NJ水電站引水隧洞常規(guī)鉆爆法穿越斷層破碎帶的開挖支護(hù)實(shí)踐

譚若憨

【摘要】巴基斯坦NJ水電項(xiàng)目屬長(zhǎng)距離引水式發(fā)電站，引水隧洞開挖過程中，遇到了諸多不利的地質(zhì)條件，如穿越斷層、剪切破碎帶，軟巖帶，穿河段等，結(jié)合工程實(shí)踐，本文重點(diǎn)討論在斷層剪切破碎帶的不良地質(zhì)條件施工，應(yīng)如何保障隧洞施工安全、快速地進(jìn)行，這也是開挖長(zhǎng)距離引水隧洞必須攻克的難題。

【關(guān)鍵詞】長(zhǎng)隧洞常規(guī)鉆爆法斷層破碎帶施工安全

1、工程概述

巴基斯坦N-J水電項(xiàng)目位于巴基斯坦東北部克什米爾首府MUZAFFARABAD地區(qū)，是一座典型的長(zhǎng)隧洞引水式發(fā)電站，總裝機(jī)容量963MW，引水隧洞單側(cè)軸線長(zhǎng)度28.55公里，單雙洞交錯(cuò)布置，隧道總里程48.2km。該工程位于喜馬拉雅山系大斷裂帶，地質(zhì)活動(dòng)頻繁，地質(zhì)情況復(fù)雜多變。工程設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘查工作完成于1996年，但2005年南亞8級(jí)大地震的震中剛好位于該地區(qū)，震后地質(zhì)情況發(fā)生了復(fù)雜的變化，這又為地質(zhì)勘測(cè)資料原本就不完整的工程施工增加了不可預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn)。隧洞斷層帶開挖為7.9*7.9m馬蹄形斷面，斷面面積51.76㎡，穿越MUZAFFARABAD大斷層長(zhǎng)度約為927m，引水洞軸線需穿越幅寬不等的地質(zhì)斷層帶十余處，地質(zhì)斷層帶薄層砂巖與泥巖交錯(cuò)分布，且?guī)r石破碎，裂隙及其發(fā)育，破碎帶砂巖段時(shí)常伴有涌水，圍巖自穩(wěn)性很差，開挖后巖石的變形收斂快，給隧洞開挖支護(hù)的穩(wěn)定性帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

2、隧洞施工原理

隧洞施工過程中主要涉及Q系統(tǒng)巖石分類法、光面爆破技術(shù)和采用新奧法錨噴支護(hù)理念，充分利用圍巖的自承能力和開挖面的空間約束作用，采用以錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段，及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，約束圍巖的松弛和變形，并通過對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控、測(cè)量來指導(dǎo)地下工程的設(shè)計(jì)與施工。同時(shí)針對(duì)C2標(biāo)斷層帶存在的圍巖破碎使錨桿孔塌孔及錨桿插入困難和泥巖砂巖交界處開挖面不能自穩(wěn)等特殊情況，采用了自進(jìn)式錨桿或水漲式錨桿支護(hù)和及時(shí)噴護(hù)封閉，并通過優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，合理選取支護(hù)參數(shù)，加強(qiáng)超前探測(cè)和超前支護(hù)相結(jié)合等手段，確保了施工安全和洞室穩(wěn)定。

3、不良地質(zhì)條件下的施工流程及操作要點(diǎn)

不良地質(zhì)段隧洞開挖必須及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)，針對(duì)圍巖斷層破碎帶，節(jié)理、層理及裂隙發(fā)育，層面交錯(cuò)，風(fēng)化嚴(yán)重，致使圍巖自穩(wěn)能力極差，成型困難的隧洞地質(zhì)段，應(yīng)嚴(yán)格按照“早預(yù)報(bào)，管超前、嚴(yán)注漿、短循環(huán)、弱（不）爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測(cè)量、速反饋”的施工原則，做好超前探測(cè)和超前支護(hù)，在隧洞周邊超前小管棚注漿預(yù)固結(jié)圍巖的保護(hù)下，同時(shí)優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)和合理選取支護(hù)參數(shù)，采取短循環(huán)（循環(huán)進(jìn)尺不超過2.5m）的開挖方式，減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，必要時(shí)采用機(jī)械短循環(huán)開挖代替鉆爆法開挖，開挖完成后，快速進(jìn)行支護(hù)。其具體方法如下：

3.1超前勘探

為更好的了解作業(yè)面前方巖石狀況，本工程采用了每150m超前取芯和每25m超前探孔施工，詳細(xì)記錄巖性，巖石完整性，鉆進(jìn)速度，返水情況，滲水量，RQD等，盡可能全面了解前方地質(zhì)情況用以指導(dǎo)施工，對(duì)于滲水量大于15L/min的探孔，需要采取超前帷幕止水灌漿的方式，減少滲水對(duì)原本破碎圍巖造成軟化破壞而導(dǎo)致的塌方風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，重點(diǎn)監(jiān)控巖石剪切破碎嚴(yán)重和滲水段泥巖與砂巖交界面的施工安全。

3.2超前支護(hù)

本工程根據(jù)前序循環(huán)地質(zhì)素描信息和超前勘探資料，針對(duì)不同地質(zhì)情況，分別對(duì)頂拱不同范圍內(nèi)采用了超前錨桿+剛肋條、超前小管棚（L=6m，D=48mm）和新型可套接管棚（L=25m，D=89mm）三種不同強(qiáng)度的超前支護(hù)方式，有效地保障了施工過程中隧洞頂拱安全，規(guī)避了塌方風(fēng)險(xiǎn)。

3.3測(cè)量放樣

每循環(huán)開挖前嚴(yán)格按照施工圖紙和爆破設(shè)計(jì)測(cè)放開挖邊線和爆破孔控制點(diǎn)位，確保精準(zhǔn)施工。

3.4鉆爆破孔，吹孔裝藥，聯(lián)網(wǎng)爆破

對(duì)于不良地質(zhì)段爆破設(shè)計(jì)，為了減少爆破波對(duì)圍巖擾動(dòng)，采用半秒雷管代替毫秒雷管起爆，減弱爆破波疊加效應(yīng)，根據(jù)不同圍巖特點(diǎn)及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，合理選擇周邊孔間距及周邊眼的最小抵抗線，破碎段加密了周邊孔間距，采用隔孔裝藥措施，減少單孔裝藥量，確保光面爆破質(zhì)量，每循環(huán)嚴(yán)查炮眼的布置、數(shù)量、深度和角度、裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方法和順序等，確保爆破后隧洞成型質(zhì)量。

3.5通風(fēng)排煙

爆破后及時(shí)向作業(yè)面供風(fēng)，確保30分鐘內(nèi)將炮煙排出，保障下道工序正常銜接。

3.6出渣

根據(jù)爆破石渣方量、運(yùn)輸里程和設(shè)備裝載及運(yùn)載能力，合理配備出渣設(shè)備數(shù)量，確保及時(shí)性和連續(xù)性，最大限度縮短出渣時(shí)間，確保初始支護(hù)的及時(shí)性。

3.7排險(xiǎn)剝落

出渣完成后，根據(jù)巖石情況采用挖掘機(jī)或人工手持剝落棒站在剝落臺(tái)車上對(duì)洞頂及邊墻松動(dòng)巖石進(jìn)行排險(xiǎn)剝落。

3.8地質(zhì)素描和測(cè)量驗(yàn)收

地質(zhì)素描主要是進(jìn)行掌子面巖層、巖性描述（包括巖石風(fēng)化破碎程度、巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)等）、地層分界面產(chǎn)狀及其位置、巖層產(chǎn)狀及其變化測(cè)定、構(gòu)造（斷層等）位置、產(chǎn)狀、寬度測(cè)定、斷層性質(zhì)描述、節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)，包括發(fā)育分布位置、產(chǎn)狀、組數(shù)、節(jié)理面閉合張開狀態(tài)、節(jié)理面形態(tài)、節(jié)理面充填情況，掌子面涌滴水位置的確定、涌滴水量測(cè)定或估算，特殊地質(zhì)現(xiàn)象描述。如巖溶洞穴位置、形狀、充填物性質(zhì)，坍方體、涌泥沙出現(xiàn)位置、方量等。根據(jù)掌子面地質(zhì)描述圍巖情況，確定支護(hù)參數(shù)和方案及下一循環(huán)開挖方案。同時(shí)，采用萊卡全站儀進(jìn)行全斷面驗(yàn)收，確定掘進(jìn)進(jìn)尺和超欠挖情況，如存在欠挖，需將欠挖部位開挖至設(shè)計(jì)輪廓線。

3.9初噴

初噴重點(diǎn)控制及時(shí)性，噴射前用高壓風(fēng)帶少量的水將巖壁面的粉塵、雜物吹干凈，然后采用濕噴臺(tái)車對(duì)圍巖進(jìn)行7-8cm鋼纖維砼噴護(hù)，如遇裂隙滲水情況，需在滲水點(diǎn)鉆取排水孔，安裝PVC軟管進(jìn)行引排后噴護(hù)，對(duì)于散水滲水情況，需使用土工布進(jìn)行引導(dǎo)水流，避免滲水破壞基巖面與噴護(hù)面結(jié)合強(qiáng)度，影響噴護(hù)效果。噴護(hù)應(yīng)由下向上分層分塊噴護(hù)，每段長(zhǎng)度為（下轉(zhuǎn)133頁）（上接131頁）3-4m，噴頭噴射方向與巖面偏角小于10°，夾角為45°，噴頭至受噴面距離在0.8～1.2m之間，噴頭呈螺旋形均勻緩慢移動(dòng)，砼噴護(hù)完成后表面必須平順，同時(shí)做好噴護(hù)區(qū)域排水工作，確保邊墻噴護(hù)至拱腳，防止邊角裸露導(dǎo)致邊墻支護(hù)薄弱，造成“腿軟”出現(xiàn)巖體滑層坍塌現(xiàn)象。

3.10錨桿造孔、安裝及注漿

錨桿點(diǎn)位放樣，間排距應(yīng)梅花型布置，常規(guī)段根據(jù)不同支護(hù)方案分別選用4m、5m或7m長(zhǎng)鍍鋅砂漿錨桿，采用兩臂鉆進(jìn)行錨桿造孔，錨桿造孔完成后，進(jìn)行清孔驗(yàn)孔，然后進(jìn)行錨桿安裝及錨桿注漿，控制注漿速度和壓力，確?？變?nèi)注漿飽滿，待孔內(nèi)砂漿凝固8小時(shí)后，采用專用扳手將錨桿墊片上的螺帽擰緊。對(duì)于C2標(biāo)斷層帶存在的圍巖剪切破碎嚴(yán)重導(dǎo)致錨桿孔塌孔，錨桿插入困難的情況，本工程采用了中空自進(jìn)式錨桿直接鉆入巖體，然后通過錨桿中空體進(jìn)行灌漿固結(jié)，起到了較好的支護(hù)效果，對(duì)于錨桿孔滲水情況采用了水漲式錨桿和漲殼式錨桿支護(hù)，確保了支護(hù)質(zhì)量和強(qiáng)度。

3.11掛網(wǎng)或安裝鋼肋條及鋼格柵

安裝網(wǎng)片或鋼肋條及鋼格柵需在初噴鋼纖維砼初凝后進(jìn)行，網(wǎng)片為φ6mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為10cm×10cm，安裝時(shí)需緊貼巖面，網(wǎng)片距巖面≥5cm，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度為20cm，采用錨桿墊片固定網(wǎng)片或采用電鉆向墻體鉆20cm深的孔，安裝φ10的鋼筋，鋼筋長(zhǎng)35cm為宜，然后將外露砼面鋼筋扳彎來固定網(wǎng)片。安裝鋼肋條采用φ16的螺紋鋼，間距15-20cm，φ16的聯(lián)系筋間距為50cm。鋼格柵安裝間距為1m每榀，φ16的聯(lián)系筋間距為1m，每榀鋼格柵還需安裝固定格柵拱架的錨桿，錨桿直徑φ25，長(zhǎng)1.2m，入巖深度1m，間距1.5m。

3.12二次噴護(hù)

由于錨桿造孔時(shí)有巖漿或泥漿從孔內(nèi)流出黏貼在噴護(hù)砼表面上，在復(fù)噴時(shí)需用高壓風(fēng)帶少量的水將巖壁面的巖漿或泥漿清洗干凈，然后采用濕噴臺(tái)車進(jìn)行8-10cm復(fù)噴。

3.13收斂變形觀測(cè)

完成初始支護(hù)段應(yīng)及時(shí)安裝收斂觀測(cè)點(diǎn)，定期采集洞室圍巖收斂數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)收斂變形較大導(dǎo)致初始支護(hù)破壞情況，及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)方式處理，確保隧洞整體穩(wěn)定。

3.14特殊地段處理

對(duì)于軟弱泥巖斷層帶需格外重視仰拱封閉跟進(jìn)和作業(yè)面加固施工，及時(shí)澆筑仰拱以形成閉合受力結(jié)構(gòu)，本工程為了節(jié)約施工時(shí)間，對(duì)局部軟弱泥巖段仰拱采取了安裝φ6mm網(wǎng)片和20cm鋼纖維噴護(hù)施工，取得了較好的支護(hù)效果，對(duì)于無法自穩(wěn)的作業(yè)面上噴護(hù)了5cm厚混凝土，布設(shè)了長(zhǎng)度7m，間距1.5m*1.5m超前錨桿，保障了支護(hù)期間和掘進(jìn)過程中的施工安全。對(duì)于砂巖破碎段主要做好超前探孔施工和超前帷幕灌漿，對(duì)比地質(zhì)取芯資料和前序地質(zhì)素描節(jié)理裂隙發(fā)育及走向情況，采取相應(yīng)的超前支護(hù)手段，規(guī)避爆破后塌方風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)論：

本工程安全零事故穿越斷層帶的施工實(shí)踐，離不開高效的施工組織和嚴(yán)格的工序銜接管理，因此才保證了爆破后初始支護(hù)的及時(shí)跟進(jìn)和不良地質(zhì)條件下的及時(shí)噴護(hù)封閉施工，超前探測(cè)和超前灌漿與支護(hù)是不良地質(zhì)條件下隧洞施工安全的前提條件，同時(shí)新奧法的施工理念也極大地提高了施工速度，保證了施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮紫良，章曾煥.《新奧法設(shè)計(jì)施工與管理》.中國(guó)建筑出版社，2015.01.

[2]李曉紅.《隧洞新奧法及其量測(cè)技術(shù)》.科學(xué)出版社，2002.01.

[3]劉祥柱.《水利水電工程施工》.黃河水利出版社，2009.08.

[4]丁文其，楊林德.《隧道工程》.人民交通出版社，2012.04.