抽水蓄能电站圆形尾水隧洞断层破碎带施工技术应用研究

赵阳 ZHAO Yang

（中国水利水电第六工程局有限公司，沈阳 110170）

0 引言

隧道经断层破碎带时，在很大程度上，破碎带岩层破碎程度、含水量、断层破碎带性质均会对施工正常进程产生影响。在施工人员、施工方案、施工机械等方面存在微小差别的情况下，施工难度的大小、时间的长短与断层的断裂有着直接的联系。一般在隧道轴线与其纵向结构相近的情况和在断层含水量较低、宽度较窄的条件下，施工比较容易。当隧道轴线与其横向结构相近时，断层断裂段的长度进一步加大，侧向压力继续增大，需要加固隧道。为了降低隧道断裂带对隧道建设的不利影响，施工单位要采取分段开挖、强化支护措施，充分了解隧道的地质情况，合理调整早期支护参数，并对高压富水、易出现断裂的地段及时进行注浆，以避免崩塌。由于受自然条件限制，江苏溧阳抽水蓄能电站工程建设技术难度大，可谓地质条件异常复杂，所以施工难度极大，在工程建设中，围岩稳定性是一个十分突出的问题，它关系到工程的安全、投资和进度。相关工作人员一定要及时发现抽水蓄能电站圆形尾水隧洞断层破碎带施工技术在实际施工过程当中存在的问题，让相关技术人员及时解决问题，否则将对相关工程带来严重影响。因此，本文以江苏溧阳抽水蓄能电站为研究对象，对该电站圆形尾水隧洞断层破碎带施工技术应用进行了研究。

1 工程概况

龙潭林场接壤安徽省的位置是江苏溧阳抽水蓄能电站的上水库；下水库在天目湖镇，紧邻沙河水库。该电站位于苏南区域的核心承载区，其主体结构包括下水库、发电机房、输水系统、上水库等。在上水库的左边、西部设置了输水系统，采用1 洞3 台机组联合供水，其中，导流系统由下水库出口、阻抗式调压室、尾水主洞2 个、钢岔管4 个、主导水洞2 个、尾水主洞6 个、尾水主孔6 个、非对称钢岔管4 个组成。该电厂共设置6 个250MW 水轮抽水机组，总功率为1500MW。在工程项目中，1# 尾水的主洞全长1124.956m，2#尾水主洞全长1211.203m。

2 工程地质条件

在尾水主洞周边，主要分布有薄～中厚的岩屑砂岩和泥质粉砂岩，岩层分布范围为40～70°/SE10～30°，岩体风化较厂区浅。围岩为中厚～巨厚层岩屑石英砂岩夹少量泥质粉砂岩，断裂构造较发育，以Ⅲ、Ⅳ类围岩为主，两条尾水主洞最为复杂，Ⅳ和Ⅴ类围岩占整个尾水隧洞的95%，仅有少数的Ⅲ类围岩，断层、岩脉、地下水等为主要的地质问题，特别是断层和岩脉中的丰富地下水是突出的地质状况，两个主要孔道穿过F136、F137、⑥蚀变岩脉段，全长93m 和199m。该地区的地质特点主要表现在岩石破碎、风化、侵蚀、软弱、含地下水等方面，已经不仅仅是构造发育了。而且2#尾水主洞通过断层带长度达近199m，这是隧洞施工中极为少见的。图1 为尾水主洞下半洞开挖实际揭露的围岩。

图1 尾水主洞下半洞开挖实际揭露的围岩

3 设计参数及开挖与支护方案选择

3.1 设计参数

尾水主洞V 类围岩段开挖断面原为圆形，后因断层破碎带一层开挖初期揭露的地质条件及采用TRT6000 超前地质雷预报系统，由于地质条件复杂，地下水丰富，为了确保隧道施工和围岩的稳定性，将圆形开挖断面修改为马蹄形开挖断面，同时对本段的系统支护在原支护设计的基础上进行了加强。

原支护型式为：在洞室顶拱270°范围进行支护，采用直径为Φ25、L=4.5m、间隔1.0m、并悬挂Φ8@200×200mm 钢筋网，采用I20b 钢拱架，拱架的下端为30cm×40cm（长×宽）的钢板垫片，以及规格为Φ28、L=3.0m 的锁足锚。钢拱架底脚位置在洞室腰线下1.0m 处，喷C25 混凝土厚度15cm。

设计变更中加入下列加强形式：将5 条16b 纵槽置于上部180 度的位置，并与钢拱架进行焊接。在原系统锚杆支护的同时增加随机锚杆，随机锚杆布置在顶拱120°范围内，按洞轴线均匀布设三道Φ25，L=6m，间距1m。在横断面半圆中心下0.5m 处钢拱架旁沿洞轴线方向左右各设置一排锚筋桩，锚筋桩采用Φ28 螺纹钢筋，三根一束，长度9m，间距1.0m，外露0.5m与钢拱架焊接；在一层开挖过程中，为了防止钢拱架底脚变形，同时防止施工路面泥化，每开挖10m 进行路面C20混凝土置换，厚度30cm。在二层开挖过程中，延长钢拱架长度2.1m，形成联合受力体，钢拱架底脚位置在洞室腰线下3.1m 处，布设底部钢板垫块和锁脚锚杆，锁脚锚杆规格Φ28，L=4.5m；在二层加宽的钢拱脚处增加一块C20 混凝土护脚矮墙，该矮墙厚60cm，高100cm。二层底板增设C20 混凝土厚度30cm。三层拉底施工时，根据围岩的稳定性，采取了超前支护，当底板有内鼓现象出现时，用锚杆进行加固，锚杆参数为Φ22，L=3.0m，入岩2.3m，外露0.7m（直弯钩的长度0.5m），间距1.0m。为了确保底板的安全，在下拉底开挖后，在底板上浇筑C20 混凝土垫层，厚30cm。图2 为断层破碎带开挖支护图。

3.2 开挖与支护方案选择

大截面洞室的开挖分为两种，即分段开挖和全断面开挖，但根据不同的洞室性质和地质情况的不同，其施工方法也不尽相同。尾水主洞开挖工程采用全断面开挖，其支护拱脚处将处于悬垂状态，存在很大的安全风险。在全断面开挖的情况下，完成洞室全部开挖后，方可进行混凝土衬砌，这将导致洞室围岩在前期的支撑下，暴露的时间更长。在渗漏水作用下，洞室围岩极易泥化，会有塌方、掉块等现象产生。根据尾水隧洞的地质情况，假如采取分层开挖，一层为钢拱架支护的基底，可以防止一层开挖后的拱脚脱空。为了防止开挖后的洞室暴露，在开挖完成后，应及时进行吊顶混凝土浇筑，同时进行衬砌、开挖平行施工，当顶拱混凝土与工作面保持一定的安全距离后，基坑开挖及底拱混凝土衬砌施工及时进行，保证施工安全。尾水主洞开挖支护按分层施工，在开挖支护后保证洞室安全，上层开挖后尽快衬砌混凝土，施工时，必须保证开挖工作面和边顶拱的混凝土间距。已完工的顶拱混凝土洞段根据施工情况进行下层开挖、支护施工，底拱混凝土随后浇筑。

4 尾水隧洞断层破碎带施工技术

4.1 施工总体方案

断层破碎带施工结合尾水主洞施工的总体原则，开挖分三层进行。首先进行一层的开挖与支护施工，然后进行二层的开挖与支护施工，边顶拱混凝土衬砌及时跟进一、二层开挖面，边顶拱混凝土衬砌已完工的部分，进行三层开挖和支护，下拱混凝土实时跟进三个开挖面。以28 天龄期混凝土允许的颗粒振速7cm/s 为宜，控制了距开挖工作面的安全距离。断层破碎带分三层开挖，分层高度根据原圆形支护设计图纸中尾水主洞V 类围岩钢拱架拱脚位置、设计变更为马蹄形开挖支护断面以及边顶拱混凝土与底拱混凝土分缝位置分为：一层7.3m，二层2.1m，三层3.2m。

4.2 开挖与支护施工

在一层开挖时，采取超前地质预报、超前排水、超前导管支护、短进尺、强支护等措施；二、三层开挖，以松散爆破、反铲、冲击锤等辅助开挖、勤支护为主。

4.2.1 超前地质预报系统

为了解和判断洞室掌子面前方一定距离内不良地质的性质、位置、宽度和影响隧洞的长度，需采用超前地质预报系统。超前地质预测工作遵循“科学规范，求真务实，长短结合，贯穿全过程”的工作方针，在超前地质的预报当中，需要以长距离预报为主，短距离预报需要辅助长距离预报展开施工。TRT6000 地质雷达在该项目的尾水隧道（300m 的硬岩，150m 的软岩）中进行了勘探；在中、长距离地质预测中，采用先进行超长钻孔（20～50m）；在短期地质预测中，主要有地质素描、炮孔深度检测、地质超前勘探等。根据超前地质预报探测资料为开挖施工及安全支护提供比较准确的地质信息，从而做到提前预防，优化施工参数，降低地质灾害发生的风险。

4.2.2 超前排水降水

当前阶段，溧阳电厂尾水隧洞为最小水位，不能满足首要排水要求。在工作面出现局部渗漏或地质状况不佳的情况下，在开挖过程中，采用履带式液压潜孔钻机进行钻井，钻孔直径110mm，每次钻入10～15m，钻孔深度和角度可以由钻机等相关因素决定，能为钻孔爆破作业创造良好的施工环境。

4.2.3 超前导管+钢拱架支护

本断裂段的开挖进尺为1.0～1.6m，每次开挖周期支承2 根I20b 钢拱架，并在靠近掌子面的拱架上方120°开小孔，安装小导管，进行注浆固结，使松散的碎石胶结、胶化，形成一定强度、抗渗性和稳定性的固结物。在进行小型管道的加工施工时，小型管道的制造是将直径4m/根的Φ42mm 钢管的一端加工为圆锥形状，从另一端100cm 处开始到圆锥末端之间布置直径为20cm 的孔眼，以便将小导管推进到破碎岩石中。在进行小管道灌浆时，应按施工现场的地质条件和设计需要，采用水泥:水0.5:1～1:1 的比例调配。注浆压力在0.2～0.5MPa 之间。

4.3 一层开挖与支护施工

一层开挖采取了一次成型的预留芯土措施，循环进尺控制在0.5～1.0m 之间。周围的光爆孔向隧道内部收缩30cm。爆破参数如表1 所示，开挖爆破的布置如图3 所示。在施工过程中，爆破参数应依据围岩、爆破效果等因素进行调整。

表1 爆破技术参数表

图3 断层带一层开挖爆破布置图（单位：mm）

对洞室顶拱进行270 度的支护，开挖之后，先进行5 cm 的预喷，再用多臂钻进行钻孔。锚杆的规格是Φ25，L=4.5m，排距应为1.0m，悬挂Φ8@200×200mm，使用I20b 钢拱架，拱架间距50cm，拱架的下侧布置有底板垫片，垫片的尺寸为30cm×40cm，并设置有锁脚锚杆，锚杆尺寸为Φ28，L=3.0m，然后再喷出15cm。通过喷施奈米钢纤维和奈米仿钢纤维，在局部渗漏水部位进行止水。

为了避免拱架在施工过程中发生变形和沉降，相关人员采取了用钢拱架纵向联结横梁和锚筋桩加固拱架的方法。一是纵向横向钢筋加强，在断裂区的洞室上半孔180度处布置5 个纵向槽钢，并与钢拱架进行牢固的连接。二是锚筋，以钢拱桥为基座，以锚筋桩为间隔，锚筋桩由3 根Φ28 筋制成，长度9.0m，焊接牢固，形成一个整体，并在每2.0m 处设置一个定位圈，两端的弯钩位置必须保持30度，确保三个钢筋都与拱架对接。锚筋桩在100B 钻孔，手工与机械结合，设置角度为3°～5°，先插棒后注浆，然后用M30 水泥砂浆浇注，然后用预先埋设的Φ2.5cm 注浆管进行注浆，直至Φ1.5cm 排水管排出相同浓度的浆料。图4 为断层带一层预留核心土开挖效果图。

图4 断层带一层预留核心土开挖效果图

4.4 二层开挖与支护施工

在一层洞室完成加固后，在离断层带起点桩号50m的一层顶拱混凝土基础上，进行二次下挖，从大桩到小桩，由于洞段岩体破裂，尤其是洞室渗漏，围岩泥化严重，稳定性差，采用中间拉槽、两侧预留保护层的方法，采用反铲挖法，局部反铲挖除不能进行，再采用松动控制爆破。在基坑开挖前，先进行中拉槽，在拱架基底处预留防护层（上1.5m，下2.2m），每36m 一个工作面，中间拉槽1 号，在开挖期间，及时更换底板。Ⅱ划分12 个单元，每个单元的长度为3m，并对每个单元的开挖及时进行支护。图5 为二层开挖剖面示意图。

图5 二层开挖剖面示意图

二层的支护方式是：在基坑开挖后，对基坑开挖3m处进行支护，在基坑内喷5cm 的混凝土，并在人工清理基坑的基础上，将基坑内的软围岩清理干净，将接长拱架的基坑和原基坑进行焊接，让二者之间衔接得当。接长端拱架底部垫板采用300mm×400mm 厚度为15mm 的钢板，并座至底部岩面，不得有脱空，每榀拱架的两侧底脚部位均采用两根Φ28，L=4.5m 的锁脚锚杆锁定，并悬挂Φ8@200mm×200mm 钢筋网片，在这一段桥墩完成后，按照相同的开挖方式进行。当三个小区的一面保护层全部开挖完毕后，浇注水泥，混凝土高度1.0m，宽度0.6m，使用P3015/P1015 模板进行现场组装。混凝土为甲拱商品混凝土，采用6m3混凝土搅拌运输车运至施工部位，采用Φ50软轴振动锤，由滑槽进入料仓，以每10m 的距离进行一次保护。在各段护脚浇筑完毕后，对长拱架进行再喷，使其满足设计喷浆的要求。一段开挖支护工程采用相同的方法进行，当护腿混凝土强度达到设计强度70%时，再进行另一侧的开挖支护。图6 为尾水主洞断层带二层开挖效果图。

图6 尾水主洞断层带二层开挖效果图

4.5 三层开挖与支护施工

在底拱混凝土衬砌距断裂带始桩编号50m 处，进行三次下掘，下掘深3.2m，采用梯形槽形式，在开挖过程中采用中间拉槽预留防护层，以反挖法为主，由大桩编号开始，根据开挖后裸露的围岩情况，确定是否采用超前支护。每36m 一工作面，进行中间拉沟开挖，开挖宽5.5m，12m一段，采取反铲挖法，局部松散爆破，每个施工段（12m）内填30cm 厚C20 混凝土，不占用内衬混凝土的设计断面。在一片地区的拉沟开挖完成后，进行一次保护层开挖，每6m 进行一次锚喷支护，第一次喷5 cm 的混凝土，接着是锚杆的钻孔，最后是喷入混凝土，直到喷水的厚度达到设计的喷射厚度为止。图7 为三层开挖示意图，图8 为三层开挖后效果图。

图7 三层开挖示意图

图8 三层开挖后效果图

4.6 安全监测

在断裂断层地段建设中，应设立临时、永久性的监测、埋设监测设备，对观测结果进行及时分析，并根据围岩的变化，适时地调整施工方案。尾水主洞断层破碎带内设置2 条永久观测断面，安装钢板计、锚杆应力计、多点位移计，设置多条临时收敛观测断面对围岩及支护应力应变进行观测。洞室收敛变形在4mm，多点位移计最大读数为3.2mm，锚杆应力计最大读数为157.46MPa，钢板计最大读数为-29.55MPa。监测结果表明洞室变形及支护应力应变较小，洞室处于稳定状态。

5 结论

抽水蓄能工程，具有促进新能源消纳，减少污染排放，保障电力系统安全运行等优点，具有较高的经济价值和社会价值。抽水蓄能电站工程在水利水电建设中具有重要的地位，近年来在国内和国际上都有很大的发展，其建设数目不断增加，结构也越来越复杂。溧阳抽水蓄能电站的尾水主洞具有断面大、埋深大、施工难度大等特点。相对独特地质条件等，因受工程自然条件及地质限制，工程建设技术难度较大。本文以江苏溧阳抽水蓄能电站为研究对象，对该电站圆形尾水隧洞断层破碎带施工技术应用进行了研究，得出如下结论：①制定圆形尾水隧洞穿越断层破碎带施工工法，采用TRT6000 型地质雷达超前预报系统，超前小导管+钢拱架联合支护，预留核心土、双掏心、全断面一次开挖。②在一层开挖时，采取超前地质预报、超前排水、超前导管支护、短进尺、强支护等措施；二、三层开挖，以松散爆破、反铲、冲击锤等辅助开挖、勤支护为主。③通过对隧道的分层衬砌工艺的总结，确保了隧道整体的稳定性和施工进度，对类似工程施工起到一定参考作用。