马来西亚巴贡水电站隧洞开挖施工难点处理

2011-06-27丁勇

四川水力发电 2011年5期

丁勇

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 工程概述

巴贡水电站位于马来西亚砂捞越州中部Rajang江支流Balui河上，距下游Belaga镇37 km，距港口城市Bintulu约180 km。由高203.5 m、总填筑量约1 672万m3的世界第二高的面板堆石坝、溢洪道、进水口、引水隧洞、发电厂房等组成，总装机容量为8×300 MW，水库总库容为4.4 ×1 010 m3。因工程规模大而被称为东南亚的“三峡”项目，其地下工程(引水隧洞群)规模在东南亚同领域内首屈一指。

巴贡水电站引水发电隧洞为单机单洞型，共8条，均由上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段、渐变段和钢衬段组成，呈平行布置。引水隧洞进出口高差142.5 m，埋深50～235 m，拥有相同的上弯段、下弯段和渐变段，钢衬段、上平段、竖井和下平段长度有所差异，8条引水隧洞长度为589.65 m(1号)～537.39 m(8号)不等，共4 503 m。隧洞开挖断面主要为圆形，部分为马蹄形，开挖直径为11.1～8.4 m，纵坡8%，相邻两洞室洞轴线间距为21 m，岩柱厚度11.3～15.1 m。岩石以砂岩、页岩为主，围岩主要为Ⅱ～Ⅳ类。

图1 巴贡水电站引水隧洞示意图

根据当时进水口和厂房边坡的施工情况，结合隧洞施工工期，在上游进水口、下游在下平段与钢衬段之间的渐变段位置布置了两条施工支洞(图1)。1号支洞主要用于下平段、下弯段、钢衬段和竖井的施工;2号支洞主要用于上平段、上弯段和竖井的施工。开挖方法为新奥法，采取相邻两条洞根据岩石情况错开30～50 m开挖，在平洞段和部分弯段采取分上下台阶钻爆开挖法;部分上、下弯段和竖井段采用先用反井钻机钻导井，后钻爆扩挖的施工方法。本工程的施工难点、亦是该地下洞群开挖的特点是施工通风排烟问题、竖井施工和对不良地质情况的处理。笔者对在施工过程中解决这三个难题的措施作一简要介绍。

2 施工难点处理

2.1 施工通风排烟处理

2.1.1 面临的通风排烟问题

(1)通风排烟问题主要集中在1号支洞内，支洞长(380 m)，洞内工作面多(16个)，施工机械设备多，造成施工烟雾、废气多。

(2)地下洞群位于赤道边，日照时间长，地表温度高，白天洞内与洞外炎热的温度持平。

(3)主要的通风口为支洞，未设通风洞(井)。

(4)业主环保部对施工环境要求异常严格。

2.1.2 解决方式

(1)辅助通风:采取了传统的压入、吸出的混合通风方式:

①在支洞口布置了两台110 kW的大型轴流风机，各工作面的主洞口布置了1台20 kW的小型风机;

②爆破、喷混凝土时在工作面打开部分系统供风管，加速排烟。

(2)尽快形成自然通风:在不影响其它工作面施工节点的情况下，结合厂房和进水口边坡的开挖顺序(8号→1号)，先集中力量，突击贯穿了4号洞，形成了一个从厂房到进水口高差达140余m的通风洞，然后逐步打开8号、1号钢衬段和相应竖井，形成多个面通风。实践证明:当4号洞反井钻机扩挖完成、形成了直径1.4 m的导洞后，通风洞的“烟囱效应”即刻见效，原来在3～5号洞和部分支洞段间形成的小循环烟雾都从4#竖井排至进水口，洞内的温度也显著降低，从而大大改善了洞内的施工环境。

2.1.3 小结

对于类似地下洞室群开挖，在有众多工作面可供施工选择的情况下，合理安排施工顺序，既可改善施工现状，也有利于后续工作的开展。

2.2 竖井施工方法

2.2.1 概述

巴贡电站的竖井开挖断面为圆形，除竖井段开挖外，还包括一部分上、下弯段开挖。竖井开挖高度为81.56 m(1号)～86.94 m(8号)(竖直距离)。高程130 m以上开挖直径为9.9 m，高程130 m以下开挖直径为10.1 m。在满足工期的前提下，竖井开挖施工的重点是安全和质量，而施工方法则是关键。实践证明:有效的施工方法既是质量与安全的保证，更是效益的体现。施工采用以下方式:

(1)在上弯段开挖一个供反井钻机施工用的孔洞:在上、下弯段开挖到一定高程后(反铲已经不能有效出渣的位置)，在上弯段沿竖井中心延长线开一个供反井钻机施工用的孔洞。

(2)导井施工:用反井钻机钻一个φ1.4 m的导井。

(3)导井扩挖:在导井内通过施工吊笼从下至上钻爆扩挖导井至φ3.5～4 m。

(4)全断面扩挖:从上向下全断面漏斗型钻爆扩挖成型。

2.2.2 竖井施工效果

这种施工方法具有的特点:

(1)采用反井钻机打导井极具综合效益。虽然单项造价相对人工开挖要高一些，但反井钻机更快、更安全、更具保障性。通过综合比较，用反井钻机比人工施工导井综合效益高出很多。

(2)通过导井和钻孔资料可以清楚地了解竖井中的地质情况，为安全扩挖创造条件。

(3)导井扩挖至φ3.5～4 m时再采用漏斗型爆破:

①导井足够大，增加了爆破的临空面，炮孔间排距可适当扩大，炮孔爆破率提高到95%以上，单排循环进尺可达3.7 m，竖井的总炸药单耗降低;

②导井足够大，避免了岩石堵井的可能;

③爆破后大部分洞渣通过导井漏至下弯段，节省了扒渣时间，单条竖井的总工期也大大缩短。

另外，根据竖井岩石破碎的特点，为保证施工安全，在竖井全断面扩挖过程中，每排炮后都进行了系统支护。为缩短单排循环进尺时间，尽量让各工序穿插进行，钻炮孔过程穿插注锚杆，扒渣过程中穿插挂网喷护等施工，最终创造了8条竖井施工完成后无一安全事故发生的好成绩，获得了良好的经济效益。

③-1层含砂姜黏土(Q3al+pl)：黄色～黄褐色，夹青灰色条带，硬塑，有光泽，高干强度，高韧性，低压缩性，含砂姜，含量不均，分布不均，局部较富集，局部粒径较大，局部含砂质成分；场区普遍分布。

2.2.3 小结

巴贡水电站引水隧洞的竖井开挖，采用上述施工方法比较成功。中水七局随后在溪洛渡工程的竖井开挖中推广运用此法，同样取得了很好的效果。

2.3 施工过程中对F8断层的处理

2.3.1 引水隧洞不良地质情况综述

引水隧洞中杂砂岩占55%左右，页岩(泥岩)占38%左右，杂砂岩/页岩互层和其它岩石占7%左右。靠近大坝的8～5号隧洞工程地质条件相对较好，靠近溢洪道的4～1号隧洞受F8断层及其分支、节理组J1、J2、J3与J4之间的切割组合、两组NW向反倾角节理的切割影响，工程地质条件相对较差。尤其受F8断层及其分支影响较大，在上平段2号隧洞桩号0+29～0+33处和下平段4号隧洞桩号0+310～0+305处曾发生塌方。其中最具代表性的是上平段的2号隧洞，岩石破碎，影响段长(从桩号0+29的左边墙出露延至桩号0+70的右边墙)，一度被称为巴贡隧洞的“毒瘤”。

2.3.2 2号洞内F8断层的地质情况

2号洞低压段主要为层状褶皱 (泥)岩，层厚10～15 cm，倾角70°左右，较破碎，岩块镜面光滑。F8断层嵌在页岩内，在洞内的总体产状为NW330～355NE∠40°～ 48°，宽2～6 m，影响带宽3～7 m，主要由灰色糜棱岩、角砾岩和泥岩组成，角砾直径一般为2～3 cm，次棱角状。断层带在干燥状态下 f=0.53 ～0.55，c=0.04 MPa，在浸水状态下呈软塑状态或泥化状，f=0.38～0.4。沿断层带有约30～120 L/min的地下水出露。围岩类别整体介于Ⅳ～Ⅴ类。

2.3.3 施工难点

(1)页(泥)岩倾角大，有褶皱，内摩擦角小，开挖后易顺层滑塌。

(2)断层及其影响带较宽，容易垮塌并向后延伸;走向与洞轴线夹角小(17°左右)，影响段长。

(3)岩石破碎，强度低，易风化，不易成孔，钻杆抽出即塌孔，给原计划采用的超前小导管灌浆和普通注浆锚杆加固施工造成困难。

(4)地下水大，岩石浸水软化、泥化，加上工地所处的热带雨林气候(平均每天都有一场雨)，洞外下雨后，雨水迅速通过发育的地表裂隙和断层渗至工作面

2.3.4 处理方法

对2号洞内不良地质段采取了以下开挖支护方式(上台阶):

(1)先排水:在渗水地方用φ60钻头打4 m深排水孔，用软管将围岩内的渗水排开，用水泵抽出。

(2)超前支护:先贴着掌子面立2榀并排格栅拱架，在拱架内环向打间距1 m ×1 m的系统锚杆和锁脚锚杆(自进式)加固拱架，从拱架内自圆心180°以上范围打一排φ32、L=3 m、间距35 cm的自进式中空超前注浆锚杆(浆液比普通注浆锚杆稀，加速凝剂，加压以尽可能多的灌入浆液，使岩体能够部分尽快的固结)。所有锚杆与拱架焊接形成一个整环，干喷混凝土至结构线，形成一个较强的“超前应力拱”。

(3)分部位开挖支护:汲取了以前的由掌子面断层塌方带动周边岩层顺层滑塌的教训，保留掌子面前挡渣，护住掌子面断层，用反铲(局部使用风镐)分部位开挖、支护。顺序为:Ⅰ区→Ⅱ区→Ⅲ区→Ⅳ区，见图2。

图2 低压段2号洞F8断层段开挖支护示意图

①Ⅰ区开挖支护:超出结构线30 cm开挖顶拱Ⅰ区，高3 m左右(能安装顶拱1节拱架的高度)，进尺0.8 m左右。开挖后在渗水部位按照步骤(1)进行排水施工，迅速初喷5 cm厚钢纤维混凝土封闭岩面。所喷混凝土增大了水泥和速凝剂的含量，使水泥能尽可能多和快的渗入岩体，起到迅速固结表面岩体的作用，钢纤维混凝土与岩体一起形成又一个“应力拱”。初喷完后，挂一层φ8@20 cm ×20 cm的钢筋网，然后按照步骤(2)快速施工1节拱架并打同样的超前锚杆，拱架间用φ25、间距1 m的钢筋连接成一个整体，最后喷混凝土至结构线，形成稳固搭接的钢筋混凝土结构拱。本区开挖为施工关键，施工时各个工序衔接良好，每道工序快速完成，从而减小了塑性区的扩展及松动压力的加剧。

②Ⅱ区开挖支护:按照步骤①进行3～4个循环后开挖Ⅱ区，把Ⅰ区顶拱的拱架接下来。Ⅱ区岩石稍硬，对于局部反铲扒不动的地方采取少药量、弱爆破以减少扰动的方式进行，每个循环可以进尺2榀拱架，支护按照Ⅰ区方式进行，并加强拱脚支护。

③Ⅲ区开挖支护:Ⅱ区完成后，即进行F8断层出露的Ⅲ区开挖，每个循环按1～2榀拱架进行。该区需注意在F8断层盘面打随机加密锚杆并提高灌浆压力以加强支护。

④拱架全部接下来后进行Ⅳ区开挖。该区基本为松散岩土，出部分渣，保留足够的、能护掌子面的挡渣，然后继续进行Ⅰ区开挖，重复以上步骤。

(4)监测:支护完成后，做观测点加强监测，及时分析监测成果。实践表明:支护完成后，围岩的应力还有部分调整，对变形应做出合理判断，对变形已多次超出规范且还在不断加大的部位，应立即采取更强的内撑支护措施，如打6 m长的加长、加密的固结性锚杆等。

2.3.5 小结

(1)对不良工程地质洞段的处理正如医生做手术，动手术前对“毒瘤”的性质需要有准确、全面的认识，然后制定出一套切合实际、稳妥的操作方案，才能驾驭自如。巴贡水电站引水隧洞采用该方法获得成功后，在后来几条隧洞的施工中亦顺利通过了有F8断层影响的不良地质段。

(2)“新奥法”理论的精髓为隧洞的主要承载部分是围岩。对不良的工程地质洞段处理更需要强调:及时采用柔性和刚性并济的支护方式与围岩结合成一整体来承受二次应力。

(3)开挖前做好地质预报，防范于未然。