CCS水电站输水隧洞工程地质条件分析与处理

杨继华　齐三红　杨风威　苗栋

摘要：为保证CCS水电站输水隧洞双护盾TBM施工正常进行，开展了围岩分类与稳定性评价及隧洞超前地质预报，研究了施工方法，提出了施工技术建议。在双护盾TBM施工过程中，可见的围岩范围较小，无法进行地质素描，根据双护盾TBM施工的技术特点，选择了隧洞掌子面及洞壁小范围的围岩观察、TBM掘进参数分析、局部岩石回弹值测试、岩渣性状分析、地下水特征分析等多种方法获取围岩地质信息，从而对围岩进行分类和稳定性评价。选择了隧洞宏观地质条件分析、施工过程地质条件分析、以地震法和电法为主的物探方法、掌子面超前水平钻探等综合方法对掌子面前方围岩进行探测和预报，根据预报结果有针对性地采取处理措施。针对TBM施工过程中出现的涌水、砂岩砂化、断层破碎带等不良地质条件，建议施工单位采取了超前地质预报及调整掘进参数、堵水、超前灌浆加固围岩等施工方法和技术，TBM顺利通过了不良地质段。

关键词：输水隧洞：双护盾TBM;施工地质;CCS水电站

中图分类号：TV554+.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.021

1 工程概况

南美洲厄瓜多尔CCS水电站为引水式电站，其主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、引水竖井、地下厂房等，电站总装机容量1500 MW，是厄瓜多尔最大的水电站。其中输水隧洞全长约24.8 km，为CCS水电站的控制性工程，采用以2台双护盾TBM施]二为主、钻爆法施工为辅的施工方法，其中TBM施工长度约23.8 km，钻爆法施工长度约1.0 km。TBM施工段开挖洞径9.11 m，采用预制钢筋混凝土管片衬砌，管片厚度为0.30 m，管片外径8.80 m，内径8.20 m，管片与洞壁之间的空隙采用豆砾石充填并进行水泥灌浆[1-4]。

2 工程地质条件

隧洞进口边坡高程约1 250 m，天然岸坡坡度约430，此处河谷宽100 m左右。输水隧洞穿越区内，河流众多，沟谷比降较大，岸坡陡峻。地势总体西高东低，西部最高海拔2 000 m左右，东西部平均相对高差约600 m。东部隧洞出口处海拔约1 204 m，位于Q.Granadillas河谷中游，出口边坡较平缓。

隧洞穿越的地层岩性如下：白垩系下统Hollin地层（Kh）岩性主要为页岩、砂岩互层，往往浸渍沥青;侏罗系一白垩系Misahualli地层（J—K）岩性主要为英安岩、安山岩、粗面岩、玄武岩、流纹岩、火山角砾岩和火山凝灰岩等;花岗侵入岩（G）影响所有地层，岩性以花岗岩或花岗闪长岩为主。

输水隧洞的地下水类型主要为Hollin地层及Mis-ahualli地层的含水岩层及构造裂隙水。由于工程区降雨量大，年均降雨量在5 000 mm左右，且地面多为连续森林和具有高存储水性的土壤覆盖，地下水补给来源丰富，因此预测在断层破碎或节理密集带可能发生较大规模的涌水。

采用国际通用的RMR[5-6]围岩工程地质分类法对隧洞围岩进行了分类，由分类结果可知：Ⅱ类围岩洞段长度为2 544.25 m，约占10.26%：Ⅲ类围岩洞段长度为20 910. 91 m，约占84. 2g%：Ⅳ类围岩洞段长度为1 305.42 m，约占5.26%;V类围岩洞段长度为46.4 m，约占0.l9%。

隧洞施工过程中可能遇到的工程地质问题主要有：断层破碎带、节理密集带的围岩稳定性问题，白垩系地层软岩变形及岩石崩解砂化问题，涌水问题等。3隧洞施工地质工作

与钻爆法相同，TBM隧洞施工过程中的地质工作主要包括3个方面：围岩分类和稳定性评价，超前地质预报，施工方法和施工技术建议。但TBM对地质条件敏感，对不良地质条件的适宜性较差，因此对施工地质工作提出了更高的要求。

3.1 围岩分类及稳定性评价

在设计阶段隧洞围岩分类和稳定性评价一般较为粗略，在隧洞施工过程中应根据开挖揭露的地质情况对围岩进行精确分类和稳定性评价，以便根据分类和评价结果选择合适的支护、衬砌型式和其他处理措施。

3.2 隧洞超前地质预报

在隧洞工程特别是TBM施工的长大隧洞前期工程地质勘察过程中，只能有选择性地在一些点上布置钻孔，两个钻孔之间的地层特性只能靠钻孔编录资料进行推测。由于地层变化较为复杂，不可避免地存在一些“盲区”，导致无法完全查明所有工程地质条件，因此有必要在施工过程中进行超前地质预报，TBM隧洞施工超前地质预报的目的在于准确预报隧洞掌子面前方的地质情况，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、分布范围等，并为预防地质灾害提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全。

3.3 施工方法及施工技术建议

隧洞地质条件具有复杂性、多变性及难以预测性的特点，当出现施工预案中未考虑到的工程地质问题时，常规的施工方法难以实施.這就需要根据地质条件，结合施工机械设备、隧洞特征等因素，对隧洞施工方法和施工技术提出合适的处理措施。

4 围岩分类及稳定性评价

4.1 围岩分类及稳定性评价难点

在传统的隧洞围岩分类和稳定性评价中，一般依据RMR法、Q系统、水利水电工程地质勘察规范分类法等，采用地质素描的方法获取围岩地质信息，如岩石强度、岩体RQD、节理密度、节理性状、地下水情况等指标，通过评分对围岩进行分类，根据分类结果对围岩进行稳定性评价。

双护盾TBM掘进过程中，人员处于管片、护盾和刀盘组成的基本“封闭”空间中，能直接观测到的围岩非常有限，无法采用传统地质素描的方法获取地质信息、实现围岩分类和稳定性评价。

4.2 围岩分类及稳定性评价指标选取

根据双护盾TBM施工的技术特点及RMR围岩分类法，参考国内外相关工程经验，在CCS水电站输水隧洞双护盾TBM施工过程中，选择了在隧洞掌子面及洞壁小范围进行围岩观察、TBM掘进参数分析、局部岩石回弹值测试、岩渣性状分析、地下水特征分析等综合获取围岩地质信息[7-9]。

（1）掌子面及洞壁围岩观察。在TBM停机维护时间或围岩发生变化停机处理时，地质工程师进入刀盘处对掌子面进行围岩观测，通过刀盘的刀孔、铲斗或进人孔进行查看，至少查看3个部位。观测内容包括岩性、掌子面完整性、节理断层发育情况、地下水状态、是否塌方及塌方量、塌方部位等。另外，TBM伸缩护盾间隙及护盾观察窗口有小范围的围岩暴露，也可进行围岩观察。

（2）掘进参数分析。在TBM掘进过程中，掘进参数与围岩条件密切相关[10-13]，根据掘进参数的变化，可以判断围岩的地质情况。掘进时，掘进参数在控制系统屏幕上实时显示，可实时判断掌子面围岩情况：也可以在掘进停止时，拷贝出掘进参数，进行掘进参数与围岩的相关性分析。掘进参数主要有：①掘进模式。双护盾TBM具有两种掘进模式，一般在稳定性好的I、Ⅱ、Ⅲ类围岩地层中采用双护盾模式掘进，在稳定性差的Ⅳ、V类围岩地层中采用单护盾模式掘进。②刀盘推力。刀盘推力根据围岩情况确定，一般在完整硬岩条件下采用高推力掘进，在破碎软弱围岩条件下采用低推力掘进。③刀盘扭矩。刀盘扭矩在掘进过程中不能单独控制。当围岩完整坚硬时刀盘扭矩较小，当围岩软弱破碎时刀盘扭矩较大。④贯人度。在相同围岩条件下，贯人度随着刀盘推力的增大而增大。⑤掘进速度。对于I类、Ⅱ类围岩，其完整坚硬，一般掘进速度较低;对于Ⅳ类、V类围岩，为减少掘进时的扰动，一般会改变掘进参数，使得掘进速度降低。国内外TBM施工实践表明，TBM在Ⅲ类围岩中能获得较高的掘进速度。

（3）岩石回弹值测试。高强回弹仪多用于混凝土强度测试，经相关科研及技术工作者研究发现其同样适用于岩石强度测试[14-15]。在CCS水电站输水隧洞双护盾TBM施工过程中，采用高强回弹仪在洞内通过刀盘滚刀间隙、刀盘人形闸口、护盾观察窗口或伸缩护盾间隙对掌子面或洞壁进行原位回弹测试，再根据回弹值换算成岩石的单轴抗压强度值。

（4）岩渣分析。TBM掘进过程中产生的岩渣与围岩有一定的相关性[12-13.16]。当围岩为I类、Ⅱ类时，岩渣多呈片状及粉状，少见块状;当围岩为Ⅲ类时，岩渣由片状、块状及粉状组成;当围岩为Ⅳ类、V类时，岩渣以块状及粉状为主，少见片状。

岩渣分析的内容包括：岩性、风化程度;岩块、岩片、岩粉的粒径大小及含量;岩渣节理形态及其充填物;岩块是集中输出、间断输出，还是均匀连续输出;出渣量与掘进量之间的关系等。

（5）地下水流量观测。岩渣判断：硬岩岩渣呈湿润状或皮带机上有流水，白垩系软岩岩渣呈现砂状或泥状。其他判断：在前、后护盾连接处下方会有地下水汇聚，护盾左、右观测窗口及掌子面围岩有渗水或流水现象。流量测定：管片衬砌后隧洞为标准断面，洞内渗水或流水通过洞底集中排出，可选择在距离掌子面附近洞底的三个断面进行流速测定，再根据流速和断面面积计算流量，或用量水堰进行精确量测。

4.3 隧洞围岩分类及稳定性评价标准

根据CCS水电站输水隧洞双护盾TBM施工特点，选择岩石回弹值、掌子面岩体完整性、刀盘推力、刀盘扭矩、片状岩渣的质量百分比、地下水流量共6个指标，作为围岩稳定性分类的评价指标，根据RMR围岩分类方法，参考国内外TBM施工实践经验，建立了CCS水电站输水隧洞双护盾TBM施工围岩稳定性分类指标体系，见表1。根据围岩分类和稳定性评价标准在施工过程中选择相对应的衬砌管片型号和其他围岩加固处理措施，从而保证隧洞施工及通水运行期间的隧洞稳定与安全。

5 输水隧洞TBM施工综合超前地质预报

5.1 隧洞宏观地质条件分析

在CCS水电站输水隧洞TBM施工之前，利用工程地质平面图、工程地质剖面图等资料，对隧洞沿线的地层岩性、地质构造、地下水条件等进行分析，初步确定岩性分界线、断层带、富水带等的位置及规模，并评价其对TBM施工的影响程度，为设备制造、施工组织设计等提供参考。鉴于前期地质勘察工作的局限性，隧洞宏观地质分析的精确性较差，将其作为定性预报。

5.2 施工过程地质条件分析

在CCS水电站输水隧洞双护盾TBM施工过程中，根据已揭露的围岩地质信息，如掌子面及洞壁的围岩情况、岩渣情况、掘進参数情况、地下水情况等，对当前开挖围岩的岩性、地质构造、地下水情况等进行判断，并根据当前围岩情况对掌子面前方的围岩进行短距离预报，预报距离一般以不超过10 m为宜。

5.3 ISIS地震法超前地质预报

ISIS（Itegrated Seismic Imaging System，综合地震成像系统）是由德国GFZ公司与基尔大学合作完成的一套针对TBM快速施工的特点开发的地震法超前地质预报系统，同时适用于钻爆法施工。后来海瑞克股份公司与GFZ开展合作，对ISIS系统进行了改进，称为ISP（ Integrated Seismic Prediction）综合地震波预报系统[17]。其以地震法为原理（见图1），数据处理采用Fresnel-Volume偏移成像技术完成。该方法可对隧洞及井巷工程掘进前方以及顶部的复杂地质构造进行较为全面的预报，可有效探测断层、破碎带、溶洞、涌水区等不良地质体。ISIS系统具有以下优点：操作简单;测试时间短，从开始钻孔到测量完成只需要1-2 h：测试时不需要TBM停机，不影响TBM掘进，可以随着TBM掘进同步预报;数据处理简单，耗时短，只需30 - 40mm就能完成测量，可以及时提供准确的地质预报：预报准确率高，生成的3D图像形象直观;探测距离长，一次测试可以预报掌子面前方100 m内的围岩情况。

5.4 BEAM电法超前地质预报

BEAM （ Bore - tunnelling Electrical AheadMonitoring，隧洞掘进超前监测）超前地质预报技术[14-15]由德国Geohydraulik Data公司研发。BEAM技术采用激发极化原理，通过在地下岩土体中激发电场，使岩土体发生电化学变化。极化电场随时间的增长而增强，并与人工电场相叠加，一般把人工电场称为一次电场，把极化电场称为二次电场，把一次电场和二次电场的叠加称为总场，总场一般经过数分钟就趋于饱和状态，此时若切断电源，一次电场会立即消失，但二次电场不会立即消失，并随时间的增长而逐渐衰减，衰减时间一般为几十秒钟至几分钟。通过探测岩土体中与孔隙有关的电能储存能力参数PFE和视电阻率的变化，即可预报隧洞掌子面前方围岩的完整性和含水性[18-19]。

针对TBM法隧洞施工，对BEAM技术进行了改进，将其所有的激发与接收装置都安装在TBM的刀盘和外侧钢环上，使其不受TBM护盾和管片的影响，适合双护盾TBM施工隧洞采用。BEAM技术预报时不需要TBM停机，不占用掘进时间，可随着TBM的掘进实时预报。采用BEAM技术最长可预报30 m，适合作为短期超前地质预报技术，其对围岩的完整性及含水体有良好的预报效果。

5.5 超前钻探

掌子面超前水平钻探对断层破碎带、富水带、溶洞等具有较好的预报效果[20-22]。CCS水电站输水隧洞的TBM上配备有超前钻机，钻进距离可达掌子面前方100 m。当通过地质描述、岩渣和掘进参数分析初步判断掌子面前方可能出现不良地质体时，可采用超前钻机通过钻探进行确认。超前钻机为冲击式钻机，在钻进过程中通过钻进压力、转速、钻速、回水颜色等对掌子面前的围岩情况进行判断。

5.6 综合超前地质预报

在CCS水电站输水隧洞TBM施工过程中，采用隧洞宏观地质条件分析对隧洞地质条件进行定性预测。如果判断地质条件无明显变化、不影响正常掘进时，采用洞内施工地质条件分析如掌子面及洞壁围岩观测、掘进参数分析、岩渣分析等对掌子面前方围岩进行短距离预测，一般预测距离小于10 m，洞内地质条件分析不占用施工时间，分析成本低，在全洞段施工中采用。当掘进至断层破碎带、节理密集带、富水带等不良地质体附近时，采用ISIS地震法和BEAM电法对不良地质体位置、规模、含水性进行判断，必要时采用超前钻探对不良地质体的岩性、稳定性等进行确认。施工过程中，根据超前地质预报结果，针对不同的地质条件，采用相应的处理措施，保障TBM快速、安全掘进。CCS水电站输水隧洞双护盾TBM施工采用综合超前地质预报方法后，对大部分不良地质条件进行了准确的预报。

6 输水隧洞不良地质段TBM施工处理措施

6.1 涌水段施工处理措施

在断层破碎带、节理密集带及岩性接触带附近一般富含地下水，当掘进至这些不良地质洞段附近时，采用综合超前地质预报方法对掌子面前方围岩的含水性进行预报。如果预报的水量较小，则对施工影响较小，可正常掘進：当预报水量较大且对施工有较大影响时，可对掌子面前方进行灌浆堵水，封堵地下水渗漏通道，减少涌水量。同时在TBM主机处配置水泵，将掌子面的涌水及时排到TBM后配套以后，以降低洞内的水位，减轻对隧洞施工的影响。

TBMI掘进至桩号K2+201.8时，揭穿了隔水岩层，断层破碎带内地下水涌出，初期流量达到2 200 11s，经过3-5 d后，涌水量逐渐稳定到400 - 500 L/s。虽然隧洞可自流排水，但洞内设备众多，排水不畅，导致TBM及后配套内水位过高，影响正常施工，此时采取了在后配套后部布置围堰、洞内布置水泵的措施，将地下水强制排到TBM后配套以后，从而降低TBM主机及后配套内的水位，减轻对施工的影响。

在CCS水电站输水隧洞TBM施工过程中，采用以上处理措施后，顺利通过了多处流量大于100 L/s的涌水带。

6.2 砂岩砂化洞段施工处理措施

白垩系地层砂岩胶结性较差，在地下水及刀盘扰动作用下，砂岩容易崩解砂化，砂岩砂化后，岩渣主要呈砂状，在地下水的作用下，砂粒无法被TBM的刀盘铲起，大量的砂粒被冲人洞内，会掩埋部分TBM设备，导致无法安装管片，降低TBM施工的效率。

TBM在桩号K23+080-K22+700段掘进时，遇到较严重的砂岩砂化问题，采取了以下处理措施：①调整TBM掘进参数，收回支撑靴，伸缩护盾处于收缩状态，采用单护盾模式掘进，降低刀盘推力及转速，以减少其对围岩的扰动，防止掌子面和洞壁围岩塌方：②对洞内的集中涌水点进行封堵：③掘进时减少刀盘喷水量，减缓砂岩的崩解速度：④组织人工及时清理洞底砂粒，将砂粒装袋后由有轨运输机械运出洞外：⑤严密监测洞底火车轨道情况，防止砂粒掩埋轨道：⑥安装重型管片，并及时进行豆砾石回填灌浆。采取以上处理措施后，TBM慢速掘进通过了砂岩砂化洞段。

6.3 断层破碎带洞段施工处理措施

输水隧洞TBM施工过程中遇到了多条规模不等的断层破碎带，处理措施如下：对掌子面前方围岩进行超前地质预报，预报断层破碎的位置、宽度及性质等。为减少对围岩的扰动，降低TBM推力、刀盘转速，慢速掘进，避免或减少围岩塌方。当预报到掌子面前方围岩极不稳定时，采用超前灌浆的方法固结围岩后再掘进;如果断层带富含地下水，则需要灌浆堵水;对于断层破碎带，安装重型管片，保证围岩的稳定。采用以上措施后，TBM成功地通过了多条断层破碎带。

TBM掘进至桩号K16+130.0时，断层破碎带塌方，发生了TBM刀盘被卡的卡机事件，针对此问题，采取了以下处理措施：①拆除护盾后部隧洞两侧中上部1200内的两块管片，并采用锚固的方式对顶拱管片和侧壁管片进行固定：②从管片开口处向与TBM掘进方向垂直方向开挖旁洞，旁洞断面为城门洞形，宽2.4 m、高2.0 m，在开挖2.0 m后转为与TBM掘进方向平行直至刀盘位置，旁洞开挖时采用自进式锚杆、挂网、喷混凝土、钢拱架等方式进行支护;③采用地质钻机沿与TBM掘进方向平行的方向进行水平钻孔，同时采用地震法物探对前方进行超前预报，查明掌子面前断层破碎带的宽度;④由左、右两侧的旁洞向中间开挖，形成主洞上方的扩大顶拱，沿主洞轴线方向向前开挖直至穿过整个断层破碎带及影响带，扩大顶拱开挖时采用自进式锚杆、超前灌浆、挂网、喷混凝土、钢拱架等方式进行联合支护：⑤扩大顶拱开挖支护完成后，启动TBM刀盘，扩大顶拱下部的岩体由TBM掘进出渣，同时安装重型管片，顶部管片与扩大顶拱之间的空隙采用豆砾石回填灌浆，直至通过整个断层破碎带。

7 结语

（1）双护盾TBM施工时，可采用隧洞掌子面及洞壁小范围的围岩观察、TBM掘进参数分析、局部岩石回弹值测试、岩渣性状分析、地下水特征分析等多种方法获取围岩地质信息，从而对围岩进行分类和稳定性评价。

（2）详细、准确的地质资料是TBM快速、安全施工的重要保证。施工期间，应采用综合预报的方法对围岩进行超前地质预报，从而有针对性地采取处理措施。

（3）不良地质条件制约着TBM快速、安全施工，施工过程中应对不良地质条件进行评估，根据其危害性采取有效的处理措施。

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【责任编辑张华岩】