朱新星

（江西晨升建設(shè)工程有限公司，南昌 330077）

1 工程概況

江西萬安水電站位于贛江中游，與贛州市相距90km。電站總裝機(jī)容量4×10.5+1×11.3=53.3×104kW，保證出力6.2×104kW，年發(fā)電量均值15.2×108kW·h。電站以發(fā)電為主，兼具灌溉、航運(yùn)、防洪等綜合效益。地下布置的主體性廠房結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求主要布設(shè)于在大壩壩體右側(cè)岸坡上游80m處，該位置四周主要為層巒山體和茂密叢林，所布置的軸線因?yàn)榈貏莸确矫娴南拗埔仓饕c岸坡基本垂直，而軸線水平和鉛直方向的埋設(shè)深度分別位于125～368m以及104～223m之間。進(jìn)水口采用岸塔式設(shè)計(jì)，引水系統(tǒng)為單機(jī)單管，尾水洞為變頂式。

該水電站地下廠房洞室高度和跨度均較大，地質(zhì)條件復(fù)雜，洞室安全及穩(wěn)定與爆破振動(dòng)及開挖卸荷密切相關(guān)。該電站工程所在地地下水以基巖形式的裂隙水為主，巖體中斷層以及傾角特征十分明顯，裂隙地下水在局部區(qū)域內(nèi)存在富集現(xiàn)象。文章針對(duì)該水電站地下廠房洞室受多地質(zhì)因素耦合作用后的動(dòng)態(tài)變化過程展開監(jiān)測，以期對(duì)地下廠房爆破開挖施工過程中洞室圍巖結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定提供意見和建議[1]。

2 洞室開挖

該水電站地下結(jié)構(gòu)中的主體性廠房結(jié)構(gòu)按照9 個(gè)層次依次開挖施工，每個(gè)層次所主要對(duì)應(yīng)的開挖高程等參數(shù)取值情況詳見表1。在各土層開挖時(shí)率先從樁號(hào)CZ0+127.500 處為起始點(diǎn)，按照設(shè)計(jì)要求并分先后次序逐次向CZ0-058.750 處斷面拓展延伸，為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免下一掌子面開挖施工對(duì)前一區(qū)段造成不利擾動(dòng)而失穩(wěn)破壞，必須在每個(gè)掌子面開挖后隨即按要求搭設(shè)系統(tǒng)性功能錨桿，并施以掛網(wǎng)噴涂相應(yīng)厚度混凝土材料的支護(hù)措施。在以上形式的結(jié)構(gòu)中，Ⅰ層拱頂主要由3 段相應(yīng)的圓弧段組成，其中的洞室按照設(shè)計(jì)方案中確定出的255.4m 的長度開挖，所對(duì)應(yīng)的開挖寬度為33.4m，總開挖高度達(dá)到11.0m。為保證施工過程的安全性以及施工質(zhì)量，以上開挖嚴(yán)格按照3 個(gè)層次展開：依次為中導(dǎo)洞開挖、洞室兩側(cè)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)挖以及側(cè)墻部位的擴(kuò)挖。中導(dǎo)洞寬8.0m、高7.0m，兩側(cè)各擴(kuò)寬開挖3.7m，兩側(cè)邊墻擴(kuò)挖寬度和底坎開挖寬度均為9.0m，底坎高4.0m，光面爆破。開挖施工從2018 年9 月21 日開始，第Ⅸ層開挖于2021 年6 月結(jié)束。

表1 地下廠房洞室分層開挖高程

3 監(jiān)測設(shè)計(jì)

水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定主要以圍巖可能發(fā)生的位移、形變、錨固結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)等為主要的監(jiān)測項(xiàng)目。結(jié)合該水電站實(shí)際情況，總體布設(shè)10組斷面展開位移監(jiān)測，這些斷面依次編號(hào)為Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ和Ⅹ-Ⅹ；同時(shí)在相應(yīng)部位布設(shè)5 個(gè)斷面以進(jìn)行圍巖變形程度的監(jiān)測，依次編號(hào)為1-1、2-2、3-3、4-4、5-5，此外，還按照監(jiān)測目的，在相應(yīng)部位布設(shè)7 個(gè)監(jiān)測斷面以展開錨索結(jié)構(gòu)受力情況的監(jiān)測，依次編號(hào)為1’-1’、2’-2’、3’-3’、4’-4’、5’-5’，A-A，B-B。所使用的監(jiān)測儀器包括多點(diǎn)位移計(jì)、錨索測力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)等。

該水電站主要的廠房結(jié)構(gòu)以及副屬的廠房結(jié)構(gòu)均采用的是大型結(jié)構(gòu)的地下洞室建造，根據(jù)相應(yīng)位置實(shí)際地質(zhì)情況，廠房洞室具體位置所布設(shè)的各位移監(jiān)測斷面均分別按照0.8m 的間隔距離再布置相應(yīng)數(shù)量的監(jiān)測剖面，以便于圍巖內(nèi)部潛在位移、圍巖可能的松動(dòng)程度以及錨桿應(yīng)力等方面展開實(shí)時(shí)監(jiān)測；在其余位置所布設(shè)的斷面只需要在最利于施測部位設(shè)置單個(gè)監(jiān)測剖面即可，以實(shí)施圍巖內(nèi)部潛在位移程度的監(jiān)測。

就具體的監(jiān)測儀器布置情況而言，對(duì)于圍巖的潛在變形監(jiān)測項(xiàng)目，總共布設(shè)的點(diǎn)位移計(jì)多達(dá)36 套。此外還應(yīng)于不同斷面的頂拱灌排結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的廊道內(nèi)部展開3 套點(diǎn)位移監(jiān)測儀器埋設(shè)，便于對(duì)具體開挖施工過程中相應(yīng)部位洞室圍巖可能表現(xiàn)出的潛在變形實(shí)施監(jiān)測。隨洞室開挖進(jìn)程，在與主廠房洞壁表面相距0.5m、2.5m、6.5m、14.5m 的深處埋設(shè)錨頭，上游側(cè)邊墻錨頭埋深2.0m、6.0m、14.0m、34.0m，下游側(cè)邊墻錨頭埋深2.0m、6.0m、14.0m、22.0m。

對(duì)于各個(gè)錨固受力類型的監(jiān)測斷面而言，監(jiān)測任務(wù)較為繁重，所布設(shè)的錨桿應(yīng)力計(jì)和錨索測力計(jì)總共有124 支和32 臺(tái)。其中，于洞室上部灌排廊道結(jié)構(gòu)中具體布設(shè)頂拱測力計(jì)，還應(yīng)按照相應(yīng)要求展開張拉；邊墻錨索測力計(jì)則隨開挖進(jìn)程布設(shè)施測，對(duì)于單個(gè)錨桿應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)要求均勻布設(shè)1～3個(gè)主要形式的測點(diǎn)。

4 監(jiān)測成果及分析

4.1 原型斷面位移監(jiān)測

因交通洞斷面尺寸大，對(duì)主廠房和主變室圍巖穩(wěn)定性的影響也較大，交叉洞口應(yīng)力復(fù)雜，是地下洞室重點(diǎn)襯砌支護(hù)區(qū)域，故以位于主廠房和交通洞交叉位置的Ⅲ-Ⅲ監(jiān)測斷面為典型斷面[2]。該斷面布設(shè)1#、2#、3#監(jiān)測孔，1#測孔內(nèi)從上至下依次布設(shè)4 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，編號(hào)為M11～M14。

按照先中導(dǎo)洞、后邊導(dǎo)洞的次序開挖地下洞室時(shí)，觀測每一開挖時(shí)步內(nèi)多點(diǎn)位移，并繪制位移-時(shí)間曲線。Ⅲ-Ⅲ監(jiān)測斷面1#監(jiān)測孔各監(jiān)測點(diǎn)位移曲線見圖1。根據(jù)圖中結(jié)果，與地下廠房頂拱距離越近的測點(diǎn)位移監(jiān)測值越大，表明巖體變形從廠房圍巖表面向內(nèi)部依次減小[3]。

圖1 1#監(jiān)測孔各監(jiān)測點(diǎn)位移曲線

該水電站地下廠房Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ層開挖結(jié)束后多點(diǎn)位移計(jì)所得到的監(jiān)測結(jié)果見表2。根據(jù)表中結(jié)果，地下廠房相應(yīng)頂拱處表現(xiàn)出的位移起初變化量較大，此后在Ⅶ層開挖施工任務(wù)結(jié)束后便逐漸平穩(wěn)，這一過程中表現(xiàn)出十分顯著且波動(dòng)幅度較大的時(shí)空滯后效應(yīng)；與此同時(shí)，不同測點(diǎn)所實(shí)際對(duì)應(yīng)的位移絕對(duì)量也伴隨著測點(diǎn)和引水發(fā)電廠房頂拱中心距的不同而不同，空間效應(yīng)也較為顯著。

表2 Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ層開挖結(jié)束后位移監(jiān)測結(jié)果

4.2 圍巖變形

頂拱圍巖變形受爆破開挖的影響較大，第Ⅰ層開挖后洞壁圍巖變形曲線表現(xiàn)出2 個(gè)明顯的臺(tái)階形變化，分別對(duì)應(yīng)中導(dǎo)洞開挖和第Ⅰ層全斷面開挖。第Ⅱ?qū)右约八囊韵赂鲗铀归_的開挖施工基本上對(duì)周圍圍巖變形不產(chǎn)生顯著影響，即使表現(xiàn)出變形也主要屬于時(shí)效方面的變形，所對(duì)應(yīng)的位移量取值較小[4]。

根據(jù)中導(dǎo)洞開挖期間的監(jiān)測結(jié)果，中導(dǎo)洞開挖與圍巖變形關(guān)系密切，最大變形出現(xiàn)在剛過掌子面的位置。中導(dǎo)洞開挖實(shí)際監(jiān)測結(jié)果也與三維離散元模擬結(jié)果基本吻合[5]。圍巖變形所對(duì)應(yīng)的主要時(shí)段基本上全部位于掌子面于設(shè)計(jì)監(jiān)測斷面恰好相距2倍的引水隧洞洞徑位置；這一區(qū)段結(jié)束后，在開挖施工進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)的過程中，掌子面與監(jiān)測斷面之間的距離逐漸增大，此后圍巖可能發(fā)生的潛在變形也持續(xù)趨于收斂狀態(tài)。

圍巖表面變形量最大，其中頂拱變形量為10.76mm，邊墻變形為5.87mm。圍巖表面變形沿圍巖深度從表向里遞減；1-1 斷面位于山體中，5-5斷面位于山體邊緣，越向外緣地質(zhì)條件越差，在地質(zhì)條件的作用下，從1-1 斷面向5-5 斷面變形呈遞增趨勢。

4.3 預(yù)應(yīng)力錨固受力

在張拉前對(duì)錨索測力計(jì)進(jìn)行了嚴(yán)格標(biāo)定，但因現(xiàn)場條件復(fù)雜，錨索張拉后千斤頂加荷與實(shí)測荷載存在一定差距，兩者的偏差率為-2.04%，且實(shí)測荷載值均比千斤頂張拉荷載小。根據(jù)典型斷面錨索荷載和時(shí)間過程曲線，僅5’-5’斷面邊墻處部分測點(diǎn)荷載略微增大，其余荷載總體變化平穩(wěn)，荷載均值取1 628.5kN；錨索荷載損失率位于-4.97%～7.28%之間，說明預(yù)應(yīng)力錨索處于較好工作狀態(tài)[6]。

4.4 錨桿應(yīng)力

根據(jù)對(duì)各監(jiān)測斷面錨桿應(yīng)力分布情況的分析，各斷面錨桿均處于受拉狀態(tài)，且其中5’-5’斷面錨桿應(yīng)力超100MPa，造成錨桿應(yīng)力增大的主要原因在于Ⅳ～Ⅵ層爆破開挖。隨著開挖進(jìn)程的推進(jìn)，后期錨桿應(yīng)力基本趨于收斂和穩(wěn)定。其余斷面測點(diǎn)錨桿拉應(yīng)力均未超出80MPa。

5 結(jié) 論

綜合以上分析，萬安水電站地下主廠房結(jié)構(gòu)在展開全面開挖施工后所表現(xiàn)出的圍巖變形較小，同時(shí)具備一定程度的變動(dòng)規(guī)律性特征，在按照加固處治方案施以系統(tǒng)性的支護(hù)措施后，地下廠房洞室周圍的圍巖結(jié)構(gòu)潛在變形便逐漸趨于穩(wěn)定，錨索結(jié)構(gòu)的受力情況也逐漸恢復(fù)正常水平。結(jié)合分析結(jié)果，首層圍巖結(jié)構(gòu)的開挖施工是造成水電站工程內(nèi)地下廠房結(jié)構(gòu)周圍圍巖潛在變形的主因，并且持續(xù)體現(xiàn)出較為顯著的空間變動(dòng)趨勢效應(yīng)；在此后各層逐步開挖的過程中類似的圍巖結(jié)構(gòu)變形絕對(duì)量逐漸減小，影響范圍縮減。通過采取適宜的支護(hù)措施，可較好保證地下廠房開挖施工的順利進(jìn)行。