某核电厂排水隧洞进口洞脸和边坡处理

陆宗磐 时长波

某核电厂排水隧洞采用一机一洞形式，共6条，单机排水流量为62.70 m3/s，采用有压洞，衬砌后内径5.6 m。排水隧洞的洞线布置，根据工艺布置要求和温排水试验的结论确定，隧洞进口前设有进水前池，隧洞进口位置不容调整和修改。由于前池和隧洞进口段处于深厚坡残积层中，同时，不具备布置施工支洞的条件，排水隧洞进口是施工期隧洞开挖出渣和混凝土浇筑的主要通道，进口洞脸和边坡处理成为工程的难点和重点。经分析论证和比选计算，最终采取钢筋混凝土灌注桩+预应力锚索强支护方案进行处理，取得良好的效果，按期安全完成预定的功能要求。

1 地形地质条件

工程区为侵蚀构造丘陵地貌，隧洞进口山坡相对较缓，坡度为20°～40°，稍呈下缓上陡状，植被发育，山坡发育2条冲沟，切割深度均不大；进水前池地段属堆积地貌，北部为河流冲积形成的一级阶地。

排水隧洞区地层岩性较简单，基岩为燕山期侵入岩，主要为斑状花岗岩和花岗斑岩，岩性坚硬，岩体较完整，但抗风化能力相对较差，地表多呈全、强风化状。

前池和隧洞进口部位地层结构主要为：人工填土层（Qr）、海积层（Qem）、坡积层（Qdl）、残积层（Qel）及下伏的全、强风化的斑状花岗岩。残积层均系斑状花岗岩和花岗斑岩风化形成的产物。其中斑状花岗岩风化形成的残积土主要以棕红色-棕黄色的砾质黏性土为主，局部夹有斑状花岗岩孤石；花岗斑岩风化形成的残积土主要以棕黄色-灰黄色的砂质黏性土为主，土质不均，厚度1～22 m。

坡积层广泛分布于山坡和坡脚处，组成物质主要以粉质黏土及碎块石为主，性状变化较大，坡积碎块石大小混杂、无序分布，局部大块石在山坡上构成危岩体。厚度4～24 m。

地下水主要赋存在海积层及残积层中，埋深一般在3～5 m，最大8.0 m。

工程区在一个相对完整的断块上，属于基本稳定区。根据GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》及前期地震地质工作，工程区地震动峰值加速度为0.10g，地震基本烈度为Ⅶ度。前池和隧洞进口段地基承载力建设值见表1，前池和隧洞进口段主要地质参数建议值见表2。

表1 前池和隧洞进口段地基承载力建议值表

表2 前池和隧洞进口段主要地质参数建议值表

2 隧洞进口段结构布置

根据工艺布置要求，在排水隧洞进口前设置进水前池，前池前端与涵管相连，后接排水隧洞。进水前池为并列布置矩形结构，扶壁式钢筋混凝土边墙，前池底板外轮廓尺寸为70 m×46 m（长×宽），上部外轮廓尺寸为42 m×17 m（长×宽），总高20 m，渐变段长15.0 m，断面由矩形5.6 m×13.2 m（高×宽）过渡到方形5.6 m×5.6 m，然后再渐变至圆形Φ5.6 m隧洞，2个排水隧洞中心间距25.6 m。整个基坑平面上呈八字形，基坑底面积约2 200 m2，基坑深15～25 m。

3 洞脸和边坡处理措施

初设阶段前池和隧洞进口采用大开挖方案施工。为保证进口边坡的稳定，对进口边坡进行削坡处理，其坡比为1∶1.25～1∶1.5，每10 m高设置1级马道，马道宽2 m。坡面采用钢筋混凝土框格梁和草皮护坡，坡面线以上设截水沟，在坡面马道设排水沟。

进口土洞段采用工字钢拱架挂网支护，间距0.5 m；腰部设外八字Φ 25 mm锚杆，长3 m，喷混凝土20 cm；布置Φ 25 mm超前锚杆，长度为3 m，间距0.5 m，排距0.5～1.0 m。

实施开挖过程中，由于降雨边坡多次出现滑塌，导致开挖量大幅增加和工期延误，经现场参建各方研究，业主同意设计提出的钢筋混凝土灌注桩+预应力锚索方案，替代大开挖方案。

3.1 支护方案

采用直径80 cm钢筋混凝土灌注桩，桩底伸入基坑下6.0 m，桩长19.6 m，中心间距1.5 m，相邻2根灌注桩之间净距0.7 m，布置锚索和排水孔；桩顶及桩身分层设钢筋混凝土冠梁，冠梁中心间距1.5 m，冠梁断面尺寸0.6 m×0.8 m；预应力锚索长35 m，间排距@3.0 m×3.0 m；为防止开挖期间土体从相邻灌注桩之间挤出，外墙面采用挂网喷混凝土，钢筋网@200 mm×200 mm，喷混凝土150 mm，Φ 25中空注浆锚杆，长度为3 m，间距0.5 m。支护方案布置如图1、2所示。图3为预应力锚索布置图。

图1 支护方案平面布置示意图

图2 支护方案剖面示意图

图3 预应力锚索布置图

3.2 设计计算

采用理正深基坑支护设计软件进行分析计算，计算工况按桩后不同水位和桩后土体的不同C、φ值，分别对锚索吨位、边坡整体抗滑稳定及抗倾覆进行计算，分层开挖，分层验算稳定安全系数。对灌注桩结构配筋进行了计算。

计算结果如下：

锚索内力计算最大值461 kN，锚索设计吨位为500 kN，锚索自由段长度和锚固段的计算值分别为10.5 m和21.9 m，确定锚索总长度为35 m，其中锚固段长度为23 m。

边坡整体抗滑稳定安全系数1.52，抗倾覆安全系数1.78。

计算结果表明：桩后水位的变化对结构受力影响较大，随着桩后水位的降低，桩受力及锚索内力呈降低趋势；其次是地质参数C、φ值。为此，在洞脸及边坡均布置了排水孔。

3.3 永久边坡支护和排水

8.5 m高程以上为永久边坡，坡比1∶1.5，采取钢筋混凝土框格梁+锚杆支护。框格梁间距@2.5 m×2.5 m，梁断面尺寸宽×高为0.5 m×0.4 m，锚杆长5.0 m，间距@3.5 m×3.5 m；平台设1道横向排水沟，纵向排水沟间距7.0 m，排水沟尺寸宽×高为0.3 m×0.3 m；框格梁中间植草。边坡支护和排水布置图如图4、5所示。

4 施工监测和技术要求

4.1 基坑支护监测报警值

图4 边坡支护和排水平面布置图

图5 边坡支护和排水剖面图

由于本工程基坑周边没有建筑物，也没有重要管线和其它设施，因此，位移控制要求，主要是不得导致基坑失稳和保证施工人员的安全，基坑设计监测报警值参考GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》取值。冠梁水平位移报警值随开挖分层确定，顶部水平位移累计值按相对基坑深度的0.8%～1.0%确定，顶部水平位移变化速率控制在15 mm/d。

4.2 施工期变形监测

为保证施工期基坑支护结构的安全，在基坑支护的灌注桩顶的冠梁上（高程3.5 m）设有9个观测点。其中1～2点位于基坑右侧，3～4点位于洞脸，5～9点位于基坑左侧。安全监测采取现场仪器监测和人员巡视检查相结合的办法。主要观测点的累计变形值见表3。

表3 主要观测点的累计变形值 mm

为防止桩顶位移进一步增大，对基坑两侧采取了应急处理措施：左侧3.5 m高程处冠梁用钢丝绳与7.0 m标高处的腰梁进行连接；右侧3.5～1.7 m高程处冠梁用钢丝绳与4.0 m标高处的腰梁进行连接。

4.3 施工技术要求

（1）分层开挖，随挖随锚，要求每层下挖深度为1.5 m，严禁超挖，待上一层锚索内锚固水泥砂浆达到设计强度并张拉锁定后，方可进行下一层开挖。

（2）合理安排基坑开挖施工顺序和及时支护，缩短已开挖部位无支护时间，减少无支护暴露的面积。

（3）加强排水，观测资料表明，降雨对支护结构变形影响较大。加密深层排水孔，及时修复坡上排洪沟，内侧设置截水沟。

（4）压力注浆加固土体，基坑左侧靠山坡坡脚，土体比较松散，为确保基坑施工安全，对左侧土体进行压力注浆加固处理。具体做法：采用直径108 mm的钢管，间排距1.5 m，钢管自孔口2.0 m以下设置梅花形注浆孔，孔径10 mm，每排2孔，排距为0.3 m。浆液配比为1∶0.8～1∶1，注浆后用水泥砂浆封堵。

5 结 语

（1）对处于深厚坡残积层中的隧洞进口，设计采用钢筋混凝土灌注桩+预应力锚索加固方案，是切实可行的。不仅满足前池和排水隧洞的功能要求，而且为隧洞开挖出渣和混凝土浇筑提供了施工运输通道。

（2）为保证施工期基坑支护结构的安全，需合理安排基坑开挖施工顺序和及时支护，分层开挖，随挖随锚，取得良好的效果。

（3）监测资料和分析计算均表明，地下水位的高低对基坑稳定影响较大，加强排水极其重要。

（4）在开挖与支护施工过程中进行动态的设计计算，分层复核开挖支护设计参数，顶部水平位移累计值按相对基坑深度的1.0%确定，顶部水平位移变化速率控制在15 mm/d是合适的。