楊風威，齊三紅，楊繼華，張黨立，婁國川，苗 棟

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

豎井是水利、采礦、交通、國防等工程領域一種重要的地下結(jié)構(gòu)［1］。豎井開挖前，巖體內(nèi)每個點處于平衡狀態(tài)，開挖后由于井壁失去原有巖石的支撐作用，井壁向井內(nèi)空間位移，井筒周圍的巖體內(nèi)會產(chǎn)生較大的附加應力，豎井井壁將可能發(fā)生塑性破壞，造成豎井井壁失穩(wěn)坍塌［2－5］。

在豎井等地下工程圍巖穩(wěn)定性問題的研究中，常用的圍巖穩(wěn)定性判別依據(jù)是以允許相對位移值或允許收斂速率的形式給出的，當實測的位移值超出此值時即視為不穩(wěn)定。而實際工程中，有的軟弱圍巖，變形值超出規(guī)范允許值數(shù)倍時仍未發(fā)生失穩(wěn);有的圍巖變形尚未達到允許值卻發(fā)生了坍塌［6－8］，多組結(jié)構(gòu)面相互交切形成不穩(wěn)定塊體而導致井壁塌方即屬此類［9］。

本文以在建的厄瓜多爾Coca-Codo Sinclair水電站(簡稱CCS水電站)500 m級超深引水豎井為工程背景，針對豎井在開挖過程中遇到的不良地質(zhì)條件，運用UNWEDGE軟件，分析可能的不穩(wěn)定塊體組合，計算其安全系數(shù)，并提出相應的處理措施，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

CCS水電站工程［19］位于厄瓜多爾Napo省和Sucumbios省境內(nèi)的COCA河下游，為引水式電站，總裝機容量1 500 MW。

圖1 CCS水電站引水豎井布置示意圖Fig.1 The layout of water conduction shaft at CCShydropower station

CCS水電站2條引水發(fā)電洞均由上平段、豎井、下平段組成，如圖1所示。2號豎井的上口高程、下口高程及深度分別為1 168.9 m、631.0 m 及537.9 m，如圖2所示。豎井斷面為圓形，開挖洞徑7.1 m，襯砌后洞徑5.8 m。

圖2 不良地質(zhì)段主要結(jié)構(gòu)面分布示意圖Fig.2 The distribution of main structure surfaces at adverse geological segment

豎井采用反井法施工，首先在壓力管道上平段自上而下鉆設直徑280 mm導孔，然后自下而上擴挖導井，導井孔徑2 100 mm，最后利用導井出渣，自上而下鉆爆擴挖到設計開挖斷面。

2 豎井不良地質(zhì)段圍巖條件

前期采用大地電磁法對2號引水豎井周圍地質(zhì)條件進行探測，結(jié)果顯示高程1 050～1 220 m范圍內(nèi)存在一低阻異常，電性特征表現(xiàn)為橫向產(chǎn)生明顯陡變，推測此處為斷層構(gòu)造，圍巖條件較差。

根據(jù)2號引水豎井開挖揭露地質(zhì)情況，在1 086～1 110 m高程段出露侏羅系—白堊系Misahualli地層(J-Km)，巖性主要以肉紅色、淺紅色火山角礫巖為主，節(jié)理裂隙、斷層及破碎帶較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差，與前期物探成果較吻合。

在膜下滴灌高產(chǎn)技術(shù)應用中，玉米品種的選擇往往不同于常規(guī)種植。在保證充足的光照和水分的前提下，我們通常選擇高產(chǎn)品種，因為高產(chǎn)品種一般適合密植，這樣的特點適合實施滴灌技術(shù)。此外，合理的密植還可以節(jié)約土地資源，這也是高產(chǎn)的原因之一。種衣劑可以進一步殺滅種子表面的病原體，降低蟲害發(fā)生的概率。

該段巖體發(fā)育一條陡傾角侵入巖脈，寬度為0.8～1.1 m，巖性主要為青灰色輝綠巖，接觸面產(chǎn)狀315°～320°∠72°～78°，巖脈內(nèi)大部分巖體較完整且質(zhì)地堅硬，在靠近斷層及破碎帶區(qū)域，巖體出現(xiàn)蝕變，呈灰白色，巖體較破碎，硬度較軟。

F363斷層產(chǎn)狀255°～265°∠78°～85°，斷層及影響帶寬度0.4～1.0 m，充填碎裂巖體、泥和鈣質(zhì)。豎井中心偏東區(qū)域發(fā)育一條近南北向貫穿豎井的斷層F364，其產(chǎn)狀245°～255°∠81°～85°，寬度0.3 ～0.5 m，鈣質(zhì)、泥質(zhì)及角礫充填，沿該斷層平行發(fā)育多條陡傾角節(jié)理，并在豎井范圍內(nèi)形成一條寬約2.0～2.5 m的斷層影響帶和裂隙密集帶。1 086 m高程掌子面洞壁正北方向揭露 F365斷層，產(chǎn)狀195°～203°∠82°，斷層寬度0.1～0.4 m，充填角礫、泥和鈣，該斷層在此高程初步揭露，隨著開挖的進行，將逐漸朝豎井中心移動并貫穿豎井，由于其寬度較大，傾角較陡，預計在高程1 040～1 086 m范圍內(nèi)都會出現(xiàn)。3條斷層在1 086 m高程掌子面出露情況見圖2。

上述斷層及影響帶傾角較陡，寬度較大，向下延伸至豎井開挖斷面以外，并與其它結(jié)構(gòu)面和破碎帶相互交切，導致1 086 m高程導井巖體局部塌方，如圖3、圖4所示。

圖3 豎井1 086 m高程掌子面Fig.3 The working face of shaft at the elevation of 1 086 m

3 井壁塊體穩(wěn)定性分析及處理

3.1 UNWEDGE 程序介紹

UNWEDGE程序由加拿大多倫多大學E.Hoek等開發(fā)，主要依據(jù)為塊體理論，是一種適用于地下開挖形成的三維塊體穩(wěn)定性分析的交互式軟件，用于分析巖體中存在的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的地下開挖問題。UNWEDGE計算潛在不穩(wěn)定塊體的安全系數(shù)，并可對支護系統(tǒng)對塊體穩(wěn)定性的影響進行分析。

圖4 導井局部塌方Fig.4 The partial collapse in shaft

該程序采用安全系數(shù)F.S.(The factor of safety)來表征塊體穩(wěn)定性。

安全系數(shù)F.S.由式①計算得出:

根據(jù)塊體失穩(wěn)形式的不同，UNWEDGE可計算以下3種情況下的安全系數(shù):

(1)直接垮落條件下的塊體安全系數(shù)(Ff)。直接垮落條件下的安全系數(shù)計算時，假定塊體只受被動支護力及拉力的阻滑力作用，而不考慮節(jié)理面的其它因素的影響(如剪切強度、滑動方向等)?；瑒恿Π?塊體重力、混凝土重力、主動壓力、水壓力及地震力?；瑒臃较驗榛瑒恿κ噶亢头较?。

其中 P=H+Y+B，A=W+C+X+U+E，Ti=σtiaisinθi。

(2)無支護條件下的塊體安全系數(shù)(Fu)。無支護條件下的安全系數(shù)計算時，假定塊體的阻滑力只有節(jié)理面的剪力和拉力，無支護力。滑動力包括:塊體重力、混凝土重力、主動壓力、水壓力及地震力。滑動方向為滑動力矢量和方向。只考慮由滑動力法向量所引起的剪力，阻滑力法向量引起的剪力不在考慮范圍。

(3)支護條件下的塊體安全系數(shù)(Fs)。支護條件下的安全系數(shù)計算時，假定塊體受節(jié)理面的剪力、拉力和支護力的作用?；瑒恿Π?塊體重力、混凝土重力、主動壓力、水壓力及地震力?；瑒臃较驗榛瑒恿κ噶亢头较?。剪力是由滑動力及阻滑力法向量同時引起的。

式②、③和④中:Ff為直接垮落條件下的塊體安全系數(shù);P為阻滑力;H為混凝土的剪力;Y為被動壓力;B為錨桿力;A為滑動力;W為塊體重力;C為混凝土重力;X為主動壓力;U為水壓力;E為地震力;Ti為第i個節(jié)理面產(chǎn)生的拉力;σti為第i個節(jié)理面的拉伸強度;ai為第i個節(jié)理面的面積;θi為第i個節(jié)理面與滑動方向的夾角;s0為垮落方向;Fu為無支護條件下的塊體安全系數(shù)i為無支護條件下第i個節(jié)理面的剪力;τi為第i個節(jié)理面的剪切強度;s為滑動方向;Fs為無支護條件下的塊體安全系數(shù)為支護條件下第i個節(jié)理面的剪力。

3.2 塊體穩(wěn)定性分析

斷層、巖脈接觸面及節(jié)理相互組合，對井壁圍巖穩(wěn)定極為不利。為進一步分析其對下部井壁巖體的影響，避免大規(guī)模塌方和堵井的發(fā)生，通過UNWEDGE計算，搜索可能出現(xiàn)的最不利結(jié)構(gòu)面組合，得到下方1 086～1 040 m高程最大不穩(wěn)定塊體(編號2塊體)，如圖5所示，該塊體由F363斷層、巖脈接觸面和節(jié)理面(產(chǎn)狀172°∠82°)裂隙組成，出露于井壁的西側(cè)，距井壁最大尺寸為2.89 m。

圖5 UNWEDGE計算得到塊體分布Fig.5 Block location gained by UNWEDGE calculation

依據(jù)勘察試驗資料［18］，結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)選擇見表1，計算結(jié)果表明，在未支護情況下2號塊體的安全系數(shù)僅為0.1，因此，在后續(xù)開挖過程中，需提前進行加固處理，防止井壁失穩(wěn)破壞。

表1 結(jié)構(gòu)面力學參數(shù)表Table 1 The mechanic parameters of structure surfaces

3.3 不良地質(zhì)段處理措施

在1 086 m高程以下，豎井設計Ⅳ類圍巖系統(tǒng)錨桿長度 L=4.0 m，間距2.0 m ×2.0 m。由于斷層寬度為0.4～1.0 m，支護需要穿過的不穩(wěn)定塊體最大尺寸應取3.89 m，因此將系統(tǒng)錨桿調(diào)整為:間距1.5 m×1.5 m，直徑 Φ25，長度4.5 m 或 6.0 m，間隔布置。根據(jù)裂隙發(fā)育情況，在垂直裂縫面適當增加隨機錨桿，隨機錨桿采用直徑 Φ25，長度 4.0 m或 6.0 m。UNWEDGE支護后井壁模型如圖6所示，計算得到2號最大不穩(wěn)定塊體安全系數(shù)為3.6，滿足穩(wěn)定要求。

圖6 不穩(wěn)定塊體支護模型Fig.6 The support model of unstable block in UNWEDGE

由于引水豎井為永久工程，深度較大，運行期需承受較大水壓力，為減小不穩(wěn)定塊體對后期襯砌的影響，在原有支護方案的基礎上，增加一層鋼筋格柵，支護范圍為1 086～1 040 m高程，垂直向間距為3.0 m。環(huán)向鋼筋采用Φ32的螺紋鋼，豎向鋼筋采用Φ16螺紋鋼，間距均為30 cm，如圖7所示。

2014年12月，2號豎井擴挖全部完成，根據(jù)井壁位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，該不良地質(zhì)段圍巖變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，支護效果良好。

圖7 環(huán)形鋼格柵加強支護Fig.7 The strengthening support of annular steel grate

4 結(jié)語

依據(jù)CCS水電站2號引水豎井開挖揭露的地質(zhì)情況，運用UNWEDGE軟件，對豎井下部1 040～1 086 m高程不良地質(zhì)段可能形成的不穩(wěn)定塊體進行分析，并提出了支護處理措施。通過計算分析得到主要結(jié)論如下:

(1)斷層、巖脈及節(jié)理面的相互交切在豎井1 040～1 086 m高程段形成不穩(wěn)定塊體。

(2)2號最大不穩(wěn)定塊體需要支護的錨桿長度至少為3.89 m，井壁系統(tǒng)支護錨桿長度增加為4.5 m、6.0 m，間隔布置，間距縮小為1.5 m。

(3)環(huán)向鋼筋格柵是處理豎井不穩(wěn)定塊體的有效加固措施。目前，CCS水電站2號引水豎井已開挖完成，現(xiàn)場位移監(jiān)測資料證實該段巖體穩(wěn)定性良好。

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