哈密抽水蓄能电站地下洞室超长断裂带连续大管棚施工措施参数设计

王建帮

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

近年来，我国抽水蓄能电站建设步伐不断加快，项目数量大幅增加，分布区域不断扩展，相继建设了一批具有世界先进水平的抽水蓄能电站。2021年，全国抽水蓄能发电量达到390亿kW·h，比2012年增长超3倍，年均增长17.3%。抽水蓄能电站主要由上、下两库及地下洞室群组成。但地下洞室群施工属地下作业，有其工艺的特殊性，特别是大断面隧洞开挖遇到破碎围岩地段、浅埋地段或地质条件复杂的地段，须制定切实可行的技术措施。

1 工程概况

哈密抽水蓄能电站位于新疆维吾尔自治区哈密市伊州区天山乡境内，距哈密市约66km。电站装机容量1200MW，安装4台300MW可逆式水泵水轮机组。电站为Ⅰ等大(1)型工程，建成后将承担新疆电网调峰、填谷、储能、调频、调相及紧急事故备用等任务。枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房和地面开关站等建筑物组成。

前期工程地质勘探表明，库莱断裂带穿越进厂交通洞、通风兼安全洞、尾水洞、出线洞及自流排水洞等9条地下洞室，其影响范围内的洞段围岩稳定性差。对于整个工程来说，穿越库莱断裂带是一项非常具有挑战性的施工任务。目前，通风兼安全洞及进厂交通洞采用管棚施工技术已顺利穿越库莱断裂带。

2 库莱断裂工程地质特性

位于工程所在地的天山山脉库莱断裂带为前第四纪活动的区域断裂带，断裂带走向北东，倾向西东，倾角约65°～85°。根据平面展布特征分析，断裂带与多条枢纽工程布置的隧洞洞线相交，断层整体倾向洞内，走向与洞线多为大角度相交，在进厂交通洞及通风兼安全洞区域内影响范围超过140m。带内充填碎块岩、片状岩、断层泥、糜棱岩、岩屑及岩粉，挤压紧密，多呈碎裂、散体结构，完整性差，围岩自稳能力极差，库莱断裂带洞段围岩属Ⅴ类。

3 前期超前支护

进厂交通洞及通风兼安全洞库莱断裂带核心区采用小导管注浆预加固+φ6钢筋网+I18型钢拱架+喷C25混凝土形式支护。进厂交通洞桩号0+568处及通风兼安全洞桩号K0+628处，受断裂带构造影响，均出现不同程度的塌方(见图1)。两次塌方证明现有支护形式已无法安全穿越范围超过100m的库莱断裂带，须对断裂带支护措施重新研究，确保施工及永久结构安全，保证工程建设安全顺利进行。

图1 进厂交通洞和通风兼安全洞前期掌子面塌方及小导管失效

4 管棚参数设计

采用两端固定支梁进行分析以接近洞内管棚端部实际约束情况，并考虑断层破碎带岩体对管棚的多方面影响，如洞顶松动对管棚的压力、开挖后管棚之间成拱的支撑力、掌子面对管棚的有限支撑等。本文采用固定支梁分析方法适用于断层破碎带隧洞管棚的设计。

4.1 管棚受力分析

管棚应当穿过掌子面失稳区，将一端支撑于稳定岩体。否则，管棚可能随掌子面岩体一起失稳。将管棚长度划分为4段(见图2)。管棚第一段为已支护洞段，由若榀钢拱架所支撑。管棚第二段为单循环开挖段，属于支护段与掌子面间的临空区，第三和第四段均位于掌子面前方未开挖洞室岩体中。其中管棚第三段位于掌子面岩石松动区，管棚第四段位于掌子面松动区以外的稳定区域。管棚长度为

图2 管棚分段示意图

L=L1+L2+L3+L4

(1)

式中L——管棚总长度，m；

L1——钢拱架支护完成管棚段长，m；

L2——单循环开挖管棚段长，m；

L3——掌子面岩石松动区管棚段长，m；

L4——稳定区管棚段长，m。

考虑到管棚在已施工完成段的一端被拱架和喷混所固定，另一端固定于掌子面稳定岩体，因此采用两端固定支梁结构进行简化分析：发生弯曲变形的有效长度为L2+L3。根据力学中的两端固定支梁结构，管棚的最大弯矩为

(2)

式中Mmax——管棚最大弯矩，N·m；

q——管棚荷载，N/m。

管棚的最大挠度为

(3)

式中wmax——管棚的最大挠度；

E——管棚的弹性模量，N/m2；

I——管棚的截面惯性矩，m4。

4.2 管棚支护参数设计及施工

通过分析隧洞岩体发生剪切或压缩破坏以及管棚弯曲破坏的条件，结合数字化多要素隧洞超前地质(TCT)技术对洞室围岩相对应力、含水可能性、泊松比、杨氏模量和危险等级等参数进行判别，制定管棚支护参数，包括掌子面滑动区管棚段长、环向间距、开挖进尺、管棚单循环长度、掌子面稳定区管棚段长。

4.2.1 洞室扩挖段设计与施工

结合管棚造孔履带钻机钻臂长度为3.5m，钻臂上推进装置高度为1.0m，考虑钻机更换钻杆、放置管棚等所需施工空间等因素，在不侵占洞室二衬混凝土断面前提下，为保证施工安全，满足设备施工空间的要求，确定扩挖段总长度为6m(见图3)。

图3 洞室扩挖段设计

根据选定的钻孔设备及定位定向墙位置进行设备操作室及定位定向墙扩挖段施工；扩挖段设备操作室向大里程方向扩挖总长为4.5m，起点需从原设计开挖轮廓线向外扩挖20cm，扩挖段设备操作室终点需在原设计开挖轮廓线上向外扩挖40cm；扩挖1.5m定位定向墙段施工时，洞室侧墙及顶拱需在原设计开挖轮廓线向外扩挖90cm。

4.2.2 管棚定位定向设计与施工

管棚定位定向采用I18型钢拱架+锁拱锚杆固定+挂设钢筋网片+连接筋加密+φ159导向管+纳米仿钢纤维喷射混凝土，可快速进行洞内定位定向墙施工(见图4)。

图4 管棚定位定向墙设计(单位：cm)

定位定向墙内设3榀I18型钢拱架，每榀I18型钢拱架分为五个单元，I18型钢拱架焊接在连接板上，连接钢板之间采用螺栓连接，加工后进行试拼检查。I18型钢拱架由洞口钢筋加工厂加工，装载机运输至洞内施工作业面后，利用钻爆台车进行安装，安装时因I18型钢拱架拱脚基础松软，在拱脚底部浇筑长150cm、宽40cm、厚20cm的C20混凝土基础。I18型钢拱架架设完成后，进行定位定向管的埋设，定位定向管采用φ159的钢管，其壁厚为6mm、长度1.5m、环向间距30cm；为了防止定位定向管在混凝土喷护时发生位移，定位定向管与I18型钢拱架采用φ12钢筋箍焊接固定，焊缝长度大于15cm。I18型钢拱架间采用φ25纵向连接钢筋焊接固定成整体支撑体系，L=1.0m，间距1.0m；I18型钢拱架支撑体系采用φ25/28钢筋，L=4.5/6.0m，间距1.5m，通过锁拱锚杆交错布置进行固定。定位定向墙全断面范围内利用钻爆台车进行C25纳米仿钢纤维混凝土喷射施工，每层喷射厚度5～15cm，总喷射厚度不小于90cm，形成混凝土套拱。混凝土喷射作业应分段、分片依次进行，喷射顺序应自下而上。各段间的结合部和结构的接缝处应做妥善处理，不得漏喷。分层喷射时，后一层喷射应在前一层喷射混凝土终凝1h后进行。

参照溧阳抽水蓄能电站尾水主洞及白鹤滩水电站右岸尾调室纳米仿钢纤维混凝土喷射成功经验，通风兼安全洞及进厂交通洞管棚施工段定位定向墙及管棚支护段喷混采用纳米仿钢纤维混凝土。纳米仿钢纤维混凝土施工配合比是在已有C25喷射混凝土配合比基础上经优化确定的，纳米材料按水泥用量的10%、仿钢纤维按5kg/m3用量进行配置(见表1)。

表1 C25纳米仿钢纤维喷射混凝土配合比 单位：kg/m3

4.2.3 管棚设计及施工

管棚采用由φ108×6mm热轧无缝钢管加工的花管，L=24m，环向间距30cm，环向160°，与洞轴线夹角3°，排距17m，排与排搭接长度不小于5m；管棚内须设置3根φ22的钢筋束作为加强筋，以提高管棚强度。

4.2.3.1 管棚钻孔施工

因钻机水平向最大钻孔高度为5.3m、最低钻孔高度为2.3m、钻机长度为6.7m、宽度为2.2m、导向管至洞室底板最大高度为9.9m、最小高度为5.4m，钻机最大高度不能满足钻孔高度需求，钻孔前钻机需有足够大的作业平台。经综合考虑，钻机施工平台采用左岸场平洞渣料分两次回填而成，回填后的作业平台顶部宽度为12m、高度为6.3m，坡度为1∶4。两次填筑中，第一次填筑3.3m，然后钻两侧中下部孔，第二次填筑3m，然后钻两侧中上部孔。各孔造设完毕后进行钢筋束安装及管棚灌浆。钻孔按由低孔位向高孔位对称、先左侧边墙后右侧边墙的顺序进行。

4.2.3.2 大管棚安设与连接

管棚施工采用引孔窜入法进行，完成一个钻孔，安装一根管棚，避免相邻孔在钻进过程中造成已完成孔塌孔，奇数孔管棚安装时第一根采用1.5m标准节，后续管节均采用1.5m标准节，偶数孔管棚安装时第一根采用定制1.0m管节，后续管节均采用1.5m标准节。

钢管接头丝扣长度不小于10cm，管棚钢架安装过程中垂直度允许偏差为±28mm，中线及高程允许偏差为±50mm；钻机沿洞室开挖轮廓线纵向钻设管棚孔，确保管棚外插角3°，以保证管棚不侵入开挖轮廓内，孔深不宜小于5m，钻孔按由高孔位向低孔位的顺序进行。管棚由标准节+丝扣连接箍+管靴组成(见图5)。

4.2.3.3 钢筋束安装

钢筋束的钢筋连接接头不得在同一断面上。钢筋束每根钢筋均采用直螺纹套筒机械连接，钢筋束之间采用电焊点焊连接，每隔1m焊接一根φ6定位钢筋，对钢筋束进行定位固定，防止钢筋束在管棚内贴壁(见图6)。

图6 钢筋束施工示意图

钢筋束一侧位置固定不小于φ10的灌浆排气管。钢筋束安装过程中采用钢管搭设2.5m高临时作业平台，在该作业平台顶部铺设脚手板，施工人员将一束钢筋安装完成后再利用套筒连接下一束，继续进行钢筋束安装。

4.2.3.4 封闭掌子面

为避免管棚灌浆过程中，因压力过大造成开挖掌子面坍塌，在作业平台填筑前对掌子面喷射纳米仿钢纤维混凝土进行封闭，形成止浆墙，防止浆液回流影响注浆效果，喷射混凝土的强度等级为C25，厚度25cm。

4.2.3.5 注浆

管棚采用水泥净浆进行灌注，注浆前平整注浆所需场地，检查机具设备，并准备注浆材料。注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆施工经验，注浆前必须向监理工程师报检。

注浆采用高速搅拌机、低速搅拌机、3SNS灌浆泵等施工设备，注浆原则为“自下而上、对称连续”。注浆压力为0.5MPa，浆液配比为0.5∶1，最终注浆参数以现场灌浆试验确定的为准，注浆时控制好注浆压力和注浆量，并做好记录。注浆结束后，利用止浆塞保持孔内压力，直至浆液完全凝固。

4.3 注意事项

定位定向墙型钢支撑每榀尺寸均不同，所以需根据管棚仰角及钢支撑间距进行定制；对定位定向墙进行喷射混凝土回填时，需对导向管管口部位进行堵塞，防止混凝土进入定向管影响后续钻孔施工；定向管的管径选择也影响着管棚施工质量，选用大管径的定向管，可使后续跟管安装更加方便，但由于自由空间大，管棚钻孔角度不好控制，容易造成串孔，经现场试验选用159mm管径的导向管效果最好。

洞身扩挖时不宜过度扩挖，这样会导致顶部及两侧预留空间过大，增大了后续喷混回填的工程量及施工时间；也不宜过小，过小会导致顶部预留空间不足，不能满足钻机的操作需求；管棚直径为108mm，宜采用130mm的钻头；洞身岩石较差，钻头太小成孔后孔内石渣掉落，会导致后续管棚安装难度增大；管棚安装时第一根奇数孔和偶数孔采用的标准节长度不同，奇数孔的第一根采用L=1.5m的标准节，偶数孔的第一根则采用L=1m的标准节；钢筋束制作时应埋设排气管，但是后续管棚灌浆时若采用孔外循环，排气管则可取消。如在灌浆过程中发现相邻管棚间出现串浆现象，应立即对出现串浆的管棚同时进行灌浆，防止浆液冷却造成该孔灌浆不饱满。

5 实施效果

在地下隧道围岩情况不明时，通过数字化多要素隧洞超前地质(TCT)技术基本能够准确地进行洞室岩体地质条件评价，可在保证安全的前提下确定出最合理的施工工艺。利用钢支撑做定位定向墙骨架，用锚杆固定骨架，定位定向管选择φ159无缝钢管，并采用纳米仿钢纤维喷射混凝土快速提高了导向墙强度，减少了混凝土回弹量，提高了混凝土早期强度，减少了不必要的混凝土待强时段，避免了施工成本的浪费。管棚施工采用引孔窜入法进行，按大孔窜小管、钢筋束加强管棚强度的原则实现了天山山脉地下洞室长达140多米库莱断裂带不良地质段的施工。

6 结 语

采用数字化多要素隧洞超前地质(TCT)技术，基本能够准确地进行洞室岩体地质条件评价。结合洞室围岩超前预报进行定位定向墙及管棚参数的设计，利用钢支撑做导向墙骨架，用锚杆固定骨架，导向管选择φ159无缝钢管，喷射混凝土快速提高导向墙强度；使用纳米仿钢纤维喷射混凝土达到了黏结力较好、回弹量减少、提高早期强度的目的；利用洞室岩体地质条件评价结果选择大管棚施工工艺，确定了钻孔定向、大孔窜小管的施工方式。通过以上措施形成了大断裂带地质条件下隧洞开挖连续大管棚施工成套技术，解决了常规施工方法存在的常态混凝土导向墙待强时间长、管棚钻孔角度不好控制、管棚安装难度增大等问题，提高了洞室大管棚施工时效，且有助于洞室超前支护喷混及早起到作用，提升洞室开挖的整体施工安全。研究成果可为断层破碎带隧洞管棚支护参数设计提供参考。