高第二主應(yīng)力條件下大跨度洞室圍巖變形破壞特征分析及支護(hù)措施

，，

(中國電建集團(tuán) 成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

1 研究背景

地下工程的不確定性因素使得每個(gè)地下工程都具有自身的特殊性，尤其是大型地下洞室群單洞室規(guī)模大、洞群間縱橫交錯(cuò)、挖空率高，賦存環(huán)境的不確定性因素影響更為顯著，因此設(shè)計(jì)和施工的難度更大[1-3]。

猴子巖水電站地下廠房區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，洞室群埋深大，位于以構(gòu)造應(yīng)力為主的高—極高地應(yīng)力區(qū)，廠區(qū)實(shí)測最大地應(yīng)力為36.43 MPa，第二主地應(yīng)力也較高，達(dá)到29.82 MPa。但巖體強(qiáng)度中等，飽和單軸抗壓強(qiáng)度60～100 MPa，屬中硬脆性巖，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比偏低，約1.65～2.74，這在國內(nèi)已建和在建的大規(guī)模地下廠房中較為罕見。以往在高地應(yīng)力、低強(qiáng)度應(yīng)力比條件下修建的地下廠房，其第二主應(yīng)力水平明顯低于第一主應(yīng)力，比如錦屏一級地下廠房，其實(shí)測最大第一、第二主應(yīng)力范圍分別為20～35.7 MPa和10～20 MPa[4]，進(jìn)行地下廠房布置時(shí)，可以通過調(diào)整廠房軸線，盡量減小廠房軸線與第一主應(yīng)力的夾角來降低高地應(yīng)力對洞室高邊墻的不利影響。然而，猴子巖地下廠房區(qū)域第二主應(yīng)力水平也比較高，高地應(yīng)力對洞室高邊墻的影響不能通過廠房軸線的調(diào)整來有效降低，在高地應(yīng)力(特別是第二主應(yīng)力水平也較高)、斷層、擠壓破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造以及大范圍施工擾動(dòng)等因素綜合作用下，洞室穩(wěn)定問題非常突出，施工過程中出現(xiàn)的典型現(xiàn)象有圍巖松弛深度大、變形量值大、支護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷普遍較高。這些特點(diǎn)為猴子巖地下廠房洞室群開挖施工和支護(hù)設(shè)計(jì)帶來較大挑戰(zhàn)。

鑒于上述問題，本文主要根據(jù)施工期洞室的位移監(jiān)測資料、支護(hù)力監(jiān)測資料、聲波檢測資料以及施工過程中出現(xiàn)的變形破壞現(xiàn)象，對高第二主應(yīng)力、復(fù)雜地質(zhì)條件下大跨度地下洞室變形破壞特征進(jìn)行歸納，就圍巖變形破壞機(jī)理進(jìn)行初步探討，并根據(jù)支護(hù)效果總結(jié)高第二主應(yīng)力下支護(hù)設(shè)計(jì)的教訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

猴子巖水電站地下廠房洞室群位于大渡河右岸，主要由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室3大洞室及其附屬洞室組成(見圖1)，水平埋深280～510 m，垂直埋深400～660 m，3大洞室平行布置，洞室間巖柱厚度約為45.0 m。廠房軸線N61°W，廠內(nèi)安裝4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量1 700 MW。主廠房開挖尺寸為219.5 m×29.2 m×68.7 m(長×寬×高)，主變室開挖尺寸為139.0 m×18.8 m×25.2 m(長×寬×高)，尾水調(diào)壓室開挖尺寸為140.5 m×23.5 m×75.0 m(長×寬×高)。

圖1 猴子巖水電站地下廠房布置

2.1 地下廠房區(qū)基本地質(zhì)條件

地下廠房區(qū)巖體主要為泥盆系下統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r和變質(zhì)灰?guī)r，巖體以微風(fēng)化—新鮮的中厚層—層狀結(jié)構(gòu)為主，局部薄層狀結(jié)構(gòu)，無大型區(qū)域斷裂穿過，主要發(fā)育一些次級小斷層、擠壓破碎帶以及節(jié)理裂隙，巖體完整性總體較好。圍巖類別以Ⅲ類為主，占88.5 %。次級小斷層走向以N60°～80°W為主，傾角以中陡傾為主，小斷層的主錯(cuò)帶多充填碎粒巖、粉碎巖，帶寬以0.01～0.05 m為主，最厚可達(dá)0.8 m，對洞室穩(wěn)定影響最大的斷層位于主廠房下游側(cè)，主要有f-1-1-3(N50°W/NE∠75°)，fm1(N70°W/NE∠65°)，fm3(N70°W/NE∠65°)，fm4(N70°W/NE∠65°)4條斷層，范圍涵蓋1#—3#機(jī)組(見圖2)；擠壓破碎帶多為層間擠壓帶，產(chǎn)狀以層面產(chǎn)狀為主，擠壓破碎帶內(nèi)多充填碎裂巖、碎片巖，少量粉碎巖，擠壓緊密，帶寬0.01～0.1 m為主，部分厚達(dá)0.6 m，以4#機(jī)組段開挖揭示的擠壓破碎帶規(guī)模最大，影響范圍最廣，平均影響帶寬20 m，與廠房縱軸線夾角約30°(見圖3)；節(jié)理裂隙走向以N60°～70°E(層面)，N20°～70°W，N80°～90°W為主，傾角以中陡傾為主，緩傾角裂隙較少。

圖2 主廠房下游側(cè)斷層分布

圖3 主廠房、主變室裂隙密集帶分布

地下廠房區(qū)應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹WW～SEE向。實(shí)測應(yīng)力值最大的測點(diǎn)位于埋深約230 m的平洞內(nèi)，σ1為36.43 MPa，σ2為29.8 MPa,σ3為22.32 MPa，主廠房軸線方向與σ1小夾角相交，σ2方向與洞軸線大角度相交。實(shí)測地應(yīng)力方位角與廠軸線、巖層走向關(guān)系見圖4。

圖4 地應(yīng)力水平投影方位角與廠軸線、巖層走向關(guān)系

地下廠房區(qū)巖體中地下水不豐，以滲滴水為主。出現(xiàn)部位主要位于小斷層或擠壓破碎帶。地下廠房圍巖物理力學(xué)參數(shù)值見表1。

表1 地下廠房圍巖物理力學(xué)參數(shù)值

2.2 開挖步序及監(jiān)測設(shè)備布置

猴子巖水電站地下主廠房分9層開挖；第1層開挖高度為13.5 m，第2—5層開挖高度為8.0 m，第6層開挖高度為5.0 m，第7—9層為機(jī)窩，開挖總高度為18.2 m。

尾水調(diào)壓室分8層開挖，除第1層開挖高度為10.3 m，第2—8層開挖高度約為6.5 m。 地下廠房共設(shè)6個(gè)監(jiān)測斷面：廠橫0-014.80斷面(安裝間)、廠橫0+018.80斷面(1#機(jī)中心)、廠橫0+053.10斷面(2#機(jī)中心)、廠橫0+083.80斷面(3#機(jī)中心)、廠橫0+6.30斷面(4#機(jī)中心)、廠橫0+153.81斷面(副廠房)。監(jiān)測設(shè)備主要有多點(diǎn)位移計(jì)、錨索測力計(jì)及錨桿應(yīng)力計(jì)。開挖分層及監(jiān)測設(shè)備布置見圖5。

圖5 廠房開挖程序及監(jiān)測設(shè)備布置Fig.5 Excavation steps and layout of monitoring instruments

3 施工期圍巖的主要變形破壞特征

猴子巖水電站地下廠房洞室群在施工開挖過程中，圍巖主要變形破壞現(xiàn)象歸納如下。

3.1 巖爆現(xiàn)象普遍

破壞一般在開挖后的2 h左右開始，貫穿整個(gè)開挖施工期，隨著混凝土結(jié)構(gòu)的施工破壞趨于緩和，在破壞過程中伴隨聲音較大的悶響。破壞程度和方式與洞室位置、圍巖支護(hù)時(shí)間、支護(hù)型式等有較大關(guān)系。一般地，洞室交叉口部位破壞程度最大，這與交叉部位處于雙向卸荷狀態(tài)有關(guān)；支護(hù)時(shí)間越晚，破壞越強(qiáng)烈，圖6(a)為未支護(hù)的排水廊道的破壞情況，該廊道不僅破壞面積大，且破壞較深、破壞過程具有時(shí)效性；支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性好，破壞相對較小。巖爆、弱巖爆現(xiàn)象的具體破壞型式表現(xiàn)為圍巖呈洋蔥式剝離(呈片狀、板狀排列，見圖6(b))、剝落、劈裂、崩射、坍塌，塌方等。巖爆等高地應(yīng)力型破壞對施工及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全影響非常大，這種破壞由于發(fā)生突然且常常具有一定動(dòng)能，極易在施工過程中造成如人員傷亡、設(shè)備損毀等災(zāi)害性后果。同時(shí)，由于圍巖內(nèi)部破裂在很長一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)展，圍巖變形在很長一段時(shí)間內(nèi)不收斂，對圍巖及支護(hù)系統(tǒng)的長期安全性產(chǎn)生影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，噴錨支護(hù)后，主廠房邊墻噴混凝土裂縫開度大于0.2 cm的超過100條，最長達(dá)13 m，最大縫寬11 cm。

圖6 排水廊道和尾調(diào)室邊墻圍巖剝離破壞情況

3.2 圍巖變形大、破壞深

位移監(jiān)測資料顯示，地下廠房洞室群在開挖施工期變形量值大、變形深度大，部分區(qū)域出現(xiàn)錨墩內(nèi)陷現(xiàn)象，洞室高邊墻呈現(xiàn)較明顯的圍巖大變形特征。主廠房開挖完成后，圍巖表面測點(diǎn)位移大于50 mm的測點(diǎn)約占總測點(diǎn)數(shù)的17 %，最大變形達(dá)158 mm(位于主廠房下游側(cè)，見圖7)，主廠房第Ⅳ層開挖后該測點(diǎn)變形量已達(dá)到120 mm，遠(yuǎn)大于國內(nèi)同等規(guī)模、相似地質(zhì)條件的地下廠房同期開挖變形量(錦屏一級水電站地下廠房位移變形大于50 mm的測點(diǎn)數(shù)占總測點(diǎn)數(shù)的11 %)，極為罕見[5]。圍巖松弛破壞深度一般為6.0～12.2 m，最大松弛深度約15.0 m，鉆孔全景圖顯示松弛破壞區(qū)內(nèi)巖體較破碎，完整性差。主廠房典型聲波測試曲線及鉆孔全景圖像見圖8和圖9，從圖8中可以看出，部分聲波孔的低波速區(qū)逐漸往深部發(fā)展。

圖7 廠橫0+051.30斷面主廠房下游邊墻▽1 706.5 m處測點(diǎn)位移過程線

圖8 主廠房下游邊墻▽1 711 m長觀聲波不同時(shí)間的測試曲線

圖9 主廠房鉆孔全景圖像

圍巖的初期變形速率普遍較大，最大變形速率超過10 mm/d。圍巖變形發(fā)展過程基本呈“臺(tái)階式”增長，但受施工開挖及支護(hù)工藝影響，呈現(xiàn)較大的區(qū)別，特別是支護(hù)工藝，對變形發(fā)展影響至關(guān)重要。支護(hù)及時(shí)，每級增長臺(tái)階基本上可分為變形突變、變形緩增及變形基本收斂等3個(gè)階段，典型變形過程線見圖10(a)；支護(hù)延遲，變形過程線無顯著的變形突變階段，且變形收斂趨勢不明顯，甚至不收斂，整個(gè)變形過程線基本保持一個(gè)變化速率。典型辨別過程線見圖10(b)。

圖10 典型變形監(jiān)測過程線

3.3 錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷水平偏高

根據(jù)監(jiān)測資料，施工開挖期淺層錨固系統(tǒng)(錨桿)及深層錨固系統(tǒng)(錨索)實(shí)測應(yīng)力水平大多較高。錨固系統(tǒng)應(yīng)力測值與圍巖淺表測點(diǎn)位移基本對應(yīng)，位移量較大的部位，錨固系統(tǒng)相應(yīng)的應(yīng)力測值也較大(見圖11)。主廠房Ⅳ層開挖前，錨桿應(yīng)力平均增長率相對較大，此后，由于洞周巖體松弛區(qū)往深部發(fā)展，淺層巖體松弛卸荷，錨桿應(yīng)力增長率逐漸降低，部分錨桿甚至出現(xiàn)卸荷現(xiàn)象，而錨索應(yīng)力持續(xù)增長。至主洞室全部開挖結(jié)束，主廠房錨桿應(yīng)力測值超過200 MPa的約占16 %，其中，應(yīng)力超過儀器量程的約占11 %；主廠房錨索應(yīng)力測值超過鎖定值30 %的約占49 %，其中，應(yīng)力超過設(shè)計(jì)荷載值的占22 %。

圖11 廠房錨索測力計(jì)應(yīng)力過程線

4 圍巖破壞機(jī)理分析

洞室開挖后圍巖破壞過程是一個(gè)復(fù)雜的二次應(yīng)力場調(diào)整過程，是洞室的工程地質(zhì)條件、規(guī)模和結(jié)構(gòu)、開挖時(shí)序與爆破、支護(hù)強(qiáng)度和時(shí)機(jī)等諸多因素共同作用的結(jié)果。工程地質(zhì)條件是影響洞室圍巖變形、破壞的最根本因素。

地下洞室開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，洞室邊墻同時(shí)受到開挖水平向卸荷產(chǎn)生的張拉作用和豎向加載引起的壓剪作用，巖體處于廣義拉伸狀態(tài)，開始產(chǎn)生微裂紋，洞室開挖過程中，張拉和壓剪效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，微裂縫發(fā)展至貫通，出現(xiàn)宏觀裂隙，形成方向大致與邊墻平行的劈裂裂縫，裂縫貫通后的巖塊最終與母巖脫離，破壞過程示意見圖12。

圖12 邊墻破壞形成示意圖

高地應(yīng)力條件下，對比大跨度、高邊墻地下洞室的頂拱、底板、邊墻等部位，高邊墻的穩(wěn)定問題更為突出，因此，該類地下洞室布置時(shí)通常遵循“洞室軸線方向與圍巖主要構(gòu)造面走向成較大的夾角、與初始地應(yīng)力場第一主應(yīng)力水平投影方向成較小夾角”的布置原則，以盡量減小第一主應(yīng)力作用對高邊墻穩(wěn)定的影響。然而當(dāng)?shù)诙鲬?yīng)力水平也較高時(shí)，高地應(yīng)力對高邊墻的影響難以規(guī)避，應(yīng)力越高，開挖前巖體內(nèi)積累的壓縮變形能越大，當(dāng)?shù)诙鲬?yīng)力方向卸荷后，會(huì)產(chǎn)生較大的臨空向變形，即張拉變形，當(dāng)變形超過巖體的變形能力時(shí)，巖體破裂，而巖體具有高抗壓、低抗拉的特性，在原本的壓縮變形程度下完好的巖體，在同等程度的張拉變形下則極易發(fā)生破壞。猴子巖地下廠區(qū)巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度為60～100 MPa，雖然第一主應(yīng)力的水平投影方向與主洞室軸線交角較小，約10°，但第二主應(yīng)力與邊墻幾近垂直。在第二主應(yīng)力量值高、不利作用方向、較低巖體強(qiáng)度等綜合因素作用下，邊墻變形破壞非常強(qiáng)烈。

5 洞室圍巖支護(hù)措施

分析猴子巖水電站高第二主應(yīng)力條件下地下廠房洞室群地質(zhì)、監(jiān)測及檢測資料，與國內(nèi)一些條件相似的已建工程進(jìn)行對比分析，其圍巖變形、破壞現(xiàn)象有相似之處，但也有其特殊性，且這種特殊性在國內(nèi)其他已建和在建工程中極為少見，圍巖破壞特性的特殊性決定了其支護(hù)的差異。隨著猴子巖水電站地下洞室開挖完成，洞室的變形、應(yīng)力等逐漸趨于收斂，整理圍巖支護(hù)措施，初步得出如下特點(diǎn)。

5.1 充分發(fā)揮淺層支護(hù)的作用

洞室開挖卸荷后圍巖釋放的巨大能量單靠支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)是不可能的，要保證圍巖的穩(wěn)定必須依靠圍巖的自承能力。淺層支護(hù)的作用就是在洞室開挖后，通過采用錨桿(錨筋束)等支護(hù)措施維護(hù)洞室淺層巖體的完整性，提高其承載能力，形成承載拱圈，阻礙應(yīng)力駝峰區(qū)往深度發(fā)展，提高巖體的自承能力。淺層支護(hù)的錨固深度最好位于圍巖破壞區(qū)范圍以外，否則，不僅不能充分發(fā)揮淺層支護(hù)的作用，還會(huì)加重深層支護(hù)的負(fù)擔(dān)。

5.2 邊墻采用適當(dāng)?shù)纳顚又ёo(hù)

高第二主應(yīng)力條件下邊墻的穩(wěn)定性問題比較突出，猴子巖水電站地下廠房洞室群邊墻的變形、應(yīng)力監(jiān)測值及變化速率均偏大較多，且變形深度大，部分區(qū)域已超過錨桿的作用范圍，只靠淺層支護(hù)已不能保證圍巖的穩(wěn)定，采用適當(dāng)?shù)腻^索等深層支護(hù)措施是必要的。而且，這種環(huán)境下的深層支護(hù)必須有足夠的強(qiáng)度才能提供圍巖穩(wěn)定必需的圍壓。

5.3 針對性地布置支護(hù)

高第二主應(yīng)力條件下洞室圍巖各部位破壞特征差異較大，需分部位，有針對性地布置支護(hù)措施及采用差別化的支護(hù)參數(shù)。如頂拱部位設(shè)置錨索主要是解決不利結(jié)構(gòu)面形成的塊體問題；拱角部位設(shè)置錨索主要是為圍巖提供足夠的圍壓，以解決高地應(yīng)力、低巖石強(qiáng)度環(huán)境下應(yīng)力集中區(qū)巖體的劈裂破壞；邊墻部位設(shè)置錨索主要是為防止該部位在張拉板裂、完整性降低后的異常變形。由于以上3個(gè)部位錨索作用不同，錨索強(qiáng)度、長度等參數(shù)也有差異。

6 結(jié) 論

(1)猴子巖水電站地下廠房洞室群位于地質(zhì)條件復(fù)雜的高第二主應(yīng)力巖體內(nèi)，地應(yīng)力空間差異性大，巖體強(qiáng)度較低，開挖后圍巖卸荷松弛顯著，變形異常，且圍巖的變形破壞具有整體性，為典型的高地應(yīng)力破壞。圍巖變形破壞的分布與地應(yīng)力分布規(guī)律密切相關(guān)，總體上受地應(yīng)力方向和大小控制，同時(shí)巖層層面、斷層及擠壓破碎帶等加劇了這種破壞效應(yīng)。

(2)在高第二主應(yīng)力作用下，由于圍巖破壞機(jī)理與一般高地應(yīng)力環(huán)境巖體有區(qū)別，巖體破壞表現(xiàn)出的力學(xué)特性也不同，洞室圍巖的破壞特征也有差異。圍巖主要破壞特征表現(xiàn)為：①巖爆等高地應(yīng)力型破壞劇烈、普遍、隨機(jī)性強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長；②圍巖在施工開挖期呈現(xiàn)出較明顯的大變形特征，且變形速率大，破壞區(qū)深度深；③支護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷水平偏高。

(3)高第二主應(yīng)力環(huán)境下洞室開挖后的圍巖破壞過程是一個(gè)復(fù)雜的二次應(yīng)力場調(diào)整過程，是洞室的工程地質(zhì)條件、規(guī)模和結(jié)構(gòu)、開挖時(shí)序與爆破、支護(hù)強(qiáng)度和時(shí)機(jī)等諸多因素共同作用的結(jié)果。當(dāng)?shù)诙鲬?yīng)力也很大時(shí)，洞室高邊墻的不利作用難以通過調(diào)整洞室軸線來規(guī)避，應(yīng)力越高，開挖前巖體積累的壓縮變形能越大，開挖卸荷后產(chǎn)生的張拉變形越大，巖體越容易破壞。

(4)雖然高第二主應(yīng)力環(huán)境的地下洞室圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要作用是在圍巖開挖卸荷及二次應(yīng)力調(diào)整和變形過程中為圍巖提供足夠的圍壓，恢復(fù)巖體的三向應(yīng)力狀態(tài)，增強(qiáng)圍巖的自承能力，形成承載拱圈，但其變形、破壞特征及機(jī)理的不同決定了其支護(hù)結(jié)構(gòu)的不同，應(yīng)以充分發(fā)揮圍巖自承能力為目標(biāo)，有針對性地布置支護(hù)措施。

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