哈密抽水蓄能電站地下洞室超長斷裂帶連續大管棚施工措施參數設計

王建幫

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

近年來，我國抽水蓄能電站建設步伐不斷加快，項目數量大幅增加，分布區域不斷擴展，相繼建設了一批具有世界先進水平的抽水蓄能電站。2021年，全國抽水蓄能發電量達到390億kW·h，比2012年增長超3倍，年均增長17.3%。抽水蓄能電站主要由上、下兩庫及地下洞室群組成。但地下洞室群施工屬地下作業，有其工藝的特殊性，特別是大斷面隧洞開挖遇到破碎圍巖地段、淺埋地段或地質條件復雜的地段，須制定切實可行的技術措施。

1 工程概況

哈密抽水蓄能電站位于新疆維吾爾自治區哈密市伊州區天山鄉境內，距哈密市約66km。電站裝機容量1200MW，安裝4臺300MW可逆式水泵水輪機組。電站為Ⅰ等大(1)型工程，建成后將承擔新疆電網調峰、填谷、儲能、調頻、調相及緊急事故備用等任務。樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房和地面開關站等建筑物組成。

前期工程地質勘探表明，庫萊斷裂帶穿越進廠交通洞、通風兼安全洞、尾水洞、出線洞及自流排水洞等9條地下洞室，其影響范圍內的洞段圍巖穩定性差。對于整個工程來說，穿越庫萊斷裂帶是一項非常具有挑戰性的施工任務。目前，通風兼安全洞及進廠交通洞采用管棚施工技術已順利穿越庫萊斷裂帶。

2 庫萊斷裂工程地質特性

位于工程所在地的天山山脈庫萊斷裂帶為前第四紀活動的區域斷裂帶，斷裂帶走向北東，傾向西東，傾角約65°～85°。根據平面展布特征分析，斷裂帶與多條樞紐工程布置的隧洞洞線相交，斷層整體傾向洞內，走向與洞線多為大角度相交，在進廠交通洞及通風兼安全洞區域內影響范圍超過140m。帶內充填碎塊巖、片狀巖、斷層泥、糜棱巖、巖屑及巖粉，擠壓緊密，多呈碎裂、散體結構，完整性差，圍巖自穩能力極差，庫萊斷裂帶洞段圍巖屬Ⅴ類。

3 前期超前支護

進廠交通洞及通風兼安全洞庫萊斷裂帶核心區采用小導管注漿預加固+φ6鋼筋網+I18型鋼拱架+噴C25混凝土形式支護。進廠交通洞樁號0+568處及通風兼安全洞樁號K0+628處，受斷裂帶構造影響，均出現不同程度的塌方(見圖1)。兩次塌方證明現有支護形式已無法安全穿越范圍超過100m的庫萊斷裂帶，須對斷裂帶支護措施重新研究，確保施工及永久結構安全，保證工程建設安全順利進行。

圖1 進廠交通洞和通風兼安全洞前期掌子面塌方及小導管失效

4 管棚參數設計

采用兩端固定支梁進行分析以接近洞內管棚端部實際約束情況，并考慮斷層破碎帶巖體對管棚的多方面影響，如洞頂松動對管棚的壓力、開挖后管棚之間成拱的支撐力、掌子面對管棚的有限支撐等。本文采用固定支梁分析方法適用于斷層破碎帶隧洞管棚的設計。

4.1 管棚受力分析

管棚應當穿過掌子面失穩區，將一端支撐于穩定巖體。否則，管棚可能隨掌子面巖體一起失穩。將管棚長度劃分為4段(見圖2)。管棚第一段為已支護洞段，由若榀鋼拱架所支撐。管棚第二段為單循環開挖段，屬于支護段與掌子面間的臨空區，第三和第四段均位于掌子面前方未開挖洞室巖體中。其中管棚第三段位于掌子面巖石松動區，管棚第四段位于掌子面松動區以外的穩定區域。管棚長度為

圖2 管棚分段示意圖

L=L1+L2+L3+L4

(1)

式中L——管棚總長度，m；

L1——鋼拱架支護完成管棚段長，m；

L2——單循環開挖管棚段長，m；

L3——掌子面巖石松動區管棚段長，m；

L4——穩定區管棚段長，m。

考慮到管棚在已施工完成段的一端被拱架和噴混所固定，另一端固定于掌子面穩定巖體，因此采用兩端固定支梁結構進行簡化分析：發生彎曲變形的有效長度為L2+L3。根據力學中的兩端固定支梁結構，管棚的最大彎矩為

(2)

式中Mmax——管棚最大彎矩，N·m；

q——管棚荷載，N/m。

管棚的最大撓度為

(3)

式中wmax——管棚的最大撓度；

E——管棚的彈性模量，N/m2；

I——管棚的截面慣性矩，m4。

4.2 管棚支護參數設計及施工

通過分析隧洞巖體發生剪切或壓縮破壞以及管棚彎曲破壞的條件，結合數字化多要素隧洞超前地質(TCT)技術對洞室圍巖相對應力、含水可能性、泊松比、楊氏模量和危險等級等參數進行判別，制定管棚支護參數，包括掌子面滑動區管棚段長、環向間距、開挖進尺、管棚單循環長度、掌子面穩定區管棚段長。

4.2.1 洞室擴挖段設計與施工

結合管棚造孔履帶鉆機鉆臂長度為3.5m，鉆臂上推進裝置高度為1.0m，考慮鉆機更換鉆桿、放置管棚等所需施工空間等因素，在不侵占洞室二襯混凝土斷面前提下，為保證施工安全，滿足設備施工空間的要求，確定擴挖段總長度為6m(見圖3)。

圖3 洞室擴挖段設計

根據選定的鉆孔設備及定位定向墻位置進行設備操作室及定位定向墻擴挖段施工；擴挖段設備操作室向大里程方向擴挖總長為4.5m，起點需從原設計開挖輪廓線向外擴挖20cm，擴挖段設備操作室終點需在原設計開挖輪廓線上向外擴挖40cm；擴挖1.5m定位定向墻段施工時，洞室側墻及頂拱需在原設計開挖輪廓線向外擴挖90cm。

4.2.2 管棚定位定向設計與施工

管棚定位定向采用I18型鋼拱架+鎖拱錨桿固定+掛設鋼筋網片+連接筋加密+φ159導向管+納米仿鋼纖維噴射混凝土，可快速進行洞內定位定向墻施工(見圖4)。

圖4 管棚定位定向墻設計(單位：cm)

定位定向墻內設3榀I18型鋼拱架，每榀I18型鋼拱架分為五個單元，I18型鋼拱架焊接在連接板上，連接鋼板之間采用螺栓連接，加工后進行試拼檢查。I18型鋼拱架由洞口鋼筋加工廠加工，裝載機運輸至洞內施工作業面后，利用鉆爆臺車進行安裝，安裝時因I18型鋼拱架拱腳基礎松軟，在拱腳底部澆筑長150cm、寬40cm、厚20cm的C20混凝土基礎。I18型鋼拱架架設完成后，進行定位定向管的埋設，定位定向管采用φ159的鋼管，其壁厚為6mm、長度1.5m、環向間距30cm；為了防止定位定向管在混凝土噴護時發生位移，定位定向管與I18型鋼拱架采用φ12鋼筋箍焊接固定，焊縫長度大于15cm。I18型鋼拱架間采用φ25縱向連接鋼筋焊接固定成整體支撐體系，L=1.0m，間距1.0m；I18型鋼拱架支撐體系采用φ25/28鋼筋，L=4.5/6.0m，間距1.5m，通過鎖拱錨桿交錯布置進行固定。定位定向墻全斷面范圍內利用鉆爆臺車進行C25納米仿鋼纖維混凝土噴射施工，每層噴射厚度5～15cm，總噴射厚度不小于90cm，形成混凝土套拱?；炷羾娚渥鳂I應分段、分片依次進行，噴射順序應自下而上。各段間的結合部和結構的接縫處應做妥善處理，不得漏噴。分層噴射時，后一層噴射應在前一層噴射混凝土終凝1h后進行。

參照溧陽抽水蓄能電站尾水主洞及白鶴灘水電站右岸尾調室納米仿鋼纖維混凝土噴射成功經驗，通風兼安全洞及進廠交通洞管棚施工段定位定向墻及管棚支護段噴混采用納米仿鋼纖維混凝土。納米仿鋼纖維混凝土施工配合比是在已有C25噴射混凝土配合比基礎上經優化確定的，納米材料按水泥用量的10%、仿鋼纖維按5kg/m3用量進行配置(見表1)。

表1 C25納米仿鋼纖維噴射混凝土配合比 單位：kg/m3

4.2.3 管棚設計及施工

管棚采用由φ108×6mm熱軋無縫鋼管加工的花管，L=24m，環向間距30cm，環向160°，與洞軸線夾角3°，排距17m，排與排搭接長度不小于5m；管棚內須設置3根φ22的鋼筋束作為加強筋，以提高管棚強度。

4.2.3.1 管棚鉆孔施工

因鉆機水平向最大鉆孔高度為5.3m、最低鉆孔高度為2.3m、鉆機長度為6.7m、寬度為2.2m、導向管至洞室底板最大高度為9.9m、最小高度為5.4m，鉆機最大高度不能滿足鉆孔高度需求，鉆孔前鉆機需有足夠大的作業平臺。經綜合考慮，鉆機施工平臺采用左岸場平洞渣料分兩次回填而成，回填后的作業平臺頂部寬度為12m、高度為6.3m，坡度為1∶4。兩次填筑中，第一次填筑3.3m，然后鉆兩側中下部孔，第二次填筑3m，然后鉆兩側中上部孔。各孔造設完畢后進行鋼筋束安裝及管棚灌漿。鉆孔按由低孔位向高孔位對稱、先左側邊墻后右側邊墻的順序進行。

4.2.3.2 大管棚安設與連接

管棚施工采用引孔竄入法進行，完成一個鉆孔，安裝一根管棚，避免相鄰孔在鉆進過程中造成已完成孔塌孔，奇數孔管棚安裝時第一根采用1.5m標準節，后續管節均采用1.5m標準節，偶數孔管棚安裝時第一根采用定制1.0m管節，后續管節均采用1.5m標準節。

鋼管接頭絲扣長度不小于10cm，管棚鋼架安裝過程中垂直度允許偏差為±28mm，中線及高程允許偏差為±50mm；鉆機沿洞室開挖輪廓線縱向鉆設管棚孔，確保管棚外插角3°，以保證管棚不侵入開挖輪廓內，孔深不宜小于5m，鉆孔按由高孔位向低孔位的順序進行。管棚由標準節+絲扣連接箍+管靴組成(見圖5)。

4.2.3.3 鋼筋束安裝

鋼筋束的鋼筋連接接頭不得在同一斷面上。鋼筋束每根鋼筋均采用直螺紋套筒機械連接，鋼筋束之間采用電焊點焊連接，每隔1m焊接一根φ6定位鋼筋，對鋼筋束進行定位固定，防止鋼筋束在管棚內貼壁(見圖6)。

圖6 鋼筋束施工示意圖

鋼筋束一側位置固定不小于φ10的灌漿排氣管。鋼筋束安裝過程中采用鋼管搭設2.5m高臨時作業平臺，在該作業平臺頂部鋪設腳手板，施工人員將一束鋼筋安裝完成后再利用套筒連接下一束，繼續進行鋼筋束安裝。

4.2.3.4 封閉掌子面

為避免管棚灌漿過程中，因壓力過大造成開挖掌子面坍塌，在作業平臺填筑前對掌子面噴射納米仿鋼纖維混凝土進行封閉，形成止漿墻，防止漿液回流影響注漿效果，噴射混凝土的強度等級為C25，厚度25cm。

4.2.3.5 注漿

管棚采用水泥凈漿進行灌注，注漿前平整注漿所需場地，檢查機具設備，并準備注漿材料。注漿前應進行現場注漿試驗，根據實際情況調整注漿參數，取得管棚注漿施工經驗，注漿前必須向監理工程師報檢。

注漿采用高速攪拌機、低速攪拌機、3SNS灌漿泵等施工設備，注漿原則為“自下而上、對稱連續”。注漿壓力為0.5MPa，漿液配比為0.5∶1，最終注漿參數以現場灌漿試驗確定的為準，注漿時控制好注漿壓力和注漿量，并做好記錄。注漿結束后，利用止漿塞保持孔內壓力，直至漿液完全凝固。

4.3 注意事項

定位定向墻型鋼支撐每榀尺寸均不同，所以需根據管棚仰角及鋼支撐間距進行定制；對定位定向墻進行噴射混凝土回填時，需對導向管管口部位進行堵塞，防止混凝土進入定向管影響后續鉆孔施工；定向管的管徑選擇也影響著管棚施工質量，選用大管徑的定向管，可使后續跟管安裝更加方便，但由于自由空間大，管棚鉆孔角度不好控制，容易造成串孔，經現場試驗選用159mm管徑的導向管效果最好。

洞身擴挖時不宜過度擴挖，這樣會導致頂部及兩側預留空間過大，增大了后續噴混回填的工程量及施工時間；也不宜過小，過小會導致頂部預留空間不足，不能滿足鉆機的操作需求；管棚直徑為108mm，宜采用130mm的鉆頭；洞身巖石較差，鉆頭太小成孔后孔內石渣掉落，會導致后續管棚安裝難度增大；管棚安裝時第一根奇數孔和偶數孔采用的標準節長度不同，奇數孔的第一根采用L=1.5m的標準節，偶數孔的第一根則采用L=1m的標準節；鋼筋束制作時應埋設排氣管，但是后續管棚灌漿時若采用孔外循環，排氣管則可取消。如在灌漿過程中發現相鄰管棚間出現串漿現象，應立即對出現串漿的管棚同時進行灌漿，防止漿液冷卻造成該孔灌漿不飽滿。

5 實施效果

在地下隧道圍巖情況不明時，通過數字化多要素隧洞超前地質(TCT)技術基本能夠準確地進行洞室巖體地質條件評價，可在保證安全的前提下確定出最合理的施工工藝。利用鋼支撐做定位定向墻骨架，用錨桿固定骨架，定位定向管選擇φ159無縫鋼管，并采用納米仿鋼纖維噴射混凝土快速提高了導向墻強度，減少了混凝土回彈量，提高了混凝土早期強度，減少了不必要的混凝土待強時段，避免了施工成本的浪費。管棚施工采用引孔竄入法進行，按大孔竄小管、鋼筋束加強管棚強度的原則實現了天山山脈地下洞室長達140多米庫萊斷裂帶不良地質段的施工。

6 結 語

采用數字化多要素隧洞超前地質(TCT)技術，基本能夠準確地進行洞室巖體地質條件評價。結合洞室圍巖超前預報進行定位定向墻及管棚參數的設計，利用鋼支撐做導向墻骨架，用錨桿固定骨架，導向管選擇φ159無縫鋼管，噴射混凝土快速提高導向墻強度；使用納米仿鋼纖維噴射混凝土達到了黏結力較好、回彈量減少、提高早期強度的目的；利用洞室巖體地質條件評價結果選擇大管棚施工工藝，確定了鉆孔定向、大孔竄小管的施工方式。通過以上措施形成了大斷裂帶地質條件下隧洞開挖連續大管棚施工成套技術，解決了常規施工方法存在的常態混凝土導向墻待強時間長、管棚鉆孔角度不好控制、管棚安裝難度增大等問題，提高了洞室大管棚施工時效，且有助于洞室超前支護噴混及早起到作用，提升洞室開挖的整體施工安全。研究成果可為斷層破碎帶隧洞管棚支護參數設計提供參考。