某抽蓄工程跨越断层带塌方机制分析及处置.pdf

水电站设计 第 卷第 期年 月修回日期：第一作者简介：仝帆（），男，江苏徐州人，硕士，工程师，从事抽水蓄能电站建设及新材料坝研究。某抽蓄工程跨越断层带塌方机制分析及处置仝帆，赵永志，李海江，种法政，闫林（新疆哈密抽水蓄能有限公司，新疆 哈密 ）摘要：针对库莱断裂带位于哈密抽水蓄能电站场址区，对电站进厂交通洞、通风兼安全洞施工有一定影响的情况，从施工区地质角度出发，利用微动（天然源面波）勘探技术，结合电站通风兼安全洞塌方事故，分析塌方机理及规模，针对含水大断层塌方提出了行之有效的处理方法，并应用 超前地质探测技术进行后续超前地质预报，针对预测到的断层破碎带提前采用洞内大管棚施工技术处理，有效地避免了大塌方发生。关键词：抽水蓄能；库莱断裂；技术；微动；塌方中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言抽水蓄能电站作为电网综合辅助管理工具，以水能转换为载体，通过提供系统储能服务和多工况调度运行，在电网中承担调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动六大功能 ，已成为现代电力系统重要的稳压器、调节器和存储器，是近年来大力推广的新能源电站。电站工程区位于天山蒙古地槽褶皱系博格达哈尔里克隆起区，新构造运动以间歇性抬升为主，场址区的库莱二崖头断裂从上下水库之间穿过，横切引水线路，离下水库最近距离小于 。断裂及其影响带宽约 ，断裂带内发育多条平行小断裂，带内地层发生显著扭曲变形，成硐条件极差，易塌方。塌方是隧道施工中主要的工程灾害之一，具有“危险高，高发性”特点 。通风兼安全洞在施工至 桩号时发生塌方。通风兼安全洞塌方机理分析 近场区活动断裂影响近场区范围内断裂构造十分发育，野外实地调查发现，在场址东北部的巴里坤山哈尔里克山山前地带，即哈密凹陷的北缘，发育有一系列近东西走向的活动逆断裂，这些断裂普遍错断第三纪与第四纪地层，并在晚更新世洪积裙上形成显著的地貌陡坎，是本区重要的控震和发震构造带。贯穿近场中部，东西向展布的南山口板房沟断裂为一条晚更新活动的断裂。在近场区北部有巴里坤盆地边缘断裂延伸入场区内，分别为晚更新世和全新世活动的断裂。岩性分析库莱二崖头断裂带内充填挤压碎块岩、挤压片状岩、断层泥、糜棱岩、岩屑及岩粉，挤压紧密。细碎断层物质见有明显的硅化现象，糜棱岩可见钙质胶结。断层中的断层泥分布普遍连续，镜面擦痕现象明显，手摸有滑感，面呈灰黑色，湿润，磨擦产生的断层泥（黑色）镜面厚约 ，石英细脉挤压呈全风化状，可用手掰碎，断层泥厚约 ，黑白相间，以黑色为主。石英细脉挤压扭曲，断层面呈波状有擦痕。带内围岩为类，极不稳定。地下水影响地下水是诱发塌方所有因素中最具活力和最具影响力的因素 。下水库区地下水类型主要有第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两类。孔隙潜水赋存于谷底透水性强的河床和两岸坡脚崩坡积块碎石层孔隙中，水量较丰富，接受上游河水、降水及少量地下水补给，排泄于下游河中。基岩裂隙水赋存运移于基岩断层带及裂隙中。在水的作用下岩石微细观结构发生改变，影响水理和力学性质 。通风兼安全洞穿过的库莱断裂为隔水断裂，远山地下水的补给被库莱断裂隔断，开挖后，地下水失去阻隔屏障，浸润软弱夹层，促成塌方 。工程区地下水埋深及运移方向示意见图 。图 工程区地下水埋深及运移方向示意 微动（天然源面波）勘探技术分析塌方规模微动探测方法是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号提取面波（瑞雷波）的频散曲线，通过对频散曲线的反演获取地下速度结构信息的地球物理探测方法 。通过在沿通风兼安全洞轴线方向布设探测头，获取相关微动信号，研究分析通风兼安全洞塌方规模，为施工方案的确定提供依据。不同测线剖面成果见图 。（）测线物探剖面（）测线物探剖面图 不同测线剖面成果测线成果显示，根据横波速度 分布特征及变化规律，该剖面中 ，高程 附近，横坡速度相对较低，结合现场情况，该部位即为通风兼安全洞已开挖部位。测线成果显示，根据横波速度 分布特征及变化规律，该剖面中左 右 ，高程 范围内，存在低速异常，横波速度较低，结合工程地质编录情况，该段为通风兼安全洞 段开挖隧洞及洞顶局部塌方段。根据测线成果，浅绿色为可能坍塌空腔区，浅蓝色区为强风化岩体区，结合早期地质剖面图综合分析，坍塌空腔有可能位于桩号 ，高程范围为 ，平均宽约 ，偏向上游侧，坍塌总面积约 ，总实方体积约为 。通风兼安全洞塌方处理 洞内回填渣料为防止塌方扩大化，同时减少开挖临空面卸荷作用，将开挖渣料回填封堵塌方掌子面，产生推力顶住塌方体，稳固边墙使洞室受力均衡，防止塌方挤压变形工字钢再次发生塌方，待塌方稳定后，逐层清除回填渣料，进行下一步固结灌浆安全区施工。掌子面渣料回填见图 。图 通风兼安全洞塌方掌子面渣料回填 塌方段前安全施工场地处理塌方后 、边墙喷混凝土新增裂缝，顶拱喷混凝士表面湿润。物探检测表明塌方已对支护段产生影响。为确保提供管棚施工安全作业区，在洞内渗水点进行布设排水孔，避免岩石软化；对初期支护完成面设置钢支撑加强支护，每榀钢支撑底脚采用横向工字钢连通形成闭环，同时对该段进行固结灌浆，通过注浆可以改善节理裂隙发育 或 有 破 碎 带 的 岩 石 力 学性能 。管棚施工 导向墙及导向管施工导向墙采用工字钢架设立，喷纳米仿钢纤维混凝土封闭，提高管棚施工刚度及施工进度。导向管采用 钢管，导向管长度 ，先在工字钢架顶面标定出导向管的位置，并按间距、方向角要求布置导向管，与工字钢采用 钢筋箍焊接固定，与洞轴线方向一致，外插角角度为 。通风兼安全洞管棚施工情况见图 。图 通风兼安全洞管棚施工 掌子面封闭对塌方段溜渣掌子面顶拱部位用吨袋装细渣进行填充及封闭，防止管棚灌浆过程中掌子面漏浆；在管棚注浆施工前对塌方段吨袋和溜渣面进行挂网喷射 混凝土封闭，形成止浆墙，防止冒浆、漏浆影响灌浆质量。吨袋布置示意见图 。图 吨袋布置示意 钻孔及管棚加工为提高管棚施工进度，采用先造孔后跟管棚方式进行。钻孔结束后对孔口进行检查，确认孔口内岩粉清除干净后，进行跟进管棚施工。管棚采用外径为 、壁厚为 热轧无缝钢管，管棚管壁四周钻 注浆孔，间距 梅花形布置。管棚总长为 ，节与节之间采用丝扣连接箍连接。为提高管棚刚度，管棚内设 根 钢筋束作为加强筋。管棚构造和联接情况见图 。图 管棚构造和联接示意在管棚施工中需要注意：洞内大管棚施工与传统洞口管棚施工相比，受洞内有限空间作业影响，施工强度，施工期均有所提高，钻孔施工中扬尘过大，作业环境较差，需要采取喷淋工作，抑制扬尘。同时大跨度管棚作业，管棚材质及连接方式至关重要。管壁较薄且直接丝扣对接连接的管棚在根管钻进施工中，受大扭矩影响，很容易发生管棚连接处断裂，造成卡钻、钻头掉落，造成事故孔，降低成孔率，返工影响施工进度。建议增加管棚壁厚，在每节管棚连接处加设增厚连接箍，优化连接箍、管棚车丝厚度，并将连接箍与管棚间进行点焊，解决管棚断裂及脱开情况发生。安全监测通过建立安全监测点，定期收集数据，及时反馈围岩变形信息。在通风兼安全洞设置 个监测断面，每个断面布置监测点 个。对隧道开挖全过程进行监控量测，分析数据指导隧洞开挖支护、二次衬砌施工及风险评估和预测，对围岩稳定性作出评价。监测成果表明，断面变形收敛，趋于平缓。同时建立预警机制，发生较大变形时，及时停工安排人员、设备撤离，采取方案整改及专题论证，指导施工作业，确保施工安全 。图 为通风洞临时安全监测情况。图 通风洞临时安全监测情况 进厂交通洞 （）技术地质分析利用超前地质预报，能够比较详尽地揭露前方地质情况 。数字化多要素隧道超前地质 （）技术是一种地震波反射法的创新技术，属于水平剖面法 。（）技术通过处理多个震源多次激发的地震波得到的图像可以判别涌水、塌方和含水区域及破碎带等隧道前方危险状况。对进厂交通洞 段进行 （）技术探测。利用采集到的数据分析掌子面前方 范围内相对应力、含水概率、纵波波速、横波波速、纵横波波速比、泊松比、杨氏模量、围岩危险等级。综合分析研究结果表明，段内 变化范围 ，变化范围 ，岩体总体破碎。含水概率低于 ，结合纵横波波速比分布图，推测预报范围内掌子面略潮湿，局 部 有 点 滴 状 渗 水。杨 氏 模 量 平 均 值 约 ，危险等级平均值约为 ，综合判定本洞段围岩类别为类；岩体质量差，推测为库莱断裂主带。在进行进场交通洞 洞挖施工中，右侧顶拱部位发生局部掉块脱落，围岩条件较差，验证了 （）技术探测可靠性，提前采用洞内大管棚施工，有效预防了洞内塌方，目前已顺利通过库莱断裂带。结语（）进厂交通洞、通风兼安全洞针对含水大断层塌方采用洞内大管棚施工，顺利通过库莱断裂破碎带，结果表明应用该施工方案是行之有效的，且效果较好。（）洞内大管棚导向墙采用钢拱架焊接，喷纳米仿钢纤维混凝土封闭，可以加快施工进度，提高抢险速度。（）采用 （）技术探测地质情况，对围岩相对应力、含水概率、纵波波速、横波波速探测较为准确，围岩危险等级判定较为精准，可以提前修正洞挖方式，调整支护形式，对确保洞挖安全施工有一定指导意义。（）应用微动（天然源面波）勘探技术，加密测量点位布设，可以有效提高测量精度，对判别塌方规模有一定指导意义。参考文献：仝帆，冯佳蕾，李宁，等 骨料剪切荷载下颗粒破碎耗能研究 粉煤灰综合利用，（）：于占强，毛金旺，梁宁慧，等 复杂地质病害隧道衬砌拆除塌方机理及处治措施 地下空间与工程学报，（）：周宗青，李术才，李利平，等 浅埋隧道塌方地质灾害成因及风险控制 岩土力学，（）：左清军，吴立，林存友，等 富水软岩隧道跨越断层段塌方机制分析及处治措施 岩石力学与工程学报，（）：张胜，陈修和，汪波，等 明堂山隧道塌方风险评估及控制措施建议 地下空间与工程学报，（增 ）：，赵萧萧 微动勘查技术在中深层地热勘探中的应用研究 郑州：华北水利水电大学，邓朝辉，姚捷，方星桦，等 敞开式 施工隧道围岩塌方研究进展 人民黄河，（增 ）：，袁永才，李术才，李利平，等 山岭隧道塌方风险评价理论与方法及工程应用 中南大学学报（自然科学版），（）：杨红星，梁川，廖书杰，等 多松多水电站引水隧洞塌方原因分析及处理方案 人民长江，（）：董金良，段君奇，刘昌，等 抽水蓄能电站地下洞室地质超前预报体系建立与工程应用 水力发电，（）：，（编辑：惠方方）