层状结构岩体中大型地下洞室的围岩变形与处理分析

２００９年９月　中南水力发电　第３期　层状结构岩体中　大型地下洞室的围　岩变形与　ｊ又７Ｉ　—＿Ｊ　处理分析　张小春　（中国水利水电建设工程咨询中南公司，湖南　长沙４１００１４）　摘　要　以龙滩水电站地下厂房主厂房工程施工实例，采用动态监控、信息化管理的方法进行开挖、支护施工，根　据洞室变形观测资料，结合＿Ｔ况分析，有针对性地提出特殊情况下的应对措施，确保了同岩稳定，为沉积岩地区大　型洞室设计、监理、施＿Ｉ＝积累了经验。　关键词　层状结构岩体大型地下洞室　围岩变形分析处理　１工程简介　之一。　１．２工程地质　１．１工程概况　１．２．１地层岩性　龙滩水电站是红水河梯级开发中的骨干工程．　龙滩水电站厂房系统地下洞室群围岩为三叠系　位于广西壮族自治区天峨县境内的红水河上，工程　中统板纳组轻微变质的浅海深水相碎屑沉积岩组，　规模为大（Ｉ）型，为Ｉ等工程。枢纽左岸布置地下引水　由厚层钙质砂岩、粉砂岩、泥板岩互层夹少量层凝灰　发电系统，装机容量９￣７００ＭＷ。　岩、硅质泥质灰岩组成。其中砂岩、粉砂岩占６８．２％，　在左岸地下式厂房系统０．５ｋｍｚ的区域内布置有　灰岩占１％，属坚硬或中硬岩石；泥板岩占３０．８％，是　大小洞室１２０多条，其中主厂房总长３９８．９０ｍ。上部　板纳组中强度相对较低的岩层。　开挖跨度为３０．７０ｍ．下部开挖跨度２８．９０ｍ，最大开　１．２．２岩石物理力学特性　挖高度达８１．３ｍ。是当今世界上规模最大的地下厂房　地下洞室围岩物理力学特性见表１。　表１室内岩石物理力学特性表　岩石分　风化　密度　（　比重　孔隙　吸水　饱和　平均单轴抗压强度（ＭＰａ）　软化　弹性模量（ＧＰａ）　泊桑　强度　强度　裂强度　抗拉　抗折　水压致　类　程度　ｃｍ３１　率（％）　率（％）　干燥　饱和　系数　静弹　动弹　比　（ＭＰａ１　（ＭＰａ）　（ＭＰａ）　强风化　２．６７　２．７２　２．１１　０．７３　１２８　７８　０．６１　５５．９　砂岩　弱风化　２．６８　２．７２　１．３８　０．５　ｌ６８　１ｌ９　０．７１　６７．４　微　新　２．７３　２．７４　Ｏ－３５　０．１７　１８３　ｌ５５　Ｏ．８５　７７．８　８１．２　０．２５　３．６　３９．１　２５．２　层凝　灰岩　微～新　２．６９　２．７　Ｏ－３７　Ｏ．１】　１７８．７　１３５．１　０．７６　８３．９　０．２４　５．４　２０．７　强风化　２．６８　２．７７　３．６９　１．２４　４３　１８　０．４５　４１．７　泥板岩　弱风化　２．７３　２．７７　１．４７　０．５１　４３．５－４５．８　２３．４　ｏ．５４－　４（】．５　０．８８　５５．３　～微～新　２．７５　２．７７　Ｏ．７３　０．２６　８３．８—１４２　６０．２　ｏ．５４－　８１．６　７６．２　０．２７　２．６　３４．３　３－３　～８５．４　０．７２　砂岩与　泥板岩　微～新　２．７４　２．７６　Ｏ．７３　０．２５　ｌ３８．１　ｌ０２．６　０．７４　８２．２　Ｏ．２５　２．４～　互层　３．８　第３期　张小春层状结构岩体中大型地下洞室的围岩变形与处理分析４７　有少量集中渗流外，一般都是裂隙性渗水。　１．２．３主厂房地质条件　１Ｉ３支护参数　地下厂房布置在左岸山体内，主厂房洞轴线方　支护参数随围岩类别或结构特征而异，主厂房　向Ｎ５０。Ｗ，岩层走向Ｎｌ０ｏ～１５。Ｗ．倾向ＮＥ　５７。～　各类围岩系统支护参数见表２。　６０。。围岩为层状结构岩体，层间错动较发育，变形与　１．４监测仪器　稳定条件较复杂。其新鲜砂岩饱和抗压强度　在主厂房不同部位，根据围岩结构特征。共设置７　１３０ＭＰａ．泥板岩４０～８０ＭＰａ．主厂区８０％以上属质量　个监测断面，各断面不同高程安装有多点位移计，３　较好和质量中等Ⅱ～Ⅲ类同岩．断裂构造相对不发　点式、４点式锚杆应力计，锚索测力计，用于监测围岩　育，仅主安装场区受Ｆ．、Ｆ。。、Ｆ　等断层切割地段稳定　变形与稳定情况。具体见表３。　性较差，可能存在规模不等的特定块体，为Ⅳ类围　另外，分别在主厂房ＨＲ０＋３．００、ＨＬ０＋５２．００、　岩。其中Ｆ．断层产状为Ｎ８５。Ｗ，ＮＥ　８０。，破碎带宽　ＨＬ０＋１５５．００三个断面布置三组围岩松弛变形测试　０．２～０．６ｍ，影响带宽１．０～２．０ｍ．断层内充填未胶结碎　孔。　裂岩、角砾岩、岩屑和断层泥，泥厚２～１０ｃｍ。　围岩节理以ＮＥ向陡倾角节理为主，平均线密　２围岩变形分析　度１～２条／ｍ，节理长度一般小于３ｍ，连续性差，呈闭　２．１开挖、支护方式　合状或石英脉充填，极少夹泥。地应力最大主应力平　主厂房分９层开挖．各层开挖高度５．５～ｌ１．３ｍ不　均值为１２～１３ＭＰａ，方向Ｎ２０。～８０。Ｗ，近水平分布，　等。第１层开挖采用两侧边导洞先行、后中部岩柱拆　侧压力系数１．５～１．９，地应力量级不大。　除的方法：其余各层基本都采用先中部拉槽、后两侧　厂区地下水活动较弱．除个别规模较大的断层　保护层扩挖的开挖方式。开挖爆破采用光面或预裂　表２主厂房系统支护参数表　、、支护参数＼、＼同岩类别　　Ⅱ类　Ⅲ类　Ⅳ类　＼　普通砂浆锚杆　２８Ｌ＝６ｍ／＠３２Ｌ＝９．５ｍ两种规格　ｑ￣２８Ｌ＝６ｍ（普通砂浆锚杆）／　＠２８Ｌ＝６ｍ（普通砂浆锚杆）／　锚杆／１５０ｋＮ预应力锚杆　的普通砂浆锚相间布置，间距　＠３２Ｌ＝９．５ｍ（预应力锚杆）相间　￣３２Ｌ＝９．５ｍ（预应力锚杆）相间　１．５ｍｘ１．５ｍ　布置．间距１．５ｍｘ１．５ｍ　布置．间距１．２ｍｘＩ．２ｍ　预应力锚索　顶拱末布置锚索，边墙均匀布置Ｌ＝２０ｍ／２０００ｋＮ无粘结预应力锚索，内锚段长８ｍ，间排距４．５ｍ；发电　机层以下Ⅳ类围岩区锚索长２５ｍ。　喷混凝土　喷护厚２００ｒａｍ钢纤维混凝土．外加一层厚１５ｍｍ素混凝土保护层　排水　上游侧均匀布置排水孑Ｌ　Ｄ５６Ｌ＝４．５ｍ．布排水肓沟将水引出　表３　主厂房监测仪器布置一览表　断面　桩号　多点位移计ｆ套）　３点式锚扦应力计ｆ套）　４点式锚杆应力计ｆ套）　锚索测力计ｆ套）　Ａ—Ａ　ＨＲ０＋３５．５　７　５　２　２　Ｂ—Ｂ　ＨＩ｜０＋Ｏ．２５　６　ｌ０　１０　２　Ｃ—Ｃ　ＨＬ０＋５１．２５　６　９　４　２　１）一Ｄ　ＨＬＯ＋１５０．２５　７　８　４　２　Ｅ—Ｅ　Ｈ　Ｌ（】＋２５８．２５　７　７　７　２　Ｆ—Ｆ　ＨＬ０＋３０６．２５　３　６　２　Ｇ—Ｇ　左端墙　２　注：表中桩号为厂房洞轴线方向的桩号。　中南水力发电　位移（ｍｍ）　第３期　历时　图ｌ　Ｂ断向监测点Ｊ力时位移曲线圈　四个测点１号、２号、３号、４号分别距临空面２ｍ、６．４ｍ、１２．４ｍ、２５．９ｍ。　表４　Ｂ断面位移量统计表　项目　日最大变化速率（１ｔｌ１］［｜／ｄ）　１．４６５　１．５ｌ５　Ｏ．１２　０．０９　总位移量（ｍｍ１　４４－３１　３８．９２　２．４９　０．９９　１号测点　２号测点　３号测点　４号测点　爆破技术，严格控制单响药量，保证开挖成型良好及　质点震动速度不超标。上游侧９条引水洞和下游侧　９条母线洞开挖遵循“先洞后墙”的要求进行开挖。　支护顺序为：超前锚杆（仅Ⅳ类围岩区用）一砂　（２）Ｆ。断层与洞轴线呈３５。斜切主安装厂。随着　Ｆ　断层及其影响带出露部位逐步扩大，Ｆ　断层以８０。　的陡倾角与上游侧被切脚临空的岩层组合，加上　等小型断层、节理，形成了深度达１８ｍ以上、体积达　浆锚杆一预应力锚杆一喷混凝土一预应力锚索。支　护不得滞后于开挖面３０ｍ，相当于１倍洞径。　２．２围岩位移　２．２＿ｌ位移变化情况　１０　０００ｍ　的大型楔体。从曲线图上可以看出，变化速　率大的点集中在孔口４～８ｍ范围之内，说明只是表层　小型块体产生了错动和滑移．深层大块体变形不大。　（３）该处各类相贯洞室较多，如引水洞、主厂房　进风洞、油气管廊道、排水廊道等，如此之多的洞室　对该楔体形成切割，空间效应明显；另外多次爆破会　不可避免地对围岩造成扰动，松弛区范围较其它部　位大。特别是主厂房深挖对变形影响大，从位移历时　曲线可以看出．２００３年ｌ０月１７日主厂房Ⅳ２层开　主厂房开挖过程中，从监测数据反映的情况看，　围岩变形最大的部分始终集中在Ｂ、Ｃ两个断面上，　即ＨＬ０＋０．００　ＨＬ０＋５５．００段。根据变形最大的一支四　点位移计（位于Ｂ断面上游侧墙）记录的数据绘出围　岩位移历时曲线图（见图１）。　变化情况统计见表４。　２．２．２原因分析　挖，出现第一波变形高峰．变化速率达１．５１ｒａｍ／ｄ（２　号测点）：ｌ１月１６日主厂房第Ｖ层拉槽开挖后．该处　出现第二次围岩应变高峰。　（４）应力不断调整，上部的围岩松弛区在向深　处扩张，导致位于距临空面１２．４ｍ、２５．９ｍ的３号和４　号测点开始产生微量变形。　该部位示意图见图２　从沉积岩的特性及该部位的空间效应分析，不　难看出该部位位移大的原因：　（１）主厂房上游侧岩层斜倾洞室内被开挖切　脚，随着开挖的进展，岩层切脚深度加深，侧墙沿层　面、层问错动产生剪切变形位移逐步加大。　第３期　张小春层状结构岩体中大型地下洞室的围岩变形与处理分析４９　格栅。　上述措施于１２月初实施以来，围岩位移仍在增　加，但增加速率由原来的１．５ｌｍｍ／ｄ降低到现在的　０．５８ｍｍ／ｄ，变形走向平稳，围岩趋于稳定，可见治理结　果非常有效，目前已进行了主厂房Ⅵ层的开挖，该部　位的变形仍在关注之中。　２．３围岩应力　２．３．１位移变化情况　沉积岩变形分析中的一个值得注意的问题是围　岩应力和应变可能有不同步的现象。主厂房最大围　岩位移发生在Ｂ断面上游侧，而该处应力增长与位　移不一致，最大应力部位出现在Ｃ断面下游侧。原因　是沉积岩特有的层间错动及基于泥板岩特有的岩层　倾倒蠕变。　图２　Ｂ—Ｂ断面工程地质示意图　主厂房下游侧岩层向洞内倾倒．ＨＬ０＋０．００　ＨＬ０＋５５．００段泥板岩层强度低、劈理发育。Ｃ断面拱　脚部位应力集中，该处一支三点式预应力锚杆应力　２．２－３处理措施及效果　计反映其应力增长变化情况，见历时曲线图（图３）。　（１）在第二层排水廊道内，以与Ｆ　断层呈较大　变化情况统计见表５。　交角的角度向主厂房施打８根长为２０ｍ的２　０００ｋＮ　２＿３．２原因分析　预应力锚索：　２００２年６月．主厂房第１层左右导洞均已开挖　（２）在主厂房进风洞内设置２３根长２０ｍ锚筋　完毕，６月２５日中部岩柱拆除至ＨＬ０＋８０桩号处，岩　桩：　桩拆除，由于大跨度拱效应．拱脚部位应力集中．根　（３）将主厂房上游侧ＨＬ０＋ｏ．ｏ０～ＨＬ０＋５５．００段预　据历时曲线应力可知，该时段内锚杆应力计１号、２　应力锚索长度由原２０ｍ改为２５ｍ，此针对大型块体；　号测点应力迅速上升至３００ＭＰａ（拉应力）以上并达　（４）在主厂房上游侧墙①引水洞周围增加２根　Ⅱ级钢筋屈服极限；７月初该部位系统支护完成，应　Ｌ＝２５ｍ预应力锚索，以限制该处临空面的自由发展；　力缓慢增长，呈现平衡状态。　（５）层面发育处设置随机锚杆，垂直于层面施　随着主厂房的继续下挖，３号测点应力增长较　打；Ｆｌ断层处设置锁缝锚杆。　快，最大达１３．０７ＭＰａ／ｄ，说明围岩松动圈在扩大，　（６）①、②、③引水洞与厂房相交处各设８榀钢　２００３年４月份第Ⅲ层开挖中部拉槽至ＨＬ０＋６０时．　６００．００　５００．００　４００．００　３００．００　２００．０Ｏ　ｌ００．００　Ｏ．Ｏ０　２００２—４—２４　２００２—８—２２　２００２—１２—２０　２００３—４—１９　２００３—８一ｌ７　２００３—１２—１５　图３　Ｃ断面位移历时曲线图　１号、２号、３号点距临空面分别为０．７５ｍ、１．７５ｍ、３．２５ｍ　５０　中南水力发电　第３期　表５　Ｃ断面应力应变情况统计　项目　预加应力（ＭＰａ）　日最大变化速率（ＭＰａ／ｄ）　总应力（ＭＰａ）　增加的应力（ＭＰａ）　１号测点　１４７－３７　３１．２　５３８．５５　３９１．１８　２号测点　１４６．２４　３２．７３　３５５．０８　２０８．８４　３号测点　１１３．９　１３．Ｏ７　２６５．４２　１５１．５２　该支锚杆应力计２号测点应力以１～２ＭＰＭｄ的速率　力对穿锚索。　持续增长，围岩顺层面倾倒变形明显．直至锚杆断　加强支护完成后，基本缓和了应力突变的趋势，　裂，目前的数据仅供参考。　随着围岩松弛圈的扩大．应力向深部发展，３号测点　主厂房下游侧岩层倾向围岩外侧，倒向洞内．拱　显示．由于强支护的制约，距临空面３ｍ以外应力经　脚部位主应力方向与岩层走向呈一定的角度，沿临　多次调整，已逐步下降。　空面的一个分力致使岩层发生倾倒蠕变：再加上Ｃ　２．４围岩松弛变形　断面处泥板岩层出露，强度相对较低，由于应力集中　主厂房ＨＲ０＋３．００、ＨＬ０＋５２．００、ＨＬ０＋１５５．００三　使得局部破碎，加快了嗣岩倾倒变形。　个断面布置三组围岩松弛变形测试孔，孔深为７ｍ。　另外还有一种可能．即Ｉ层导洞开挖至该桩号　测试围岩纵波波速在４　２３０～５　５２０ｍ／ｓ之间，多次测　时，该处出现顺层面裂缝．于是立即实施了系统支护　量结果表明，同一测点波速随时间推移下降，下降趋　和随机锚杆支护，但围岩仍以较快速率变形．尤其是　势０．４％～３．２％。至２００３年ｌ０月份，主厂房已挖至第　当中柱拆除以后，应力集中更加突出，锚杆无法承受　Ⅳ层，围岩松弛区在０～１．６ｍ之间，塑性区在１．６～　突如其来的应力剧增，应力快速增长。见示意图４。　４．８ｍ之间，４．８ｍ以外围岩为弹性区域。　３结论　３．１龙滩工程地下厂房围岩稳定性初步评价　从龙滩工程地下厂房围岩应力应变及松弛变形　发展情况以及提供的支护抗力。可以从以下几个方　面评价围岩的稳定性。　（１）综合多组不同条件平面有限元分析和地质　力学模型试验结果表明：主厂房洞周围岩最大位移　ｒ—　一　发生在上游边墙的中、下部，位移值小于５５ｍｍ。从现　｝一～一一　一～一　阶段围岩位移情况看，最大位移发生在上游边墙中　（偏上）部，位移值为４４．３１ｒａｍ，与理论计算基本吻　合。根据上游侧大型块体的出露特征。有针对性地实　施了加强支护，有力地扼制了围岩位移的进一步发　展；随着开挖的进一步深人，位移将继续增大，但增　长幅度明显放缓，该处位移有望在５５ｒａｍ处停步。从　提供的锚固力和锚固范围看，大型块体是稳定的。　图４　Ｃ—Ｃ断面下游侧墙工程地质示意图　（２）根据有限元分析，拱座出现应力集中，应力　２－３．３处理措施及效果　集中系数２．０～２．５，压应力最大值已接近围岩中泥板　（１）于拱脚处增加两排ｑ￣３２Ｌ＝９．５ｍ的预应力锚　岩的单轴饱和抗压强度。从本文２．３项对Ａ　，一３锚　杆（１５０ｋＮ）：　杆应力计的分析中可以推定，拱座压应力的集中表　（２）在喷护厚２００ｍｍ钢纤维混凝土内部增加　现在泥板岩劈理和局部破碎、倾倒变形发展、泥板岩　６８＠２００ｍｍ钢筋网，用以限制泥板岩表层劈理发展；　和砂岩之间的层间错动加剧，从而导致锚杆应力计　（３）在主厂房和主变室之问增加２　０００ｋＮ预应　拉应力持续上升，并且出现锚杆断裂的情况。但随着　第３期　张小春层状结构岩体中大型地下洞室的围岩变形与处理分析　５ｌ　强支护的跟进，应力增长得以缓和，并随着开挖的进　（２）特别注重信息化施工，开挖、支护过程中及　展有反弹的趋势。　时测量、分析围岩变形情况是非常必要的，对信息的　（３）围岩松弛变形不明显，原预计Ⅱ、Ⅲ类围岩　反映要迅速及时。　区的塑性破损区深度在２～７．５ｍ之间。但从目前检测　（３）沉积岩地质条件下的层间错动、岩层切脚　结果分析，４．８ｍ以外围岩为弹性区域，且发展幅度不　滑移和倾倒蠕动变形不容忽视。　大，由此可见，主厂房的支护抗力有力地阻止了围岩　（４）泥板岩层的抗压强度较低，出露部位宜尽　塑性区的发展。　早进行喷混凝土支护，防止劈理发育加剧；为充分发　从上述分析可以初步明确，龙滩工程地下厂房　挥围岩的自支撑能力，支护＿Ｔ作应从弱到强均匀施　系统前期地质勘探工作比较深入，提供的理论分析　作．过早的强支护可能适得其反，但过迟的支护可能　与实际情况基本吻合，为主厂房系统支护和随机加　导致围岩松动圈向深层发展。一般来说，支护不宜滞　强支护提供了有力的保证。目前主厂房支护是全面　后于开挖掌子面ｌ～１．２倍洞径的距离。　的、充分的，围岩是稳定的、安全的。　（５）充分重视断层、节理、层面之问的组合块体　３．２沉积岩地区地下洞室施工重点　的治理，运用定性和定量两种方式分析其稳定性。　（１）前期的地质勘探工作举足轻重，勘探工作　收稿日期：２０ｏ７一ｌ２－３０　的深入与否，直接决定着工程的安全、投资和进度。　对地质条件的认识不足将导致安全隐患，增加额外　作者简介　张小春，本科学历，工程师，在中南公司龙滩项目部工作　的经济投入以及影响到工程的投产运行。　期间任工程部主任。　（上接第２４页）水泵失电后导叶拒动．水泵的流量变　分组供水方式时，则上、下游调压室的最低涌波水　化过程可由《水电站调压室设计规范（ＤＬ，ｒ　５０５８—　位．要根据抽水蓄能电站的主结线形式、机组的运行　１９９６））附录Ｃ　Ｃ２－０＿１条图Ｃ４中的折线近似表示。水　方式及接力器的控制系统等条件确定抽水时可能发　泵１＝况断电后调压室的最低下降水位主要受产生飞　生的最不利运行情况来确定ｋ值大小．比如：连接在　逸转速时的逆向流量控制，规范建议取Ｑ　＝一０．８　Ｑ。，　一根主管上的机组抽水时突然断电是部分机组还是　即ｋ＝Ｏ．８，代人公式（１６）得　全部机组偶遇机械系统故障，一般情况下同一根主　：２．１２０４　ｈ　／１Ｖ　．２５５３　丝　ｇｒ　（１７）　管上连接的机组抽水时断电同时出现机械故障的可　能性是极小的，经综合分析确定　值大小；然后与发　若有与选用机组相近的机组的流量特性资料　电时的最低涌浪计算值ｆ使用规范上推荐的公式）比　时，可依据资料找出ｋ值代入公式（１６）求解。若为下　较。只要是抽水工况突然断电导叶拒动，则以上推导　游调压室时。令水位波动方向向下为正，则以上各公　的各公式仍然适用。将不同　值大小对应的ｍ、ｎ、ｔ　式仍然适用。　值列如表１。　若抽水蓄能电站输水发电系统采用联合供水或　结语：在没有条件得到机组的综合特性曲线（包　表１不同ｋ值对应参数表　ｋ　０．１　０．２　０－３　Ｏ．４　Ｏ．５　Ｏ．６　０．７　０．８　ｍ　２．１５８４　２．１４２３　２．１２９７　２．１２０８　２．１１５３　２．１１３５　２．１１５１　２．１２０４　ｎ　１．３４ｌ９　１．３０４９　１．２７６３　１．２５６１　１．２４３９　１．２３９８　１．２４３５　１．２５５３　ｔ　１．２ｌ　１．４４　１．６９　１．９６　２．２５　２．５６　２．８９　３．２４　括发电工况和抽水工况）之前，使用本粗略计算公式　收稿日期：２００９—０８—２７　有助于拟定调压井的合理参数，为输水发电系统的　布置及方案的比较提供设计依据。　致谢　参考资料　感谢中南勘测设计研究院工程院陆文中先生的指导。　１李炜．徐孝平编著．水力学．武汉大学出版社．　作者简介　２刘启钊编著．抽水蓄能电站．河海大学出版社．　郭伟（１９８２～），男，河南睢（ｓｕｉ）县人，从事水电站流道系统　３水电站调压室设计规范（ＯＬｒｒ　５０５８—１９９６）．　设计。