韓進(jìn)奇，李洪偉，曾 強(qiáng)

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司白鶴灘施工局，615421，寧南）

白鶴灘水電站洞室群規(guī)模巨大，洞群效應(yīng)凸顯，在高地應(yīng)力、復(fù)雜巖性以及不利地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的地質(zhì)條件下，開(kāi)挖期間洞室群圍巖穩(wěn)定問(wèn)題突出。通過(guò)對(duì)玄武巖松弛特點(diǎn)進(jìn)行研究，制定與之相適應(yīng)的支護(hù)跟進(jìn)控制標(biāo)準(zhǔn)并嚴(yán)格實(shí)施；通過(guò)開(kāi)挖階段全過(guò)程變形監(jiān)測(cè)及反饋分析，有針對(duì)性地對(duì)施工方案和支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；采取快速支護(hù)措施，形成了復(fù)雜地質(zhì)條件巨型地下廠房高邊墻圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)成果。

一、工程概況

白鶴灘水電站工程地質(zhì)條件復(fù)雜，主要體現(xiàn)在巖性復(fù)雜、大型不利地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、洞室埋深大、地應(yīng)力高等方面。左岸引水發(fā)電系統(tǒng)沿線為單斜地層，玄武巖巖流層產(chǎn)狀總體為N42°～45°E，SE∠15°～20°。 巖性有隱晶質(zhì)玄武巖、斜斑玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖和凝灰?guī)r等，其硬、脆、碎的巖性特點(diǎn)促進(jìn)圍巖表層破裂破壞。不利地質(zhì)構(gòu)造主要包括層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、斷層、長(zhǎng)大裂隙以及廣泛發(fā)育的玄武巖柱狀節(jié)理等，其中LS3152層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育在廠房頂拱上部，與廠房南側(cè)頂拱距離近，對(duì)廠房頂拱圍巖變形影響較大。C2層間錯(cuò)動(dòng)帶斜貫廠區(qū)各大洞室，對(duì)廠房、主變洞、尾水管檢修閘門(mén)室三大洞室高邊墻圍巖穩(wěn)定均有較大影響。左岸引水發(fā)電系統(tǒng)地下洞室群埋深大，水平埋深800～1050 m，垂直埋深 260～330 m，地應(yīng)力高，最大實(shí)測(cè)地應(yīng)力33 MPa，巖爆片幫發(fā)生頻繁，對(duì)工程施工及圍巖穩(wěn)定影響較大。

二、高邊墻圍巖變形控制研究

1.高邊墻施工初步方案

白鶴灘水電站左岸地下廠房開(kāi)挖高度88.7 m，高邊墻開(kāi)挖高度（除頂拱層以外）75.2m，其中機(jī)坑以上邊墻高度47.7m。層間錯(cuò)動(dòng)帶C2斜穿整個(gè)廠房高邊墻，對(duì)高邊墻圍巖穩(wěn)定造成較大影響，高邊墻圍巖穩(wěn)定問(wèn)題不容忽視。

在左岸地下廠方施工前方案初步規(guī)劃階段，通過(guò)對(duì)類(lèi)似工程的調(diào)研，加上對(duì)本工程特殊復(fù)雜地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)不充分，更多從施工進(jìn)度方面考慮，將巖錨梁以下高邊墻（Ⅳ～Ⅶ層）開(kāi)挖分層采取一次性全斷面開(kāi)挖（見(jiàn)圖1）。

圖1 廠房開(kāi)挖分層初步設(shè)計(jì)方案

2.高邊墻松弛特性研究

廠房第一層開(kāi)挖支護(hù)完成后，對(duì)廠房特殊復(fù)雜地質(zhì)條件加深了認(rèn)識(shí)，白鶴灘地下廠房規(guī)模宏大且地質(zhì)條件復(fù)雜，由于地下廠區(qū)玄武巖脆性特征強(qiáng)、初始地應(yīng)力達(dá)中高應(yīng)力水平、地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，使得地下廠房第I層圍巖產(chǎn)生了相對(duì)普遍的應(yīng)力型片幫與破裂破壞、層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶下盤(pán)巖體松弛坍塌破壞以及結(jié)構(gòu)面—應(yīng)力組合型破壞。

為研究本工程玄武巖松弛時(shí)效，在左岸地下廠房采用原位布置觀測(cè)孔，利用孔內(nèi)電視攝像，觀察圍巖開(kāi)裂發(fā)展情況。

該觀測(cè)孔位于左岸廠房上游K0+330樁號(hào)上游拱肩部位，開(kāi)挖3天后，開(kāi)挖掌子面超過(guò)監(jiān)測(cè)孔5 m，孔口段產(chǎn)生松弛破裂，位于孔口約60 cm范圍。開(kāi)挖4天后松弛深度延伸至孔內(nèi)1.2m左右。開(kāi)挖5天后孔內(nèi)裂隙加寬，孔口塌孔范圍明顯增大。開(kāi)挖17天后掌子面超過(guò)監(jiān)測(cè)孔13m，因附近系統(tǒng)錨桿施工完成，孔內(nèi)裂隙寬度減小。

通過(guò)三維數(shù)值模擬對(duì)廠房以下各層開(kāi)挖主應(yīng)力響應(yīng)特征進(jìn)行仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，廠房上游側(cè)頂拱及各層上、下游墻角部位應(yīng)力集中，量值超過(guò)40 MPa，分層越高，變形總量越大。

為確保高邊墻圍巖穩(wěn)定，廠房下部各層開(kāi)挖應(yīng)采用薄層開(kāi)挖方案。同時(shí)，由于墻角部位應(yīng)力集中，若不能及時(shí)實(shí)施支護(hù)，將產(chǎn)生松弛破壞。為此，根據(jù)反饋分析成果，高邊墻采用預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖。

高邊墻開(kāi)挖分層方案除了考慮降低應(yīng)力集中程度以外，還應(yīng)考慮適宜快速跟進(jìn)支護(hù)的分層方案，同時(shí)兼顧各層預(yù)應(yīng)力錨索施工高度需求等。

3.高邊墻開(kāi)挖優(yōu)化方案

廠房頂拱層開(kāi)挖后，通過(guò)對(duì)廠房頂拱圍巖變形反饋分析，高地應(yīng)力與不良地質(zhì)構(gòu)造組合作用，在玄武巖硬、脆、碎的巖性特點(diǎn)及大跨度頂拱、高邊墻等因素綜合影響下，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題突出。

左岸地下廠房軸線與最大主應(yīng)力呈大角度（60°～70°）相交，最大主應(yīng)力接近水平，傾向河谷側(cè)，傾角8°～12°，與洞軸線近垂直，易引起高邊墻表面快速卸荷松弛。經(jīng)綜合考慮，采取分層分區(qū)調(diào)整方案如下（見(jiàn)圖2）：

圖2 廠房開(kāi)挖分層優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

第Ⅳ～Ⅶ層采取薄層開(kāi)挖，分層高度調(diào)整為4～5.5 m，一是降低邊墻墻角部位應(yīng)力集中程度；二是分層高度有利于大型支護(hù)設(shè)備實(shí)施快速支護(hù)，利于支護(hù)跟進(jìn)；三是保證當(dāng)層出露的錨索與開(kāi)挖底板之間有足夠的距離，滿足錨索鉆機(jī)施鉆空間。

中下層開(kāi)挖調(diào)整為中部拉槽、兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖，其目的在于，中部拉槽后，邊墻應(yīng)力釋放直至重新穩(wěn)定，在此過(guò)程中圍巖產(chǎn)生卸荷松弛，因此在結(jié)構(gòu)面外側(cè)設(shè)置一定厚度的保護(hù)層，一方面保證保護(hù)層厚度大于松弛深度使該階段卸荷松弛不影響到永久結(jié)構(gòu)面，另一方面保護(hù)層厚度不宜過(guò)大，使邊墻應(yīng)力得到充分釋放，將開(kāi)挖保護(hù)層后應(yīng)力調(diào)整幅度降至最小。經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算，確定保護(hù)層厚度宜為4～6 m。優(yōu)化方案中保護(hù)層厚度按照5 m預(yù)留。

受傾向河谷側(cè)的水平主應(yīng)力影響，在廠房開(kāi)挖過(guò)程中上游側(cè)頂拱及上下游墻角應(yīng)力集中，相對(duì)而言，下游墻角的應(yīng)力集中程度高于上游。

因此，在中、下層高邊墻開(kāi)挖時(shí)，優(yōu)先進(jìn)行上游側(cè)保護(hù)層開(kāi)挖，開(kāi)挖完成后進(jìn)行上游側(cè)支護(hù)施工，然后再進(jìn)行下游保護(hù)層開(kāi)挖及支護(hù)，使下游邊墻有較為充分的應(yīng)力釋放時(shí)間。對(duì)于高邊墻C2層間錯(cuò)動(dòng)帶出露的部位，由于 C2錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀為 N42°～45°E，SE∠14°～17°，由下游傾向上游，因此 C2出露部位優(yōu)先開(kāi)挖下游側(cè)，并在開(kāi)挖后及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)，防止上盤(pán)巖體沿C2發(fā)生錯(cuò)動(dòng)變形。

4.高邊墻支護(hù)跟進(jìn)開(kāi)挖時(shí)空關(guān)系

通過(guò)對(duì)廠房頂拱圍巖進(jìn)行的松弛深度測(cè)試以及孔內(nèi)攝像成果進(jìn)行分析，爆破開(kāi)挖揭露結(jié)構(gòu)面后，表面松弛及破裂產(chǎn)生，在爆破揭露3天后，開(kāi)挖2～3 個(gè)循環(huán)（6～9 m），圍巖松弛快速發(fā)展，破裂破壞現(xiàn)象明顯。錨桿支護(hù)后圍巖松弛得到抑制，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，時(shí)效變形或周邊爆破產(chǎn)生影響，松弛深度進(jìn)一步增加。由此，制定支護(hù)跟進(jìn)開(kāi)挖的時(shí)空關(guān)系控制指標(biāo)如下：

開(kāi)挖后立即進(jìn)行初噴混凝土施工，完成后進(jìn)行下一循環(huán)開(kāi)挖。

開(kāi)挖3天后，再開(kāi)挖掌子面不超過(guò)1～2個(gè)循環(huán)跟進(jìn)完成一序錨桿施工（普通砂漿錨桿）。

開(kāi)挖10天后，再開(kāi)挖掌子面不超過(guò)20 m，并完成預(yù)應(yīng)力錨桿施工。

開(kāi)挖15天后，再開(kāi)挖掌子面不超過(guò)30 m，并完成掛網(wǎng)及復(fù)噴混凝土施工。

開(kāi)挖30天后，再開(kāi)挖掌子面不超過(guò)80 m，并完成系統(tǒng)錨索張拉。

三、圍巖變形控制實(shí)施效果

目前，左岸地下廠房開(kāi)挖已完成，從圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，廠房頂拱變形已趨于穩(wěn)定，廠房邊墻最大累計(jì)位移為103.46 mm，根據(jù)設(shè)計(jì)初始仿真計(jì)算，預(yù)測(cè)廠房邊墻變形最大值在100～120 mm，累計(jì)位移最大值符合預(yù)期。從整體判斷，廠房洞室群圍巖變形控制采取的一系列措施有效，廠房圍巖整體穩(wěn)定。廠房邊墻不同斷面累計(jì)最大變形見(jiàn)3圖。

圖3 廠房邊墻不同斷面累計(jì)最大變形圖

四、結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)白鶴灘地下廠房開(kāi)挖支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)出復(fù)雜巖性、構(gòu)造發(fā)育以及高地應(yīng)力條件下巨型地下廠房高邊墻圍巖穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)，形成了以“薄層保護(hù)開(kāi)挖、支護(hù)快速跟進(jìn)、全程監(jiān)測(cè)指導(dǎo)”為核心的復(fù)雜地質(zhì)條件下巨型廠房洞室群圍巖穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)成果，可為后續(xù)類(lèi)似工程施工提供技術(shù)借鑒。