某核电站海底排水隧洞施工安全监护及深基坑变形分析.pdf
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1、上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 43doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2023.03.007某核电站海底排水隧洞施工安全监护及深基坑变形分析高 宇,夏朝娟(中船勘察设计研究院有限公司,上海 200063)摘 要:本文以某核电站机组海底排水隧洞工程为例,阐述了建设施工期间安全监测的原则与实施方案;利用 7 年 2 个月的全方位连续监测数据,分析了该工程重要节点的深基坑施工阶段的变形特征与规律。基于该核电站项目所处的地理区位,针对特殊的水文地质与工程地质等场区情况,拟定了确保施工安全的岩土体应力应变监测等诸项内容,并设置
2、相应的预警指标,对深基坑工程开展水平位移、垂向形变、边坡测斜等实时监控。深基坑工程的监测数据分析结果表明:地表最大沉降位于距离基坑 0.5 倍基坑深度处位置,最大沉降量约为开挖深度的 0.13%,地面沉降主要影响范围为 2 倍基坑开挖深度;基坑围护结构最大位移在桩顶部位,约为开挖深度的 0.18%;桩身位移和淤泥层分布厚度显著相关,淤泥层分布越厚,支护桩位移也越大。此工程实践可为类似核电项目建设的安全监护提供有益借鉴,也为地面沉降地质灾害防治的学术研究提供了参考案例。关键词:核电站;隧洞施工;深基坑;地面沉降;变形分析;工程监测;安全监护中图分类号:P258;P642.26 文献标志码:A 文
3、章编号:2095-1329(2023)03-0043-06核电站是利用核能进行发电的设施,因其具有高效、清洁等优势,自 20 世纪 50 年代至今,国际上已相继研发出四代核能利用技术,以进一步降低建造成本,更有效地保证安全性。我国的核电站建设始于 20 世纪 80 年代中期,成为我国能源发展的重要方向。具有完全自主知识产权、具备国际竞争比较优势的“华龙一号”,是中国核电创新发展的重大标志性成果。核电站基建投入较高,安全要求严格,基础施工复杂。本文以某核电站机组海底排水隧洞工程为例,阐述建设施工安全监测的准则与实施方案;通过 7 年 2 个月的全方位连续监测及其数据处理分析,揭示该工程重要节点的
4、深基坑施工过程中的变形特征与规律,以期为类似核电项目的安全监护与施工建设过程中地面沉降等地质灾害防治提供借鉴。1 工程概况1.1 自然地理条件某核电站位于我国南方沿海半岛上,所在地区以侵蚀剥蚀丘陵与台地地貌为主,其次为平原和海岸地貌,地形总体上为西侧高、东侧低。丘陵地貌呈北西向长带状展布,最高峰海拔高程134.1 m。区内大部分基岩裸露,坡残积层较厚,石蛋地形发育。山坡坡度一般为 1030,局部大于 35。平原地貌以海积平原为主,系滨浅海环境下形成的沉积层被抬升而成,其形成时代为晚更新世全新世。场址区海积地形主要有潟湖、老砂堤和砂地等类型。潟湖呈近东西向凹状,表面较平坦,大部分已开垦为农田耕作
5、区。老砂堤位于滨海砂堤内侧,呈垅状,宽数十米至几百米,长约 6 km,海拔高程 1537 m。砂地分布于区内东南部一带,宽度由数十米至百余米,起伏不平。海岸地貌主要分布于场址区南部沿海一带,包括岩岸和沙滩等地貌。岩岸分布于场址区西部及东南部的临海一带,长 230 m,由基岩和块石组成,岸线稳定,海蚀地貌发育。海岸沙滩主要分布于东部海岸潮间带,宽度40200 m 不等。另发育有小港湾,沿海分布有礁石。1.2 工程基本情况该核电站海底隧洞工程,系核电站一二号机组配套的排水工程。采用矿山法与盾构法施工工艺,排水隧洞共收稿日期:2023-06-09修回日期:2023-08-06作者简介:高宇,1982
6、 年生,男,学士,高级工程师,主要从事工程测绘研究。电子邮箱:基金项目:中广核工程有限公司委托项目上海国土资源 Shanghai Land&Resources44 2023Vol.44.3 有两条,总长 3512.366 m,其中盾构段长 2811 m。隧洞最大埋深约 18 m,最小埋深约 12 m。排水隧洞里程 170 m 处设置矿山法临时竖井,竖井开挖直径 11.5 m,井深约 40 m。一号排水隧洞长 1670 m,其中采用矿山法施工段长230 m,采用盾构法施工段长 1440 m;二号排水隧洞长1842.366 m,其中矿山法段长471.066 m,盾构段长1371.3 m。循环水廊道
7、分别接两口虹吸井,长度 260.597 m。1号虹吸井(含盾构井)采用明挖顺作法施工、围护采用放坡、桩锚支护相结合,支撑采用钢筋混凝土支撑体系,虹吸井开挖深度 22.8 m,盾构井开挖深度 51.4 m。2 号虹吸井(含盾构井)采用明挖顺作法施工,围护采用钻孔灌注吊脚桩、锚索支护相结合,支撑采用钢筋混凝土支撑体系,虹吸井深 22.8 m,盾构井深 34.4 m。两条隧洞通过一段 300 m 小半径转弯段相互贯通,呈“灯泡型”布置(图 1)。在每条排水隧洞的末端设置8 根由排水立管和预制圆筒组成的排水头部,作为排水隧洞的出水口。排水立管在盾构掘进通过前,利用大型海上施工平台将排水立管“栽种”至排
8、水隧洞一定范围内,空间上提前实现与排水隧洞相贯连接,只待盾构机精准穿越。与排水立管连接段隧洞采用 4 环特殊钢管片拼装,排水立管外部安装预制圆筒防护。本项目采用大范围放坡开挖,基坑面积大、开挖深,基坑采用先爆破后开挖的方式。深基坑工程的施工概况见表 1。2 场区地质背景条件2.1 区域地质构造根据区域地质及前期勘察资料,核电站场区及其附近未发现有区域性断裂构造通过。场区内的局部断裂以北西向为主,规模较小,延伸长度一般为数十至上百米,宽度多小于 1.5 m,属于一般性小断裂,不属于区域新断裂的延伸部分,并为第四系所覆盖。场区及附近区域不存在晚更新世以来活动的断裂,断裂对场地稳定性不构成影响。根据
9、前期海域地震勘探资料,海工工程场地、近岸区域及陆域区域范围内均未发现基岩面以上的第四系地层有错动和扰动现象。2.2 工程地质基本特征根据该地区区域地质资料及施工图设计阶段地质勘探资料,场区地层自上而下可划分为:第四系全新统人工填土层(Qhml)、海相沉积层(Qhm)、第四系风化残积层(Qel)、燕山期四期岩浆侵入形成黑云母花岗岩(54d)。上述岩土层根据其层位、岩性及物理力学性质又分为若干亚层,主要包括:1填土、2抛石、1淤泥、2中粗砂、3细砂、4淤泥质土、1黏土粉质黏土、2中粗砂、3细砂、1淤泥质土、2中粗砂、3细砂、4黏土粉质黏土、残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花
10、岗岩。二号排水隧洞矿山法段围岩等级总体判断为级,部分开挖掌子面岩性不均匀,存在不均匀夹层,岩体较破碎,断裂缝较多,且变化无规律。2.3 水文地质条件2.3.1 地下水类型及含水层特性依据含水介质类型及埋藏条件,区内地下水类型可划分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种。(1)第四系孔隙潜水第四系孔隙潜水主要赋存于第四系全新统海相沉积砂层(粉细砂、中粗砂)中,属孔隙潜水,水量十分丰富,各含水层间水力联系紧密,地表海水直接补给表层含水图 1 某核电站排水隧洞平面示意图Fig.1 The plane diagram of drainage tunnel of a nuclear power plant表
11、1 深基坑工程施工简况Table 1 Basic situation of deep foundation pits construction项目节点施工对象施工工法围护结构支撑体系开挖深度深基坑工程1 号虹吸井(含盾构井)明挖顺作法放坡、桩锚支护相结合钢筋混凝土支撑体系(6 道)虹吸井深 22.8 m,盾构井深 51.4 m2 号虹吸井(含盾构井)明挖顺作法钻孔灌注吊脚桩、锚索支护相结合钢筋混凝土支撑体系(8 道)虹吸井深 22.8 m,盾构井深 34.4 m矿山法竖井明挖顺作法钻孔灌注桩(上部)和锚管(下部)、喷射砼及格栅钢架组成开挖深度 40 m备注:基坑开挖深度以场平标高+15.1 m
12、 为基准上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 45层,富水性好,透水性极强。(2)基岩裂隙水基岩裂隙水为风化基岩裂隙水和构造裂隙水。风化基岩裂隙水赋存于全风化、强风化基岩中,是勘察区内主要地下水类型。由于全风化、强风化基岩广泛发育,部分地段风化裂隙贯通性较好,可形成统一地下水位。风化裂隙水含水层属潜水含水层,其埋深与岩体风化破碎程度有关,一般岩体破碎、风化深度大时,特别有岩脉侵入时,含水层厚度大。中等-微风化岩体受节理裂隙发育影响,可形成局部的构造裂隙水,但不形成统一的含水层及地下水位,且富水性较差。根据抽水试验和注水试验结果综合分析,针对全强风
13、化岩体,渗透系数为 0.0120.082 m/d,平均值 0.038 m/d,属弱透水性。根据本次勘察压水试验结果分析,中风化花岗岩岩体透水率为 6.3015.0 Lu,属中等弱透水岩体;微风化花岗岩岩体透水率为 2.205.50 Lu,属弱透水岩体。2.3.2 地下水补径排特征勘察区内陆域第四系孔隙水主要受大气降水补给,在靠近海岸线地段还接受海水侧向补给。径流条件较好,富水性较强。排泄方式主要为蒸发、径流、排泄入海。海域区上部砂层补给方式基本为海水对地层的直接垂直补给。勘察区地下水顺地形坡降向大海方向径流排出,在近海岸地段与海水相遇,形成混合水。由于第四系孔隙潜水地下水位大都高于潮水位,因此
14、海水对于地下水的影响较小。通过地下水位的实地观测,排水隧洞地段的地下水位变化不大,靠近海域的部分受潮水影响,其他区域受潮水影响较小。盾构法施工段地层复杂,软硬地层均存在,部分地段穿越透水砂层。3 工程监测布设原则与方案3.1 工程监测重点内容核电站工程安全级别高,监测精度高,难度大。本工程涉及的地层复杂多样,软硬地层交互,部分施工地段穿越透水砂层,而矿山法隧洞,上部即为海底,施工过程中存在坍塌、冒顶、涌水、流砂、突水及突泥等地质灾害隐患,施工技术及工序复杂,施工安全风险高。根据基坑、隧洞的自身风险、周边环境、地质条件复杂程度,确定虹吸井基坑、矿山法竖井和排水隧洞的工程监测等级均为一级。按照安全
15、、合理、经济的原则,本工程的监测对象主要是周边环境、矿山法竖井、虹吸井(含盾构井)基坑、盾构隧洞区间、矿山法隧洞区间。基坑监测范围为基坑自身围护和支护体系以及基坑边缘以外 2 倍开挖深度范围内的周边环境,排水隧洞监测范围为隧洞自身支护体系以及隧洞埋深2倍范围内陆域地面。监测内容包括:地面沉降、土体测斜、围护桩测斜、围护结构顶、坡顶水平位移、锚索拉力、支撑轴力、隧道纵向沉降、隧道收敛变形、衬砌环内力、土层压应力等。3.2 工程监测布设方案矿山法段每 510 m 布设一个断面,盾构法段每 5 环布设一个断面,纵向沉降设置在拱顶轴线附近,收敛变形设置在隧洞腰线位置,纵向沉降和收敛变形设置在同一断面上
16、。当隧道跨度较大时,结合施工方法在拱部增设测点,以满足设计要求,共监测 120 断面,每断面一组收敛变形和一组纵向沉降监测点。衬砌环内力监测,通过在管片中预埋钢筋应力计或应变计,对管片内钢筋的应力应变进行的监测,并以此来判断管片所承受的结构内力变化情况。衬砌环内力监测的断面布置间距,根据现场施工情况确定,共布设 6 个断面,每断面 12 个测点。土层压应力监测,通过在土层和管片的接触面部位安装埋设压力盒,对管片的接触面所产生的压力进行监测,并以此来判断土层对管片所产生的压力变化情况。土层压应力监测断面布置与衬砌环内力监测布置在同一断面,共布设 6 个断面,每断面 6 个测点。基坑周边地面沉降监
17、测点,纵向间距为 1520 m,横向间距为 25 m,共监测 211 个点。围护桩、土体测斜监测点,布设于靠近围护结构的周边土体,间距1520 m,每侧边不少于1点,共监测18个点。围护结构顶、坡顶水平位移监测点,布设于围护结构上端部或坡顶位置,测点间距 1520 m,共监测 27 个点。基坑支护(锚索或锚杆)拉力监测点,按每一层间距1520 m 布设。各层监测点在竖向上尽量保持一致,选择锚头附近或有代表性的部位。共监测 37 组,124 个点。支撑轴力监测点,布设在支撑中部或两支点间 1/3 部位,当支撑长度较大时也可布设在 1/4 点处,并避开节点位置。支撑轴力监测宜选择基坑中部、阳角部位
18、、深度变化部位、支护结构受力条件复杂部位及在支撑系统中起控制作用的支撑。为确保基坑安全,沿基坑纵向每 1520 m 设 1 组支撑轴力监测断面,尽量与围护桩测斜、围护桩顶(边坡顶)水平位移、地表沉降形成断面,相互验证,基坑较深或有特殊要求时适当加密。共监测 73 个点。上海国土资源 Shanghai Land&Resources46 2023Vol.44.3 为保证监测精度,通过 4 个场区基准点和若干工作基点,组成垂直位移监测控制网。垂直位移监测网采用国家 1985 高程,取连续 2 次观测的平均值作为工作基点高程值,并按 3 个月一次进行联测,以检测其稳定性和及时调整起算数据,确保施测质量
19、。根据基准点和工作基点,采用现场施工坐标系,组成导线网或测边三角网,作为水平位移监测的基准网。工作点在条件允许的情况下,尽可能采用强制归心观测墩,以减小对中带来的误差,本次监测等级为二级。监测点具体布设数量见表 2。3.3 监测预警值设定根据工程设计与施工的相关要求,设定监测预警控制值,见表 3。4 深基坑变形分析该核电站一二号机组排水隧洞工程的第三方监测项目,自 2015 年 11 月始,至 2022 年 12 月止,监测时长共计 7 年 2 个月。监测期间,两口虹吸井(含盾构井)、排水隧洞(矿山法段)均发生过监测点报警情况,且 1号虹吸井 3 m 平台(1 号隧洞矿山法段上方地面)发生 2
20、次路面塌方事件。当发现监测数据异常时,及时做出判断,并立即采取加密观测,同时与工程的设计、施工和监理等单位在第一时间取得联系,分析原因,采取相应对策和有效措施,确保了整个工程的安全和如期顺利完成。现就关键节点工程的深基坑变形监测作具体分析。4.1 基坑地面沉降因一号隧洞矿山法段开挖地质条件较差,洞内(掌子面)渗漏水、流砂严重,2016 年 9 月 5 日隧洞发生渗漏、涌泥情况,导致隧洞上方地面(3 m 平台)发生塌方,面积约 10 m8 m。同年 11 月 23 日,位于地表某测点附近路面发生塌方,并有持续下沉趋势。两次塌方事件,均触发变形速率与累计沉降量报警。经及时采取洞内止水堵漏、路面旋喷
21、注浆加固等措施,沉降逐渐趋于稳定,待隧洞小里程方向开挖完成,测点沉降基本停止。另据监测数据分析,基坑围护结构及边坡水平位移累计值为8.8 mm,整个监测周期内监测数据未发生预警情况,数据呈平缓稳定状态。1 号虹吸井基坑 3 m 平台沉降量最大值为 68.8 mm,因该区域地质条件较差,隧洞内渗漏水严重,并伴有泥沙流出,容易出现塌方、滑坡等现象,在施工单位采取隧洞止水堵漏、路面注浆加固等措施以及 1 号隧洞小里程方向贯通后,该区域逐渐趋于稳定。-2.5 m 平台沉降量最大值为 28.4 mm,-7.5 m 平台平台沉降量最大值为 20.1 mm。如图 2a 所示。2 号虹吸井基坑的监测数据显示:
22、地面沉降累计值变化最大值达-27.71 mm;底板浇筑完成前因开挖施工影响,沉降有明显增长趋势;在底板完成后的监测周期内,变形趋于稳定(图 2b);整个监测周期内无测点累计沉降超预警控制值。矿 山 法 竖 井 基 坑 的 地 面 沉 降 累 计 值,各 测 点在-29.3 +0.70 mm 之间,其中“-”表示测点沉降、“+”表示测点回弹。最大沉降点为防浪堤监测点。该处的点位因地质条件、周边环境等影响,下沉趋势比较明显,累计变化量较大,但未达预警值,2017 年 9 月盾构下穿通过之后测点逐渐趋于稳定(图 2c)。竖井周边其他测点数据变化平稳,且累计变化量也均未达预警值。表 2 监测点布设数量
23、Table 2 Placement quantity of monitoring points监测位置序号监测项目数量(点)1 号虹吸井1地面沉降监测1282围护桩、土体测斜73围护桩顶、坡顶水平位移144锚索拉力12 组5支撑轴力432 号虹吸井1地面沉降监测442围护桩、土体测斜93围护桩顶水平位移94锚索拉力25 组5支撑轴力30矿山法竖井1地面沉降监测192围护结构顶水平位移43土体测斜2排水隧洞矿山法段1地面沉降202隧道纵向沉降543隧道收敛变形54排水隧洞盾构段1隧道纵向沉降662隧道收敛变形663衬砌环内力6 组4土层压应力6 组表 3 工程测量监控预警值Table 3 Mon
24、itoring early warning value of engineering measure工程位置监测项目监控预警值日变化量累计控制值竖井基坑虹吸井基坑地面沉降监测3 mm/d30 mm支护结构水平位移3 mm/d0.25%H,且 30 mm围护桩/土体测斜3 mm/d0.40%H,且 45 mm支撑轴力钢支撑6100 kN砼支撑9150 kN锚索拉力第一层275 kN第二层395 kN第三层790 kN第四层1150 kN第五层1030 kN第六层1030 kN排水隧洞区间隧道纵向沉降盾构段3 mm/d30 mm矿山法段3 mm/d20 mm隧道收敛变形盾构段2 mm/d12 mm
25、矿山法段2 mm/d10 mm地面沉降监测3 mm/d25 mm衬砌环内力1500 土层压应力2 MPa上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 474.2 基坑水平位移1 号虹吸井基坑的水平位移监测数据显示,各测点的最大变形累计值在-0.98 +15.3 mm 之间,其中“-”表示测点向基坑外方向位移、“+”表示测点向基坑内方向位移。整个监测周期内各测点监测数据累计值未超过预警值,变化趋势平稳,无异常情况。典型测点的变形曲线见图 3a。2 号虹吸井基坑的水平位移累计值在 0 +42.8 mm 之间,其中“-”表示测点向基坑外方向位移、“+”表示测点
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