NJ水电站引水隧洞常规钻爆法穿越断层破碎带的开挖支护实践

文/谭若憨 中国葛洲坝集团第三工程有限公司 陕西西安 710077

1、工程概述

巴基斯坦N-J水电项目位于巴基斯坦东北部克什米尔首府MUZAFFARABAD地区，是一座典型的长隧洞引水式发电站，总装机容量963MW，引水隧洞单侧轴线长度28.55公里，单双洞交错布置，隧道总里程48.2km。该工程位于喜马拉雅山系大断裂带，地质活动频繁，地质情况复杂多变。工程设计阶段的地质勘查工作完成于1996年，但2005年南亚8级大地震的震中刚好位于该地区，震后地质情况发生了复杂的变化，这又为地质勘测资料原本就不完整的工程施工增加了不可预估的风险。隧洞断层带开挖为7.9＊7.9m马蹄形断面，断面面积51.76㎡，穿越MUZAFFARABAD大断层长度约为927m，引水洞轴线需穿越幅宽不等的地质断层带十余处，地质断层带薄层砂岩与泥岩交错分布，且岩石破碎，裂隙及其发育，破碎带砂岩段时常伴有涌水，围岩自稳性很差，开挖后岩石的变形收敛快，给隧洞开挖支护的稳定性带来巨大的风险和挑战。

2、隧洞施工原理

隧洞施工过程中主要涉及Q系统岩石分类法、光面爆破技术和采用新奥法锚喷支护理念，充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用以锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护结构的监控、测量来指导地下工程的设计与施工。同时针对C2标断层带存在的围岩破碎使锚杆孔塌孔及锚杆插入困难和泥岩砂岩交界处开挖面不能自稳等特殊情况，采用了自进式锚杆或水涨式锚杆支护和及时喷护封闭，并通过优化爆破设计，合理选取支护参数，加强超前探测和超前支护相结合等手段，确保了施工安全和洞室稳定。

3、不良地质条件下的施工流程及操作要点

不良地质段隧洞开挖必须及时跟进支护，针对围岩断层破碎带，节理、层理及裂隙发育，层面交错，风化严重，致使围岩自稳能力极差，成型困难的隧洞地质段，应严格按照“早预报，管超前、严注浆、短循环、弱（不）爆破、强支护、快封闭、勤测量、速反馈”的施工原则，做好超前探测和超前支护，在隧洞周边超前小管棚注浆预固结围岩的保护下，同时优化爆破设计和合理选取支护参数，采取短循环（循环进尺不超过2.5m）的开挖方式，减少爆破对围岩的扰动，必要时采用机械短循环开挖代替钻爆法开挖，开挖完成后，快速进行支护。其具体方法如下：

3.1 超前勘探

为更好的了解作业面前方岩石状况，本工程采用了每150m超前取芯和每25m超前探孔施工，详细记录岩性，岩石完整性，钻进速度，返水情况，渗水量，RQD等，尽可能全面了解前方地质情况用以指导施工，对于渗水量大于15L/min的探孔，需要采取超前帷幕止水灌浆的方式，减少渗水对原本破碎围岩造成软化破坏而导致的塌方风险，同时，重点监控岩石剪切破碎严重和渗水段泥岩与砂岩交界面的施工安全。

3.2 超前支护

本工程根据前序循环地质素描信息和超前勘探资料，针对不同地质情况，分别对顶拱不同范围内采用了超前锚杆+刚肋条、超前小管棚（L=6m，D=48mm）和新型可套接管棚（L=25m，D=89mm）三种不同强度的超前支护方式，有效地保障了施工过程中隧洞顶拱安全，规避了塌方风险。

3.3 测量放样

每循环开挖前严格按照施工图纸和爆破设计测放开挖边线和爆破孔控制点位，确保精准施工。

3.4 钻爆破孔，吹孔装药，联网爆破

对于不良地质段爆破设计，为了减少爆破波对围岩扰动，采用半秒雷管代替毫秒雷管起爆，减弱爆破波叠加效应，根据不同围岩特点及时调整爆破参数，合理选择周边孔间距及周边眼的最小抵抗线，破碎段加密了周边孔间距，采用隔孔装药措施，减少单孔装药量，确保光面爆破质量，每循环严查炮眼的布置、数量、深度和角度、装药量和装药结构、起爆方法和顺序等，确保爆破后隧洞成型质量。

3.5 通风排烟

爆破后及时向作业面供风，确保30分钟内将炮烟排出，保障下道工序正常衔接。

3.6 出渣

根据爆破石渣方量、运输里程和设备装载及运载能力，合理配备出渣设备数量，确保及时性和连续性，最大限度缩短出渣时间，确保初始支护的及时性。

3.7 排险剥落

出渣完成后，根据岩石情况采用挖掘机或人工手持剥落棒站在剥落台车上对洞顶及边墙松动岩石进行排险剥落。

3.8 地质素描和测量验收

地质素描主要是进行掌子面岩层、岩性描述(包括岩石风化破碎程度、岩体结构状态等)、地层分界面产状及其位置、岩层产状及其变化测定、构造(断层等)位置、产状、宽度测定、断层性质描述、节理裂隙统计，包括发育分布位置、产状、组数、节理面闭合张开状态、节理面形态、节理面充填情况，掌子面涌滴水位置的确定、涌滴水量测定或估算，特殊地质现象描述。如岩溶洞穴位置、形状、充填物性质，坍方体、涌泥沙出现位置、方量等。根据掌子面地质描述围岩情况，确定支护参数和方案及下一循环开挖方案。同时，采用莱卡全站仪进行全断面验收，确定掘进进尺和超欠挖情况，如存在欠挖，需将欠挖部位开挖至设计轮廓线。

3.9 初喷

初喷重点控制及时性，喷射前用高压风带少量的水将岩壁面的粉尘、杂物吹干净，然后采用湿喷台车对围岩进行7-8cm钢纤维砼喷护，如遇裂隙渗水情况，需在渗水点钻取排水孔，安装PVC软管进行引排后喷护，对于散水渗水情况，需使用土工布进行引导水流，避免渗水破坏基岩面与喷护面结合强度，影响喷护效果。喷护应由下向上分层分块喷护，每段长度为3-4m，喷头喷射方向与岩面偏角小于10°，夹角为45°，喷头至受喷面距离在0.8～1.2m之间，喷头呈螺旋形均匀缓慢移动，砼喷护完成后表面必须平顺，同时做好喷护区域排水工作，确保边墙喷护至拱脚，防止边角裸露导致边墙支护薄弱，造成“腿软”出现岩体滑层坍塌现象。

3.10 锚杆造孔、安装及注浆

锚杆点位放样，间排距应梅花型布置，常规段根据不同支护方案分别选用4m、5m或7m长镀锌砂浆锚杆，采用两臂钻进行锚杆造孔，锚杆造孔完成后，进行清孔验孔，然后进行锚杆安装及锚杆注浆，控制注浆速度和压力，确保孔内注浆饱满，待孔内砂浆凝固8小时后，采用专用扳手将锚杆垫片上的螺帽拧紧。对于C2标断层带存在的围岩剪切破碎严重导致锚杆孔塌孔，锚杆插入困难的情况，本工程采用了中空自进式锚杆直接钻入岩体，然后通过锚杆中空体进行灌浆固结，起到了较好的支护效果，对于锚杆孔渗水情况采用了水涨式锚杆和涨壳式锚杆支护，确保了支护质量和强度。

3.11 挂网或安装钢肋条及钢格栅

安装网片或钢肋条及钢格栅需在初喷钢纤维砼初凝后进行，网片为φ6mm钢筋网，网格尺寸为10cm×10cm，安装时需紧贴岩面，网片距岩面≥5cm，网片搭接长度为20cm，采用锚杆垫片固定网片或采用电钻向墙体钻20cm深的孔，安装φ10的钢筋，钢筋长35cm为宜，然后将外露砼面钢筋扳弯来固定网片。安装钢肋条采用φ16的螺纹钢，间距15-20cm，φ16的联系筋间距为50cm。钢格栅安装间距为1m每榀，φ16的联系筋间距为1m，每榀钢格栅还需安装固定格栅拱架的锚杆，锚杆直径φ25，长1.2m，入岩深度1m，间距1.5m。

3.12 二次喷护

由于锚杆造孔时有岩浆或泥浆从孔内流出黏贴在喷护砼表面上，在复喷时需用高压风带少量的水将岩壁面的岩浆或泥浆清洗干净，然后采用湿喷台车进行8-10cm复喷。

3.13 收敛变形观测

完成初始支护段应及时安装收敛观测点，定期采集洞室围岩收敛数据，如发现收敛变形较大导致初始支护破坏情况，及时采取加强支护方式处理，确保隧洞整体稳定。

3.14 特殊地段处理

对于软弱泥岩断层带需格外重视仰拱封闭跟进和作业面加固施工，及时浇筑仰拱以形成闭合受力结构，本工程为了节约施工时间，对局部软弱泥岩段仰拱采取了安装φ6mm网片和20cm钢纤维喷护施工，取得了较好的支护效果，对于无法自稳的作业面上喷护了5cm厚混凝土，布设了长度7m，间距1.5m＊1.5m超前锚杆，保障了支护期间和掘进过程中的施工安全。对于砂岩破碎段主要做好超前探孔施工和超前帷幕灌浆，对比地质取芯资料和前序地质素描节理裂隙发育及走向情况，采取相应的超前支护手段，规避爆破后塌方风险。

结论：

本工程安全零事故穿越断层带的施工实践，离不开高效的施工组织和严格的工序衔接管理，因此才保证了爆破后初始支护的及时跟进和不良地质条件下的及时喷护封闭施工，超前探测和超前灌浆与支护是不良地质条件下隧洞施工安全的前提条件，同时新奥法的施工理念也极大地提高了施工速度，保证了施工质量。

参考文献:

[1]冯紫良，章曾焕.《新奥法设计施工与管理》.中国建筑出版社，2015.01.

[2]李晓红.《隧洞新奥法及其量测技术》.科学出版社，2002.01.

[3]刘祥柱.《水利水电工程施工》.黄河水利出版社，2009.08.

[4]丁文其，杨林德.《隧道工程》.人民交通出版社，2012.04.