胡鲁水电站尾水隧洞大断层超前强支护施工技术

李 海 原

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

胡鲁水电站位于马来西亚登嘉楼州肯逸尔(Kenyir)水库西北，主要由导流洞、大坝、进水口、引水发电洞、地下厂房、地下尾水调压室、尾水洞等组成，装机两台，共计250 MW。业主为马来西亚国家电力公司，咨询方主要为加拿大SNC LAVALIN公司。该项目由中国水利水电第七工程局和马来西亚本地一家公司组成的联营体中标承建，工程于2011年5月开工，2015年8月建成发电，运行良好。

胡鲁水电站尾水洞进口接调压室、出口位于肯逸尔水库中。隧洞长1 175 m，最大开挖断面为直径9.8 m的马蹄形。原计划从出口分上下台阶开挖施工并承担地下厂房和尾水调压室底部出渣的通道。该尾水洞高程为136 m(出口)～121.5 m(进口)，坡度为1.23%，上覆岩层厚26～206 m。工程范围为具有低地震活动和二叠纪南北向大规模褶皱的地质特征，主要岩性包括沉积岩(低变质)：碳质页岩、粉砂岩、细粒砂岩，火山岩(安山岩)，沉积/火山岩互层，在沉积/火山岩互层中间出现了一个大断层，该断层核心区有一段软土层段。隧洞(洞顶)位于地下水位线和肯逸尔水库常年蓄水位线以下，地下水丰富。从该尾水洞出口掘进347 m到桩号0+828处遇到断层，断层倾斜角度大，呈南北走向(与隧道轴线正交)，至桩号0+711穿过断层进入到相对完整的安山岩区。同断层前遇到的较完整的页岩不同，围岩变为安山岩夹泥层，位于断层区的泥层总体呈两端薄、中间厚的状态，至断层核心区为一段长约39 m的全土层段(桩号0+763～0+724)。断层带两端的安山岩呈轻微风化、灰黄色，到中部风化程度变高、颜色至深，呈褐色，硬度也从两端到中部逐渐变弱。泥层从两端相对密实干硬的黄褐色到中部的棕黑色泥碳，土层颗粒也从两端大到中间逐渐变细。至断层处地下水突增，由原来的流量小于1 L/s到大于3 L/s，核心区增加到大于5 L/s[1]。

由于断层跨度大、围岩破碎导致不能自稳成洞且地下水丰富，施工中尽管采取了常规超前支护措施还是发生了3次塌方，严重影响到工程进展。为此，项目团队和咨询工程师们一起多次对现场的地质、水文条件进行分析，找出了塌方原因，制定了断层处理原则，针对断层的夹层和土层分别编制了开挖支护技术措施。

2 断层处理原则

根据合同文件提供的地质报告和设计图，桩号0+815～0+715为一段100 m长的沉积岩和火成岩互层段。为此，咨询公司对互层段相应的不良地质段开挖支护进行了专项设计，项目部也在施工前做好了相应的不良地质段施工准备。

施工时发现地质条件变化和塌方发生后，项目部及时通知了咨询方和业主，一起确认了断层并制定了总体采取安全、稳妥的处理原则，具体包括：先采用增加额外的措施稳住断层后区，增加排水措施用于减少断层区承压水的水压，强支护稳固穹顶并保证掌子面不塌，探明前方地质情况，采取强超前支护措施确保开挖面稳定，保留中部核心土、分区短进尺、少扰动开挖和支护及时跟上，勤观测[2]。

3 针对断层采取的施工措施

3.1 夹层区断层开挖支护措施

夹层区上台阶断层处理采用的主要技术工艺为：

(1) 及时封闭开挖面。根据新奥法，开挖后采用喷浆台车立即喷5 cm厚钢纤维(35 kg/m3)混凝土(增加速凝剂以提高早期强度)封闭掌子面和开挖面，形成“初拱”并阻止围岩风化，改善开挖后的应力分布，增强隧洞的自稳性。断层区典型开挖支护图见图1，断层(夹层区)开挖支护剖面图见图2。

图1 断层区典型开挖支护图

图2 断层(夹层区)开挖支护剖面图

(2) 排水减压。根据现场情况采用三臂钻在掌子面和其它渗水部位增加排水孔，孔深9 m，安装直径50 mm的PVC排水管，排水管上采用梅花形钻孔，用土工布包裹，排水管外用塑料软管集中引水到排水沟；对于不能通过排水孔汇集的分散渗水，采用土工布或风筒布固定在洞壁收集以避免散水影响开挖面施工，开挖后及时打排水孔将围岩内的承压水排除以减少围岩内的水压力。

(3)加固断层段后区。从断层段往后4 m增加了5榀(间距1 m×1 m)275 MPa等级、型号为200 mm×200 mm×49.9 kg的工字钢，将钢拱架和原施工的预应力锚杆焊接连接，拱架之间通过连接钢筋相连成一整体，喷250 mm厚钢纤维混凝土(分两次喷)。断层分界或塌方区基本稳定后，在处理断层或塌方前宜先采取加固措施稳固后区、避免后区进一步塌方或围岩严重变形而出现安全隐患，亦为前方断层或塌方区的处理提供一个安全区。

(4) 灌浆。对新增工字钢范围和掌子面顶部180°范围、沿洞轴线范围采取了预灌浆措施，灌浆孔深9 m，间排距为1 m×1 m，孔向与轴线方向的夹角为6.5°。灌浆压力根据现场吃浆情况进行调整，添加部分速凝剂以加速凝结。每个循环的灌浆搭接长度为6 m。隧洞掌子面和拱周采用超前灌浆以使前方开挖区松散的夹层或泥层提前固结成一整体以增加围岩的成洞自稳性。

(5)面钉施工。对掌子面中心以上180°范围布置了4排、间距为1 m×1 m、直径20 mm、长12 m的面钉，面钉平行于洞轴线布置，每个循环搭接长度为6 m。面钉是一种特殊的玻璃材质，硬度同锚杆，具有一定的挠度，向前开挖施工时采用反铲和电锤能直接切断而不影响开挖进度。采用三臂钻钻孔，灌水泥浆后插入面钉，灌浆液里添加部分速凝剂以提高混凝土的早期强度。采用12 m超长面钉技术加固了掌子面，增强了开挖区的稳定。该施工方法在国内煤建工程中已得到采用，但在其它基建项目少见使用。

(6)管棚施工。在掌子面中心线以上180°范围设置了管棚，采用φ114.3 mm(管径) ×6.3 mm (管壁厚)等级275 MPa的大管棚，管棚中心间距为0.5 m，每循环呈锯齿状并相对轴线6.5°发散布置，管棚长9 m，每个循环采用锯齿性错台和3 m长的搭接布置。管棚前6 m布置梅花孔以使灌浆液能渗入到周围的岩土中。为方便安装，管棚前面呈子弹尖状。开挖区四周提前灌浆后，采用9 m长的大管棚沿洞轴线伞状布置，对比平行洞轴线布置管棚其受力更合理，也方便了管棚施工且不影响后期混凝土衬砌，增强了上台阶整个拱区的围岩强度；管棚前端开梅花形渗浆孔，采用压力灌浆使管棚前端形成半个锚桩圈，所形成的超前封闭预支撑系统增强了隧洞围岩的稳定性[3]。

(7)钢拱架施工。断层区内的钢拱架为榀间距1 m、等级275 MPa、型号为200 mm×200 mm×49.9 kg的工字钢，将钢拱架和原施工的预应力锚杆焊接连接，拱架之间通过连接钢筋相连成一整体，拱脚采用两根3 m长的锁脚锚杆固定，喷250 mm厚钢纤维混凝土(分两次喷)。断层中采用大工字钢体系为隧洞的整体稳定起到了关键性的内支撑作用。

(8)钻地质观察孔。采用地质钻机在掌子面中心钻20 m深、76 mm直径的地质观察孔，取岩芯以探明前方的地质情况。

(9)上下台阶分区段进尺开挖支护。上台阶开挖采用保留中部核心土、分左右两半区域先后开挖、最后开挖核心土的方式；尾水洞上台阶贯通后进行下台阶的开挖，下台阶亦分左右两个区域先后开挖(不同时开挖)、钢拱架延伸至基础并固定好。为减少振动，采用地质钻机头挫岩土(对于局部钻机不能到达的部位采用电钻撬岩土)，每次进尺1 m，开挖后，立即喷钢纤维混凝土封闭开挖面，重复以上步骤。在做好超前支撑后采取短进尺、分区、钻机破土方式进行开挖，以确保围岩的稳定[4～5]。

(10)安装监测仪。沿隧洞每隔5 m安装一组收敛监测仪器，实施每天一次的变形观测，绘制位移图，分析围岩变形情况。

3.2 断层核心区土层段开挖支护措施

随着断层内夹层区开挖的推进，泥层逐渐变厚至全部为泥炭层，施工过程又发生了两次塌方：掌子面顶部滑塌、超前管棚被打折、拱架严重下塌变形、最大的塌方穹腔高度达8 m，塌方部位地下涌水大(流量超过5 L/s)，底板松软隆起呈弹簧土。项目部技术人员和咨询地质工程师一起对塌方进行深入研究后一致认为泥层段相对松散，前面设计的管棚间距大和强度不够导致其不能起到有效的超前支撑作用；预灌浆孔距大、密度不够导致其不能固结泥层；拱架间距过大且基础强度不够不能支撑上部结构。为此，在已采用的夹层处理技术基础上，结合现场实际地质情况采用了以下加强支护措施。断层区(土层区)加强开挖支护情况见图3。

图3 断层区(土层区)加强开挖支护图

(1)加厚封闭层喷混凝土。喷10 cm(原为5 cm)厚钢纤维混凝土封闭塌方面。

(2)加强排水。增加排水孔数量和水泵(并备用一定数量的水泵和备用发电机，防患水泵故障和停电等)，加大排水强度以保障工作面不积水。

(3)对塌方体施工泡沫混凝土。对塌方空腔分段埋钢管浇筑C6轻质泡沫混凝土(配合比为每m3：160 kg砂，650 kg OPC-430型号水泥，150 kg水，6.5 kg高效减水剂和11 kg聚酯泡沫颗粒)填满塌方体，埋灌浆管注浆以确保空腔密实。采用轻质泡沫混凝土填充塌方区空腔减少了对隧洞支撑系统的压力。

(4)增加管棚的数量和强度。调整管棚间距为0.3 m，增加一圈管棚(实际在塌方位置布置了3圈)，每圈错开孔布置。在管棚内灌浆后增加了3根、直径为25 mm、9 m长的钢筋束以增加其抗挠度。为增加灌浆压力，在管棚口焊接了一块铁板进行封口，铁板上预留了两个灌浆孔，其中一个孔接灌浆管到底部，另一个位于孔口，分段高压灌浆。每圈的每根管棚采用钢筋焊接为一个环形整体以增强管棚的整体受力。

(5) 增加灌浆。调整掌子面和穹顶超前灌浆孔密度为0.5 m×0.5 m，以增加灌浆量。

(6) 增加面钉。调整面钉间排距为0.75 m×0.75 m，以增加面钉量。

(7)调整钢拱架间距，拱架基脚采用小管棚桩施工。调整钢拱架间距为0.5 m，对拱架基础采用小管棚桩(钢拱架基脚焊接一块940 mm×370 mm×20 mm的钢板，两边打孔，孔内插入3 m长、直径为38 mm的小管棚，管棚前1.5 m打孔以确保高压灌浆液渗入四周形成一桩头，将管棚和钢板焊接在一起，在管棚内另外插入一根φ25 mm钢筋以增加其强度，距钢板四周10 cm外立20 cm高模板，喷满钢纤维混凝土形成一包裹钢板的混凝土基脚)加固。

(8) 换填底板基础。鉴于土层区底板土层与水形成淤泥而影响到设备和人员施工，采用了挖除土层区底部的淤泥、用洞外良好的石洞渣置换的方式，确保了工作底板具有一定的强度、不陷设备而影响到施工和隧洞的稳定。

(9) 调整开挖分区和闭合钢拱架施工。上台阶开挖采用保留中部核心土，分左、右、正顶拱和核心土四个区开挖的方式；每次进尺减为0.5 m；下台阶开挖增加了底部工字钢与两边拱架脚相连，在底部工字钢后面设置了一层直径为8 mm、网孔为100 mm×100 mm的钢筋网片，喷混凝土形成一封闭拱架环以增加隧洞在土层中的整体稳定并抑制土层隆起以提供一定强度的工作面，确保施工设备正常通行。

(10)调整收敛监测方案。调整收敛监测仪为每隔2.5 m(塌方位置另行安装)安装一组变形监测仪器，每天至少进行两次变形观测，绘制位移图，分析围岩变形情况，根据围岩变形情况采取加固和避险措施。

(11) 增加地质探孔。在隧洞穹顶和塌方区增加地质探孔以便更好地掌握前方地质情况，及时调整开挖支护措施。

另外，在组织管理方面，鉴于地下隧洞开挖支护采用的是常规劳务分包模式，由于隧洞不良地质条件导致开挖支护进度慢、安全风险大，遂重新抽调并组织经验丰富的管理人员、作业队伍组成专项施工队，严格按照既定的技术措施谨慎实施，严控施工质量，保障安全，待灌浆、浇筑等作业工序达到相应强度后再进行开挖作业，否则欲速则不达。

4 结 语

胡鲁水电站尾水隧洞施工时因断层跨度大，其核心区的泥层处理困难，尽管发生了三次坍塌，项目团队根据设计施工图、结合咨询地质工程师意见和现场实际地质情况，及时调整并补充了相关施工技术，没有发生人员伤亡和设备损失情况，成功地穿越了大断层。

断层处理导致施工效率降低，最慢处10 d仅达到日进尺0.2 m的水平，断层处理亦影响到项目总工期，业主在其后批复了项目部提出的新增一条128 m长的交通隧洞的赶工措施和相应的赶工费。胡鲁项目整体履约较好，业主很满意，为公司在马来西亚业界获得了良好的信誉和口碑，为公司后续在马来西亚收获较多项目奠定了良好的基础。