水平薄層圍巖洞室頂拱破壞特征與控制措施

張 捷

(中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 朝陽區(qū) 100024)

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水平薄層圍巖洞室頂拱破壞特征與控制措施

張 捷

(中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 朝陽區(qū) 100024)

西龍池地下廠房位于水平薄層圍巖中，圍巖呈互層狀、細層較薄、紋理發(fā)育、巖層產(chǎn)狀平緩、巖層間結(jié)合力差，施工開挖過程中易出現(xiàn)塌頂現(xiàn)象，頂拱的圍巖穩(wěn)定是設(shè)計、施工的關(guān)鍵。針對水平薄層圍巖的變形規(guī)律、破壞機理，從開挖支護設(shè)計、支護時序控制、安全監(jiān)測、動態(tài)設(shè)計等方面，采取了針對性的控制對策，確保了地下廠房洞室施工期、永久期的安全穩(wěn)定。

地下廠房；水平薄層圍巖；頂拱穩(wěn)定；變形破壞特征；多項指標綜合評估

1 工程概況

西龍池抽水蓄能電站地下廠房位于水道系統(tǒng)尾部，洞室埋深約165～330 m左右。地下廠房開挖尺寸(長×寬×高，下同)149.3 m×23.5 m×49 m，廠房軸線方向為NW280°；主變室平行布置于主廠房下游側(cè)44.5 m處，其開挖尺寸130.9 m×l6.4 m×l7.5 m；兩洞室通過一條交通洞和四條母線洞相聯(lián)。主廠房兩端墻與通風機室相連，4條高壓管道及尾水隧洞與上述兩大洞室成65°夾角布置，環(huán)繞兩大洞室設(shè)三層排水廊道，下出線洞與主變室下游邊墻垂直連接。

地下廠房自2004年1月份開挖頂拱，2005年12月完成整個洞室的開挖支護，截至2011年12月，廠房頂拱最大變位為19.16 mm，控制在允許變形值范圍內(nèi)，洞室圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 工程地質(zhì)條件

地下廠房洞室群位于寒武系張夏組、崮山組下段的巖層中，巖性為泥質(zhì)鮞狀灰?guī)r、泥質(zhì)條帶狀灰?guī)r、泥質(zhì)柱狀灰?guī)r、薄層粉砂巖等，巖體結(jié)構(gòu)以互層狀和薄層狀為主，紋理極發(fā)育，巖層產(chǎn)狀NW290°～340°NE∠4°～10°，巖層近水平狀，巖層間結(jié)合力差，極易出現(xiàn)塌頂現(xiàn)象。圍巖類別以Ⅲ類為主，裂隙發(fā)育段及斷層破碎帶屬Ⅳ～Ⅴ類。巖體力學參數(shù)：巖石飽和抗壓強度40～60 MPa；巖層間軸向抗拉強度較低，一般為0.1～0.4 MPa；垂直層面方向變形模量為6～10 GPa，平行層面方向變形模量為8～15 GPa；抗剪強度指標c=0.0 MPa，φ=35°～44°。

廠區(qū)斷層發(fā)育主要有三組：①NE10～30°NW/SE∠70～85°；②NE30～55°NW∠75～88°；③NW330～350°SW∠75～85°，其中以第②組最為發(fā)育，規(guī)模較大。且NW向斷層的延伸均受NE向斷層的控制。區(qū)內(nèi)斷層空間延伸連續(xù)性不好，遇軟弱巖層即尖滅或錯位。

廠區(qū)發(fā)育裂隙主要有四組：①NE5～30°NW(或SE)∠70～85°；②NE30～50°NW(或SE)∠70～88°；③NE50～60°NW(或SE)∠70～89°；④NW330～360°NE(或SW)∠70～85°，其中以第②組最發(fā)育。所統(tǒng)計的裂隙，大部分為高傾角裂隙，裂隙內(nèi)多有紅色塑泥充填，兩側(cè)巖石亦被侵染成褐紅色。NE向裂隙多為泥質(zhì)充填，裂隙面上附著方解石細脈；而NW向裂隙多充填方解石細脈或無充填。緩傾角結(jié)構(gòu)面主要表現(xiàn)為巖層層面發(fā)育或微切層發(fā)育的緩傾角裂隙，如廠房探洞和廠房模型試驗洞在開挖后常見有洞頂巖層沿層面開裂、脫落而形成大平板，難以成拱的現(xiàn)象。

廠區(qū)屬中等地應力場，以自重應力為主。最大水平主應力為12 MPa，方向為NE50～60°，最小水平主應力為6 MPa。受褶皺的影響，局部地段存在應力集中現(xiàn)象。地應力與巖石飽和抗壓強度之比約為1∶3.3～5。

地下水類型為基巖裂隙水，張夏組巖層中的地下水水位高程為716～719 m；崮山組的層間地下水位為768～769 m，位于廠房頂拱以上。

3 水平薄層圍巖變形破壞特征

鑒于本工程廠區(qū)地質(zhì)條件的復雜性，開工之前在前期設(shè)計研究的基礎(chǔ)上，在廠房頂拱部位開展原位模型試驗研究，進一步研究水平薄層圍巖的變形規(guī)律、破壞形式。借助模型試驗洞，采用探洞貫通了廠房軸線，進一步確定了地下廠房位置。

地下廠房頂拱主要為∈2z2-2巖層，巖性為薄層鈣質(zhì)石英粉砂巖、薄層灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r和柱狀灰?guī)r，呈互層狀結(jié)構(gòu)，紋理發(fā)育。其中鈣質(zhì)石英粉砂巖及薄層灰?guī)r紋理類型屬水平交錯狀紋理；鈣質(zhì)石英粉砂巖巖層厚度一般為0.08～1.75 m，薄層灰?guī)r巖層厚度一般0.07～1.8 m。鈣質(zhì)石英粉砂巖為泥質(zhì)結(jié)合，極易風化或發(fā)生力學破壞，并具有較好的親水性質(zhì)，遇水軟化、脫水縮裂，細層間還發(fā)育有泥化破碎夾層，厚度1～3 cm，并隨巖層的褶曲而起伏；鈣質(zhì)石英粉砂巖自然狀態(tài)下層間結(jié)合力為0.007～0.13 MPa。

在廠房頂拱開挖過程中，主要有以下兩種破壞形式：

(1)沿巖層面的脫落

洞室開挖后，平緩層狀巖體在頂拱形成類似平行組合梁結(jié)構(gòu)，支點在兩側(cè)拱座；在拱角部位形成了類似組合懸臂梁結(jié)構(gòu)，支點在邊墻。如圖1左圖所示。

由于巖層層間結(jié)合力較弱，巖層在重力作用下下彎，首先在拱角的組合懸臂梁結(jié)構(gòu)處的下部巖層沿巖層面出現(xiàn)松弛張裂，與上部巖體脫離，進而逐步向中性面發(fā)展，在發(fā)展的過程中，懸臂梁越長，彎矩越大，則巖層越易發(fā)生彎曲或折斷，從而逐漸形成具有一定規(guī)模的塌落，塌落成平頂。塌落后，無疑增加了位于頂拱平緩層狀巖體的組合梁結(jié)構(gòu)的跨度，梁中間的彎矩也將增大，這將對廠房頂拱的穩(wěn)定造成了嚴重的不利影響。如圖1右圖所示。

破壞前 破壞后圖1 廠房頂拱沿巖層面脫落破壞示意圖

(2)結(jié)構(gòu)面組合的塊體滑塌

廠房頂拱巖體在裂隙、巖層面(開挖面)等結(jié)構(gòu)面的組合下，形成不穩(wěn)定塊體，這也是廠房頂拱常見的破壞形式。例如，在廠房頂拱發(fā)育兩條夾泥裂隙L1、L2，其中L1的產(chǎn)狀為NE50°NW∠65°，L2產(chǎn)狀為NE50°SE∠65°，這兩條裂隙與開挖面組合，易構(gòu)成一楔形不穩(wěn)定塊體。詳見圖2。

不穩(wěn)定塊體赤平投影圖 不穩(wěn)定塊體剖面示意圖圖2 廠房頂拱不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面組合的塊體滑塌破壞示意圖

4 圍巖穩(wěn)定控制措施

4.1 廠房位置和布置形式

工程前期，基本摸清了工程區(qū)的地質(zhì)情況，地下廠房位于F118、F112之間相對完整的巖塊內(nèi)；確定廠房軸線NW280°，與巖層走向及主要結(jié)構(gòu)面的夾角較大，與主地應力方向的夾角較小。

將安裝場位于廠房中部。有限元計算分析表明：安裝場位于廠房中部可有效改善廠房圍巖的應力、變位、松弛區(qū)范圍等條件，邊墻拉損區(qū)、塑性區(qū)有明顯改善，局部塑性區(qū)可減小10 m左右；變位可減少約9%～11%。

4.2 系統(tǒng)支護參數(shù)

西龍池地下廠房按工程類比、極限平衡理論、現(xiàn)場模型試驗和有限元分析相結(jié)合進行設(shè)計，采用錨索、錨桿、噴鋼纖維混凝土的柔性支護方案，支護參數(shù)見表1。

表1 西龍池工程地下廠房支護參數(shù)

4.3 頂拱支護措施

水平薄層圍巖中巖石呈互層狀、細層較薄、紋理發(fā)育、巖層產(chǎn)狀平緩、巖層間結(jié)合力差，頂拱的圍巖穩(wěn)定是設(shè)計、施工的關(guān)鍵。為了控制頂拱的圍巖變形，防止巖層層間脫開，按照主動支護、盡早支護的原則制定頂拱支護措施。

頂拱支護的主要措施是先行開挖位于廠房頂拱上方28.5 m處由地質(zhì)勘探洞擴建的廠頂錨洞，錨洞尺寸為5×5 m，錨洞在主廠房頂拱層開挖前施工完，并在該洞中提前完成3排廠房頂拱對穿錨索孔。在廠房頂拱中導洞開挖時及時完成3排對穿錨索的施工，在頂拱圍巖變形前對巖層預加固，充分利用圍巖本身的強度。

噴鋼纖維混凝土和系統(tǒng)錨桿及時跟進，避免了薄層巖體的松脫，保留其承載能力。在廠房頂拱擴挖前，中導洞主要支護措施完成，即主廠房拱冠部位錨索、錨桿及首層噴混凝土完成，相當于在廠房拱冠部位形成了一個柔性支撐點，縮短了頂拱的跨度，有利于兩側(cè)頂拱施工期的穩(wěn)定及整個廠房頂拱的穩(wěn)定。廠房頂拱共布置了7排錨索，其中4排為1 600 kN預應力內(nèi)錨錨索，3排2 000 kN的對穿錨索位于拱冠部位。

廠房頂拱支護力求在開挖完成后能盡快進行，所以，系統(tǒng)錨桿采用預應力樹脂錨桿，施工方便，見效快，符合開挖后及時支護的要求。頂拱系統(tǒng)預應力樹脂錨桿φ32，長度5 m和7 m。鋼纖維混凝土的適應變形性和韌性都較符合西龍池工程特點，頂拱噴鋼纖維混凝土厚20 cm。此外，據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況及監(jiān)測資料，在局部地質(zhì)條件復雜部位設(shè)置了混凝土鋼筋肋拱、隨機錨索、隨機錨桿等加強支護措施。加強噴鋼纖維混凝土肋拱，肋拱斷面(寬×高)50×15 cm，間距3～6 m。

另外為了減小拱座部位的應力集中，頂拱開挖曲線采用三心圓，使拱墻平滑連接。

4.4 支護時序

根據(jù)現(xiàn)場原位模型試驗洞、廠房洞室開挖所揭示的水平薄層圍巖的變形特點，主張盡早采取支護措施，防止巖石層間脫開。西龍池地下廠房開施工過程中要求錨噴支護滯后開挖面不應大于10 m，預應力錨索滯后開挖面不應超過30 m。主廠房頂拱的三排對穿錨索，安裝施工應距中導洞開挖掌子面距離不得大于30 m；中導洞部位的噴混凝土層第一次噴射厚度為10 cm，待兩邊導洞跟進擴挖后再一起噴射補齊至設(shè)計厚度。開挖采用中導洞領(lǐng)進，導洞開挖領(lǐng)先兩側(cè)擴挖的距離應不小于30 m[1]。

實際施工中，在中導洞開挖、系統(tǒng)錨桿、首層噴混凝土、錨索等支護完成后依次擴挖上、下游側(cè)頂拱，兩側(cè)錨桿支護、首層噴混凝土、錨索基本能按照設(shè)計要求跟進；最后完成全拱噴混凝土至設(shè)計厚度。

4.5 安全監(jiān)測及動態(tài)控制

為了研究地下洞室圍巖位移大小及變化規(guī)律、最終位移穩(wěn)定時間和位移最終值、圍巖松弛范圍和塑性區(qū)范圍、錨桿及錨索應力分布及變化規(guī)律，從而驗證層狀結(jié)構(gòu)巖體中錨桿及錨索的支護效果，掌握洞室圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，西龍池地下廠房布置了4個系統(tǒng)監(jiān)測斷面(橫向)、4個輔助監(jiān)測斷面(其中2個為橫向，2個為縱向)，主要儀器采用預埋方式，監(jiān)測項目主要包括圍巖內(nèi)部位移、收斂變形、圍巖松動范圍、錨桿應力、錨索應力、孔隙水壓力等[2]。

圖3 地下廠房頂拱支護剖面

(1)結(jié)合工程的地質(zhì)條件有針對性地布置監(jiān)測儀器，在地質(zhì)條件較差的部位適當加密監(jiān)測斷面。

(2)利用附洞在洞室開挖前預先布置監(jiān)測儀器。頂拱正中的9排多點位移監(jiān)測儀器均為預埋，獲得了比較全面的洞室變形資料。邊墻、端墻也利用主要洞室周圍的排水廊道布置預埋多點位移監(jiān)測儀器。

開挖支護設(shè)計堅持動態(tài)設(shè)計理念，采用動態(tài)設(shè)計方法，采用設(shè)計→施工→監(jiān)測→反分析計算預測→調(diào)整設(shè)計→指導施工這樣的設(shè)計施工程序。即根據(jù)工程的圍巖特點和理論分析成果，對頂拱開挖過程中的允許變位最大值提出控制要求。根據(jù)監(jiān)測成果，在每一層開挖后均進行了圍巖穩(wěn)定的正反分析，并對下層的開挖變位、應力等進行了預測。監(jiān)測資料顯示位移動值接近控制標準時增加支護措施，以便洞室的變位處在設(shè)計控制范圍內(nèi)。

4.6 圍巖穩(wěn)定判別

西龍池電站地下廠房經(jīng)過現(xiàn)場實測及分析工作后，過程中采用“多項指標綜合評估”法進行判斷圍巖穩(wěn)定。

(1) 對近水平層狀巖體，其頂拱中央的圍巖位移明顯大于拱角、邊墻處位移，頂拱位移最大值為19.16 mm。圍巖的變形隨著離洞周深度的增加而減小，頂拱的松動區(qū)范圍為1.2～3 m，強度下降區(qū)范圍為3～8 m。頂拱允許相對變形值小于跨度的0.1%(約23.5 mm)；頂拱允許變形速率0.1 mm/d以下；頂拱允許變形速率比5%以下。

(2)頂拱的變形與爆破開挖密切相關(guān)，變形隨爆破呈明顯的臺階狀。由第一層中導洞及其兩側(cè)擴挖和第二層拱角的開挖引起的頂拱變形占了穩(wěn)定后變形的絕大部分。

(3)頂拱變形速率的空間效應非常明顯。當開挖掌子面離開監(jiān)測斷面1倍中導洞洞徑時，圍巖變形速率已穩(wěn)定地降低到了0.2 mm/d以下，離監(jiān)測斷面2倍中導洞洞徑時，圍巖變形速率降低到0.03 mm/d以下，此時圍巖變形趨于穩(wěn)定。

(4)本工程圍巖穩(wěn)定性根據(jù)多種方法進行判別，都在規(guī)定的允許值范圍內(nèi)，表明地下廠房圍巖是穩(wěn)定的。

5 結(jié) 語

(1)西龍池地下廠房位于水平薄層圍巖中，由于巖石呈互層狀、細層較薄、紋理發(fā)育、巖層產(chǎn)狀平緩、巖層間結(jié)合力差，施工開挖過程中易出現(xiàn)塌頂現(xiàn)象，其頂拱的圍巖穩(wěn)定是設(shè)計、施工的關(guān)鍵。

(2)通過現(xiàn)場原位模型試驗、三維數(shù)值模擬、監(jiān)測資料分析等方法，系統(tǒng)研究了水平薄層圍巖的變形規(guī)律、破壞機理。

(3)選擇合理的廠房位置和布置形式，按照主動支護、盡早支護的原則，采用對穿錨索預加固頂拱，預應力樹脂錨桿、噴鋼纖維混凝土及時跟進掌子面等措施，有效控制了圍巖變形，防止了圍巖層間脫開。

(4)利用附洞在廠房開挖前預先布置監(jiān)測儀器，獲得了比較全面的監(jiān)測數(shù)據(jù)。開挖過程中，實時掌控圍巖變形趨勢，依據(jù)嚴格的變形指標評估圍巖狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整支護參數(shù)，控制圍巖變形。

(5)從廠房布置到支護措施研究、施工過程控制，嚴控廠房圍巖變形的思想貫穿整個設(shè)計過程，有效防止了巖層層間脫開，成功解決了水平薄層圍巖條件下地下廠房圍巖穩(wěn)定問題，該設(shè)計成果值得同類工程借鑒。

[1] 周長興、張捷、趙朝霞、張萬祝，西龍池抽水蓄能電站地下廠房設(shè)計，《水利規(guī)劃與設(shè)計》2010年01期第54～56頁。

[2] 劉鳳成、胡五星、錢能尊、仇水波，西龍池蓄能電站地下廠房圍巖監(jiān)測成果分析反饋，《水力發(fā)電學報》2009年 第3期第121～125頁。

張 捷(1979-) ，男，湖北十堰人，畢業(yè)于武漢大學水利水電工程專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)任中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院水工專業(yè)總工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作.

(責任編輯：卓政昌)

2016-11-11

P614；U453.2；S891+.6

B

1001-2184(2016)06-0111-04