復(fù)雜地質(zhì)大型地下洞室開挖與支護(hù)技術(shù)

肖厚云, 杜安朋

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610213)

楊房溝水電站為國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬千瓦級(jí)大型地下廠房和百米級(jí)高壩整體EPC水電項(xiàng)目，位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上(部分工程區(qū)域位于甘孜州九龍縣境內(nèi))，是雅礱江中游河段一庫(kù)七級(jí)開發(fā)的第六級(jí)，上距孟底溝水電站37 km，下距卡拉水電站33 km。在壩址左岸山體不到0.5 km2的區(qū)域內(nèi)、高度約400 m巖體中，共布置了體型各異、大小不等的近40條洞室，累計(jì)總長(zhǎng)度超過10 km。這些洞室縱橫交錯(cuò)、平、斜、豎相貫，組成復(fù)雜的大型地下洞室群。需對(duì)復(fù)雜地質(zhì)地下洞室開挖與支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，保障現(xiàn)場(chǎng)施工安全，獲取良好的安全作業(yè)環(huán)境。

1 復(fù)雜地質(zhì)大型地下洞室開挖與支護(hù)現(xiàn)狀分析

在隧道工程施工過程中，由于工程條件的復(fù)雜性，常常發(fā)生施工中安全事故。為了保證施工安全及隧道投入運(yùn)營(yíng)后的安全，在施工過程中對(duì)圍巖進(jìn)行監(jiān)測(cè)是十分必要的，通過現(xiàn)場(chǎng)圍巖監(jiān)控量測(cè)及時(shí)掌握圍巖和支護(hù)在施工中的力學(xué)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)定程度，為評(píng)價(jià)和修改初期支護(hù)參數(shù)、力學(xué)分析及支護(hù)施作時(shí)間提供信息依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道圍巖位移測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法進(jìn)大量研究，包括位移反分析法、時(shí)間序列法、回歸分析法、灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)等。楊紅軍等[1]根據(jù)Panet、Gaudin、Sulem的研究成果[2]，利用半解析計(jì)算方法，考慮了隧道周邊收斂和拱頂下沉隨時(shí)間和掌子面推進(jìn)距離的變化情況，建立了相關(guān)的收斂模型，由此給出了硬巖及軟巖隧道中二襯的合理支護(hù)時(shí)機(jī)。葉繼權(quán)等[5]通過三次B樣條曲線擬合的數(shù)學(xué)方法將圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的報(bào)警轉(zhuǎn)化為彎矩的報(bào)警，通過計(jì)算出的彎矩值與設(shè)計(jì)許可彎矩及規(guī)范允許的樁體極限彎矩對(duì)比，判斷圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全。袁厚海等[6]采用基于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜數(shù)據(jù)推導(dǎo)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩值，給岀了較準(zhǔn)確的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩預(yù)測(cè)方法，并通過對(duì)隧道工程實(shí)例分析。李兆權(quán)[7]以國(guó)內(nèi)部分礦山采用噴錨支護(hù)巷道的位移測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用概率預(yù)測(cè)法對(duì)最終位移量做出估計(jì)，并經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證方法可行，為進(jìn)行支護(hù)方案選擇提供了簡(jiǎn)便方法。王宏偉[8]通過對(duì)盛大鐵礦巷道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，得到巷道變形規(guī)律，利用 MATLAB軟件建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以盛大鐵礦46條支護(hù)穩(wěn)定巷道為學(xué)習(xí)和檢驗(yàn)樣本，建立巷道支護(hù)優(yōu)選及變形預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。李本強(qiáng)[9]應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，利用土釘支護(hù)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立用于對(duì)支護(hù)系統(tǒng)未來變形進(jìn)行預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)模型。同時(shí)，通過實(shí)例計(jì)算分析了影響預(yù)測(cè)精度的原因，提出了改善預(yù)測(cè)精度的措施。馮利坡等[10]通過研究支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞前20 d的坡頂水平位移、深層水平位移曲線，觀測(cè)到了監(jiān)測(cè)曲線反映結(jié)構(gòu)破壞的突然變化，充分說明了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的預(yù)警作用。李曉婉[11]選取上海、杭州、武漢和大連市動(dòng)港等地區(qū)200多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形預(yù)警值問題。應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)理論。與概率統(tǒng)計(jì)理論，制定指向性、敏感性都強(qiáng)的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)。結(jié)合工程案例，進(jìn)行設(shè)計(jì)合理的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，驗(yàn)證其適用性。李惠強(qiáng)等[12]構(gòu)建了支護(hù)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警系統(tǒng)，并在分析研究深基坑工程設(shè)計(jì)和施工實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)之上，采用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立起支護(hù)結(jié)構(gòu)位移預(yù)測(cè)模型，并就基坑支護(hù)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行了討論。

從以上研究成果可以看出，由于監(jiān)測(cè)設(shè)備的技術(shù)水平以及安裝等現(xiàn)實(shí)條件的限制，利用解析的方法求解支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較為困難，通常需要靠間接方法作位移反分析。而利用時(shí)間序列法、回歸分析法、灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等方法較為成熟，其中回歸分析的方法最簡(jiǎn)單，在早期計(jì)算機(jī)不發(fā)達(dá)的年代應(yīng)用廣泛。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、時(shí)間序列分析法等隨著現(xiàn)代計(jì)算資源的發(fā)展而有了飛快的進(jìn)步。

2 大型地下洞室開挖方法

主副廠房洞縱軸線方向?yàn)镹5 °E，與引水隧洞高壓管道軸線交角90 °。主副廠房洞、主變洞、尾水調(diào)壓室三大洞室平行布置，均采用圓拱直墻型斷面，主副廠房洞與主變洞的凈距為45.0 m，主變洞與尾水調(diào)壓室的凈距為42.0 m。主副廠房洞與主變洞之間布置有4條母線洞，同時(shí)廠房下游、主變洞下部布置有尾水洞。主變洞下游布置有出線洞，其中出線洞包含出線下平洞、出線豎井和出線上平洞。引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群各洞室尺寸見表1。

表1 引水發(fā)電系統(tǒng)各洞室規(guī)模匯總

鑒于前述分析，待建工程的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，開挖洞室又極大，施工組織非常困難，稍不注意，就會(huì)出現(xiàn)大變形甚至垮塌等不利后果。因此，需要預(yù)先研究能夠規(guī)避上述不良危害的開挖、爆破和支護(hù)等預(yù)控技術(shù)，以此確保圍巖穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)安全和人員不受傷害。限于文章篇幅有限僅說明主副廠房洞的開挖方法。主副廠房洞開挖尺寸為230 m×30 m(28 m)×75.57 m(長(zhǎng)×寬×高)，共分Ⅸ層開挖，目前主副廠房洞已全部開挖支護(hù)完畢。具體開挖分層分區(qū)見圖1所示。

圖1 主副廠房洞開挖分層示意(單位:mm)

(1)主廠房第Ⅰ層采用先中導(dǎo)洞開挖，后兩側(cè)擴(kuò)挖的方式。主副廠房洞中導(dǎo)洞于2016年4月6日開始開挖，2016年8月3日開挖完成；擴(kuò)挖于2016年7月16日開始，于2016年11月12日完成。

(2)廠房第Ⅱ～Ⅲ層采用中間拉槽，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層的開挖方式，其中Ⅱ-1和Ⅲ-1層采用一次性開挖爆破，Ⅲ-3和Ⅲ-5層采用一次性開挖爆破，開挖順序?yàn)椋?Ⅱ-1和Ⅲ-1)→(Ⅱ-2)→(Ⅲ-2)→(Ⅲ-3和Ⅲ-5)→(Ⅲ-4)→(Ⅲ-6)→(Ⅲ-7)→(Ⅲ-8)。第Ⅱ～Ⅲ層于2016年11月20日開始，2017年5月15日完工。

(3)第Ⅱ-1和Ⅲ-1層于2016年11月20日開始，于2016年12月10日完工；第Ⅱ-2層于2016年11月25日開始，于2016年12月25日完工；第Ⅲ-2層于2017年1月8日開始，于2017年3月17日完工；第Ⅲ-3和Ⅲ-5層于2017年1月18日開始，于2017年4月1日完工；第Ⅲ-4層于2017年3月1日開始，于2017年4月3日完工；第Ⅲ-6層于2015年3月7日開始，于2017年4月2日完工；第Ⅲ-7層于2017年3月23日開始， 2017年5月12日巖錨梁巖臺(tái)保護(hù)層(Ⅲ-7層)全部開挖完畢；第Ⅲ-8層于2017年5月開始，與2017年5月15日完工。

(4)2017年5月23日，主廠房巖壁吊車梁澆筑第一倉(cāng)混凝土，2017年8月6日，巖錨梁澆筑完畢。

(5)廠房第Ⅳ～Ⅶ層均采用中部拉槽，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層的開挖方式。第IV層于2017年8月11日開始，于2017年9月18日完工；第V層于2017年9月19日開始，于2017年10月31日完工；第VI于2017年11月5日開始，于2017年12月4日完工；第Ⅶ層于2017年12月7日開始，于2018年1月11日完工。

(6)廠房第Ⅷ～Ⅸ層(機(jī)窩)分導(dǎo)井、上游保護(hù)層、下游保護(hù)層、巖柱頂面保護(hù)層四序開挖，通過導(dǎo)井溜渣至基坑底部，并通過尾水?dāng)U散段出渣。1#機(jī)機(jī)窩于2018年1月20日開始，于2018年5月6日完工；2#機(jī)機(jī)窩于2018年3月17日開始，于2018年5月9日完工；3#機(jī)機(jī)窩于2018年3月28日開始，于2018年5月26日完工；4#機(jī)機(jī)窩于2018年4月6日開始，于2018年6月5日完工。

主副廠房洞現(xiàn)場(chǎng)施工面貌見圖2。

圖2 主副廠房洞現(xiàn)場(chǎng)施工

3 大型地下洞室支護(hù)方法

楊房溝水電站地下廠房規(guī)模較大，巖梁以上跨度30 m，開挖高度為75.7 m。

地下廠房軸線走向N5 °E，地面高程約2 220～2 350 m，洞頂高程2 022.50 m，上覆巖體厚度200～330 m。廠房圍巖巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，呈微風(fēng)化—新鮮狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度在80～100 MPa之間。廠區(qū)最大主應(yīng)力σ1值為12～15.48 MPa，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹61°W～N79°W，屬于中等地應(yīng)力區(qū)。

根據(jù)楊房溝地下廠房的規(guī)模和特點(diǎn)，支護(hù)設(shè)計(jì)遵循以下原則：

(1)遵循“根據(jù)工程特點(diǎn)，廣泛征求專家意見，以已建工程經(jīng)驗(yàn)和工程類比為主，巖體力學(xué)數(shù)值分析為輔”的設(shè)計(jì)原則。

(2)發(fā)揮圍巖本身的自承能力，遵循以“錨噴支護(hù)為主，鋼筋拱肋支護(hù)為輔；以系統(tǒng)支護(hù)為主，局部加強(qiáng)支護(hù)為輔，系統(tǒng)支護(hù)與隨機(jī)支護(hù)相結(jié)合”的設(shè)計(jì)原則。

(3)采取分層開挖，及時(shí)支護(hù)，力求體現(xiàn)噴錨支護(hù)靈活性的特點(diǎn)及圍巖局部破壞局部加固、整體加固的等強(qiáng)度支護(hù)原則。

(4)圍巖支護(hù)參數(shù)根據(jù)施工開挖期所揭露的實(shí)際地質(zhì)條件和圍巖監(jiān)測(cè)及反饋分析成果進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，即“動(dòng)態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)”的原則。

按照以上支護(hù)設(shè)計(jì)原則，并根據(jù)洞室開挖后揭示的地質(zhì)情況和監(jiān)測(cè)反饋信息，對(duì)地下廠房洞室群的支護(hù)進(jìn)行必要的調(diào)整，以滿足圍巖的穩(wěn)定要求。

4 地下洞室開挖施工動(dòng)態(tài)反饋技術(shù)

楊房溝水電站地下廠房洞室群位于中等地應(yīng)力區(qū)，巖石強(qiáng)度相對(duì)較高，也不存在規(guī)模較大的軟弱結(jié)構(gòu)面和斷層影響帶，這些基本的地質(zhì)條件決定了地下洞室群具備較好的整體穩(wěn)定特征。圍巖變形破壞的分布與地應(yīng)力分布規(guī)律密切相關(guān)，楊房溝水電站三大洞室軸線與最大主應(yīng)力方向呈大角度相交，受力條件相對(duì)不利，在一定程度上加劇了頂拱的應(yīng)力集中和邊墻的卸荷變形，同時(shí)邊墻發(fā)育的順洞向陡傾優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面也加劇了這種不利效應(yīng)，在地下洞室群開挖過程中，局部洞段也出現(xiàn)圍巖表層剝落、掉塊、坍塌與噴層開裂等現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)成果也揭示，部分區(qū)域的圍巖變形、錨桿錨索應(yīng)力、圍巖松弛深度及范圍偏大。

針對(duì)地下洞室施工過程中遇到的各類工程問題，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)開展了動(dòng)態(tài)反饋分析工作，從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬等多角度，分析各種工程問題產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的處理措施和建議，有針對(duì)性地實(shí)施了局部加強(qiáng)支護(hù)，包括適度加密系統(tǒng)錨桿和錨索、降低錨索鎖定噸位、對(duì)IV類圍巖采用較高密度的錨桿及預(yù)應(yīng)力錨索和鋼筋混凝土修補(bǔ)等處理措施，以提高巖體抗破壞能力，保障圍巖穩(wěn)定。

從目前的監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)和工程實(shí)踐情況來看，針對(duì)各類工程問題的動(dòng)態(tài)反饋分析論證是基本合理的，為洞室的及時(shí)支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全控制提供了科學(xué)依據(jù)；現(xiàn)場(chǎng)采取的處理措施總體是及時(shí)有效的，能盡可能的減小和避免了洞室不穩(wěn)定問題或施工安全問題的發(fā)生，使得洞室整體開挖支護(hù)順利完工，總體上實(shí)現(xiàn)了本項(xiàng)目中動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)反饋分析的研究目標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)復(fù)雜條件，提出了復(fù)雜條件下地下洞室合理分區(qū)開挖方法，并根據(jù)不同位置受力情況進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

(2)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)反饋結(jié)果表明，智能快速提出的洞室開挖、支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全控制等處理措施非常有效，最大程度減小和避免了洞室不穩(wěn)定問題或施工安全問題，使得洞室整體開挖支護(hù)順利完工。

(3)鑒于大型地下廠房等洞室大多處于山體及巖土條件均極復(fù)雜工程區(qū)域，因此仍然需要對(duì)在開挖施工過程中的圍巖與結(jié)構(gòu)等的應(yīng)力和變形等進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)其作出準(zhǔn)確分析，進(jìn)而提出合理控制方法及參數(shù)，以確保工程安全。