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

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10?～30?，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15～37 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40～200 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170m 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發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（γ54d）。

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 1 填土、① 2 抛石、② 1 淤泥、② 2 中粗砂、② 3 细砂、② 4 淤泥质土、③ 1 黏土～粉质黏土、③ 2 中粗砂、③ 3 细砂、④ 1 淤泥质土、④ 2 中粗砂、④ 3细砂、④ 4 黏土～粉质黏土、⑤残积土、⑥全风化花岗岩、⑦强风化花岗岩、⑧中风化花岗岩、⑨微风化花岗岩。

二号排水隧洞矿山法段围岩等级总体判断为Ⅲ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～强风化岩体，渗透系数为0.012～0.082 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6.30～15.0 Lu，属中等～弱透水岩体；微风化花岗岩岩体透水率为2.20～5.50 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、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5～10 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。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。土層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测点，纵向间距为15～20 m，横向间距为2～5 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15～20 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15～20 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15～20 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、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15～20m 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。

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。

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 m×8 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8.8mm，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20.1mm。如图2a 所示。

2 号虹吸井基坑的监测数据显示：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。

4.2 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、“+”表示测点向基坑内方向位移。2018 年6 月6 日，累计变化最大点位附近正在开挖第六层土，测斜累计达31.1 mm 引发报警，其中2018 年5 月6 日至2018 年6 月6 日期间变化量为22.1 mm。主要原因为该区域地质条件为强、全风化地层，且地下水较丰富，原设计锚索无法实施（后改为混凝土内支撑），导致位移变形较大。后施工单位采取分段开挖、严格管控、加快支撑施作等措施，数据变化有所收敛。点位附近基底于2018 年8 月12 日第七层土开挖完成，期间变化量为9.3 mm，累计值为40.2mm，后续监测数据逐步趋于稳定（图3b）。其他测点累计变化量均在控制值范围内，未发生异常情况。

矿山法竖井最终的水平位移最终累计值在-2.8 ～+2.4 mm 之间，其中“-”表示测点向基坑外方向位移。总体上变化趋势平稳（图3c），监测期间无异常情况。

4.3 基坑沉降影響范围

两口虹吸井的基坑深度均为22.8 m，竖井基坑开挖深度为40 m。开挖至目标深度后，基坑顶部地面沉降与距离的变化曲线如图4 所示。

由图可以看出：对板式支护体系，地表最大沉降量约位于距离基坑0.5 倍基坑深度处；沉降主要影响范围为2 倍基坑开挖深度，竖井基坑的影响范围未随深度增加而增长。

4.4 变形规律

通过历时7 年2 个月的长期监测，经数据分析得出该核电站海底盾构隧洞及其深基坑工程有变形规律：

（1）距离海底盾构隧洞开挖掌子面近，隧道拱顶的变形速率越大，反之变形速率平缓。海底盾构隧洞工程开挖监测中，开挖掌子面最易出现围岩变形破坏，极易导致隧道涌水、失稳塌方等现象。随着隧洞逐层开挖，不断形成新的开挖面，地下水就会产生静水压力，并对周围岩体产生向洞内运动的推动力；地下水的活动增加了围岩的饱和度和含水率，侵蚀和泥化岩体，岩体物理力学性质产生变化，岩体的强度随之降低。开挖后的隧洞，引起掌子面围岩变形破坏，易导致隧道涌水乃至失稳塌方等地质灾害险情。

（2）隧道拱顶的变形速率与开挖掌子面的距离成反比。对板式支护体系，地表最大沉降量位于距离基坑0.5 倍基坑深度处位置。一般情况下，坑外地表最大沉降量约为0.13% H（H为开挖深度），在0.5 倍基坑深度处达到最大值，一般主要影响范围为2 倍基坑开挖深度。

（3）支护桩围护结构最大测移位于桩顶位置，围护结构最大测移约为0.18% H（H 为开挖深度），与基坑规范一致。桩身最大位移和淤泥层分布厚度存在显著线性关系，支护桩身最大位移越大的区域，淤泥层分布厚度越大。

5 结论

本文通过对某核电站海底排水隧洞及其深基坑工程历时7 年2 个月的长期监测，在充分掌握地质背景条件的基础上，制定了安全合理的工程监测准则、实施方案与监控预警，并取得良好实效，可为类似工程提供有益借鉴。

该核电站排水隧洞场址区水文地质工程地质条件复杂，工程监测起着至关重要的施工指导作用。预判施工过程中的风险隐患，根据监测预警及时采取相应的地质灾害防治对策措施，积极防范海底隧洞塌方突水等严重事故的发生，为确保围岩稳定和施工安全提供了決策依据与技术支持。

针对该项目重要节点的深基坑工程，积累的实测资料及其数据分析结果表明：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。其也进一步验证了深基坑工程的地面沉降效应及其变化规律，对丰富和深化地面沉降研究与防治的理论与实践也有一定的促进作用。

参考文献（References）

[1] 杨军， 杨安勇， 陈残云. 某核电站取水隧洞工程地质问题分析[J].人民长江，2013，44（6）：50-52.

YANG J， YANG A Y， CHEN C Y. Geological analysis for intaketunnel of a nuclear power station[J]. Yangtze River， 2013，44（6）：50-52.

[2] 兰雁， 李日运， 樊敬亮， 等. 田湾核电站引水隧洞边坡稳定性综合评价[J]. 岩石力学与工程学报，2004（22）：3818-3823.

LAN Y， LI R Y， FAN J L， et al. Comprehensive assessment onslope stability of water-inducted tunnel of Tianwan nuclear powerstation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004（22）：3818-3823.

[3] 聂文， 孟祥芳， 张正清， 等. 核电站建设及其岩土工程综述[J].长江科学院院报，2012，29（1）：62-68，84.

NIE W， MENG X F， ZHANG Z Q， et al. Review on nuclear powerplant construction and its geotechnical engineering[J]. Journal ofChangjiang River Scientific Research Institute， 2012，29（1）：62-68，84.

[4] 龚士良， 叶为民， 陈洪胜， 等. 上海市深基坑工程地面沉降评估理论与方法[J]. 中国地质灾害与防治学报，2008，19（4）：55-60.

GONG S L， YE W M， CHEN H S， et al. Theory and methodologyon assessment of land subsidence caused by excavation engineeringfor deep foundation pit in Shanghai[J]. The Chinese Journal ofGeological Hazard and Control， 2008，19（4）：55-60.

[5] 夏朝娟. 相邻基坑开挖影响预测探讨分析[J]. 市政技术，2019，37（4）：228-231.

XIA C J. Prediction analysis of the excavation impact betweenadjacent foundation pits[J]. Municipal Engineering Technology，2019，37（4）：228-231.

[6] 张文龙， 周知信. 秦山核电厂岩基工程[J]. 上海地质，1987，8（2）：13-24.

ZHANG W L， ZHOU Z X. The rock foundation engineeringgeology of Qinshan nuclear power plant[J]. Shanghai Geology，1987， 8（2）：13-24.

[7] 雷旺成， 尹洪斌. 核电站精密工程测量控制网的建立方法[J].地理空间信息，2008（5）：116-118.

LEI W C， YIN H B. Establishment of control network fornuclear power station precise engineering survey[J]. GeospatialInformation， 2008（5）：116-118.

[8] 赵凤望. 秦山核电站二期微型精密工程测量控制网[J]. 测绘通报，1998（9）：53-55.

ZHAO F W. The micro precision engineering measurement controlnetwork of phase II of Qinshan nuclear power plant[J]. Bulletin ofSurveying and Mapping， 1998（9）：53-55.

[9] 程旭强， 刘超. 阳江核电站排水隧洞施工组织设计综述[J]. 水利水电工程设计，2006（4）：7-9.

CHENG X Q， LIU C. The summary of mobilization and designfor the construction of water drainage tunnel of Yangjiang nuclearpower station[J]. Design of Water Resources & HydroelectricEngineering， 2006（4）：7-9.

[10] 黎春林， 缪林昌. 盾构高水位下施工开挖面稳定性分析[J]. 上海地质，2010，31（S1）：68-72，79.

LI C L， MIAO L C. Study on the work face stability of shield tunnelexcavating in the high groundwater area[J]. Shanghai Geology，2010，31（S1）：68-72，79.

[11] 魏祥， 梁志荣， 罗玉珊. 软土地区临江深大基坑工程地下水综合控制技术实践[J]. 上海国土资源，2022，43（4）：39-43，66.

WEI X， LIANG Z R， LUO Y S. Practice of multi-methods ofgroundwater control technology in deep and large excavationsadjacent to rivers in soft soil area[J]. Shanghai Land & Resources，2022，43（4）：39-43，66.

[12] 李锦亮. 基坑施工隧道竖井改造的控制监测与变形分析[J]. 上海国土资源，2014，35（4）：98-101.

LI J L. Control monitoring and deformation analysis of tunneland shaft construction in foundation pits[J]. Shanghai Land &Resources， 2014，35（4）：98-101.