馬來西亞巴貢水電站隧洞開挖施工難點處理

丁 勇

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 工程概述

巴貢水電站位于馬來西亞砂撈越州中部Rajang江支流Balui河上，距下游Belaga鎮37 km，距港口城市Bintulu約180 km。由高203.5 m、總填筑量約1 672萬m3的世界第二高的面板堆石壩、溢洪道、進水口、引水隧洞、發電廠房等組成，總裝機容量為8×300 MW，水庫總庫容為4.4 ×1 010 m3。因工程規模大而被稱為東南亞的“三峽”項目，其地下工程(引水隧洞群)規模在東南亞同領域內首屈一指。

巴貢水電站引水發電隧洞為單機單洞型，共8條，均由上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段、漸變段和鋼襯段組成，呈平行布置。引水隧洞進出口高差142.5 m，埋深50～235 m，擁有相同的上彎段、下彎段和漸變段，鋼襯段、上平段、豎井和下平段長度有所差異，8條引水隧洞長度為589.65 m(1號)～537.39 m(8號)不等，共4 503 m。隧洞開挖斷面主要為圓形，部分為馬蹄形，開挖直徑為11.1～8.4 m，縱坡8%，相鄰兩洞室洞軸線間距為21 m，巖柱厚度11.3～15.1 m。巖石以砂巖、頁巖為主，圍巖主要為Ⅱ～Ⅳ類。

圖1 巴貢水電站引水隧洞示意圖

根據當時進水口和廠房邊坡的施工情況，結合隧洞施工工期，在上游進水口、下游在下平段與鋼襯段之間的漸變段位置布置了兩條施工支洞(圖1)。1號支洞主要用于下平段、下彎段、鋼襯段和豎井的施工;2號支洞主要用于上平段、上彎段和豎井的施工。開挖方法為新奧法，采取相鄰兩條洞根據巖石情況錯開30～50 m開挖，在平洞段和部分彎段采取分上下臺階鉆爆開挖法;部分上、下彎段和豎井段采用先用反井鉆機鉆導井，后鉆爆擴挖的施工方法。本工程的施工難點、亦是該地下洞群開挖的特點是施工通風排煙問題、豎井施工和對不良地質情況的處理。筆者對在施工過程中解決這三個難題的措施作一簡要介紹。

2 施工難點處理

2.1 施工通風排煙處理

2.1.1 面臨的通風排煙問題

(1)通風排煙問題主要集中在1號支洞內，支洞長(380 m)，洞內工作面多(16個)，施工機械設備多，造成施工煙霧、廢氣多。

(2)地下洞群位于赤道邊，日照時間長，地表溫度高，白天洞內與洞外炎熱的溫度持平。

(3)主要的通風口為支洞，未設通風洞(井)。

(4)業主環保部對施工環境要求異常嚴格。

2.1.2 解決方式

(1)輔助通風:采取了傳統的壓入、吸出的混合通風方式:

①在支洞口布置了兩臺110 kW的大型軸流風機，各工作面的主洞口布置了1臺20 kW的小型風機;

②爆破、噴混凝土時在工作面打開部分系統供風管，加速排煙。

(2)盡快形成自然通風:在不影響其它工作面施工節點的情況下，結合廠房和進水口邊坡的開挖順序(8號→1號)，先集中力量，突擊貫穿了4號洞，形成了一個從廠房到進水口高差達140余m的通風洞，然后逐步打開8號、1號鋼襯段和相應豎井，形成多個面通風。實踐證明:當4號洞反井鉆機擴挖完成、形成了直徑1.4 m的導洞后，通風洞的“煙囪效應”即刻見效，原來在3～5號洞和部分支洞段間形成的小循環煙霧都從4#豎井排至進水口，洞內的溫度也顯著降低，從而大大改善了洞內的施工環境。

2.1.3 小 結

對于類似地下洞室群開挖，在有眾多工作面可供施工選擇的情況下，合理安排施工順序，既可改善施工現狀，也有利于后續工作的開展。

2.2 豎井施工方法

2.2.1 概 述

巴貢電站的豎井開挖斷面為圓形，除豎井段開挖外，還包括一部分上、下彎段開挖。豎井開挖高度為81.56 m(1號)～86.94 m(8號)(豎直距離)。高程130 m以上開挖直徑為9.9 m，高程130 m以下開挖直徑為10.1 m。在滿足工期的前提下，豎井開挖施工的重點是安全和質量，而施工方法則是關鍵。實踐證明:有效的施工方法既是質量與安全的保證，更是效益的體現。施工采用以下方式:

(1)在上彎段開挖一個供反井鉆機施工用的孔洞:在上、下彎段開挖到一定高程后(反鏟已經不能有效出渣的位置)，在上彎段沿豎井中心延長線開一個供反井鉆機施工用的孔洞。

(2)導井施工:用反井鉆機鉆一個φ1.4 m的導井。

(3)導井擴挖:在導井內通過施工吊籠從下至上鉆爆擴挖導井至φ3.5～4 m。

(4)全斷面擴挖:從上向下全斷面漏斗型鉆爆擴挖成型。

2.2.2 豎井施工效果

這種施工方法具有的特點:

(1)采用反井鉆機打導井極具綜合效益。雖然單項造價相對人工開挖要高一些，但反井鉆機更快、更安全、更具保障性。通過綜合比較，用反井鉆機比人工施工導井綜合效益高出很多。

(2)通過導井和鉆孔資料可以清楚地了解豎井中的地質情況，為安全擴挖創造條件。

(3)導井擴挖至φ3.5～4 m時再采用漏斗型爆破:

①導井足夠大，增加了爆破的臨空面，炮孔間排距可適當擴大，炮孔爆破率提高到95%以上，單排循環進尺可達3.7 m，豎井的總炸藥單耗降低;

②導井足夠大，避免了巖石堵井的可能;

③爆破后大部分洞渣通過導井漏至下彎段，節省了扒渣時間，單條豎井的總工期也大大縮短。

另外，根據豎井巖石破碎的特點，為保證施工安全，在豎井全斷面擴挖過程中，每排炮后都進行了系統支護。為縮短單排循環進尺時間，盡量讓各工序穿插進行，鉆炮孔過程穿插注錨桿，扒渣過程中穿插掛網噴護等施工，最終創造了8條豎井施工完成后無一安全事故發生的好成績，獲得了良好的經濟效益。

③-1層含砂姜黏土(Q3al+pl)：黃色～黃褐色，夾青灰色條帶，硬塑，有光澤，高干強度，高韌性，低壓縮性，含砂姜，含量不均，分布不均，局部較富集，局部粒徑較大，局部含砂質成分；場區普遍分布。

2.2.3 小 結

巴貢水電站引水隧洞的豎井開挖，采用上述施工方法比較成功。中水七局隨后在溪洛渡工程的豎井開挖中推廣運用此法，同樣取得了很好的效果。

2.3 施工過程中對F8斷層的處理

2.3.1 引水隧洞不良地質情況綜述

引水隧洞中雜砂巖占55%左右，頁巖(泥巖)占38%左右，雜砂巖/頁巖互層和其它巖石占7%左右。靠近大壩的8～5號隧洞工程地質條件相對較好，靠近溢洪道的4～1號隧洞受F8斷層及其分支、節理組J1、J2、J3與J4之間的切割組合、兩組NW向反傾角節理的切割影響，工程地質條件相對較差。尤其受F8斷層及其分支影響較大，在上平段2號隧洞樁號0+29～0+33處和下平段4號隧洞樁號0+310～0+305處曾發生塌方。其中最具代表性的是上平段的2號隧洞，巖石破碎，影響段長(從樁號0+29的左邊墻出露延至樁號0+70的右邊墻)，一度被稱為巴貢隧洞的“毒瘤”。

2.3.2 2號洞內F8斷層的地質情況

2號洞低壓段主要為層狀褶皺 (泥)巖，層厚10～15 cm，傾角70°左右，較破碎，巖塊鏡面光滑。F8斷層嵌在頁巖內，在洞內的總體產狀為NW330～355NE∠40°～ 48°，寬2～6 m，影響帶寬3～7 m，主要由灰色糜棱巖、角礫巖和泥巖組成，角礫直徑一般為2～3 cm，次棱角狀。斷層帶在干燥狀態下 f=0.53 ～0.55，c=0.04 MPa，在浸水狀態下呈軟塑狀態或泥化狀，f=0.38～0.4。沿斷層帶有約30～120 L/min的地下水出露。圍巖類別整體介于Ⅳ～Ⅴ類。

2.3.3 施工難點

(1)頁(泥)巖傾角大，有褶皺，內摩擦角小，開挖后易順層滑塌。

(2)斷層及其影響帶較寬，容易垮塌并向后延伸;走向與洞軸線夾角小(17°左右)，影響段長。

(3)巖石破碎，強度低，易風化，不易成孔，鉆桿抽出即塌孔，給原計劃采用的超前小導管灌漿和普通注漿錨桿加固施工造成困難。

(4)地下水大，巖石浸水軟化、泥化，加上工地所處的熱帶雨林氣候(平均每天都有一場雨)，洞外下雨后，雨水迅速通過發育的地表裂隙和斷層滲至工作面

2.3.4 處理方法

對2號洞內不良地質段采取了以下開挖支護方式(上臺階):

(1)先排水:在滲水地方用φ60鉆頭打4 m深排水孔，用軟管將圍巖內的滲水排開，用水泵抽出。

(2)超前支護:先貼著掌子面立2榀并排格柵拱架，在拱架內環向打間距1 m ×1 m的系統錨桿和鎖腳錨桿(自進式)加固拱架，從拱架內自圓心180°以上范圍打一排φ32、L=3 m、間距35 cm的自進式中空超前注漿錨桿(漿液比普通注漿錨桿稀，加速凝劑，加壓以盡可能多的灌入漿液，使巖體能夠部分盡快的固結)。所有錨桿與拱架焊接形成一個整環，干噴混凝土至結構線，形成一個較強的“超前應力拱”。

(3)分部位開挖支護:汲取了以前的由掌子面斷層塌方帶動周邊巖層順層滑塌的教訓，保留掌子面前擋渣，護住掌子面斷層，用反鏟(局部使用風鎬)分部位開挖、支護。順序為:Ⅰ區→Ⅱ區→Ⅲ區→Ⅳ區，見圖2。

圖2 低壓段2號洞F8斷層段開挖支護示意圖

①Ⅰ區開挖支護:超出結構線30 cm開挖頂拱Ⅰ區，高3 m左右(能安裝頂拱1節拱架的高度)，進尺0.8 m左右。開挖后在滲水部位按照步驟(1)進行排水施工，迅速初噴5 cm厚鋼纖維混凝土封閉巖面。所噴混凝土增大了水泥和速凝劑的含量，使水泥能盡可能多和快的滲入巖體，起到迅速固結表面巖體的作用，鋼纖維混凝土與巖體一起形成又一個“應力拱”。初噴完后，掛一層φ8@20 cm ×20 cm的鋼筋網，然后按照步驟(2)快速施工1節拱架并打同樣的超前錨桿，拱架間用φ25、間距1 m的鋼筋連接成一個整體，最后噴混凝土至結構線，形成穩固搭接的鋼筋混凝土結構拱。本區開挖為施工關鍵，施工時各個工序銜接良好，每道工序快速完成，從而減小了塑性區的擴展及松動壓力的加劇。

②Ⅱ區開挖支護:按照步驟①進行3～4個循環后開挖Ⅱ區，把Ⅰ區頂拱的拱架接下來。Ⅱ區巖石稍硬，對于局部反鏟扒不動的地方采取少藥量、弱爆破以減少擾動的方式進行，每個循環可以進尺2榀拱架，支護按照Ⅰ區方式進行，并加強拱腳支護。

③Ⅲ區開挖支護:Ⅱ區完成后，即進行F8斷層出露的Ⅲ區開挖，每個循環按1～2榀拱架進行。該區需注意在F8斷層盤面打隨機加密錨桿并提高灌漿壓力以加強支護。

④拱架全部接下來后進行Ⅳ區開挖。該區基本為松散巖土，出部分渣，保留足夠的、能護掌子面的擋渣，然后繼續進行Ⅰ區開挖，重復以上步驟。

(4)監測:支護完成后，做觀測點加強監測，及時分析監測成果。實踐表明:支護完成后，圍巖的應力還有部分調整，對變形應做出合理判斷，對變形已多次超出規范且還在不斷加大的部位，應立即采取更強的內撐支護措施，如打6 m長的加長、加密的固結性錨桿等。

2.3.5 小 結

(1)對不良工程地質洞段的處理正如醫生做手術，動手術前對“毒瘤”的性質需要有準確、全面的認識，然后制定出一套切合實際、穩妥的操作方案，才能駕馭自如。巴貢水電站引水隧洞采用該方法獲得成功后，在后來幾條隧洞的施工中亦順利通過了有F8斷層影響的不良地質段。

(2)“新奧法”理論的精髓為隧洞的主要承載部分是圍巖。對不良的工程地質洞段處理更需要強調:及時采用柔性和剛性并濟的支護方式與圍巖結合成一整體來承受二次應力。

(3)開挖前做好地質預報，防范于未然。

3 結語

巴貢水電站引水隧洞開挖于2006年6月結束，總體而言，隧洞開挖采用的施工技術是成功的，反映了中國水電施工技術在國際上處于領先水平，得到了世界同行，包括世界知名建筑工程公司(澳大利亞雪山公司等)的咨詢工程師的一致肯定，為中國水電施工技術的推廣和企業在東南亞市場開拓奠定了又一堅實的基礎。