胡魯水電站尾水隧洞大斷層超前強(qiáng)支護(hù)施工技術(shù)

李 海 原

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

胡魯水電站位于馬來西亞登嘉樓州肯逸爾(Kenyir)水庫西北，主要由導(dǎo)流洞、大壩、進(jìn)水口、引水發(fā)電洞、地下廠房、地下尾水調(diào)壓室、尾水洞等組成，裝機(jī)兩臺(tái)，共計(jì)250 MW。業(yè)主為馬來西亞國家電力公司，咨詢方主要為加拿大SNC LAVALIN公司。該項(xiàng)目由中國水利水電第七工程局和馬來西亞本地一家公司組成的聯(lián)營體中標(biāo)承建，工程于2011年5月開工，2015年8月建成發(fā)電，運(yùn)行良好。

胡魯水電站尾水洞進(jìn)口接調(diào)壓室、出口位于肯逸爾水庫中。隧洞長1 175 m，最大開挖斷面為直徑9.8 m的馬蹄形。原計(jì)劃從出口分上下臺(tái)階開挖施工并承擔(dān)地下廠房和尾水調(diào)壓室底部出渣的通道。該尾水洞高程為136 m(出口)～121.5 m(進(jìn)口)，坡度為1.23%，上覆巖層厚26～206 m。工程范圍為具有低地震活動(dòng)和二疊紀(jì)南北向大規(guī)模褶皺的地質(zhì)特征，主要巖性包括沉積巖(低變質(zhì))：碳質(zhì)頁巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖，火山巖(安山巖)，沉積/火山巖互層，在沉積/火山巖互層中間出現(xiàn)了一個(gè)大斷層，該斷層核心區(qū)有一段軟土層段。隧洞(洞頂)位于地下水位線和肯逸爾水庫常年蓄水位線以下，地下水豐富。從該尾水洞出口掘進(jìn)347 m到樁號(hào)0+828處遇到斷層，斷層傾斜角度大，呈南北走向(與隧道軸線正交)，至樁號(hào)0+711穿過斷層進(jìn)入到相對(duì)完整的安山巖區(qū)。同斷層前遇到的較完整的頁巖不同，圍巖變?yōu)榘采綆r夾泥層，位于斷層區(qū)的泥層總體呈兩端薄、中間厚的狀態(tài)，至斷層核心區(qū)為一段長約39 m的全土層段(樁號(hào)0+763～0+724)。斷層帶兩端的安山巖呈輕微風(fēng)化、灰黃色，到中部風(fēng)化程度變高、顏色至深，呈褐色，硬度也從兩端到中部逐漸變?nèi)?。泥層從兩端相?duì)密實(shí)干硬的黃褐色到中部的棕黑色泥碳，土層顆粒也從兩端大到中間逐漸變細(xì)。至斷層處地下水突增，由原來的流量小于1 L/s到大于3 L/s，核心區(qū)增加到大于5 L/s[1]。

由于斷層跨度大、圍巖破碎導(dǎo)致不能自穩(wěn)成洞且地下水豐富，施工中盡管采取了常規(guī)超前支護(hù)措施還是發(fā)生了3次塌方，嚴(yán)重影響到工程進(jìn)展。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和咨詢工程師們一起多次對(duì)現(xiàn)場的地質(zhì)、水文條件進(jìn)行分析，找出了塌方原因，制定了斷層處理原則，針對(duì)斷層的夾層和土層分別編制了開挖支護(hù)技術(shù)措施。

2 斷層處理原則

根據(jù)合同文件提供的地質(zhì)報(bào)告和設(shè)計(jì)圖，樁號(hào)0+815～0+715為一段100 m長的沉積巖和火成巖互層段。為此，咨詢公司對(duì)互層段相應(yīng)的不良地質(zhì)段開挖支護(hù)進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)，項(xiàng)目部也在施工前做好了相應(yīng)的不良地質(zhì)段施工準(zhǔn)備。

施工時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件變化和塌方發(fā)生后，項(xiàng)目部及時(shí)通知了咨詢方和業(yè)主，一起確認(rèn)了斷層并制定了總體采取安全、穩(wěn)妥的處理原則，具體包括：先采用增加額外的措施穩(wěn)住斷層后區(qū)，增加排水措施用于減少斷層區(qū)承壓水的水壓，強(qiáng)支護(hù)穩(wěn)固穹頂并保證掌子面不塌，探明前方地質(zhì)情況，采取強(qiáng)超前支護(hù)措施確保開挖面穩(wěn)定，保留中部核心土、分區(qū)短進(jìn)尺、少擾動(dòng)開挖和支護(hù)及時(shí)跟上，勤觀測[2]。

3 針對(duì)斷層采取的施工措施

3.1 夾層區(qū)斷層開挖支護(hù)措施

夾層區(qū)上臺(tái)階斷層處理采用的主要技術(shù)工藝為：

(1) 及時(shí)封閉開挖面。根據(jù)新奧法，開挖后采用噴漿臺(tái)車立即噴5 cm厚鋼纖維(35 kg/m3)混凝土(增加速凝劑以提高早期強(qiáng)度)封閉掌子面和開挖面，形成“初拱”并阻止圍巖風(fēng)化，改善開挖后的應(yīng)力分布，增強(qiáng)隧洞的自穩(wěn)性。斷層區(qū)典型開挖支護(hù)圖見圖1，斷層(夾層區(qū))開挖支護(hù)剖面圖見圖2。

圖1 斷層區(qū)典型開挖支護(hù)圖

圖2 斷層(夾層區(qū))開挖支護(hù)剖面圖

(2) 排水減壓。根據(jù)現(xiàn)場情況采用三臂鉆在掌子面和其它滲水部位增加排水孔，孔深9 m，安裝直徑50 mm的PVC排水管，排水管上采用梅花形鉆孔，用土工布包裹，排水管外用塑料軟管集中引水到排水溝；對(duì)于不能通過排水孔匯集的分散滲水，采用土工布或風(fēng)筒布固定在洞壁收集以避免散水影響開挖面施工，開挖后及時(shí)打排水孔將圍巖內(nèi)的承壓水排除以減少圍巖內(nèi)的水壓力。

(3)加固斷層段后區(qū)。從斷層段往后4 m增加了5榀(間距1 m×1 m)275 MPa等級(jí)、型號(hào)為200 mm×200 mm×49.9 kg的工字鋼，將鋼拱架和原施工的預(yù)應(yīng)力錨桿焊接連接，拱架之間通過連接鋼筋相連成一整體，噴250 mm厚鋼纖維混凝土(分兩次噴)。斷層分界或塌方區(qū)基本穩(wěn)定后，在處理斷層或塌方前宜先采取加固措施穩(wěn)固后區(qū)、避免后區(qū)進(jìn)一步塌方或圍巖嚴(yán)重變形而出現(xiàn)安全隱患，亦為前方斷層或塌方區(qū)的處理提供一個(gè)安全區(qū)。

(4) 灌漿。對(duì)新增工字鋼范圍和掌子面頂部180°范圍、沿洞軸線范圍采取了預(yù)灌漿措施，灌漿孔深9 m，間排距為1 m×1 m，孔向與軸線方向的夾角為6.5°。灌漿壓力根據(jù)現(xiàn)場吃漿情況進(jìn)行調(diào)整，添加部分速凝劑以加速凝結(jié)。每個(gè)循環(huán)的灌漿搭接長度為6 m。隧洞掌子面和拱周采用超前灌漿以使前方開挖區(qū)松散的夾層或泥層提前固結(jié)成一整體以增加圍巖的成洞自穩(wěn)性。

(5)面釘施工。對(duì)掌子面中心以上180°范圍布置了4排、間距為1 m×1 m、直徑20 mm、長12 m的面釘，面釘平行于洞軸線布置，每個(gè)循環(huán)搭接長度為6 m。面釘是一種特殊的玻璃材質(zhì)，硬度同錨桿，具有一定的撓度，向前開挖施工時(shí)采用反鏟和電錘能直接切斷而不影響開挖進(jìn)度。采用三臂鉆鉆孔，灌水泥漿后插入面釘，灌漿液里添加部分速凝劑以提高混凝土的早期強(qiáng)度。采用12 m超長面釘技術(shù)加固了掌子面，增強(qiáng)了開挖區(qū)的穩(wěn)定。該施工方法在國內(nèi)煤建工程中已得到采用，但在其它基建項(xiàng)目少見使用。

(6)管棚施工。在掌子面中心線以上180°范圍設(shè)置了管棚，采用φ114.3 mm(管徑) ×6.3 mm (管壁厚)等級(jí)275 MPa的大管棚，管棚中心間距為0.5 m，每循環(huán)呈鋸齒狀并相對(duì)軸線6.5°發(fā)散布置，管棚長9 m，每個(gè)循環(huán)采用鋸齒性錯(cuò)臺(tái)和3 m長的搭接布置。管棚前6 m布置梅花孔以使灌漿液能滲入到周圍的巖土中。為方便安裝，管棚前面呈子彈尖狀。開挖區(qū)四周提前灌漿后，采用9 m長的大管棚沿洞軸線傘狀布置，對(duì)比平行洞軸線布置管棚其受力更合理，也方便了管棚施工且不影響后期混凝土襯砌，增強(qiáng)了上臺(tái)階整個(gè)拱區(qū)的圍巖強(qiáng)度；管棚前端開梅花形滲漿孔，采用壓力灌漿使管棚前端形成半個(gè)錨樁圈，所形成的超前封閉預(yù)支撐系統(tǒng)增強(qiáng)了隧洞圍巖的穩(wěn)定性[3]。

(7)鋼拱架施工。斷層區(qū)內(nèi)的鋼拱架為榀間距1 m、等級(jí)275 MPa、型號(hào)為200 mm×200 mm×49.9 kg的工字鋼，將鋼拱架和原施工的預(yù)應(yīng)力錨桿焊接連接，拱架之間通過連接鋼筋相連成一整體，拱腳采用兩根3 m長的鎖腳錨桿固定，噴250 mm厚鋼纖維混凝土(分兩次噴)。斷層中采用大工字鋼體系為隧洞的整體穩(wěn)定起到了關(guān)鍵性的內(nèi)支撐作用。

(8)鉆地質(zhì)觀察孔。采用地質(zhì)鉆機(jī)在掌子面中心鉆20 m深、76 mm直徑的地質(zhì)觀察孔，取巖芯以探明前方的地質(zhì)情況。

(9)上下臺(tái)階分區(qū)段進(jìn)尺開挖支護(hù)。上臺(tái)階開挖采用保留中部核心土、分左右兩半?yún)^(qū)域先后開挖、最后開挖核心土的方式；尾水洞上臺(tái)階貫通后進(jìn)行下臺(tái)階的開挖，下臺(tái)階亦分左右兩個(gè)區(qū)域先后開挖(不同時(shí)開挖)、鋼拱架延伸至基礎(chǔ)并固定好。為減少振動(dòng)，采用地質(zhì)鉆機(jī)頭挫巖土(對(duì)于局部鉆機(jī)不能到達(dá)的部位采用電鉆撬巖土)，每次進(jìn)尺1 m，開挖后，立即噴鋼纖維混凝土封閉開挖面，重復(fù)以上步驟。在做好超前支撐后采取短進(jìn)尺、分區(qū)、鉆機(jī)破土方式進(jìn)行開挖，以確保圍巖的穩(wěn)定[4～5]。

(10)安裝監(jiān)測儀。沿隧洞每隔5 m安裝一組收斂監(jiān)測儀器，實(shí)施每天一次的變形觀測，繪制位移圖，分析圍巖變形情況。

3.2 斷層核心區(qū)土層段開挖支護(hù)措施

隨著斷層內(nèi)夾層區(qū)開挖的推進(jìn)，泥層逐漸變厚至全部為泥炭層，施工過程又發(fā)生了兩次塌方：掌子面頂部滑塌、超前管棚被打折、拱架嚴(yán)重下塌變形、最大的塌方穹腔高度達(dá)8 m，塌方部位地下涌水大(流量超過5 L/s)，底板松軟隆起呈彈簧土。項(xiàng)目部技術(shù)人員和咨詢地質(zhì)工程師一起對(duì)塌方進(jìn)行深入研究后一致認(rèn)為泥層段相對(duì)松散，前面設(shè)計(jì)的管棚間距大和強(qiáng)度不夠?qū)е缕洳荒芷鸬接行У某爸巫饔茫活A(yù)灌漿孔距大、密度不夠?qū)е缕洳荒芄探Y(jié)泥層；拱架間距過大且基礎(chǔ)強(qiáng)度不夠不能支撐上部結(jié)構(gòu)。為此，在已采用的夾層處理技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)情況采用了以下加強(qiáng)支護(hù)措施。斷層區(qū)(土層區(qū))加強(qiáng)開挖支護(hù)情況見圖3。

圖3 斷層區(qū)(土層區(qū))加強(qiáng)開挖支護(hù)圖

(1)加厚封閉層噴混凝土。噴10 cm(原為5 cm)厚鋼纖維混凝土封閉塌方面。

(2)加強(qiáng)排水。增加排水孔數(shù)量和水泵(并備用一定數(shù)量的水泵和備用發(fā)電機(jī)，防患水泵故障和停電等)，加大排水強(qiáng)度以保障工作面不積水。

(3)對(duì)塌方體施工泡沫混凝土。對(duì)塌方空腔分段埋鋼管澆筑C6輕質(zhì)泡沫混凝土(配合比為每m3：160 kg砂，650 kg OPC-430型號(hào)水泥，150 kg水，6.5 kg高效減水劑和11 kg聚酯泡沫顆粒)填滿塌方體，埋灌漿管注漿以確?？涨幻軐?shí)。采用輕質(zhì)泡沫混凝土填充塌方區(qū)空腔減少了對(duì)隧洞支撐系統(tǒng)的壓力。

(4)增加管棚的數(shù)量和強(qiáng)度。調(diào)整管棚間距為0.3 m，增加一圈管棚(實(shí)際在塌方位置布置了3圈)，每圈錯(cuò)開孔布置。在管棚內(nèi)灌漿后增加了3根、直徑為25 mm、9 m長的鋼筋束以增加其抗撓度。為增加灌漿壓力，在管棚口焊接了一塊鐵板進(jìn)行封口，鐵板上預(yù)留了兩個(gè)灌漿孔，其中一個(gè)孔接灌漿管到底部，另一個(gè)位于孔口，分段高壓灌漿。每圈的每根管棚采用鋼筋焊接為一個(gè)環(huán)形整體以增強(qiáng)管棚的整體受力。

(5) 增加灌漿。調(diào)整掌子面和穹頂超前灌漿孔密度為0.5 m×0.5 m，以增加灌漿量。

(6) 增加面釘。調(diào)整面釘間排距為0.75 m×0.75 m，以增加面釘量。

(7)調(diào)整鋼拱架間距，拱架基腳采用小管棚樁施工。調(diào)整鋼拱架間距為0.5 m，對(duì)拱架基礎(chǔ)采用小管棚樁(鋼拱架基腳焊接一塊940 mm×370 mm×20 mm的鋼板，兩邊打孔，孔內(nèi)插入3 m長、直徑為38 mm的小管棚，管棚前1.5 m打孔以確保高壓灌漿液滲入四周形成一樁頭，將管棚和鋼板焊接在一起，在管棚內(nèi)另外插入一根φ25 mm鋼筋以增加其強(qiáng)度，距鋼板四周10 cm外立20 cm高模板，噴滿鋼纖維混凝土形成一包裹鋼板的混凝土基腳)加固。

(8) 換填底板基礎(chǔ)。鑒于土層區(qū)底板土層與水形成淤泥而影響到設(shè)備和人員施工，采用了挖除土層區(qū)底部的淤泥、用洞外良好的石洞渣置換的方式，確保了工作底板具有一定的強(qiáng)度、不陷設(shè)備而影響到施工和隧洞的穩(wěn)定。

(9) 調(diào)整開挖分區(qū)和閉合鋼拱架施工。上臺(tái)階開挖采用保留中部核心土，分左、右、正頂拱和核心土四個(gè)區(qū)開挖的方式；每次進(jìn)尺減為0.5 m；下臺(tái)階開挖增加了底部工字鋼與兩邊拱架腳相連，在底部工字鋼后面設(shè)置了一層直徑為8 mm、網(wǎng)孔為100 mm×100 mm的鋼筋網(wǎng)片，噴混凝土形成一封閉拱架環(huán)以增加隧洞在土層中的整體穩(wěn)定并抑制土層隆起以提供一定強(qiáng)度的工作面，確保施工設(shè)備正常通行。

(10)調(diào)整收斂監(jiān)測方案。調(diào)整收斂監(jiān)測儀為每隔2.5 m(塌方位置另行安裝)安裝一組變形監(jiān)測儀器，每天至少進(jìn)行兩次變形觀測，繪制位移圖，分析圍巖變形情況，根據(jù)圍巖變形情況采取加固和避險(xiǎn)措施。

(11) 增加地質(zhì)探孔。在隧洞穹頂和塌方區(qū)增加地質(zhì)探孔以便更好地掌握前方地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整開挖支護(hù)措施。

另外，在組織管理方面，鑒于地下隧洞開挖支護(hù)采用的是常規(guī)勞務(wù)分包模式，由于隧洞不良地質(zhì)條件導(dǎo)致開挖支護(hù)進(jìn)度慢、安全風(fēng)險(xiǎn)大，遂重新抽調(diào)并組織經(jīng)驗(yàn)豐富的管理人員、作業(yè)隊(duì)伍組成專項(xiàng)施工隊(duì)，嚴(yán)格按照既定的技術(shù)措施謹(jǐn)慎實(shí)施，嚴(yán)控施工質(zhì)量，保障安全，待灌漿、澆筑等作業(yè)工序達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度后再進(jìn)行開挖作業(yè)，否則欲速則不達(dá)。

4 結(jié) 語

胡魯水電站尾水隧洞施工時(shí)因斷層跨度大，其核心區(qū)的泥層處理困難，盡管發(fā)生了三次坍塌，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖、結(jié)合咨詢地質(zhì)工程師意見和現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整并補(bǔ)充了相關(guān)施工技術(shù)，沒有發(fā)生人員傷亡和設(shè)備損失情況，成功地穿越了大斷層。

斷層處理導(dǎo)致施工效率降低，最慢處10 d僅達(dá)到日進(jìn)尺0.2 m的水平，斷層處理亦影響到項(xiàng)目總工期，業(yè)主在其后批復(fù)了項(xiàng)目部提出的新增一條128 m長的交通隧洞的趕工措施和相應(yīng)的趕工費(fèi)。胡魯項(xiàng)目整體履約較好，業(yè)主很滿意，為公司在馬來西亞業(yè)界獲得了良好的信譽(yù)和口碑，為公司后續(xù)在馬來西亞收獲較多項(xiàng)目奠定了良好的基礎(chǔ)。