朱永生， 褚衛(wèi)江， 萬(wàn)祥兵， 歐陽(yáng)秋平， 何 煒， 王鵬飛

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 浙江 杭州 311122； 2. 浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司， 浙江 杭州 311122； 3. 中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司， 北京 610042)

0 引言

白鶴灘水電站是我國(guó)繼長(zhǎng)江三峽和溪洛渡水電站之后又一千萬(wàn)kW級(jí)巨型水電工程，擁有世界最大規(guī)模的地下廠房洞室群。

白鶴灘水電站地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工過(guò)程中普遍揭露了脆性巖體的高應(yīng)力破壞、軟弱錯(cuò)動(dòng)帶導(dǎo)致的深層變形及柱狀節(jié)理玄武巖的破裂松弛3類典型巖石力學(xué)問(wèn)題[1]。一般情況下，若洞室群結(jié)構(gòu)形態(tài)及布置方案既定，則包括巖體質(zhì)量及區(qū)域地應(yīng)力特征在內(nèi)的基本地質(zhì)條件決定了洞室群圍巖變形穩(wěn)定性的總體格局。然而，白鶴灘水電站壩址區(qū)發(fā)育有多條普遍揭露于洞室群結(jié)構(gòu)不同部位的大型錯(cuò)動(dòng)帶(屬Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面)，其導(dǎo)致以具有大跨度、高邊墻結(jié)構(gòu)特征的主廠房的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題尤為突出，甚至影響主廠房的整體成洞條件。因此，錯(cuò)動(dòng)帶影響與控制成為決定白鶴灘水電站大型地下廠房工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

錯(cuò)動(dòng)帶普遍性存在,給世界上許多工程帶來(lái)了巖體穩(wěn)定性問(wèn)題和地質(zhì)災(zāi)害。在水利水電工程界，錯(cuò)動(dòng)帶力學(xué)特性及工程影響相關(guān)研究并不鮮見，如溪洛渡、二灘、拉西瓦等一些重大的水電工程，都揭露了錯(cuò)動(dòng)帶的不利影響[2]。

樊啟祥等[3]指出，玄武巖層間和層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶所造成的巖體固有非連續(xù)性和各向異性是溪洛渡地下巖體工程實(shí)踐中的主要問(wèn)題。柴波等[4]研究了蓄水期三峽庫(kù)區(qū)巴東新城區(qū)庫(kù)岸滑坡在軟弱帶條件下的變形特征。依托白鶴灘水電站工程，國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合試驗(yàn)、理論研究及數(shù)值分析等方法對(duì)錯(cuò)動(dòng)帶力學(xué)特性和工程影響開展了大量研究。徐鼎平[5]研究了白鶴灘水電站錯(cuò)動(dòng)帶剪切特性及其對(duì)洞室群整體穩(wěn)定性的影響。魯燕兒等[6]采用Beta概率密度函數(shù)分析了白鶴灘水電站31組錯(cuò)動(dòng)帶剪切強(qiáng)度參數(shù)(即黏聚力和摩擦因數(shù))的分布規(guī)律。文獻(xiàn)[7-8]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及勘探認(rèn)識(shí)，利用離散單元法，研究了白鶴灘水電站壩址區(qū)邊坡地應(yīng)力分布特點(diǎn)及邊坡穩(wěn)定性，認(rèn)為陡傾斷層和錯(cuò)動(dòng)帶是影響邊坡穩(wěn)定性的控制性因素。

總體而言，現(xiàn)有錯(cuò)動(dòng)帶研究?jī)?nèi)容多以力學(xué)特性為主，而對(duì)工程影響機(jī)制的認(rèn)識(shí)有待深入。本文以白鶴灘廠房基本條件為背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖破壞現(xiàn)象、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬反饋分析等，考察錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)圍巖變形破壞的作用機(jī)制，據(jù)此提出針對(duì)性控制措施并評(píng)價(jià)其有效性。

1 廠房區(qū)基本條件

白鶴灘水電站為長(zhǎng)江干流金沙江下游4個(gè)水電梯級(jí)的第2個(gè)梯級(jí)，總裝機(jī)1 600萬(wàn) kW，是目前在建的最大水電站，建成后將成為世界第2大水電站[9]。地下廠房分別布置在河流兩岸山體內(nèi)，每座廠房各裝8臺(tái)、累計(jì)16臺(tái)發(fā)電機(jī)組。洞室群主體包括主廠房、主變洞、尾水閘門井、尾調(diào)室等建筑結(jié)構(gòu)，其中左、右岸廠房尺寸相同，結(jié)構(gòu)尺寸為438 m×34 m×86.7 m(長(zhǎng)×寬×高)。地下洞室群布置及主要錯(cuò)動(dòng)帶展布形態(tài)如圖1所示。

(b) 右岸

白鶴灘水電站左、右岸地下洞室群區(qū)域?yàn)閱涡睅r層(傾向右岸)，巖性以P2β2—P2β6微晶、隱晶質(zhì)玄武巖為主，斑狀、杏仁狀玄武巖次之，其余為玄武質(zhì)角礫熔巖和凝灰?guī)r。巖體多為微風(fēng)化或新鮮狀態(tài)，除層間錯(cuò)動(dòng)帶等構(gòu)造影響部位局部為Ⅳ類圍巖外，其他洞段都為Ⅱ、Ⅲ1和Ⅲ2類圍巖，且以Ⅲ1類圍巖比例(70%～90%)最高，巖體完整性較好。

將玄武巖每個(gè)火山噴發(fā)旋回劃分為1個(gè)地層單位，不同巖性間的地質(zhì)界面受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用可能出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，地質(zhì)上稱之為層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶，間隔一般為數(shù)m。由于頂板凝灰?guī)r相對(duì)軟弱，一些噴發(fā)旋回的界面可以形成規(guī)模較大、性狀不良的錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，稱之為層間錯(cuò)動(dòng)帶。白鶴灘水電站地下洞室群區(qū)域發(fā)育有規(guī)模等級(jí)較大、性質(zhì)較差的層間錯(cuò)動(dòng)帶C2、C3、C4和C5。其中，C2與C3分別揭露于左、右岸廠房邊墻，C4在右岸廠房小樁號(hào)頂拱部位得以揭露。層間剪切帶平緩的產(chǎn)狀和不良的性狀成為維持主廠房圍巖穩(wěn)定需要關(guān)注的重點(diǎn)因素。

因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，高地應(yīng)力是西部水電建設(shè)的基本環(huán)境條件。白鶴灘水電站地下洞室群屬中—深埋條件(左、右岸廠房垂直埋深分別達(dá)到260～330 m、420～540 m)。經(jīng)大量現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試及綜合分析表明，左、右岸地下洞室群初始最大地應(yīng)力分別為19～23 MPa和22～26 MPa，最大主應(yīng)力方向總體接近水平，且應(yīng)力比(最大和最小主應(yīng)力之比σ1/σ3)較高，普遍達(dá)到2.0。同時(shí)，包括剪切帶在內(nèi)的大型構(gòu)造為局部地應(yīng)力改造作用提供了條件，導(dǎo)致地應(yīng)力局部異常、測(cè)試結(jié)果具有明顯的分散性。其中，尤以揭露于右岸廠房頂拱部位的錯(cuò)動(dòng)帶C4的影響最為突出，該錯(cuò)動(dòng)帶導(dǎo)致其影響帶應(yīng)力水平和應(yīng)力比均得以提高。在右岸洞室群勘探平硐掘進(jìn)過(guò)程中，“V”形片幫破壞現(xiàn)象在C4應(yīng)力異常區(qū)域表現(xiàn)強(qiáng)烈，破壞形態(tài)具有“窄”且“深”的特點(diǎn)，是高應(yīng)力水平與高應(yīng)力比綜合作用的結(jié)果[10]。

2 圍巖破壞現(xiàn)象與錯(cuò)動(dòng)帶影響

考察圍巖開挖應(yīng)力分布特征，幫助認(rèn)識(shí)巖體潛在破壞類型及巖石力學(xué)機(jī)制[9]。由于白鶴灘水電站地下洞室以近水平構(gòu)造應(yīng)力(σHmax>σHmin>σV)占主導(dǎo)，地下洞室頂拱圍巖因此成為出現(xiàn)應(yīng)力集中的重點(diǎn)部位，而邊墻則因強(qiáng)烈的應(yīng)力釋放作用產(chǎn)生明顯松弛。應(yīng)力響應(yīng)方式的不同，可以使地下廠房不同部位破壞方式形成本質(zhì)差異。

2.1 應(yīng)力型破壞

室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn)表明，白鶴灘玄武巖脆性特性顯著，且起裂強(qiáng)度僅處于約為40 MPa的較低水平。然而，主廠房頂拱開挖二次主應(yīng)力(最大主應(yīng)力σ1)集中水平可達(dá)50 MPa，導(dǎo)致頂拱層圍巖產(chǎn)生了較為顯著的破裂破壞。左岸地下廠房頂拱圍巖在施工期揭露的高應(yīng)力片幫破壞現(xiàn)象和采用數(shù)值分析方法獲得的反饋分析結(jié)果如圖2所示，數(shù)值分析解譯的破壞機(jī)制與現(xiàn)場(chǎng)破壞現(xiàn)象及特點(diǎn)基本一致。

圖2 高應(yīng)力破壞的現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)及力學(xué)解譯

片幫是在中國(guó)西部深埋地下工程建設(shè)中較為典型的高應(yīng)力破壞形式，如雅礱江流域大理巖地層中的錦屏一級(jí)地下廠房和錦屏二級(jí)深埋引水隧洞工程[11]。后者埋深條件遠(yuǎn)高于白鶴灘地下洞室群工程，但若排除構(gòu)造引起的斷裂型高應(yīng)力破壞[11]，其大理巖中片幫破壞現(xiàn)象的普遍性和劇烈程度卻并不如白鶴灘地下工程。白鶴灘地下工程除具有高應(yīng)力比應(yīng)力環(huán)境外，巖石脆性特性的顯著差異也是導(dǎo)致這一區(qū)別的重要原因。如圖3(a)所示，在0～40 MPa室內(nèi)試驗(yàn)圍壓情況下，錦屏白山組大理巖的脆性條件因圍壓增加而明顯衰弱，呈典型的脆—延—塑轉(zhuǎn)換特性[12]。與此顯著不同的是，白鶴灘玄武巖脆性性質(zhì)強(qiáng)烈，且尤以右岸地下廠房圍巖主要構(gòu)成巖性——隱晶質(zhì)玄武巖最為突出。參考圖3(b)，室內(nèi)隱晶質(zhì)玄武巖試樣在加載達(dá)到峰值后，多會(huì)突發(fā)強(qiáng)烈的脆性崩解破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線從而直接跌落至底部或因試樣破壞導(dǎo)致傳感器崩落而造成數(shù)據(jù)丟失，很難出現(xiàn)完整的峰后段，且其脆性條件在40 MPa工程圍壓范圍內(nèi)幾乎不會(huì)因圍壓變化而改變，具有顯著的剪脹特性[13]。除較高的初始地應(yīng)力水平外，白鶴灘廠房圍巖還具有易于形成高應(yīng)力破壞的物質(zhì)條件。

2.2 應(yīng)力型松弛破壞

構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)和地下廠房軸線布置方案等基本因素決定了圍巖應(yīng)力分布及其穩(wěn)定性。以此為前提，維持圍巖穩(wěn)定性還應(yīng)特別考慮三維空間維度內(nèi)的開挖方案設(shè)計(jì)。大型地下廠房規(guī)模巨大，多采用分區(qū)、分部開挖方法進(jìn)行施工。其優(yōu)點(diǎn)主要在于可靈活調(diào)整開挖部位和開挖量，降低開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度或疊加效應(yīng)；而不利影響則是使得圍巖應(yīng)力路徑及其決定的圍巖破壞機(jī)制復(fù)雜化。

由于廠房拱頂首先得以開挖形成，其中的圍巖因高應(yīng)力集中作用導(dǎo)致屈服破壞。邊墻圍巖應(yīng)力則因?yàn)榈装骞战遣课唤Y(jié)構(gòu)效應(yīng)作用經(jīng)歷先集中后卸荷松弛的復(fù)雜過(guò)程，因此，其破壞機(jī)制也不同于常規(guī)應(yīng)力型或單純的松弛型破壞，如圖4所示。白鶴灘地下廠房分部開挖兩側(cè)拐角部位圍巖可在上部開挖過(guò)程中先形成應(yīng)力集中，然后在廠房開挖高程進(jìn)一步下臥過(guò)程中因強(qiáng)烈的應(yīng)力釋放作用而形成應(yīng)力型松弛變形破壞。

(a) 錦屏白山組大理巖

(b) 白鶴灘隱晶質(zhì)玄武巖

(a) 現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)

(b) 力學(xué)解釋

采用平面應(yīng)變模型對(duì)廠房開挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，見圖5。圖5概化描述了典型部位圍巖應(yīng)力路徑一般性演變過(guò)程的特點(diǎn)，可幫助進(jìn)一步認(rèn)識(shí)應(yīng)力型、應(yīng)力型松弛和單一松弛型這3種典型破壞形式的應(yīng)力機(jī)制及其差異。

開挖過(guò)程中，頂拱部位依次經(jīng)歷破裂損傷直至屈服破壞的應(yīng)力集中作用過(guò)程，隨后，其應(yīng)力水平因巖體強(qiáng)度降低及應(yīng)力集中區(qū)向深部遷移而降低。邊墻部位也因拐角結(jié)構(gòu)效應(yīng)具有形成應(yīng)力集中的條件，且可因應(yīng)力水平超過(guò)巖體起裂強(qiáng)度甚至達(dá)到屈服條件而產(chǎn)生破裂損傷。隨開挖底板落底使得該部位邊墻處于臨空(圍壓解除)，其應(yīng)力又得以快速釋放，在高應(yīng)力破裂及與洞軸線小角度相交的原生陡傾結(jié)構(gòu)面的組合作用下，高邊墻部位巖體進(jìn)而演變?yōu)閱我凰沙谛妥冃纹茐膯?wèn)題。與應(yīng)力型松弛破壞不同，單一松弛型破壞的基本特點(diǎn)是無(wú)應(yīng)力集中導(dǎo)致巖石破裂的作用過(guò)程，現(xiàn)實(shí)中巖體破壞主要因結(jié)構(gòu)面張開、錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致形成變形失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

廠房頂拱圍巖高應(yīng)力破壞本質(zhì)是來(lái)自于應(yīng)力水平與巖石材料非線性力學(xué)特征矛盾作用的結(jié)果，而邊墻應(yīng)力型松弛變形破壞則是在高應(yīng)力致裂作用基礎(chǔ)上進(jìn)一步綜合了強(qiáng)烈的應(yīng)力釋放效應(yīng)及其結(jié)構(gòu)面條件的影響。

圖5 典型巖體破壞的開挖應(yīng)力路徑

2.3 錯(cuò)動(dòng)帶影響

錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)白鶴灘水電站地下廠房的直接影響是破壞了圍巖的完整性；其次，錯(cuò)動(dòng)帶是巖石向土轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物[14]，其物理力學(xué)性狀較差，強(qiáng)度條件介于巖體和土之間；此外，因構(gòu)造活動(dòng)作用，諸如錯(cuò)動(dòng)帶C4在漫長(zhǎng)地質(zhì)演化過(guò)程中還在其附近一定范圍內(nèi)形成局部影響帶，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)出較為突出的高應(yīng)力異?，F(xiàn)象?？傮w而言，錯(cuò)動(dòng)帶自身具有的幾何不連續(xù)性、較差的強(qiáng)度條件及其導(dǎo)致的應(yīng)力異常環(huán)境，是其對(duì)廠房圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響的主要作用條件。

主要錯(cuò)動(dòng)帶C2、C4分別呈緩傾狀，揭露于左、右岸地下廠房的邊墻與拱頂部位，走向與廠房軸線均呈小角度相交。構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境、巖體質(zhì)量、洞室布置方向與結(jié)構(gòu)形態(tài)決定了廠房圍巖穩(wěn)定特征的總體格局。這一整體格局可以因錯(cuò)動(dòng)帶揭露與作用而得到改變，且錯(cuò)動(dòng)帶的影響作用機(jī)制與其揭露位置密切相關(guān)，如圖6所示。

(a) 無(wú)錯(cuò)動(dòng)帶 (b) 錯(cuò)動(dòng)帶影響

左岸廠房在落底開挖過(guò)程中，邊墻逐步臨空、圍巖應(yīng)力松弛，形成應(yīng)力型松弛變形。同時(shí)，邊墻部位在豎直方向得以逐步揭露的緩傾錯(cuò)動(dòng)帶C2因性狀軟弱，在卸荷條件下易產(chǎn)生非連續(xù)錯(cuò)動(dòng)變形，反過(guò)來(lái)進(jìn)一步加劇了邊墻圍巖的應(yīng)力松弛程度及其變形破壞風(fēng)險(xiǎn)。且C2在下游側(cè)邊墻部位緩傾向開挖面內(nèi)，該側(cè)邊墻、C2上盤圍巖的應(yīng)力松弛程度較上游側(cè)邊墻的更為突出?？傮w而言，在C2參與作用條件下，卸荷松弛是邊墻圍巖在開挖過(guò)程中的主要響應(yīng)方式，高應(yīng)力作用起相對(duì)次要作用。此外，由于與主廠房整體呈緩傾交切關(guān)系，C2對(duì)邊墻變形穩(wěn)定的影響與其揭露范圍密切相關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果表明，C2錯(cuò)動(dòng)變形水平和范圍具有隨開挖揭露范圍增大而持續(xù)增加的基本特點(diǎn)。

錯(cuò)動(dòng)帶C4緩傾揭露于右岸地下廠房小樁號(hào)頂拱部位，在廠房第Ⅶ層開挖過(guò)程中，錯(cuò)動(dòng)帶影響洞段在頂拱部位出現(xiàn)破裂鼓脹變形破壞，且其中的錨索荷載突增，如圖7所示。究其原因，盡管C4破壞了頂拱圍巖的整體性，但由于頂拱層拱效應(yīng)特征明顯，依然具備形成應(yīng)力疊加的結(jié)構(gòu)性條件[15]。在落底開挖過(guò)程中，頂拱應(yīng)力集中區(qū)向深部遷移，當(dāng)其與C4應(yīng)力異常帶形成高應(yīng)力疊加作用時(shí)，可加劇圍巖的高應(yīng)力破壞風(fēng)險(xiǎn)甚至導(dǎo)致破壞現(xiàn)象的發(fā)生。因此，在拱效應(yīng)、高應(yīng)力因素綜合作用下，C4揭露部位圍巖的破壞形式有異于常規(guī)低應(yīng)力環(huán)境下的重力驅(qū)動(dòng)型塊體破壞形式。

圖7 錯(cuò)動(dòng)帶C4導(dǎo)致廠房頂拱層破裂鼓脹破壞

以經(jīng)合理性論證的基本地質(zhì)條件作為條件，采用數(shù)值方法對(duì)錯(cuò)動(dòng)帶影響條件下的左、右岸廠房開挖進(jìn)行模擬分析，定性驗(yàn)證和量化錯(cuò)動(dòng)帶的影響機(jī)制和程度，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。經(jīng)分析可知，當(dāng)廠房開挖完成后，在左岸廠房下游側(cè)邊墻圍巖淺層，沿C2形成的剪切錯(cuò)動(dòng)變形普遍達(dá)到50～80 mm，局部大于90 mm，且錯(cuò)動(dòng)帶變形影響范圍突出，深部錯(cuò)動(dòng)變形亦可達(dá)到40～50 mm；C2以傾向圍巖內(nèi)部的方式交切于上游側(cè)邊墻，該交切關(guān)系決定了C2錯(cuò)動(dòng)變形程度相對(duì)較小，對(duì)圍巖變形穩(wěn)定的影響程度不如揭露于下游側(cè)邊墻時(shí)的情形。由于C4存在應(yīng)力異常，當(dāng)揭露于右岸頂拱層時(shí)，可在其影響部位與開挖二次應(yīng)力形成疊加效應(yīng)，加劇圍巖高應(yīng)力破壞風(fēng)險(xiǎn)和程度。

(a) 錯(cuò)動(dòng)變形

(b) 應(yīng)力

2.4 工程意義

在白鶴灘左、右岸地下廠房開挖過(guò)程中，錯(cuò)動(dòng)帶C2、C4分別以產(chǎn)生非連續(xù)錯(cuò)動(dòng)變形及應(yīng)力疊加作用的方式加劇左岸廠房高邊墻圍巖的應(yīng)力松弛變形破壞風(fēng)險(xiǎn)和右岸廠房頂拱層圍巖的高應(yīng)力破壞風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)這些不利影響進(jìn)行有效控制，是決定白鶴灘水電站地下廠房建設(shè)成敗的關(guān)鍵。

在洞軸線布置及結(jié)構(gòu)方案既定的前提下，在巖石力學(xué)層面應(yīng)依據(jù)不同部位巖體基本破壞機(jī)制和地質(zhì)缺陷對(duì)其影響特點(diǎn)制定針對(duì)性控制措施和開挖方案，以期降低錯(cuò)動(dòng)帶的不利作用、維持圍巖穩(wěn)定性。

3 工程措施

在戰(zhàn)略層面，白鶴灘水電站地下廠房工程總體遵循地下工程普遍采用的“系統(tǒng)噴錨支護(hù)為主，局部加強(qiáng)或輔以鋼筋混凝土襯砌”及“立體多層次、平面多工序”的基本支護(hù)設(shè)計(jì)與施工原則。施工原則總體借鑒了國(guó)內(nèi)大型水電工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。在系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，依據(jù)邊墻和頂拱部位圍巖開挖力學(xué)響應(yīng)機(jī)制和錯(cuò)動(dòng)帶C2、C4影響特點(diǎn)，采取針對(duì)性組合控制措施，充分體現(xiàn)白鶴灘地下工程的自身特點(diǎn)，本章進(jìn)一步對(duì)此作重點(diǎn)介紹。

3.1 錯(cuò)動(dòng)帶C2不連續(xù)變形組合控制

依據(jù)左岸邊墻圍巖在主廠房開挖過(guò)程中的基本力學(xué)響應(yīng)機(jī)制(應(yīng)力松弛)和錯(cuò)動(dòng)帶C2非連續(xù)變形及作用特點(diǎn)，創(chuàng)新地采用不連續(xù)變形組合控制技術(shù)，其構(gòu)成及技術(shù)特點(diǎn)包括：

1)深部變形控制措施。由主洞+支洞聯(lián)合抗剪的預(yù)置換加強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(置換洞主洞尺寸為6 m×6 m)和追蹤錯(cuò)動(dòng)帶走向的上下盤巖體深層錨索構(gòu)成，如圖9所示。其中，錨索布置應(yīng)根據(jù)置換洞實(shí)際開挖坡度確定。置換洞與沿其軸向及上下布置的分散型預(yù)應(yīng)力錨索形成聯(lián)合承載系統(tǒng)，前者為抑制剪切帶錯(cuò)動(dòng)變形提供被動(dòng)型抗力，預(yù)應(yīng)力錨索側(cè)重以主動(dòng)方式為錯(cuò)動(dòng)帶及圍巖提供圍壓，二者綜合起到維持錯(cuò)動(dòng)帶剪切強(qiáng)度及圍巖強(qiáng)度條件，控制C2深層錯(cuò)動(dòng)變形和限制上盤巖體屈服范圍的作用。

圖9 C2深部剪切錯(cuò)動(dòng)變形控制措施(單位： cm)

2)淺層變形控制措施。洞室高邊墻沿錯(cuò)動(dòng)帶出露跡線采用錨筋樁交叉鎖口技術(shù)，限制淺層圍巖不連續(xù)變形，降低或避免錯(cuò)動(dòng)帶影響區(qū)淺層圍巖變形破壞風(fēng)險(xiǎn)，如圖10所示。該措施主要由交叉布置的錨筋樁和預(yù)應(yīng)力錨桿構(gòu)成，其作用機(jī)制亦在于以主動(dòng)或被動(dòng)方式為維持淺層部位錯(cuò)動(dòng)帶及圍巖強(qiáng)度條件提供圍壓。剪切帶力學(xué)性質(zhì)不僅與其物理性質(zhì)(礦物成分、顆粒分布和化學(xué)成分)和應(yīng)力環(huán)境相關(guān)，也受賦存地下水環(huán)境影響[16]。為避免C2錯(cuò)動(dòng)層因地下水作用導(dǎo)致軟化，沿其走向同時(shí)布置了排水系統(tǒng)。

以上方案，重點(diǎn)依據(jù)上游側(cè)邊墻變形特點(diǎn)而制定。因交切方位性質(zhì)的不同，錯(cuò)動(dòng)層C2對(duì)上游側(cè)邊墻圍巖的不利影響不如對(duì)下游側(cè)的突出(見圖8)，因此，上游側(cè)實(shí)際采用的控制措施在細(xì)節(jié)上存在一定差異，特別是深部變形控制措施未設(shè)置抗剪支洞。

圖10 淺層應(yīng)力松弛變形控制措施

3.2 錯(cuò)動(dòng)帶C4高應(yīng)力破壞組合控制

在高應(yīng)力條件下，脆性硬質(zhì)圍巖開挖二次應(yīng)力超過(guò)其起裂強(qiáng)度導(dǎo)致破裂、達(dá)到峰值強(qiáng)度形成破壞乃至強(qiáng)度急劇降低是難以避免的客觀現(xiàn)實(shí)。淺層圍巖受高應(yīng)力作用易于產(chǎn)生屈服破壞形成破裂鼓脹變形，而深部巖體則因應(yīng)力向深部圍巖遷移引起破裂損傷。白鶴灘玄武巖脆性特性突出，破裂還可呈時(shí)效性長(zhǎng)期擴(kuò)展，進(jìn)一步導(dǎo)致深部巖體發(fā)生破壞。因此，要求支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠限制高應(yīng)力破壞的程度、范圍以及破裂時(shí)效性，保證圍巖和支護(hù)安全性的同時(shí)滿足穩(wěn)定要求。

綜上，高應(yīng)力條件下圍巖支護(hù)應(yīng)能發(fā)揮2個(gè)方面的核心作用: 1)盡可能維持圍巖的圍壓環(huán)境，在保持圍巖承載能力的同時(shí)，抑制時(shí)效性破裂擴(kuò)展，起“加固”作用； 2)對(duì)于淺表破裂松弛圍巖起到“兜網(wǎng)”或“維持”作用，避免這部分圍巖破壞，如圖11所示。一般而言，最常見的錨固支護(hù)(錨桿/索)和表面支護(hù)(網(wǎng)、噴層)可分別滿足這2個(gè)方面的要求。

圖11 針對(duì)高應(yīng)力問(wèn)題的圍巖支護(hù)方法

高應(yīng)力破壞是在白鶴灘地下廠房工程建設(shè)中面臨的首要巖石力學(xué)問(wèn)題。實(shí)踐中，依據(jù)其力學(xué)機(jī)制及對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求，確定以下基本支護(hù)設(shè)計(jì)原則：

1)充分發(fā)揮圍巖本身的自承能力，圍巖支護(hù)遵循以“噴錨支護(hù)為主，鋼筋拱肋支護(hù)為輔”的設(shè)計(jì)原則。

2)采用噴混凝土+掛網(wǎng)+錨桿快速施工限制淺層圍巖松弛開裂，預(yù)應(yīng)力錨索控制深層破裂變形的組合支護(hù)設(shè)計(jì)原則。

3)強(qiáng)調(diào)“噴混凝土+掛網(wǎng)+錨桿、錨索快速施工”的及時(shí)性，即主動(dòng)控制圍巖破裂變形的設(shè)計(jì)支護(hù)原則。

上述支護(hù)原則對(duì)C4應(yīng)力異常影響頂拱部位的支護(hù)設(shè)計(jì)同樣適用。為控制破裂擴(kuò)展及破裂鼓脹變形，基于一般洞段頂拱支護(hù)設(shè)計(jì)方案對(duì)錯(cuò)動(dòng)帶揭露影響部位進(jìn)行錨桿、錨索加密處理，并有條件地使用噴納米鋼纖維混凝土措施。

4 左岸廠房穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

遵循“立體多層次、平面多工序”施工方法及“系統(tǒng)噴錨支護(hù)為主，局部加強(qiáng)或輔以鋼筋混凝土襯砌”支護(hù)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合施工期安全監(jiān)測(cè)以及圍巖穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算反饋分析實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整，白鶴灘兩岸主廠房頂拱高應(yīng)力和邊墻松弛變形問(wèn)題總體上得以有效控制。依據(jù)錯(cuò)動(dòng)帶C2、C4揭露部位及作用機(jī)制特點(diǎn)，針對(duì)性制定差異化組合控制措施，其在高邊墻、頂拱層影響部位的圍巖穩(wěn)定性也同時(shí)得到保證。

目前，白鶴灘水電站地下洞室群主體工程已完成開挖支護(hù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，左岸廠房高邊墻錯(cuò)動(dòng)帶C2揭露部位的圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均已經(jīng)穩(wěn)定。圖12示出布置于左岸主廠房3#母線洞處INzmd3-0+023-1測(cè)斜管監(jiān)測(cè)獲得的主方向位移量-深度曲線。圖12顯示，該部位錯(cuò)動(dòng)帶C2剪切變形自2018年開始逐漸達(dá)到收斂狀態(tài)，上、下盤最大剪切位移約為39.06 mm，證明構(gòu)建的錯(cuò)動(dòng)帶不連續(xù)變形控制技術(shù)效果顯著。同時(shí)，在右岸廠房端部小樁號(hào)部位布置的穿過(guò)錯(cuò)動(dòng)帶C4的錨索應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)成果也揭示，錨索受力未出現(xiàn)超限情況(設(shè)計(jì)荷載2 500 kN)。

綜合利用基本工程條件、現(xiàn)場(chǎng)變形破壞現(xiàn)象和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開展圍巖穩(wěn)定性數(shù)值反饋分析的方法，在白鶴灘水電站地下工程施工過(guò)程中得到普遍應(yīng)用。主要體現(xiàn)了2個(gè)方面的工程價(jià)值： 1)可以通過(guò)再現(xiàn)、復(fù)制破壞現(xiàn)象并監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)認(rèn)識(shí)圍巖變形破壞機(jī)制(見圖8)； 2)幫助預(yù)測(cè)、驗(yàn)證圍巖穩(wěn)定性條件及包括支護(hù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)的工程措施的經(jīng)濟(jì)有效性。

圖12 3#母線洞INzmd3-0+023-1測(cè)斜管主方向位移量-深度曲線

針對(duì)錯(cuò)動(dòng)帶影響及圍巖穩(wěn)定性的反饋分析表明，主廠房常規(guī)支護(hù)及針對(duì)錯(cuò)動(dòng)帶影響的組合控制措施能夠保證廠房圍巖穩(wěn)定。在預(yù)先置換混凝土主洞+支洞組合強(qiáng)化措施作用下，C2錯(cuò)動(dòng)變形局部大于75 mm，一般為35～60 mm。比較圖8結(jié)果可見，淺層錯(cuò)動(dòng)變形量減小10～20 mm，且置換洞阻斷了錯(cuò)動(dòng)變形向深部擴(kuò)展；右岸廠房小樁號(hào)C4影響部位錨桿承載也未出現(xiàn)超限情況。反饋分析結(jié)果在定性與定量2方面均與上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致。

5 結(jié)論與討論

1)白鶴灘左廠邊墻和右廠房頂拱分別揭露有錯(cuò)動(dòng)帶C2、C4，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象和監(jiān)測(cè)成果，采用巖石力學(xué)理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法研究了廠房圍巖受錯(cuò)動(dòng)帶影響機(jī)制。研究表明： 沿C2產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)變形加劇了左廠邊墻應(yīng)力松弛； C4存在的構(gòu)造應(yīng)力異常可與開挖二次應(yīng)力在右廠頂拱層形成應(yīng)力疊加效應(yīng)，提高了圍巖高應(yīng)力破壞風(fēng)險(xiǎn)。

2)依據(jù)C2影響機(jī)制和變形特點(diǎn)，創(chuàng)新性采用主洞+支洞聯(lián)合抗剪、交叉鎖口組合措施控制C2剪切錯(cuò)動(dòng)變形，降低右廠高邊墻深部和淺層圍巖的應(yīng)力型松弛變形破壞風(fēng)險(xiǎn)。兩側(cè)邊墻控制措施設(shè)置在細(xì)節(jié)上應(yīng)存在區(qū)別，以體現(xiàn)C2揭露條件不同及由此帶來(lái)的影響差異。

3)基于系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)錯(cuò)動(dòng)帶C4在右岸廠房頂拱層揭露及影響部位強(qiáng)化表面支護(hù)，同時(shí)進(jìn)行錨桿、錨索加密處理。前者對(duì)淺層破裂鼓脹變形破壞圍巖起“維持”作用，后者可控制深部圍巖高應(yīng)力破裂的時(shí)效擴(kuò)展，起到“加固”作用。

4)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值反饋分析表明，系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)方案和錯(cuò)動(dòng)帶影響組合控制措施可控制兩岸主廠圍巖變形、保持穩(wěn)定。目前，圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5)本文主要討論了施工期廠房圍巖在錯(cuò)動(dòng)帶影響條件下的穩(wěn)定性，而錯(cuò)動(dòng)帶泥巖夾層變形和頂拱硬質(zhì)巖石強(qiáng)度具有的時(shí)效特性及其對(duì)圍巖和支護(hù)系統(tǒng)長(zhǎng)期安全的影響需要進(jìn)一步深入研究。