楊靜熙 劉忠緒 黃書嶺

YANG Jingxi① LIU Zhongxu① HUANG Shuling②

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高地應(yīng)力條件下錦屏一級(jí)主廠房圍巖松弛深度形成規(guī)律和支護(hù)時(shí)機(jī)研究*

楊靜熙①劉忠緒①黃書嶺②

近年來我國西部已建成發(fā)電或正在建設(shè)的一批大型、特大型水電工程，其地下洞室群多處于高山峽谷地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力較高。受高地應(yīng)力影響，施工期洞室群圍巖易出現(xiàn)不同程度的變形破壞，并常常導(dǎo)致超常規(guī)深度的圍巖松弛。本文結(jié)合錦屏一級(jí)水電站主廠房圍巖松弛長期物探檢測(cè)成果，系統(tǒng)分析了圍巖松弛深度的形成、發(fā)展和演化趨勢(shì)，再采用數(shù)值分析手段，通過圍巖位移、塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)來研究最佳支護(hù)時(shí)機(jī)，研究表明：高地應(yīng)力地區(qū)廠房軸線宜盡量與最大主應(yīng)力σ1方向平行，能有效減小時(shí)效變形導(dǎo)致的不同部位不同程度的圍巖松弛； 洞室分層開挖時(shí)，圍巖松弛深度的80%在本層開挖后間隔2～3層時(shí)形成； 相比開挖后滯后支護(hù)，及時(shí)支護(hù)圍巖位移量、塑性區(qū)明顯較小，因此及時(shí)支護(hù)為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。研究成果對(duì)高地應(yīng)力條件下大型地下洞室軸線選擇、支護(hù)設(shè)計(jì)、支護(hù)時(shí)機(jī)選擇具有參考意義。

錦屏一級(jí)水電站 高地應(yīng)力 地下洞室 松弛深度 支護(hù)時(shí)機(jī)

YANG Jingxi①LIU Zhongxu①HUANG Shuling②

0 引 言

以雅礱江錦屏一級(jí)、大渡河猴子巖為代表的中國西部水電工程，其主廠房地質(zhì)條件都很復(fù)雜，洞室群受高-極高應(yīng)力、相對(duì)較低的巖石強(qiáng)度等因素的影響，施工期廠區(qū)洞室群圍巖均出現(xiàn)了不同程度的變形破壞現(xiàn)象。如雅礱江錦屏一級(jí)、大渡河猴子巖水電站在開挖期主廠房、主變室上下游拱座、邊墻甚至端墻淺表部圍巖都出現(xiàn)了高應(yīng)力引起的破壞，系統(tǒng)支護(hù)后仍然隨時(shí)間向深部發(fā)展，最終導(dǎo)致邊墻圍巖形成深度一般8～12m，最大深度17～19m的卸荷松弛區(qū)。再如雅礱江官地水電站施工期主廠房上游邊墻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示出現(xiàn)了累計(jì)位移50mm以上的大變形，而且上游邊墻沿錨梁部位和3#壓力管道下平段內(nèi)混凝土噴層發(fā)現(xiàn)多處裂縫，在廠房三大洞室邊墻均形成了深度不等的卸荷松弛區(qū)。

針對(duì)高地應(yīng)力條件下洞室群圍巖變形破壞，眾多文獻(xiàn)對(duì)其成因機(jī)理進(jìn)行了研究(李仲奎等， 2009； 盧波等， 2010； 謝國權(quán)等， 2010； 陳長江等， 2011； 豐明海等， 2014； 朱建業(yè)， 2014)。研究都認(rèn)為高地應(yīng)力條件下洞室圍巖變形破壞呈現(xiàn)出明顯的松弛深度隨下挖、時(shí)間持續(xù)而逐漸增大的時(shí)效變形特征，并對(duì)其進(jìn)行了研究(楊林德等， 2005； 魏進(jìn)兵等， 2010； 程麗娟等， 2011)，并提出了加固措施(周鐘等， 2009； 侯東奇等， 2012； 張勇等， 2012)。也有文獻(xiàn)根據(jù)聲波曲線形狀對(duì)圍巖卸荷松弛特征進(jìn)行了研究(He et al.，2014)，有文獻(xiàn)利用圍巖大量聲波波速-深度曲線及其擬合曲線對(duì)開挖后的圍巖松弛現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)價(jià)(張建海等， 2011)，有文獻(xiàn)對(duì)圍巖松弛的時(shí)間效應(yīng)從物探檢測(cè)資料進(jìn)行了分析(廖偉等， 2011)，還有文獻(xiàn)根據(jù)隧道圍巖變形速率劃分變形階段來對(duì)圍巖變形的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行分析(孫元春等， 2008)。這些文獻(xiàn)中針對(duì)開挖爆破松弛和卸荷松弛的時(shí)效變形問題進(jìn)行了研究，但都未進(jìn)行系統(tǒng)的卸荷松弛的長期檢測(cè)分析，都沒有涉及到圍巖變形及松弛形成時(shí)間、形成規(guī)律的研究，都未涉及到支護(hù)時(shí)機(jī)選擇的研究。

本文意在針對(duì)目前國內(nèi)水電工程地下廠房圍巖松弛區(qū)檢測(cè)和研究中存在的問題，依托錦屏一級(jí)地下廠區(qū)施工期進(jìn)行的圍巖松弛區(qū)系統(tǒng)的鉆孔聲波和全景圖像長期檢測(cè)成果，在對(duì)不同開挖層圍巖松弛深度劃分確定后，從多角度分析主廠房頂拱和上下游邊墻不同部位圍巖松弛區(qū)深度的形成、發(fā)展、演化過程，探索圍巖松弛特征及其深度形成規(guī)律。再采用數(shù)字分析手段，通過對(duì)不同支護(hù)時(shí)間圍巖位移、塑性區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)的模擬分析，來研究最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。最終總結(jié)出高地應(yīng)力區(qū)洞室圍巖松弛形成規(guī)律，為類似工程地下洞室圍巖的最佳支護(hù)時(shí)機(jī)決策提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況和主廠房開挖分層完成情況

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山州鹽源縣與木里縣境內(nèi)，總裝機(jī)容量360萬千瓦。地下廠房位于大壩下游右岸山體內(nèi)，水平埋深110～300m，垂直埋深180～350m，主廠房軸線N65°W。洞室置于三疊系中上統(tǒng)雜谷腦組大理巖內(nèi)，巖石強(qiáng)度60～75MPa，實(shí)測(cè)初始最大主應(yīng)力一般20～30MPa，最高35.7MPa，方向平均為N48.7°W。受高-極高地應(yīng)力、較低的巖石強(qiáng)度影響，主廠房在開挖支護(hù)過程中圍巖發(fā)生了強(qiáng)烈的高地應(yīng)力變形破壞，最終導(dǎo)致圍巖松弛深度、范圍遠(yuǎn)較一般工程大。

表1 錦屏一級(jí)主廠房開挖分層支護(hù)完成時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

Table1 Finishing times of excavation of each layer in main powerhouse of Jinping I hydropower station

開挖層開挖時(shí)間系統(tǒng)淺層支護(hù)系統(tǒng)深層支護(hù)分層高程/m物探檢測(cè)高程/m支護(hù)時(shí)機(jī)支護(hù)時(shí)間支護(hù)時(shí)機(jī)支護(hù)時(shí)間第Ⅰ層07.08前與開挖隨層跟進(jìn)07.8前——1664.801670、1665第Ⅱ?qū)?7.08～07.10隨層跟進(jìn)07.08～07.10滯后開挖一層07.11～07.121661.751657第Ⅲ層07.11～08.04隨層跟進(jìn)07.11～08.04滯后開挖一層08.05～08.071654.531657第Ⅳ層08.05～08.07隨層跟進(jìn)08.05～08.07滯后開挖一層08.08～08.101649.731649第Ⅴ層08.08～08.10隨層跟進(jìn)08.08～08.10滯后開挖一層08.10～08.121643.501649第Ⅵ層09.01～09.02隨層跟進(jìn)09.01～09.02滯后開挖一層09.03～09.051639.501641第Ⅶ層09.03～09.05隨層跟進(jìn)09.03～09.05滯后開挖一層09.06～09.081633.901634第Ⅷ層09.10～09.11隨層跟進(jìn)09.10～09.11滯后開挖一層09.11～09.121629.00第Ⅸ層09.11～09.12隨層跟進(jìn)09.11～09.12滯后開挖一層10.01～10.021625.80第Ⅹ層10.01～10.02隨層跟進(jìn)10.01～10.02滯后開挖一層10.03～10.041615.95第Ⅺ層10.03～10.04隨層跟進(jìn)10.03～10.04滯后開挖一層10.05～10.061604.80

主廠房開挖尺寸長276.99m、跨度25.60～28.90m、高度68.80m。圖1 為主廠房66.8m高度的共11個(gè)開挖分層(臺(tái)階)，其中高程1625.80m以上為大跨度開挖，開挖時(shí)間為2007年初至2009年5月，高程1625.80m以下為蝸殼、發(fā)電機(jī)層開挖，開挖時(shí)間為2009年10月至2010年4月。表1為各開挖層淺層、深層支護(hù)完成時(shí)間，采用的都是常規(guī)的淺層支護(hù)隨層完成、深層支護(hù)滯后開挖一層完成的及時(shí)支護(hù)。

圖1 錦屏一級(jí)主廠房開挖分層圖

2 圍巖松弛檢測(cè)布置

圖2為主廠房施工期對(duì)圍巖松弛區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)物探長期檢測(cè)的斷面布置，其中主機(jī)間為①-①到⑥-⑥ 6個(gè)斷面，安裝間為⑦-⑦斷面，副廠房為⑧-⑧斷面； 每斷面上下游邊墻共布置檢測(cè)孔6個(gè)，典型斷面布置(圖3)。檢測(cè)孔所在1665m、1657m、1649m、1641m、1634m高程分屬開挖層的Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ層。

圖2 主廠房圍巖松弛區(qū)物探長期檢測(cè)斷面布置示意圖

圖3 主廠房圍巖松弛區(qū)物探長期檢測(cè)孔布置典型斷面示意圖

長期檢測(cè)項(xiàng)目為鉆孔聲波和全景圖像。檢測(cè)時(shí)間要求為開挖后前3月每月測(cè)試1次， 3個(gè)月后每季度測(cè)試1次， 1年后每半年測(cè)試一次； 當(dāng)觀測(cè)部位附近有大爆破時(shí)，應(yīng)加密觀測(cè)一次。

實(shí)際檢測(cè)工作按每一層的開挖支護(hù)臺(tái)階進(jìn)行，在2009年12月開始第Ⅸ層開挖后長期檢測(cè)工作即停止。截止于2009年10月最后一次檢測(cè)，各斷面、各高程檢測(cè)孔完成的檢測(cè)次數(shù)不等，其中1657m高程5次、1649m和1665m高程各4次， 1641m高程2次，上游1634m高程1次，下游1634m高程和上下游1625m高程沒有進(jìn)行檢測(cè)。受現(xiàn)場(chǎng)施工條件影響不同臺(tái)階都有個(gè)別鉆孔未能完成檢測(cè)。

3 圍巖松弛分帶標(biāo)準(zhǔn)與松弛區(qū)劃分

錦屏一級(jí)主廠房圍巖中根據(jù)鉆孔聲波曲線趨勢(shì)及衰減率、全景圖像中新生張開裂隙的條數(shù)、間距及其張開寬度對(duì)每個(gè)檢測(cè)孔在每一個(gè)開挖層的松弛區(qū)進(jìn)行判別、劃分，劃分了強(qiáng)、弱兩個(gè)松弛區(qū)，典型聲波及全景圖像松弛區(qū)分區(qū)(圖4，圖5)。圖5 中原有巖體新鮮完整，裂隙不發(fā)育，且嵌合緊密，照片中所見張開裂隙均為開挖后巖體松弛新生裂縫。本文只針對(duì)松弛區(qū)最終深度進(jìn)行研究，圍巖強(qiáng)、弱松弛區(qū)的具體劃分標(biāo)準(zhǔn)、方法不是本文的研究范圍。

分析、整理主廠房上下游5個(gè)高程近70個(gè)鉆孔的各次檢測(cè)成果得到不同開挖層圍巖的松弛深度成果和最終松弛深度成果，依據(jù)最終松弛深度成果繪制的主廠房主機(jī)間上下游邊墻的圍巖最終松弛深度等值線立面圖(圖6，圖7)。

從圖6和圖7中可以看出：下游邊墻圍巖松弛深度總體都在9m以上，上游邊墻則9m以上和以下約各占一半； 下游邊墻及拱座在樁號(hào)0+070～0+180段高程約1657m以上有一松弛深度大于15m的連續(xù)帶，最深為樁號(hào)0+045高程約1650m處的19m； 上游邊墻中下部與1～4#壓力管道交叉部位圍巖松弛深度普遍在12m以上，其中1#壓力管道靠山內(nèi)側(cè)約1640m高程處最大達(dá)16.2m。上下游邊墻圍巖松弛深度的這種不對(duì)稱分布格局，與主廠房軸線方向N65°W和最大主應(yīng)力σ1平均方向N48.7°W的小角度相交，但略偏向下游邊墻密切相關(guān)。

圖4 圍巖松弛區(qū)劃分典型聲波曲線示意圖

圖5 圍巖松弛區(qū)劃分典型鉆孔全景圖像示意圖

圖6 主廠房上游邊墻圍巖最終松弛深度等值線立面圖

圖7 主廠房下游邊墻圍巖最終松弛深度等值線立面圖

4 圍巖松弛深度形成時(shí)間規(guī)律的研究

4.1 爆破松弛深度與松弛總深度的關(guān)系

主廠房上游5排、下游4排檢測(cè)孔中上下游1665m、1649m兩個(gè)高程共4排孔在本層開挖完成后7～10d內(nèi)完成了檢測(cè)，時(shí)間間隔相對(duì)較短，其測(cè)得松弛深度可視作爆破松弛深度。

圖8為爆破松弛深度及其占最終松弛總深度比例圖。兩個(gè)高程比較， 1649m高程排爆破松弛深度一般4～8m、最大達(dá)9m，遠(yuǎn)大于1665m高程排的1～2m和3.8m； 同一高程比較，上游1665m高程排的爆破松弛深度一般0.6～2m與下游1665m高程排的一般1.0～3.8m相當(dāng)，但上游1665m高程排爆破松弛深度占最終松弛總深度比例為33.3%～100%，遠(yuǎn)大于下游1665m高程排的7.7%～54.3%。說明上下游邊墻1649m高程和頂拱上游部位圍巖爆破松弛影響較大、而時(shí)效變形影響相對(duì)較小，頂拱下游側(cè)部位圍巖爆破松弛影響較小、而時(shí)效變形影響更大。

圖8 主廠房各開挖層圍巖爆破松弛深度統(tǒng)計(jì)圖

4.2 單個(gè)鉆孔檢測(cè)成果的分析研究

以2#、5#機(jī)斷面為例，圖9 為主廠房主機(jī)間上下游1665m、1657m、1649m、1641m和1634m 5個(gè)高程開挖層7個(gè)斷面共48個(gè)檢測(cè)孔確定的各個(gè)開挖層松弛深度發(fā)展趨勢(shì)圖。

圖9 主廠房上下游邊墻圍巖松弛深度發(fā)展趨勢(shì)圖

圖10 上游邊墻5個(gè)高程排松弛深度發(fā)展趨勢(shì)圖

圖11 下游邊墻4個(gè)高程排松弛深度發(fā)展趨勢(shì)圖

表2 主廠房上下游邊墻圍巖松弛深度發(fā)展趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)表

Table2 Statistics of relaxation depth at the upstream and downstream walls of main powerhouse

間隔層數(shù)總排數(shù)80%深度孔100%深度孔備注孔數(shù)占本層比例孔數(shù)占本層比例本層開挖19(上游9下游10)3(上游3)15.8%2(上游2)10.5%80%深度孔是指松弛深度達(dá)到最終深度的80%以上;100%深度孔是指達(dá)到最終深度的100%間隔1層36(上游21下游15)24(上游15下游9)66.7%16(上游12下游4)44.4%間隔2層30(上游19下游11)27(上游16下游11)90.0%24(上游13下游11)80.0%間隔3層21(上游10下游11)20(上游10下游10)95.2%19(上游9下游10)90.5%間隔4層7(上游6下游1)7100%7100%間隔5層15(上游10下游5)15(上游10下游5)100%13(上游8下游5)86.7%間隔6層9(上游6下游3)8(上游5下游3)88.9%6(上游4下游2)66.7%間隔7層11(上游6下游5)11100%11100%

圖12 主廠房高程1657m圍巖松弛范圍變化趨勢(shì)平切面圖

圖13 主廠房2#機(jī)組斷面不同支護(hù)時(shí)機(jī)下圍巖位移變化等色圖

從圖10和圖9各部位圍巖松弛圈發(fā)展趨勢(shì)可知：(1)上游2#機(jī)斷面在第Ⅶ層開挖時(shí)大部分孔的松弛深度已達(dá)最終深度的87.5%以上，此時(shí)1665m、1657m、1649m 3個(gè)高程分別距本層開挖間隔5層、3層、1層； 5#機(jī)斷面則在第Ⅴ層開挖時(shí)所有孔深度都達(dá)到最終深度的80%以上； 上游1641m、1634m兩個(gè)高程所有孔均在本層開挖后間隔1層即達(dá)到100%； (2)下游2#機(jī)斷面1665m、1657m高程所有孔的松弛深度均在第Ⅵ、Ⅶ層開挖達(dá)到100%，此時(shí)距本層開挖已間隔5層以上； 1649m、1641m兩個(gè)高程均在本層開挖后間隔1～2層達(dá)到100%。從上述成果中可以得到兩個(gè)認(rèn)識(shí)：(1)上下游邊墻1641m高程以下均在本層開挖后間隔1、2層達(dá)到最終深度，說明低高程圍巖時(shí)效變形不明顯，圍巖松弛以爆破松弛為主； (2)上下游1657m高程以上，由于本層開挖與第二次檢測(cè)之間間隔較多，在第二次檢測(cè)時(shí)大多達(dá)到了100%，暫無法判斷主要松弛深度的形成時(shí)間。

表2為不分高程而按間隔層次對(duì)圍巖松弛深度發(fā)展趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)成果。本層開挖中19孔僅分別有3孔、2孔的松弛深度達(dá)到最終深度的80%以上和100%，孔數(shù)占本層總數(shù)的15.8%和10.5%； 間隔1層時(shí)36孔中分別有24孔、16孔達(dá)到80%以上和100%，孔數(shù)占比66.7%和44.4%； 間隔2層時(shí)30孔中分別有27孔、24孔達(dá)到80%以上和100%，孔數(shù)占比90.0%和80.0%； 間隔3層以后達(dá)到80%以上和100%的孔數(shù)比例除個(gè)別間隔層偏低外總體是上升的，至間隔7層全部達(dá)到100%。

4.3 按高程分排鉆孔成果的分析研究

圖10是上游邊墻1665m、1657m、1649m、1641m和1634m 5個(gè)高程分排的本層開挖和間隔層次松弛深度發(fā)展的趨勢(shì)圖。

圖11是下游邊墻1665m、1657m、1649m和1641m 4個(gè)高程分排的本層開挖和間隔層次松弛深度發(fā)展的趨勢(shì)圖。

從圖10和圖11中有幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：(1)上下游1657m高程以上的頂拱及拱座，上游雖間隔7層才全部達(dá)到最終深度的100%，但最終深度一般都小于5.0m，說明受爆破、卸荷的影響都較小； 而下游相同部位在間隔5層時(shí)除1孔外都達(dá)到最終深度的100%， 5～13m的總松弛深度中本層開挖的爆破松弛深度均在3.8m以下，說明受時(shí)效變形控制的卸荷松弛影響更明顯； (2)上下游中高程1649m在間隔2層大部分孔、間隔3層全部孔達(dá)到最終深度的100%，且最終深度中本層開挖的爆破松弛深度占比25%～50%，說明爆破和卸荷的影響程度差不多，但時(shí)效變形較強(qiáng)； 整個(gè)主廠房最大松弛深度19m即出現(xiàn)在這個(gè)高程的下游邊墻0+061孔處； (3)與單個(gè)鉆孔的總體分析結(jié)論一致，上下游1641m高程以下，到間隔1～2層時(shí)即全部達(dá)到最終深度的100%，說明受爆破的影響明顯，而時(shí)效變形控制的卸荷松弛影響不明顯。主廠房表現(xiàn)出的頂拱、上下游邊墻不同部位圍巖松弛深度受時(shí)效變形影響程度不同的特點(diǎn)，與錦屏一級(jí)主廠房軸線和最大主應(yīng)力方向的夾角有關(guān)，主廠房軸線N65°W與最大主應(yīng)力平均方向N48.7°W小角度相交、略偏向下游，即上游邊墻指向開挖洞內(nèi)、下游邊墻指向邊墻以內(nèi)巖墻。

4.4 松弛深度發(fā)展變形總體趨勢(shì)

以前一節(jié)按高程分排統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，不分上下游與高、中、低高程，而是按本層開挖、間隔層次統(tǒng)計(jì)不同間隔層次每一排(高程)中松弛深度達(dá)到最終深度80%以上和100%的孔數(shù)及比例(表3)。從表3中可以看出，本層開挖時(shí)松弛深度沒有達(dá)到最終深度80%以上的檢測(cè)孔； 間隔1層時(shí)有4排和2排，占比為57.1%和28.6%； 間隔2層時(shí)松弛深度達(dá)到80%以上的排數(shù)已達(dá)100%，而松弛深度達(dá)到100%的排數(shù)達(dá)4排占80%； 間隔3層以后的各層排數(shù)都全部達(dá)到100%。由此得到一個(gè)認(rèn)識(shí)：主廠房圍巖松弛區(qū)主要深度在本層開挖后間隔2層即基本形成，間隔3層以后絕大部分松弛區(qū)沒有再持續(xù)擴(kuò)展。

以主廠房1657m高程為例，圖12 為圍巖松弛范圍變化趨勢(shì)：滯后1層時(shí)，上下游邊墻圍巖松弛深度相差不多，其中上游邊墻3.2～6.8m占總深度33.3%～76.9%，下游邊墻3.0～6.2m占總深度26.7%～36.6%； 滯后2層檢測(cè)時(shí)除個(gè)別部位有部分未達(dá)到最終深度外，大多數(shù)部位都基本達(dá)到最終松弛深度，其中上游邊墻7.4～10m到達(dá)總深度的87.7%～100%，下游邊墻6.8～17m占總深度88%～100%。

5 支護(hù)時(shí)機(jī)及效果評(píng)價(jià)

5.1 支護(hù)時(shí)機(jī)

現(xiàn)代地下洞室圍巖支護(hù)理論認(rèn)為在確保圍巖不發(fā)生危害性變形的前提下，允許和應(yīng)該讓圍巖先發(fā)生一些變形，這樣就能最大限度地發(fā)揮圍巖的自承載能力，從而能節(jié)省一部分支護(hù)工程量。圍巖的允許變形到什么時(shí)間適合就涉及到支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇、確定。

圖14 主廠房不同部位不同支護(hù)時(shí)機(jī)下圍巖位移量變化趨勢(shì)圖

圖15 主廠房支護(hù)時(shí)機(jī)方案1、2與方案3比較位移減量趨勢(shì)圖

表3 主廠房上下游邊墻按高程分排圍巖松弛區(qū)深度發(fā)展趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)表

Table3 Statistics of relaxation depth at different elevations at the upstream and downstream walls

間隔層數(shù)總排數(shù)80%孔與80%深度80%孔100%深度備注排數(shù)占本層比例排數(shù)占本層比例本層開挖4(上游2下游2)000080%孔80%深度是指每排有80%孔松弛深度達(dá)到最終深度的80%以上;100%深度是指達(dá)到最終深度的100%間隔1層7(上游4下游3)4(上游3下游1)57.1%2(上游2)28.6%間隔2層5(上游3下游2)5100%4(上下游各2)80%間隔3層4(上游2下游2)4100%4100%間隔4層2(上游1下游1)2100%2100%間隔5層4(上游2下游2)4100%4100%間隔6層2(上游1下游1)2100%2100%間隔7層2(上游1下游1)2100%2100%

前面對(duì)圍巖卸荷松弛的發(fā)展過程的分析表明，高地應(yīng)力條件下主廠房上、下游邊墻圍巖松弛深度主要形成于開挖后下續(xù)第2、3層開挖支護(hù)期，為確保圍巖穩(wěn)定，開挖層的支護(hù)最好在間隔2層前完成。

本節(jié)借助數(shù)值分析手段，從圍巖位移、塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)來分析、研究不同支護(hù)時(shí)機(jī)的影響，為高地應(yīng)力條件下大型地下洞室群圍巖支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇提供合理化的參考依據(jù)。數(shù)值分析時(shí)擬定3個(gè)支護(hù)方案：方案1及時(shí)支護(hù)為錨桿隨層、錨索滯后1層，為一般地下洞室圍巖支護(hù)采用的常規(guī)方案； 方案2為錨桿滯后1層、錨索滯后2層； 方案3為錨桿滯后2層、錨索滯后3層。數(shù)值分析表明，及時(shí)支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性更有利。

圖16 主廠房2#機(jī)組斷面不同支護(hù)時(shí)機(jī)下圍巖塑性區(qū)變化圖

圖13為以2#機(jī)組斷面為例的不同支護(hù)時(shí)機(jī)下圍巖位移變化等色圖，圖14 為主廠房不同部位在不同支護(hù)時(shí)機(jī)下的位移量統(tǒng)計(jì)圖，圖15 是方案1、2圍巖位移與方案3的比較圖。方案1及時(shí)支護(hù)后主廠房圍巖位移值一般為31～60mm，方案3錨桿滯后2層+錨索滯后3層圍巖位移值一般為32～63mm，與方案3相比，方案2圍巖位移減小幅度為1.8%～3.0%，方案1圍巖位移減小幅度為3.5%～6.0%。

圖16為以2#機(jī)組斷面為例的不同支護(hù)時(shí)機(jī)下圍巖塑性區(qū)變化圖，圖17 為主廠房不同支護(hù)時(shí)機(jī)下的塑性區(qū)體積統(tǒng)計(jì)圖。隨著支護(hù)滯后，塑性區(qū)體積隨之增加，其中方案3主廠房塑性區(qū)體積約為42.9×104m3，與其相比，方案2圍巖塑性區(qū)體積為42.5×104m3、減小幅度為0.9%，方案1圍巖塑性區(qū)體積為41.3×104m3、減小幅度為3.7%。

圖17 主廠房2#機(jī)組斷面不同支護(hù)時(shí)機(jī)下圍巖塑性區(qū)體積變化趨勢(shì)圖

5.2 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

2009年10月主廠房蝸殼、發(fā)電機(jī)層開挖，同年11月底主廠房Ⅷ層以上支護(hù)完成。在此之后，對(duì)主廠房樁號(hào)0+126.8m斷面下游拱腳EL1670、下游巖錨梁EL1659部位的多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)成果表明，自2009年底以來，如圖18a、18b所示洞室圍巖位移監(jiān)測(cè)曲線已收斂，表明支護(hù)完成以來洞室圍巖處于持續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖18 主廠房下游邊墻縱0+126.8m位移計(jì)監(jiān)測(cè)位移歷時(shí)曲線

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

本文通過對(duì)錦屏一級(jí)主廠房圍巖松弛長期檢測(cè)成果的分析，初步探討了高地應(yīng)力條件下洞室圍巖松弛區(qū)深度形成、發(fā)展、演化趨勢(shì)，研究了圍巖松弛特征及其形成時(shí)間、形成規(guī)律，為類似工程洞室圍巖支護(hù)時(shí)機(jī)的選擇、確定提供了一定參考經(jīng)驗(yàn)。通過分析、總結(jié)，有以下幾點(diǎn)結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

(1)高地應(yīng)力條件下洞室不同部位松弛特征不同，頂拱上游側(cè)-拱座和下游側(cè)邊墻下部，圍巖受爆破、卸荷的影響都較小，其中爆破松弛深度一般僅3～5m，最終總深度5～8m； 頂拱下游側(cè)—下游邊墻中上部和上游邊墻中下部，圍巖受爆破的影響較小，爆破松弛深度一般1～5m不等，約占總深度的10%～50%，而受時(shí)效變形控制的卸荷松弛較大，最終松弛深度達(dá)15～20m。這種圍巖松弛受時(shí)效變形影響程度不同而不同的特點(diǎn)，與錦屏一級(jí)主廠房軸線方向N65°W和最大主應(yīng)力σ1方向平均N48.7°W，兩者小角度相交略偏向下游密切相關(guān)。因此，在廠房軸線選擇時(shí)應(yīng)盡量與最大主應(yīng)力σ1方向平行，以減小高地應(yīng)力引起的時(shí)效變形控制的圍巖松弛。

(2)高地應(yīng)力條件下洞室圍巖松弛區(qū)總深度的80%以上多在本層開挖后間隔2層時(shí)形成，間隔3層時(shí)絕大多數(shù)部位都能達(dá)到最終深度，結(jié)合數(shù)值分析成果洞室開挖后的支護(hù)時(shí)機(jī)以及時(shí)支護(hù)最好，滯后不能超過2層。

(3)錦屏一級(jí)由于地下廠房在第Ⅸ層開挖及以后沒有再進(jìn)行過鉆孔聲波、全景圖像的長期檢測(cè)，因此本文所指圍巖松弛最終深度實(shí)際上是第Ⅷ層開挖后最后一次檢測(cè)確定的深度。研究表明，雖然大部分部位圍巖的松弛深度多在間隔2層時(shí)形成、在間隔5層以后基本上沒有繼續(xù)擴(kuò)展，但不排除局部圍巖的實(shí)際松弛深度還會(huì)有一定的增加，增加的量值與間隔層次、時(shí)效變形程度有關(guān)，時(shí)效變形越強(qiáng)烈，則增加量值就越大。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨桿或錨桿束長度參數(shù)的選擇、確定時(shí)應(yīng)考慮這部分松弛深度的影響。

Chen C J，Liu Z X，Sun Y. 2011. Analysis of the cause of cracks at arch waist parts of underground powerhouse of Jinping Hydropower Station Ⅰ during construction period[J]. Design of Hydroelectric Power Station，27(3)： 87～89．

Cheng L J，Li Z K，Guo K. 2011. Time-dependent deformation study of underground powerhouse of Jinping i hydropower station[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 30(S1)： 3081～3088．

Feng H M，He Z N. 2014. Engineering geological problems of deformation and destabilization of surrounding rocks in railway tunnel construction[J]. Journal of Engineering Geology，22(4)： 677～683．

He G，Jiang C S，Lei Y C，et al. 2014. Study on unloading relaxation characteristics for rock masses under high geostress[J]. Applied Mechanics and Materials.638～640： 594～600．

Hou D Q，Liao C G，F(xiàn)eng M，et al. 2012. Study on deformation and damage causes and reinforcement measures of rock mass surrounding the downstream arch of underground powerhouse for Jinping-I hydropower[J]. Journal of Hydroelectric Engineering，31(5)： 229～235．

Liao W，He G，Xu H Y，et al. 2011. Detection on Time-Effect of Rock Relaxation under High-Stressed Ground Condition[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics，8(5)： 609～615．

Lu B，Wang J M，Ding X L，et al. 2010. Study of deformation and cracking mechanism of surrounding rock of jinping i underground powerhouse[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，29(12)： 2429～2441.

Li Z K，Zhou Z，Tang X F，et al. 2009. Stability analysis and consideration of underground powerhouse caverns group of Jinping I hydropower station[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，28(11)： 2167～2175．

Sun Y C，Shang Y J. 2008. Intergrated analysis of the tempo-spatial effect of surrounding rock deformation in tunneling[J]. Journal of Engineering Geology，16(2)： 211～215．

Wei J B，Deng J H，Wang D K，et al. 2010. Characterization of deformation and fracture for rock mass in underground powerhouse of jinping Ⅰ hydropower station[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，29(6)： 1198～1205．

Xie G Q，Sun W L. 2010. Mechanism analysis and treatment on relaxing deformation of surrounding rock of underground powerhouse for Jinping Hydropower Station Ⅰ[J]. Water Resources and Hydropower Engineering，41(2)： 17～21.

Yang L D，Yan J P，Wang Y Z，et al. 2005. Study on time-dependent properties and deformation prediction of surrounding rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，24(2)： 212～216．

Zhang J H，Hu Z X，Yang Y T，et al. 2011. Acoustic velocity fitting and monitoring feedback analysis of surrounding rock loosing zone in underground powerhouse[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，30(6)： 1191～197．

Zhang Y，Xiao P X，Ding X L，et al. 2012. Study of deformation and failure characteristics for surrounding rocks of underground powerhouse caverns under high geostress condition and countermeasures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，31(2)： 228～244．

Zhou Z，Gong M F，Tang X F，et al. 2009. The study report of deformation and failure mechanisms and strengthening measures of surounding rock in underground powerhouse caverns at Yalong River[R].Chengdu：Chengdu Engineering Corporation Limited， Powerchina．

Zhu J Y. 2014. Application of engineering geomechanics of rock mass in water resources and hydyopower engineering investigation[J]. Journal of Engineering Geology，22(4)： 667～676．

陳長江，劉忠緒，孫云. 2011. 錦屏一級(jí)水電站地下廠房施工期下游拱腰部位的裂縫成因分析[J]. 水電站設(shè)計(jì)，27(3)： 87～89．

程麗娟，李仲奎，郭凱. 2011. 錦屏一級(jí)水電站地下廠房洞室群圍巖時(shí)效變形研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，30(增1)： 3081～3088．

豐明海，何振寧. 2014. 鐵路隧道施工中圍巖變形失穩(wěn)工程地質(zhì)問題[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，22(4)： 677～683．

侯東奇，廖成剛，馮梅，等. 2012. 錦屏一級(jí)水電站地下廠房下游拱圍巖變形開裂破壞成因分析與加固措施研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，31(5)： 229～235．

廖偉，何剛，許海燕，等. 2011. 高地應(yīng)力條件下巖體松弛時(shí)間效應(yīng)檢測(cè)[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào)，8(5)： 609～615．

盧波，王繼敏，丁秀麗，等. 2010. 錦屏一級(jí)水電站地下廠房圍巖開裂變形機(jī)制研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，29(12)： 2429～2441．

李仲奎，周鐘，湯雪峰，等. 2009. 錦屏一級(jí)水電站地下廠房洞室群穩(wěn)定性分析與思考[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，28(11)： 2167～2175．

孫元春，尚彥軍. 2008. 巖石隧道圍巖變形時(shí)空效應(yīng)分析[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，16(2)： 211～215．

魏進(jìn)兵，鄧建輝，王俤剴，等. 2010. 錦屏一級(jí)水電站地下廠房圍巖變形與變形破壞特征分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，29(6)： 1198～1205．

謝國權(quán)，孫文良. 2010. 錦屏一級(jí)水電站地下廠房圍巖松弛變形機(jī)理分析與治理[J]. 水利水電技術(shù)，41(2)： 17～21．

楊林德，顏建平，王悅照，等. 2005. 圍巖變形的時(shí)效特征與預(yù)測(cè)的研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，24(2)： 212～216．

張建海，胡著秀，楊永濤，等. 2011. 地下廠房圍巖松動(dòng)圈聲波擬合及監(jiān)測(cè)反饋分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，30(6)： 1191～197．

張勇，肖平西，丁秀麗，等. 2012. 高地應(yīng)力條件下地下廠房洞室群圍巖的變形破壞特征及對(duì)策研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，31(2)： 228～244．

周鐘，鞏滿福，湯雪峰，等. 2009. 四川省雅礱江錦屏一級(jí)水電站地下廠房洞室群圍巖變形破壞機(jī)制及加固措施研究專題報(bào)告[R].成都：中國水電工程顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院．

朱建業(yè). 2014. 巖體工程地質(zhì)力學(xué)在水電水利工程勘察中的應(yīng)用[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，22(4)： 667～676．

JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 1004-9665/2016/24(5)- 0788- 10

RELAXATION DEPTH AND SUPPORTING TIME OF UNDERGROUND POWER HOUSE SURROUNDING ROCK UNDER HIGH GEOSTRESS AT JINPING I HYDROPOWER STATION

In recent years， some large and extra large hydropower projects have been built or are under construction in China. Underground caverns of these hydropower projects usually have problems of complex geological conditions and high geostress. High geostress often leads to failure of different degrees and relaxation of extraordinary depth in surrounding rock during the construction of caverns. In this paper， the development of relaxation in surrounding rock is studied through analyzing geophysical prospecting data while excavating of main powerhouse at Jinping I hydropower station. Optimal supporting time is studied through analyzing displacement and plastic zone of the surrounding rock through numerical analysis. It is shown that the plant axis should be parallel with the maximum principal stress， which can effectively reduce relaxation depth caused by the time-dependent deformation.80% of the relaxation depth in surrounding rock is formed after the excavation interval of 2 to 3 layers. Compared with the backward support， the displacement and plastic zone are obviously smaller when immediate support is applied. So， immediate support is beneficial to the stability of the surrounding rock. These research results can be used for reference when selection of plant axis， support design and supporting time determination of large underground caverns under high ground stress.

Jinping Ⅰ hydropower station， High geostress， Underground caverns， Relaxation depth， Supporting time

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.007

2016-06-28;

2016-07-23.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379022， 51539002)資助.

楊靜熙(1968-)，男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，工程地質(zhì)專業(yè). Email: 2817482585@qq.com

簡介： 劉忠緒(1968-)，男，學(xué)士，教授級(jí)高級(jí)工程師，工程地質(zhì)專業(yè). Email: 522741860@qq.com

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