陸宗磐 徐立洲 陳洪蓮

巴基斯坦NEELUM-JHELUM 水電站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“N-J”電站）裝機(jī)容量963 MW，設(shè)計(jì)水頭420 m，為長(zhǎng)隧洞引水式水電站，引水隧洞長(zhǎng)28.5 km（其中單洞長(zhǎng)9.7 km、內(nèi)徑11.5 m，雙洞長(zhǎng)18.8 km、內(nèi)徑8.5 m），設(shè)計(jì)引用流量280 m3/s。隧洞埋深大，最大埋深1 900 m，埋深超過(guò)1 000 m 洞段約19 km。隧洞施工采取鉆爆法和TBM 組合方式。根據(jù)樞紐總體布置，引水隧洞在中后部從Jhelum 河底下方穿過(guò)（簡(jiǎn)稱(chēng)穿河段），是本工程引水隧洞設(shè)計(jì)和施工風(fēng)險(xiǎn)最高、難度最大的部位，也是控制工期的關(guān)鍵線路之一。

1 穿河段地形地質(zhì)

Jhelum 河為印度河一級(jí)支流，河道偏左岸，寬度100～110 m，右岸一級(jí)階地寬約250 m，二級(jí)階地寬約150 m，枯水期水面寬度70～80 m，河水位高程778.3 m，水深2～3 m，前期左岸邊鉆孔揭示河床覆蓋層厚90 m。

N-J 水電站位于喜馬拉雅山強(qiáng)烈構(gòu)造區(qū)西構(gòu)造結(jié)的核心部位，巖性主要為SS-2 砂巖和泥巖，少量為SS-1 砂巖，裂隙多為貫穿性寬大裂隙，穿河段上游側(cè)緊鄰HFT 大斷層，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。

2 方案比選

2.1 埋深比選

可研報(bào)告由挪威咨詢(xún)公司完成，穿河段推薦采用倒虹吸式深埋方案，參見(jiàn)圖1 虛線所示，即引水隧洞從Jhelum 河下430 m 穿過(guò)。該深埋方案，一方面施工支洞長(zhǎng)，施工難度大，一旦發(fā)生涌水處理困難；另一方面運(yùn)行期倒虹吸段的水不能通過(guò)機(jī)組排出，無(wú)法放空檢修。

實(shí)施階段，根據(jù)中方承包商的建議，重點(diǎn)比較了淺埋方案，即穿河段高程抬高到與引水隧洞下半段相同，如圖1 實(shí)線所示。淺埋方案滿(mǎn)足運(yùn)行期放空檢修要求，但不滿(mǎn)足有壓隧洞洞身巖體最小覆蓋厚度要求，為防止水力劈裂和滲漏失穩(wěn)，最終選定采用鋼板襯砌。

圖1 穿河段埋深方案比選示意圖

2.2 單雙洞比選

深埋方案采用單洞，洞徑需10.0 m。淺埋方案因需要鋼板襯砌，若采用單洞，則鋼管需要直徑較大，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，鋼管制作、運(yùn)輸較因難，特別是施工支洞長(zhǎng)2 100 m，要滿(mǎn)足鋼管運(yùn)輸要求，開(kāi)挖工程量和支護(hù)量大幅增加，經(jīng)綜合比選決定采用雙洞，洞徑6.6 m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

（1）依據(jù)規(guī)范《壓力鋼管設(shè)計(jì)手冊(cè)（ASCE No.79）》2012（ASCE Manual and Report on Engineering Practice No.79 Steel Penstocks2012）。

（2）按地下埋管設(shè)計(jì)，不考慮周?chē)炷梁蛶r石提供的支護(hù)。

（3）鋼管允許應(yīng)力取屈服強(qiáng)度的80%或抗拉強(qiáng)度的50%中兩者較小者[1]。

（4）為保證運(yùn)輸和吊裝所需的壓力鋼管的最小厚度（tmin），用美國(guó)墾務(wù)局的公式tmin=（D+500）/400進(jìn)行計(jì)算（D 為鋼管直徑）。

（5）鋼管銹蝕磨損厚度為2 mm。

3.2 內(nèi)水壓力

穿河段最大毛水頭為414 m，長(zhǎng)年處在河水位下，計(jì)算外水頭為183 m，計(jì)算內(nèi)水壓力為2.31 MPa。

內(nèi)水壓力全部由鋼管承擔(dān)，鋼管厚度t 計(jì)算公式[2]如下：

式中 P——內(nèi)水壓力，kPa；

R——鋼管半徑，mm；

S——鋼管允許應(yīng)力，kPa；

E——焊接系數(shù)，取1.0。

管體材料采用07MnCrMoVR 高強(qiáng)度鋼板，鋼管厚度取30 mm。

3.3 抗外壓穩(wěn)定

外水壓力全部由鋼管承擔(dān)，管壁臨界外壓采用米賽斯（Miese）公式計(jì)算[3]，加勁環(huán)的抗外壓穩(wěn)定按雅各布森（Jacobsen）公式計(jì)算，安全系數(shù)為1.5。

加勁環(huán)材料與管體材料一致，采用07Mn?CrMoVR 高強(qiáng)度鋼板，每隔1.5 m 設(shè)置1 道加勁環(huán)，板厚30 mm，環(huán)高300 mm。另外，距端頭100 mm處設(shè)置阻水環(huán)，板厚30 mm，環(huán)高300 mm。

3.4 制作安裝

根據(jù)制作、安裝運(yùn)輸條件，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)為3 m，每4 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成一個(gè)安裝單元12 m。

對(duì)接縫焊縫采用X形非對(duì)稱(chēng)坡口，坡口內(nèi)外深度比例為7∶3，留2 mm 鈍邊，坡口形式如圖2 所示。

圖2 X形非對(duì)稱(chēng)坡口（單位：mm）

對(duì)于鋼襯一類(lèi)焊縫，焊縫檢驗(yàn)用超聲波探傷，根據(jù)需要使用射線探傷復(fù)驗(yàn)。

在鋼襯裝配完成后，用磁力鉆配開(kāi)孔器進(jìn)行灌漿孔的開(kāi)孔。鋼襯對(duì)圓完成后，在管外壁組焊加強(qiáng)板，加強(qiáng)板有內(nèi)螺紋，灌漿孔的開(kāi)孔如圖3 所示。

圖3 灌漿孔開(kāi)孔（單位：mm）

4 穿河段施工

穿河段采用雙洞布置，單洞開(kāi)挖為8.55 m×9.05 m馬蹄形斷面，斷面面積107 m2，長(zhǎng)度為804 m，距河底最低處約165 m。

4.1 超前勘探地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前勘探的目的是探明未開(kāi)挖洞段巖體和地下水的情況，超前勘探是穿河段開(kāi)挖能否順利、安全實(shí)施的前提，對(duì)于隧洞施工有著十分重要的作用。超前勘探水平孔深100～150 m，通過(guò)勘探孔取芯，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性，根據(jù)勘探孔的出水情況，觀測(cè)涌水壓力、涌水流量，為預(yù)防隧洞涌水、突泥、大變形等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，采取不同開(kāi)挖方案，確定爆破進(jìn)尺及支護(hù)措施。

4.2 超前堵水灌漿超前支護(hù)

對(duì)預(yù)測(cè)的地質(zhì)不良段，利用超前灌漿形成帷幕墻加固前方圍巖，選擇合適的超前支護(hù)手段（超前管棚或超前錨桿）進(jìn)行處理。管棚灌漿主要用于圍巖破碎地質(zhì)洞段，管棚灌漿孔布置在隧洞頂拱區(qū)域，利用多臂鉆向隧洞掌子面進(jìn)行傘狀鉆孔，孔內(nèi)進(jìn)行阻塞、灌漿，對(duì)圍巖空隙進(jìn)行充填，與鋼管組成預(yù)支護(hù)系統(tǒng)，達(dá)到防止坍塌，便于掘進(jìn)的目的。在隧洞周邊超前管棚注漿，采取短循環(huán)（循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)2.0 m）的開(kāi)挖方式，減少爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

4.3 掌子面涌水處理

在整個(gè)穿河段施工過(guò)程中，除了多次遭遇斷層破碎帶圍巖塌方外，還多次遇到強(qiáng)涌水，其中最強(qiáng)一次涌水發(fā)生在主河床右岸一級(jí)階地下（如圖4所示），涌水部位（樁號(hào)ST.D4+381.0）處于HFT 斷層影響帶內(nèi)，砂巖及泥巖交界面，巖體較破碎，裂隙發(fā)育，多為巖屑充填，層間錯(cuò)動(dòng)明顯。在超前錨桿和爆破孔施工時(shí)，并未出現(xiàn)滲水，開(kāi)挖支護(hù)后地下水突然穿透泥巖相對(duì)隔水層，發(fā)生涌水，拱頂伴有坍塌、掉塊；隨著時(shí)間推移逐漸變大，塌方量約235 m3。在掌子面11 點(diǎn)至12 點(diǎn)鐘方向，涌水量最大達(dá)1 180 m3/h。根據(jù)水壓0.7～2.1 MPa分析，涌水受河水補(bǔ)給。

圖4 強(qiáng)涌水位置圖

發(fā)生強(qiáng)涌水后，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，在加強(qiáng)排水的同時(shí)，掌子面涌水采用混凝土全斷面封堵后灌漿[4]。

4.3.1 增強(qiáng)排水設(shè)施

涌水部位與施工支洞進(jìn)口高差195 m，水平距離1 210 m，共設(shè)置4 級(jí)排水泵站加強(qiáng)排水，排水泵站性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 排水泵站性能指標(biāo)表

4.3.2 封閉掌子面

在排水的同時(shí)，為防止塌方縱向延伸，造成掌子面進(jìn)一步塌方，首先采用裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)巖渣至塌方處形成足夠?qū)挼亩骂^，對(duì)掌子面進(jìn)行回填，同時(shí)采用編織袋對(duì)土埂上部進(jìn)行封堵，在下部布置導(dǎo)水管將涌水導(dǎo)出，在導(dǎo)引管處形成隔水圍堰，分層澆筑混凝擋墻，澆筑時(shí)需要預(yù)埋排水管至渣體回填區(qū)。頂拱塌腔處采用超前管棚灌漿填充，封閉掌子面，防止頂拱進(jìn)一步塌方，為灌漿做好準(zhǔn)備?；炷炼骂^澆筑示意如圖5 所示。

4.3.3 灌漿堵水

（1）通過(guò)混凝土堵頭底部預(yù)埋的DN250 鋼管對(duì)堵頭后渣堆進(jìn)行固結(jié)灌漿。

（2）在掌子面后頂拱8 點(diǎn)至3 點(diǎn)方向，鉆帷幕灌漿孔，并安裝DN80 超前管棚。根據(jù)實(shí)際灌漿效果加密帷幕灌漿孔，設(shè)計(jì)灌漿壓力5 MPa。

圖5 混凝土堵頭澆筑示意圖

（3）灌漿順序由低向高，水灰比根據(jù)涌水量配制。若出現(xiàn)掌子面后外漏或串漿，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行封堵，采用濃漿間歇法或雙液灌漿法。

4.3.4 混凝土堵頭開(kāi)挖支護(hù)

（1）采用弱爆破對(duì)混凝土臺(tái)階移除，爆破時(shí)在側(cè)墻及頂拱預(yù)留1～1.5 m 厚保護(hù)層，以免破壞原有支護(hù)系統(tǒng)。

（2）爆破完成后，使用管棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。管棚直徑80 mm，間距為35 cm，長(zhǎng)度為12 m，搭接4 m。

（3）重復(fù)進(jìn)行以上爆破及支護(hù)施工，每循環(huán)2 m 至塌方體部位。

4.3.5 塌方部位開(kāi)挖支護(hù)[5]

（1）對(duì)掌子面周邊進(jìn)行15 m 深超前灌漿，掌子面前方5 m 進(jìn)行帷幕灌漿，重復(fù)進(jìn)行掃孔灌漿直至無(wú)外水涌出。

（2）掌子面開(kāi)挖分為上下層進(jìn)行，每循環(huán)開(kāi)挖1 m，開(kāi)挖完成后及時(shí)進(jìn)行管棚及鋼肋條加強(qiáng)支護(hù)，管棚間距為35 cm，長(zhǎng)度為12 m，搭接4 m；鋼肋條間距15 cm。

4.4 掌子面后涌水處理[6]

在施工過(guò)程中，多次遇到掌子面后涌水，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，快速采取應(yīng)對(duì)措施。在加強(qiáng)排水的同時(shí)，對(duì)已開(kāi)挖部位邊墻和頂拱涌水，采用澆筑廊道混凝土后灌漿措施進(jìn)行處理，具體步驟如下：

（1）對(duì)涌水部位實(shí)施排水泄壓孔，在孔內(nèi)安裝鋼管、軟管進(jìn)行排水，出水面積大的區(qū)域需安裝瓦片等材料進(jìn)行排水。

（2）根據(jù)涌水量大小，計(jì)算外水壓力，由外水壓力確定澆筑混凝土厚度，確保洞室穩(wěn)定。圖6 為掌子面后涌水廊道混凝土澆筑圖。

5 結(jié) 語(yǔ)

N-J 水電站引水隧洞在中后部從Jhelum 河底下方穿過(guò)，內(nèi)水壓力高，施工難度大，經(jīng)埋深和單雙洞綜合比選，實(shí)施階段采用淺埋雙洞鋼板襯砌方案。

圖6 掌子面后涌水廊道混凝土澆筑圖（單位：mm）

按照ASCE No.79 規(guī)定，鋼管允許應(yīng)力取屈服強(qiáng)度80%或抗拉強(qiáng)度50%的較小值。鋼管設(shè)計(jì)不考慮周?chē)炷梁蛧鷰r作用，內(nèi)水壓力全部由鋼管承擔(dān)，但考慮到穿河段長(zhǎng)年處于河水之下，根據(jù)內(nèi)水壓力計(jì)算需要的壁厚時(shí)，及外水壓力的作用。

超前勘探是穿河段開(kāi)挖能否順利、安全實(shí)施的前提。有效治理滲水和施工涌水是穿河段開(kāi)挖的保障。開(kāi)挖方法和圍巖支護(hù)措施直接決定隧洞穩(wěn)定情況。

穿河段上游側(cè)緊鄰HFT 大斷層，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。施工過(guò)程中，除了多次遭遇斷層帶破碎圍巖塌方外，還遇到強(qiáng)涌水。對(duì)掌子面強(qiáng)涌水段，在增強(qiáng)排水設(shè)施的同時(shí)，采用混凝土全斷面封閉掌子面，封堵后進(jìn)行灌漿處理。對(duì)已開(kāi)挖部位邊墻和頂拱涌水，采用澆筑廊道混凝土后灌漿措施。

通過(guò)合理組織施工，實(shí)施超前勘探地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前堵水灌漿、掌子面后堵水及灌漿、跟進(jìn)強(qiáng)支護(hù)等處理手段，安全、順利地完成了穿河段施工，為不良地質(zhì)段洞開(kāi)挖、涌水處理提供借鑒。