陳 俊 濤

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

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大型地下洞室圍巖完整性有效控制方法與應(yīng)用效果

陳 俊 濤

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

對(duì)仙居抽水蓄能電站地下洞室開挖過程中圍巖完整性有效控制方法進(jìn)行了簡述，通過對(duì)圍巖松弛圈進(jìn)行測(cè)試以及對(duì)圍巖地震波檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以確定巖體的完整性，為開挖爆破參數(shù)的調(diào)整及支護(hù)形式的確定提供了評(píng)判依據(jù)，確保了開挖過程中的安全性。

地下洞室；圍巖松弛圈；圍巖地震波；控制方法；應(yīng)用效果；仙居抽水蓄能電站

1 概 述

仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣湫山鄉(xiāng)境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為375 MW的立軸單級(jí)混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組(國內(nèi)單機(jī)最大)，總裝機(jī)容量為1 500 MW，年平均發(fā)電量為25.125億kW·h，年平均抽水電量為32.63億kW·h。

該電站主要地下洞室為主副廠房洞、主變洞等，其中主副廠房洞總長為176 m，下部開挖寬度為25 m，上部開挖寬度為26.5 m，最大開挖高度為55 m。副廠房、主廠房、安裝場從左到右呈“一”字型布置于主副廠房洞內(nèi)，其中主廠房長113 m；安裝場長44.5 m，開挖高度為25.7 m；副廠房長18.5 m，寬度上下相同，為25 m，最大開挖高度為51.5 m。主變洞工程位于主副廠房洞下游，兩洞凈距38.3 m；主變洞開挖尺寸為169.7 m×19.5 m×22.5 m(長×寬×高)，與主副廠房通過交通電纜洞、主變運(yùn)輸洞及4條母線洞相連，與尾閘洞通過尾閘交通洞相連。

廠房頂拱出露巖性為角礫凝灰?guī)r，巖體完整～較完整，部分受節(jié)理、巖脈切割的影響，完整性差～較破碎。斷層有f(48)和F(49)，其中，f(48)規(guī)模較小，F(xiàn)(49)雖有一定規(guī)模且性狀較差，但其傾角較陡，與洞軸線交角達(dá)75°～85°，對(duì)洞室整體穩(wěn)定不會(huì)有太大的影響，故廠房圍巖穩(wěn)定主要受結(jié)構(gòu)面組合控制。f(48)和βμ-⑤交角大，與其它陡傾角節(jié)理形成的組合為倒四棱錐體，對(duì)頂拱圍巖無大的不利影響，但兩者交接部位(斷層局部、巖脈的下盤巖體)可能會(huì)出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，需加強(qiáng)支護(hù)處理。根據(jù)結(jié)構(gòu)面組合分析，斷層或節(jié)理①或②與④、⑤互相組合可形成楔形體，從鉆孔揭示的地質(zhì)條件看，在頂拱高程附近有少量緩傾角節(jié)理發(fā)育，因此，在地下廠房頂拱局部可能存在陡、緩傾角節(jié)理不利組合產(chǎn)生的不穩(wěn)定楔體。其它主要節(jié)理(優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面)組合對(duì)頂拱圍巖基本無影響，僅有局部隨機(jī)節(jié)理與上述主要節(jié)理構(gòu)成隨機(jī)塊體。

邊墻部位圍巖穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面組合控制，推測(cè)廠房區(qū)④、⑤組節(jié)理發(fā)育，與①或②組節(jié)理組合可在邊墻形成不穩(wěn)定塊體。另外，③組節(jié)理在PD10平洞內(nèi)密集發(fā)育，間距3～5 cm，節(jié)理面充填鈣膜，出露于主廠房上游邊墻上游50 m外且與邊墻近平行，若該組節(jié)理發(fā)育范圍在深部向下游擴(kuò)大，則邊墻巖體可能較破碎并影響邊墻圍巖的穩(wěn)定，尤其是上游邊墻。主副廠房右端墻出露斷層f(48)和βμ-⑤巖脈，兩者交于右端墻，由于巖脈在平硐性狀較差，與圍巖接觸面有擠壓現(xiàn)象，故該部位圍巖穩(wěn)定性差；①組節(jié)理與廠房左端墻呈小交角相交，受開挖卸荷影響可沿節(jié)理產(chǎn)生卸荷拉裂或形成片幫。總之，地下廠房無大的不利結(jié)構(gòu)面組合，圍巖穩(wěn)定性好。

主變洞平行布置于廠房下游，圍巖為新鮮、堅(jiān)硬的角礫凝灰?guī)r和少量的凝灰質(zhì)砂巖，巖體完整～較完整，工程地質(zhì)條件與廠房類似，圍巖穩(wěn)定性總體較好，其頂拱亦存在節(jié)理①或②與④、⑤互相組合，形成局部不穩(wěn)定楔體；花崗閃長斑巖脈γδπ-(14)斜切上下游邊墻，與斷層F(49)及節(jié)理①和④組合，在上游邊墻可形成里小外大的不穩(wěn)定楔體。另外，該巖脈與邊墻交角小，其上游邊墻的上盤和下游邊墻的下盤巖體受節(jié)理切割的影響，穩(wěn)定性差。

2 對(duì)圍巖完整性采取的有效控制方法

在仙居抽水蓄能電站地下洞室中，對(duì)圍巖實(shí)施完整性有效檢測(cè)和控制的手段有兩個(gè)：一個(gè)是圍巖松弛圈測(cè)試，另一個(gè)是圍巖地震波檢測(cè)。

2.1 圍巖松弛圈測(cè)試方法

地下洞室開挖后，由于側(cè)面應(yīng)力的消失，洞壁表面的巖體將發(fā)生缺荷回彈而使洞周巖體內(nèi)部引起應(yīng)力重新分布，在洞室周圍形成三個(gè)不同的應(yīng)力區(qū)域：即應(yīng)力松弛帶、應(yīng)力增加帶和初始應(yīng)力帶，應(yīng)力松弛帶內(nèi)的圍巖聲波速度將有所降低；另外，由于洞室開挖爆破，使洞壁圍巖的完整性受到一定程度的破壞，形成結(jié)構(gòu)松弛帶而降低圍巖的聲波速度。因此，通過洞壁鉆孔測(cè)試洞周徑向巖體的聲波速度變化及趨勢(shì)可以確定洞室圍巖松弛圈的范圍。

測(cè)定地下洞室松弛圈的范圍采用單孔聲波法。在測(cè)孔位置鉆一個(gè)直徑不小于50 mm的鉆孔，把一發(fā)雙收聲波換能器放入孔中，利用其中一只換能器發(fā)射聲波，另兩只換能器接收聲波，讀取兩只接收換能器聲波初至的時(shí)間差，將兩只接收換能器的間距除以時(shí)間差即為接收換能器所在位置孔壁巖體的聲波速度。將鉆孔深度各測(cè)點(diǎn)的聲波速度繪制成孔深～聲速曲線圖，根據(jù)鉆孔聲波速度的變化及趨勢(shì)，確定松弛巖體的位置及深度。

2.2 圍巖彈性波測(cè)試方法

由于巖體的巖性、完整程度、風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)面特征等地質(zhì)因素直接決定著巖體的力學(xué)性質(zhì)和彈性波在巖體中的傳播速度，利用實(shí)測(cè)的巖體縱、橫波速度及由其計(jì)算的動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比和完整性系數(shù)等巖體力學(xué)參數(shù)可以評(píng)價(jià)巖體的質(zhì)量，并將其作為劃分巖體類別的重要依據(jù)。

在主廠房和主變洞每層開挖完成或引水洞、尾水洞各測(cè)段開挖完成，在噴錨支護(hù)前的裸巖上立即進(jìn)行彈性波測(cè)試。在主廠房洞、主變洞的每層上下游邊墻或引水洞、尾水洞上下游邊墻布置測(cè)線，沿測(cè)線布置彈性波相遇觀測(cè)系統(tǒng)，每個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)(排列)長度為11 m，將12只水平檢波器用石膏固定在測(cè)線上，各檢波器間距為1 m，在排列兩端1～3 m處用大錘沿測(cè)線方向錘擊，以最大程度地激發(fā)彈性波縱波信號(hào)，選擇初至清晰的縱波記錄并保存下來，得到2張地震波縱波記錄。然后在排列兩端3～5 m用大錘在垂直測(cè)線的兩個(gè)相反方向分別錘擊巖壁，以最大程度地激發(fā)上下兩個(gè)方向的橫波信號(hào)，選擇同相軸清晰的橫波記錄并予以保存，得到4張橫波波形記錄。在縱波記錄上讀取各點(diǎn)的縱波初至?xí)r間，在橫波記錄上讀取各點(diǎn)的橫波同相軸相位時(shí)刻，分別繪制縱波和橫波時(shí)距曲線，利用差數(shù)時(shí)距曲線法分別求取圍巖的縱波速度和橫波速度，進(jìn)而計(jì)算圍巖的動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比、完整性系數(shù)和風(fēng)化波速比等物理力學(xué)參數(shù)。圍巖彈性波縱波記錄情況見圖1，橫波記錄情況見圖2。

3 有效控制松弛圈施工技術(shù)的實(shí)施

3.1 有效控制松弛圈的檢測(cè)內(nèi)容及技術(shù)要求

3.1.1 有效控制松弛圈的檢測(cè)內(nèi)容

在主副廠房洞布置了4個(gè)松弛圈聲波檢測(cè)斷面，其中廠房布置3個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置了13個(gè)鉆孔，頂拱3個(gè)，每層上、下游邊墻各5個(gè)；安裝場布置1個(gè)斷面、9個(gè)鉆孔，頂拱3個(gè)，每層上、下游邊墻各3個(gè)。各檢測(cè)孔深度為6 m，孔徑不小于50 mm。各斷面按主副廠房洞分層開挖進(jìn)度逐層檢測(cè)。

在主變洞布置了3個(gè)松弛圈聲波檢測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置9個(gè)鉆孔，其中頂拱3個(gè)，每層上、下游邊墻各3個(gè)。各檢測(cè)孔深度為6 m，孔徑不小于50 mm。各斷面按主變洞分層開挖進(jìn)度逐層檢測(cè)。

3.1.2 有效控制松弛圈的檢測(cè)技術(shù)要求

(1)斷面松弛圈聲波檢測(cè)點(diǎn)距為10 cm，測(cè)試前必須通孔并注滿清水，上斜孔宜使用干孔換能器。

(2)圍巖彈性波檢測(cè)點(diǎn)距為1 m，同時(shí)測(cè)試洞壁圍巖的縱波速度和橫波速度，應(yīng)在洞室噴錨或襯砌前完成檢測(cè)工作；根據(jù)圍巖的縱波速度和橫波速度計(jì)算圍巖動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比和完整性系數(shù)等巖體力學(xué)參數(shù)，以評(píng)價(jià)圍巖的質(zhì)量并劃分巖體類別。

(3)應(yīng)及時(shí)掌握現(xiàn)場洞室開挖進(jìn)度，適時(shí)進(jìn)點(diǎn)開展檢測(cè)工作，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況分次分批按期完成。

圖1 圍巖彈性波縱波測(cè)試記錄圖

圖2 圍巖彈性波橫波記錄圖

(4)斷面松弛圈聲波檢測(cè)孔造孔時(shí),應(yīng)注意避開隱蔽埋件(含錨桿)。

3.2 松弛圈檢測(cè)的原理及方法

3.2.1 檢測(cè)原理

松弛層檢測(cè)原理：利用單孔聲波檢測(cè)技術(shù)，把一發(fā)雙收聲波換能器放入孔中，利用一只換能器發(fā)射聲波，另外兩只換能器接收聲波，讀取兩只接收換能器超聲波初至?xí)r間差，將兩只接收換能器的間距除以時(shí)間差即為接收換能器所在位置孔壁巖體的聲波速度。根據(jù)規(guī)范要求，測(cè)試點(diǎn)距一般為10 cm，自孔口向孔底測(cè)試，發(fā)現(xiàn)波速異常時(shí)加密測(cè)試，繪制聲速～深度曲線。

3.2.2 資料整理的方法

(1)巖體完整性資料的整理方法：讀取兩只接收換能器聲波初至的時(shí)間差，把兩只接收換能器的間距(一般為20 cm)除以時(shí)間差即為該深度巖體的超聲波速度。根據(jù)實(shí)測(cè)聲波速度，計(jì)算巖體完整性系數(shù)。

具體的完整性系數(shù)kv計(jì)算公式為：

式中 kv為完整性系數(shù)；vp為縱波速度；vpr為測(cè)區(qū)完整、新鮮巖塊的地震波縱波速度。

巖體的完整性和巖體的波速具有緊密的聯(lián)系，同一巖性的巖體波速越高，其完整性越好。本測(cè)區(qū)巖性為凝灰?guī)r，新鮮、完整凝灰?guī)r塊的聲波速度vpr取6 300m/s。

根據(jù)《水電水利工程物探規(guī)程》(DL/T5010-2005)，可用巖體完整性系數(shù)評(píng)價(jià)巖體的完整性，其完整性分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 巖體完整程度分類表

(2)松弛層界線的確定方法：根據(jù)巖體的完整性及其巖體的聲速和變化趨勢(shì)確定圍巖的松弛層厚度?？紤]不同部位巖體完整程度的差異可能對(duì)松弛層深度判斷的影響，一般取鉆孔深部巖體聲速的平均值作為巖體松弛層的臨界聲速，結(jié)合聲速隨深度的變化情況及巖體完整系數(shù)綜合確定圍巖松弛層厚度。

3.3 松弛圈檢測(cè)的實(shí)施成果

仙居抽水蓄能電站地下廠房松弛圈檢測(cè)共分四個(gè)批次進(jìn)行，鉆孔聲波測(cè)試使用武漢巖海工程技術(shù)開發(fā)公司生產(chǎn)的RS—ST01C智能型巖體聲波測(cè)試儀，設(shè)備性能指標(biāo)均超過《水電水利工程物探規(guī)程》(DL/T5010-2005)的要求，經(jīng)過法定機(jī)構(gòu)的檢定且在有效期內(nèi)。通過檢測(cè)，可有效判定檢測(cè)斷面巖體的松弛厚度范圍和松弛段、非松弛段的巖體完整性。

3.4 松弛圈有效控制檢測(cè)的其他要求

斷面松弛圈聲波檢測(cè)必須緊跟開挖施工進(jìn)度，適時(shí)進(jìn)場，及時(shí)完成并做好與現(xiàn)場土建施工的協(xié)調(diào)、配合工作。具體為以下幾方面：

(1)應(yīng)在鉆孔前通知檢測(cè)單位，檢測(cè)單位應(yīng)及時(shí)進(jìn)場準(zhǔn)備聲波檢測(cè)工作。

(2)施工時(shí)應(yīng)依據(jù)檢測(cè)單的孔位及要求施工，孔徑、孔深、孔斜應(yīng)符合檢測(cè)單的要求，鉆孔應(yīng)平直，孔底巖粉應(yīng)沖洗干凈。

(3)在現(xiàn)場檢測(cè)期間，應(yīng)局部調(diào)整施工安排，減少振動(dòng)和噪音干擾，保證檢測(cè)現(xiàn)場周圍30 m范圍內(nèi)相對(duì)安靜。

(4)頂拱等部位鉆孔檢測(cè)時(shí)，施工單位應(yīng)全程提供登高配合，登高設(shè)備應(yīng)滿足2人登高接近孔口的要求。

(5)廠房洞、主變洞頂拱開挖完成后，應(yīng)盡快鉆孔并完成檢測(cè)，以免因高度過大而造成登高作業(yè)困難。

(6)廠房洞、主變洞每層開挖到位后，應(yīng)及時(shí)鉆孔并完成檢測(cè)工作。

4 圍巖地震波檢測(cè)施工技術(shù)的實(shí)施

4.1 圍巖地震波檢測(cè)原理及方法

4.1.1 圍巖地震波檢測(cè)原理

由于巖體的巖性、完整程度、風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)面特征等地質(zhì)因素直接決定著巖體的力學(xué)性質(zhì)和地震波在巖體中的傳播速度，反之，通過分析地震波在巖體中的傳播速度、振幅、頻率等地震波參數(shù)的相對(duì)變化，可以了解巖體的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和相關(guān)的巖體力學(xué)參數(shù)。

地震波理論和大量的實(shí)踐表明：對(duì)于同一種介質(zhì)，其地震波速度與強(qiáng)度之間有著密切的正相關(guān)關(guān)系。也就是說，對(duì)于同類型的固體材料，地震波速度越高，材料的強(qiáng)度越高；反之，地震波速度越低，材料的強(qiáng)度越低。因此，利用實(shí)測(cè)的巖體縱橫波速度及其計(jì)算出來的動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比、完整性系數(shù)和風(fēng)化波速比等巖體力學(xué)參數(shù)，可以評(píng)價(jià)巖體的質(zhì)量，并將其作為劃分巖體類別的重要依據(jù)。

地震波檢測(cè)是利用先進(jìn)的電子儀器設(shè)備，應(yīng)用地球物理手段以獲取巖體物理力學(xué)參數(shù)為目的。首先，在巖體測(cè)段內(nèi)布置接收檢波器，采用相遇觀測(cè)系統(tǒng)，在排列兩端進(jìn)行錘擊激發(fā)，分別獲取該排列巖體的縱、橫波速度，進(jìn)而計(jì)算巖體動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比、完整性系數(shù)和風(fēng)化波速比等物理力學(xué)參數(shù)。

4.1.2 資料整理方法

根據(jù)野外數(shù)據(jù)記錄，讀出每道記錄的縱橫波初至?xí)r間，根據(jù)初至?xí)r間和傳播距離的關(guān)系畫出時(shí)距曲線，利用時(shí)距曲線求取巖體的縱橫波速度，進(jìn)而計(jì)算巖體動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比、完整性系數(shù)和風(fēng)化波速比等物理力學(xué)參數(shù)。具體的計(jì)算公式為：

式中 vs為橫波速度；γ為重度(根據(jù)測(cè)區(qū)前期地質(zhì)資料，弱風(fēng)化～新鮮凝灰?guī)r采用25.2kN/m3)；g為重力加速度。

4.1.3 巖體完整性評(píng)價(jià)

巖體的完整性和巖體的波速具有緊密的聯(lián)系，同一巖性的巖體波速越高，其完整性越好。根據(jù)本次檢測(cè)成果及浙江仙居抽水蓄能電站華東院設(shè)代處提供的資料，該測(cè)區(qū)新鮮、完整凝灰?guī)r巖塊的地震波縱波速度vpr取5 700m/s。

根據(jù)《水電水利工程物探規(guī)程》(DL/T5010-2005)，可用巖體完整性系數(shù)評(píng)價(jià)巖體的完整性，其完整性分類標(biāo)準(zhǔn)見表2，圍巖風(fēng)化分帶情況見表3。

表2 巖體完整程度分類表

表3 圍巖風(fēng)化分帶表

4.2 圍巖地震波檢測(cè)實(shí)施成果

仙居抽水蓄能電站地下廠房圍巖地震波檢測(cè)共分四個(gè)批次進(jìn)行，彈性波法測(cè)試使用美國GEOMETRIC公司生產(chǎn)的SE12地震儀，該設(shè)備性能指標(biāo)均超過《水電水利工程物探規(guī)程》(DL/T5010-2005)的要求，經(jīng)過法定機(jī)構(gòu)的檢定且在有效期內(nèi)。地震波檢測(cè)通過所測(cè)巖體縱波速度范圍判定完整性巖體、較完整性巖體和完整性差的巖體占所測(cè)段的百分比，繼而分析得出巖體的完整性評(píng)價(jià)。

4.3 圍巖地震波檢測(cè)的其他要求

圍巖地震波檢測(cè)必須緊跟開挖施工進(jìn)度，適時(shí)進(jìn)場，及時(shí)完成并做好與現(xiàn)場土建施工的協(xié)調(diào)、配合工作。具體為以下幾方面：

(1)廠房洞、主變洞每層開挖完成后，沿上下游邊墻進(jìn)行彈性波測(cè)試，應(yīng)在錨噴施工前及時(shí)通知檢測(cè)單位完成檢測(cè)。

(2)將測(cè)試洞段的礦渣清理干凈，洞壁標(biāo)注樁號(hào)。

(3)在現(xiàn)場檢測(cè)期間，應(yīng)局部調(diào)整施工安排，減少現(xiàn)場振動(dòng)和噪音干擾，保證檢測(cè)現(xiàn)場周圍50 m范圍內(nèi)相對(duì)安靜。

5 結(jié) 語

在仙居抽水蓄能電站施工過程中，通過采用松弛圈檢測(cè)和圍巖地震波檢測(cè)等手段，對(duì)爆破開挖后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)分析、判定巖體的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和相關(guān)的巖體力學(xué)參數(shù)，并確定洞室圍巖松弛圈的范圍。對(duì)洞室開挖過程中的安全性分析、爆破參數(shù)調(diào)整和支護(hù)形式的確定富有較強(qiáng)的科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)意義。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017-04-23

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1001-2184(2017)03-0032-05

陳俊濤(1983-)，男，河南三門峽人，項(xiàng)目經(jīng)理助理，工程師，學(xué)士，從事水電工程施工技術(shù)與質(zhì)量管理工作.