抽水蓄能電站圓形尾水隧洞斷層破碎帶施工技術應用研究

趙陽 ZHAO Yang

（中國水利水電第六工程局有限公司，沈陽 110170）

0 引言

隧道經斷層破碎帶時，在很大程度上，破碎帶巖層破碎程度、含水量、斷層破碎帶性質均會對施工正常進程產生影響。在施工人員、施工方案、施工機械等方面存在微小差別的情況下，施工難度的大小、時間的長短與斷層的斷裂有著直接的聯系。一般在隧道軸線與其縱向結構相近的情況和在斷層含水量較低、寬度較窄的條件下，施工比較容易。當隧道軸線與其橫向結構相近時，斷層斷裂段的長度進一步加大，側向壓力繼續增大，需要加固隧道。為了降低隧道斷裂帶對隧道建設的不利影響，施工單位要采取分段開挖、強化支護措施，充分了解隧道的地質情況，合理調整早期支護參數，并對高壓富水、易出現斷裂的地段及時進行注漿，以避免崩塌。由于受自然條件限制，江蘇溧陽抽水蓄能電站工程建設技術難度大，可謂地質條件異常復雜，所以施工難度極大，在工程建設中，圍巖穩定性是一個十分突出的問題，它關系到工程的安全、投資和進度。相關工作人員一定要及時發現抽水蓄能電站圓形尾水隧洞斷層破碎帶施工技術在實際施工過程當中存在的問題，讓相關技術人員及時解決問題，否則將對相關工程帶來嚴重影響。因此，本文以江蘇溧陽抽水蓄能電站為研究對象，對該電站圓形尾水隧洞斷層破碎帶施工技術應用進行了研究。

1 工程概況

龍潭林場接壤安徽省的位置是江蘇溧陽抽水蓄能電站的上水庫；下水庫在天目湖鎮，緊鄰沙河水庫。該電站位于蘇南區域的核心承載區，其主體結構包括下水庫、發電機房、輸水系統、上水庫等。在上水庫的左邊、西部設置了輸水系統，采用1 洞3 臺機組聯合供水，其中，導流系統由下水庫出口、阻抗式調壓室、尾水主洞2 個、鋼岔管4 個、主導水洞2 個、尾水主洞6 個、尾水主孔6 個、非對稱鋼岔管4 個組成。該電廠共設置6 個250MW 水輪抽水機組，總功率為1500MW。在工程項目中，1# 尾水的主洞全長1124.956m，2#尾水主洞全長1211.203m。

2 工程地質條件

在尾水主洞周邊，主要分布有薄～中厚的巖屑砂巖和泥質粉砂巖，巖層分布范圍為40～70°/SE10～30°，巖體風化較廠區淺。圍巖為中厚～巨厚層巖屑石英砂巖夾少量泥質粉砂巖，斷裂構造較發育，以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主，兩條尾水主洞最為復雜，Ⅳ和Ⅴ類圍巖占整個尾水隧洞的95%，僅有少數的Ⅲ類圍巖，斷層、巖脈、地下水等為主要的地質問題，特別是斷層和巖脈中的豐富地下水是突出的地質狀況，兩個主要孔道穿過F136、F137、⑥蝕變巖脈段，全長93m 和199m。該地區的地質特點主要表現在巖石破碎、風化、侵蝕、軟弱、含地下水等方面，已經不僅僅是構造發育了。而且2#尾水主洞通過斷層帶長度達近199m，這是隧洞施工中極為少見的。圖1 為尾水主洞下半洞開挖實際揭露的圍巖。

圖1 尾水主洞下半洞開挖實際揭露的圍巖

3 設計參數及開挖與支護方案選擇

3.1 設計參數

尾水主洞V 類圍巖段開挖斷面原為圓形，后因斷層破碎帶一層開挖初期揭露的地質條件及采用TRT6000 超前地質雷預報系統，由于地質條件復雜，地下水豐富，為了確保隧道施工和圍巖的穩定性，將圓形開挖斷面修改為馬蹄形開挖斷面，同時對本段的系統支護在原支護設計的基礎上進行了加強。

原支護型式為：在洞室頂拱270°范圍進行支護，采用直徑為Φ25、L=4.5m、間隔1.0m、并懸掛Φ8@200×200mm 鋼筋網，采用I20b 鋼拱架，拱架的下端為30cm×40cm（長×寬）的鋼板墊片，以及規格為Φ28、L=3.0m 的鎖足錨。鋼拱架底腳位置在洞室腰線下1.0m 處，噴C25 混凝土厚度15cm。

設計變更中加入下列加強形式：將5 條16b 縱槽置于上部180 度的位置，并與鋼拱架進行焊接。在原系統錨桿支護的同時增加隨機錨桿，隨機錨桿布置在頂拱120°范圍內，按洞軸線均勻布設三道Φ25，L=6m，間距1m。在橫斷面半圓中心下0.5m 處鋼拱架旁沿洞軸線方向左右各設置一排錨筋樁，錨筋樁采用Φ28 螺紋鋼筋，三根一束，長度9m，間距1.0m，外露0.5m與鋼拱架焊接；在一層開挖過程中，為了防止鋼拱架底腳變形，同時防止施工路面泥化，每開挖10m 進行路面C20混凝土置換，厚度30cm。在二層開挖過程中，延長鋼拱架長度2.1m，形成聯合受力體，鋼拱架底腳位置在洞室腰線下3.1m 處，布設底部鋼板墊塊和鎖腳錨桿，鎖腳錨桿規格Φ28，L=4.5m；在二層加寬的鋼拱腳處增加一塊C20 混凝土護腳矮墻，該矮墻厚60cm，高100cm。二層底板增設C20 混凝土厚度30cm。三層拉底施工時，根據圍巖的穩定性，采取了超前支護，當底板有內鼓現象出現時，用錨桿進行加固，錨桿參數為Φ22，L=3.0m，入巖2.3m，外露0.7m（直彎鉤的長度0.5m），間距1.0m。為了確保底板的安全，在下拉底開挖后，在底板上澆筑C20 混凝土墊層，厚30cm。圖2 為斷層破碎帶開挖支護圖。

3.2 開挖與支護方案選擇

大截面洞室的開挖分為兩種，即分段開挖和全斷面開挖，但根據不同的洞室性質和地質情況的不同，其施工方法也不盡相同。尾水主洞開挖工程采用全斷面開挖，其支護拱腳處將處于懸垂狀態，存在很大的安全風險。在全斷面開挖的情況下，完成洞室全部開挖后，方可進行混凝土襯砌，這將導致洞室圍巖在前期的支撐下，暴露的時間更長。在滲漏水作用下，洞室圍巖極易泥化，會有塌方、掉塊等現象產生。根據尾水隧洞的地質情況，假如采取分層開挖，一層為鋼拱架支護的基底，可以防止一層開挖后的拱腳脫空。為了防止開挖后的洞室暴露，在開挖完成后，應及時進行吊頂混凝土澆筑，同時進行襯砌、開挖平行施工，當頂拱混凝土與工作面保持一定的安全距離后，基坑開挖及底拱混凝土襯砌施工及時進行，保證施工安全。尾水主洞開挖支護按分層施工，在開挖支護后保證洞室安全，上層開挖后盡快襯砌混凝土，施工時，必須保證開挖工作面和邊頂拱的混凝土間距。已完工的頂拱混凝土洞段根據施工情況進行下層開挖、支護施工，底拱混凝土隨后澆筑。

4 尾水隧洞斷層破碎帶施工技術

4.1 施工總體方案

斷層破碎帶施工結合尾水主洞施工的總體原則，開挖分三層進行。首先進行一層的開挖與支護施工，然后進行二層的開挖與支護施工，邊頂拱混凝土襯砌及時跟進一、二層開挖面，邊頂拱混凝土襯砌已完工的部分，進行三層開挖和支護，下拱混凝土實時跟進三個開挖面。以28 天齡期混凝土允許的顆粒振速7cm/s 為宜，控制了距開挖工作面的安全距離。斷層破碎帶分三層開挖，分層高度根據原圓形支護設計圖紙中尾水主洞V 類圍巖鋼拱架拱腳位置、設計變更為馬蹄形開挖支護斷面以及邊頂拱混凝土與底拱混凝土分縫位置分為：一層7.3m，二層2.1m，三層3.2m。

4.2 開挖與支護施工

在一層開挖時，采取超前地質預報、超前排水、超前導管支護、短進尺、強支護等措施；二、三層開挖，以松散爆破、反鏟、沖擊錘等輔助開挖、勤支護為主。

4.2.1 超前地質預報系統

為了解和判斷洞室掌子面前方一定距離內不良地質的性質、位置、寬度和影響隧洞的長度，需采用超前地質預報系統。超前地質預測工作遵循“科學規范，求真務實，長短結合，貫穿全過程”的工作方針，在超前地質的預報當中，需要以長距離預報為主，短距離預報需要輔助長距離預報展開施工。TRT6000 地質雷達在該項目的尾水隧道（300m 的硬巖，150m 的軟巖）中進行了勘探；在中、長距離地質預測中，采用先進行超長鉆孔（20～50m）；在短期地質預測中，主要有地質素描、炮孔深度檢測、地質超前勘探等。根據超前地質預報探測資料為開挖施工及安全支護提供比較準確的地質信息，從而做到提前預防，優化施工參數，降低地質災害發生的風險。

4.2.2 超前排水降水

當前階段，溧陽電廠尾水隧洞為最小水位，不能滿足首要排水要求。在工作面出現局部滲漏或地質狀況不佳的情況下，在開挖過程中，采用履帶式液壓潛孔鉆機進行鉆井，鉆孔直徑110mm，每次鉆入10～15m，鉆孔深度和角度可以由鉆機等相關因素決定，能為鉆孔爆破作業創造良好的施工環境。

4.2.3 超前導管+鋼拱架支護

本斷裂段的開挖進尺為1.0～1.6m，每次開挖周期支承2 根I20b 鋼拱架，并在靠近掌子面的拱架上方120°開小孔，安裝小導管，進行注漿固結，使松散的碎石膠結、膠化，形成一定強度、抗滲性和穩定性的固結物。在進行小型管道的加工施工時，小型管道的制造是將直徑4m/根的Φ42mm 鋼管的一端加工為圓錐形狀，從另一端100cm 處開始到圓錐末端之間布置直徑為20cm 的孔眼，以便將小導管推進到破碎巖石中。在進行小管道灌漿時，應按施工現場的地質條件和設計需要，采用水泥:水0.5:1～1:1 的比例調配。注漿壓力在0.2～0.5MPa 之間。

4.3 一層開挖與支護施工

一層開挖采取了一次成型的預留芯土措施，循環進尺控制在0.5～1.0m 之間。周圍的光爆孔向隧道內部收縮30cm。爆破參數如表1 所示，開挖爆破的布置如圖3 所示。在施工過程中，爆破參數應依據圍巖、爆破效果等因素進行調整。

表1 爆破技術參數表

圖3 斷層帶一層開挖爆破布置圖（單位：mm）

對洞室頂拱進行270 度的支護，開挖之后，先進行5 cm 的預噴，再用多臂鉆進行鉆孔。錨桿的規格是Φ25，L=4.5m，排距應為1.0m，懸掛Φ8@200×200mm，使用I20b 鋼拱架，拱架間距50cm，拱架的下側布置有底板墊片，墊片的尺寸為30cm×40cm，并設置有鎖腳錨桿，錨桿尺寸為Φ28，L=3.0m，然后再噴出15cm。通過噴施奈米鋼纖維和奈米仿鋼纖維，在局部滲漏水部位進行止水。

為了避免拱架在施工過程中發生變形和沉降，相關人員采取了用鋼拱架縱向聯結橫梁和錨筋樁加固拱架的方法。一是縱向橫向鋼筋加強，在斷裂區的洞室上半孔180度處布置5 個縱向槽鋼，并與鋼拱架進行牢固的連接。二是錨筋，以鋼拱橋為基座，以錨筋樁為間隔，錨筋樁由3 根Φ28 筋制成，長度9.0m，焊接牢固，形成一個整體，并在每2.0m 處設置一個定位圈，兩端的彎鉤位置必須保持30度，確保三個鋼筋都與拱架對接。錨筋樁在100B 鉆孔，手工與機械結合，設置角度為3°～5°，先插棒后注漿，然后用M30 水泥砂漿澆注，然后用預先埋設的Φ2.5cm 注漿管進行注漿，直至Φ1.5cm 排水管排出相同濃度的漿料。圖4 為斷層帶一層預留核心土開挖效果圖。

圖4 斷層帶一層預留核心土開挖效果圖

4.4 二層開挖與支護施工

在一層洞室完成加固后，在離斷層帶起點樁號50m的一層頂拱混凝土基礎上，進行二次下挖，從大樁到小樁，由于洞段巖體破裂，尤其是洞室滲漏，圍巖泥化嚴重，穩定性差，采用中間拉槽、兩側預留保護層的方法，采用反鏟挖法，局部反鏟挖除不能進行，再采用松動控制爆破。在基坑開挖前，先進行中拉槽，在拱架基底處預留防護層（上1.5m，下2.2m），每36m 一個工作面，中間拉槽1 號，在開挖期間，及時更換底板。Ⅱ劃分12 個單元，每個單元的長度為3m，并對每個單元的開挖及時進行支護。圖5 為二層開挖剖面示意圖。

圖5 二層開挖剖面示意圖

二層的支護方式是：在基坑開挖后，對基坑開挖3m處進行支護，在基坑內噴5cm 的混凝土，并在人工清理基坑的基礎上，將基坑內的軟圍巖清理干凈，將接長拱架的基坑和原基坑進行焊接，讓二者之間銜接得當。接長端拱架底部墊板采用300mm×400mm 厚度為15mm 的鋼板，并座至底部巖面，不得有脫空，每榀拱架的兩側底腳部位均采用兩根Φ28，L=4.5m 的鎖腳錨桿鎖定，并懸掛Φ8@200mm×200mm 鋼筋網片，在這一段橋墩完成后，按照相同的開挖方式進行。當三個小區的一面保護層全部開挖完畢后，澆注水泥，混凝土高度1.0m，寬度0.6m，使用P3015/P1015 模板進行現場組裝。混凝土為甲拱商品混凝土，采用6m3混凝土攪拌運輸車運至施工部位，采用Φ50軟軸振動錘，由滑槽進入料倉，以每10m 的距離進行一次保護。在各段護腳澆筑完畢后，對長拱架進行再噴，使其滿足設計噴漿的要求。一段開挖支護工程采用相同的方法進行，當護腿混凝土強度達到設計強度70%時，再進行另一側的開挖支護。圖6 為尾水主洞斷層帶二層開挖效果圖。

圖6 尾水主洞斷層帶二層開挖效果圖

4.5 三層開挖與支護施工

在底拱混凝土襯砌距斷裂帶始樁編號50m 處，進行三次下掘，下掘深3.2m，采用梯形槽形式，在開挖過程中采用中間拉槽預留防護層，以反挖法為主，由大樁編號開始，根據開挖后裸露的圍巖情況，確定是否采用超前支護。每36m 一工作面，進行中間拉溝開挖，開挖寬5.5m，12m一段，采取反鏟挖法，局部松散爆破，每個施工段（12m）內填30cm 厚C20 混凝土，不占用內襯混凝土的設計斷面。在一片地區的拉溝開挖完成后，進行一次保護層開挖，每6m 進行一次錨噴支護，第一次噴5 cm 的混凝土，接著是錨桿的鉆孔，最后是噴入混凝土，直到噴水的厚度達到設計的噴射厚度為止。圖7 為三層開挖示意圖，圖8 為三層開挖后效果圖。

圖7 三層開挖示意圖

圖8 三層開挖后效果圖

4.6 安全監測

在斷裂斷層地段建設中，應設立臨時、永久性的監測、埋設監測設備，對觀測結果進行及時分析，并根據圍巖的變化，適時地調整施工方案。尾水主洞斷層破碎帶內設置2 條永久觀測斷面，安裝鋼板計、錨桿應力計、多點位移計，設置多條臨時收斂觀測斷面對圍巖及支護應力應變進行觀測。洞室收斂變形在4mm，多點位移計最大讀數為3.2mm，錨桿應力計最大讀數為157.46MPa，鋼板計最大讀數為-29.55MPa。監測結果表明洞室變形及支護應力應變較小，洞室處于穩定狀態。

5 結論

抽水蓄能工程，具有促進新能源消納，減少污染排放，保障電力系統安全運行等優點，具有較高的經濟價值和社會價值。抽水蓄能電站工程在水利水電建設中具有重要的地位，近年來在國內和國際上都有很大的發展，其建設數目不斷增加，結構也越來越復雜。溧陽抽水蓄能電站的尾水主洞具有斷面大、埋深大、施工難度大等特點。相對獨特地質條件等，因受工程自然條件及地質限制，工程建設技術難度較大。本文以江蘇溧陽抽水蓄能電站為研究對象，對該電站圓形尾水隧洞斷層破碎帶施工技術應用進行了研究，得出如下結論：①制定圓形尾水隧洞穿越斷層破碎帶施工工法，采用TRT6000 型地質雷達超前預報系統，超前小導管+鋼拱架聯合支護，預留核心土、雙掏心、全斷面一次開挖。②在一層開挖時，采取超前地質預報、超前排水、超前導管支護、短進尺、強支護等措施；二、三層開挖，以松散爆破、反鏟、沖擊錘等輔助開挖、勤支護為主。③通過對隧道的分層襯砌工藝的總結，確保了隧道整體的穩定性和施工進度，對類似工程施工起到一定參考作用。