厄瓜多爾CCS水電站輸水隧洞優化設計總結及體會

尹德文， 汪雪英， 楊曉箐

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司， 河南 鄭州 450003)

0 引言

TBM是集隧洞掘進、出渣、管片安裝或初期支護于一體的大型聯合現代化施工設備，具有快速掘進，高效成洞，安全、環保施工等優勢[1]。21世紀以來，地下空間資源正在被大力開發利用，各領域對隧道及地下工程具有重大需求[2]，尤其是跨流域大型調水工程對超長輸水隧道建設的需求將超過1 000 km，TBM應用將更加廣泛。

TBM施工隧洞工程技術是區別于鉆爆法的工程技術，包括TBM施工隧洞的工程設計、TBM設備的設計制造、隧洞施工等，是集隧洞施工設備TBM、隧洞設計、隧洞施工于一體的綜合性技術，三者互為關聯、相互適應、高度融合，完全打破了常規鉆爆法工程技術中設計、施工及施工設備等的專業劃分。目前，大多數TBM施工隧洞仍采用常規鉆爆法技術的設計理念進行設計，這種設計理念人為地將高度融合為一體的隧洞設計、TBM設備和隧洞施工三者割裂開來，常常出現隧洞工程設計方案與TBM設備和TBM現場施工不相適應的情況，使得TBM施工速度緩慢，TBM施工隧洞工程技術的高效率、高收益性不能發揮，造成工程建設資源浪費、工期延長、工程投資增加，甚至面臨業主的巨額罰款。

本文研究案例中，設計工程師改變傳統設計思維模式，將TBM設備性能和隧洞施工技術高度融合于全過程動態優化設計中，為TBM快速掘進，高效成洞，安全、環保施工提供便利的隧洞設計和施工方案。通過輸水隧洞工程典型案例總結，分享動態優化設計經驗，以期為類似工程提供借鑒； 同時，為推進TBM工程技術發展，保證TBM的高效性、安全性，最大限度地發揮TBM的優勢和潛能，呼吁設計工程師改變單極設計思維模式，構建適宜于TBM工程技術的設計模式。

1 工程概況

厄瓜多爾科卡科多辛克雷(Coca Codo Sinclair，簡稱CCS)水電站位于亞馬遜河二級支流科卡河上，距離首都基多130 km，總裝機150萬kW，總合同額23億美元。工程采用EPC建設模式，于2010年7月28日正式開工建設，2016年11月18日實現8臺機組并網發電。

CCS水電站工程主要包括5部分： 首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道、地下廠房發電系統。其中輸水隧洞工程是CCS水電站控制工期的關鍵項目。CCS水電站工程引水系統布置見圖1。

圖1 CCS水電站工程引水系統布置示意圖(單位： m)

輸水隧洞由進口段、洞身段、出口閘室及消力池組成，總長24.8 km，設計引水流量為222 m3/s,設計內徑為8.20 m，全線采用管片或現澆混凝土襯砌。隧洞采用2臺雙護盾TBM+鉆爆法聯合施工，TBM開挖洞徑為9.11 m，采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，管片采用6+1通用型管片，厚0.3 m，環寬1.8 m；鉆爆段采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.5～1.5 m。CCS水電站輸水隧洞TBM施工布置見圖2。

2 工程地質及水文地質

2.1 地形地貌

輸水隧洞位于Reventador火山東南部，地形起伏較大，隧洞埋深為30～600 m，局部超過700 m[3]。隧洞穿越區域植被發育，河流眾多，溝谷較陡峻。

2.2 地層巖性

隧洞穿越地層由進口至出口依次為花崗閃長巖侵入體(GD)，長度約為780 m；侏羅—白堊系Misahualli地層(J-Km)，主要巖性包括安山巖、玄武巖、流紋巖、凝灰巖、熔結凝灰巖和角礫巖等，長度約為21 771 m；白堊系下統Hollin地層(Kh)，巖性主要為頁巖、砂巖互層，長度約為2 256 m[4]。隧洞巖石物理力學指標見表1。

圖2 CCS水電站輸水隧洞TBM施工布置示意圖

Fig. 2 Layout of TBM construction of headrace tunnel of CCS Hydropower Station

輸水隧洞地質圍巖分類(參考國際通用的RMR分類法)見圖3。圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，占隧洞總長度的94.5%。其中Ⅱ類圍巖2 544.25 m，約占10.26%，Ⅲ類圍巖20 910.91 m，約占84.29%，圍巖穩定性好；Ⅳ類圍巖1 305.42 m，約占5.26%；Ⅴ類圍巖46.4 m，約占0.19%。

表1 輸水隧洞巖體物理力學參數

圖3 輸水隧洞地質圍巖分類餅狀圖

Fig. 3 Pie chart of surrounding rock classification of headrace tunnel

2.3 主要工程地質及水文地質問題

輸水隧洞工程地質條件較復雜。沿線穿越不等規模的斷層約25條，受構造運動影響，隧洞內構造活動帶及兩側影響帶范圍內巖體較破碎，地下水豐富，存在較大涌水。

隧洞施工中遇到的主要工程地質問題有斷層破碎帶、塌方、涌水等。受f500和f512斷層帶影響，TBM1、TBM2分別掘進至K2+201、K16+127時出現卡機事故[5]，處理時間分別為8個月和6個月；施工過程中出現4次大的涌水，且均大于設計階段預估涌水量(200 L/s)，其涌水量統計見表2。

3 工程施工環境條件

3.1 滿足TBM施工的關鍵條件

滿足TBM施工的關鍵條件主要有3部分： 一是對外交通條件，首先要滿足TBM大件運輸要求；二是TBM施工場地布置條件，包括施工支洞布置、混凝土管片預制場、TBM組裝及運行期工業廣場布置；三是施工用電，TBM用電容量高達7 700 kW，且用電質量要求高。

表2 TBM施工涌水量統計

3.2 現場施工環境分析

1)現場交通條件。輸水隧洞工區沿Coca河左岸已有基多—拉格里奧湖國道，路面寬約6～8 m，為瀝青路面。在項目開工前，CCS項目業主已修建完成到廠房的施工道路，長20 km；到調蓄水庫即隧洞出口端無進場施工道路。從對外交通條件分析，2010年才開始修建到調蓄水庫的進場道路，而且道路穿越森林或叢林，支洞、場地布置條件差。輸水隧洞工區交通布置見圖4。

圖4 輸水隧洞工區交通布置圖

2)受交通影響，調蓄水庫區域不具備TBM運輸及場地布置條件。

3)厄瓜多爾整個國家缺電，只能采用柴油自發電。

4)合同工期66個月，首批機組發電60個月，工期延遲1 d罰款85萬美元。

上述條件是工程設計必須考慮的基本條件。

4 輸水隧洞原設計方案

輸水隧洞原設計方案主要包括4部分： 隧洞輸水方式、隧洞布置方案、隧洞斷面設計、隧洞施工布置方案。

4.1 隧洞輸水方式

輸水隧洞是將首部樞紐的水輸送到調蓄水庫，因此，隧洞輸水方式受調蓄水庫水位變化的影響。調蓄水庫庫容量800萬m3，為日調節水庫，相關參數及輸水方式見表3。

表3調蓄水庫水位變幅及隧洞輸水方式

Table 3 Variation of regulating reservoir water level and water conveyance mode of tunnel

水位變化/h 水庫水位/m 水位變幅/m 輸水方式 4 1 229.5～1 216.0 13.5～0 明滿流 15 1 229.5 0 壓力流 5 1 216.0～1 229.5 0～13.5 明滿流

調蓄水庫正常蓄水位為1 229.50 m時，全洞為壓力流狀態；調蓄水庫水位為1 216.00 m時，僅在隧洞出口段局部范圍內為壓力流狀態。明流和壓力流2種流態的轉換點依據引水流量和調蓄水庫水位變化，且明流流態下進口段洞內水面線以上的空間為隧洞斷面面積的7.6%，不滿足規范[6]的要求值(15%)。綜上所述，原輸水方式特點為: 明流和壓力流交替，流態復雜。

4.2 隧洞設計方案

隧洞設計2座深埋通氣豎井和出口段雙層襯砌方案，輸水隧洞平面布置見圖5。由圖5可知，隧洞平面布置以2#支洞為界分為2部分： 2#支洞上游0+258～9+889段長9.63 km，由TBM1施工； 2#支洞下游11+164～24+823段長13.66 km，由TBM2施工。隧洞進口、2#支洞主洞交叉段采用鉆爆法施工。

1#豎井在輸水隧洞6+046.77處，直徑為2 m，深約530 m； 2#豎井在2#施工支洞附近10+851.92處，直徑為2 m，深約560 m； 同時，在隧洞出口段2.4 km采用雙層襯砌。

圖5 輸水隧洞平面布置圖

4.3 隧洞斷面設計

隧洞斷面設計特點是變徑設計和管片變厚度設計。TBM施工段開挖洞徑為8.7 m，設計洞徑分別為8.0、7.8、7.5 m，混凝土預制管片厚度分別為25、30、35 cm；鉆爆段設計洞徑為7.5 m，隧洞出口段2.4 km采用雙層襯砌，設計洞徑為7.4 m。

4.4 隧洞施工布置方案

隧洞施工布置示意見圖6。由圖6可知，共布置2條支洞，其中2#施工支洞同時承擔2臺雙護盾TBM施工期的物料運輸。

采用2臺雙護盾TBM施工，TBM1逆坡掘進長度為9.69 km， TBM2順坡掘進長度為13.66 km；隧洞進口、隧洞出口段2.4 km、2#支洞與主洞段采用鉆爆法開挖。TBM1、TBM2分別在洞外組裝后由2#支洞進入主洞，分別向上游、下游掘進施工，TBM1由1#支洞滑行出洞，TBM2由隧洞出口出洞。

4.5 原方案存在的問題

1)輸水方式既有壓力流又有明流，存在明滿流過渡流態。根據規范[6]要求： 一般輸水隧洞盡量呈現單一壓力流態，不宜呈現明滿流交替流態，明滿流過渡流態復雜，水流不穩定，將會出現振動、氣蝕和脈動壓力等現象，不僅對隧洞的過流能力有影響，而且對隧洞結構受力狀態、隧洞相鄰建筑物產生不利影響。原方案隧洞流態受調蓄水庫水位影響，明滿流流態轉換頻繁，且轉換點為隧洞長度范圍的任意位置，不固定。

2)隧洞布置方案。為滿足隧洞既有壓力流又有明流的輸水方式，布置2個深度均超過500 m的通氣豎井，施工難度大；單層管片襯砌一般用于明流洞，考慮出口段存在內水壓力，隧洞出口段2.4 km軟巖段采用雙層襯砌(管片+內層現澆混凝土襯砌)，該段施工工期長，不滿足工期要求。

3)隧洞斷面設計。隧洞變徑、管片變厚度設計時，鋼筋混凝土預制管片厚度分別為25、30、35 cm，設計方案理論上可行，但施工難度大，而且給TBM設計制造、管片預制生產、管片安裝、施工調度及現場管理帶來極大的不便和資源浪費。

圖6 輸水隧洞施工布置示意圖

4)施工方案布置。雙護盾TBM施工效率高，運輸量大，但2臺TBM均從2#支洞進入主洞掘進施工，2#支洞需同時承擔2臺雙護盾TBM物料運輸，運輸系統相互干擾大，TBM高效施工難以實現。

綜上所述，隧洞輸水方式為明滿流交替流態，運行復雜，存在結構安全隱患，同時出口軟巖段存在內水壓力，需要采用雙層襯砌；變徑設計完全從理論上的“經濟”角度出發，沒有兼顧工期、TBM施工技術等。設計方案應適應于TBM設備的高效性和便捷的現場施工及組織管理，充分發揮TBM的高投入、高效率、高收益的特性。

5 輸水隧洞設計及施工規劃方案優化

5.1 設計優化依據

5.1.1 設計優化目的

根據工程主合同要求，工期每延遲1 d罰款85萬美元，優化設計首先要滿足合同要求，即總工期66個月，首批機組發電60個月； 同時，輸水隧洞應采用全斷面鋼筋混凝土襯砌。

5.1.2 設計優化依據

5.1.2.1 原方案存在問題

詳見4.5節內容。

5.1.2.2 工程地質及水文地質條件

工程地質及水文地質條件影響TBM設備選型，但TBM設備選型不僅僅與地質條件有關，更要考慮合同對工程設計及工期的要求。該工程地質條件采用敞開式和雙護盾TBM均可行，經方案比較分析，敞開式TBM完成隧洞開挖后需要進行全洞段現澆混凝土襯砌，施工工期約68個月，不滿足合同工期要求；雙護盾TBM開挖與管片襯砌同時進行，施工工期控制在60個月以內。因此，為滿足合同要求，只能選用雙護盾TBM。

5.1.2.3 施工環境條件

施工環境條件主要包括現場交通、TBM工業廣場布置(組裝期、運行期)、混凝土管片預制廠、混凝土骨料場、渣場、施工用電等。

5.1.2.4 TBM施工隧洞工程技術特點

TBM施工技術與鉆爆法的區別是集設備、設計、施工及管理于一體的綜合性技術，三者相互關聯、相互適應、高度融合，打破了常規鉆爆法工程技術中的專業劃分。

5.1.2.5 意義

設計及施工規劃方案應具有系統性和前瞻性，意義在于充分發揮雙護盾TBM快速、高效、安全施工的優勢，消除或減少隱性成本增加，滿足合同要求，實現投資可控。

5.2 隧洞設計方案優化

根據上述優化依據，本工程從概念設計、基本設計、詳細設計直至現場施工，對隧洞工程進行系統性動態優化設計。隧洞設計平面布置見圖7。

圖7輸水隧洞設計平面布置圖

Fig. 7 Layout plan of headrace tunnel design

隧洞為單一明流流態，設計洞徑為8.2 m； TBM開挖洞徑為9.11 m，厚0.3 m，環寬1.8 m,管片采用6+1通用型管片；鉆爆段襯砌厚0.5～1.5 m。

隧洞長24.83 km，縱坡為0.173%，平曲線半徑為500 m，豎曲線半徑為1 000 m。總體分為5段，2個TBM施工段： TBM1(K0+295～K9+878)、TBM2 (K24+745～K11+032 )。3個鉆爆段： D&B1(K0+000～+295)、 D&B2(K9+878～K11+032)、D&B3(K24+745～+835)，其中K24+800～+835段為隧洞出口漸變+閘室段。TBM 段占94.5%，鉆爆段占5.55%。

輸水隧洞設計優化后取消2個超500 m深豎井和隧洞出口2.4 km雙層襯砌，增設隧洞出口閘室段，長35 m； 增加1條2B支洞，共布置3條施工支洞，即1#支洞、2A支洞、2B支洞。

5.3 隧洞施工規劃方案優化

TBM2施工段位于關鍵線路上，隨著CCS項目現場施工進展，隧洞施工區域環境條件不斷變化，且施工環境條件的變化將直接影響隧洞施工規劃方案。

隧洞施工環境條件主要為施工道路運輸條件(滿足TBM大件運輸)、管片預制廠場地條件、管片預制骨料料場及TBM工業廣場等。根據現場施工環境條件變化，結合隧洞工程設計及工程控制性工期要求，經過對TBM設備制造、TBM運輸方案、TBM運輸計劃安排和現場施工道路的施工進展，以及調蓄水庫系統各建筑物的施工分區、施工工序、施工進度計劃等進行系統性和前瞻性分析后，從概念設計到施工階段，對TBM2施工段進行了全過程動態優化設計(先后共進行了5次施工方案優化)，最終通過增設2B支洞，使隧洞施工方案達到最優，即技術可靠、經濟且滿足工期要求。隧洞施工布置示意見圖8。

該方案共布置3條施工支洞(1#、2A、2B)， 2個TBM掘進工作面和4個鉆爆法工作面。1#、2B 支洞采用鉆爆法施工，分別為TBM1、TBM2出洞和拆卸運輸通道，2A支洞為TMB1施工通道，進口段410 m為鉆爆法施工，后段1 250 m為TBM施工。TBM1在洞外工業廣場組裝，進入2A支洞滑行400 m后，洞內始發掘進1 250 m至主支洞交叉處，直接進入主隧洞逆坡掘進至K0+258，由1#支洞滑行出洞； TBM2在洞外工業廣場組裝，由主隧洞進口滑行通過鉆爆段D&B4后，洞內始發逆坡掘進至K11+032，再滑行進入2B支洞拆卸洞室，洞內拆卸后由2B支洞運輸出洞。在TBM施工的同時，利用1#、2B支洞分別進行鉆爆段D&B1、 D&B2和 D&B3施工。隧洞施工工期約為52.4個月。

圖8 輸水隧洞施工布置示意圖

該方案具有4大優勢:

1)TBM2由隧洞出口進洞逆坡掘進，減少了TBM掘進的施工排水風險。

2)調蓄水庫進場公路7 km處有足夠的場地和豐富的砂石料源，為混凝土管片生產提供得天獨厚的條件。

3)優化2B施工支洞布置。增加主支洞交叉段鉆爆法施工工作面，縮短控制工期的TBM2掘進長度； TBM2在2B支洞內拆機，拆機不占直線工期；保證TBM1物料運輸系統擁有獨立的2A施工支洞，滿足TBM1高效施工； 隧洞施工工期最短。

4)TBM2管片預制廠由2A支洞處轉移至調蓄水庫進場公路7 km處，大大縮短了管片運輸距離，節約工程投資。

該方案缺點是TBM2工業廣場占用調蓄水庫庫尾施工，調蓄水庫開挖施工需要分期開挖，但不影響總工期。

5.4 TBM管片類型優化

進行管片設計厚度及管片安裝類型優化，目的是在滿足工程質量的同時，最大限度地適應TBM現場施工。

5.4.1 管片設計階段優化

管片厚度由0.25、0.3、0.35 m優化為統一厚度0.3 m。根據圍巖分類，將管片分為A、B、C、D 4種類型，見表4。

表4圍巖分類與管片襯砌類型統計表

Table 4 Classification of surrounding rocks and segment lining modes

管片類型圍巖類型隧洞內徑/m襯砌厚度/m管片混凝土強度等級AⅡ類8.20.3C40BⅢ類8.20.3C50CⅣ類8.20.3C60D介于Ⅳ類與擠壓破碎帶之間8.20.3C60

5.4.2 施工階段管片安裝類型優化

施工過程中根據圍巖分類、管片類型所占比例、管片安裝類型轉換工序等，把管片安裝類型優化為2～3種。管片襯砌施工安裝分類見表5。

表5 管片襯砌安裝分類表

管片安裝類型的轉換工序包括現場圍巖類別及時判斷、洞外管片類別儲存、管片類別運輸、管片類別安裝等，這一系列轉換工序要求現場運輸調度人員與地質工程師密切配合，更重要的是要保證管片類型安裝的時效性。管片安裝類型的優化，避免了因管片安裝類型確定不及時或不準確造成工程質量缺陷和現場調度管理困難(管片裝車后卸車或者管片進洞后又運出洞外的情況發生)，提高了TBM施工效率，實現了真正意義上的縮短工期、節省投資。

6 案例總結及體會

6.1 案例總結

CCS項目經過全程動態設計優化，工程質量、工期均滿足合同要求，同時工程投資也得到有效控制。

6.1.1 工程質量、安全

原明滿流流態優化為單一明流流態，保證結構安全；增設的2B施工支洞后期改建為永久檢修通道，保證工程運行期安全。

6.1.2 工期保障

1)豎井施工難度大且嚴重影響工期，通過對隧洞設計優化為明流輸水方式，取消了2個超500 m深的通氣豎井和出口段2.4 km雙層襯砌，保證了合同工期滿足要求。

2)增設了多功性2B施工支洞。①2B支洞保證了位于關鍵線路上的TBM2拆機不占直線工期； ②TBM1擁有獨立的2A施工支洞，保證其高效施工； ③增加主支洞交叉段鉆爆施工面，縮短鉆爆段施工工期； ④縮短控制隧洞工期的TBM2施工段長度，保證了工期； ⑤永久和臨時建筑物相結合，2B支洞后期改為永久檢修通道。

3)設計階段將管片厚度由0.25、0.30、0.35 m 優化為統一厚度0.3 m； 施工過程中將A、B、C、D 4種安裝類型的管片優化為B、D和B、C、D類型，減少了不同類型管片安裝轉換工序，大大降低了運輸調度和現場管理的難度，有效控制了TBM關鍵工序管片安裝時間，保證了TBM高效施工。

6.1.3 施工風險

1)施工排水是TBM施工的重大管控風險，TBM2由順坡改為逆坡掘進，最大程度地降低了施工排水風險。

2)解除了深埋豎井施工風險。

6.1.4 工程投資控制

工程采用EPC模式，做到滿足合同要求與成本控制相平衡。

1)取消2個深豎井和出口段2.4 km雙層襯砌。

2)TBM2逆坡施工，實現了自流排水，降低了排水費用。

3)TBM2預制場由2A支洞處轉移至調蓄水庫道路7 km處，管片運輸距離縮短約40 km。

4)2B支洞既縮短了工期，又為隧洞后期運行安全提供檢修通道，永久和臨時建筑物相結合，節省了工程投資。

6.1.5 B型管片配筋優化

B型管片施工用量最多，約占全部管片的76%。原B型管片結構設計是基于EPC合同規定的美國規范，后期按照歐洲規范進行了優化設計，鋼筋含量由原來的115.78 kg/m3優化為91.1 kg/m3，含筋量減少24.68 kg/m3，直接節省445.2萬美元。

6.2 體會

通過對CCS水電站輸水隧洞案例設計優化總結，提出了TBM施工隧洞工程設計、TBM設備及TBM施工高度融合為一體的設計理念，實現了設計既主導又服務于施工，設計方案適應于TBM高效性和便捷的現場施工及組織管理，最大限度地發揮了TBM 的優勢和潛能。工程總承包模式為TBM施工隧洞工程技術動態優化提供了便利的外部環境條件。