抽水蓄能電站圓形尾水隧洞斷層破碎帶施工技術(shù)應(yīng)用研究

趙陽(yáng) ZHAO Yang

（中國(guó)水利水電第六工程局有限公司，沈陽(yáng) 110170）

0 引言

隧道經(jīng)斷層破碎帶時(shí)，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(zhì)均會(huì)對(duì)施工正常進(jìn)程產(chǎn)生影響。在施工人員、施工方案、施工機(jī)械等方面存在微小差別的情況下，施工難度的大小、時(shí)間的長(zhǎng)短與斷層的斷裂有著直接的聯(lián)系。一般在隧道軸線與其縱向結(jié)構(gòu)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(dāng)隧道軸線與其橫向結(jié)構(gòu)相近時(shí)，斷層斷裂段的長(zhǎng)度進(jìn)一步加大，側(cè)向壓力繼續(xù)增大，需要加固隧道。為了降低隧道斷裂帶對(duì)隧道建設(shè)的不利影響，施工單位要采取分段開挖、強(qiáng)化支護(hù)措施，充分了解隧道的地質(zhì)情況，合理調(diào)整早期支護(hù)參數(shù)，并對(duì)高壓富水、易出現(xiàn)斷裂的地段及時(shí)進(jìn)行注漿，以避免崩塌。由于受自然條件限制，江蘇溧陽(yáng)抽水蓄能電站工程建設(shè)技術(shù)難度大，可謂地質(zhì)條件異常復(fù)雜，所以施工難度極大，在工程建設(shè)中，圍巖穩(wěn)定性是一個(gè)十分突出的問(wèn)題，它關(guān)系到工程的安全、投資和進(jìn)度。相關(guān)工作人員一定要及時(shí)發(fā)現(xiàn)抽水蓄能電站圓形尾水隧洞斷層破碎帶施工技術(shù)在實(shí)際施工過(guò)程當(dāng)中存在的問(wèn)題，讓相關(guān)技術(shù)人員及時(shí)解決問(wèn)題，否則將對(duì)相關(guān)工程帶來(lái)嚴(yán)重影響。因此，本文以江蘇溧陽(yáng)抽水蓄能電站為研究對(duì)象，對(duì)該電站圓形尾水隧洞斷層破碎帶施工技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 工程概況

龍?zhí)读謭?chǎng)接壤安徽省的位置是江蘇溧陽(yáng)抽水蓄能電站的上水庫(kù)；下水庫(kù)在天目湖鎮(zhèn)，緊鄰沙河水庫(kù)。該電站位于蘇南區(qū)域的核心承載區(qū)，其主體結(jié)構(gòu)包括下水庫(kù)、發(fā)電機(jī)房、輸水系統(tǒng)、上水庫(kù)等。在上水庫(kù)的左邊、西部設(shè)置了輸水系統(tǒng)，采用1 洞3 臺(tái)機(jī)組聯(lián)合供水，其中，導(dǎo)流系統(tǒng)由下水庫(kù)出口、阻抗式調(diào)壓室、尾水主洞2 個(gè)、鋼岔管4 個(gè)、主導(dǎo)水洞2 個(gè)、尾水主洞6 個(gè)、尾水主孔6 個(gè)、非對(duì)稱鋼岔管4 個(gè)組成。該電廠共設(shè)置6 個(gè)250MW 水輪抽水機(jī)組，總功率為1500MW。在工程項(xiàng)目中，1# 尾水的主洞全長(zhǎng)1124.956m，2#尾水主洞全長(zhǎng)1211.203m。

2 工程地質(zhì)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(zhì)粉砂巖，巖層分布范圍為40～70°/SE10～30°，巖體風(fēng)化較廠區(qū)淺。圍巖為中厚～巨厚層巖屑石英砂巖夾少量泥質(zhì)粉砂巖，斷裂構(gòu)造較發(fā)育，以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主，兩條尾水主洞最為復(fù)雜，Ⅳ和Ⅴ類圍巖占整個(gè)尾水隧洞的95%，僅有少數(shù)的Ⅲ類圍巖，斷層、巖脈、地下水等為主要的地質(zhì)問(wèn)題，特別是斷層和巖脈中的豐富地下水是突出的地質(zhì)狀況，兩個(gè)主要孔道穿過(guò)F136、F137、⑥蝕變巖脈段，全長(zhǎng)93m 和199m。該地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在巖石破碎、風(fēng)化、侵蝕、軟弱、含地下水等方面，已經(jīng)不僅僅是構(gòu)造發(fā)育了。而且2#尾水主洞通過(guò)斷層帶長(zhǎng)度達(dá)近199m，這是隧洞施工中極為少見(jiàn)的。圖1 為尾水主洞下半洞開挖實(shí)際揭露的圍巖。

圖1 尾水主洞下半洞開挖實(shí)際揭露的圍巖

3 設(shè)計(jì)參數(shù)及開挖與支護(hù)方案選擇

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

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(zhì)條件及采用TRT6000 超前地質(zhì)雷預(yù)報(bào)系統(tǒng)，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水豐富，為了確保隧道施工和圍巖的穩(wěn)定性，將圓形開挖斷面修改為馬蹄形開挖斷面，同時(shí)對(duì)本段的系統(tǒng)支護(hù)在原支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了加強(qiáng)。

原支護(hù)型式為：在洞室頂拱270°范圍進(jìn)行支護(hù)，采用直徑為Φ25、L=4.5m、間隔1.0m、并懸掛Φ8@200×200mm 鋼筋網(wǎng)，采用I20b 鋼拱架，拱架的下端為30cm×40cm（長(zhǎng)×寬）的鋼板墊片，以及規(guī)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(shè)計(jì)變更中加入下列加強(qiáng)形式：將5 條16b 縱槽置于上部180 度的位置，并與鋼拱架進(jìn)行焊接。在原系統(tǒng)錨桿支護(hù)的同時(shí)增加隨機(jī)錨桿，隨機(jī)錨桿布置在頂拱120°范圍內(nèi)，按洞軸線均勻布設(shè)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(shè)置一排錨筋樁，錨筋樁采用Φ28 螺紋鋼筋，三根一束，長(zhǎng)度9m，間距1.0m，外露0.5m與鋼拱架焊接；在一層開挖過(guò)程中，為了防止鋼拱架底腳變形，同時(shí)防止施工路面泥化，每開挖10m 進(jìn)行路面C20混凝土置換，厚度30cm。在二層開挖過(guò)程中，延長(zhǎng)鋼拱架長(zhǎng)度2.1m，形成聯(lián)合受力體，鋼拱架底腳位置在洞室腰線下3.1m 處，布設(shè)底部鋼板墊塊和鎖腳錨桿，鎖腳錨桿規(guī)格Φ28，L=4.5m；在二層加寬的鋼拱腳處增加一塊C20 混凝土護(hù)腳矮墻，該矮墻厚60cm，高100cm。二層底板增設(shè)C20 混凝土厚度30cm。三層拉底施工時(shí)，根據(jù)圍巖的穩(wěn)定性，采取了超前支護(hù)，當(dāng)?shù)装逵袃?nèi)鼓現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，用錨桿進(jìn)行加固，錨桿參數(shù)為Φ22，L=3.0m，入巖2.3m，外露0.7m（直彎鉤的長(zhǎng)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(hù)圖。

3.2 開挖與支護(hù)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(jù)不同的洞室性質(zhì)和地質(zhì)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(hù)拱腳處將處于懸垂?fàn)顟B(tài)，存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。在全斷面開挖的情況下，完成洞室全部開挖后，方可進(jìn)行混凝土襯砌，這將導(dǎo)致洞室圍巖在前期的支撐下，暴露的時(shí)間更長(zhǎng)。在滲漏水作用下，洞室圍巖極易泥化，會(huì)有塌方、掉塊等現(xiàn)象產(chǎn)生。根據(jù)尾水隧洞的地質(zhì)情況，假如采取分層開挖，一層為鋼拱架支護(hù)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(yīng)及時(shí)進(jìn)行吊頂混凝土澆筑，同時(shí)進(jìn)行襯砌、開挖平行施工，當(dāng)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(shí)進(jìn)行，保證施工安全。尾水主洞開挖支護(hù)按分層施工，在開挖支護(hù)后保證洞室安全，上層開挖后盡快襯砌混凝土，施工時(shí)，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(jù)施工情況進(jìn)行下層開挖、支護(hù)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(shù)

4.1 施工總體方案

斷層破碎帶施工結(jié)合尾水主洞施工的總體原則，開挖分三層進(jìn)行。首先進(jìn)行一層的開挖與支護(hù)施工，然后進(jìn)行二層的開挖與支護(hù)施工，邊頂拱混凝土襯砌及時(shí)跟進(jìn)一、二層開挖面，邊頂拱混凝土襯砌已完工的部分，進(jìn)行三層開挖和支護(hù)，下拱混凝土實(shí)時(shí)跟進(jìn)三個(gè)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(jù)原圓形支護(hù)設(shè)計(jì)圖紙中尾水主洞V 類圍巖鋼拱架拱腳位置、設(shè)計(jì)變更為馬蹄形開挖支護(hù)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(hù)施工

在一層開挖時(shí)，采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前排水、超前導(dǎo)管支護(hù)、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)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(hù)為主。

4.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

為了解和判斷洞室掌子面前方一定距離內(nèi)不良地質(zhì)的性質(zhì)、位置、寬度和影響隧洞的長(zhǎng)度，需采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。超前地質(zhì)預(yù)測(cè)工作遵循“科學(xué)規(guī)范，求真務(wù)實(shí)，長(zhǎng)短結(jié)合，貫穿全過(guò)程”的工作方針，在超前地質(zhì)的預(yù)報(bào)當(dāng)中，需要以長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)為主，短距離預(yù)報(bào)需要輔助長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)展開施工。TRT6000 地質(zhì)雷達(dá)在該項(xiàng)目的尾水隧道（300m 的硬巖，150m 的軟巖）中進(jìn)行了勘探；在中、長(zhǎng)距離地質(zhì)預(yù)測(cè)中，采用先進(jìn)行超長(zhǎng)鉆孔（20～50m）；在短期地質(zhì)預(yù)測(cè)中，主要有地質(zhì)素描、炮孔深度檢測(cè)、地質(zhì)超前勘探等。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)資料為開挖施工及安全支護(hù)提供比較準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，從而做到提前預(yù)防，優(yōu)化施工參數(shù)，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.2 超前排水降水

當(dāng)前階段，溧陽(yáng)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(xiàn)局部滲漏或地質(zhì)狀況不佳的情況下，在開挖過(guò)程中，采用履帶式液壓潛孔鉆機(jī)進(jìn)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(jī)等相關(guān)因素決定，能為鉆孔爆破作業(yè)創(chuàng)造良好的施工環(huán)境。

4.2.3 超前導(dǎo)管+鋼拱架支護(hù)

本斷裂段的開挖進(jìn)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(dǎo)管，進(jìn)行注漿固結(jié)，使松散的碎石膠結(jié)、膠化，形成一定強(qiáng)度、抗?jié)B性和穩(wěn)定性的固結(jié)物。在進(jìn)行小型管道的加工施工時(shí)，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(dǎo)管推進(jìn)到破碎巖石中。在進(jìn)行小管道灌漿時(shí)，應(yīng)按施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)需要，采用水泥:水0.5:1～1:1 的比例調(diào)配。注漿壓力在0.2～0.5MPa 之間。

4.3 一層開挖與支護(hù)施工

一層開挖采取了一次成型的預(yù)留芯土措施，循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5～1.0m 之間。周圍的光爆孔向隧道內(nèi)部收縮30cm。爆破參數(shù)如表1 所示，開挖爆破的布置如圖3 所示。在施工過(guò)程中，爆破參數(shù)應(yīng)依據(jù)圍巖、爆破效果等因素進(jìn)行調(diào)整。

表1 爆破技術(shù)參數(shù)表

圖3 斷層帶一層開挖爆破布置圖（單位：mm）

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

為了避免拱架在施工過(guò)程中發(fā)生變形和沉降，相關(guān)人員采取了用鋼拱架縱向聯(lián)結(jié)橫梁和錨筋樁加固拱架的方法。一是縱向橫向鋼筋加強(qiáng)，在斷裂區(qū)的洞室上半孔180度處布置5 個(gè)縱向槽鋼，并與鋼拱架進(jìn)行牢固的連接。二是錨筋，以鋼拱橋?yàn)榛?，以錨筋樁為間隔，錨筋樁由3 根Φ28 筋制成，長(zhǎng)度9.0m，焊接牢固，形成一個(gè)整體，并在每2.0m 處設(shè)置一個(gè)定位圈，兩端的彎鉤位置必須保持30度，確保三個(gè)鋼筋都與拱架對(duì)接。錨筋樁在100B 鉆孔，手工與機(jī)械結(jié)合，設(shè)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(yù)先埋設(shè)的Φ2.5cm 注漿管進(jìn)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(yù)留核心土開挖效果圖。

圖4 斷層帶一層預(yù)留核心土開挖效果圖

4.4 二層開挖與支護(hù)施工

在一層洞室完成加固后，在離斷層帶起點(diǎn)樁號(hào)50m的一層頂拱混凝土基礎(chǔ)上，進(jìn)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(yán)重，穩(wěn)定性差，采用中間拉槽、兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層的方法，采用反鏟挖法，局部反鏟挖除不能進(jìn)行，再采用松動(dòng)控制爆破。在基坑開挖前，先進(jìn)行中拉槽，在拱架基底處預(yù)留防護(hù)層（上1.5m，下2.2m），每36m 一個(gè)工作面，中間拉槽1 號(hào)，在開挖期間，及時(shí)更換底板。Ⅱ劃分12 個(gè)單元，每個(gè)單元的長(zhǎng)度為3m，并對(duì)每個(gè)單元的開挖及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。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(hù)方式是：在基坑開挖后，對(duì)基坑開挖3m處進(jìn)行支護(hù)，在基坑內(nèi)噴5cm 的混凝土，并在人工清理基坑的基礎(chǔ)上，將基坑內(nèi)的軟圍巖清理干凈，將接長(zhǎng)拱架的基坑和原基坑進(jìn)行焊接，讓二者之間銜接得當(dāng)。接長(zhǎng)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(cè)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(wǎng)片，在這一段橋墩完成后，按照相同的開挖方式進(jìn)行。當(dāng)三個(gè)小區(qū)的一面保護(hù)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝。混凝土為甲拱商品混凝土，采用6m3混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)至施工部位，采用Φ50軟軸振動(dòng)錘，由滑槽進(jìn)入料倉(cāng)，以每10m 的距離進(jìn)行一次保護(hù)。在各段護(hù)腳澆筑完畢后，對(duì)長(zhǎng)拱架進(jìn)行再噴，使其滿足設(shè)計(jì)噴漿的要求。一段開挖支護(hù)工程采用相同的方法進(jìn)行，當(dāng)護(hù)腿混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%時(shí)，再進(jìn)行另一側(cè)的開挖支護(hù)。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(hù)施工

在底拱混凝土襯砌距斷裂帶始樁編號(hào)50m 處，進(jìn)行三次下掘，下掘深3.2m，采用梯形槽形式，在開挖過(guò)程中采用中間拉槽預(yù)留防護(hù)層，以反挖法為主，由大樁編號(hào)開始，根據(jù)開挖后裸露的圍巖情況，確定是否采用超前支護(hù)。每36m 一工作面，進(jìn)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(gè)施工段（12m）內(nèi)填30cm 厚C20 混凝土，不占用內(nèi)襯混凝土的設(shè)計(jì)斷面。在一片地區(qū)的拉溝開挖完成后，進(jìn)行一次保護(hù)層開挖，每6m 進(jìn)行一次錨噴支護(hù)，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(dá)到設(shè)計(jì)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(jiān)測(cè)

在斷裂斷層地段建設(shè)中，應(yīng)設(shè)立臨時(shí)、永久性的監(jiān)測(cè)、埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行及時(shí)分析，并根據(jù)圍巖的變化，適時(shí)地調(diào)整施工方案。尾水主洞斷層破碎帶內(nèi)設(shè)置2 條永久觀測(cè)斷面，安裝鋼板計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)，設(shè)置多條臨時(shí)收斂觀測(cè)斷面對(duì)圍巖及支護(hù)應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行觀測(cè)。洞室收斂變形在4mm，多點(diǎn)位移計(jì)最大讀數(shù)為3.2mm，錨桿應(yīng)力計(jì)最大讀數(shù)為157.46MPa，鋼板計(jì)最大讀數(shù)為-29.55MPa。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明洞室變形及支護(hù)應(yīng)力應(yīng)變較小，洞室處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

抽水蓄能工程，具有促進(jìn)新能源消納，減少污染排放，保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。抽水蓄能電站工程在水利水電建設(shè)中具有重要的地位，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上都有很大的發(fā)展，其建設(shè)數(shù)目不斷增加，結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。溧陽(yáng)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(diǎn)。相對(duì)獨(dú)特地質(zhì)條件等，因受工程自然條件及地質(zhì)限制，工程建設(shè)技術(shù)難度較大。本文以江蘇溧陽(yáng)抽水蓄能電站為研究對(duì)象，對(duì)該電站圓形尾水隧洞斷層破碎帶施工技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)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(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，超前小導(dǎo)管+鋼拱架聯(lián)合支護(hù)，預(yù)留核心土、雙掏心、全斷面一次開挖。②在一層開挖時(shí)，采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前排水、超前導(dǎo)管支護(hù)、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)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(hù)為主。③通過(guò)對(duì)隧道的分層襯砌工藝的總結(jié)，確保了隧道整體的穩(wěn)定性和施工進(jìn)度，對(duì)類似工程施工起到一定參考作用。