趙小琴,歐亞明,程嘉華

(中國葛洲壩集團巴基斯坦N-J項目部,陜西 西安 710000)

水電站引水隧洞穿河段施工技術(shù)

趙小琴,歐亞明,程嘉華

(中國葛洲壩集團巴基斯坦N-J項目部,陜西 西安 710000)

巴基斯坦NJ水電站工程引水隧洞穿河段水文、地質(zhì)條件十分復(fù)雜,施工難度大、風險高,隧洞開挖過程中多次出現(xiàn)塌方和強涌水.根據(jù)其工程特點,針對性的采取了超前地質(zhì)勘探、破碎圍巖或涌水段的超前支護和灌漿、掌子面塌方和涌水處理、掌子面后涌水處理等多項施工關(guān)鍵技術(shù),成功的完成了引水隧洞穿河段施工.

穿河段;隧洞施工;關(guān)鍵技術(shù);巴基斯坦

1 工程概況

巴基斯坦N-J水電站工程位于巴基斯坦AJK地區(qū),水電站主要建筑物包括大壩、電站進水口、沉砂池、超長引水隧洞、引水調(diào)壓系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、尾水調(diào)壓系統(tǒng)、尾水洞、地面開關(guān)站等.電站裝機4臺,總裝機容量963 MW,額定水頭420 m.引水隧洞采用單、雙洞混合布置,引水線路長度約28.6 km.

引水隧洞雙線洞部分洞段從Jhelum河下方穿過,該處河床寬100～110 m,水面寬度約70～80 m,枯水期水深2～3 m,引水隧洞距河床最低處約165 m.隧洞采用鉆爆法開挖,開挖斷面為8.45 mX9.5 m(WXH)馬蹄形,斷面面積107 m2.

2 地質(zhì)條件

穿河段上游側(cè)緊鄰Muzaffarabad大斷層,受該斷層影響隧洞圍巖完整性較差,總體較破碎,裂隙發(fā)育.圍巖為第三系的Murree組,主要為SS-1砂巖、SS-2砂巖、粉砂巖和泥巖;圍巖類別以Q4a,Q4b為主,少量Q3和Q5類.

3 施工重點和難點

穿河段施工過程中,主要存在以下施工重點和難點:

①施工期超前地質(zhì)勘探;②破碎圍巖或涌水段的超前支護和灌漿;③掌子面塌方和涌水處理;④掌子面后的涌水處理.

4 穿河段施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工期超前地質(zhì)勘探技術(shù)

在穿河段開挖過程中,左右洞掌子面軸向間距應(yīng)保持25 m以上;在位置靠前的工作面上進行超前取芯勘探,鉆孔長度100～200 m.

鉆孔過程中,根據(jù)回水流量判斷是否發(fā)生涌水及可能涌水量.發(fā)生涌水時,暫停鉆進,對涌水時間和鉆孔深度進行記錄,記錄涌水壓力、涌水量及其攜帶泥沙情況.當涌水量小于100 L/min、壓力小于0.5 MPa,具有逐漸衰減趨勢時,繼續(xù)鉆進;當涌水量大于100 L/min或壓力大于0.5 MPa時,需灌漿堵水處理.灌漿結(jié)束48 h后,觀測灌漿后的處理效果.若涌水量小于50 L/min時,繼續(xù)鉆進,若不滿足,繼續(xù)處理至滿足以上要求.

4.2 破碎圍巖或涌水段的超前支護和灌漿技術(shù)

4.2.1 超前灌漿

超前灌漿在隧洞周邊360°范圍布置超前灌漿孔,向隧洞軸線前方呈傘狀布置,孔深一般為20 m.一般情況下,洞周均勻布設(shè)Ⅰ序孔4個,Ⅱ序孔4個,特殊地段布置Ⅲ序孔進行加密.

超前灌漿一般不進行壓水試驗,只測定涌水壓力,從而確定灌漿壓力.單純處理破碎圍巖時,灌漿材料采用純水泥漿液;當處理涌水時,采用水泥-水玻璃雙液漿灌漿.一般情況下都采用先稀漿后濃漿,先低壓后高壓,灌漿壓力為2.0～5.0 MPa.在穩(wěn)定的灌漿壓力下,當吸漿量不大于5 L/min,繼續(xù)灌注10 min,結(jié)束灌漿,多孔并聯(lián)灌漿時,當吸漿量不大于15 L/min,繼續(xù)灌注15 min后結(jié)束灌漿.

4.2.2 超前管棚支護及灌漿

圍巖破碎段開挖前先進行超前灌漿,在超前灌漿完成的基礎(chǔ)上,根據(jù)需要實施頂拱超前支護.穿河段一般選用管棚對圍巖進行超前支護和灌漿.

管棚鉆孔布置在隧洞頂拱區(qū)域120°～180°范圍,孔距為0.3～0.4 m,鉆孔孔徑?133 mm,沿隧洞軸線外偏角7°～10°,呈傘狀向外輻射布置,鉆孔長度深入掌子面內(nèi)6 m或12 m,兩個相鄰循環(huán)灌漿孔的之間搭接長度不小于2 m或4 m.

管棚現(xiàn)場采用?89 mm無縫鋼管制作,長度6 m或12 m,管壁設(shè)梅花型出漿孔,孔徑?8 mm,間距為30 cm;亦可采用廠家成品跟進式管棚,該管棚帶有配套鉆頭,每節(jié)管棚之間采用絲口連接,具有不卡鉆具、安裝快、一次性成功的諸多優(yōu)點,在圍巖比較破碎的情況下采用這種管棚優(yōu)勢十分顯著.

4.3 掌子面塌方和涌水處理技術(shù)

穿河段開挖過程中,多次遭遇掌子面塌方和強涌水,生產(chǎn)過程中,總結(jié)出了一套行之有效的掌子面塌方和涌水處理方案,具體施工要點如下:

1)保證排水能力.安排充足的排水泵,加強對排水系統(tǒng)的維護,各級泵站24 h人員值班,水泵維修人員24 h現(xiàn)場待命.

2)及時封閉掌子面.在排水的同時,為防止塌方縱向延伸,造成掌子面進一步塌方,首先采用裝載機對塌方的掌子面進行石渣回填,再在渣體回填區(qū)外側(cè)分層澆筑混凝土,形成現(xiàn)澆混凝土堵頭,對掌子面進行封閉.

3)灌漿堵水.通過混凝土堵頭下部預(yù)埋的DN250鋼管,對渣體回填區(qū)進行固結(jié)灌漿,灌漿過程中,混凝土上部預(yù)埋的DN100鋼管作為排水泄壓孔.逐一關(guān)閉堵頭底部排水管,觀察堵頭表面滲漏情況,標記漏水點,對漏水部位進行鉆孔灌漿封堵.在掌子面后頂拱8點至3點方向,鉆9個灌漿孔,前段盡可能接近塌腔,并安裝DN80超前管棚.利用混凝土堵頭上部預(yù)埋的DN100鋼管對堵頭后渣體回填區(qū)進行灌漿(純水泥漿或濃砂漿),灌漿過程中利用頂拱超前管棚作為排水泄壓孔.最后對DN80超前管棚進行灌漿,灌注順序由兩側(cè)向中間推進,各管路出現(xiàn)漿液外漏時及時關(guān)閉閘閥,灌漿壓力5 MPa.采用逐級升壓灌注,每一個壓力級別停留3～5 min,若出現(xiàn)掌子面后外漏或串漿,應(yīng)及時進行封堵.采用濃漿間歇法或雙液灌漿法,必要時可采用化學(xué)灌漿進行堵漏.

4)混凝土堵頭及回填渣體開挖支護.采用弱爆破對混凝土堵頭的臺階進行拆除,使混凝土堵頭形成平面,便于后續(xù)爆破鉆孔、開挖.混凝土堵頭爆破拆除時,側(cè)墻及頂拱預(yù)留1～1.5 m厚保護層,以免破壞原有支護系統(tǒng).采用短循環(huán)、弱爆破、強支護的方式,對混凝土堵頭及回填渣體段進行開挖支護,直至塌方體部位.

5)塌方部位開挖支護.對掌子面周邊及前方進行超前灌漿,孔深分別為15 m和5 m,重復(fù)進行掃孔灌漿直至無涌水;掌子面進行開挖視現(xiàn)場情況采用全斷面或分為上下2層進行,每循環(huán)開挖1 m,開挖完成后及時采用管棚及鋼肋條進行支護,管棚間距35 cm,長度12 m,搭接4 m,鋼肋條間距15 cm,使用噴射混凝土覆蓋管棚及鋼肋條.

4.4 掌子面后的涌水處理

已開挖部位仰拱出現(xiàn)涌水時,先對仰拱涌水區(qū)域進行清基,鉆設(shè)排水孔并安裝鋼管進行排水,在清理區(qū)域安裝網(wǎng)片、插筋后澆筑混凝土,通過排水管對仰拱出水部位進行灌漿.若仰拱涌水壓力過大,澆筑全斷面混凝土廊道對涌水圍巖段進行封閉然后進行灌漿.

已開挖部位邊墻或頂拱涌水時,亦采用澆筑混凝土廊道對該洞段進行封閉,然后進行灌漿,此處理方式工程量小且能盡快恢復(fù)掌子面開挖施工.

涌水部位鉆設(shè)排水泄壓孔,在孔內(nèi)安裝鋼管、軟管進行排水.根據(jù)涌水量大小計算外水壓力,從而確定澆筑混凝土厚度以保證廊道結(jié)構(gòu)安全.根據(jù)出水部位長度及隧洞洞型,確定廊道混凝土澆筑時的段長及分層高度.由于混凝土廊道內(nèi)部空間難以滿足安裝鋼襯空間要求,灌漿作業(yè)完成后,對澆筑的混凝土廊道進行爆破移除.

5 結(jié)語

巴基斯坦N-J水電站穿河段水文、地質(zhì)條件十分復(fù)雜,工程前期勘察深度不足,工期緊迫、施工難度大,塌方和強涌水問題突出,按照"管超前、嚴注漿、短循環(huán)、弱爆破、強支護、快封閉、勤監(jiān)測、速反饋"的原則施工,并針對性的采取了超前地質(zhì)勘探、超前支護和灌漿、掌子面塌方和涌水處理、掌子面后涌水處理等多項施工關(guān)鍵技術(shù),成功的完成了引水洞穿河段施工.安全監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,洞室穩(wěn)定,各項指標正常.施工過程中采取的各項關(guān)鍵技術(shù)是成功的,對于類似工程具有一定的參考價值.

[1]馮興龍,王煥明,陳恩瑜,等.巴基斯坦N-J水電工程引水隧洞開挖關(guān)鍵技術(shù)[J].人民長江,2014,45(1):62-65.

[2]胡泉光,陳方明,陳恩瑜.深埋長引水隧洞TBM施工關(guān)鍵技術(shù)探討[J].人民長江,2015,46(7):19-21.

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