CCS水电站引水隧洞双护盾TBM施工围岩分类研究

杨继华， 齐三红， 郭卫新， 张党立

(黄河勘测规划设计有限公司， 河南 郑州 450003)



CCS水电站引水隧洞双护盾TBM施工围岩分类研究

杨继华， 齐三红， 郭卫新， 张党立

(黄河勘测规划设计有限公司， 河南 郑州 450003)

为了对双护盾TBM隧洞施工中的围岩进行分类，以厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞为例，参考RMR围岩分类方法，通过伸缩护盾的间隙和刀盘的空隙对洞壁和掌子面围岩进行观测，结合岩渣及掘进参数，获取岩石的质量指标RQD、节理间距和节理性状等信息。通过综合分析，选取岩石的回弹值、围岩的完整性、岩石的质量指标RQD、刀盘推力、刀盘扭矩、片状岩渣含量和地下水渗流量作为围岩分类的指标，然后对7个指标分别赋值，建立围岩的分类标准，并通过求和的方法进行综合围岩分类。分类结果表明: 选取的7个指标可以克服双护盾TBM施工时无法对围岩进行全面地质素描的困难，可以满足TBM快速施工的需要,并且能较真实地反映围岩的情况，分类结果可靠。

厄瓜多尔CCS水电站； 引水隧洞； 双护盾TBM； 围岩分类

0 引言

TBM施工具有掘进速度快、对围岩扰动小、洞内环境好及人工劳动强度低的特点，在国内的水利水电、铁路和公路隧道工程中得到了广泛的应用[1-4]，其掘进速度一般为钻爆法的3～10倍。目前适用于硬岩地质条件的TBM可分为敞开式和护盾式，后者又可分为单护盾、双护盾和三护盾。

围岩的稳定性分类是隧道施工过程中的一项重要工作，围岩的稳定性直接关系到支护形式的选择。围岩的稳定性分类主要取决于工程地质条件，例如岩石的单轴抗压强度、岩体的质量指标RQD、结构面的间距、结构面的性状、地下水和地应力等。这些指标可通过室内试验、原位测试试验及现场地质描述直接获得或者采用其他指标间接获得。目前，一般采用定性、定量或半定量的指标通过评分的方法把围岩分为若干等级。常用的方法有RMR分类法[5]、Q系统分类法[6]、工程岩体分级方法[7]和水电系统的HC法[8]。

与钻爆法和敞开式TBM隧洞施工方法不同，护盾式TBM施工时，掌子面和洞壁围岩几乎被刀盘、护盾和衬砌管片全部遮挡，无法直接对围岩进行全面的地质描述，围岩取样和获取分类指标存在较大的困难。针对以上问题，一些学者进行了相关的研究工作。刘跃丽等[9]结合已有的地质资料，根据开挖渣料和掘进参数，综合确定了围岩的类型，并预测了掘进前方围岩的情况； 侯浩等[10]结合山西万家寨引黄工程隧道双护盾TBM的施工，进行了隧洞围岩适宜性分类； 李苍松等[11]以《水利水电工程地质勘察规范》中的围岩分类方法为基础，结合渣料、TBM工作效率及涌水情况对隧洞围岩进行了分级； 张宁等[12]针对西南某水电站深埋引水隧洞，依据岩体完整性系数、岩石单轴抗压强度和岩体结构特征对围岩进行了分类； 吴煜宇等[13]基于围岩的可掘进性进行了围岩分类方法的研究； 黄祥志[14]以TBM掘进参数和渣料的地质编录为基础，采用可拓学理论，建立了围岩稳定性分类及评价方法。以上研究均未将围岩分类所采用的指标结合在一起形成一个完整的分类标准，因此，如何将这些指标相结合形成一个完整的分类标准尚处于研究之中。

本研究以厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞双护盾TBM施工为背景，根据双护盾TBM隧洞的施工特点，参考RMR围岩分类法，采用岩石回弹测试、掌子面围岩观测、掘进参数分析、岩渣分析和地下水流量观测等手段获得围岩分类指标，建立围岩的分类标准。

1 工程背景

1.1 工程概况

厄瓜多尔CCS水电站工程[15-16]为引水式电站，电站总装机容量为1 500 MW。引水隧洞为无压明流隧洞，隧洞全长约为24.8 km，采用2台德国海瑞克双护盾TBM施工，其中一台TBM1掘进总长度约为10.0 km，另一台TBM2掘进总长度约为13.8 km。CCS水电站引水隧洞平面布置如图1所示。引水隧洞的断面为圆形，洞径为9.11 m，采用预制钢筋混凝土管片衬砌，施作衬砌后洞径为8.20 m，设计流量为222 m3/s。

1.2 工程地质条件

CCS水电站引水隧洞沿线地形起伏较大，地势总体为西高东低，最高海拔为1 998 m，最低海拔为1 205 m，隧洞埋深一般为300～600 m，局部超过700 m。

隧洞沿线穿过的地层主要为侏罗纪-白垩纪Misahualli地层(J-Km)安山岩、凝灰岩，白垩纪下统Hollin地层(Kh)砂、页岩，局部分布有花岗岩侵入体(Gd)。CCS水电站引水隧洞地质剖面图如图2所示。隧址区为单斜地层，隧洞沿线发育的断层共33条，断层宽度一般小于2 m，少量断层及破碎带宽度大于10 m，断层产状多为陡倾状，与洞轴线大角度相交。岩体节理面可分为3组： 30°～50°∠70°～80°，180°～200°∠75°～80°，330°～350°∠70°～80°。隧区址地应力为中-低地应力，最大主应力方向为315°～340°，为 8～10 MPa。影响隧洞地下水类型的主要是Hollin地层和Misahualli地层的含水岩层以及构造裂隙水，补给来源主要是大气降水、地表水及相邻含水层的越流补给。由于隧址区多年平均降雨量在5 000 mm以上，地表补给充足，初步估计隧洞会出现0.5～1.0 m3/s的集中涌水。

图1 CCS水电站引水隧洞平面布置图

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

2 围岩分类指标体系

对于钻爆法和敞开式TBM隧洞施工，可以通过对掌子面和洞壁进行地质描述、现场测试和室内试验的方法获取岩石的单轴抗压强度、岩石的质量指标RQD、节理间距、节理性状、地下水情况及节理面修正系数等围岩分类指标。对于双护盾TBM获取以上指标存在较大的困难。在CCS水电站引水隧洞双护盾TBM施工过程中，参考RMR围岩分类方法，对岩石的回弹值、围岩的完整性、岩石的质量指标RQD、地下水情况、刀盘推力及扭矩和岩渣等指标的获取方法进行分析。

2.1 岩石的回弹值

对于双护盾TBM，岩石取样较困难。因此，在CCS水电站引水隧洞施工中，采用高强回弹仪(如图3所示)对掌子面或伸缩护盾处的岩石进行回弹测试。根据经验，回弹值>45、45～35、35～25、25～15及<15时对应的岩石坚硬性程度分别为坚硬、中硬、较软、软及极软。

图2 CCS水电站引水隧洞地质剖面图Fig. 2 Geological profile of diversion tunnel of CCS Hydropower Station

图3 高强回弹仪Fig. 3 Schmidt hammer

2.2 围岩的完整性

双护盾TBM施工时可采取以下2种方法对围岩的完整性及节理性状进行观测和描述。

1)利用配备的超前钻机(如图4所示)对掌子面前方的围岩进行钻探。当钻进方式为取芯钻时，可通过采取的岩芯判断掌子面前方一定范围的岩性特征、风化程度和岩石强度，同时可确定节理面的类型、形态、发育程度、张开度、粗糙度、充填物及地下水条件等。

图4 超前钻机Fig. 4 Advanced drilling machine

2)通过TBM刀盘上的人形闸门、刀具空隙和伸缩护盾空隙对掌子面和洞壁的围岩进行局部观测，观测情况如图5所示。经观测可以得到围岩的完整性、节理性状、节理间距和节理的延伸长度等指标。

(a) 伸缩护盾处

(b) 掌子面处

2.3 岩石的质量指标RQD

岩石的质量指标RQD一般通过对钻孔岩芯进行统计获得。在TBM施工中，若初步判断掌子面前方围岩条件变化不大，考虑到TBM快速掘进的需要，一般不需进行超前取芯钻探，也就无法通过原状岩芯统计直接获得岩石的质量指标。通过对掌子面和洞壁围岩的节理发育情况进行统计，得出围岩的体积节理数Jv，再由式(1)间接得出岩石的质量指标。由于可观察的围岩面积较小，应至少选择3处围岩进行统计。

RQD=115-3.3×Jv。

(1)

式中：RQD为岩石的质量指标；Jv为围岩的体积节理数,4.5

2.4 地下水情况

地下水流量可通过以下3种方法进行判断。

1)根据岩渣的湿润程度对地下水情况进行初步判断。当岩渣呈干燥状态时，可初步判断地下水不发育；当岩渣和岩粉呈饱和状态时，可初步判断地下水较多。

2)通过刀盘空隙或护盾间隙观察窗口对掌子面和洞壁的地下水状态进行观察，对围岩的干燥、潮湿、滴水、线状流水和涌水情况进行判断，并初估其涌水量。

3)当地下水较多时，可以在洞底选择3个断面进行流速测试，然后换算成地下水流量。当需要精确测量地下水流量时，可采用三角形量水堰法进行计算。

在实际操作过程中应根据地下水的条件对以上3种方法进行选择。通常采用前2种方法，必要时可采用第3种方法。通过以上3种方法，估计出地下水流量，然后换算成每10 m洞段、每分钟的渗流量，单位为L/(min·10 m)。

2.5 刀盘推力及扭矩

TBM掘进参数主要有推力、扭矩、贯入度、刀盘转速及掘进速度等，掘进参数可在TBM控制室操作面板上实时显示，并可自动存储，便于进行参数分析。围岩类别与掘进参数具有一定的关联性[9-14]。在掘进速度相同的条件下，随着岩石强度的增加和岩体完整性的提高，所需要的刀盘推力也随之增加。而在相同的推力条件下，刀盘扭矩随着岩石强度和岩体完整性的降低而增加。通过对刀盘推力和刀盘扭矩的变化情况进行分析，可对岩石的强度和完整性做出判断。

2.6 岩渣分析

岩渣可提供围岩发生变化时的重要信息。通过岩渣的形状、块度及均匀程度等可以初步判断围岩的情况： 1)岩渣主要呈片状，可见少量粉状，可初步判断为完整、坚硬的Ⅰ类围岩； 2)岩渣主要呈片状且较为均匀，少见块状岩渣，可初步判断为较完整、强度较高的Ⅱ类围岩； 3)片状岩渣和块状岩渣所占比例基本相同，可以初步判断为Ⅲ类围岩； 4)岩渣主要呈块状，块体尺寸大小不一，掌子面出现局部塌方，皮带机出渣不连续，可以初步判断围岩为破碎的Ⅳ类围岩； 5)岩渣尺寸极不均匀，基本无片状岩渣，岩粉量较低，掘进进尺与出渣量不匹配，岩渣量急剧减少或增加，部分岩块泥质充填，岩渣中可见角砾，或被钙质胶结，同时伴随刀盘振动、刀盘前方异响剧烈，可初步判断围岩类别为Ⅴ类。

岩渣分析是初步判断围岩类别的一个重要辅助手段，但不能只根据岩渣的情况确定围岩类别，必须结合其他方法对围岩进行综合判断。

2.7 各指标综合分析

选取岩石的回弹值、围岩的完整性、岩石的质量指标、刀盘推力、刀盘扭矩、片状岩渣含量和地下水流量7个指标进行围岩分类。各个指标对围岩分类的贡献程度不同，部分指标之间具有一定的相关性，例如： 刀盘推力随着岩石强度和岩体完整性的增加而增加，刀盘扭矩随着岩石强度和岩体完整性的增加而降低，片状岩渣含量随着岩体完整性的降低而降低。根据工程经验，岩石强度与节理裂隙发育情况对围岩影响最大，因此选择的7个指标能基本上反映围岩的真实情况。

3 CCS水电站引水隧洞双护盾TBM施工围岩分类标准

3.1 围岩分类指标及评分

以CCS水电站引水隧洞的工程地质条件为基础，根据双护盾TBM隧洞施工的特点获取围岩的分类指标。结合掘进参数及岩渣分析，参考RMR围岩分类法以及国内外双护盾TBM的施工经验，根据各指标对围岩分类的影响程度以及不同指标之间的相关性，赋于7个指标一定的分值。7个指标的取值和评分见表1。

3.2 综合围岩分类方法

在进行围岩分类的过程中，将获取的各指标评分值进行求和，见式(2)，然后通过评分的方法进行综合围岩分类，综合围岩分类见表2。

S=S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7。

(2)

式中S1—S7分别为岩石的回弹值、围岩的完整性、岩石的质量指标RQD、刀盘推力、刀盘扭矩、片状岩渣含量和地下水流量的评分值。

表1 围岩分类指标Table 1 Indexes of surrounding rock classification

表2 围岩分类标准

3.3 分段围岩分类

采用3.1节和3.2节的方法进行隧洞的分段围岩分类，部分洞段的分类结果见表3。根据分类结果选择相应型号的管片及其他围岩处理方式。

4 结论与讨论

以CCS水电站引水隧洞双护盾TBM施工为背景，参考RMR围岩分类方法，选取岩石的回弹值、围岩的完整性、岩石的质量指标RQD、刀盘推力、刀盘扭矩、片状岩渣含量和地下水渗流量为围岩分类指标，然后按照各个指标的重要性对指标进行赋值，建立围岩的分类标准，并通过求和的方法进行综合围岩分类。

表3 部分洞段围岩分类Table 3 Surrounding rock classification of part of tunnel sections

1)所选的7个围岩分类指标较易获取，可以克服双护盾TBM施工时无法全面进行地质素描的困难，且7个指标基本上能反映围岩的真实情况，分类结果较为可靠。

2)所选取的7个围岩分类指标具有一定的相关性。在下一步的研究中，可以重点研究各指标的相关性，对相关性较好的指标进行优化，以利于简化指标实现对围岩的快速判别。

根据各个指标的重要性程度对进行赋值，通过不同的分值体现各指标对围岩分类的影响程度，这只是对双护盾TBM围岩分类的一个初步尝试，各个指标赋值的普适性尚需大量的施工实践进行检验和修正。

[1] 张镜剑, 傅冰骏. 隧道掘进机在我国应用的进展[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(2): 226-238. ZHANG Jingjian, FU Bingjun. Advances in tunnel boring machine application in China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(2): 226-238.

[2] 张镜剑. TBM的应用及其有关问题和展望[J]. 岩石力学与工程学报, 1999, 18(3): 363-367. ZHANG Jingjian. The application and some problems of TBM and its prospects[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999, 18(3): 363-367.

[3] 尹俊涛, 尚彦军, 傅冰骏, 等. TBM掘进技术发展及有关工程地质问题分析和对策[J]. 工程地质学报, 2005, 13(3): 389-397. YIN Juntao, SHANG Yanjun, FU Bingjun, et al. Development of TBM-excavation technology and analyses & countermeasures of related engineering geological problems [J]. Journal of Engineering Geology, 2005, 13(3): 389-397.

[4] 茅承觉. 我国全断面岩石掘进机(TBM)发展的回顾与思考[J]. 建设机械技术与管理, 2008, 21(5): 81-84. MAO Chengjue. Review and thoughts of developmental full face rock tunnel boring machine(TBM) in China[J]. Construction Machinery Technology & Management, 2008, 21(5): 81-84.

[5] 齐三红, 杨继华, 郭卫新, 等. 修正RMR法在地下洞围岩分类中的应用研究[J]. 地下空间与工程学报, 2013, 9(增刊2): 1922-1925. QI Sanhong, YANG Jihua, GUO Weixin, et al. Application study of underground caverns surrounding rock classification based on the revised RMR method[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2013, 9(S2): 1922-1925.

[6] Barton N. Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2002, 39(2)： 185-216.

[7] 工程岩体分级标准： GB 50218—2014[S]. 北京： 中国计划出版社， 2014. Standard for engineering classification of rock mass：GB 50218—2014[S]. Beijing: China Planning Press, 2014.

[8] 水利水电工程地质勘察规范： GB 50487—2008[S]. 北京： 中国计划出版社，2009. Code for engineering geological investigation of water resources and hydropower： GB 50487—2008[S]. Beijing: China Planning Press, 2009.

[9] 刘跃丽, 郭峰, 田满义. 双护盾TBM开挖隧道围岩类型判别[J]. 同煤科技, 2003(1): 27-28. LIU Yueli, GUO Feng, TIAN Manyi. Analysis of surrounding rock for double-shield TBM excavating tunnel[J]. Science and Technology of Datong Coal Mining Admingistration, 2003(1): 27-28.

[10] 侯浩, 张之钰. 护盾式全断面岩石掘进机隧洞施工的围岩适宜性分类[J]. 资源环境与工程, 2010, 24(5): 527-530. HOU Hao, ZHANG Zhiyu. Suitability classification of wall rock when tunnel construction by shielded full face rock TBM[J]. Resources Environment & Engineering, 2010, 24(5): 527-530.

[11] 李苍松, 谷婷, 丁建芳, 等. TBM施工隧洞围岩级别划分探讨[J]. 工程地质学报, 2010, 18(5): 730-736. LI Cangsong, GU Ting, DING Jianfang, et al. Discussion on rock classification in TBM construction tunnel[J]. Journal of Engineering Geology, 2010, 18(5): 730-736.

[12] 张宁, 石豫川, 童建刚. TBM施工深埋隧洞围岩分类方法初探[J]. 现代隧道技术, 2010, 47(5): 11-14. ZHANG Ning, SHI Yuchuan, TONG Jiangang. Disscussion on rock classification of TBM excavated deep tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2010, 47(5): 11-14.

[13] 吴煜宇, 吴湘滨, 尹俊涛. 关于TBM施工隧洞围岩分类方法的研究[J]. 水文地质工程地质, 2006, 33(5): 120-122. WU Yuyu, WU Xiangbin, YIN Juntao. Research with relation to rock classification of TBM tunnels[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2006, 33(5): 120-122.

[14] 黄祥志. 基于渣料和TBM掘进参数的围岩稳定分类方法的研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2005. HUANG Xiangzhi. Research on method of surrounding rock mass stability classification based on rock slag and TBM boring parameters [D]. Wuhan: Wuhan University, 2005.

[15] 杨继华, 齐三红, 郭卫新, 等. 厄瓜多尔CCS水电站TBM法施工引水隧洞工程地质条件及问题初步研究[J]. 隧道建设, 2014, 34(6): 513-518. YANG Jihua, QI Sanhong, GUO Weixin, et al. Case study of engineering geological conditions and problems in construction of headrace tunnel of CCS Hydropower Station in Ecuador by TBM method[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(6): 513-518.

[16] 杨继华, 苗栋, 杨风威, 等. CCS水电站输水隧洞双护盾TBM穿越不良地质段的处理技术[J]. 资源环境与工程, 2016, 30(3): 539-542. YANG Jihua, MIAO Dong, YANG Fengwei, et al. Treatment technology of crossing unfavorable geological tunnel section by double shield TBM at CCS Hydropower Station conveyance tunnel[J]. Resources Environment & Engineering, 2016, 30(3): 539-542.

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

杨继华(1980—)，男，河南信阳人，2011年毕业于中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土工程专业，博士，高级工程师，主要从事工程地质勘察和设计的研究工作。E-mail： yangjihua68@sohu.com。

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

U 451+.2

A

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