某核電站海底排水隧洞施工安全監護及深基坑變形分析

高宇 夏朝娟

摘 要：本文以某核電站機組海底排水隧洞工程為例，闡述了建設施工期間安全監測的原則與實施方案；利用7 年2 個月的全方位連續監測數據，分析了該工程重要節點的深基坑施工階段的變形特征與規律。基于該核電站項目所處的地理區位，針對特殊的水文地質與工程地質等場區情況，擬定了確保施工安全的巖土體應力應變監測等諸項內容，并設置相應的預警指標，對深基坑工程開展水平位移、垂向形變、邊坡測斜等實時監控。深基坑工程的監測數據分析結果表明：地表最大沉降位于距離基坑0.5 倍基坑深度處位置，最大沉降量約為開挖深度的0.13%，地面沉降主要影響范圍為2 倍基坑開挖深度；基坑圍護結構最大位移在樁頂部位，約為開挖深度的0.18%; 樁身位移和淤泥層分布厚度顯著相關，淤泥層分布越厚，支護樁位移也越大。此工程實踐可為類似核電項目建設的安全監護提供有益借鑒，也為地面沉降地質災害防治的學術研究提供了參考案例。

關鍵詞：核電站；隧洞施工；深基坑；地面沉降；變形分析；工程監測；安全監護

中圖分類號：P258；P642.26 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2023）03-0043-06

核電站是利用核能進行發電的設施，因其具有高效、清潔等優勢，自20 世紀50 年代至今，國際上已相繼研發出四代核能利用技術，以進一步降低建造成本，更有效地保證安全性。我國的核電站建設始于20 世紀80 年代中期，成為我國能源發展的重要方向。具有完全自主知識產權、具備國際競爭比較優勢的“華龍一號”，是中國核電創新發展的重大標志性成果。

核電站基建投入較高，安全要求嚴格，基礎施工復雜。本文以某核電站機組海底排水隧洞工程為例，闡述建設施工安全監測的準則與實施方案；通過7 年2 個月的全方位連續監測及其數據處理分析，揭示該工程重要節點的深基坑施工過程中的變形特征與規律，以期為類似核電項目的安全監護與施工建設過程中地面沉降等地質災害防治提供借鑒。

1 工程概況

1.1 自然地理條件

某核電站位于我國南方沿海半島上，所在地區以侵蝕剝蝕丘陵與臺地地貌為主，其次為平原和海岸地貌，地形總體上為西側高、東側低。

丘陵地貌呈北西向長帶狀展布，最高峰海拔高程134.1 m。區內大部分基巖裸露，坡殘積層較厚，石蛋地形發育。山坡坡度一般為10?～30?，局部大于35?。

平原地貌以海積平原為主，系濱淺海環境下形成的沉積層被抬升而成，其形成時代為晚更新世—全新世。

場址區海積地形主要有潟湖、老砂堤和砂地等類型。潟湖呈近東西向凹狀，表面較平坦，大部分已開墾為農田耕作區。老砂堤位于濱海砂堤內側，呈垅狀，寬數十米至幾百米，長約6 km，海拔高程15～37 m。砂地分布于區內東南部一帶，寬度由數十米至百余米，起伏不平。

海岸地貌主要分布于場址區南部沿海一帶，包括巖岸和沙灘等地貌。巖岸分布于場址區西部及東南部的臨海一帶，長230 m，由基巖和塊石組成，岸線穩定，海蝕地貌發育。海岸沙灘主要分布于東部海岸潮間帶，寬度40～200 m 不等。另發育有小港灣，沿海分布有礁石。

1.2 工程基本情況

該核電站海底隧洞工程，系核電站一二號機組配套的排水工程。采用礦山法與盾構法施工工藝，排水隧洞共有兩條，總長3512.366 m，其中盾構段長2811 m。隧洞最大埋深約18 m，最小埋深約12 m。排水隧洞里程170m 處設置礦山法臨時豎井，豎井開挖直徑11.5 m，井深約40 m。

一號排水隧洞長1670 m，其中采用礦山法施工段長230 m，采用盾構法施工段長1440 m；二號排水隧洞長1842.366 m，其中礦山法段長471.066 m，盾構段長1371.3 m。

循環水廊道分別接兩口虹吸井，長度260.597 m。1號虹吸井（含盾構井）采用明挖順作法施工、圍護采用放坡、樁錨支護相結合，支撐采用鋼筋混凝土支撐體系，虹吸井開挖深度22.8 m，盾構井開挖深度51.4 m。2 號虹吸井（含盾構井）采用明挖順作法施工，圍護采用鉆孔灌注吊腳樁、錨索支護相結合，支撐采用鋼筋混凝土支撐體系，虹吸井深22.8 m，盾構井深34.4 m。

兩條隧洞通過一段300 m 小半徑轉彎段相互貫通，呈“燈泡型”布置（圖1）。在每條排水隧洞的末端設置8 根由排水立管和預制圓筒組成的排水頭部，作為排水隧洞的出水口。排水立管在盾構掘進通過前，利用大型海上施工平臺將排水立管“栽種”至排水隧洞一定范圍內，空間上提前實現與排水隧洞相貫連接，只待盾構機精準穿越。與排水立管連接段隧洞采用4 環特殊鋼管片拼裝，排水立管外部安裝預制圓筒防護。

本項目采用大范圍放坡開挖，基坑面積大、開挖深，基坑采用先爆破后開挖的方式。深基坑工程的施工概況見表1。

2 場區地質背景條件

2.1 區域地質構造

根據區域地質及前期勘察資料，核電站場區及其附近未發現有區域性斷裂構造通過。場區內的局部斷裂以北西向為主，規模較小，延伸長度一般為數十至上百米，寬度多小于1.5 m，屬于一般性小斷裂，不屬于區域新斷裂的延伸部分，并為第四系所覆蓋。場區及附近區域不存在晚更新世以來活動的斷裂，斷裂對場地穩定性不構成影響。

根據前期海域地震勘探資料，海工工程場地、近岸區域及陸域區域范圍內均未發現基巖面以上的第四系地層有錯動和擾動現象。

2.2 工程地質基本特征

根據該地區區域地質資料及施工圖設計階段地質勘探資料，場區地層自上而下可劃分為：第四系全新統人工填土層（Qhml）、海相沉積層（Qhm）、第四系風化殘積層（Qel）、燕山期四期巖漿侵入形成黑云母花崗巖（γ54d）。

上述巖土層根據其層位、巖性及物理力學性質又分為若干亞層，主要包括：① 1 填土、① 2 拋石、② 1 淤泥、② 2 中粗砂、② 3 細砂、② 4 淤泥質土、③ 1 黏土～粉質黏土、③ 2 中粗砂、③ 3 細砂、④ 1 淤泥質土、④ 2 中粗砂、④ 3細砂、④ 4 黏土～粉質黏土、⑤殘積土、⑥全風化花崗巖、⑦強風化花崗巖、⑧中風化花崗巖、⑨微風化花崗巖。

二號排水隧洞礦山法段圍巖等級總體判斷為Ⅲ級，部分開挖掌子面巖性不均勻，存在不均勻夾層，巖體較破碎，斷裂縫較多，且變化無規律。

2.3 水文地質條件

2.3.1 地下水類型及含水層特性

依據含水介質類型及埋藏條件，區內地下水類型可劃分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩種。

（1）第四系孔隙潛水

第四系孔隙潛水主要賦存于第四系全新統海相沉積砂層（粉細砂、中粗砂）中，屬孔隙潛水，水量十分豐富，各含水層間水力聯系緊密，地表海水直接補給表層含水層，富水性好，透水性極強。

（2）基巖裂隙水

基巖裂隙水為風化基巖裂隙水和構造裂隙水。風化基巖裂隙水賦存于全風化、強風化基巖中，是勘察區內主要地下水類型。由于全風化、強風化基巖廣泛發育，部分地段風化裂隙貫通性較好，可形成統一地下水位。風化裂隙水含水層屬潛水含水層，其埋深與巖體風化破碎程度有關，一般巖體破碎、風化深度大時，特別有巖脈侵入時，含水層厚度大。中等- 微風化巖體受節理裂隙發育影響，可形成局部的構造裂隙水，但不形成統一的含水層及地下水位，且富水性較差。

根據抽水試驗和注水試驗結果綜合分析，針對全～強風化巖體，滲透系數為0.012～0.082 m/d，平均值0.038 m/d，屬弱透水性。

根據本次勘察壓水試驗結果分析，中風化花崗巖巖體透水率為6.30～15.0 Lu，屬中等～弱透水巖體；微風化花崗巖巖體透水率為2.20～5.50 Lu，屬弱透水巖體。

2.3.2 地下水補徑排特征

勘察區內陸域第四系孔隙水主要受大氣降水補給，在靠近海岸線地段還接受海水側向補給。徑流條件較好，富水性較強。排泄方式主要為蒸發、徑流、排泄入海。海域區上部砂層補給方式基本為海水對地層的直接垂直補給。

勘察區地下水順地形坡降向大海方向徑流排出，在近海岸地段與海水相遇，形成混合水。由于第四系孔隙潛水地下水位大都高于潮水位，因此海水對于地下水的影響較小。通過地下水位的實地觀測，排水隧洞地段的地下水位變化不大，靠近海域的部分受潮水影響，其他區域受潮水影響較小。

盾構法施工段地層復雜，軟硬地層均存在，部分地段穿越透水砂層。

3 工程監測布設原則與方案

3.1 工程監測重點內容

核電站工程安全級別高，監測精度高，難度大。本工程涉及的地層復雜多樣，軟硬地層交互，部分施工地段穿越透水砂層，而礦山法隧洞，上部即為海底，施工過程中存在坍塌、冒頂、涌水、流砂、突水及突泥等地質災害隱患，施工技術及工序復雜，施工安全風險高。根據基坑、隧洞的自身風險、周邊環境、地質條件復雜程度，確定虹吸井基坑、礦山法豎井和排水隧洞的工程監測等級均為一級。

按照安全、合理、經濟的原則，本工程的監測對象主要是周邊環境、礦山法豎井、虹吸井（含盾構井）基坑、盾構隧洞區間、礦山法隧洞區間。

基坑監測范圍為基坑自身圍護和支護體系以及基坑邊緣以外2 倍開挖深度范圍內的周邊環境，排水隧洞監測范圍為隧洞自身支護體系以及隧洞埋深2 倍范圍內陸域地面。

監測內容包括：地面沉降、土體測斜、圍護樁測斜、圍護結構頂、坡頂水平位移、錨索拉力、支撐軸力、隧道縱向沉降、隧道收斂變形、襯砌環內力、土層壓應力等。

3.2 工程監測布設方案

礦山法段每5～10 m 布設一個斷面，盾構法段每5 環布設一個斷面，縱向沉降設置在拱頂軸線附近，收斂變形設置在隧洞腰線位置，縱向沉降和收斂變形設置在同一斷面上。當隧道跨度較大時，結合施工方法在拱部增設測點，以滿足設計要求，共監測120 斷面，每斷面一組收斂變形和一組縱向沉降監測點。

襯砌環內力監測，通過在管片中預埋鋼筋應力計或應變計，對管片內鋼筋的應力應變進行的監測，并以此來判斷管片所承受的結構內力變化情況。襯砌環內力監測的斷面布置間距，根據現場施工情況確定，共布設6 個斷面，每斷面12 個測點。

土層壓應力監測，通過在土層和管片的接觸面部位安裝埋設壓力盒，對管片的接觸面所產生的壓力進行監測，并以此來判斷土層對管片所產生的壓力變化情況。土層壓應力監測斷面布置與襯砌環內力監測布置在同一斷面，共布設6 個斷面，每斷面6 個測點。

基坑周邊地面沉降監測點，縱向間距為15～20 m，橫向間距為2～5 m，共監測211 個點。

圍護樁、土體測斜監測點，布設于靠近圍護結構的周邊土體，間距15～20 m，每側邊不少于1 點，共監測18 個點。

圍護結構頂、坡頂水平位移監測點，布設于圍護結構上端部或坡頂位置，測點間距15～20 m，共監測27 個點。

基坑支護（錨索或錨桿）拉力監測點，按每一層間距15～20 m 布設。各層監測點在豎向上盡量保持一致，選擇錨頭附近或有代表性的部位。共監測37 組，124 個點。

支撐軸力監測點，布設在支撐中部或兩支點間1/3 部位，當支撐長度較大時也可布設在1/4 點處，并避開節點位置。支撐軸力監測宜選擇基坑中部、陽角部位、深度變化部位、支護結構受力條件復雜部位及在支撐系統中起控制作用的支撐。為確保基坑安全，沿基坑縱向每15～20m 設1 組支撐軸力監測斷面，盡量與圍護樁測斜、圍護樁頂（邊坡頂）水平位移、地表沉降形成斷面，相互驗證，基坑較深或有特殊要求時適當加密。共監測73 個點。

為保證監測精度，通過4 個場區基準點和若干工作基點，組成垂直位移監測控制網。垂直位移監測網采用國家1985 高程，取連續2 次觀測的平均值作為工作基點高程值，并按3 個月一次進行聯測，以檢測其穩定性和及時調整起算數據，確保施測質量。

根據基準點和工作基點，采用現場施工坐標系，組成導線網或測邊三角網，作為水平位移監測的基準網。工作點在條件允許的情況下，盡可能采用強制歸心觀測墩，以減小對中帶來的誤差，本次監測等級為二級。

監測點具體布設數量見表2。

3.3 監測預警值設定

根據工程設計與施工的相關要求，設定監測預警控制值，見表3。

4 深基坑變形分析

該核電站一二號機組排水隧洞工程的第三方監測項目，自2015 年11 月始，至2022 年12 月止，監測時長共計7 年2 個月。監測期間，兩口虹吸井（含盾構井）、排水隧洞（礦山法段）均發生過監測點報警情況，且1號虹吸井3 m 平臺（1 號隧洞礦山法段上方地面）發生2次路面塌方事件。當發現監測數據異常時，及時做出判斷，并立即采取加密觀測，同時與工程的設計、施工和監理等單位在第一時間取得聯系，分析原因，采取相應對策和有效措施，確保了整個工程的安全和如期順利完成。現就關鍵節點工程的深基坑變形監測作具體分析。

4.1 基坑地面沉降

因一號隧洞礦山法段開挖地質條件較差，洞內（掌子面）滲漏水、流砂嚴重，2016 年9 月5 日隧洞發生滲漏、涌泥情況，導致隧洞上方地面（3 m 平臺）發生塌方，面積約10 m×8 m。同年11 月23 日，位于地表某測點附近路面發生塌方，并有持續下沉趨勢。兩次塌方事件，均觸發變形速率與累計沉降量報警。經及時采取洞內止水堵漏、路面旋噴注漿加固等措施，沉降逐漸趨于穩定，待隧洞小里程方向開挖完成，測點沉降基本停止。另據監測數據分析，基坑圍護結構及邊坡水平位移累計值為8.8mm，整個監測周期內監測數據未發生預警情況，數據呈平緩穩定狀態。

1 號虹吸井基坑3 m 平臺沉降量最大值為68.8 mm，因該區域地質條件較差，隧洞內滲漏水嚴重，并伴有泥沙流出，容易出現塌方、滑坡等現象，在施工單位采取隧洞止水堵漏、路面注漿加固等措施以及1 號隧洞小里程方向貫通后，該區域逐漸趨于穩定。-2.5 m 平臺沉降量最大值為28.4 mm，-7.5 m 平臺平臺沉降量最大值為20.1mm。如圖2a 所示。

2 號虹吸井基坑的監測數據顯示：地面沉降累計值變化最大值達-27.71 mm；底板澆筑完成前因開挖施工影響，沉降有明顯增長趨勢；在底板完成后的監測周期內，變形趨于穩定（圖2b）；整個監測周期內無測點累計沉降超預警控制值。

礦山法豎井基坑的地面沉降累計值， 各測點在-29.3 ～ +0.70 mm 之間，其中“-”表示測點沉降、“+”表示測點回彈。最大沉降點為防浪堤監測點。該處的點位因地質條件、周邊環境等影響，下沉趨勢比較明顯，累計變化量較大，但未達預警值，2017 年9 月盾構下穿通過之后測點逐漸趨于穩定（圖2c）。豎井周邊其他測點數據變化平穩，且累計變化量也均未達預警值。

4.2 基坑水平位移

1 號虹吸井基坑的水平位移監測數據顯示，各測點的最大變形累計值在-0.98 ～ +15.3 mm 之間，其中“-”表示測點向基坑外方向位移、“+”表示測點向基坑內方向位移。整個監測周期內各測點監測數據累計值未超過預警值，變化趨勢平穩，無異常情況。典型測點的變形曲線見圖3a。

2 號虹吸井基坑的水平位移累計值在0 ～ +42.8 mm 之間， 其中“-”表示測點向基坑外方向位移、“+”表示測點向基坑內方向位移。2018 年6 月6 日，累計變化最大點位附近正在開挖第六層土，測斜累計達31.1 mm 引發報警，其中2018 年5 月6 日至2018 年6 月6 日期間變化量為22.1 mm。主要原因為該區域地質條件為強、全風化地層，且地下水較豐富，原設計錨索無法實施（后改為混凝土內支撐），導致位移變形較大。后施工單位采取分段開挖、嚴格管控、加快支撐施作等措施，數據變化有所收斂。點位附近基底于2018 年8 月12 日第七層土開挖完成，期間變化量為9.3 mm，累計值為40.2mm，后續監測數據逐步趨于穩定（圖3b）。其他測點累計變化量均在控制值范圍內，未發生異常情況。

礦山法豎井最終的水平位移最終累計值在-2.8 ～+2.4 mm 之間，其中“-”表示測點向基坑外方向位移。總體上變化趨勢平穩（圖3c），監測期間無異常情況。

4.3 基坑沉降影響范圍

兩口虹吸井的基坑深度均為22.8 m，豎井基坑開挖深度為40 m。開挖至目標深度后，基坑頂部地面沉降與距離的變化曲線如圖4 所示。

由圖可以看出：對板式支護體系，地表最大沉降量約位于距離基坑0.5 倍基坑深度處；沉降主要影響范圍為2 倍基坑開挖深度，豎井基坑的影響范圍未隨深度增加而增長。

4.4 變形規律

通過歷時7 年2 個月的長期監測，經數據分析得出該核電站海底盾構隧洞及其深基坑工程有變形規律：

（1）距離海底盾構隧洞開挖掌子面近，隧道拱頂的變形速率越大，反之變形速率平緩。海底盾構隧洞工程開挖監測中，開挖掌子面最易出現圍巖變形破壞，極易導致隧道涌水、失穩塌方等現象。隨著隧洞逐層開挖，不斷形成新的開挖面，地下水就會產生靜水壓力，并對周圍巖體產生向洞內運動的推動力；地下水的活動增加了圍巖的飽和度和含水率，侵蝕和泥化巖體，巖體物理力學性質產生變化，巖體的強度隨之降低。開挖后的隧洞，引起掌子面圍巖變形破壞，易導致隧道涌水乃至失穩塌方等地質災害險情。

（2）隧道拱頂的變形速率與開挖掌子面的距離成反比。對板式支護體系，地表最大沉降量位于距離基坑0.5 倍基坑深度處位置。一般情況下，坑外地表最大沉降量約為0.13% H（H為開挖深度），在0.5 倍基坑深度處達到最大值，一般主要影響范圍為2 倍基坑開挖深度。

（3）支護樁圍護結構最大測移位于樁頂位置，圍護結構最大測移約為0.18% H（H 為開挖深度），與基坑規范一致。樁身最大位移和淤泥層分布厚度存在顯著線性關系，支護樁身最大位移越大的區域，淤泥層分布厚度越大。

5 結論

本文通過對某核電站海底排水隧洞及其深基坑工程歷時7 年2 個月的長期監測，在充分掌握地質背景條件的基礎上，制定了安全合理的工程監測準則、實施方案與監控預警，并取得良好實效，可為類似工程提供有益借鑒。

該核電站排水隧洞場址區水文地質工程地質條件復雜，工程監測起著至關重要的施工指導作用。預判施工過程中的風險隱患，根據監測預警及時采取相應的地質災害防治對策措施，積極防范海底隧洞塌方突水等嚴重事故的發生，為確保圍巖穩定和施工安全提供了決策依據與技術支持。

針對該項目重要節點的深基坑工程，積累的實測資料及其數據分析結果表明：地表最大沉降位于距離基坑0.5倍基坑深度處位置，最大沉降量約為開挖深度的0.13%，地面沉降主要影響范圍為2 倍基坑開挖深度；基坑圍護結構最大位移在樁頂部位，約為開挖深度的0.18%，樁身位移和淤泥層分布厚度顯著相關，淤泥層分布越厚，支護樁位移也越大。其也進一步驗證了深基坑工程的地面沉降效應及其變化規律，對豐富和深化地面沉降研究與防治的理論與實踐也有一定的促進作用。

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