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(zhèn)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(jìn)水口、引水隧洞、發(fā)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(guī)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(guī)模在東南亞同領(lǐng)域內(nèi)首屈一指。

巴貢水電站引水發(fā)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(jìn)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(jù)當(dāng)時進(jìn)水口和廠房邊坡的施工情況，結(jié)合隧洞施工工期，在上游進(jìn)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(jù)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(dǎo)井，后鉆爆擴(kuò)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(fēng)排煙問題、豎井施工和對不良地質(zhì)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(fēng)排煙處理

2.1.1 面臨的通風(fēng)排煙問題

(1)通風(fēng)排煙問題主要集中在1號支洞內(nèi)，支洞長(380 m)，洞內(nèi)工作面多(16個)，施工機械設(shè)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(nèi)與洞外炎熱的溫度持平。

(3)主要的通風(fēng)口為支洞，未設(shè)通風(fēng)洞(井)。

(4)業(yè)主環(huán)保部對施工環(huán)境要求異常嚴(yán)格。

2.1.2 解決方式

(1)輔助通風(fēng):采取了傳統(tǒng)的壓入、吸出的混合通風(fēng)方式:

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

②爆破、噴混凝土?xí)r在工作面打開部分系統(tǒng)供風(fēng)管，加速排煙。

(2)盡快形成自然通風(fēng):在不影響其它工作面施工節(jié)點的情況下，結(jié)合廠房和進(jìn)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(jìn)水口高差達(dá)140余m的通風(fēng)洞，然后逐步打開8號、1號鋼襯段和相應(yīng)豎井，形成多個面通風(fēng)。實踐證明:當(dāng)4號洞反井鉆機擴(kuò)挖完成、形成了直徑1.4 m的導(dǎo)洞后，通風(fēng)洞的“煙囪效應(yīng)”即刻見效，原來在3～5號洞和部分支洞段間形成的小循環(huán)煙霧都從4#豎井排至進(jìn)水口，洞內(nèi)的溫度也顯著降低，從而大大改善了洞內(nèi)的施工環(huán)境。

2.1.3 小 結(jié)

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(xiàn)狀，也有利于后續(xù)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(zhì)量，而施工方法則是關(guān)鍵。實踐證明:有效的施工方法既是質(zhì)量與安全的保證，更是效益的體現(xiàn)。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(jīng)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(dǎo)井施工:用反井鉆機鉆一個φ1.4 m的導(dǎo)井。

(3)導(dǎo)井?dāng)U挖:在導(dǎo)井內(nèi)通過施工吊籠從下至上鉆爆擴(kuò)挖導(dǎo)井至φ3.5～4 m。

(4)全斷面擴(kuò)挖:從上向下全斷面漏斗型鉆爆擴(kuò)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?qū)Ь畼O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(dǎo)井綜合效益高出很多。

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

(3)導(dǎo)井?dāng)U挖至φ3.5～4 m時再采用漏斗型爆破:

①導(dǎo)井足夠大，增加了爆破的臨空面，炮孔間排距可適當(dāng)擴(kuò)大，炮孔爆破率提高到95%以上，單排循環(huán)進(jìn)尺可達(dá)3.7 m，豎井的總炸藥單耗降低;

②導(dǎo)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(dǎo)井漏至下彎段，節(jié)省了扒渣時間，單條豎井的總工期也大大縮短。

另外，根據(jù)豎井巖石破碎的特點，為保證施工安全，在豎井全斷面擴(kuò)挖過程中，每排炮后都進(jìn)行了系統(tǒng)支護(hù)。為縮短單排循環(huán)進(jìn)尺時間，盡量讓各工序穿插進(jìn)行，鉆炮孔過程穿插注錨桿，扒渣過程中穿插掛網(wǎng)噴護(hù)等施工，最終創(chuàng)造了8條豎井施工完成后無一安全事故發(fā)生的好成績，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)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(zhì)成分；場區(qū)普遍分布。

2.2.3 小 結(jié)

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(zhì)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(zhì)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(jié)理組J1、J2、J3與J4之間的切割組合、兩組NW向反傾角節(jié)理的切割影響，工程地質(zhì)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(fā)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(nèi)F8斷層的地質(zhì)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(nèi)，在洞內(nèi)的總體產(chǎn)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(tài)下 f=0.53 ～0.55，c=0.04 MPa，在浸水狀態(tài)下呈軟塑狀態(tài)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(nèi)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(fēng)化，不易成孔，鉆桿抽出即塌孔，給原計劃采用的超前小導(dǎo)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(fā)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(nèi)不良地質(zhì)段采取了以下開挖支護(hù)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(nèi)的滲水排開，用水泵抽出。

(2)超前支護(hù):先貼著掌子面立2榀并排格柵拱架，在拱架內(nèi)環(huán)向打間距1 m ×1 m的系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿(自進(jìn)式)加固拱架，從拱架內(nèi)自圓心180°以上范圍打一排φ32、L=3 m、間距35 cm的自進(jìn)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(jié))。所有錨桿與拱架焊接形成一個整環(huán)，干噴混凝土至結(jié)構(gòu)線，形成一個較強的“超前應(yīng)力拱”。

(3)分部位開挖支護(hù):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(xùn)，保留掌子面前擋渣，護(hù)住掌子面斷層，用反鏟(局部使用風(fēng)鎬)分部位開挖、支護(hù)。順序為:Ⅰ區(qū)→Ⅱ區(qū)→Ⅲ區(qū)→Ⅳ區(qū)，見圖2。

圖2 低壓段2號洞F8斷層段開挖支護(hù)示意圖

①Ⅰ區(qū)開挖支護(hù):超出結(jié)構(gòu)線30 cm開挖頂拱Ⅰ區(qū)，高3 m左右(能安裝頂拱1節(jié)拱架的高度)，進(jìn)尺0.8 m左右。開挖后在滲水部位按照步驟(1)進(jìn)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(jié)表面巖體的作用，鋼纖維混凝土與巖體一起形成又一個“應(yīng)力拱”。初噴完后，掛一層φ8@20 cm ×20 cm的鋼筋網(wǎng)，然后按照步驟(2)快速施工1節(jié)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(jié)構(gòu)線，形成穩(wěn)固搭接的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拱。本區(qū)開挖為施工關(guān)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(qū)的擴(kuò)展及松動壓力的加劇。

②Ⅱ區(qū)開挖支護(hù):按照步驟①進(jìn)行3～4個循環(huán)后開挖Ⅱ區(qū)，把Ⅰ區(qū)頂拱的拱架接下來。Ⅱ區(qū)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(jìn)行，每個循環(huán)可以進(jìn)尺2榀拱架，支護(hù)按照Ⅰ區(qū)方式進(jìn)行，并加強拱腳支護(hù)。

③Ⅲ區(qū)開挖支護(hù):Ⅱ區(qū)完成后，即進(jìn)行F8斷層出露的Ⅲ區(qū)開挖，每個循環(huán)按1～2榀拱架進(jìn)行。該區(qū)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(hù)。

④拱架全部接下來后進(jìn)行Ⅳ區(qū)開挖。該區(qū)基本為松散巖土，出部分渣，保留足夠的、能護(hù)掌子面的擋渣，然后繼續(xù)進(jìn)行Ⅰ區(qū)開挖，重復(fù)以上步驟。

(4)監(jiān)測:支護(hù)完成后，做觀測點加強監(jiān)測，及時分析監(jiān)測成果。實踐表明:支護(hù)完成后，圍巖的應(yīng)力還有部分調(diào)整，對變形應(yīng)做出合理判斷，對變形已多次超出規(guī)范且還在不斷加大的部位，應(yīng)立即采取更強的內(nèi)撐支護(hù)措施，如打6 m長的加長、加密的固結(jié)性錨桿等。

2.3.5 小 結(jié)

(1)對不良工程地質(zhì)洞段的處理正如醫(yī)生做手術(shù)，動手術(shù)前對“毒瘤”的性質(zhì)需要有準(zhǔn)確、全面的認(rèn)識，然后制定出一套切合實際、穩(wěn)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(zhì)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(zhì)洞段處理更需要強調(diào):及時采用柔性和剛性并濟(jì)的支護(hù)方式與圍巖結(jié)合成一整體來承受二次應(yīng)力。

(3)開挖前做好地質(zhì)預(yù)報，防范于未然。

3 結(jié)語

巴貢水電站引水隧洞開挖于2006年6月結(jié)束，總體而言，隧洞開挖采用的施工技術(shù)是成功的，反映了中國水電施工技術(shù)在國際上處于領(lǐng)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(shù)的推廣和企業(yè)在東南亞市場開拓奠定了又一堅實的基礎(chǔ)。