越南上昆嵩水电站引水隧洞超前支护施工

李海军

（辽宁润中供水有限责任公司，沈阳 110166）

越南上昆嵩水电站引水隧洞超前支护施工

李海军

（辽宁润中供水有限责任公司，沈阳 110166）

上昆嵩水电站引水隧洞工期紧，地质情况复杂，因埋深大、地应力高、存在高压涌水区段和多条断层破碎带等不良地质条件，易发生塌方、涌水、岩爆等地质灾害，所以必须采取相应的施工辅助工法以防止上述事故的发生，减少对设备、人身安全和工期的影响。施工过程中根据上昆嵩水电站的地质条件和现场施工条件，采用了超前锚杆、超前小钢管支护、超前小导管注浆加固、管棚支护等超前支护方法，为不良地质段施工积累了一定的经验。

水电站；引水隧洞；不良地质；施工辅助工法；超前支护

1 工程概况

上昆嵩（ThuongKonKum）水电站位于越南崑嵩省（KonTum）公伯陇县（KonPlong），最大发电水头944m，装机总容量220MW，年发电量为 1.094×109kWh。

上昆嵩水电站引水隧洞长17483.00m，其中TBM法（Tunnelboringmachine全断面岩石隧道掘进机）开挖12403m（5＋000～17＋403），其余洞段采用钻爆法开挖，开挖洞径4.5m。

2 工程地质

上昆嵩水电站引水隧洞沿线地表植被茂密、山峰连绵起伏、覆盖层厚、冲沟发育，共有18条Ⅳ级断层，24条Ⅴ级断层，断层多为陡倾角，与隧洞轴线近直交。Ⅳ－13断层与洞轴线夹角小，仅为23°，（产状 N20～30°ENW∠80°，影响带宽 8～10m），对施工安全影响较大。

上昆嵩水电站引水隧洞表层岩石风化强烈，受岩石成分、地形形态、地貌、褶皱、构造等因素的影响，风化带分布复杂，地下水含量丰富，地下水埋深只有6～28.1m。

3 超前支护的必要性

上昆嵩水电站引水隧洞工期紧，存在洞室埋深大、高地应力、高压涌水、断层破碎带等多种不良地质条件洞段，在Ⅳ类、Ⅴ类围岩等自稳时间较短的不良洞段，如软弱破碎洞段、断层影响带施工时，易发生大规模塌方、涌水事故，围岩完整性虽较好但存在高地应力的洞段易发生岩爆事故。

施工中如果发生上述事故将对TBM主机造成严重破坏，掌子面坍塌可能会掩埋刀盘及主机，洞壁发生坍塌将导致TBM的撑靴无法支撑，使TBM无法向前推进，涌水量过大会淹没TBM主机和后配套，甚至发生伤人事故，而且事故的影响也很严重，一旦发生将占用数月工期才能处理完毕。

比如，辽宁省某大型输水工程I期工程TBM1施工段因地质不良发生塌方事故，掩埋TBM刀盘，影响工期数月；锦屏水电站因为高埋深，存在特别高的地应力，在排水洞施工时发生严重岩爆事故导致一台TBM主机报废。

综合以上原因，上昆嵩水电站输水洞施工时，在做好地质预报的基础上，根据预报的结果和掌子面曝露的围岩情况，采取有效的超前支护措施，防止或减少岩爆、涌水、围岩坍塌等不良地质灾害，对于保证施工安全和工期是十分必要的。

4 超前支护施工方法

根据上昆嵩水电站的地质条件和现场施工条件，采用的超前支护的方法有超前锚杆、超前小钢管支护、超前小导管注浆加固、管棚支护。

这些超前支护施工方法有不同的施用范围和特点，分别介绍如下：

4.1 超前锚杆的施工方法

超前锚杆用于围岩稳定性一般，有局部掉块的地段，为把松动圈内围岩拉结一起，改变围岩的应力分面，防止进一步坍塌，超前锚杆一般布置在拱顶，如果边墙围岩稳定性不好，有局部地质不良体，易发生塌方时也可布置。

超前锚杆与钢拱架或钢格栅配合使用，其尾部焊接在钢拱架或钢格栅的腹部。

超前锚杆主要有砂浆锚杆、迈式锚杆、药包锚杆等，上昆嵩水电站引水隧洞采用价格低、适用性强的注浆锚杆。

施工时先测量放点，TBM施工时用超前钻机钻孔，钻爆法施工时用 YT28气腿钻钻孔，孔径为42mm，孔深3.5～4m，然后用早强水泥砂浆进行满孔注浆，随即将锚杆插入孔底，在孔口安装托板固定。

为便于焊接在钢拱架或钢格栅的尾部，锚杆尾部外露10～150mm。为保证形成可靠的空间组合受力体，超前锚杆的纵向水平投影搭接长度≥1.0m。

4.2 超前小钢管施工方法

超前小钢管效果好于超前锚杆，用于节理裂隙较发育的洞段或围岩含夹层的洞段中，布置方法同超前锚杆。

先在围岩上测量放点，TBM施工时用超前钻机钻孔，钻爆法施工时用 YT28气腿钻钻孔，孔径为42mm。

为容易打入钻孔，超前小钢管顶部需加工成尖锥，同时为防止打入钻孔时管尾开裂，还需在管尾焊一道钢筋箍。用锤击或钻机法把超前小钢管顶入钻孔内。

超前小钢管一般长3.2m，为保证形成可靠的空间组合受力体，两排超前小钢管的纵向水平投影搭接长度≥1.0m，外露部分处理方法同超前锚杆［1］。

4.3 超前小导管注浆的施工

超前小导管注浆的性能比超前锚杆和超前小钢管更好，适用于软弱围岩，开挖后拱部不能自稳的洞段。

超前小导管注浆由于增加了注浆过程，浆液能充填围岩内的各种缝隙，固化后不仅能提高围岩的整体性和强度，还能使小导管和周围岩体固结成一体，共同形成承载壳，可有效控制拱顶下沉，防止坍塌，保证施工安全。

超前小导管采用φ42无缝热轧钢管加工而成，长3.5m，为方便插打，防止浆液向前冲，其前端加工成锥形。

超前小导管外壁梅花形钻设溢浆孔，孔距15cm左右，钻孔直径为8mm左右，为防止漏浆尾部1.0m范围内不钻孔，在超前小导管末端焊一道φ6环形箍筋以防止打入围岩时开裂，影响注浆管的联接。

超前小导管一般布置在隧洞顶部120°范围内，沿隧洞纵向向外以10°～30°外插角钻孔打入围岩，一般环向间距200～500mm，为保证形成可靠的空间组合受力体，两排超前小导管纵向水平搭接长度≥1.0m，超前小导管的布设方法类同超前锚杆和超前小钢管［2］。

超前小导管注浆法施工时为防止漏浆，先在掌子面附近洞壁上喷50～100mm厚混凝土进行封闭，再测量放点，TBM法施工时用超前钻机钻孔，钻爆法施工时用 YT28气腿钻钻孔，钻头直径不小于42mm，用气动锤将小导管振入孔内，在围岩松软时，可采用风镐将小导管直接打入围岩。

小导管插入围岩后应及时进行注浆，先用高压风清扫小导管，再根据地质情况按可灌比或渗透系数确定注浆类型，上昆嵩水电站引水隧洞施工过程中采用造价较低的水泥浆灌注，在工程实践中如需要浆液快速凝固时，也可以使用成本高但凝固时间更短的水泥—水玻璃双液浆灌注。

水泥单液注浆采用型号为UB8.0灌浆泵灌注水泥浆，用分浆器进行多管并联自下而上注浆，浆液水灰比按照1.5∶1，1∶1，0.8∶1共 3个等级由稀到浓逐级变换。注浆压力控制在0.5～1.0MPa，为防止浆液外流，注浆完成后立即用止浆塞堵住孔口。

注浆中若发生与多孔串浆时，先将串浆的孔用止浆塞临时封堵，本批次注浆完成后，立即对串浆孔进行注浆，拔出临时止浆塞，如果有浆液外流，就直接接管注浆，如果无浆液外流则用高压风或水清洗超前小导管后再接管注浆。

注浆过程中如果发现注浆压力突升，应立即停机检查是否发生堵管并及时清理堵塞物；如果注浆压力长时间达不到标准，应检查是否有浆液流到别处的现象或输浆管窝浆现象，如果有流到别处的现象可以调整浆液配合比，缩短胶凝时间，进行小量低压或间歇性注浆，如果采用间歇注浆法则间歇时间不应超过胶凝时间［3］。

为保证浆液的凝固时间，使围岩形成足够的强度，根据浆液种类在超前小导管注浆完成后4～8h后再进行开挖施工。为防止下一次注浆时孔口跑浆，开挖时保留1.5～2.0m长已注浆洞段用做止浆墙。

4.4 管棚的施工

管棚造价高、施工难度大，工期长，能把很长的不良地质段的围岩通过棚管、钢拱架、注浆等方式组合成一个空间受力体，使隧洞开挖和二次衬砌在管棚的保护下安全施工，主要用于严重风化岩或断层破碎岩体，开挖后围岩不能自稳或只能在很短时间内自稳的情况下。

管棚分为长管棚和短管棚，一般长5～30m，沿隧洞断面环向布设，棚管中心距为管径的2～3倍。管棚的棚管有一定的外张角，棚管又较长，其末端必然距隧洞开挖边线较远，因此为保证拱顶围岩的稳定，两组管棚的纵向搭接长度应≥3m。

管棚的钢管内径为75mm，壁厚5mm，接头采用丝扣长150mm的厚壁管箍连接，为使棚管的接头错开布置，棚管分4、5、6m3种长度，第一节管交替使用4m、6m长的钢管，后续管使用5m长的钢管。管棚钢管上钻直径8mm的小孔，孔间距25cm，梅花形布置。

管棚按以下步骤施工：

4.4.1 钻孔

TBM法施工时用超前钻机，钻爆法施工时用100B钻机。

先在隧洞拱部钻设仰角为 5°～7°，孔径为105mm的超前孔。因钻孔较深，钻进过程中需接长钻管，采用与钻杆同材质的钻杆连接套连接钻杆，钻杆连接套的两端加工成内螺纹与钻杆首尾端的外螺纹配合连接。

超前孔直径大于管棚外径5～20mm，孔深大于管长0.5m。

钻孔完成后要用钻机清除孔底浮渣，再用高压风吹扫钻孔，用测杆测量孔深，以确保孔径、孔深满足要求。

4.4.2 顶管

超前孔钻完后立即进行顶管作业，把钻机的冲击压控制在 1.8～2.2MPa，推进压控制在 4～6MPa，不使用回转压力将安有工作管头的棚管沿钻孔低速推进，当孔外剩余30～40cm长棚管时，钻机反转分离顶进连接套和棚管，装上第二节棚管，钻机再缓慢低速前进对准前一节棚管的尾部，连接棚管，然后再次低速顶进棚管，重复上述步骤直到管棚达到设计长度。

4.4.3 棚管补强

为提高管棚的刚度和强度，按设计点位将钢管全部安装完毕后，清理管内残渣，进行棚管补强。管棚支护中一般采用造价较低的水泥浆，利用水泥浆把棚管周围的岩石缝隙填充固结，形成一个整体，共同受力。

水泥浆水灰比控制在1∶1～3∶1，注浆初压0.5～1.0MPa，终压为1.0～2.0MPa，注浆结束后用 M10水泥砂浆填充棚管，形成钢管混凝土。

TBM在管棚的支护洞段采用短进尺开挖，每次进尺0.6～0.9m，换步时立即支立钢拱架，进行锚喷支护。

5 总 结

对于上昆嵩水电站引水隧洞这种埋深大、地应力高、高压涌突水、断层破碎带多等复杂地质条件下的工程，在超前地质预报的基础上，根据地质条件和现场施工条件，采用超前锚杆、超前小钢管支护、超前小导管注浆加固、管棚支护等超前支护方法，能有效减少地质灾害的发生，保证施工安全，为类似工程的施工积累了经验。

［1］宋涛.TBM不良地质地段施工技术［J］.湖南水利水电，2010（04）：19－22.

［2］刘晓舟.小导管超前支护技术在引水隧洞工程中的应用［J］.西部探矿工程，2010（07）：148－150.

［3］周卫霞.TBM在富水带的施工技术措施［J］.石家庄铁路职业技术学院学报，2013（03）：27－31.

TV554

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1007－7596（2014）08－0094－03

2014－04－25

李海军（1983－），男，内蒙古和林格尔人，工程师，从事水利工程施工管理和运行管理工作。