复杂地质条件下抽水蓄能电站地下厂房群动态施工扰动控制技术研究

摘要：本文针对复杂地质条件下抽水蓄能电站地下厂房群施工扰动控制难题，从基础层、技术层、保障层构建三维防控体系。通过探明地质特征明确风险源，分施工阶段优化防控技术，健全支撑机制保障落地，最终实现对施工扰动的动态管控，为类似工程提供技术参考。

关键词：抽水蓄能电站；地下厂房群；复杂地质

引言：

随着抽水蓄能电站向复杂地质区域拓展，地下厂房群施工面临断层、溶洞、高地应力等多重挑战，施工扰动易引发围岩失稳、结构变形等问题，严重影响工程安全与进度。当前传统静态防控技术难以适应地质条件的动态变化，亟需构建“探测 - 防控 - 保障”一体化的动态扰动控制体系。本文以民抽水蓄能电站为工程背景展开研究，该电站装机容量 1400MW，由上水库、输水系统、地下厂房、下水库等构筑物组成。其中地下厂房区核心构筑物布局复杂，主副厂房洞、主变洞、尾闸洞三大硐室平行布置，主副厂房洞开挖尺寸达 168×25.5（27.3）×58m（长 × 宽 × 高），硐室埋深介于 240m~457m 之间，属于深埋大型地下洞室群。更关键的是，厂区地质条件极为复杂，共发育 13 条断层，其中 Ⅲ 级结构面（对工程稳定性有显著影响的断层）5 条，且全部处于地下水位线以下，导致厂区渗水量高达 4348m³/d；岩性以微风化熔结火山角砾岩为主，该类岩体虽单轴抗压强度高（实测值达 80~120MPa），但节理裂隙发育密集（平均裂隙间距 30~50cm），局部区域岩体破碎度高（完整性系数 Kv＜0.5），施工过程中极易因扰动引发围岩塌方、涌水等风险。同时，与工程实践相结合，从基础、技术、保障这三个层面开展研究，目的是为复杂地质状态下地下厂房群施工扰动控制提供可行途径，助力抽水蓄能电站建设技术的升级与改良。

一、基础层：查明地质特性，认清扰动风险

复杂地质条件是地下厂房群施工扰动的主要起因，精准掌握地质特征是防控工作的首要前提，首先借助综合物探技术，将地震波勘探、地质雷达探测跟钻孔 CT 扫描组合起来，全维度获取地下厂房群区域有关岩层分布、断层发育、地下水赋存状态的信息情况，制订出三维地质模型，直接呈现地质缺陷所在位置及规模。

结合民抽水蓄能电站的地质特性，在综合物探实施的过程中实施了专项优化：地震波勘探采用的是主频600Hz的高频地震仪，重点探测厂区内13条断层的走向、倾斜角和破碎带宽度，最终确认5条Ⅲ级断层破碎带的宽度处于1.2~3.5m的宽度区间，且和主副厂房洞轴线存在交叉关系；地质雷达探测采用了100MHz天线，扫描主变洞、尾闸洞开挖掌子面前方30m范围内岩溶的发育情况，找出2处小型溶洞，体积分别为8m³和15m³；钻孔CT扫描顺着三大硐室轴线布置12个勘探孔，孔深为50米至80米的区间，经由CT图像清晰呈现岩体节理裂隙的分布情形，确定微风化熔结火山角砾岩的裂隙发育区域主要集中在埋深350 - 420m的地段，跟地下水位线以下的高渗透水区高度一致。

其次针对诸如高地应力、岩溶发育这样典型的复杂地质条件，实施专项的地质力学探究试验，得到有关岩石抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数的数值，探寻不同地质条件中施工扰动的传播规律及其影响范围。

顾及民抽水蓄能电站的岩性特征与埋深情形，专项地质力学试验运用现场取样与室内试验相联合的方式：在厂区不同埋深（240m、300m、380m、450m）处获取20组微风化熔结火山角砾岩试样，采用室内单轴压缩试验测得，该试样弹性模量为35~45GPa、泊松比为0.22~0.28；在主副厂房洞400m埋深处布置3个地应力测试孔，通过水压致裂法测得最大水平主应力数值在18~22MPa之间，最小水平主应力具体数值为10~13MPa，证实该区域属于高地应力环境，施工过程里的扰动易诱发岩爆风险，借助渗流试验测到，岩体渗透系数是1.2×10⁻⁴~5.8×10⁻³cm/s这个数值范围，证实了 4348m³/d 渗水量的合理性，也为后续防排水设计在参数上给予了支撑。

最后借助地质探测数据以及力学试验的结果，利用风险矩阵法对施工扰动风险实施分级，弄明白断层破碎带开挖失稳、溶洞突水突泥等高危风险点，制定风险清单跟识别规范，为后续技术范畴的防控工作提供明确靶向，避免因地质信息含混不清而引发防控措施的盲目性难题。

二、技术层：打造防控体系，精细实施扰动控制

（一）前期：实施施工设计优化，提前躲开风险

施工设计阶段实行优化是从起始减少扰动影响的要点，着手去做厂房群布置相关事宜时，结合在基础层探明的地质特性，躲开大型的断层及岩溶集中的区域，若没办法躲开，就选用“绕开躲避 + 强化支护”的组合举措，把厂房轴线和断层走向按30°- 60°的夹角来布置，降低断层对厂房结构的直接冲击力。

针对民抽水蓄能电站主副厂房洞和5条Ⅲ级断层交叉的问题，通过设计优化，将主副厂房洞轴线与3条断层走向的夹角从原本设计的20°调整成45°~55°，受输水系统布局限制无法做进一步调整，仅使2条断层与轴线夹角维持30°，对这2条断层交叉段落的支护强度实施专项加强：原设计中的Φ25mm锚杆调整为Φ32mm的高强度锚杆，把锚杆的间距从1.5m×1.5m加密至1.2m×1.2m，针对在主变洞探测到的2处小型溶洞，把主变洞轴线进行局部3米偏移，达成对溶洞的彻底躲开，防止开挖过程里因溶洞被揭开引发突泥危机。

在开展开挖方案设计之际，采用分区分段开挖法来替代传统全断面开挖，详细划分高风险区域的开挖步序，比如把厂房分为顶拱、边墙、底板这三个开挖的区域，再把每个区域划分成2 - 3个开挖段，管制单次开挖的面积及深度，降低对围岩的集中式扰动。

结合民抽水蓄能电站主副厂房洞有着168×25.5（27.3）×58m的超大尺寸，把开挖步序进一步加以细化：顶拱区域划分出“顶拱上部（从拱顶到拱腰的部分）”“顶拱下部（从拱腰到边墙顶部的部分）”2个开挖段，单次开挖高度设定在3~4米的范围；把边墙区域按照高度分成3个开挖段，每段高度是18-20m，同时每个边墙开挖段再沿着其长度方向划分成10个开挖单元；底板区域划分为“底板上部（边墙底部直至底板中部）”“底板下部（底板中部直至洞底）”2个开挖段，单次开挖的深度最大为2.5m，针对Ⅲ级断层交叉段、高渗水区这类特殊区域，额外将开挖单元长度减少到8~10m，进一步削减扰动强度。

同时借助数值模拟工具软件，对不同开挖方案下围岩应力与位移的变化趋势进行预演，做方案优劣方面的对比分析，最终定下“小步距、短进尺、强支护”的开挖参数，就如同单次开挖进尺限制在1.5-2m范围，开挖结束后24小时之内完成初次支护，预先躲开施工进程中的潜在扰动风险。

（二）中期：动态监测实施调控，实时把控扰动走向

施工活动里的动态监测及调控是做到扰动精准管控的核心要素，规划多参数实时监测体系，配置以围岩位移监测点、应力传感器、锚杆轴力计为主的监测物件，对厂房顶拱下沉、边墙收敛、围岩应力变化等指标开展24小时不中断监测，数据采样频率依据施工阶段作出合理调整，开挖时每隔1小时采集一次数据。

结合民抽水蓄能电站的工程规模以及风险特点，搭建了“点 - 线 - 面”相融合的多参数监测体系：在主副厂房洞、主变洞、尾闸洞处共设置86个围岩位移监测点，其中顶拱下沉点为32个、边墙收敛点为54个，各个监测点均配备精度达±0.5mm的高精度全站仪；在5条Ⅲ级断层交叉的地方布置30个应力传感器，量程是0-50MPa，在锚杆支护的区域布置45个量程为0~300kN的锚杆轴力计；在高渗水区配备12个渗流量监测仪，实现对涌水总量的实时监测。数据采样频率按照施工强度做动态调整：常规开挖段处于开挖状态时每1小时采集一次，支护结束后每4小时采集一次；在Ⅲ 级断层交叉段、高渗水区开挖的时候，每 30 分钟采集 1 次，支护结束后每2小时采集一次，保证及时捕捉到扰动产生的变化。

支护结束后每隔4个小时进行一次采集，靠着监测数据传输平台，将实时数据跟预设预警值作对比，当监测指标快趋近预警阈值的当口，自动开启预警预案，通知现场管理人员迅速改动施工参数，要是围岩位移速度超出了0.5mm/d，迅即减慢开挖速率，增加锚杆支护的密度；当碰到地下水渗流量猛然增大的时候，停止开挖施工并采用注浆堵水方式。

民抽水蓄能电站搭建了基于云平台的监测数据传输体系，把所有监测设备跟现场控制中心、远程管理平台进行网络连接，实现数据马上上传与共享，结合地质状况与结构需求，制定分级预警的界限值：Ⅰ级预警（紧急）—— 围岩位移速率大于0.8mm每日、锚杆轴力大于250kN、渗流量大于800m³每小时；Ⅱ级预警（警示）—— 围岩位移速率的区间是0.5~0.8mm/d、锚杆轴力的区间是200~250kN、渗流量的区间是500~800m³/h；Ⅲ级预警（关注状态）：围岩位移速率处于0.3 - 0.5mm/d的数值范围、锚杆轴力处于150-200kN的数值范围、渗流量处于300-500m³/h的数值范围。在主副厂房洞埋深达到400米（Ⅲ级断层交叉段）的开挖进程中，曾面临Ⅱ级预警，现场立刻把开挖速率从0.8m/d减缓至0.4m/d，同时把锚杆间距从1.2m×1.2m调整加密到1.0m×1.0m，24小时时间过去，位移速率减至0.3mm/d，重新进入正常施工阶段；高渗水区渗流量急剧增加至650m³/h，现场马上停止开挖施工，采用Φ50mm注浆管执行超前注浆操作（注浆材料是水泥 - 水玻璃双液浆，初次凝固时间达30秒，历经48小时，渗流量降至280m³/h，达到开挖要求。

组建专项调节团队，每周把监测数据进行收集汇总分析，按照地质条件的实际变化对支护方案进行优化，就像把原本喷射混凝土的支护厚度从10cm加到15cm，保障施工开展过程中的扰动始终可控。

（三）后期：增进加固修复，降低扰动引发的影响

施工后期所做的加固修复作业，是弥补前期扰动影响、维系厂房群长期稳定的重要途径，针对完成开挖后围岩显现出的裂隙、局部变形等毛病，采用注浆加固技术开展修复操作，根据裂隙大小及其分布情形选取不一样的注浆材料，小裂隙可借助水泥浆开展注浆，针对大裂隙所在之处，采用水泥 - 水玻璃双液浆开展注浆工作，把注浆压力掌握在1.5-2.0MPa，让浆液充分填实裂隙，改善围岩整体的完整性。

就民抽水蓄能电站微风化熔结火山角砾岩的裂隙特征而言，注浆加固技术实施过程当中做了针对性的调整：若碰到宽度＜0.5mm的微裂隙，运用P.O42.5水泥浆（水灰比1:凭借 Φ20mm 注浆管实施低压慢速的灌注，单次注浆量把控在50~80L/m范围，让浆液充分渗透进去；就宽度为0.5~5mm的这类中裂隙，采用P.O42.5的水泥浆，水灰比为0.8:注浆时所采用的压力是1.8~2.0MPa，单次注浆的数量为100~150L/m；当遇到宽度＞5mm的大裂隙及断层破碎带时，采用由水泥与水玻璃组成的双液浆（水泥浆和水玻璃体积比 1:水玻璃的浓度采用35Be'，注浆时采用的压力为2.0MPa，而且采用“分段注浆”技术，杜绝浆液渗漏，在主副厂房洞边墙开展加固工作里，合计完成了1200个注浆孔，总注浆量合计850m³，加固后经声波测试，岩体完整性系数Kv从0.45提高到了0.75，围岩波速从2800m/s上涨至4200m/s，达到长期稳固的要求。

针对厂房结构跟围岩接触地带的空隙，采用回填灌浆技术对其空隙进行处理，分阶段逐个灌浆，杜绝出现灌浆的盲区，同时针对施工过程里出现的扰动影响开展评估工作，采用钻孔取芯、声波测试等方式核查加固成效，倘若加固后围岩波速提高未到10%，则额外添加二次加固手段，厂房群混凝土浇筑的工作结束以后，明确长期监测的点位，不断跟踪结构的变形态势，维持长达1-2年，按照监测数据制订后期维护规划，进一步削弱施工扰动形成的长期负面后果，维护地下厂房群安全平稳地运转。

三、保障层：健全后盾机制，促使技术成功落地

完备的保障机制是扰动控制技术有效开展的必要依托，要依托组织、制度、人员三个层面搭建保障体系，从组织保障这一维度，设立以建设单位牵头的，由设计、施工、监理单位一起加入的专项管理小组，厘清各单位的职责分工，建设单位扛起统筹协调工作的担子，设计单位给出技术范畴的支持，施工单位做好现场实施事项，监理单位对项目的全程进行跟踪监督，促成“统一指挥、分工互助”的工作格局。在制度保障这一范畴，制定《施工扰动控制技术规程》《监测数据管理办法》《风险应急处置预案》等一整套制度规章，对技术实施的流程与数据管理的标准加以规范，厘清风险应急响应的相关规程，要是碰到重大扰动风险的时候，1小时内马上开启应急预案，24小时内做好应急应对。从人员保障这个层面，开展针对专项技术的培训及考核，邀请业内专家给施工、监测人员开展地质探测、动态调控、加固修复等相关技术培训，只有通过理论考试与实操考核方可上岗；制订奖励体系，对在扰动控制工作里展现亮眼成绩的团队与个人给予奖励，带动人员的积极性，保证各项技术措施切实有效实施，杜绝执行不落实引起防控效果下降。

结束语：

复杂地质条件下抽水蓄能电站地下厂房群施工扰动控制是一项系统性工程，需突破传统静态防控思维，构建“基础层探明风险、技术层精准防控、保障层支撑落地”的一体化体系。本文通过分层研究，明确了地质探测的核心方法、分阶段防控的关键技术与支撑机制的建设要点，为工程实践提供了理论与技术参考。

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作者简介：祁海峰（1982.10.06），男，汉族，黑龙江双鸭山市，本科，高级工程师，研究方向：主要从事轨道交通、水利水电施工管理工作