摘要：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。如何在施工过程中快速、安全、有效的解决塌方、涌水问题处理方法，以及如何采取措施应对不塌方、涌水下的施工，以保障隧洞施工安全、快速进行。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。
关键词：引水隧洞；塌方、涌水处理；施工要点
1.前言
由中国葛洲坝集团（CGGC）承建的巴基斯坦Neelum-Jhelum（简称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，其引水隧洞在中后部从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。在整个穿河段施工过程中，除了多次遭遇断层带破碎围岩塌方外，掌子面后还多次遇到强涌水，其中最强一次涌水发生在开挖掌子面已经穿过主河床200m，涌水发生在掌子面11点至12点钟方向，涌水量最大达到了1180m³/h。面对复杂的地质条件，通过合理组织施工，通过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、跟进强支护等地质灾害处理手段，安全、顺利地完成了引水洞穿河段施工。以穿河段成功实践的施工技术为基础，特总结形成本处理方法。
2.处理方法
在发生强涌水后，要根据应急预案结合实际情况，快速采取应对措施减小损失。在加强排水的同时，选择合适的涌水区域封堵形式，如掌子面涌水时可以采用石渣封堵及回填灌浆，或混凝土浇筑全断面封堵后灌浆，以及掌子面后浇筑混凝土廊道并灌浆堵水。
3.不良地质情况导致的塌方、涌水处理方法要点
3.1不良地质情况导致的塌方、涌水处理
3.1.1掌子面开挖塌方、涌水：在浅埋深穿河段开挖施工期间，最重要的是预防塌方、涌水情况的发生，尤其是在河边且有断层破碎带时需格外注意，若发生掌子面塌方或涌水时，特别是涌水量大于设计排水能力时，需及时采取相应的应急预案。
(1)全力组织排水：加强对排水系统的维护，若排水能力不足时需增设排水设备，明确各级泵站24小时人员值班，水泵维修人员24小时现场待命的工作制度。
(2)尽快封闭掌子面：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（堆石岩埂），对掌子面进行回填，同时组织人员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预设混凝土浇筑区域以外，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，并作为后期灌浆使用。顶拱塌腔处采用超前管棚灌浆填充，以达到封闭掌子面，防止进一步塌方，为下一步灌浆做好准备。
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图1 混凝土堵头浇筑示意图
(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，灌浆过程中，混凝土上部预埋的钢管（12*DN100）作为排水泄压孔。
②逐一关闭堵头底部排水管，观察堵头表面渗漏情况，标记漏水点，对漏水部位进行钻孔后灌浆封堵。
③在掌子面后顶拱8点至3点方向，钻9个帷幕灌浆孔（尽可能接近预测的塌腔），并安装DN80超前管棚。利用混凝土上部预埋的12根DN100钢管对堵头后渣堆进行回填灌浆（可以使用纯水泥浆或浓砂浆），灌浆过程中使用顶拱超前管棚作为排水泄压孔。
④对掌子面后顶拱的9个帷幕灌浆孔重复进行扫孔-灌浆-扫孔-灌浆，扫至基岩后，灌注水泥浆，灌注顺序由两侧向中间推进，各管路出现混凝土外漏应及时关闭闸阀，直至形成防渗墙。帷幕灌浆孔根据实际灌浆效果加密，设计灌浆压力5Mpa。
⑤优先选取顶部出现涌水的钢管，进行高压灌浆测试，采用逐级升压灌注，每一个压力级别停留3-5min，在此过程中严密监测堵头变形和位移情况及漏水情况，根据实验情况做好支护及漏水点封堵工作。
⑥分别在堵头帷幕线上8点钟、9点钟、11点钟、1点钟、3点钟方向进行高压灌浆。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，必要时可采用化学灌浆进行堵漏。根据涌水量及灌注量逐步加密Ⅱ序孔（如有必要可以加密Ⅲ序孔），直至钻孔后无涌水及灌注量小于300L时方可布置检查孔。灌浆工作完成后方可进行堵头开挖。
(4)混凝土堵头及回填渣体开挖支护
①采用弱爆破对混凝土台阶移除，使混凝土堵头形成平面，便于后续爆破钻孔、开挖，视情况布置水平或竖向爆破孔，爆破孔间距70~100cm（梅花形布置）；
②台阶爆破完成后，混凝土堵头下部距离渣料回填区域较近，为防止混凝土堵头可能出现的滑动问题，根据探孔出水情况，如果需要则对掌子面周边进行15m深超前灌浆，掌子面前方5m进行帷幕灌浆，加固前方回填区域以减小堵头受力；
③在混凝土堵头上进行爆破孔施工，其中爆破时在侧墙及顶拱预留1~1.5m厚保护层，以免破坏原有支护系统；
④在第一轮爆破完成后，对保护层进行光面爆破施工，在预留的保护层上施工两排爆破孔，其中一排为剥落孔，一排为光爆孔；
⑤爆破完成后，根据开挖情况如有需要使用管棚进行加强支护，管棚直径80mm，间距为35cm，长度为12m，搭接4m。
⑥使用喷射混凝土覆盖管棚及钢肋条，若局部有损坏则需进行修复，需注意尽量保障钢衬安装断面；
⑦重复进行以上灌浆、爆破及支护施工（每循环2m，也可根据现场实际情况进行增减）至塌方体部位。
(5)塌方部位开挖支护
①对掌子面周边进行15m深超前灌浆，掌子面前方5m进行帷幕灌浆，重复进行扫孔灌浆直至无外水涌出（或按工程师指令）；
②对掌子面进行开挖，开挖可采用全断面或分为上下层进行，每循环开挖1m，开挖完成后及时进行管棚及钢肋条加强支护，管棚间距为35cm，长度为12m，搭接4m；钢肋条间距15cm；
③若分为上下层开挖，下层开挖分为左右两部分进行施工，每次开挖完成后需尽快进行钢肋条拼接支护；
④使用喷射混凝土覆盖管棚及钢肋条，需注意尽量保障钢衬安装断面；
3.1.2掌子面后仰拱部位涌水
已开挖部位仰拱出现涌水，可以先对仰拱出水区域进行清基，打排水孔并安装钢管进行排水。对清理的区域安装网片、插筋后浇筑混凝土，通过排水管对仰拱出水部位进行灌浆（灌浆方式与5.4.1基本一致，不再赘述），施工检查孔，检查灌浆工作是否已完全堵水。
若涌水压力过大，可能需要较厚的混凝土才能满足后期高压灌浆堵水时的压力，该情况下浇筑全断面廊道混凝土进行封闭后灌浆可能更为简单，施工程序与下节掌子面后已开挖部位边顶拱涌水处理方式一致。
3.1.3掌子面后边墙或顶拱涌水
已开挖部位边墙或顶拱涌水，为了减少混凝土浇筑工程量，采用浇筑廊道混凝土比较合适，工程量小且可以尽快恢复掌子面开挖施工，具体步骤如下：
①处理出水点，提供施工部位，对涌水部位施工排水泄压孔，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根据涌水量及洞型等参数设计浇筑形式，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。
③搭设浇筑排架及模板，根据计算后设计的浇筑断面，搭设钢管排架并拼装模板。排架为长6m、直径48mm钢管，使用十字卡及万向卡进行固定。模板使用标准的P3015和P1015拼装而成。
④混凝土分段、分层浇筑，根据出水部位长度及隧洞洞型，确定浇筑混凝土的段长及分层高度，混凝土浇筑采用泵送配合振捣棒振捣，保障混凝土浇筑质量。
⑤拆除模板及排架，混凝土7天后可以进行拆模，并同时拆除排架。混凝土拆除后需进行14天养护施工。
⑥浇筑段灌浆，编制灌浆方案，根据设计的灌浆孔位，使用多臂台车对浇筑混凝土进行造孔并灌浆。
⑦浇筑部位开挖至原设计断面，灌浆作业完成后，由于该断面不能满足后期二次衬砌施工，需要对浇筑的混凝土进行爆破移除。使用光面爆破进行施工（与5.4.1中保护层开挖方式一致），确保隧洞断面成型，不影响前期已有支护或后期衬砌断面。为了保障该区域二次开挖的安全，也可使用免爆破的方式进行拆除。
3.2穿河段开挖期的施工操作要点
穿河段隧洞开挖必须严格按照地形工程“新奥法”施工技术原理，跟进支护，根据前期勘探穿河段存在大涌水段，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，呈压碎状态，致使围岩自稳能力极差，成型困难的隧洞地质段，按照“管超前、严注浆、短循环、弱爆破、强支护、快封闭、勤测量、速反馈”的施工原则。在隧洞周边超前管棚注浆预固结围岩的保护下，采取短循环（循环进尺不超过2.0m）的开挖方式，减少爆破对围岩的扰动。
4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，该塌方、涌水处理的手段很成功，可以值得类似的工程施工中进行借鉴。
论文作者:魏鑫
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/21
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