胡魯水電站尾水隧洞大斷層超前強支護施工技術

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，主要由導流洞、大壩、進水口、引水發電洞、地下廠房、地下尾水調壓室、尾水洞等組成，裝機兩臺，共計250 MW。業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營體中標承建，工程于2011年5月開工，2015年8月建成發電，運行良好。

胡魯水電站尾水洞進口接調壓室、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。原計劃從出口分上下臺階開挖施工并承擔地下廠房和尾水調壓室底部出渣的通道。該尾水洞高程為136 m(出口)～121.5 m(進口)，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和二疊紀南北向大規模褶皺的地質特征，主要巖性包括沉積巖(低變質)：碳質頁巖、粉砂巖、細粒砂巖，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了一個大斷層，該斷層核心區有一段軟土層段。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347 m到樁號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0+711穿過斷層進入到相對完整的安山巖區。同斷層前遇到的較完整的頁巖不同，圍巖變為安山巖夾泥層，位于斷層區的泥層總體呈兩端薄、中間厚的狀態，至斷層核心區為一段長約39 m的全土層段(樁號0+763～0+724)。斷層帶兩端的安山巖呈輕微風化、灰黃色，到中部風化程度變高、顏色至深，呈褐色，硬度也從兩端到中部逐漸變弱。泥層從兩端相對密實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。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，核心區增加到大于5 L/s[1]。

由于斷層跨度大、圍巖破碎導致不能自穩成洞且地下水豐富，施工中盡管采取了常規超前支護措施還是發生了3次塌方，嚴重影響到工程進展。為此，項目團隊和咨詢工程師們一起多次對現場的地質、水文條件進行分析，找出了塌方原因，制定了斷層處理原則，針對斷層的夾層和土層分別編制了開挖支護技術措施。

2 斷層處理原則

根據合同文件提供的地質報告和設計圖，樁號0+815～0+715為一段100 m長的沉積巖和火成巖互層段。為此，咨詢公司對互層段相應的不良地質段開挖支護進行了專項設計，項目部也在施工前做好了相應的不良地質段施工準備。

施工時發現地質條件變化和塌方發生后，項目部及時通知了咨詢方和業主，一起確認了斷層并制定了總體采取安全、穩妥的處理原則，具體包括：先采用增加額外的措施穩住斷層后區，增加排水措施用于減少斷層區承壓水的水壓，強支護穩固穹頂并保證掌子面不塌，探明前方地質情況，采取強超前支護措施確保開挖面穩定，保留中部核心土、分區短進尺、少擾動開挖和支護及時跟上，勤觀測[2]。

3 針對斷層采取的施工措施

3.1 夾層區斷層開挖支護措施

夾層區上臺階斷層處理采用的主要技術工藝為：

(1) 及時封閉開挖面。根據新奧法，開挖后采用噴漿臺車立即噴5 cm厚鋼纖維(35 kg/m3)混凝土(增加速凝劑以提高早期強度)封閉掌子面和開挖面，形成“初拱”并阻止圍巖風化，改善開挖后的應力分布，增強隧洞的自穩性。斷層區典型開挖支護圖見圖1，斷層(夾層區)開挖支護剖面圖見圖2。

圖1 斷層區典型開挖支護圖

圖2 斷層(夾層區)開挖支護剖面圖

(2) 排水減壓。根據現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；對于不能通過排水孔匯集的分散滲水，采用土工布或風筒布固定在洞壁收集以避免散水影響開挖面施工，開挖后及時打排水孔將圍巖內的承壓水排除以減少圍巖內的水壓力。

(3)加固斷層段后區。從斷層段往后4 m增加了5榀(間距1 m×1 m)275 MPa等級、型號為200 mm×200 mm×49.9 kg的工字鋼，將鋼拱架和原施工的預應力錨桿焊接連接，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)。斷層分界或塌方區基本穩定后，在處理斷層或塌方前宜先采取加固措施穩固后區、避免后區進一步塌方或圍巖嚴重變形而出現安全隱患，亦為前方斷層或塌方區的處理提供一個安全區。

(4) 灌漿。對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°。灌漿壓力根據現場吃漿情況進行調整，添加部分速凝劑以加速凝結。每個循環的灌漿搭接長度為6 m。隧洞掌子面和拱周采用超前灌漿以使前方開挖區松散的夾層或泥層提前固結成一整體以增加圍巖的成洞自穩性。

(5)面釘施工。對掌子面中心以上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，每個循環搭接長度為6 m。面釘是一種特殊的玻璃材質，硬度同錨桿，具有一定的撓度，向前開挖施工時采用反鏟和電錘能直接切斷而不影響開挖進度。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度。采用12 m超長面釘技術加固了掌子面，增強了開挖區的穩定。該施工方法在國內煤建工程中已得到采用，但在其它基建項目少見使用。

(6)管棚施工。在掌子面中心線以上180°范圍設置了管棚，采用φ114.3 mm(管徑) ×6.3 mm (管壁厚)等級275 MPa的大管棚，管棚中心間距為0.5 m，每循環呈鋸齒狀并相對軸線6.5°發散布置，管棚長9 m，每個循環采用鋸齒性錯臺和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，增強了上臺階整個拱區的圍巖強度；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錨樁圈，所形成的超前封閉預支撐系統增強了隧洞圍巖的穩定性[3]。

(7)鋼拱架施工。斷層區內的鋼拱架為榀間距1 m、等級275 MPa、型號為200 mm×200 mm×49.9 kg的工字鋼，將鋼拱架和原施工的預應力錨桿焊接連接，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定起到了關鍵性的內支撐作用。

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

(9)上下臺階分區段進尺開挖支護。上臺階開挖采用保留中部核心土、分左右兩半區域先后開挖、最后開挖核心土的方式；尾水洞上臺階貫通后進行下臺階的開挖，下臺階亦分左右兩個區域先后開挖(不同時開挖)、鋼拱架延伸至基礎并固定好。為減少振動，采用地質鉆機頭挫巖土(對于局部鉆機不能到達的部位采用電鉆撬巖土)，每次進尺1 m，開挖后，立即噴鋼纖維混凝土封閉開挖面，重復以上步驟。在做好超前支撐后采取短進尺、分區、鉆機破土方式進行開挖，以確保圍巖的穩定[4～5]。

(10)安裝監測儀。沿隧洞每隔5 m安裝一組收斂監測儀器，實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 斷層核心區土層段開挖支護措施

隨著斷層內夾層區開挖的推進，泥層逐漸變厚至全部為泥炭層，施工過程又發生了兩次塌方：掌子面頂部滑塌、超前管棚被打折、拱架嚴重下塌變形、最大的塌方穹腔高度達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。項目部技術人員和咨詢地質工程師一起對塌方進行深入研究后一致認為泥層段相對松散，前面設計的管棚間距大和強度不夠導致其不能起到有效的超前支撐作用；預灌漿孔距大、密度不夠導致其不能固結泥層；拱架間距過大且基礎強度不夠不能支撐上部結構。為此，在已采用的夾層處理技術基礎上，結合現場實際地質情況采用了以下加強支護措施。斷層區(土層區)加強開挖支護情況見圖3。

圖3 斷層區(土層區)加強開挖支護圖

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

(3)對塌方體施工泡沫混凝土。對塌方空腔分段埋鋼管澆筑C6輕質泡沫混凝土(配合比為每m3：160 kg砂，650 kg OPC-430型號水泥，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，埋灌漿管注漿以確保空腔密實。采用輕質泡沫混凝土填充塌方區空腔減少了對隧洞支撐系統的壓力。

(4)增加管棚的數量和強度。調整管棚間距為0.3 m，增加一圈管棚(實際在塌方位置布置了3圈)，每圈錯開孔布置。在管棚內灌漿后增加了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行封口，鐵板上預留了兩個灌漿孔，其中一個孔接灌漿管到底部，另一個位于孔口，分段高壓灌漿。每圈的每根管棚采用鋼筋焊接為一個環形整體以增強管棚的整體受力。

(5) 增加灌漿。調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。調整面釘間排距為0.75 m×0.75 m，以增加面釘量。

(7)調整鋼拱架間距，拱架基腳采用小管棚樁施工。調整鋼拱架間距為0.5 m，對拱架基礎采用小管棚樁(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，在管棚內另外插入一根φ25 mm鋼筋以增加其強度，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。鑒于土層區底板土層與水形成淤泥而影響到設備和人員施工，采用了挖除土層區底部的淤泥、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度、不陷設備而影響到施工和隧洞的穩定。

(9) 調整開挖分區和閉合鋼拱架施工。上臺階開挖采用保留中部核心土，分左、右、正頂拱和核心土四個區開挖的方式；每次進尺減為0.5 m；下臺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置了一層直徑為8 mm、網孔為100 mm×100 mm的鋼筋網片，噴混凝土形成一封閉拱架環以增加隧洞在土層中的整體穩定并抑制土層隆起以提供一定強度的工作面，確保施工設備正常通行。

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

(11) 增加地質探孔。在隧洞穹頂和塌方區增加地質探孔以便更好地掌握前方地質情況，及時調整開挖支護措施。

另外，在組織管理方面，鑒于地下隧洞開挖支護采用的是常規勞務分包模式，由于隧洞不良地質條件導致開挖支護進度慢、安全風險大，遂重新抽調并組織經驗豐富的管理人員、作業隊伍組成專項施工隊，嚴格按照既定的技術措施謹慎實施，嚴控施工質量，保障安全，待灌漿、澆筑等作業工序達到相應強度后再進行開挖作業，否則欲速則不達。

4 結 語

胡魯水電站尾水隧洞施工時因斷層跨度大，其核心區的泥層處理困難，盡管發生了三次坍塌，項目團隊根據設計施工圖、結合咨詢地質工程師意見和現場實際地質情況，及時調整并補充了相關施工技術，沒有發生人員傷亡和設備損失情況，成功地穿越了大斷層。

斷層處理導致施工效率降低，最慢處10 d僅達到日進尺0.2 m的水平，斷層處理亦影響到項目總工期，業主在其后批復了項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的趕工費。胡魯項目整體履約較好，業主很滿意，為公司在馬來西亞業界獲得了良好的信譽和口碑，為公司后續在馬來西亞收獲較多項目奠定了良好的基礎。