錦屏二級水電站引水隧洞TBM遇突涌水施工對策

袁 亮，石 釗

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

1 前 言

錦屏二級水電站位于四川省涼山州境內的雅礱江上，是西電東送的骨干電站之一。電站采用引水式地下電站，引水系統并排布置4條引水隧洞，單條隧洞長16.67km。工程區地下水豐富，具有壓力高、穩定流量大的特點。為解決施工期排水問題，設計1條與引水隧洞平行的排水洞，排水洞直徑為7.2m，每間隔約1km有橫向排水洞將引水隧洞與排水洞相聯通。其中，1號引水洞、3號引水洞和排水洞東段采用TBM掘進，其余隧洞采用鉆爆開挖。在引水隧洞TBM掘進過程中曾遭遇多次突涌水，其中單點出水最大達1.84m3/s，出水流量大、隨機性強直接影響工程施工安全和進度。然而，通過改進TBM設備的結構設計、加強施工過程中的地質預測和現場采取積極可靠的措施，較為成功地解決了TBM突涌水施工的技術難題，保證了TBM設備安全，順利穿越了涌水點。

2 工程水文地質條件

錦屏二級水電站引水隧洞穿越的錦屏山屬裸露型深切河間高山峽谷巖溶區，巖溶水主要接受大氣降水補給。巖溶化地層和非巖溶化地層呈NNE走向分布于河間地塊，可溶巖地層主要分布于錦屏山中部，而非可溶巖分布于東西兩側。受NNE向主構造線與橫向(NWW、NEE)扭～張扭性斷裂交叉網絡的影響，構成了河間地塊地下水的集水和導水網絡。根據地質探洞揭露并結合巖溶水文地質條件分析預測，由TBM掘進的1號引水隧洞和3號引水隧洞在施工過程中最大可能的涌水量分別為5.75～7.75m3/s和3.95m3/s。根據三維滲流場分析，在天然狀態下地下水埋藏較深，均在1 000m以上，其壓力水頭線平緩，區域最高地下水位約2 623m，最大壓力水頭約為1 100m左右。

3 涌水及其危害

3.1 TBM掘進段的涌水特點

截至2010年底，1號TBM和2號TBM實際遭遇大小不同的地下水近30余次，其中集中出水較大的突涌水4次(見表1)。具有出水突發性強、涌水量大、出水前期伴有夾泥、掘進過程中常沖帶掘進的渣料等特點。

表1 3號引水隧洞TBM掘進過程中典型的突涌水

3.2 涌水的危害

TBM是集機械、液壓、電氣及光電于一體的大型現代化挖掘設備。當掘進過程中突然遭遇突涌水時，出水直接沖淋或浸泡設備，損壞設備器件，影響正常的掘進施工，甚至威脅設備和人員安全，制約TBM的掘進進度。具體工程危害如下:

(1)涌水沖淋、浸泡TBM設備，損傷TBM液壓和電氣設施，特別是威脅軸承部件和電氣裝置的運行安全和使用壽命。

(2)TBM掘進渣料與水混合，影響皮帶出渣傳輸和運輸沿線的施工環境。

(3)出水沖積渣料堆積于TBM下方，掩埋鋼拱架安裝器等TBM結構件，制約TBM掘進。

(4)出水流向TBM后部，淹及TBM后配套及材料運輸通道，破壞TBM正常的施工條件。

(5)部分突涌水威脅人員的安全和隧洞穩定。

4 突涌水的防治措施與對策

對于TBM在突涌水地段施工，本著盡可能避免或縮短設備在水中沖淋和浸泡時間，降低設備長時間遇水損壞的風險，在作好圍巖安全支護的前提下，創造條件保證設備快速掘進，用最短的時間穿越涌水地段。這是TBM施工中防治突涌水的基本思路。

4.1 地質預測

地質預測是TBM應對各種不良地質的首要工作之一，對TBM掘進過程中的突涌水預測也是十分必要的。相對準確的涌水預測可以指導施工人員作好設備和人員的突涌水施工準備，提前作好涌水預案和應對措施。

對錦屏二級引水隧洞的突涌水預測，主要采取宏觀預測和借助BEAM系統進行短距離預報相結合的方式。其中，宏觀預測主要通過區域水文地質條件和地質構造，分析地勘資料等宏觀判斷可能出現涌水的富水地層和區域，基本確定可能出水的洞段。

短距離預測主要依托BEAM系統的信息采集和對比分析，短距離判斷掌子面前方的地質情況，結合掘進現場揭露的圍巖地質情況，分析預測掌子面前方的突涌水情況，以指導現場施工。

4.2 TBM防突涌水結構設計

為應對TBM掘進過程中可能出現的突涌水，在TBM設備設計制造階段進行有針對性的設備防突涌水設計是十分必要的。錦屏二級水電站引水隧洞TBM在設備設計制造階段，主要從以下方面進行了TBM設備防突涌水的結構設計:

(1)后配套軌道架高設計(見圖1)。將后配套行走裝置抬高1.5m，在施工過程中，利用支腿式鋼枕架將TBM后配套軌道和有軌機車軌道抬高，在其下部形成大的排水通道，供涌水沿隧洞底拱利用順坡自行流排，有效解決了涌水外排以及避免后配套設備和機車運輸設備因軌道過低被浸泡水中而影響正常運行問題。

圖1 軌道架高設計斷面示意

(2)電氣設備防水設計。對關鍵的電氣設施及可能被水沖淋的電氣元件進行防水設計，譬如主驅動電機裝置等按照IP67的防水等級設計，以增強TBM設備自身抵抗突涌水的能力。

(3)渣、水分離設計。TBM在突涌水地段掘進，一方面涌水沖帶渣料溢出積渣斗或主機皮帶，制約渣料運輸;另一方面出渣料與水混合進入皮帶，影響皮帶運輸設施如刮渣板等的正常運行和皮帶沿線的安全文明施工。為解決這些問題，對設備的出渣裝置進行必要的渣、水分離設計是十分必要的。渣、水分離設計主要有:

a．刀盤隔板的空格設計。TBM掘進過程中，掌子面切屑的渣料通過鏟斗進入刀盤空腔，在刀盤旋轉上升過程中，渣料沿刀盤空腔隔板溜至運轉的傳輸皮帶上運出。為使進入鏟斗的渣料和水分離開來，將刀盤隔板設計成網格狀，在渣料和水混合料沿隔板下溜的過程中，水從隔板下漏，石渣仍沿隔板溜至皮帶．這樣便實現了一次渣、水分離的過程，在一定程度上減少了進入主機皮帶上的水量。

b．設計上升的斜皮帶進行水回流分離。渣、水混合料進入長距離輸送皮帶前，設計一條上升的斜皮帶，利用斜皮帶傳輸過程中水和石渣與皮帶的摩擦系數的差異，實現在斜皮帶上升傳輸過程中，水沿皮帶回流流出斜皮帶，而石渣仍沿斜皮帶上升傳輸的方式實現渣、水分離。

(4)泄、排水設計。為便于掌子面的涌水順暢排出，防止刀盤前部水位壅高浸泡TBM設備，影響TBM掘進和危害主軸承，在底部護盾支撐上設計可關閉的泄水口，在正常情況下泄水口保持關閉，出現涌水時開啟閘門進行泄水。

(5)減壓分水設計。根據地質預測，錦屏工程具有高壓涌水的風險。為防止高壓水損傷設備和人員，在TBM的L1區專門設計有可安裝鋼瓦片的機械裝置，即在遭遇高壓突涌水時，利用機械裝置將鋼板頂升至出水點，分散出水降低水壓，以方便人工在該區域進行錨桿及拱架的支護作業。實際上，在掘進過程中并未遇到高水壓的涌水，該設備也未在實踐中應用。

(6)積水抽排設計。為防止出水積聚于TBM下部，影響設備安全和TBM運行，在TBM設備上配備有大功率的抽排水設施和輸水管路(可延伸至TBM尾部)，必要情況下實施強排水。

4.3 在現場進一步改進設備的防水

為盡可能增加TBM設備的自身防水能力，在TBM掘進至富水地段之前，對TBM后配套設備尚沒有防雨設施的變頻器及配電柜等設施，利用彩鋼板進行遮擋。

4.4 排水方案規劃設計

根據地質勘查成果，對可能出現的涌水部位及涌水量進行預測，然后結合現場工程地質條件，進行總體排水方案規劃和洞內自身排水方案規劃，以應對TBM掘進過程中的突涌水。

在錦屏二級水電站考慮了TBM及鉆爆施工期排水問題，總體方案中規劃設計了一條與引水隧洞平行的排水洞，排水洞標高低于引水隧洞標高，并沿隧洞方向間隔約1km設計橫向排水洞或排水孔道將引水隧洞已經開挖部分與排水洞相聯通，滿足施工過程中的排水需要。實際上，在掘進過程中往往結合已揭示的地質資料和前期地質勘探資料，當預測前方存在出水風險或將要穿越富水地段時，提前就近施工橫向排水橫通道或排水孔與排水洞相聯接。其總體排水規劃示意見圖2。

圖2 TBM掘進突涌水排水規劃示意

錦屏二級引水隧洞TBM采用上坡掘進，一般隧洞坡度為0.37%，局部洞段坡度達0.52%。TBM掘進過程中，出水在隧洞內主要依靠順坡自流的方式自行流排，但在TBM設備上配備有大功率的排水泵，以便出現大的突涌水時，及時將TBM前端的大涌水抽排至TBM尾部，加速涌水的外排速度，避免涌水在設備下方壅高浸泡損壞設備。若TBM倒坡掘進，必須提前規劃好倒坡施工中強行抽排水的排水規劃方案。

有砟軌道床在時速350 km/h的條件下容易發生道砟飛濺現象，此次“高速鐵路固化道床防飛濺高分子材料涂層”的研發與應用，通過將防飛濺涂層噴灑至道床表面區域，促使表面道砟顆粒發生固化，從而防止列車風荷載作用下發生道砟飛濺的現象，對保障線路的行車安全具有重要意義。

4.5 突涌水地段的支護措施

突涌水地段圍巖一般較為破碎或存在空腔，且有壓力水涌出，普通的砂漿錨桿和噴射混凝土一般無法實施，但涌水地段的圍巖安全穩定必須引起足夠的重視。錦屏二級TBM在遇見突涌水地段時一般采用漲殼式中空預應力錨桿，對特別破碎會有大的溶腔的部位錨桿無法實施時，采用鋼拱架和噴射仿纖維混凝土對涌水地段的圍巖進行支護，在保證涌水地段的圍巖安全條件下，力求快速通過涌水地段。

4.6 TBM的掘進操作

TBM遇見突涌水地段，在保證圍巖安全穩定的情況下，力求以最快的速度穿越涌水帶，避免設備長時間的浸泡或沖淋，以致損壞電氣及液壓部件。一般根據地質預測和現場勘查，分析出水部位、出水類型及出水通道，分析掌子面附近的圍巖狀況，根據分析得知的掌子面情況采取合適的推力和刀盤轉速持續掘進，以盡快穿越涌水地段;但需要特別提防隧洞底部大的溶腔和斷層破碎帶對TBM行進安全構成威脅。當遇見隧洞底板大面積出水或存在明顯的溶腔等不良地質情況時，應及時對底拱不良地質情況進行準確的地質勘察，必要時采取底板加固處理措施，以保證TBM機頭不下陷，確保TBM設備順利安全掘進。

4.7 設備維護管理

TBM在突涌水地段掘進前和掘進過程中，應加強設備的維護檢查力度，特別是對易于被水損壞的電氣設備、液壓軸承部件等應增大維護檢查頻次，對需要更換或維修的部件及時進行處理，保證TBM設備的完好性，避免在掘進過程因設備故障或維修不及時導致設備無法正常運行，在涌水地段長時間滯留。

對重要的主軸承，在進入富水地段前對軸承潤滑油進行油樣檢測，在穿越涌水地段之后及時進行油樣的含水率測定，若含水率明顯增大，超過警戒值時應及時進行油更換，并且持續跟蹤監測主軸承的狀態。

4.8 針對主軸承及一些軸承部件浸水問題的對策

主軸承是TBM設備重要和關鍵的部件之一，盡管對TBM采取了一系列防突涌水的結構設計，在施工中也進行了地質預報，但在實際掘進過程中遭遇大的突涌水時，仍存在涌水淹及主軸承以及浸入軸承部件內的風險。為掌握主軸承部件浸水情況，及時采取油料更換等措施避免軸承壽命降低。當預測到有大涌水出現時，應提前進行油料的含水率測定。并在穿越突涌水過程中及穿越之后進行油樣含水率測定，若含水率屬于正常范圍，則表明軸承未進水，穿越涌水地段后無須對主軸承進行相關處理;若發現油樣含水率發生明顯變化，則應根據穿越涌水地段的時間長短確定是否采取更換軸承潤滑油的措施，以避免降低軸承的使用壽命。在錦屏二級1號和2號TBM遭遇到的三次大涌水過程中，分別對軸承部件的潤滑油進行了含水率測定，其中兩次穿越突涌水后的油樣含水率檢測結果與突涌水之前的檢測結果無明顯變化，一次發生油樣含水率明顯增大，表明有水進入軸承內，在穿越涌水地段后及時進行了油的更換。在此后的主軸承油樣跟蹤檢測中，未發現軸承的異常損壞現象，表明及時更換軸承潤滑油效果是明顯的。

針對主軸承以外的一些液壓及軸承部件，一般這些部件的潤滑油液不在部件的內部循環，也很少進行油液檢測，在穿越突涌水地段的過程中主要依靠加大注入油脂量和頻次，降低涌水浸入部件內部減少部件使用壽命的風險。

5 施工中的注意事項

(2)充分考慮隧洞的排水量。在TBM架高設計階段，應充分分析和預測隧洞可能的排水量，在架高設計時除考慮隧洞正常涌水外，還應考慮TBM掘進過程中自身的廢水排泄以及架高結構對過水量的影響，保證在TBM架高之后，底拱有足夠的過水通道。

(3)謹防存在僥幸心理。施工前期，結合隧洞地質勘查資料，作好隧洞整體排水方案設計，并在施工階段嚴格實施，確保整個隧洞的排水通暢，謹防施工過程中存在僥幸心理減少或縮小排水渠道，出現涌水不能引排的現象。

(4)相鄰出水點不急于封堵。在TBM掘進過程中，當隧洞掌子面附近出現多個出水點或在同一里程段相鄰隧洞出現涌水點時，考慮到突涌水在巖體內滲流路徑的聯通性，一般不急于對掌子面外的其它相鄰涌水點進行封堵處理，避免出水集中至掌子面，增加TBM應對突涌水的施工難度。

(5)改善作業條件，提高突涌水作業效率。在TBM掘進過程中，架高裝置和軌道均在TBM下部實施，一旦出現涌水，工人可能在TBM下部的積水中安裝架高裝置和鋪設軌道，因此為工人提供良好的勞動保護設施，盡可能改善現場作業條件和環境，可以提高工作效率，有利于涌水地段TBM推進效率的提高。

6 涌水防治效果和建議

盡管錦屏二級水電站引水隧洞的涌水問題較為突出，但是通過參建各方提前研究和策劃，采取了上述措施后，引水隧洞TBM的涌水問題基本得到了解決，除幾次大涌水對TBM掘進有短時間影響外，基本都能安全順利穿越涌水地段。

通過對錦屏二級引水隧洞TBM涌水施工的實踐，筆者認為只要參建各方給予高度重視，從TBM結構設計、現場排水方案的規劃以及對具體問題采取行之有效的措施等方面開展工作，則TBM對一定量的突涌水是可以克服和應對的。