和洞内自身排水方案规划，以应对TBM掘进过程中的突涌水。

在锦屏二级水电站考虑了TBM及钻爆施工期排水问题，总体方案中规划设计了一条与引水隧洞平行的排水洞，排水洞标高低于引水隧洞标高，并沿隧洞方向间隔约1km设计横向排水洞或排水孔道将引水隧洞已经开挖部分与排水洞相联通，满足施工过程中的排水需要。实际上，在掘进过程中往往结合已揭示的地质资料和前期地质勘探资料，当预测前方存在出水风险或将要穿越富水地段时，提前就近施工横向排水横通道或排水孔与排水洞相联接。其总体排水规划示意见图2。

图2 TBM掘进突涌水排水规划示意

锦屏二级引水隧洞TBM采用上坡掘进，一般隧洞坡度为0.37%，局部洞段坡度达0.52%。TBM掘进过程中，出水在隧洞内主要依靠顺坡自流的方式自行流排，但在TBM设备上配备有大功率的排水泵，以便出现大的突涌水时，及时将TBM前端的大涌水抽排至TBM尾部，加速涌水的外排速度，避免涌水在设备下方壅高浸泡损坏设备。若TBM倒坡掘进，必须提前规划好倒坡施工中强行抽排水的排水规划方案。

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4.5 突涌水地段的支护措施

突涌水地段围岩一般较为破碎或存在空腔，且有压力水涌出，普通的砂浆锚杆和喷射混凝土一般无法实施，但涌水地段的围岩安全稳定必须引起足够的重视。锦屏二级TBM在遇见突涌水地段时一般采用涨壳式中空预应力锚杆，对特别破碎会有大的溶腔的部位锚杆无法实施时，采用钢拱架和喷射仿纤维混凝土对涌水地段的围岩进行支护，在保证涌水地段的围岩安全条件下，力求快速通过涌水地段。

4.6 TBM的掘进操作

TBM遇见突涌水地段，在保证围岩安全稳定的情况下，力求以最快的速度穿越涌水带，避免设备长时间的浸泡或冲淋，以致损坏电气及液压部件。一般根据地质预测和现场勘查，分析出水部位、出水类型及出水通道，分析掌子面附近的围岩状况，根据分析得知的掌子面情况采取合适的推力和刀盘转速持续掘进，以尽快穿越涌水地段;但需要特别提防隧洞底部大的溶腔和断层破碎带对TBM行进安全构成威胁。当遇见隧洞底板大面积出水或存在明显的溶腔等不良地质情况时，应及时对底拱不良地质情况进行准确的地质勘察，必要时采取底板加固处理措施，以保证TBM机头不下陷，确保TBM设备顺利安全掘进。

4.7 设备维护管理

TBM在突涌水地段掘进前和掘进过程中，应加强设备的维护检查力度，特别是对易于被水损坏的电气设备、液压轴承部件等应增大维护检查频次，对需要更换或维修的部件及时进行处理，保证TBM设备的完好性，避免在掘进过程因设备故障或维修不及时导致设备无法正常运行，在涌水地段长时间滞留。

对重要的主轴承，在进入富水地段前对轴承润滑油进行油样检测，在穿越涌水地段之后及时进行油样的含水率测定，若含水率明显增大，超过警戒值时应及时进行油更换，并且持续跟踪监测主轴承的状态。

4.8 针对主轴承及一些轴承部件浸水问题的对策

主轴承是TBM设备重要和关键的部件之一，尽管对TBM采取了一系列防突涌水的结构设计，在施工中也进行了地质预报，但在实际掘进过程中遭遇大的突涌水时，仍存在涌水淹及主轴承以及浸入轴承部件内的风险。为掌握主轴承部件浸水情况，及时采取油料更换等措施避免轴承寿命降低。当预测到有大涌水出现时，应提前进行油料的含水率测定。并在穿越突涌水过程中及穿越之后进行油样含水率测定，若含水率属于正常范围，则表明轴承未进水，穿越涌水地段后无须对主轴承进行相关处理;若发现油样含水率发生明显变化，则应根据穿越涌水地段的时间长短确定是否采取更换轴承润滑油的措施，以避免降低轴承的使用寿命。在锦屏二级1号和2号TBM遭遇到的三次大涌水过程中，分别对轴承部件的润滑油进行了含水率测定，其中两次穿越突涌水后的油样含水率检测结果与突涌水之前的检测结果无明显变化，一次发生油样含水率明显增大，表明有水进入轴承内，在穿越涌水地段后及时进行了油的更换。在此后的主轴承油样跟踪检测中，未发现轴承的异常损坏现象，表明及时更换轴承润滑油效果是明显的。

针对主轴承以外的一些液压及轴承部件，一般这些部件的润滑油液不在部件的内部循环，也很少进行油液检测，在穿越突涌水地段的过程中主要依靠加大注入油脂量和频次，降低涌水浸入部件内部减少部件使用寿命的风险。

5 施工中的注意事项

(2)充分考虑隧洞的排水量。在TBM架高设计阶段，应充分分析和预测隧洞可能的排水量，在架高设计时除考虑隧洞正常涌水外，还应考虑TBM掘进过程中自身的废水排泄以及架高结构对过水量的影响，保证在TBM架高之后，底拱有足够的过水通道。

(3)谨防存在侥幸心理。施工前期，结合隧洞地质勘查资料，作好隧洞整体排水方案设计，并在施工阶段严格实施，确保整个隧洞的排水通畅，谨防施工过程中存在侥幸心理减少或缩小排水渠道，出现涌水不能引排的现象。

(4)相邻出水点不急于封堵。在TBM掘进过程中，当隧洞掌子面附近出现多个出水点或在同一里程段相邻隧洞出现涌水点时，考虑到突涌水在岩体内渗流路径的联通性，一般不急于对掌子面外的其它相邻涌水点进行封堵处理，避免出水集中至掌子面，增加TBM应对突涌水的施工难度。

(5)改善作业条件，提高突涌水作业效率。在TBM掘进过程中，架高装置和轨道均在TBM下部实施，一旦出现涌水，工人可能在TBM下部的积水中安装架高装置和铺设轨道，因此为工人提供良好的劳动保护设施，尽可能改善现场作业条件和环境，可以提高工作效率，有利于涌水地段TBM推进效率的提高。

6 涌水防治效果和建议

尽管锦屏二级水电站引水隧洞的涌水问题较为突出，但是通过参建各方提前研究和策划，采取了上述措施后，引水隧洞TBM的涌水问题基本得到了解决，除几次大涌水对TBM掘进有短时间影响外，基本都能安全顺利穿越涌水地段。

通过对锦屏二级引水隧洞TBM涌水施工的实践，笔者认为只要参建各方给予高度重视，从TBM结构设计、现场排水方案的规划以及对具体问题采取行之有效的措施等方面开展工作，则TBM对一定量的突涌水是可以克服和应对的。