NJ水電站引水隧洞常規鉆爆法穿越斷層破碎帶的開挖支護實踐

文/譚若憨 中國葛洲壩集團第三工程有限公司 陜西西安 710077

1、工程概述

巴基斯坦N-J水電項目位于巴基斯坦東北部克什米爾首府MUZAFFARABAD地區，是一座典型的長隧洞引水式發電站，總裝機容量963MW，引水隧洞單側軸線長度28.55公里，單雙洞交錯布置，隧道總里程48.2km。該工程位于喜馬拉雅山系大斷裂帶，地質活動頻繁，地質情況復雜多變。工程設計階段的地質勘查工作完成于1996年，但2005年南亞8級大地震的震中剛好位于該地區，震后地質情況發生了復雜的變化，這又為地質勘測資料原本就不完整的工程施工增加了不可預估的風險。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大斷層長度約為927m，引水洞軸線需穿越幅寬不等的地質斷層帶十余處，地質斷層帶薄層砂巖與泥巖交錯分布，且巖石破碎，裂隙及其發育，破碎帶砂巖段時常伴有涌水，圍巖自穩性很差，開挖后巖石的變形收斂快，給隧洞開挖支護的穩定性帶來巨大的風險和挑戰。

2、隧洞施工原理

隧洞施工過程中主要涉及Q系統巖石分類法、光面爆破技術和采用新奧法錨噴支護理念，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手段，及時對圍巖進行加固，約束圍巖的松弛和變形，并通過對圍巖和支護結構的監控、測量來指導地下工程的設計與施工。同時針對C2標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等特殊情況，采用了自進式錨桿或水漲式錨桿支護和及時噴護封閉，并通過優化爆破設計，合理選取支護參數，加強超前探測和超前支護相結合等手段，確保了施工安全和洞室穩定。

3、不良地質條件下的施工流程及操作要點

不良地質段隧洞開挖必須及時跟進支護，針對圍巖斷層破碎帶，節理、層理及裂隙發育，層面交錯，風化嚴重，致使圍巖自穩能力極差，成型困難的隧洞地質段，應嚴格按照“早預報，管超前、嚴注漿、短循環、弱（不）爆破、強支護、快封閉、勤測量、速反饋”的施工原則，做好超前探測和超前支護，在隧洞周邊超前小管棚注漿預固結圍巖的保護下，同時優化爆破設計和合理選取支護參數，采取短循環（循環進尺不超過2.5m）的開挖方式，減少爆破對圍巖的擾動，必要時采用機械短循環開挖代替鉆爆法開挖，開挖完成后，快速進行支護。其具體方法如下：

3.1 超前勘探

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

3.2 超前支護

本工程根據前序循環地質素描信息和超前勘探資料，針對不同地質情況，分別對頂拱不同范圍內采用了超前錨桿+剛肋條、超前小管棚（L=6m，D=48mm）和新型可套接管棚（L=25m，D=89mm）三種不同強度的超前支護方式，有效地保障了施工過程中隧洞頂拱安全，規避了塌方風險。

3.3 測量放樣

每循環開挖前嚴格按照施工圖紙和爆破設計測放開挖邊線和爆破孔控制點位，確保精準施工。

3.4 鉆爆破孔，吹孔裝藥，聯網爆破

對于不良地質段爆破設計，為了減少爆破波對圍巖擾動，采用半秒雷管代替毫秒雷管起爆，減弱爆破波疊加效應，根據不同圍巖特點及時調整爆破參數，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，確保光面爆破質量，每循環嚴查炮眼的布置、數量、深度和角度、裝藥量和裝藥結構、起爆方法和順序等，確保爆破后隧洞成型質量。

3.5 通風排煙

爆破后及時向作業面供風，確保30分鐘內將炮煙排出，保障下道工序正常銜接。

3.6 出渣

根據爆破石渣方量、運輸里程和設備裝載及運載能力，合理配備出渣設備數量，確保及時性和連續性，最大限度縮短出渣時間，確保初始支護的及時性。

3.7 排險剝落

出渣完成后，根據巖石情況采用挖掘機或人工手持剝落棒站在剝落臺車上對洞頂及邊墻松動巖石進行排險剝落。

3.8 地質素描和測量驗收

地質素描主要是進行掌子面巖層、巖性描述(包括巖石風化破碎程度、巖體結構狀態等)、地層分界面產狀及其位置、巖層產狀及其變化測定、構造(斷層等)位置、產狀、寬度測定、斷層性質描述、節理裂隙統計，包括發育分布位置、產狀、組數、節理面閉合張開狀態、節理面形態、節理面充填情況，掌子面涌滴水位置的確定、涌滴水量測定或估算，特殊地質現象描述。如巖溶洞穴位置、形狀、充填物性質，坍方體、涌泥沙出現位置、方量等。根據掌子面地質描述圍巖情況，確定支護參數和方案及下一循環開挖方案。同時，采用萊卡全站儀進行全斷面驗收，確定掘進進尺和超欠挖情況，如存在欠挖，需將欠挖部位開挖至設計輪廓線。

3.9 初噴

初噴重點控制及時性，噴射前用高壓風帶少量的水將巖壁面的粉塵、雜物吹干凈，然后采用濕噴臺車對圍巖進行7-8cm鋼纖維砼噴護，如遇裂隙滲水情況，需在滲水點鉆取排水孔，安裝PVC軟管進行引排后噴護，對于散水滲水情況，需使用土工布進行引導水流，避免滲水破壞基巖面與噴護面結合強度，影響噴護效果。噴護應由下向上分層分塊噴護，每段長度為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，砼噴護完成后表面必須平順，同時做好噴護區域排水工作，確保邊墻噴護至拱腳，防止邊角裸露導致邊墻支護薄弱，造成“腿軟”出現巖體滑層坍塌現象。

3.10 錨桿造孔、安裝及注漿

錨桿點位放樣，間排距應梅花型布置，常規段根據不同支護方案分別選用4m、5m或7m長鍍鋅砂漿錨桿，采用兩臂鉆進行錨桿造孔，錨桿造孔完成后，進行清孔驗孔，然后進行錨桿安裝及錨桿注漿，控制注漿速度和壓力，確保孔內注漿飽滿，待孔內砂漿凝固8小時后，采用專用扳手將錨桿墊片上的螺帽擰緊。對于C2標斷層帶存在的圍巖剪切破碎嚴重導致錨桿孔塌孔，錨桿插入困難的情況，本工程采用了中空自進式錨桿直接鉆入巖體，然后通過錨桿中空體進行灌漿固結，起到了較好的支護效果，對于錨桿孔滲水情況采用了水漲式錨桿和漲殼式錨桿支護，確保了支護質量和強度。

3.11 掛網或安裝鋼肋條及鋼格柵

安裝網片或鋼肋條及鋼格柵需在初噴鋼纖維砼初凝后進行，網片為φ6mm鋼筋網，網格尺寸為10cm×10cm，安裝時需緊貼巖面，網片距巖面≥5cm，網片搭接長度為20cm，采用錨桿墊片固定網片或采用電鉆向墻體鉆20cm深的孔，安裝φ10的鋼筋，鋼筋長35cm為宜，然后將外露砼面鋼筋扳彎來固定網片。安裝鋼肋條采用φ16的螺紋鋼，間距15-20cm，φ16的聯系筋間距為50cm。鋼格柵安裝間距為1m每榀，φ16的聯系筋間距為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1.2m，入巖深度1m，間距1.5m。

3.12 二次噴護

由于錨桿造孔時有巖漿或泥漿從孔內流出黏貼在噴護砼表面上，在復噴時需用高壓風帶少量的水將巖壁面的巖漿或泥漿清洗干凈，然后采用濕噴臺車進行8-10cm復噴。

3.13 收斂變形觀測

完成初始支護段應及時安裝收斂觀測點，定期采集洞室圍巖收斂數據，如發現收斂變形較大導致初始支護破壞情況，及時采取加強支護方式處理，確保隧洞整體穩定。

3.14 特殊地段處理

對于軟弱泥巖斷層帶需格外重視仰拱封閉跟進和作業面加固施工，及時澆筑仰拱以形成閉合受力結構，本工程為了節約施工時間，對局部軟弱泥巖段仰拱采取了安裝φ6mm網片和20cm鋼纖維噴護施工，取得了較好的支護效果，對于無法自穩的作業面上噴護了5cm厚混凝土，布設了長度7m，間距1.5m＊1.5m超前錨桿，保障了支護期間和掘進過程中的施工安全。對于砂巖破碎段主要做好超前探孔施工和超前帷幕灌漿，對比地質取芯資料和前序地質素描節理裂隙發育及走向情況，采取相應的超前支護手段，規避爆破后塌方風險。

結論：

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

參考文獻:

[1]馮紫良，章曾煥.《新奧法設計施工與管理》.中國建筑出版社，2015.01.

[2]李曉紅.《隧洞新奧法及其量測技術》.科學出版社，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.