郭 成

[南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇省南京市 211106]

0 引言

在抽水蓄能電站中，洞室群大多建成地下式，水頭高，規(guī)模龐大，是抽蓄土建工程的主體。地下洞室開挖時地質(zhì)條件、施工擾動等不確定因素較多，地下廠房還具有跨度大、開挖高度高、交叉相鄰洞室多、施工期安全控制要求高等特點。在各地水電工程建設(shè)中，地下洞室坍塌事故屢見不鮮，致死致傷率很高。因此，施工期應(yīng)做好地下洞室的安全監(jiān)測工作，及時分析地下洞室安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，了解施工期地下洞室圍巖變形性態(tài)，反饋設(shè)計，指導(dǎo)施工，為地下洞室施工期的安全保駕護航。[1][2]

1 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐建筑物由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及下水庫等組成。其中，地下廠房包括主機間、安裝間和地下副廠房3部分，開挖總長度219.90m。主廠房巖錨吊車梁以上開挖跨度為25.7m，以下為23.50m。主變壓器洞長、寬分別為193.16m、19.70m，尾閘室寬約8.8m。

地下廠房位于上水庫主壩北面約500m的山體內(nèi)，鉛直埋深240～290m，地下水豐富，巖體完整性差，洞室圍巖以Ⅲ2～Ⅳ1類為主，主要由S3m3-1中厚～巨厚層（少量薄層）巖屑石英砂巖夾少量泥質(zhì)粉砂巖組成，尤其是F54斷層規(guī)模較大，斜穿三大洞室，是影響洞室圍巖穩(wěn)定的因素之一。[3][4]

2 監(jiān)測概況

主廠房共布置5個監(jiān)測斷面，分別為CZ0+143斷面、CZ0+90斷面、CZ0+37斷面、CZ0-20斷面、CZ0+165斷面和F54新增斷面，各監(jiān)測斷面監(jiān)測布置基本一致，監(jiān)測斷面示意圖如圖1所示，主要監(jiān)測儀器有多點位移計（圖中用M表示）、錨桿應(yīng)力計（圖中用AS表示）、錨索測力計（圖中用D表示）、鋼筋計（圖中用R表示）。[5]

3 典型監(jiān)測成果

2011年4月主廠房開始開挖，至2013年12月底開挖支護工作全部完成。各層分區(qū)具體見圖2。主廠房頂拱采用普通水泥砂漿錨桿+噴鋼纖維混凝土+預(yù)應(yīng)力錨索+鋼筋拱肋支護+拱腳預(yù)應(yīng)力錨桿的支護方式；邊墻采用系統(tǒng)砂漿錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土+系統(tǒng)錨索的聯(lián)合支護形式[1]。

受開挖影響，各斷面圍巖變形均有所增大，但CZ0+143斷面變形量最大。下文以CZ0+143斷面圍巖變形作為典型代表來分析施工期廠房圍巖變形特性。

圖1 地下廠房監(jiān)測斷面示意圖Fig．1 Sketch map of underground cavern monitoring section

圖2 地下廠房系統(tǒng)開挖分層剖面圖Fig．2 Stratified section map of underground powerhouse system excavation

CZ0+143斷面頂拱圍巖主要向洞室凈空方向位移，位移在第Ⅰ層開挖時變化較大，最大變化速率（0.25mm/d）超過設(shè)計警戒值（0.15mm/d），但隨著工作面的遠離，頂拱變形趨于穩(wěn)定。2011年底，頂拱超前監(jiān)測測點最大位移14.1mm，2012年、2013年位移年變幅均在4mm以內(nèi)，2014年1月累積位移最大20.1mm，由此可見，頂拱圍巖變形主要受頂層開挖影響，受下臥開挖影響較小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是，廠房頂拱有F54、F57等較大斷層，開挖施工對斷層的擾動導(dǎo)致頂拱破碎帶位移變形較大，隨著支護的跟進和作業(yè)面的遠離，頂拱圍巖位移逐漸趨于穩(wěn)定。廠房開挖完成后頂拱基本穩(wěn)定，截至2016年7月底，頂拱累積位移量最大20.6mm，較2014年1月增大了0.5mm。

CZ0+143斷面在第Ⅰ層開挖時，頂拱變形較大，下游變形量（14.1mm）大于上游側(cè)（8.4mm），且鋼拱架偏心受壓嚴重，下游側(cè)應(yīng)力大于上游側(cè)，鋼筋應(yīng)力均已超過儀器量程，該斷面附近鋼拱肋部位表層開裂混凝土剝落后發(fā)現(xiàn)拱肋受壓向廠房內(nèi)彎曲變形，與下游位移量大、偏心受壓嚴重的監(jiān)測結(jié)果相吻合。這一情況的發(fā)生與開挖施工進程有關(guān)，第Ⅰ層開挖是上導(dǎo)洞先行，下導(dǎo)洞次之，中墩擴挖跟進，但實際施工時中墩跟進與下導(dǎo)洞開挖錯時較短，下游側(cè)比上游側(cè)卸荷要快要猛，造成下游側(cè)變形和支護應(yīng)力較上游側(cè)要大。根據(jù)監(jiān)測反饋，調(diào)整了施工進程和施工方式，后期施工的斷面圍巖變形量明顯減小。CZ0+143斷面頂拱多點位移計過程線見圖3。

圖3 CZ0+143斷面頂拱多點位移計過程線Fig．3 The process lines of multi point displacement meter of CZ0+143 section top arch

圖4 CZ0+143斷面拱肩多點位移計過程線Fig．4 The process lines of multi-point displacement meter of CZ0+143 section arch shoulder

拱肩部位圍巖主要向洞室凈空方向位移，上游側(cè)位移（23.9mm）明顯大于下游側(cè)（0.8mm）。從測值過程線（圖4，MC4-2位于拱肩上游側(cè)，MC4-5位于拱肩下游側(cè)）可以看出，拱肩上游側(cè)位移主要發(fā)生在2013年第Ⅶ層開挖期間，其他各層的開挖對壩肩影響均較小。但自2013年4月初廠房第Ⅳ層開挖到2013年11月初第Ⅶ層開挖，廠房三層開挖支護僅歷時7個月，在此期間，上游側(cè)位移變化速率逐漸增大，在第Ⅶ層開挖時發(fā)生了突跳，說明拱肩上游側(cè)的位移受下臥施工影響明顯，且隨著下臥開挖的進行，圍巖穩(wěn)定性越來越差。開挖支護完成后，拱肩圍巖位移趨于穩(wěn)定，位移年變幅在0.5mm以內(nèi)。

洞室邊墻受下臥開挖和附近洞室交叉施工影響明顯，從2012年9月廠房第Ⅲ層開始開挖到2013年底開挖結(jié)束，位移出現(xiàn)較長時間的增長。上游側(cè)邊墻圍巖位移的變化速率在正常范圍以內(nèi)，下游側(cè)邊墻除了受廠房下臥開挖影響外，還受其附近母線洞開挖的影響，位移變化速率經(jīng)常超出設(shè)計警戒值（0.15mm/d），尤其在主廠房第Ⅲ層開挖和母線洞開挖同時進行時，下游側(cè)邊墻位移變化速率長期嚴重超出設(shè)計警戒值，最大達0.53mm/d，直到2012年12月母線洞基本完成開挖才有所緩和。廠房開挖結(jié)束時，下游側(cè)邊墻圍巖位移（107.8mm）明顯大于上游側(cè)邊墻位移（21.5mm），上下游邊墻距孔口11.5m深測點位移分別達到19.1、52.9mm，分別占孔口位移量的88.8%和49.1%，說明上游側(cè)邊墻位移主要是深部圍巖位移引起的，下游側(cè)邊墻位移由深部圍巖位移和表面圍巖位移共同形成的。開挖完成后，上下游邊墻變形逐漸趨于穩(wěn)定。CZ0+143斷面邊墻多點位移計過程線見圖5，其中MC4-1位于上游側(cè)邊墻，MC4-5位于下游側(cè)邊墻。

此外，除了關(guān)注CZ0+143.125斷面不同部位位移變化情況外，還需與相鄰部位的變形進行對比，關(guān)注位置相近、變形差異較大的部位。

CZ0+143.125斷面下游側(cè)邊墻測點MC4-6與CZ0+90.325斷面下游側(cè)邊墻測點MC3-6相隔僅53m，孔口變形卻相差約50mm（測值過程線見圖6），現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)廠房下游拱腳CZ0+127～CZ0+161部位噴混凝土出現(xiàn)裂縫。出現(xiàn)這種情況，可能與前面提到的CZ0+143.125斷面存在斷層，下游側(cè)卸荷過快過猛有關(guān)，也可能與第Ⅲ層開挖和母線洞開挖同時進行有一定的聯(lián)系，需加強關(guān)注，并根據(jù)后期發(fā)展情況采取必要的措施。

4 結(jié)束語

通過對地下廠房圍巖變形性態(tài)的分析，得到如下結(jié)論：

（1）地下廠房頂拱圍巖變形受頂層開挖影響大，且上下游側(cè)變形量受施工方式、施工進程等影響明顯，尤其是地質(zhì)條件復(fù)雜的部位更是如此。但隨著工作面的遠離和支護的跟進，頂拱圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，受下臥開挖影響較小。

圖5 CZ0+143斷面邊墻多點位移計過程線Fig．5 The process lines of multi-point displacement meter of CZ0+143 section wall

圖6 CZ0+143斷面和CZ0+90．325斷面下游側(cè)邊墻位移典型測點過程線Fig．6 The typical measuring points’ process lines of downstream side wall displacements of CZ0+143 section and CZ0+90．325 section

（2）地下廠房拱肩部位位移變形相對較小，受下臥開挖影響明顯，尤其是到開挖后期，但下臥開挖的進度對其變形也有一定的影響。

（3）地下廠房邊墻除了受下臥開挖影響明顯外，其附近洞室的交叉施工對邊墻圍巖穩(wěn)定的影響也很大，且邊墻圍巖變形速率最大就發(fā)生在交叉施工期間。故在后期開挖時可以通過各洞室錯時開挖，以減小或控制邊墻圍巖變形速率。

（4）相鄰變形量差異較大的部位需引起關(guān)注，根據(jù)情況采取必要的措施。

[1] 陳寧，邢磊．溧陽抽水蓄能電站地下廠房施工與監(jiān)測[J]．水利水電施工，2015（6）:48-52．CHEN Ning，XING Lei．Construction and monitoring of underground powerhouse of Liyang[J]．Pumped Storage Power Station，2015（6）:48-52．

[2] 邢磊，史永方，祁舵．溧陽抽水蓄能電站地下廠房頂拱開挖與支護施工[C]．抽水蓄能電站工程建設(shè)文集2012，北京：中國電力出版社，2012．XING Lei，SHI Yongfang，QI Du．Liyang pumped storage power plant’s underground powerhouse roof arch excavation and support construction[C]．Pumped Storage Power Station Project Construction 2012．Beijing: China Electric Power Press，2012．

[3] 胡夢蛟．溧陽抽水蓄能電站工程地質(zhì)特征及主要工程地質(zhì)問題 [J]．水力發(fā)電，2013，39（3）：16-17．HU Mengjiao．Engineering geological characteristics and main engineering geological problems of Liyang pumped storage power station[J]．Hydroelectric Power Generation，2013，39（3）：16-17．

[4] 彭琦，王俤剴，鄧建輝，等．地下廠房圍巖變形特征分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（12）：2583-2587．PENG Qi，WANG Dikai，DENG Jianhui．Analysis of deformation characteristics of surrounding rock of underground powerhouse[J]．Journal of Rock Mechanics and Ngineering，2007，26（12）：2583-2587．

[5] 周旭飛，單海年，潘琳．溧陽抽水蓄能工程地下廠房開挖過程性態(tài)分析[J]．水力發(fā)電，2013，39（3）：50-52．ZHOU Xufei，SHAN Hainian，PAN Lin．Analysis of the process behavior of underground powerhouse excavated by Liyang pumped storage engineering[J]．Hydroelectric Power Generation，2013，39（3）：50-52．