巴基斯坦N-J水电站引水隧洞穿河段设计和施工

陆宗磐 徐立洲 陈洪莲

巴基斯坦NEELUM-JHELUM 水电站（以下简称“N-J”电站）装机容量963 MW，设计水头420 m，为长隧洞引水式水电站，引水隧洞长28.5 km（其中单洞长9.7 km、内径11.5 m，双洞长18.8 km、内径8.5 m），设计引用流量280 m3/s。隧洞埋深大，最大埋深1 900 m，埋深超过1 000 m 洞段约19 km。隧洞施工采取钻爆法和TBM 组合方式。根据枢纽总体布置，引水隧洞在中后部从Jhelum 河底下方穿过（简称穿河段），是本工程引水隧洞设计和施工风险最高、难度最大的部位，也是控制工期的关键线路之一。

1 穿河段地形地质

Jhelum 河为印度河一级支流，河道偏左岸，宽度100～110 m，右岸一级阶地宽约250 m，二级阶地宽约150 m，枯水期水面宽度70～80 m，河水位高程778.3 m，水深2～3 m，前期左岸边钻孔揭示河床覆盖层厚90 m。

N-J 水电站位于喜马拉雅山强烈构造区西构造结的核心部位，岩性主要为SS-2 砂岩和泥岩，少量为SS-1 砂岩，裂隙多为贯穿性宽大裂隙，穿河段上游侧紧邻HFT 大断层，地质条件极其复杂。

2 方案比选

2.1 埋深比选

可研报告由挪威咨询公司完成，穿河段推荐采用倒虹吸式深埋方案，参见图1 虚线所示，即引水隧洞从Jhelum 河下430 m 穿过。该深埋方案，一方面施工支洞长，施工难度大，一旦发生涌水处理困难；另一方面运行期倒虹吸段的水不能通过机组排出，无法放空检修。

实施阶段，根据中方承包商的建议，重点比较了浅埋方案，即穿河段高程抬高到与引水隧洞下半段相同，如图1 实线所示。浅埋方案满足运行期放空检修要求，但不满足有压隧洞洞身岩体最小覆盖厚度要求，为防止水力劈裂和渗漏失稳，最终选定采用钢板衬砌。

图1 穿河段埋深方案比选示意图

2.2 单双洞比选

深埋方案采用单洞，洞径需10.0 m。浅埋方案因需要钢板衬砌，若采用单洞，则钢管需要直径较大，受现场条件限制，钢管制作、运输较因难，特别是施工支洞长2 100 m，要满足钢管运输要求，开挖工程量和支护量大幅增加，经综合比选决定采用双洞，洞径6.6 m。

3 结构设计

3.1 设计准则

（1）依据规范《压力钢管设计手册（ASCE No.79）》2012（ASCE Manual and Report on Engineering Practice No.79 Steel Penstocks2012）。

（2）按地下埋管设计，不考虑周围混凝土和岩石提供的支护。

（3）钢管允许应力取屈服强度的80%或抗拉强度的50%中两者较小者[1]。

（4）为保证运输和吊装所需的压力钢管的最小厚度（tmin），用美国垦务局的公式tmin=（D+500）/400进行计算（D 为钢管直径）。

（5）钢管锈蚀磨损厚度为2 mm。

3.2 内水压力

穿河段最大毛水头为414 m，长年处在河水位下，计算外水头为183 m，计算内水压力为2.31 MPa。

内水压力全部由钢管承担，钢管厚度t 计算公式[2]如下：

式中 P——内水压力，kPa；

R——钢管半径，mm；

S——钢管允许应力，kPa；

E——焊接系数，取1.0。

管体材料采用07MnCrMoVR 高强度钢板，钢管厚度取30 mm。

3.3 抗外压稳定

外水压力全部由钢管承担，管壁临界外压采用米赛斯（Miese）公式计算[3]，加劲环的抗外压稳定按雅各布森（Jacobsen）公式计算，安全系数为1.5。

加劲环材料与管体材料一致，采用07Mn⁃CrMoVR 高强度钢板，每隔1.5 m 设置1 道加劲环，板厚30 mm，环高300 mm。另外，距端头100 mm处设置阻水环，板厚30 mm，环高300 mm。

3.4 制作安装

根据制作、安装运输条件，设定标准节长为3 m，每4 标准节组成一个安装单元12 m。

对接缝焊缝采用X形非对称坡口，坡口内外深度比例为7∶3，留2 mm 钝边，坡口形式如图2 所示。

图2 X形非对称坡口（单位：mm）

对于钢衬一类焊缝，焊缝检验用超声波探伤，根据需要使用射线探伤复验。

在钢衬装配完成后，用磁力钻配开孔器进行灌浆孔的开孔。钢衬对圆完成后，在管外壁组焊加强板，加强板有内螺纹，灌浆孔的开孔如图3 所示。

图3 灌浆孔开孔（单位：mm）

4 穿河段施工

穿河段采用双洞布置，单洞开挖为8.55 m×9.05 m马蹄形断面，断面面积107 m2，长度为804 m，距河底最低处约165 m。

4.1 超前勘探地质预报

超前勘探的目的是探明未开挖洞段岩体和地下水的情况，超前勘探是穿河段开挖能否顺利、安全实施的前提，对于隧洞施工有着十分重要的作用。超前勘探水平孔深100～150 m，通过勘探孔取芯，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性，根据勘探孔的出水情况，观测涌水压力、涌水流量，为预防隧洞涌水、突泥、大变形等可能形成的灾害性事故及时提供信息，采取不同开挖方案，确定爆破进尺及支护措施。

4.2 超前堵水灌浆超前支护

对预测的地质不良段，利用超前灌浆形成帷幕墙加固前方围岩，选择合适的超前支护手段（超前管棚或超前锚杆）进行处理。管棚灌浆主要用于围岩破碎地质洞段，管棚灌浆孔布置在隧洞顶拱区域，利用多臂钻向隧洞掌子面进行伞状钻孔，孔内进行阻塞、灌浆，对围岩空隙进行充填，与钢管组成预支护系统，达到防止坍塌，便于掘进的目的。在隧洞周边超前管棚注浆，采取短循环（循环进尺不超过2.0 m）的开挖方式，减少爆破对围岩的扰动。

4.3 掌子面涌水处理

在整个穿河段施工过程中，除了多次遭遇断层破碎带围岩塌方外，还多次遇到强涌水，其中最强一次涌水发生在主河床右岸一级阶地下（如图4所示），涌水部位（桩号ST.D4+381.0）处于HFT 断层影响带内，砂岩及泥岩交界面，岩体较破碎，裂隙发育，多为岩屑充填，层间错动明显。在超前锚杆和爆破孔施工时，并未出现渗水，开挖支护后地下水突然穿透泥岩相对隔水层，发生涌水，拱顶伴有坍塌、掉块；随着时间推移逐渐变大，塌方量约235 m3。在掌子面11 点至12 点钟方向，涌水量最大达1 180 m³/h。根据水压0.7～2.1 MPa分析，涌水受河水补给。

图4 强涌水位置图

发生强涌水后，根据应急预案，在加强排水的同时，掌子面涌水采用混凝土全断面封堵后灌浆[4]。

4.3.1 增强排水设施

涌水部位与施工支洞进口高差195 m，水平距离1 210 m，共设置4 级排水泵站加强排水，排水泵站性能指标见表1。

表1 排水泵站性能指标表

4.3.2 封闭掌子面

在排水的同时，为防止塌方纵向延伸，造成掌子面进一步塌方，首先采用装载机转运岩渣至塌方处形成足够宽的堵头，对掌子面进行回填，同时采用编织袋对土埂上部进行封堵，在下部布置导水管将涌水导出，在导引管处形成隔水围堰，分层浇筑混凝挡墙，浇筑时需要预埋排水管至渣体回填区。顶拱塌腔处采用超前管棚灌浆填充，封闭掌子面，防止顶拱进一步塌方，为灌浆做好准备。混凝土堵头浇筑示意如图5 所示。

4.3.3 灌浆堵水

（1）通过混凝土堵头底部预埋的DN250 钢管对堵头后渣堆进行固结灌浆。

（2）在掌子面后顶拱8 点至3 点方向，钻帷幕灌浆孔，并安装DN80 超前管棚。根据实际灌浆效果加密帷幕灌浆孔，设计灌浆压力5 MPa。

图5 混凝土堵头浇筑示意图

（3）灌浆顺序由低向高，水灰比根据涌水量配制。若出现掌子面后外漏或串浆，应及时进行封堵，采用浓浆间歇法或双液灌浆法。

4.3.4 混凝土堵头开挖支护

（1）采用弱爆破对混凝土台阶移除，爆破时在侧墙及顶拱预留1～1.5 m 厚保护层，以免破坏原有支护系统。

（2）爆破完成后，使用管棚进行加强支护。管棚直径80 mm，间距为35 cm，长度为12 m，搭接4 m。

（3）重复进行以上爆破及支护施工，每循环2 m 至塌方体部位。

4.3.5 塌方部位开挖支护[5]

（1）对掌子面周边进行15 m 深超前灌浆，掌子面前方5 m 进行帷幕灌浆，重复进行扫孔灌浆直至无外水涌出。

（2）掌子面开挖分为上下层进行，每循环开挖1 m，开挖完成后及时进行管棚及钢肋条加强支护，管棚间距为35 cm，长度为12 m，搭接4 m；钢肋条间距15 cm。

4.4 掌子面后涌水处理[6]

在施工过程中，多次遇到掌子面后涌水，根据应急预案，快速采取应对措施。在加强排水的同时，对已开挖部位边墙和顶拱涌水，采用浇筑廊道混凝土后灌浆措施进行处理，具体步骤如下：

（1）对涌水部位实施排水泄压孔，在孔内安装钢管、软管进行排水，出水面积大的区域需安装瓦片等材料进行排水。

（2）根据涌水量大小，计算外水压力，由外水压力确定浇筑混凝土厚度，确保洞室稳定。图6 为掌子面后涌水廊道混凝土浇筑图。

5 结 语

N-J 水电站引水隧洞在中后部从Jhelum 河底下方穿过，内水压力高，施工难度大，经埋深和单双洞综合比选，实施阶段采用浅埋双洞钢板衬砌方案。

图6 掌子面后涌水廊道混凝土浇筑图（单位：mm）

按照ASCE No.79 规定，钢管允许应力取屈服强度80%或抗拉强度50%的较小值。钢管设计不考虑周围混凝土和围岩作用，内水压力全部由钢管承担，但考虑到穿河段长年处于河水之下，根据内水压力计算需要的壁厚时，及外水压力的作用。

超前勘探是穿河段开挖能否顺利、安全实施的前提。有效治理渗水和施工涌水是穿河段开挖的保障。开挖方法和围岩支护措施直接决定隧洞稳定情况。

穿河段上游侧紧邻HFT 大断层，地质条件极其复杂。施工过程中，除了多次遭遇断层带破碎围岩塌方外，还遇到强涌水。对掌子面强涌水段，在增强排水设施的同时，采用混凝土全断面封闭掌子面，封堵后进行灌浆处理。对已开挖部位边墙和顶拱涌水，采用浇筑廊道混凝土后灌浆措施。

通过合理组织施工，实施超前勘探地质预报、超前堵水灌浆、掌子面后堵水及灌浆、跟进强支护等处理手段，安全、顺利地完成了穿河段施工，为不良地质段洞开挖、涌水处理提供借鉴。