2.4 厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞TBM选型及应用

2.4.1 工程概况

厄瓜多尔CCS水电站工程［59-61］位于Napo省和Sucumbios省境内的Coca河下游，为引水式电站，通过在首部枢纽建坝拦蓄河水，将库水通过一条引水隧洞引至调蓄水库，再由引水发电洞引水至地下厂房（图2.5），利用调蓄水库与地下厂房之间500余米的天然水头差进行发电，电站总装机容量1500MW，是厄瓜多尔最大的水电站。

电站主体工程由首部枢纽、引水隧洞、调节水库、压力管道及地下厂房等组成，其中引水隧洞是其控制性工程，洞线长度约24.8km，拟采用2台TBM和钻爆法联合施工。洞身断面为圆形，为无压明流引水隧洞，开挖洞径9.11m，隧洞设计引水流量222m3/s，隧洞进水口洞底高程1250.00m，出水口洞底高程1204.50m，纵坡0.173%。

2.4.2 工程地质条件

2.4.2.1 地形地貌

引水隧洞起点位于Coca河与Salado河交汇处下游约1000m处，隧洞长约24.8km。隧洞进口边坡高程约为1250.00m，天然岸坡坡度约为43°，此处河谷宽度为100m左右。引水隧洞穿越区内，河流众多，沟谷比降较大，岸坡陡峻。地势总体西高东低，西部最高海拔为2000m左右，东西部平均相对高差约600m。东部隧洞出口处，海拔约为1204m，位于Q.Granadillas河谷中游，出口边坡较平缓。隧洞穿越区内河流众多，主要有Malva Grande河、Malva Chico、Gallardo河、Marlene河、Magdalena河等，沟谷较陡峻。

2.4.2.2 地层岩性

受构造的影响，区内主要为一单斜地层，岩层大多倾向NE，倾角以5°~10°为主，隧洞区内地层主要分为以下几层：

（1）第四系地层（Q）：不同成因形成的松散地层，崩积、坡积、湖积和冲洪积等。

（2）第四系火山岩（Qd）：火山喷出的岩浆、不同年代崩落的碎片。

（3）白垩系上统Tena地层（Kt）：岩性主要为砂岩和红黏土。

（4）白垩系中统Napo地层（Kn）：岩性主要为页岩、砂岩、石灰岩和泥灰岩。

（5）白垩系下统Hollin地层（Kh）：岩性主要为页岩、砂岩互层，常浸渍沥青。

（6）侏罗系-白垩系Misahualli地层（JKm）：岩性主要为火山岩，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。

（7）花岗岩侵入体（Gd）：影响所有地层，岩性以花岗闪长岩为主。

2.4.2.3 地质构造

隧洞沿线地质构造较为复杂，被结构薄弱面分为几个区域。主要为Reventador构造带和Sinclair构造带。Reventador构造带呈狭长形，NE—SW走向，汇聚于Reventador火山北部。Sinclair构造带呈三角形，北部以Coca河为界，东部以Codo Sinclair为界，受东北向和南北向垂直断裂的影响。区内地应力为中-低地应力水平，最大主应力方向为315°~340°，量值为8~10MPa。

沿线共发育有不同规模的断层30余条，断层宽度多小于2m，少量断层及破碎带宽度大于10m，断层产状多陡倾，与洞轴线大角度相交。区内岩石的结构面数据分散，主要分为3组，其产状如下：①走向305°~315°，倾向NE或SW，倾角70°~88°，1.5条/m；②走向35°~45°，倾向NW或SE，倾角75°~90°，1条/m；③走向55°~65°，倾向NW或SE，倾角75°~88°，0.5条/m。裂隙多为平直粗糙型，充填泥、钙质或黄铁矿，张开宽度一般小于5mm，沉积岩地层中裂隙多不切层，火成岩中延伸长度一般大于5m。

2.4.2.4 水文地质条件

对引水隧洞有影响的地下水主要是Hollin地层及Misahualli地层的含水岩层及构造裂隙水。由于区域降雨量大，地表被森林连续覆盖且分布有高存储水性的土壤，同时因构造作用产生的广泛压裂岩石、较多的构造带（如断层等），有利于地下水的补给。含水层有可能蕴含丰富的地下水，其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，向沟谷及深部含水层排泄。根据现有资料分析，受地形、岩性、风化卸荷以及构造面影响，岩土体的渗透性存在很大差异。由测试得知地下水位始终高于隧洞高程，一般高于隧洞底板几十米。预计局部洞段的涌水量可达到750L/s。工程区环境水水质分析成果表明，70%的水含碳酸氢钙，30%的水含碳酸氢钠、钙或镁。

2.4.2.5 岩石（体）工程地质特征

根据室内试验成果，结合工程经验，引水隧洞岩体物理力学建议指标见表2.2。岩体受层面、软弱结构面及构造结构面的切割，呈现出不同的结构类型。通过对隧洞的地层岩性、地质构造及结构面特征的调查分析，将围岩岩体分为次块状、层状、碎裂及散体4种结构类型。其中，碎裂、散体结构是根据岩体风化、卸荷及构造带破碎程度划分的,结果见表2.3。

引水隧洞穿过的地层以侏罗系-白垩系Misahualli地层（JKm）安山岩、凝灰岩为主，其中进口处600~700m为花岗闪长岩侵入体，出口段2500m为白垩系下统Hollin地层（Kh）砂页岩，引水隧洞工程地质剖面图如图2.6所示。线各类地层所占比例如图2.7所示。按照国际上通用的RMR围岩分类法［62］对隧洞围岩进行了初步分类，分类结果如图2.8所示。由图2.7、图2.8可以看出，隧洞沿线穿过的地层主要为Misahualli地层，岩性以安山岩、凝灰岩为主，地质条件较好、适合成洞的Ⅱ类、Ⅲ类围岩占79.2%，成洞条件相对较差的Ⅳ类、Ⅴ类围岩占20.8%，主要分布在断层破碎带和节理密集带。

2.4.3 TBM选型

经过前期勘察的地质资料的分析和研究，认为CCS水电站引水隧洞具有TBM施工的可行性，因此在隧洞的基本设计阶段，需要对采用何种类型的TBM进行分析和论证。

隧洞沿线穿过的地层以侏罗纪-白垩纪迷萨华林地层（JKm）安山岩为主，其中进口段600~700m为花岗闪长岩岩侵入体（Gd），出口段2500m为白垩纪下统浩林地层（Kh）砂、页岩，其中安山岩、花岗岩为整体块状、块状及次块状结构，砂岩、页岩为层状结构，断层影响带、节理密集带以及中等风化、强风化岩体为破碎结构，断层破碎带以及全风化岩体为散体结构。安山岩的单轴饱和抗压强度80～120MPa，花岗闪长岩60～80MPa，砂岩、页岩20～40MPa，断层带岩石小于10MPa。按照围岩稳定性来划分，稳定性好的Ⅱ类围岩占58.6%，稳定性一般的Ⅲ类围岩占20.6%，稳定性差的Ⅳ类、Ⅴ类围岩占20.8%。

表2.4列出了国内外典型隧洞工程TBM施工案例及主要工程地质问题。根据表2.1及表2.4不同类型TBM性能与适应地质范围的比较结果，开敞式TBM主要适用于稳定性较好的Ⅱ类、Ⅲ类围岩隧洞，虽然近年来开敞式TBM通过配备多种支护及超前处理设备具备了通过特殊不良地质段的能力，但对不良地质段的处理会大量占用时间，从而减少了纯掘进时间，导致其平均掘进速度较低，实践表明，Ⅱ类、Ⅲ类围岩占90%以上的隧洞方可采用开敞式TBM。CCS水电站引水隧洞分布有较多的断层，由于前期勘察精度不高，断层带的宽度多靠推测，断层带性质不详，而开敞式TBM穿越断层破碎带的能力较差，因此，CCS水电站引水隧洞采用开敞式TBM施工的地质风险较大。另外，开敞式TBM掘进时仅能进行喷锚初期支护，二次衬砌由专门的衬砌台车来施工，在不增设施工支洞的前提下考虑到在掘进时繁忙的洞内交通状况，二次衬砌一般在隧洞贯通后方可进行，掘进和二次衬砌两者相加所需要时间较长，而CCS水电站总体工期紧张，时间成本必须加以考虑。因此，开敞式TBM不适合于CCS水电站引水隧洞施工。

单护盾TBM最适合稳定性较差的Ⅳ类、Ⅴ类围岩隧洞，在中-硬岩地层中掘进时，每掘进一环需要停止安装管片，占用掘进时间，不能发挥其优势，CCS水电站引水隧洞Ⅳ类、Ⅴ类围岩所占比例仅为20.8%，大部分洞段的围岩稳定性较好，停机安装管片的时间无法得到补偿，因此单护盾TBM也不适合于CCS水电站引水隧洞施工。

双护盾TBM对Ⅱ～Ⅳ类围岩隧洞均有良好的适应性，在硬岩、稳定性好的围岩条件下采用双护盾模式掘进，掘进和管片安装同步时，掘进速度高，在软岩、稳定性差的围岩条件下采用单护盾模式掘进，管片安装在掘进停止后进行，掘进速度会有所降低，但由于隧洞衬砌紧接在机器后部进行，消除了开敞式掘进机因围岩支护而引起的停机延误，掘进速度可以有所补偿。一般认为，作为刚性支护的管片衬砌不适合高地应力和高外水压力的地质条件，CCS水电站引水隧洞地应力和外水压力总体上为中-低水平，对管片衬砌的影响较小。双护盾TBM在设备费用及工程成本上较开敞式为高，其占地面积与环境保护方面也略差，但考虑到双护盾TBM较高的掘进速度从而使工程提前竣工投入运营以产生的巨大的经济效益、时间效益和社会效益，其略显高昂的设备成本也是可以接受的。

通过多种因素的对比和分析，综合工程的实际情况和TBM的实践经验，结合CCS水电站引水隧洞围岩的地质条件，在对所适用的TBM类型进行了深入细致研究的前提下，决定CCS水电站引水隧洞施工采用双护盾式TBM。

2.4.4 TBM掘进参数及施工情况

厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞采用了两台德国海瑞克公司（HERRENKNECHT AG）生产的S671、S672型双护盾式TBM，如图2.9所示。两台TBM的配置和性能基本相同，主要技术性能参数见表2.5。衬砌采用预制钢筋混凝土管片，管片型式为6+1，即6块四边形块加一块封闭块，衬砌后洞径为8.20m。不同围岩条件下所采用的掘进参数见表2.6。

TBM1由2号施工支洞出发向隧洞进水口方向掘进，掘进总长度约为11.0km，TBM2由隧洞出水口向2号施工支洞方向掘进，掘进总长度约为13.8km。TBM1于2013年1月开始正洞试掘进，2015年3月掘进完成，TBM2于2012年9月开始试掘进，2015年1月掘进完成。在掘进过程中，TBM1和TBM2分别于2013年11月和2013年4月创造了1025.9m和1000.4m的最高月进尺记录，这在类似洞径的TBM施工速度中位于前列，两台TBM平均月进尺统计如图2.10和图2.11所示。两台TBM克服了砂性地层、超硬花岗闪长岩地层、断层破碎带塌方卡机、强涌水等不良地质条件，除了卡机事故的时间段外，大部分时间的平均月进尺均超近了500m，为CCS水电站的如期发电打下了坚实的基础，工程实践表明，CCS水电站引水隧洞选用双护盾TBM是合适的。