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(中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610072)
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?jiǎn)味词乙?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(chǎng)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(chǎng)區(qū)實(shí)測(cè)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(guó)內(nèi)已建和在建的大規(guī)模地下廠(chǎng)房中較為罕見(jiàn)。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(chǎng)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(jí)地下廠(chǎng)房,其實(shí)測(cè)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(chǎng)房布置時(shí),可以通過(guò)調(diào)整廠(chǎng)房軸線(xiàn),盡量減小廠(chǎng)房軸線(xiàn)與第一主應(yīng)力的夾角來(lái)降低高地應(yīng)力對(duì)洞室高邊墻的不利影響。然而,猴子巖地下廠(chǎng)房區(qū)域第二主應(yīng)力水平也比較高,高地應(yīng)力對(duì)洞室高邊墻的影響不能通過(guò)廠(chǎng)房軸線(xiàn)的調(diào)整來(lái)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(wèn)題非常突出,施工過(guò)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(chǎng)房洞室群開(kāi)挖施工和支護(hù)設(shè)計(jì)帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。
鑒于上述問(wèn)題,本文主要根據(jù)施工期洞室的位移監(jiān)測(cè)資料、支護(hù)力監(jiān)測(cè)資料、聲波檢測(cè)資料以及施工過(guò)程中出現(xiàn)的變形破壞現(xiàn)象,對(duì)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)。
猴子巖水電站地下廠(chǎng)房洞室群位于大渡河右岸,主要由主廠(chǎng)房、主變室、尾水調(diào)壓室3大洞室及其附屬洞室組成(見(jiàn)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(chǎng)房軸線(xiàn)N61°W,廠(chǎng)內(nèi)安裝4臺(tái)機(jī)組,總裝機(jī)容量1 700 MW。主廠(chǎng)房開(kāi)挖尺寸為219.5 m×29.2 m×68.7 m(長(zhǎng)×寬×高),主變室開(kāi)挖尺寸為139.0 m×18.8 m×25.2 m(長(zhǎng)×寬×高),尾水調(diào)壓室開(kāi)挖尺寸為140.5 m×23.5 m×75.0 m(長(zhǎng)×寬×高)。
圖1 猴子巖水電站地下廠(chǎng)房布置
地下廠(chǎng)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(wú)大型區(qū)域斷裂穿過(guò),主要發(fā)育一些次級(jí)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(lèi)別以Ⅲ類(lèi)為主,占88.5 %。次級(jí)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(duì)洞室穩(wěn)定影響最大的斷層位于主廠(chǎng)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(jiàn)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(kāi)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(chǎng)房縱軸線(xiàn)夾角約30°(見(jiàn)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(chǎng)房下游側(cè)斷層分布
圖3 主廠(chǎng)房、主變室裂隙密集帶分布
地下廠(chǎng)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(cè)應(yīng)力值最大的測(cè)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(chǎng)房軸線(xiàn)方向與σ1小夾角相交,σ2方向與洞軸線(xiàn)大角度相交。實(shí)測(cè)地應(yīng)力方位角與廠(chǎng)軸線(xiàn)、巖層走向關(guān)系見(jiàn)圖4。
圖4 地應(yīng)力水平投影方位角與廠(chǎng)軸線(xiàn)、巖層走向關(guān)系
地下廠(chǎng)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(chǎng)房圍巖物理力學(xué)參數(shù)值見(jiàn)表1。
表1 地下廠(chǎng)房圍巖物理力學(xué)參數(shù)值
猴子巖水電站地下主廠(chǎng)房分9層開(kāi)挖;第1層開(kāi)挖高度為13.5 m,第2—5層開(kāi)挖高度為8.0 m,第6層開(kāi)挖高度為5.0 m,第7—9層為機(jī)窩,開(kāi)挖總高度為18.2 m。
尾水調(diào)壓室分8層開(kāi)挖,除第1層開(kāi)挖高度為10.3 m,第2—8層開(kāi)挖高度約為6.5 m。 地下廠(chǎng)房共設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面:廠(chǎng)橫0-014.80斷面(安裝間)、廠(chǎng)橫0+018.80斷面(1#機(jī)中心)、廠(chǎng)橫0+053.10斷面(2#機(jī)中心)、廠(chǎng)橫0+083.80斷面(3#機(jī)中心)、廠(chǎng)橫0+6.30斷面(4#機(jī)中心)、廠(chǎng)橫0+153.81斷面(副廠(chǎng)房)。監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有多點(diǎn)位移計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)及錨桿應(yīng)力計(jì)。開(kāi)挖分層及監(jiān)測(cè)設(shè)備布置見(jiàn)圖5。
圖5 廠(chǎng)房開(kāi)挖程序及監(jiān)測(cè)設(shè)備布置Fig.5 Excavation steps and layout of monitoring instruments
猴子巖水電站地下廠(chǎng)房洞室群在施工開(kāi)挖過(guò)程中,圍巖主要變形破壞現(xiàn)象歸納如下。
破壞一般在開(kāi)挖后的2 h左右開(kāi)始,貫穿整個(gè)開(kāi)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(guò)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(guò)程具有時(shí)效性;支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性好,破壞相對(duì)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(jiàn)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(duì)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(guò)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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)展,圍巖變形在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不收斂,對(duì)圍巖及支護(hù)系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全性產(chǎn)生影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),噴錨支護(hù)后,主廠(chǎng)房邊墻噴混凝土裂縫開(kāi)度大于0.2 cm的超過(guò)100條,最長(zhǎng)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
位移監(jiān)測(cè)資料顯示,地下廠(chǎng)房洞室群在開(kāi)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(chǎng)房開(kāi)挖完成后,圍巖表面測(cè)點(diǎn)位移大于50 mm的測(cè)點(diǎn)約占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的17 %,最大變形達(dá)158 mm(位于主廠(chǎng)房下游側(cè),見(jiàn)圖7),主廠(chǎng)房第Ⅳ層開(kāi)挖后該測(cè)點(diǎn)變形量已達(dá)到120 mm,遠(yuǎn)大于國(guó)內(nèi)同等規(guī)模、相似地質(zhì)條件的地下廠(chǎng)房同期開(kāi)挖變形量(錦屏一級(jí)水電站地下廠(chǎng)房位移變形大于50 mm的測(cè)點(diǎn)數(shù)占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的11 %),極為罕見(jiàn)[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(chǎng)房典型聲波測(cè)試曲線(xiàn)及鉆孔全景圖像見(jiàn)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(chǎng)橫0+051.30斷面主廠(chǎng)房下游邊墻▽1 706.5 m處測(cè)點(diǎn)位移過(guò)程線(xiàn)
圖8 主廠(chǎng)房下游邊墻▽1 711 m長(zhǎng)觀(guān)聲波不同時(shí)間的測(cè)試曲線(xiàn)
圖9 主廠(chǎng)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(guò)10 mm/d。圍巖變形發(fā)展過(guò)程基本呈“臺(tái)階式”增長(zhǎng),但受施工開(kāi)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(duì)變形發(fā)展影響至關(guān)重要。支護(hù)及時(shí),每級(jí)增長(zhǎng)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(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖10(a);支護(hù)延遲,變形過(guò)程線(xiàn)無(wú)顯著的變形突變階段,且變形收斂趨勢(shì)不明顯,甚至不收斂,整個(gè)變形過(guò)程線(xiàn)基本保持一個(gè)變化速率。典型辨別過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖10(b)。
圖10 典型變形監(jiān)測(cè)過(guò)程線(xiàn)
根據(jù)監(jiān)測(cè)資料,施工開(kāi)挖期淺層錨固系統(tǒng)(錨桿)及深層錨固系統(tǒng)(錨索)實(shí)測(cè)應(yīng)力水平大多較高。錨固系統(tǒng)應(yīng)力測(cè)值與圍巖淺表測(cè)點(diǎn)位移基本對(duì)應(yīng),位移量較大的部位,錨固系統(tǒng)相應(yīng)的應(yīng)力測(cè)值也較大(見(jiàn)圖11)。主廠(chǎng)房Ⅳ層開(kāi)挖前,錨桿應(yīng)力平均增長(zhǎng)率相對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)。至主洞室全部開(kāi)挖結(jié)束,主廠(chǎng)房錨桿應(yīng)力測(cè)值超過(guò)200 MPa的約占16 %,其中,應(yīng)力超過(guò)儀器量程的約占11 %;主廠(chǎng)房錨索應(yīng)力測(cè)值超過(guò)鎖定值30 %的約占49 %,其中,應(yīng)力超過(guò)設(shè)計(jì)荷載值的占22 %。
圖11 廠(chǎng)房錨索測(cè)力計(jì)應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)
洞室開(kāi)挖后圍巖破壞過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的二次應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整過(guò)程,是洞室的工程地質(zhì)條件、規(guī)模和結(jié)構(gòu)、開(kāi)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(kāi)挖后,圍巖應(yīng)力重新分布,洞室邊墻同時(shí)受到開(kāi)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(kāi)始產(chǎn)生微裂紋,洞室開(kāi)挖過(guò)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(guān)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(guò)程示意見(jiàn)圖12。
圖12 邊墻破壞形成示意圖
高地應(yīng)力條件下,對(duì)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(wèn)題更為突出,因此,該類(lèi)地下洞室布置時(shí)通常遵循“洞室軸線(xiàn)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(chǎng)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(duì)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(duì)高邊墻的影響難以規(guī)避,應(yīng)力越高,開(kāi)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(guò)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(chǎng)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(xiàn)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。
分析猴子巖水電站高第二主應(yīng)力條件下地下廠(chǎng)房洞室群地質(zhì)、監(jiān)測(cè)及檢測(cè)資料,與國(guó)內(nèi)一些條件相似的已建工程進(jìn)行對(duì)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(guó)內(nèi)其他已建和在建工程中極為少見(jiàn),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(kāi)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)。
洞室開(kāi)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(kāi)挖后,通過(guò)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)。
高第二主應(yīng)力條件下邊墻的穩(wěn)定性問(wèn)題比較突出,猴子巖水電站地下廠(chǎng)房洞室群邊墻的變形、應(yīng)力監(jiān)測(cè)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(guò)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。
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(duì)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(wèn)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(zhǎng)度等參數(shù)也有差異。
(1)猴子巖水電站地下廠(chǎng)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(kāi)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(zhǎng);②圍巖在施工開(kāi)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(kāi)挖后的圍巖破壞過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的二次應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整過(guò)程,是洞室的工程地質(zhì)條件、規(guī)模和結(jié)構(gòu)、開(kāi)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(guò)調(diào)整洞室軸線(xiàn)來(lái)規(guī)避,應(yīng)力越高,開(kāi)挖前巖體積累的壓縮變形能越大,開(kāi)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(kāi)挖卸荷及二次應(yīng)力調(diào)整和變形過(guò)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(duì)性地布置支護(hù)措施。
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