袁 亮，石 釗

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山州境內(nèi)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(tǒng)并排布置4條引水隧洞，單條隧洞長(zhǎng)16.67km。工程區(qū)地下水豐富，具有壓力高、穩(wěn)定流量大的特點(diǎn)。為解決施工期排水問題，設(shè)計(jì)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(lián)通。其中，1號(hào)引水洞、3號(hào)引水洞和排水洞東段采用TBM掘進(jìn)，其余隧洞采用鉆爆開挖。在引水隧洞TBM掘進(jìn)過程中曾遭遇多次突涌水，其中單點(diǎn)出水最大達(dá)1.84m3/s，出水流量大、隨機(jī)性強(qiáng)直接影響工程施工安全和進(jìn)度。然而，通過改進(jìn)TBM設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加強(qiáng)施工過程中的地質(zhì)預(yù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)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(shù)難題，保證了TBM設(shè)備安全，順利穿越了涌水點(diǎn)。

2 工程水文地質(zhì)條件

錦屏二級(jí)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(qū)，巖溶水主要接受大氣降水補(bǔ)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(cè)。受NNE向主構(gòu)造線與橫向(NWW、NEE)扭～張扭性斷裂交叉網(wǎng)絡(luò)的影響，構(gòu)成了河間地塊地下水的集水和導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)地質(zhì)探洞揭露并結(jié)合巖溶水文地質(zhì)條件分析預(yù)測(cè)，由TBM掘進(jìn)的1號(hào)引水隧洞和3號(hào)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(jù)三維滲流場(chǎng)分析，在天然狀態(tài)下地下水埋藏較深，均在1 000m以上，其壓力水頭線平緩，區(qū)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(jìn)段的涌水特點(diǎn)

截至2010年底，1號(hào)TBM和2號(hào)TBM實(shí)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(fā)性強(qiáng)、涌水量大、出水前期伴有夾泥、掘進(jìn)過程中常沖帶掘進(jìn)的渣料等特點(diǎn)。

表1 3號(hào)引水隧洞TBM掘進(jìn)過程中典型的突涌水

3.2 涌水的危害

TBM是集機(jī)械、液壓、電氣及光電于一體的大型現(xiàn)代化挖掘設(shè)備。當(dāng)掘進(jìn)過程中突然遭遇突涌水時(shí)，出水直接沖淋或浸泡設(shè)備，損壞設(shè)備器件，影響正常的掘進(jìn)施工，甚至威脅設(shè)備和人員安全，制約TBM的掘進(jìn)進(jìn)度。具體工程危害如下:

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

(2)TBM掘進(jìn)渣料與水混合，影響皮帶出渣傳輸和運(yùn)輸沿線的施工環(huán)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(jié)構(gòu)件，制約TBM掘進(jìn)。

(4)出水流向TBM后部，淹及TBM后配套及材料運(yùn)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(wěn)定。

4 突涌水的防治措施與對(duì)策

對(duì)于TBM在突涌水地段施工，本著盡可能避免或縮短設(shè)備在水中沖淋和浸泡時(shí)間，降低設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間遇水損壞的風(fēng)險(xiǎn)，在作好圍巖安全支護(hù)的前提下，創(chuàng)造條件保證設(shè)備快速掘進(jìn)，用最短的時(shí)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(zhì)預(yù)測(cè)

地質(zhì)預(yù)測(cè)是TBM應(yīng)對(duì)各種不良地質(zhì)的首要工作之一，對(duì)TBM掘進(jìn)過程中的突涌水預(yù)測(cè)也是十分必要的。相對(duì)準(zhǔn)確的涌水預(yù)測(cè)可以指導(dǎo)施工人員作好設(shè)備和人員的突涌水施工準(zhǔn)備，提前作好涌水預(yù)案和應(yīng)對(duì)措施。

對(duì)錦屏二級(jí)引水隧洞的突涌水預(yù)測(cè)，主要采取宏觀預(yù)測(cè)和借助BEAM系統(tǒng)進(jìn)行短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合的方式。其中，宏觀預(yù)測(cè)主要通過區(qū)域水文地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造，分析地勘資料等宏觀判斷可能出現(xiàn)涌水的富水地層和區(qū)域，基本確定可能出水的洞段。

短距離預(yù)測(cè)主要依托BEAM系統(tǒng)的信息采集和對(duì)比分析，短距離判斷掌子面前方的地質(zhì)情況，結(jié)合掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)揭露的圍巖地質(zhì)情況，分析預(yù)測(cè)掌子面前方的突涌水情況，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

4.2 TBM防突涌水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為應(yīng)對(duì)TBM掘進(jìn)過程中可能出現(xiàn)的突涌水，在TBM設(shè)備設(shè)計(jì)制造階段進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)備防突涌水設(shè)計(jì)是十分必要的。錦屏二級(jí)水電站引水隧洞TBM在設(shè)備設(shè)計(jì)制造階段，主要從以下方面進(jìn)行了TBM設(shè)備防突涌水的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):

(1)后配套軌道架高設(shè)計(jì)(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(jī)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(shè)備和機(jī)車運(yùn)輸設(shè)備因軌道過低被浸泡水中而影響正常運(yùn)行問題。

圖1 軌道架高設(shè)計(jì)斷面示意

(2)電氣設(shè)備防水設(shè)計(jì)。對(duì)關(guān)鍵的電氣設(shè)施及可能被水沖淋的電氣元件進(jìn)行防水設(shè)計(jì)，譬如主驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝置等按照IP67的防水等級(jí)設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)TBM設(shè)備自身抵抗突涌水的能力。

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

a．刀盤隔板的空格設(shè)計(jì)。TBM掘進(jìn)過程中，掌子面切屑的渣料通過鏟斗進(jìn)入刀盤空腔，在刀盤旋轉(zhuǎn)上升過程中，渣料沿刀盤空腔隔板溜至運(yùn)轉(zhuǎn)的傳輸皮帶上運(yùn)出。為使進(jìn)入鏟斗的渣料和水分離開來，將刀盤隔板設(shè)計(jì)成網(wǎng)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(shí)現(xiàn)了一次渣、水分離的過程，在一定程度上減少了進(jìn)入主機(jī)皮帶上的水量。

b．設(shè)計(jì)上升的斜皮帶進(jìn)行水回流分離。渣、水混合料進(jìn)入長(zhǎng)距離輸送皮帶前，設(shè)計(jì)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(shù)的差異，實(shí)現(xiàn)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?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)渣、水分離。

(4)泄、排水設(shè)計(jì)。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(shè)備，影響TBM掘進(jìn)和危害主軸承，在底部護(hù)盾支撐上設(shè)計(jì)可關(guān)閉的泄水口，在正常情況下泄水口保持關(guān)閉，出現(xiàn)涌水時(shí)開啟閘門進(jìn)行泄水。

(5)減壓分水設(shè)計(jì)。根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)，錦屏工程具有高壓涌水的風(fēng)險(xiǎn)。為防止高壓水損傷設(shè)備和人員，在TBM的L1區(qū)專門設(shè)計(jì)有可安裝鋼瓦片的機(jī)械裝置，即在遭遇高壓突涌水時(shí)，利用機(jī)械裝置將鋼板頂升至出水點(diǎn)，分散出水降低水壓，以方便人工在該區(qū)域進(jìn)行錨桿及拱架的支護(hù)作業(yè)。實(shí)際上，在掘進(jìn)過程中并未遇到高水壓的涌水，該設(shè)備也未在實(shí)踐中應(yīng)用。

(6)積水抽排設(shè)計(jì)。為防止出水積聚于TBM下部，影響設(shè)備安全和TBM運(yùn)行，在TBM設(shè)備上配備有大功率的抽排水設(shè)施和輸水管路(可延伸至TBM尾部)，必要情況下實(shí)施強(qiáng)排水。

4.3 在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備的防水

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

4.4 排水方案規(guī)劃設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘查成果，對(duì)可能出現(xiàn)的涌水部位及涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，進(jìn)行總體排水方案規(guī)劃和洞內(nèi)自身排水方案規(guī)劃，以應(yīng)對(duì)TBM掘進(jìn)過程中的突涌水。

在錦屏二級(jí)水電站考慮了TBM及鉆爆施工期排水問題，總體方案中規(guī)劃設(shè)計(jì)了一條與引水隧洞平行的排水洞，排水洞標(biāo)高低于引水隧洞標(biāo)高，并沿隧洞方向間隔約1km設(shè)計(jì)橫向排水洞或排水孔道將引水隧洞已經(jīng)開挖部分與排水洞相聯(lián)通，滿足施工過程中的排水需要。實(shí)際上，在掘進(jìn)過程中往往結(jié)合已揭示的地質(zhì)資料和前期地質(zhì)勘探資料，當(dāng)預(yù)測(cè)前方存在出水風(fēng)險(xiǎn)或?qū)⒁┰礁凰囟螘r(shí)，提前就近施工橫向排水橫通道或排水孔與排水洞相聯(lián)接。其總體排水規(guī)劃示意見圖2。

圖2 TBM掘進(jìn)突涌水排水規(guī)劃示意

錦屏二級(jí)引水隧洞TBM采用上坡掘進(jìn)，一般隧洞坡度為0.37%，局部洞段坡度達(dá)0.52%。TBM掘進(jìn)過程中，出水在隧洞內(nèi)主要依靠順坡自流的方式自行流排，但在TBM設(shè)備上配備有大功率的排水泵，以便出現(xiàn)大的突涌水時(shí)，及時(shí)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(shè)備下方壅高浸泡損壞設(shè)備。若TBM倒坡掘進(jìn)，必須提前規(guī)劃好倒坡施工中強(qiáng)行抽排水的排水規(guī)劃方案。

有砟軌道床在時(shí)速350 km/h的條件下容易發(fā)生道砟飛濺現(xiàn)象，此次“高速鐵路固化道床防飛濺高分子材料涂層”的研發(fā)與應(yīng)用，通過將防飛濺涂層噴灑至道床表面區(qū)域，促使表面道砟顆粒發(fā)生固化，從而防止列車風(fēng)荷載作用下發(fā)生道砟飛濺的現(xiàn)象，對(duì)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(hù)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(shí)施，但涌水地段的圍巖安全穩(wěn)定必須引起足夠的重視。錦屏二級(jí)TBM在遇見突涌水地段時(shí)一般采用漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿，對(duì)特別破碎會(huì)有大的溶腔的部位錨桿無法實(shí)施時(shí)，采用鋼拱架和噴射仿纖維混凝土對(duì)涌水地段的圍巖進(jìn)行支護(hù)，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(jìn)操作

TBM遇見突涌水地段，在保證圍巖安全穩(wěn)定的情況下，力求以最快的速度穿越涌水帶，避免設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的浸泡或沖淋，以致?lián)p壞電氣及液壓部件。一般根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)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(jù)分析得知的掌子面情況采取合適的推力和刀盤轉(zhuǎn)速持續(xù)掘進(jìn)，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(duì)TBM行進(jìn)安全構(gòu)成威脅。當(dāng)遇見隧洞底板大面積出水或存在明顯的溶腔等不良地質(zhì)情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)底拱不良地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的地質(zhì)勘察，必要時(shí)采取底板加固處理措施，以保證TBM機(jī)頭不下陷，確保TBM設(shè)備順利安全掘進(jìn)。

4.7 設(shè)備維護(hù)管理

TBM在突涌水地段掘進(jìn)前和掘進(jìn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)檢查力度，特別是對(duì)易于被水損壞的電氣設(shè)備、液壓軸承部件等應(yīng)增大維護(hù)檢查頻次，對(duì)需要更換或維修的部件及時(shí)進(jìn)行處理，保證TBM設(shè)備的完好性，避免在掘進(jìn)過程因設(shè)備故障或維修不及時(shí)導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行，在涌水地段長(zhǎng)時(shí)間滯留。

對(duì)重要的主軸承，在進(jìn)入富水地段前對(duì)軸承潤(rùn)滑油進(jìn)行油樣檢測(cè)，在穿越涌水地段之后及時(shí)進(jìn)行油樣的含水率測(cè)定，若含水率明顯增大，超過警戒值時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行油更換，并且持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)主軸承的狀態(tài)。

4.8 針對(duì)主軸承及一些軸承部件浸水問題的對(duì)策

主軸承是TBM設(shè)備重要和關(guān)鍵的部件之一，盡管對(duì)TBM采取了一系列防突涌水的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在施工中也進(jìn)行了地質(zhì)預(yù)報(bào)，但在實(shí)際掘進(jìn)過程中遭遇大的突涌水時(shí)，仍存在涌水淹及主軸承以及浸入軸承部件內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。為掌握主軸承部件浸水情況，及時(shí)采取油料更換等措施避免軸承壽命降低。當(dāng)預(yù)測(cè)到有大涌水出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)提前進(jìn)行油料的含水率測(cè)定。并在穿越突涌水過程中及穿越之后進(jìn)行油樣含水率測(cè)定，若含水率屬于正常范圍，則表明軸承未進(jìn)水，穿越涌水地段后無須對(duì)主軸承進(jìn)行相關(guān)處理;若發(fā)現(xiàn)油樣含水率發(fā)生明顯變化，則應(yīng)根據(jù)穿越涌水地段的時(shí)間長(zhǎng)短確定是否采取更換軸承潤(rùn)滑油的措施，以避免降低軸承的使用壽命。在錦屏二級(jí)1號(hào)和2號(hào)TBM遭遇到的三次大涌水過程中，分別對(duì)軸承部件的潤(rùn)滑油進(jìn)行了含水率測(cè)定，其中兩次穿越突涌水后的油樣含水率檢測(cè)結(jié)果與突涌水之前的檢測(cè)結(jié)果無明顯變化，一次發(fā)生油樣含水率明顯增大，表明有水進(jìn)入軸承內(nèi)，在穿越涌水地段后及時(shí)進(jìn)行了油的更換。在此后的主軸承油樣跟蹤檢測(cè)中，未發(fā)現(xiàn)軸承的異常損壞現(xiàn)象，表明及時(shí)更換軸承潤(rùn)滑油效果是明顯的。

針對(duì)主軸承以外的一些液壓及軸承部件，一般這些部件的潤(rùn)滑油液不在部件的內(nèi)部循環(huán)，也很少進(jìn)行油液檢測(cè)，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(nèi)部減少部件使用壽命的風(fēng)險(xiǎn)。

5 施工中的注意事項(xiàng)

(2)充分考慮隧洞的排水量。在TBM架高設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分分析和預(yù)測(cè)隧洞可能的排水量，在架高設(shè)計(jì)時(shí)除考慮隧洞正常涌水外，還應(yīng)考慮TBM掘進(jìn)過程中自身的廢水排泄以及架高結(jié)構(gòu)對(duì)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(jǐn)防存在僥幸心理。施工前期，結(jié)合隧洞地質(zhì)勘查資料，作好隧洞整體排水方案設(shè)計(jì)，并在施工階段嚴(yán)格實(shí)施，確保整個(gè)隧洞的排水通暢，謹(jǐn)防施工過程中存在僥幸心理減少或縮小排水渠道，出現(xiàn)涌水不能引排的現(xiàn)象。

(4)相鄰出水點(diǎn)不急于封堵。在TBM掘進(jìn)過程中，當(dāng)隧洞掌子面附近出現(xiàn)多個(gè)出水點(diǎn)或在同一里程段相鄰隧洞出現(xiàn)涌水點(diǎn)時(shí)，考慮到突涌水在巖體內(nèi)滲流路徑的聯(lián)通性，一般不急于對(duì)掌子面外的其它相鄰涌水點(diǎn)進(jìn)行封堵處理，避免出水集中至掌子面，增加TBM應(yīng)對(duì)突涌水的施工難度。

(5)改善作業(yè)條件，提高突涌水作業(yè)效率。在TBM掘進(jìn)過程中，架高裝置和軌道均在TBM下部實(shí)施，一旦出現(xiàn)涌水，工人可能在TBM下部的積水中安裝架高裝置和鋪設(shè)軌道，因此為工人提供良好的勞動(dòng)保護(hù)設(shè)施，盡可能改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件和環(huán)境，可以提高工作效率，有利于涌水地段TBM推進(jìn)效率的提高。

6 涌水防治效果和建議

盡管錦屏二級(jí)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(duì)TBM掘進(jìn)有短時(shí)間影響外，基本都能安全順利穿越涌水地段。

通過對(duì)錦屏二級(jí)引水隧洞TBM涌水施工的實(shí)踐，筆者認(rèn)為只要參建各方給予高度重視，從TBM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)排水方案的規(guī)劃以及對(duì)具體問題采取行之有效的措施等方面開展工作，則TBM對(duì)一定量的突涌水是可以克服和應(yīng)對(duì)的。