莫如軍，樊熠瑋

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

瀑布溝水電站是大渡河梯級(jí)規(guī)劃中的第17個(gè)梯級(jí)，為一等大(Ⅰ)型工程，采用壩式開發(fā)方式。工程樞紐由攔河大壩、泄水、引水發(fā)電、尼日河引水等主要永久建筑物組成。電站最大水頭181.7 m，最小水頭114.3 m，額定水頭154.6/156.7 m，裝機(jī)總?cè)萘? 600 MW(6×600 MW)。地下廠房發(fā)電系統(tǒng)主要由廠房、主變室、尾水閘門室、母線洞、尾水管等建物組成，并以主廠房、主變室和尾水閘門室三大洞室為骨架，形成“上下分層 、前后分列、縱橫交錯(cuò)”的地下洞室群。主廠房、主變室、尾水閘門室均為長(zhǎng)條形洞室，平行布置，巖柱厚度分別為41.95 m和32.70 m，母線洞、尾水連接洞軸線垂直于主廠房。地下廠房洞室群布置見圖1。

圖1 瀑布溝地下廠房洞室群布置(單位：m)

考慮主廠房縱軸線應(yīng)與主要結(jié)構(gòu)面成較大夾角，與最大主應(yīng)力成較小夾角，以及樞紐布置協(xié)調(diào)，綜合分析后確定主廠房走向?yàn)镹42°E。主廠房長(zhǎng)208.6 m，寬30.7 m和26.8 m(巖錨梁上部和下部)，最大高度70.1 m。主變室長(zhǎng)249.1 m，寬18.3 m，高25.975 m，尾水閘門室長(zhǎng)212.085 m，寬16.4 m，高56.35 m。

1 基本地質(zhì)條件

地下廠房系統(tǒng)洞室群布置在左岸山體中，水平埋深240～540 m，垂直埋深200～360 m，圍巖為澄江期中粗粒花崗巖，僅有少量輝綠巖脈分布，多微風(fēng)化～新鮮，主要呈次塊狀～塊狀結(jié)構(gòu)，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，巖性堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，巖石單軸抗壓強(qiáng)度一般在100 MPa以上。

廠房系統(tǒng)內(nèi)無大的斷層，僅有小斷層、擠壓破碎帶和輝綠巖脈破碎帶。輝綠巖脈破碎帶多沿界面發(fā)育而成，以中陡傾角為主，走向多NWW、NW、NE；花崗巖中的小斷層和擠壓破碎帶絕大多數(shù)產(chǎn)狀為N40°～60° W/SW∠20°～40°，寬度多小于50 cm。斷層帶多由碎裂巖、碎塊巖及少量糜棱巖組成，結(jié)構(gòu)擠壓緊密，揭露的小斷層主要有4組：①N60°～80°W/SW∠70°～85°；②N30°～50°E/NW∠60°～80°；③N30°～50°E/SE∠65°～85°；④N30°～50°W/SW∠30°～40°。圍巖中節(jié)理裂隙可歸納為四組：①近SN/E∠50°～70°；②N30°～60°W/SW∠30°～50°；③N30°～60°W/NE∠60°～80°；④N30°～50°E/NW∠50°～70°。

廠區(qū)巖體質(zhì)量可分三大區(qū)：f12、f13斷層以西區(qū)域，小斷層發(fā)育，巖體完整性較差，大多屬Ⅲ類巖體；f7以南區(qū)域，巖體弱風(fēng)化，圍巖質(zhì)量多屬Ⅲ類圍巖；f12、f13斷層以東、f7斷層以北區(qū)域，構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖體完整，多屬Ⅰ、Ⅱ類圍巖。主廠房范圍內(nèi)不能避開的小斷層主要有4條，且其中3條屬巖脈斷層，從斷層主產(chǎn)狀看可分為兩組：一組走向N60°～80°E，傾向NW，包括f9、f9-1；一組走向N70°～75°W，傾向SW，包括f14、f15二條。局部輝綠巖脈、裂隙密集帶、小斷層帶及影響破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類圍巖。廠區(qū)地下水不豐富，局部有滲滴水，滲滴水多沿軟弱結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)，隨著開挖的進(jìn)行，出水量逐漸減小、消失，對(duì)圍巖穩(wěn)定無大的影響。廠區(qū)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力σ1為21.1～27.3 MPa，屬中-高地應(yīng)力量級(jí)。

2 地下廠房洞室群開挖

2.1 開挖原則

(1)開挖要有利于保護(hù)洞室圍巖的完整性，避免過度擾動(dòng)和破壞圍巖，避免使圍巖出現(xiàn)不利的應(yīng)力狀態(tài)和承載條件，盡量減少洞室之間的施工干擾。

(2)開挖要有利于適時(shí)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，發(fā)揮支護(hù)效用。

(3)要在滿足施工組織設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選取對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定影響較小的開挖方案。

2.2 開挖方案

瀑布溝地下廠房洞室群開挖程序借鑒了類似工程經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)三維非線性優(yōu)化分析研究，原設(shè)計(jì)推薦采用將主廠房、主變室、尾水閘門室三大主體洞室“錯(cuò)洞、錯(cuò)層、錯(cuò)段”開挖、對(duì)母線洞、尾水管及連接洞、排風(fēng)排煙豎井、電梯電纜豎井等洞室采用“跳洞、錯(cuò)段、適時(shí)”的開挖程序方案，主副廠房自上而下共分為Ⅸ層進(jìn)行開挖，主變室開挖滯后主廠房、尾水閘門室1～2期(厚12～20 m)，以利洞室圍巖穩(wěn)定。地下廠房洞室群施工開挖分層見圖2。

圖2 地下廠房洞室群施工開挖分層示意

瀑布溝水電站地下廠房系統(tǒng)工程于2004 年1 月開工，后受“10·27移民聚集事件”影響，施工于2004年10月27日停工，2005年9月19日復(fù)工，總工期延遲了10個(gè)多月時(shí)間。為達(dá)到瀑布溝水電站地下廠房首臺(tái)機(jī)組提前發(fā)電的要求，原有的施工開挖方案已不能滿足施工進(jìn)度要求，故在施工過程中，承包商對(duì)原設(shè)計(jì)地下廠房洞室群開挖程序進(jìn)行了較大幅度調(diào)整，采用了三大洞室“平行開挖”、大幅擴(kuò)挖廠房上游邊墻內(nèi)排水廊道(2號(hào))、加大分層開挖爆破力度(中部開挖層)、尾水管洞及其連接洞提前開挖、母線洞及1號(hào)電梯電纜豎井開挖爆破和襯砌施工大幅滯后(廠房高邊墻形成后) 的施工程序。實(shí)際開挖過程如圖3所示。

3 地下廠房洞室群的支護(hù)設(shè)計(jì)

地下洞室圍巖支護(hù)的目的是通過加固圍巖，提高圍巖的力學(xué)強(qiáng)度，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，限制圍巖變形，充分發(fā)揮圍巖自承能力，維護(hù)巖體穩(wěn)定。根據(jù)瀑布溝電站的地質(zhì)條件，為充分發(fā)揮巖體的自身承載能力，地下洞室群普遍采用噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)。

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)原則

(1)以已建工程經(jīng)驗(yàn)和工程類比為主，巖體力學(xué)數(shù)值分析為輔。

(2)以圍巖分類為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的圍巖類別和洞室功能，采用不同的支護(hù)型式。

(3)發(fā)揮圍巖本身的自承能力，以“噴錨支護(hù)為主，鋼筋混凝土襯砌為輔; 以系統(tǒng)支護(hù)為主，局部加強(qiáng)支護(hù)為輔，并與隨機(jī)支護(hù)相結(jié)合”。

(4)對(duì)于有地質(zhì)缺陷的局部洞段和在結(jié)構(gòu)與功能上有特殊要求的洞室，采用噴錨支護(hù)和鋼筋混凝土襯砌相結(jié)合的復(fù)合式支護(hù)，即“特殊部位特殊支護(hù)”。

(5)圍巖支護(hù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)施工開挖期所揭露的實(shí)際地質(zhì)條件和圍巖監(jiān)測(cè)及反饋分析成果，動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

瀑布溝地下廠房洞室群錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)以工程類比法為主，通過數(shù)值模擬分析對(duì)擬定的洞室圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行三維有限元計(jì)算，提出適合本工程所需的支護(hù)參數(shù)。根據(jù)工程類別及計(jì)算分析，最終確定采用的支護(hù)方案為：除尾水管及其連接洞、尾水閘門室平臺(tái)以下、母線洞、1號(hào)2號(hào)電梯電纜豎井、尾水隧洞及部分洞室交叉因水力學(xué)或結(jié)構(gòu)要求采用復(fù)合襯砌支護(hù)外，其余洞室主要采用噴錨支護(hù)。地下廠房三大洞室支護(hù)參數(shù)見表1。

圖3 廠房洞室群施工開挖時(shí)序

表1 三大洞室噴錨支護(hù)參數(shù)

3.3 加強(qiáng)支護(hù)

由于承包商采用地下廠房三大洞室平行開挖方案，該方案對(duì)洞室群的圍巖穩(wěn)定、變形和支護(hù)產(chǎn)生了一些不利影響。同時(shí)在施工過程中，三大洞室開挖普遍存在因開挖爆破控制不好、支護(hù)滯后的問題，惡化了圍巖的穩(wěn)定條件，受“10·27”事件停工影響近一年，圍巖受到不同程度的損傷，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)松弛變形、爆破松動(dòng)、混凝土噴層開裂及脫開等工程現(xiàn)象。

為確保洞室圍巖施工期和運(yùn)行期的穩(wěn)定和安全，在施工過程中，需及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，對(duì)洞室群頂拱、高邊墻、交岔口等部位，開挖爆破變形較大部位、開裂明顯部位及出現(xiàn)不同程度的不穩(wěn)定楔形體的部位，進(jìn)行局部加強(qiáng)支護(hù)。主要加強(qiáng)支護(hù)措施如下：

3.3.1 主廠房

①廠房頂拱局部增設(shè)錨筋樁加固，3Φ32、L為12～15 m每排3根、排距2.4～4.8 m。并采用掛網(wǎng)鋼筋Φ16、間排距10 cm、噴混凝土厚25 cm。

②廠房上游邊墻距巖壁梁上拐點(diǎn)以上1 m處局部增設(shè)2排錨桿Φ32、L為9 m、間排距1.5 m。巖壁吊車梁的下拐點(diǎn)局部增設(shè)3排Φ32、L為9 m間距1.5 m的加強(qiáng)錨桿。主廠房上游邊墻出露的巖脈斷層f14(βμ)范圍設(shè)置掛網(wǎng)鋼筋Φ8@20 cm×20 cm，寬度超出巖脈斷層及巖脈兩側(cè)各1 m，掛網(wǎng)鋼筋隨邊墻下臥至高程666.20 m，掛網(wǎng)鋼筋與外露系統(tǒng)錨桿焊接。在685.70～677.70 m高程，局部增設(shè)錨筋樁 3Φ28、L為12 m加固錨筋樁，間排距2.0 m。

③主廠房下游邊墻6條母線洞范圍上部局部段巖壁吊車梁上的2排受拉錨桿長(zhǎng)度加長(zhǎng)，原Φ40、間距70 cm、L為13.1 m的錨桿調(diào)整為Φ40間距70 cm、L為15.1 m，伸入巖石12 m，原Φ40、間距70 cm、L為12.7 m的錨桿調(diào)整為Φ40、間距70 cm、L為14.7 m，伸入巖石12 m，在下排受拉錨桿和水平錨桿之間增加1排Φ40間距70 cm、L為14.7 m的錨桿。主廠房下游邊墻出露的巖脈斷層f14范圍設(shè)置掛網(wǎng)鋼筋Φ8@20 cm×20 cm，寬度超出巖脈斷層及巖脈兩側(cè)各1 m，掛網(wǎng)鋼筋隨邊墻下臥至高程666.20 m，對(duì)出露在5號(hào)母線洞側(cè)巖脈斷層f14進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理。

3.3.2 主變室

①主變室在6號(hào)、5號(hào)、4號(hào)母線洞對(duì)應(yīng)的主變室上游側(cè)頂拱增設(shè)2排錨筋樁3Φ28、L為12 m、間排距1.5 m。局部還增設(shè)加強(qiáng)錨桿Φ28～32、L為7～12 m、間排距1.2 m，并采用掛網(wǎng)鋼筋Φ8，間排距20 cm，噴混凝土10 cm。

②邊墻局部增設(shè)錨桿Φ28～32、L為7～9 m、間排距1.5 m，并采用掛網(wǎng)鋼筋Φ8@20 cm×20 cm，噴C25混凝土，厚15 cm。

3.3.3 尾水閘門室

①上游側(cè)頂拱局部設(shè)置加強(qiáng)錨桿，采用Φ28錨桿、L為7 m、間排距1.2 m。

②右邊墻局部增設(shè)5排Φ28錨桿、間排距1.5 m、長(zhǎng)度L為7 m。對(duì)邊墻出露的輝綠巖脈斷層f14設(shè)置掛網(wǎng)鋼筋Φ8@20 cm，寬度兩側(cè)各超出1.0 m，并噴混凝土C20厚12 cm，掛網(wǎng)鋼筋與外露錨桿焊接。上游在原施工完成錨索周邊局部?jī)?nèi)插4～8根加強(qiáng)錨索。

3.3.4 母線洞

在左側(cè)邊墻局部范圍增設(shè)錨筋樁，3Φ28、間排距1.5 m、L為8 m，并對(duì)邊墻裂縫進(jìn)行了固結(jié)漿。

3.3.5 尾水管

1～5號(hào)尾水管頂板及邊墻局部增設(shè)錨筋樁，3Φ32、間排距2.0 m、L為15 m。

4 地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 數(shù)值模擬計(jì)算分析

在初步設(shè)計(jì)及招標(biāo)、技施階段，采用準(zhǔn)三維有限元及三維有限元計(jì)算方法進(jìn)行了地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析，計(jì)算內(nèi)容包括地下廠房洞室群分期開挖和支護(hù)穩(wěn)定特性分析、地下廠房三維整體分期開挖和錨固支護(hù)穩(wěn)定特性分析對(duì)地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定特性影響分析等?，F(xiàn)以三維整體分期開挖和支護(hù)穩(wěn)定特性分析為代表，計(jì)算成果如下：

(1) 開挖支護(hù)完畢后，除了洞室交叉口和斷層穿過局部區(qū)域圍巖的破壞區(qū)仍然稍大外，洞周的圍巖破壞基本限制在4～5 m范圍內(nèi)。

(2) 開挖支護(hù)完畢后，主廠房、主變室頂拱的徑向應(yīng)力為-2.9 MPa，頂拱的切向應(yīng)力為-28～-31 MPa，主廠房?jī)啥斯白帀簯?yīng)力值為-61.65 MPa，主變室和尾閘室拱座處的應(yīng)力為-35.96 MPa。主廠房、主變室、尾閘室三大洞室頂拱的拉應(yīng)力值達(dá)到0.57～3.86 MPa，沿洞室縱軸線方向的噴層拉應(yīng)力變化不是太大；洞室頂拱的壓應(yīng)力值較小，其值分布在-0.78～-2.81 MPa，且分布比較均勻。

主廠房頂拱的錨桿應(yīng)力大部分達(dá)到105～185 MPa，局部達(dá)到235～260 MPa。主變室和尾閘室頂拱的錨桿應(yīng)力值在80～159 MPa之間。主廠房洞室上游邊墻錨桿應(yīng)力值一般為78～180 MPa，下游邊墻的錨桿應(yīng)力值大部分達(dá)到118～290 MPa，主變室和尾閘室邊墻的錨桿應(yīng)力值一般分布在70～240 MPa。

(3) 洞室開挖支護(hù)完畢后，主廠房洞室頂拱、主變室、尾閘室頂拱的位移分別為1.84 cm、0.76 cm和0.15 cm。主廠房上下游邊墻的位移達(dá)到3.0～5.86 cm；主變室上下游邊墻的位移較小，位移值為1.1～1.83 cm；調(diào)壓井上游邊墻的位移較小，其值為1.5～1.87 cm，下游邊墻的位移稍大，位移值為1.18～4.81 cm。

通過整體三維有限元分析，除了洞室交口處和斷層穿過的局部部位外，洞周的變形、應(yīng)力分布狀態(tài)和錨桿應(yīng)力分布均合理。在整個(gè)開挖過程中，圍巖變形和應(yīng)力沒有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，整個(gè)洞室穩(wěn)定是有保證的。

4.2 施工期監(jiān)測(cè)與反饋分析

為了及時(shí)掌握瀑布溝水電站地下廠房施工期圍巖的變形和穩(wěn)定情況，地下洞室群在開挖施工前選取有代表性的典型斷面進(jìn)行了專門監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，共設(shè)置了6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面：廠(橫)0+016.60 m剖面(1號(hào)機(jī)中心)、廠(橫)0+049.60 m剖面(2號(hào)機(jī)中心)、廠(橫)0+115.60 m剖面(4號(hào)機(jī)中心)、廠(橫)0+148.60 m剖面(5號(hào)機(jī)中心)、廠(橫)0+181.60 m剖面(6號(hào)機(jī)中心)、廠(橫)0+221.10 m剖面(副廠房)。截至2019年底，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：

(1)變形情況。洞室變形均以指向洞內(nèi)的收斂變形為主。從變形曲線可以看出，各曲線隨廠房各層的下臥開挖形成了明顯臺(tái)階，當(dāng)各層開挖停止后，變形曲線基本趨于平穩(wěn)，且圍巖總體變形深度未超過系統(tǒng)錨索深度，說明目前圍巖變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)支護(hù)應(yīng)力。絕大部分錨桿應(yīng)力不大，僅有少量錨桿屈服，錨索拉力雖有超過設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象，但基本在設(shè)計(jì)值的125%范圍以內(nèi)，支護(hù)設(shè)計(jì)合理，其總體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，目前圍巖總體穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

數(shù)值分析和施工期監(jiān)測(cè)資料研究表明，瀑布溝水電站采用地下廠房三大洞室平行開挖的方案對(duì)洞室群的圍巖穩(wěn)定和支護(hù)雖產(chǎn)生了一些不利影響，但是通過加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)、及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)措施以及加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理等措施，最終確保了施工期及運(yùn)行期地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定處于受控狀態(tài)，洞周圍巖的位移場(chǎng)分布、塑性區(qū)分布以及錨桿和錨索的受力條件符合一般規(guī)律，洞室群圍巖具有較高的超載安全儲(chǔ)備，整體穩(wěn)定狀態(tài)良好。