摘要：巴基斯坦NJ水电站位于喜马拉雅山强烈构造区西构造结的核心部位，其长距离引水隧洞（单线长约28.6km，总长48.2km）在中后部从Jhelum河底下方穿过（简称：穿河段）。其中，穿河段开挖为8.55*9.05m马蹄形断面，断面面积107㎡，长度为804m，距河底最低处约165m，穿河段紧邻上游侧MUZAFFARABAD大断层，穿河段岩性主要为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，断层裂隙；岩层破碎、软化，地质条件极其复杂，给穿河段开挖施工带来了极大的困难和挑战。
关键词: 水电站; 引水隧洞；施工技术；
1.前言
水力发电站凭借其发电量大、可再生、污染小等优势，广泛应用于国内外发电项目。引水隧洞是引水式发电站的重要组成部分之一，受发电量、河道水流量、水头落差等因素影响，引水隧洞长度和断面设计也存在较大的差异。而在长距离的引水隧洞开挖过程中，势必会遇到更多不利的地质因素，如穿越断层、破碎带、围岩软硬不一区域、地下水丰富区域以及岩溶区域等，如何在施工过程中提前发现不良地质条件，以及如何采取措施应对不良地质条件下的施工，以保障隧洞施工安全、快速进行，是长距离引水隧洞必须解决的难题。
2.施工技术特点
2.1依靠水平深孔超前取芯勘探技术准确探明前方围岩地质，根据不同围岩采取不同开挖支护方案，通过不断的评估、总结之前的施工方法，得到更加合理的后续施工技术方案。
2.2为减小爆破振动，将如今广泛应用的非电毫秒雷管引爆技术替换为半秒雷管引爆，且在施工过程中通过实验室爆破振动监测，证明有良好效果。
2.3成功穿过河底开挖及断层带开挖，并处理掌子面塌方涌水、掌子面后底板涌水及掌子面后边顶拱涌水，为不良地质段开挖、涌水处理提供借鉴意义。
3.适用范围
施工技术适用于断层带、裂隙发育、高水压、强涌水等复杂地质的隧洞开挖以及不良地质段引起的地质灾害处理。
4.施工技术原理
原理1：在前期无详细地质勘探资料的情况下，开挖前，采用水平深孔超前勘探孔取芯和冲击勘探相结合的勘探方法，根据取芯过程中取芯孔的出水颜色及大小，判断前方围岩含水情况。根据取芯的完整程度，判断前方围岩的岩性及完整性。通过科学推断了解围岩地质状况，分析岩层走向和地下水的发育情况，为开挖施工提供决策依据；
原理2：根据预判的前方围岩类别和涌水情况，利用超前灌浆形成帷幕墙加固前方围岩，确定合适的超前支护手段（超前管棚或超前锚杆）处理方式，选定不良地质段的开挖进尺和加强支护方式，稳步推进，同时要最大程度实现各作业面的穿插平行作业，提高施工效率，实现快速施工。
5.不良地质段施工技术
5.1 施工技术流程
5.1.1 开挖前准备工作：⑴在引水隧洞穿河段开挖前期，设计单位对河道两侧垂直向下至引水隧洞设计高程处进行了取芯地质勘探工作，对穿河段河道两侧区域的岩性有了一定的了解。⑵在穿河段开挖过程中，左右洞掌子面距离应不小于25m；在位置靠前的工作面上进行勘探孔取芯，勘探期间，另一条隧洞继续开挖，根据探明的岩层走向和地下水的发育情况等信息，推断出另一侧洞段需要预防的灌浆部位。取芯长度按150m/次左右考虑，并根据实际操作情况调整，两次取芯需要保证10m左右的搭接长度。
5.1.2 测量放样：采用莱卡全站仪进行断面验收，如存在欠挖，需将欠挖部位开挖至设计轮廓线。
5.1.3 钻眼、爆破：使用多臂钻进行造孔，并根据不同的围岩计算爆破药量。爆破完成后），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剥落。
5.1.4装岩出渣：在通风散烟约半小时后，开始进行出渣。装岩出渣根据隧洞洞径选择合适型号的设备，满足设备灵活工作的要求。先使用挖机进行掌子面松动围岩排险，后使用装载机配合自卸汽车进行出渣。
5.1.5地质素描：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。根据掌子面地质描述围岩情况，确定支护方案及下一循环开挖方案。
5.1.6初喷：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。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。
5.1.7系统锚杆：锚杆点位放样，间排距应梅花型布置。采用两臂钻进行锚杆造孔，孔深5m，孔径φ42，锚杆造孔完成后，进行清孔验孔，然后进行锚杆注浆及锚杆安装，锚杆为长5m，φ25镀锌锚杆，等孔内砂浆凝固24小时后，采用专用扳手将锚杆垫片上的螺帽拧紧。
5.1.8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φ6钢筋网，网格尺寸为10cm×10cm，安装时需紧贴岩面，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，在围岩破碎及收敛较大的区域加密支护。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。
5.1.9二次喷护：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8-16cm复喷。
5.1.10必要时需浇筑底板钢筋混凝土，混凝土浇筑厚度30-40cm。
5.2 较差围岩段施工操作要点
在围岩破碎或有涌水的区域开挖施工时，需提前进行超前灌浆，或在超前灌浆的基础上进一步使用超前管棚加灌浆的强支护，保障安全通过破碎、涌水区域。
5.2.1 超前灌浆：超前灌浆分为初期堵漏灌浆和周边超前灌浆。
如果取芯或冲击超前勘探孔出现涌水量在100 L/min或以上，涌水压力在5bar（0.5MPa）之间时，拟定进行超前灌浆。在隧洞周边360°范围布置超前灌浆孔，向隧洞轴线前方呈伞状布置，孔深一般为30m，或按工程师指令孔深为15~30m。例如：Ⅰ序孔primary holes布置4个，在以下钟点位置：12：00点钟，3:00，6:00，9:00点钟。Ⅱ序孔secondary holes布置4个，在以下钟点位置1:30，4:30，7:30，10:30。如果有必要则在Ⅰ，Ⅱ序孔之间增加布置Ⅲ序孔。该布孔方式适用于在特殊地段的超前灌浆或应由工程师指令
超前灌浆施工工艺为：判定涌水部位→冲洗→阻塞→压水试验（如果有）→灌浆→保持压力→灌浆结束
⑴判定涌水部位由承包商和工程师的地质人员在现场评估。
⑵钻孔冲洗：对于有涌水的勘探孔，一般不进行钻孔冲洗。或按工程师现场指令进行孔段冲洗。
⑶孔段阻塞：采用机械式阻塞器或气囊式阻塞器对涌水的勘探孔进行阻塞。阻塞深度一般不小于3.0m。钻孔过程中在特定的涌水区测量涌水，需要对孔底以上一定的涌水区进行阻塞。
⑷压水试验：超前灌浆一般不进行压水试验。或按工程师现场指令进行压水试验。
⑸超前灌浆：水泥灌浆浆液分为纯水泥浆及水泥浆中掺加外加剂的水泥浆，一般采用Type A型纯水泥浆灌注。水泥浆水灰比为0.5:1（重量比）。必要时水泥浆中可以掺加速凝剂。掺加外加剂需要进行试验并得到工程师的批准。
当采用双液灌浆时，则用水泥-水玻璃双液浆。采用双液泵或两台灌浆泵分别灌注水泥浆及水玻璃。初步拟定水泥浆液采用0.5：1的浓浆，水泥与水玻璃体积比为1：0.1～1：0.5，根据实际灌浆过程中的进浆量调整浆液比例。
⑹灌浆结束标准拟定为：在确定的灌浆压力下，当吸浆量≤5L/min，继续灌注10min，可结束灌浆。并联多个灌浆孔，当吸浆量≤15L/min，继续灌注15min结束。只有在给定的压力下，延续至少10分钟才可同意完成了一个孔段的灌浆或现场工程师确定。
⑺闭浆或屏浆：闭浆就是为防止孔段内浆液反流溢出，继续保持孔内封闭状态。屏浆则对于大涌水量的孔段，达到灌浆结束条件后，继续使用灌浆泵对灌浆孔段内保持压力30分钟。
5.2.2超前管棚支护及灌浆
围岩破碎区域开挖前需要先进行超前灌浆，在超前灌浆完成的基础上，根据需要实施顶拱超前支护，可以使用超前锚杆或超前管棚，在穿河段区域考虑到有伴随涌水发生的可能，一般选择超前管棚并灌浆来保障施工安全。管棚安装及灌浆施工工艺见下图1：
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管棚灌浆孔布置在隧洞顶拱区域120°-180°范围，孔距为0.3-0.4m，孔内预埋灌浆管，在灌浆管内灌浆。钻孔孔径为φ64mm或φ133mm，根据实际地质情况选择小管棚或大管棚，沿隧洞轴线外偏角7°～10°，呈伞状向围岩辐射，钻孔长度为深入掌子面内6m或12m，两个相邻循环灌浆孔的之间搭接长度不小于2m或4m。
埋设灌浆钢管采用φ48mm或φ80mm无缝钢管制作，长度6m或12m，管壁设若干梅花型出浆孔。出浆孔孔径φ8mm，间距为30cm。见图2、图3。
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灌浆方式采用纯压式，按照分序加密的原则进行，共分为Ⅰ序孔和Ⅱ序孔两个次序。即隔孔相间为Ⅰ序，两个Ⅰ序孔中间为Ⅱ序孔。先灌Ⅰ序孔，后灌Ⅱ序孔，直至检查孔涌水量小于50L/min时结束。
6. 结果评价
自穿河段引水隧洞开挖以来，从各项仪器观测数据显示，洞体变形处于稳定状态。隧洞开挖过程中处理了由于地质灾害引发的掌子面塌方、边顶拱涌水及仰拱涌水各一次，整体来说，该灌浆、开挖及地质灾害处理的手段很成功，可以值得类似的工程施工中进行借鉴。从而为水利工程项目的建设和发展创造良好的施工和实践模式。
论文作者:魏鑫
论文发表刊物:《城镇建设》2020年2月5期
论文发表时间:2020/4/30