鄒紅英，梁成彥，吳 昊

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州450003）

21世紀(jì)是地下空間開(kāi)發(fā)的世紀(jì)［1］，充分利用地形地勢(shì)特點(diǎn)，大型地下電站、隧道（洞）、地鐵、地下儲(chǔ)庫(kù)等正在邁向發(fā)展的高潮［2］。地下洞室開(kāi)挖破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使洞室周邊的徑向應(yīng)力消失、切向應(yīng)力劇增，圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布。隨著洞室開(kāi)挖，巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)，洞室周邊巖體先破壞，應(yīng)力向巖體深部轉(zhuǎn)移，圍巖破壞范圍逐漸擴(kuò)大，直至圍巖應(yīng)力小于或等于巖體強(qiáng)度，形成新的平衡，破壞才停止，周邊形成一個(gè)破裂帶［3］。地下洞室開(kāi)挖后，圍巖總是向洞內(nèi)徑向變形。噴錨支護(hù)就是在洞室開(kāi)挖后及時(shí)向圍巖的表面上噴一層薄的混凝土，有時(shí)再向圍巖內(nèi)增加一些錨桿，從而部分阻止圍巖向洞室內(nèi)變形，以達(dá)到支護(hù)的目的。這種支護(hù)簡(jiǎn)稱為“新奧法”（NATM），它能在洞室開(kāi)挖后及時(shí)有效地控制和調(diào)整圍巖應(yīng)力的分布，最大限度地保護(hù)巖體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，防止圍巖松動(dòng)和坍塌。

厄瓜多爾從20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)Coca河流域水電開(kāi)發(fā)進(jìn)行評(píng)估、認(rèn)證、研究，確定CCS水電站為該流域最有吸引力的水電項(xiàng)目，號(hào)稱厄瓜多爾的“三峽”。作為“一帶一路”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，CCS水電站項(xiàng)目因?qū)嵤╋L(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)難題多、組織難度大而極具挑戰(zhàn)性［4］，特別是項(xiàng)目的管理等全部履行西方的法律和程序，工程設(shè)計(jì)需執(zhí)行歐美規(guī)范。本文對(duì)厄瓜多爾CCS水電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

厄瓜多爾CCS水電站，位于南美洲厄瓜多爾北部，電站總裝機(jī)容量1 500 MW，安裝8臺(tái)沖擊式水輪機(jī)組。地下洞室群埋深200 m左右，布置在Coca河右岸的山體內(nèi)，地面高程600～1 350 m，地形起伏較大。電站主要建筑物包括主廠房、副廠房、主變洞、8條母線洞、進(jìn)廠交通洞、8條尾水支洞及1條尾水主洞等。地下主、副廠房按“一”字形布置，從左至右依次為1?！?＃機(jī)組段、主安裝間、5?！?＃機(jī)組段、右端副廠房（副安裝間），地下廠房洞群三維展示見(jiàn)圖1。廠房縱軸線方向角為315°，主廠房開(kāi)挖尺寸為212.0 m×27.5 m×46.8 m（長(zhǎng)×寬×高），主變洞開(kāi)挖尺寸為192.0 m×19.0 m×33.8 m（長(zhǎng)×寬×高）。8條母線洞位于主廠房與主變洞之間，斷面采用城門(mén)洞形，垂直廠房縱軸線布置，洞長(zhǎng)24.0 m。

圖1 CCS水電站地下廠房洞群三維展示

2 工程地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)概況

地下廠房區(qū)的主要巖性為灰色、灰綠色和紫色Misahualli地層的火山凝灰?guī)r，上覆白堊系下統(tǒng)Hollin地層（Kh）頁(yè)巖、砂巖互層，表層覆蓋（Q4）厚度為3～30 m崩積物和河流沖積物。該區(qū)最大主應(yīng)力為8～10 MPa，方向角為315°～340°。構(gòu)造應(yīng)力作用并不強(qiáng)烈，以自重應(yīng)力為主。施工區(qū)主要存在以下4組節(jié)理：①140°～170°∠70°～85°，約占主變節(jié)理總數(shù)的 80%；②230°～260°∠70°～80°；③20°～50°∠5°～15°，出露處容易形成楔形體的頂部邊界；④325°～355°∠75°～85°，零星發(fā)育。

地下廠房區(qū)屬于Sinclair構(gòu)造帶，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，在廠房區(qū)開(kāi)挖過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層。但受構(gòu)造影響，廠房區(qū)發(fā)育多條小規(guī)模斷層（近70條），斷層最大寬度普遍小于50 cm，極少數(shù)達(dá)到2 m；斷層充填物質(zhì)普遍以角礫巖、巖屑夾泥為主，斷層帶組成物質(zhì)較好；斷層帶延伸較短，以幾十米為主；斷層走向以230°～260°為主，傾角以 60°～80°為主，整體與主廠房和主變室呈正交。

巖體以次塊狀結(jié)構(gòu)為主，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，局部少量Ⅳ類，整體基本穩(wěn)定，局部裂隙密集帶存在不穩(wěn)定塊體，洞室開(kāi)挖交叉面巖體穩(wěn)定性差。廠區(qū)地震烈度為Ⅷ度。

2.2 圍巖物理力學(xué)特性

隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)監(jiān)理要求采用廣義Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，故在設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮M-C和H-B準(zhǔn)則，巖（石）體力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1、表2。

表1 巖（石）體力學(xué)參數(shù)取值

表2 Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)判據(jù)巖（石）體計(jì)算參數(shù)取值

3 圍巖穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)

3.1 存在的主要問(wèn)題

厄瓜多爾CCS水電站地下廠房呈現(xiàn)洞室多、洞室群縱橫交錯(cuò)布置、主洞室跨度大、距離近、薄巖壁等特點(diǎn)，因而應(yīng)力、應(yīng)變復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題突出，地下洞室圍巖穩(wěn)定成為整個(gè)工程亟待解決的問(wèn)題。CCS水電站設(shè)計(jì)是在意大利ELC公司概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)、基本設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)。體形上將原有主廠房及主變洞頂拱的半圓拱改為三圓拱，廠房?jī)舾邷p少3.2 m，極大減小了工程量并縮短了工期。但由于洞室間距受限，加上地質(zhì)條件的不可預(yù)知性，因此CCS水電站地下洞室群布置緊湊成為圍巖穩(wěn)定的制約因素，主要存在以下技術(shù)問(wèn)題。

（1）設(shè)計(jì)理念問(wèn)題。根據(jù)合同，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中包括材料、工程設(shè)計(jì)理念必須滿足歐美規(guī)范，墨西哥監(jiān)理和當(dāng)?shù)貛r土工程師要求隧洞開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)滿足Hoek和 Barton理念、《巖石隧洞和豎井工程手冊(cè)》（EM1110-2-2901）。

（2）三向薄巖壁問(wèn)題。①主廠房與主變室間距為24 m，為主廠房與主變室平均跨度的1.03倍。國(guó)內(nèi)規(guī)范［5］指出巖柱的寬度不宜小于相鄰洞室平均開(kāi)挖寬度的1～1.5倍。國(guó)內(nèi)外同等大規(guī)模的地下洞室群，主廠房與主變室之間巖柱厚度為相鄰兩個(gè)大洞室平均跨度的1.1～1.4倍，因此主廠房與主變室之間存在薄巖壁問(wèn)題。 同時(shí)Dr Evert Hoek［6］190提出，當(dāng)巖柱的寬度為相鄰洞室最大洞室高度的0.5倍時(shí)，巖柱將面臨劇烈的破壞，巖柱塑性區(qū)基本貫通，巖柱將全部進(jìn)入超應(yīng)力狀態(tài)，極容易進(jìn)入張拉破壞狀態(tài)。②CCS水電站8條母線洞間距為18.5 m，母線洞跨度為8.2 m，母線洞之間的巖柱只有10.3 m厚，小于母線洞跨度的1.5倍，因此母線洞之間也存在薄巖壁問(wèn)題。③CCS水電站尾水洞間距為18.5 m，與母線洞水平向錯(cuò)開(kāi)1.3 m，與母線洞豎向間距7.15 m，小于母線洞跨度的1.5倍，因此母線洞與尾水洞之間也存在薄巖壁問(wèn)題。

洞群三向薄巖壁問(wèn)題加劇了主廠房與主變室之間圍巖的破壞。薄巖壁必然帶來(lái)塑性區(qū)貫通、圍巖變形加大、圍巖失穩(wěn)等問(wèn)題，如果過(guò)多地采用錨索、預(yù)應(yīng)力錨桿處理措施等會(huì)嚴(yán)重影響施工工期。

（3）楔形體問(wèn)題。廠房縱軸線方向角為315°，節(jié)理①走向與主廠房和主變室洞軸線方向大角度相交，對(duì)地下洞室的穩(wěn)定相對(duì)有利，但節(jié)理①走向與母線洞軸向夾角較小，對(duì)母線洞洞室穩(wěn)定相對(duì)不利；節(jié)理①、②、③組合在主廠房、主變室下游邊墻形成密集的楔形體，極大威脅著洞室的施工和運(yùn)行穩(wěn)定。

結(jié)合地質(zhì)資料分析，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段與墨西哥監(jiān)理多次反復(fù)溝通，一致認(rèn)為楔形體問(wèn)題為洞室圍巖穩(wěn)定的局部問(wèn)題，支護(hù)設(shè)計(jì)理念為：在整體支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部加固。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算分析

3.2.1 三維穩(wěn)定計(jì)算分析

FLAC3D程序建立在拉格朗日算法基礎(chǔ)上，可處理有限變形問(wèn)題，在計(jì)算過(guò)程中允許材料發(fā)生屈服及流變，特別適合解決巖土工程中經(jīng)常遇到的大變形問(wèn)題，在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［7-9］。三維分析巖體模型采用Mohr-Coulomb模型，采用多元回歸分析方法對(duì)地下廠房三維地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行反演。計(jì)算模型包含主廠房、主變室、母線洞、尾水支洞、施工支洞、排水廊道以及部分進(jìn)廠交通洞段等主體洞室，分層開(kāi)挖步與現(xiàn)場(chǎng)施工步一致。結(jié)合地質(zhì)信息完善及布置方案調(diào)整，從概念設(shè)計(jì)到基本設(shè)計(jì)再到詳細(xì)設(shè)計(jì)不斷更新模型進(jìn)行支護(hù)參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

通過(guò)三維計(jì)算分析，主廠房頂拱塑性區(qū)深度為2～4 m，上游邊墻塑性區(qū)深度為4～6 m，局部塑性區(qū)深度為9 m，下游邊墻塑性區(qū)深度為5～8 m，母線洞附近塑性區(qū)全部貫通。塑性區(qū)巖體破壞以剪切破壞為主，少部分區(qū)域出現(xiàn)拉伸破壞。主變室頂拱塑性區(qū)深度為2～3 m，上游邊墻塑性區(qū)深度為3～4 m，下游邊墻塑性區(qū)深度為3～6 m。

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段支護(hù)工況3號(hào)機(jī)組段位移見(jiàn)圖2。主廠房及主變室上下游邊墻計(jì)算位移基本在11 mm以內(nèi)，頂拱位移基本在15 mm以內(nèi)，最大的變形出現(xiàn)在廠房底部臺(tái)階處。洞室邊界突變的部位為穩(wěn)定關(guān)鍵部位，如廠房吊車巖壁附近、廠房球閥層平臺(tái)處、主變室下游尾水疊梁門(mén)擴(kuò)挖部位、母線洞與主廠房及主變室交叉部分、尾水洞與主廠房下游邊墻交叉部位，需要特別關(guān)注。

圖2 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段支護(hù)工況3號(hào)機(jī)組段位移（單位：m）

3.2.2 二維穩(wěn)定計(jì)算分析

由于初期支護(hù)厚度較小，因此采用三維數(shù)值方法分析初期支護(hù)單元較多、耗時(shí)較長(zhǎng)，與實(shí)際受力差異較大［10］。采用廣義Hoek-Brown判據(jù)，引入歐美運(yùn)用較廣、較成熟的PHASEII軟件及分析方法對(duì)初期支護(hù)如鋼筋網(wǎng)噴混凝土安全系數(shù)和錨桿受力進(jìn)行定量分析，同時(shí)與三維計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。Φ28錨桿軸力小于100 kN，Φ32錨桿軸力小于100 kN，Φ36的500 kN預(yù)應(yīng)力錨桿軸力小于550 kN，錨桿均未出現(xiàn)屈服。主廠房和主變室噴混凝土安全系數(shù)整體大于1.5，局部尖角出現(xiàn)開(kāi)裂。鋼筋網(wǎng)噴混凝土安全系數(shù)和錨桿受力滿足規(guī)范要求。主廠房和主變室洞周變形小于15 mm，洞室上下游邊墻中部變形為12 mm左右，最大變形出現(xiàn)在廠房底部；拱腳及洞周體形突變處產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中；主廠房、主變室洞周巖體均呈現(xiàn)出向巖體內(nèi)延伸的塑性區(qū)，塑性區(qū)巖體破壞以剪切破壞為主；變形、應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律與三維計(jì)算結(jié)果差異不大。

根據(jù)二、三維穩(wěn)定計(jì)算分析結(jié)果，同時(shí)考慮錨桿長(zhǎng)度在 Dr Evert Hoek［6］201塑性區(qū)深度的基礎(chǔ)上加上2～3 m，并滿足《巖石隧洞和豎井工程手冊(cè)》（EM1110-2-2901）第七章和 Barton［6］202經(jīng)驗(yàn)公式，在初始詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行錨桿加長(zhǎng)。Ⅱ類圍巖主廠房上游中部邊墻采用Ф28@2.0 m、長(zhǎng)L＝9 m的支護(hù)錨桿，Ⅲ類圍巖上游中部邊墻采用Ф28@1.5 m、長(zhǎng)12 m的支護(hù)錨桿。母線洞及尾水支洞采用0.2 m厚I16@0.5～1.0 m鋼拱架噴混凝土加錨桿的柔性初期支護(hù)。

3.2.3 楔形體局部加固分析

塊體理論的UNWEDGE軟件操作簡(jiǎn)單、界面友好、適用性強(qiáng)、認(rèn)可度高，被廣泛應(yīng)用于地下工程塊體穩(wěn)定分析［11-12］，這里也采用該方法進(jìn)行分析。主廠房、主變室和母線洞等洞室群揭露了1萬(wàn)多條節(jié)理，在施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行最不利楔形體組合分析。主廠房、主變室洞周主要不穩(wěn)定楔形體見(jiàn)表3。

表3 CCS水電站主廠房、主變室洞周主要不穩(wěn)定楔形體

3.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

采用工程類比法、二維有限元、三維有限差分法等對(duì)地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定進(jìn)行綜合分析，經(jīng)過(guò)比較論證，在新奧法的基礎(chǔ)上最終提出了整體掛網(wǎng)噴混凝土加錨桿支護(hù)、局部型鋼噴混凝土加錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)思路。為提高噴混凝土錨桿初期支護(hù)的整體強(qiáng)度，錨桿錨頭采用螺母墊片固定的型式。

（1）選取支護(hù)材料。普通砂漿錨桿采用美國(guó)規(guī)范ASTM A706的grade 60，張拉錨桿采用美國(guó)規(guī)范ASTM A706的 grade 100W［690W］，錨索采用美國(guó)規(guī)范ASTM A416的grade1860［270］，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)符合美國(guó)規(guī)范ACI318，混凝土施工技術(shù)要求滿足美國(guó)規(guī)范ACI315、ACI301等。砂漿28 d齡期強(qiáng)度不低于35 MPa，襯砌28 d齡期強(qiáng)度不低于28 MPa，噴混凝土28 d齡期強(qiáng)度不低于28 MPa。

（2）系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)。經(jīng)綜合分析，得到CCS水電站主廠房及主變室支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表4。

（3）楔形體局部加固設(shè)計(jì)。鑒于結(jié)構(gòu)面與洞室臨空面的特殊關(guān)系，在主廠房、主變室頂拱與邊墻交接處拱座部位形成大大小小不利的楔形體，成為制約設(shè)計(jì)批復(fù)和現(xiàn)場(chǎng)施工安全的重大問(wèn)題，經(jīng)分析，這些楔形體體量不大，在原有系統(tǒng)支護(hù)上局部進(jìn)行錨桿加長(zhǎng)加密支護(hù)后，正常運(yùn)行工況安全系數(shù)大于2，地震工況安全系數(shù)大于1.3，滿足規(guī)范要求。

3.4 安全監(jiān)測(cè)資料分析

結(jié)合二、三維計(jì)算分析，主廠房及主變室在樁號(hào)ST0+005.00、ST0+086.00、ST0+148.00 等重點(diǎn)關(guān)注部位共布設(shè)了36套多點(diǎn)位移計(jì)、36支錨桿應(yīng)力計(jì)；施工期結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭露地質(zhì)情況在樁號(hào)ST0+025.00、ST0+142.00補(bǔ)加多點(diǎn)位移計(jì)6套。

地下廠房洞群開(kāi)挖于2013年7月基本結(jié)束，整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)儀器規(guī)律良好：大部分多點(diǎn)位移計(jì)從孔口至內(nèi)絕對(duì)變形及變形梯度越來(lái)越小，洞周圍巖較均勻、穩(wěn)定，屬于淺部位移；變形曲線多次呈臺(tái)階式跳躍，附近相鄰高程圍巖停止爆破一周之后變形速率變緩，與開(kāi)挖爆破密切相關(guān)［13］；截至2014年3月，多點(diǎn)位移計(jì)孔口位移91%小于計(jì)算位移，錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)得的應(yīng)力92%小于計(jì)算應(yīng)力，圍巖無(wú)異常變形，圍巖變形已經(jīng)長(zhǎng)期收斂；圍巖穩(wěn)定性較好，支護(hù)結(jié)構(gòu)合理。

表4 CCS水電站主廠房及主變室支護(hù)參數(shù)

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)CCS水電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究，得到如下主要結(jié)論：

（1）經(jīng)工程類比、FLAC3D及 PHASEII分析，CCS 水電站地下洞室群大洞室頂拱采用0.2 m厚雙層掛網(wǎng)噴混凝土加墊板式砂漿錨桿的柔性支護(hù)，邊墻采用0.1 m厚單層掛網(wǎng)噴混凝土加墊板式砂漿錨桿的柔性支護(hù)，避免了大范圍預(yù)應(yīng)力錨桿及錨索影響施工工期。

（2）根據(jù)主廠房及主變室受力及位移特點(diǎn)，巖壁吊車附近、主廠房高邊墻中部、主廠房與主變室中間巖柱、母線洞與尾水洞之間巖體、主變室下游尾水疊梁門(mén)擴(kuò)挖部分等屬于重點(diǎn)關(guān)注部位。主廠房及主變室頂拱Ⅱ類圍巖穩(wěn)定支護(hù)錨桿長(zhǎng)度為6.0 m，Ⅲ類圍巖穩(wěn)定支護(hù)錨桿長(zhǎng)度為8.0 m。重點(diǎn)關(guān)注部位采用長(zhǎng)度為9、10、12 m的砂漿錨桿和300、500 kN預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

（3）主廠房及主變室之間的母線洞及尾水支洞采用鋼拱架噴混凝土加錨桿的柔性初期支護(hù)，成功解決了三向薄巖壁的穩(wěn)定問(wèn)題，避免了大范圍預(yù)應(yīng)力錨桿影響施工工期。

（4）在整體支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部加固加強(qiáng)楔形體的穩(wěn)定性，分析得到各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在安全范圍內(nèi)，因此整體長(zhǎng)、密支護(hù)并沒(méi)有影響施工工期。鑒于節(jié)理的特殊性，CCS水電站主廠房及主變室頂拱與下游邊墻交接部位施工中應(yīng)滿足小藥量、短進(jìn)尺、及時(shí)支護(hù)等技術(shù)要求，避免因局部塊體失穩(wěn)而帶來(lái)整體失穩(wěn)。

（5）施工期的開(kāi)挖質(zhì)量是有效控制松動(dòng)擴(kuò)展和保障圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。開(kāi)挖施工措施控制不力會(huì)形成或誘發(fā)次控制結(jié)構(gòu)面，造成巖體破碎及深部松動(dòng)。主廠房巖壁吊車梁壁座開(kāi)挖、主廠房及主變室上下游邊墻的風(fēng)道開(kāi)挖、主變室疊梁門(mén)擴(kuò)挖等體形突變處，特別是主廠房與主變室之間的巖柱受雙向爆破的影響，應(yīng)控制爆破、及時(shí)做好鎖口及噴錨支護(hù)，不可野蠻施工。

各交叉部位、斷層破碎帶均安裝了收斂計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、滲壓計(jì)，盡管各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)長(zhǎng)期趨于穩(wěn)定，但圍巖松動(dòng)圈深度及反饋的開(kāi)挖質(zhì)量［14］還有待進(jìn)行定量分析研究。