锦屏二级水电站引水隧洞施工总体设计_周垂一.pdf

'第36卷第1期2009施工研讨会水力发电2010年1月锦屏二级水电站引水隧洞施工总体设计周垂一，周永，李军（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014）摘要：锦屏二级水电站4条引水隧洞单洞长约16.67km，开挖洞径12.4~13m，最大埋深约2525m，受地形限制沿线无条件布置施工支洞，属典型的深埋长大隧洞。该引水隧洞工程的施工规划设计，包括高压大流量地下水处理、地应力和岩爆、超前预报、分标方案、钻爆法和TBM施工、连续带式输送系统出渣和返程带料、施工通风等技术的研究应用，将促进我国深埋长隧洞施工技术的进步。关键词：引水隧洞；规划设计；施工技术；锦屏二级水电站TunnelConstructionDesignforJinpingIIHydropowerStationZhouChuiyi,ZhouYong,LiJun(HydrochinaHuadongEngineeringCorporation,HangzhouZhejiang310014)Abstract:Thereare4diversiontunnelswithalengthof16.67km,excavateddiameterof12.4~13mandmaximumdepthofabout2525minJinpingIIHydropowerStation.Thereisnoaditfortunnelconstructionasthetopographicalconstraints.Duringengineeringplanninganddesign,thehigh-pressurehigh-flowgroundwater,stressandrockburst,forecast,tenderprogram,drillingandblastingmethodandTBMconstruction,acontinuousbeltconveyormuckingsystem,ventilationandothersarestudied.Thestudieswillimprovetheconstructionofdeep-lyinglongtunnelinChina.KeyWords:diversiontunnel;planninganddesign;constructiontechnology;JinpingIIHydropowerStation中图分类号：TV672.1（271）文献标识码：B文章编号：0559－9342（2010）01－0014－03锦屏二级水电站是雅砻江干流规划建设的21座隧洞洞线高程的最大主应力值可达70.1MPa，预测梯级电站中装机规模最大的水电站，电站总装机容引水隧洞在开挖过程中将产生以轻微~中等为主、局量4800MW（8×600MW）。该工程利用雅砻江150部强烈~极强的岩爆。km长的锦屏大河湾截弯取直，开挖隧洞引水发电。辅助洞位于引水隧洞南侧，与引水隧洞平面上引水隧洞共4条，洞线自西端的景峰桥至东端的大水呈平行布置。辅助洞全长约17.50km，由2条相互沟，平均单洞长16.67km。工程于2007年年初开工，平行、中心距为35m、设计断面尺寸分别为5.5m×计划2012年首台机组发电。5.7m(宽×高)和6m×6.30m（宽×高）的单车道隧引水隧洞工程区内出露的地层为前泥盆系~侏罗道组成，纵断面呈“人”字坡。引水隧洞与辅助洞系的一套浅海~滨海相、海陆交替相地层。沿线地层之间布置施工期排水洞，开挖洞径7.2m。施工排水岩性主要为三迭系中、上统的大理岩、灰岩及砂岩、洞距B线辅助洞35m，距4号引水隧洞45m。板岩，从东到西分别经过盐塘组（T2y）、白山组1引水隧洞施工特点（T2b）、三迭系上统（T3）、杂谷脑组（T2z）、三迭系下统（T1）等地层。工程区内碳酸盐岩地层分布广锦屏二级水电站引水隧洞穿越锦屏山脉，单工泛，岩溶发育总体微弱，不存在层状的岩溶系统，作面的施工长度达10km以上，开挖洞径12.4~13引水隧洞高程附近的岩溶形态以溶蚀裂隙为主，溶洞很少。岩溶裂隙水丰富，水压力大，根据5km长收稿日期：2009-09-25探洞封堵后的水压力观测，长探洞高程最大水压力作者简介：周垂一（1964—），男，山东胶南人，教授级高工，华达10.22MPa。工程区处于我国西南高地应力区，东院副总工程师，从事水利水电施工组织设计工作.14WaterPowerVol．36．No．1 第36卷第1期周垂一，等：锦屏二级水电站引水隧洞施工总体设计2009施工研讨会m，最大埋深约2525m，埋深超过1500m的洞段“施工方案”与“技术难度”、“管理难度”三占76.7%，受地形条件的限制，沿线无条件布置施者相互制约，但针对锦屏二级工程来讲，是技术难工支洞。引水隧洞施工将面临高地应力和岩爆、地下度决定施工方案。涌水、超前预报、开挖方案选择、出渣方式选择、长2引水隧洞分标隧洞施工通风等技术问题。引水隧洞具有以下特点。1.1施工组织方面的特点拟定引水隧洞施工方案时以有利于两两一组配由4条引水隧洞、2条辅助洞及1条施工排水合施工为主要思路，拟出可能的开挖施工方案有：洞组成的7条平行的大型隧洞群是目前世界上规模①1、2号引水隧洞采用全断面TBM掘进，3、4号最大的地下隧洞群，永久工程隧洞总长约120km。采用钻爆法；②1、3号引水隧洞采用全断面TBM4条引水隧洞开挖与支护、混凝土衬砌、地下掘进，2、4号采用钻爆法；③1、4号引水隧洞采用水处理、回填与固结灌浆、施工通道封堵等施工工全断面TBM掘进，2、3号采用钻爆法；④2、3号序相互交叉、相互干扰，需要进行合理组织，在引引水隧洞采用全断面TBM掘进，1、4号引水隧洞水隧洞快速掘进的同时实现后序施工程序的跟进，采用钻爆法。从施工组织、通风等角度考虑，方案缩短引水隧洞的发电工期；同时，在保证1号引水①具有明显的优势。从有于分标角度，方案②可选隧洞发电工期的同时，顺序投入2、3、4号引水隧择两家承包商分别承担东端两条引水隧洞施工，并洞，使各台机组按合理的顺序投入运行，缩短工程且每家承包商中分别有钻爆法和TBM施工，最终选总工期。择方案②作为实施方案。引水隧洞从东、西两端开挖，西端开挖存在逆引水隧洞共分为4个标段，东西端各2个标段。坡施工排水问题，施工安全问题突出，需合理确定标段划分为：西端1、2号引水隧洞工程标（C2西端开挖长度及东、西端贯通时间。引水隧洞东、标），西端3、4号引水隧洞工程标（C3标）；东端西端场地狭窄，施工布置困难，部分临时设施的布1、2号引水隧洞工程标（C4标），东端3、4号引置等需利用洞内场地。水隧洞工程标（C5标）。由于长隧洞施工具有较多3，出渣量4条引水隧洞总开挖量达1000万m的不确定因素，因此采用动态分标界面。大，强度高，再加上混凝土等材料运输，施工交通运输组织难度大；引水隧洞地下水丰富，不仅影响3地下水处理开挖工作的顺利进行，而且在混凝土衬砌时还需解3.1地下水处理的技术路线决工作面大流量排水问题。在4条引水隧洞多工作在5km长探洞和锦屏辅助洞施工过程中，曾发面、多工序同时施工的情况下，需妥善处理交通运生过多次大的涌水，涌水水头高、流量大，单点瞬输、排水、通风等通道问题。时集中涌水流量4.91m3/s，稳定流量2~3m3/s。1.2施工技术方面的特点受运行条件的限制，引水隧洞无法布置成“人”引水隧洞埋深大，隧洞沿线岩石强度相对较低，字形排水底坡，西端进口段只能反坡施工。根据国高地应力造成的岩爆、大变形问题突出；地下水具内外深埋长隧洞施工经验，通过先期施工布置在引有压力大、稳定流量大、随机性强等特点，是引水水隧洞南侧的“人”字底坡的辅助洞，解决引水隧隧洞施工的关键技术问题。引水隧洞无论采用钻爆洞施工过程中的地质超前勘探问题。按照“前期地法施工还是掘进机（TBM）施工，高地应力和地下勘工作→5km长探洞施工→‘人’字坡超前辅助洞水问题将是制约施工进度的关键因素。施工→引水隧洞施工”的总体设计思路，将地下水除地下水和高地应力问题对施工工期和施工安问题分步、分阶段处理解决，简化处理难度，改善全的影响外，大断面隧洞开挖、富水洞段混凝土衬施工条件，规避施工风险。砌等也是需要解决的关键技术问题。3.2引水隧洞施工地下水处理思路1.3施工管理方面的特点根据工程地质、岩溶水文地质条件及长探洞和4条引水隧洞工程量大、工序多、技术复杂，辅助洞开挖、堵水的施工经验，以及对地下水处理需分标段实施，而各标段所采用的开挖手段、出渣认识的进一步加深，确定引水隧洞施工中地下水处运输方式不尽相同。同时，由于4条引水隧洞从通理采用“先探后掘、以堵为主、堵排结合”的设计道布置上是不可分割的整体，从保证首台机组发电原则，由于各工作面地下水出水相互联系，处理时及各机组顺序发电考虑，4条隧洞在工期要求上有机上强调“择机封堵”。明确的界限，造成各标段之间协调工作量大，各标对于不同类型的地下水处理思路不同。对于渗段必须密切配合，在总体进度要求下组织施工。滴水和线状渗水，因其量少、压力低，可在隧洞开WaterPowerVol．36．No．115 水力发电2010年1月2009施工研讨会挖过后再进行注浆处理，以不影响隧洞掘进进度。4引水隧洞岩爆防治对于高压集中大涌水点的处理主要围绕“探、排、控、堵”4个过程进行：①“探”，是指采用超前通过对辅助洞岩爆现场调研，辅助洞岩爆发育预报等手段预先探明隧洞前方的地质条件。②特征与长探洞一致。东端辅助洞岩爆强烈程度与长“排”，将大涌水从主要工作区或交通要道引开，排探洞相对应部位的对比表明，辅助洞内所发生岩爆入专用的排水通道。③“控”，采取工程措施控制大等级要比长探洞严重，说明在锦屏工程区岩爆存在涌水。④“堵”，当工程上不需要继续排水减压或有一定的尺寸效应。与辅助洞相同高程的引水隧洞，其他要求时，可对大涌水进行封堵从而彻底解决大由于其开挖洞径达到13m左右，发生岩爆时，预计涌水问题。会表现出更为明显的尺寸效应。3.3超前预报以防为主方案的主要目的是防止岩爆发生或者处理岩溶地下水的基础是地质超前预测预报。降低岩爆发生的等级，以使损失降低到最小。根而要完全准确地探明引水隧洞所处的工程地质、水据不同的岩爆机制及岩爆烈度级别，以防为主方文地质条件，预测、预报施工掌子面前方可能发生案重点包括：改善围岩物理力学性质，如采用应的地质灾害是一项难题。最近几十年来，国内外都力解除爆破法；调整作业，待避政策。以治为主将隧洞地质超前预报列为主要突破的技术课题，所的加固围岩方法具体包括喷、锚、格栅钢架等加采用的方法有工程地质法、超前平洞结合超前钻探固措施。隧洞支护常用的是壳体式支护方式，如法、仪器法、经验法等。采用锚喷支护将表层喷混凝土与锚杆加固围岩一结合锦屏二级水电站实际及长探洞和辅助洞的起使用，可大大提高围岩的自身支承能力和喷层地质预报实践，拟采用多种预报方法相结合的综合的外部支承能力。预报方法，即以工程地质法、仪器法、超前钻孔、在辅助洞工程岩爆防治的施工实践中，除了采经验法等建立宏观预报、长距离预报、短距离预报用常规的处理手段外，还采取了应力解除爆破法、等三级预报体系，并提出地质灾害临近预警机制。水胀式锚杆初期快速支护和喷XPM外加剂混凝土支施工过程中应严格执行“先探后掘”的原则，以避护等措施，取得了较好的效果。免地质灾害的发生，确保引水隧洞施工安全。5引水隧洞出渣运输方式3.4引水隧洞排水系统规划根据隧洞内施工交通、通风、出渣等对断面布长隧洞的施工运输方式主要有无轨、有轨及带置的要求，在1、3号引水隧洞内设置净高为1.2m式运输3种。与TBM施工配套的运输方式一般有带的钢结构施工平台，平台上部布置交通运输及出渣式输送和轨道运输两种。就锦屏二级水电站工程而运输设施，下部为架空的排水通道。采用钻爆法施言，如果洞内出渣采用轨道运输，洞外采用无轨运工的2、4号引水隧洞无论采用无轨或者有轨运输，输，需要在洞口附近设置转渣设施，而工程场地狭考虑到钻爆法开挖形成的岩面不规整，均采用石渣窄，布置难度较大。渣场距引水隧洞支洞口约6回填形成运输通道，侧边形成排水沟。km，沿线地形陡峻且高差起伏大，全线布置轨道运由于施工排水洞开挖底高程低于同一垂直截面输亦不合适。引水隧洞采用TBM施工，单洞最大出处引水隧洞洞群底高程3.5m，因此可以通过横向排渣强度达1500t/h，若计入钻爆法施工的2、4号引水洞将1~4号引水隧洞的地下水引排至施工排水洞。水隧洞，东端4条引水隧洞的出渣高峰强度约为引水隧洞内的地下水，通过纵向和横向排水系3800t/h。若采用20t自卸汽车运输，高峰期每小统，最终均汇入施工排水洞。时的装车数量将达200辆。从施工通风、场地条件、3.5高压大流量管道集中出水的控制与封堵施工组织的灵活性、设备通用性、承包人的运行经在长探洞和辅助洞的施工过程中，揭示了一些验等方面考虑，引水隧洞西端采用无轨运输方式，高压大流量集中出水点，也进行了一些控制和封堵的东端1、3号洞TBM出渣采用带式输送系统运输，尝试，取得了不少经验。当揭露集中涌水后，首先通2、4号引水隧洞出口段采用无轨运输，其他洞段出过或利用相邻洞室开横通道反向掘进贯通出水洞段，渣采用移动破碎机转带式输送系统运输。再采取“分流、卸压”方式对涌水点进行处理。洞内带式输送系统随TBM掌子面的推进而不断辅助洞东端A洞桩号14+762的大涌水点由于出延伸，预计单洞皮带机长度将达12km左右。洞外连水量大，采用开挖分流洞、埋设高压管道、混凝土续皮带机总长约7.2km。为合理利用资源，降低场内堵头封堵的方式进行处理，取得了阶段性的成功，道路的运输流量，利用洞外带式输送出渣系统将东端为引水隧洞地下水处理提供了工程实例。砂石加工系统的成品骨料返送至高线（下转第56页）16WaterPowerVol．36．No．1 设计与施工水力发电2010年1月表3水库在各水位条件下运行蓄能值比较与850m比与850m比水位/库容/耗水水位/库容/耗水增加蓄能/增加蓄能/m万m3率/%m万m3率/%万kW·h万kW·h8505732840856656143.63894853613643.72252857670823.64301855641703.73011860716003.56125月~9月期间的重复利用率为6%左右，则汛期的发电量占全年电量的50%~60%，最后可计算出，调整汛限水位后可增发的电量约1亿kW·h。参考文献：图1紫坪铺电站水轮机不同水头下的出力与流量关系［1］李其军，陈肇和.土石坝漫坝风险理论与应用［M］.北京：中国到855.0m。根据表3可知，其蓄能增量约为3000水利水电出版社，2008.万kW·h；考虑到不同水位下相同来水量时耗水率［2］陈肇和，李其军，孙颖，等.土坝漫坝风险与设防标准的研究的变化，调整汛限水位后比调整前耗水率降低了约［R］.北京：北京水电管理干部学院，1996.7.5%，再考虑到850.0~855.0m之间的库容在每年6（责任编辑杨健）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第16页）混凝土系统，运输强度大于400t/h。化的适应性强，在该工程地形和水文地质条件比较复杂的情况下，西端引水隧洞采用长管道通风。6施工通风7结语引水隧洞受地形条件限制，除两端外没有条件在中间布置通向地表的施工支洞，单头掘进长度将锦屏二级水电站装机规模大，经济指标优越，超过10km，施工通风难度较大。选用先进、合理的施工组织，研究长引水隧洞的快根据引水隧洞施工规划，东端的1、2号引水隧速施工技术，以缩短引水隧洞的施工工期，具有巨洞和3、4号引水隧洞2个施工组合，每组的两洞之大的经济效益和现实意义。锦屏二级水电站引水隧间有多条横向通道连接，具备了互为平导的巷道通洞是目前国内正在施工的为数不多的深埋长大隧洞风条件，因此建立了2个独立的巷道通风系统。独工程之一，其中高压地下水、岩爆处理、超前预报、头段采用压入式管道通风。施工方案、施工通风等技术问题的研究和施工实践，根据目前国内隧洞施工水平，在全断面钻爆法无直径达12.4m的掘进机，以及连续带式出渣系统和轨运输条件下，可以实现4000m左右的长管道独头返程带料系统等一批新设备、新工艺的引进和应用，通风。长管道通风虽然风机功率较大，对风管要求较必将促进我国深埋长隧洞施工技术的进步。高，但布置简单灵活，四洞独立互不影响，对施工变（责任编辑焦雪梅）56WaterPowerVol．36．No．1'