謝遵黨 陳曉年

摘要：厄瓜多爾CCS水電站輸水隧洞洞徑大、距離長(zhǎng)、埋深大，其合理的布置和設(shè)計(jì)對(duì)電站的造價(jià)、運(yùn)行條件影響巨大。通過工程布置和施工方案的優(yōu)化論證，將輸水隧洞優(yōu)化為全線明流輸水，大大簡(jiǎn)化了工程布置，改善了運(yùn)行條件;采用通用型“B、D”兩種管片型式，大大簡(jiǎn)化了施工，提高了TBM施工效率;采用國(guó)內(nèi)外不同的標(biāo)準(zhǔn)（中標(biāo)、美標(biāo)、歐標(biāo)）對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)管片強(qiáng)度、配筋、灌漿孔、定位孔、螺栓連接孔、燕尾槽等進(jìn)行了合理布置和設(shè)計(jì)，保證了管片制作、脫模、安裝時(shí)的施工質(zhì)量，為復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)隧洞的設(shè)計(jì)、施工提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞：方案布置;TBM管片;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);CCS水電站

中圖分類號(hào)：TV62

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn。1000-1379.2019.06.019

厄瓜多爾科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，簡(jiǎn)稱CCS）水電站位于厄瓜多爾共和國(guó)Napo省和Su-cumbios省，總裝機(jī)容量為1 500 MW[l]，為該國(guó)戰(zhàn)略性能源工程，是世界上規(guī)模最大的沖擊式水輪機(jī)組水電站，也是中國(guó)公司在海外獨(dú)立承擔(dān)設(shè)計(jì)的規(guī)模最大的水電工程之一。

厄瓜多爾CCS水電站主要包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫(kù)、引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物。其中輸水隧洞設(shè)計(jì)引水流量為222.0 m/s，設(shè)計(jì)內(nèi)徑8.2 m，隧洞總長(zhǎng)24.8 km，最大埋深722 m，是目前南美已建的最長(zhǎng)的大埋深輸水隧洞[2]。隧洞采用全襯砌結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)口底板高程為1 266.90 m，出口底板高程為1 224.00m，縱坡坡降為0. 173%，隧洞出口設(shè)事故閘門，閘室段后設(shè)消力池，正常運(yùn)行工況為明流，非常工況即機(jī)組甩負(fù)荷、隧洞出口閘門關(guān)閉時(shí)洞內(nèi)出現(xiàn)壓力流，設(shè)計(jì)采用2臺(tái)雙護(hù)盾TBM同時(shí)掘進(jìn)，并輔以鉆爆法施工。

CCS水電站的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)是在國(guó)外某公司完成的概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。由于國(guó)際工程的特殊性及隧洞沿線地質(zhì)條件的復(fù)雜性，為確保隧洞工程質(zhì)量可靠、技術(shù)合理、工期合規(guī)和降低投資，針對(duì)長(zhǎng)距離大深埋隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了專題研究。從CCS輸水隧洞布置、TBM管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于不同標(biāo)準(zhǔn)的管片結(jié)構(gòu)分析等多角度、全方面出發(fā)，利用成熟的設(shè)計(jì)理念，并采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段和方法，探討一套適合長(zhǎng)距離大埋深TBM輸水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)方法。

1 布置方案優(yōu)化

CCS水電站正常運(yùn)行工況下隧洞末端存在明滿流過渡現(xiàn)象，對(duì)工程安全運(yùn)行威脅很大，雖采取了渦流豎井、壩內(nèi)虹吸管及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)措施，但明滿流過渡現(xiàn)象對(duì)工程安全的影響仍不容小覷，且通氣豎井施工難度大，出口檢修時(shí)需要放空調(diào)蓄水庫(kù)。總體而言，該方案技術(shù)復(fù)雜、投資高且工程安全運(yùn)行隱患大。

在基本設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了布置方案優(yōu)化和水工模型試驗(yàn)研究，結(jié)合首部樞紐布置調(diào)整，抬高了隧洞進(jìn)、出口高程，成功地將輸水隧洞優(yōu)化為全線明流，隧洞結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，安全度大大提高，并取消了渦流豎井、壩內(nèi)虹吸管等復(fù)雜建筑物，節(jié)省了約2 300萬美元的工程投資。同時(shí)簡(jiǎn)化了施工條件，保證2臺(tái)TBM均可逆坡掘進(jìn)，施工期全程自流排水，在節(jié)約抽排費(fèi)用的同時(shí)，完全避免了被淹的風(fēng)險(xiǎn)。

2 基于不同規(guī)范TBM管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CCS水電站EPC合同要求使用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，因美國(guó)[3-5]、歐洲[6]、中國(guó)[7]標(biāo)準(zhǔn)不完全相同，為保證輸水隧洞的工程安全和經(jīng)濟(jì)合理，在TBM管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，分別采用上述3種標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行研究，為今后國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供了參考，也為今后相關(guān)規(guī)范的修訂提供了一定的理論依據(jù)。

2.1 基本地質(zhì)條件

CCS電站輸水隧洞位于安第斯山脈和亞馬遜平原結(jié)合帶，在結(jié)合帶有Coca大峽谷，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，沿線斷層多沿溝谷及侵人體界限附近發(fā)育，開挖過程中遇到13條斷層。隧洞穿越的地層主要為安山巖、玄武巖、流紋巖、凝灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r和角礫巖、頁(yè)巖、砂巖以及花崗閃長(zhǎng)巖等，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，隧洞沿線地層中的地下水主要為基巖裂隙水，施工中遇到的工程地質(zhì)問題主要有斷層破碎帶塌方、涌水等。

2.2 基于美國(guó)規(guī)范的結(jié)構(gòu)計(jì)算

管片襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算主要依據(jù)美國(guó)規(guī)范《Engineering and Design Tunnels and Shafts in Rock》（ EMII10-2-2901）[4]，采用國(guó)際隧道協(xié)會(huì)（ITA）推薦的修正慣用法，利用大型通用有限元程序ANSYS進(jìn)行管片襯砌的內(nèi)力計(jì)算。

參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，管片襯砌厚度采用0.3 m，為降低工程投資，可將輸水隧洞TBM管片根據(jù)地質(zhì)條件分為A、B、C、D四種類型，但該分類方案管片種類較多，并不利于TBM掘進(jìn)施工時(shí)管片的運(yùn)輸和效率的發(fā)揮，通過與各參建單位共同研究后決定，在施工過程中將A、B型管片合并，即Ⅱ、Ⅲ類圍巖均采用B型管片，Ⅳ、V類圍巖采用D型管片。因B型管片約占全部管片的76%，用量最大，對(duì)工程安全、投資影響最大，故本文選擇B型管片進(jìn)行對(duì)比分析。

根據(jù)輸水隧洞的施工及運(yùn)行條件，當(dāng)發(fā)電機(jī)組突然甩負(fù)荷，需要關(guān)閉隧洞出口檢修閘門時(shí)，隧洞末端可能出現(xiàn)有壓運(yùn)行工況，故計(jì)算時(shí)分別考慮了施工期軌道運(yùn)輸、完建、無壓運(yùn)行期、地震、非常時(shí)期的有壓運(yùn)行期5種工況。

通過有限元計(jì)算，得到管片襯砌的內(nèi)力，然后根據(jù)美國(guó)規(guī)范《Srength Design for Reinforced Concrete Hy-draulic Structures》（EMlIIO -2 - 2104）[3]進(jìn)行配筋計(jì)算，各工況下管片襯砌的內(nèi)力分布略有差異，最不利工況為完建工況，如圖1所示，管片彎矩最大值為187.1kN.m，軸力最大值為-4 548.8 kN，配筋設(shè)計(jì)后其含鋼量為115.8 kg/m3。

2.3 基于歐洲和中國(guó)規(guī)范的結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用歐洲規(guī)范《Eurocode 2：Concrete structuresDesign - Part l.1： General rules and rules for build-ings》[6]對(duì)B型管片襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算方法采用收斂一約束法、內(nèi)力求解方法和非線性求解方法。通過計(jì)算，各工況下管片襯砌的內(nèi)力分布情況與美國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果基本一致，但數(shù)值有差異，最不利工況為完建工況（如圖2所示），管片彎矩最大值為161.10kN.m，軸力最大值為一1 648.22 kN.配筋設(shè)計(jì)后其含鋼量為91.1 kg/m，與美國(guó)規(guī)范相比減少了24.7kg/m。

采用中國(guó)規(guī)范[7]進(jìn)行計(jì)算，各工況下管片襯砌的內(nèi)力分布情況與歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果基本一致，數(shù)值略有差異，其配筋計(jì)算結(jié)果與歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果一致。通過進(jìn)一步比較分析可知：歐洲標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)基本一致，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與歐洲、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的荷載與荷載組合均存在線性關(guān)系，但荷載組合中的具體分項(xiàng)系數(shù)不同。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)直接采用荷載分項(xiàng)系數(shù)，歐洲及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)則不僅采用荷載分項(xiàng)系數(shù)，而且采用了設(shè)計(jì)狀況系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)等。在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)修正的ACI318[5]引入了一個(gè)水力作用系數(shù)1.3[8]，這在中國(guó)和歐洲規(guī)范中是沒有的。

2.4 透水管片襯砌設(shè)計(jì)新理念

對(duì)于大埋深輸水隧洞而言，地下水位經(jīng)常在洞頂幾百米以上，影響隧洞安全的荷載主要為外水壓力，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，襯砌在地下水豐富的洞段要承擔(dān)全部外水壓力，管片襯砌本身往往不足以承受如此高的壓力，在隧洞貫通后需要增加很多現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌共同承擔(dān)外水壓力，對(duì)投資和工期影響巨大。CCS電站輸水隧洞設(shè)計(jì)中采用了透水襯砌設(shè)計(jì)理念，對(duì)于Ⅱ～Ⅳ類圍巖，根據(jù)隧洞開挖后揭示的地下水情況，在隧洞頂拱部位、水面以上滲水處均設(shè)置了排水孔，無滲水時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況取消排水孔：V類圍巖洞段則全部設(shè)置排水孔。經(jīng)過研究分析和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)證明，采取上述排水措施可有效降低外水壓力。CCS電站輸水隧洞采用的設(shè)計(jì)最大外水壓力水頭為3倍洞徑，不僅全洞（包括各種不良地質(zhì)洞段）沒有進(jìn)行二次襯砌，而且管片本身的配筋較傳統(tǒng)方法的顯著減少。

3 TBM管片的細(xì)部設(shè)計(jì)

3.1 TBM管片型式

TBM管片型式可從管片的形狀、制作的材料等方面進(jìn)行劃分，按照制作的材料一般可分為鋼管片、鋼筋混凝土管片、復(fù)合材料管片等，按照管片的形狀一般可分為六邊形管片、左右環(huán)通用型管片、平行四邊形管片3種型式[9]，不同的管片形狀對(duì)應(yīng)的管片細(xì)部構(gòu)造、施工安裝、襯砌環(huán)受力等是不同的。

六邊形管片相互交錯(cuò)咬合，環(huán)向傳力方式是一個(gè)管片向相接的兩個(gè)管片傳力，理論上受力較為均勻，管片結(jié)構(gòu)整體性較好，但六邊形管片對(duì)制造及安裝的要求較高。工程實(shí)踐表明，在實(shí)際生產(chǎn)和施工時(shí)，由于存在不可避免的誤差，因此相鄰兩管片很難保證同時(shí)均勻受力。另外，六邊形管片、平行四邊形管片在掘進(jìn)過程中不能依靠管片本身來實(shí)現(xiàn)隧洞轉(zhuǎn)彎及糾偏，需要糾偏及轉(zhuǎn)彎的地方要依靠墊片（墊塊）進(jìn)行。

左右環(huán)通用型管片與平行四邊形管片一樣，型式相對(duì)簡(jiǎn)單，管片之間的縱向連接為一個(gè)平面，連接面之間受力相對(duì)更均勻，管片之間止水安裝較易滿足密封的要求，但是與平行四邊形管片相比，左右環(huán)通用型管片每環(huán)在縱向設(shè)計(jì)了一定的楔形量，在TBM施工過程中可通過調(diào)整各管片位置和角度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和糾偏¨]。綜合考慮施工、結(jié)構(gòu)、造價(jià)等因素后，輸水隧洞選擇“B、D”兩種通用型管片型式，大大簡(jiǎn)化了施工，提高了TBM掘進(jìn)速度，其中TBM2創(chuàng)造了單月進(jìn)尺1 000.8 m的速度，達(dá)到了同規(guī)模洞徑TBM掘進(jìn)速度世界第三。

3.2 管片細(xì)部設(shè)計(jì)

根據(jù)TBM管片結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及管片選型，管片設(shè)計(jì)內(nèi)徑8.2 m、厚0.3 m，中心環(huán)寬1.8 m，最大和最小環(huán)寬分別為1.82 m和1.78 m，每環(huán)由7塊組成，分別由4塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1個(gè)封頂塊組成。管片細(xì)部如封頂塊、止水系統(tǒng)、灌漿孑L、螺栓手孔和接觸面結(jié)構(gòu)等細(xì)部的成功設(shè)計(jì)有效保障了隧洞襯砌的質(zhì)量。

（1）關(guān)鍵塊設(shè)計(jì)。管片封頂塊又稱為“關(guān)鍵塊”，對(duì)管片拼裝的精度和質(zhì)量有重要的影響，考慮到CCS輸水隧洞有較大的洞徑，以及運(yùn)輸和拼裝便利等因素，采用較小的封頂塊，中心角約為標(biāo)準(zhǔn)塊或鄰接塊的1/3，封頂塊與鄰接塊的接觸面與徑向面約成120角，封頂塊的非徑向分割避免了滑落，同時(shí)方便了拼裝。

（2）止水設(shè)計(jì)。CCS輸水隧洞為無壓隧洞，為防止外水內(nèi)滲及施工期止?jié){，止水槽設(shè)置在管片外側(cè)，槽內(nèi)布置遇水膨脹橡膠止水條，從而達(dá)到止水、止?jié){目的，同時(shí)在管片內(nèi)側(cè)連接縫處設(shè)置燕尾槽，在管片拼裝完成并回填灌漿后，向燕尾槽中填充無收縮水泥砂漿，降低隧洞過水糙率，增強(qiáng)了管片內(nèi)側(cè)的密封性。

（3）灌漿孔設(shè)計(jì)。管片上的灌漿孔軸線通常垂直于隧洞軸線，受空間限制，在豆粒石回填灌漿時(shí)，豆粒石不能完全充滿，從而影響豆粒石回填灌漿的密實(shí)性，不利于工程安全。通過分析研究，將灌漿孔傾斜開設(shè)，傾斜方向?yàn)榫蜻M(jìn)的反方向，傾斜角度為30°，傾斜后開設(shè)的灌漿孔有效減小了圍巖對(duì)豆粒石流動(dòng)的阻礙，使豆粒石吹填較均勻、密實(shí)，進(jìn)一步保障了工程的安全。

4 無門封閉檢修通道

在大、中型水利水電工程輸水隧洞（明流洞）建設(shè)過程中，特別是長(zhǎng)距離、大直徑、深埋輸水隧洞，通常將施工期臨時(shí)施工支洞改建為檢修支洞，以達(dá)到縮短工期、降低投資的目的。改建中，通常在施工支洞與輸水隧洞主洞交叉連接段內(nèi)設(shè)置金屬檢修閘門，通過控制金屬檢修閘門啟閉達(dá)到輸水隧洞主洞的運(yùn)行和檢修目的。此方法有兩個(gè)弊端：一是增加金屬檢修閘門等相關(guān)結(jié)構(gòu)，增大了工程投資：二是金屬檢修閘門本身存在維護(hù)及檢修問題，當(dāng)金屬檢修閘門因故障需要檢修或定期維修時(shí)，必須放空整個(gè)輸水隧洞主洞內(nèi)的水。因此，通常的施工支洞改建檢修支洞的方法，不僅增大工程投資，而且影響輸水隧洞的正常運(yùn)行，存在一定的安全隱患。

如圖3所示，該工程施工支洞改建檢修支洞采用了無門封閉的新方法，首先對(duì)施工支洞與輸水隧洞主洞連接處進(jìn)行混凝土封堵，在封堵混凝土上預(yù)留3.5 mx7.7 m（寬×高）的檢修通道;然后在靠近封堵段施工支洞內(nèi)的洞底用塊石混凝土回填成沿施工支洞縱向呈“凸”字形曲線的檢修通道，“凸”字形曲線的洞底最高處為圓弧段，圓弧段洞底的兩側(cè)縱坡均為10%，圓弧段洞底最高點(diǎn)的高程高于輸水隧洞主洞的正常運(yùn)行水位：最后在檢修通道的洞底表面鋪設(shè)0.5 m厚的常態(tài)混凝土，作為混凝土防滲路面。檢修支洞既可以在運(yùn)行期擋水，又可以在檢修期放空輸水隧洞主洞的情況下通車進(jìn)行檢修。

這種封堵方法優(yōu)點(diǎn)在于：避免增設(shè)檢修閘門，降低了施工難度和工程投資，經(jīng)濟(jì)易行且縮短了工期，尤其適用于長(zhǎng)距離、大直徑、深埋輸水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建檢修支洞，這種檢修支洞還可兼作明流輸水隧洞的通氣洞。

5 結(jié)語(yǔ)

厄瓜多爾CCS水電站2010年7月開工建設(shè)，于2016年11月建成竣工。CCS電站輸水隧洞在整個(gè)CCS水電站項(xiàng)目中起到承上啟下的關(guān)鍵作用，隧洞總長(zhǎng)24.8 km，最大埋深722 m，設(shè)計(jì)過程中結(jié)合地下洞室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工程總體布置、地質(zhì)條件、施工進(jìn)度、減少施工干擾等要求對(duì)輸水隧洞進(jìn)行總體規(guī)劃布置，通過對(duì)其工程布置、輸水方式、施工方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問題的研究和優(yōu)化，有效地解決了投資、工期、安全、協(xié)調(diào)等問題，確保了總工期，目前輸水隧洞運(yùn)行良好。輸水隧洞的設(shè)計(jì)為復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)隧洞的設(shè)計(jì)、施工提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

（1）方案布置。概念設(shè)計(jì)方案存在明滿流過渡且流態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁、轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置不固定、通氣豎井施工難度大、需放空調(diào)蓄水庫(kù)才能對(duì)隧洞出口段檢修等缺點(diǎn)，經(jīng)研究?jī)?yōu)化后采用明流洞方案，取消了渦流豎井、壩內(nèi)虹吸管及兩個(gè)通氣豎井，簡(jiǎn)化了工程布置及施工，節(jié)約了大量投資。

（2）管片選型。隧洞設(shè)計(jì)內(nèi)徑為8.2 m，襯砌管片厚度只有0.3 m。設(shè)計(jì)采用了通用型管片“B、D”兩種型式，管片類型少，不同地質(zhì)條件下及轉(zhuǎn)彎、糾偏時(shí)不需頻繁更換管片類型，大大簡(jiǎn)化了施工，提高了TBM掘進(jìn)速度，其中TBM2創(chuàng)造了單月進(jìn)尺1 000.8 m（同規(guī)模洞徑TBM掘進(jìn)速度世界第三的紀(jì)錄）的速度。

（3）管片的細(xì)部設(shè)計(jì)。CCS電站輸水隧洞管片強(qiáng)度、配筋、灌漿孔、定位孔、螺栓連接孔、燕尾槽等設(shè)置合理，保證了管片制作、脫模、安裝時(shí)的施工質(zhì)量。

（4）管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。輸水隧洞管片設(shè)計(jì)采用了透水襯砌設(shè)計(jì)理念，通過有效的排水措施降低了外水壓力，保證了工程安全，只考慮3倍洞徑的外水壓力水頭是安全可靠的，全洞沒有進(jìn)行二次襯砌。

（5）無門封閉檢修通道。利用2A施工支洞回填封堵，留設(shè)檢修通道，將其改建成檢修支洞，避免了增設(shè)檢修閘門，降低了施工難度和工程投資，縮短了工期，該檢修支洞還可兼作明流輸水隧洞的通氣洞，檢修支洞既可以在運(yùn)行期擋水，又可以在檢修期放空輸水隧洞主洞的情況下對(duì)輸水隧洞主洞進(jìn)行檢修。該方法尤其適用于長(zhǎng)距離、大直徑、深埋輸水隧洞（明流洞）的施工支洞回填改建檢修支洞。

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【責(zé)任編輯張華巖】