高第二主应力条件下大跨度洞室围岩变形破坏特征分析及支护措施

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(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

1 研究背景

地下工程的不确定性因素使得每个地下工程都具有自身的特殊性，尤其是大型地下洞室群单洞室规模大、洞群间纵横交错、挖空率高，赋存环境的不确定性因素影响更为显著，因此设计和施工的难度更大[1-3]。

猴子岩水电站地下厂房区域地质构造复杂，洞室群埋深大，位于以构造应力为主的高—极高地应力区，厂区实测最大地应力为36.43 MPa，第二主地应力也较高，达到29.82 MPa。但岩体强度中等，饱和单轴抗压强度60～100 MPa，属中硬脆性岩，围岩强度应力比偏低，约1.65～2.74，这在国内已建和在建的大规模地下厂房中较为罕见。以往在高地应力、低强度应力比条件下修建的地下厂房，其第二主应力水平明显低于第一主应力，比如锦屏一级地下厂房，其实测最大第一、第二主应力范围分别为20～35.7 MPa和10～20 MPa[4]，进行地下厂房布置时，可以通过调整厂房轴线，尽量减小厂房轴线与第一主应力的夹角来降低高地应力对洞室高边墙的不利影响。然而，猴子岩地下厂房区域第二主应力水平也比较高，高地应力对洞室高边墙的影响不能通过厂房轴线的调整来有效降低，在高地应力(特别是第二主应力水平也较高)、断层、挤压破碎带等复杂地质构造以及大范围施工扰动等因素综合作用下，洞室稳定问题非常突出，施工过程中出现的典型现象有围岩松弛深度大、变形量值大、支护结构的负荷普遍较高。这些特点为猴子岩地下厂房洞室群开挖施工和支护设计带来较大挑战。

鉴于上述问题，本文主要根据施工期洞室的位移监测资料、支护力监测资料、声波检测资料以及施工过程中出现的变形破坏现象，对高第二主应力、复杂地质条件下大跨度地下洞室变形破坏特征进行归纳，就围岩变形破坏机理进行初步探讨，并根据支护效果总结高第二主应力下支护设计的教训和经验。

2 工程概况

猴子岩水电站地下厂房洞室群位于大渡河右岸，主要由主厂房、主变室、尾水调压室3大洞室及其附属洞室组成(见图1)，水平埋深280～510 m，垂直埋深400～660 m，3大洞室平行布置，洞室间岩柱厚度约为45.0 m。厂房轴线N61°W，厂内安装4台机组，总装机容量1 700 MW。主厂房开挖尺寸为219.5 m×29.2 m×68.7 m(长×宽×高)，主变室开挖尺寸为139.0 m×18.8 m×25.2 m(长×宽×高)，尾水调压室开挖尺寸为140.5 m×23.5 m×75.0 m(长×宽×高)。

图1 猴子岩水电站地下厂房布置

2.1 地下厂房区基本地质条件

地下厂房区岩体主要为泥盆系下统白云质灰岩和变质灰岩，岩体以微风化—新鲜的中厚层—层状结构为主，局部薄层状结构，无大型区域断裂穿过，主要发育一些次级小断层、挤压破碎带以及节理裂隙，岩体完整性总体较好。围岩类别以Ⅲ类为主，占88.5 %。次级小断层走向以N60°～80°W为主，倾角以中陡倾为主，小断层的主错带多充填碎粒岩、粉碎岩，带宽以0.01～0.05 m为主，最厚可达0.8 m，对洞室稳定影响最大的断层位于主厂房下游侧，主要有f-1-1-3(N50°W/NE∠75°)，fm1(N70°W/NE∠65°)，fm3(N70°W/NE∠65°)，fm4(N70°W/NE∠65°)4条断层，范围涵盖1#—3#机组(见图2)；挤压破碎带多为层间挤压带，产状以层面产状为主，挤压破碎带内多充填碎裂岩、碎片岩，少量粉碎岩，挤压紧密，带宽0.01～0.1 m为主，部分厚达0.6 m，以4#机组段开挖揭示的挤压破碎带规模最大，影响范围最广，平均影响带宽20 m，与厂房纵轴线夹角约30°(见图3)；节理裂隙走向以N60°～70°E(层面)，N20°～70°W，N80°～90°W为主，倾角以中陡倾为主，缓倾角裂隙较少。

图2 主厂房下游侧断层分布

图3 主厂房、主变室裂隙密集带分布

地下厂房区应力以构造应力为主，最大主应力方向为NWW～SEE向。实测应力值最大的测点位于埋深约230 m的平洞内，σ1为36.43 MPa，σ2为29.8 MPa,σ3为22.32 MPa，主厂房轴线方向与σ1小夹角相交，σ2方向与洞轴线大角度相交。实测地应力方位角与厂轴线、岩层走向关系见图4。

图4 地应力水平投影方位角与厂轴线、岩层走向关系

地下厂房区岩体中地下水不丰，以渗滴水为主。出现部位主要位于小断层或挤压破碎带。地下厂房围岩物理力学参数值见表1。

表1 地下厂房围岩物理力学参数值

2.2 开挖步序及监测设备布置

猴子岩水电站地下主厂房分9层开挖；第1层开挖高度为13.5 m，第2—5层开挖高度为8.0 m，第6层开挖高度为5.0 m，第7—9层为机窝，开挖总高度为18.2 m。

尾水调压室分8层开挖，除第1层开挖高度为10.3 m，第2—8层开挖高度约为6.5 m。 地下厂房共设6个监测断面：厂横0-014.80断面(安装间)、厂横0+018.80断面(1#机中心)、厂横0+053.10断面(2#机中心)、厂横0+083.80断面(3#机中心)、厂横0+6.30断面(4#机中心)、厂横0+153.81断面(副厂房)。监测设备主要有多点位移计、锚索测力计及锚杆应力计。开挖分层及监测设备布置见图5。

图5 厂房开挖程序及监测设备布置Fig.5 Excavation steps and layout of monitoring instruments

3 施工期围岩的主要变形破坏特征

猴子岩水电站地下厂房洞室群在施工开挖过程中，围岩主要变形破坏现象归纳如下。

3.1 岩爆现象普遍

破坏一般在开挖后的2 h左右开始，贯穿整个开挖施工期，随着混凝土结构的施工破坏趋于缓和，在破坏过程中伴随声音较大的闷响。破坏程度和方式与洞室位置、围岩支护时间、支护型式等有较大关系。一般地，洞室交叉口部位破坏程度最大，这与交叉部位处于双向卸荷状态有关；支护时间越晚，破坏越强烈，图6(a)为未支护的排水廊道的破坏情况，该廊道不仅破坏面积大，且破坏较深、破坏过程具有时效性；支护结构的整体性好，破坏相对较小。岩爆、弱岩爆现象的具体破坏型式表现为围岩呈洋葱式剥离(呈片状、板状排列，见图6(b))、剥落、劈裂、崩射、坍塌，塌方等。岩爆等高地应力型破坏对施工及支护结构的安全影响非常大，这种破坏由于发生突然且常常具有一定动能，极易在施工过程中造成如人员伤亡、设备损毁等灾害性后果。同时，由于围岩内部破裂在很长一段时间内持续发展，围岩变形在很长一段时间内不收敛，对围岩及支护系统的长期安全性产生影响。据统计，喷锚支护后，主厂房边墙喷混凝土裂缝开度大于0.2 cm的超过100条，最长达13 m，最大缝宽11 cm。

图6 排水廊道和尾调室边墙围岩剥离破坏情况

3.2 围岩变形大、破坏深

位移监测资料显示，地下厂房洞室群在开挖施工期变形量值大、变形深度大，部分区域出现锚墩内陷现象，洞室高边墙呈现较明显的围岩大变形特征。主厂房开挖完成后，围岩表面测点位移大于50 mm的测点约占总测点数的17 %，最大变形达158 mm(位于主厂房下游侧，见图7)，主厂房第Ⅳ层开挖后该测点变形量已达到120 mm，远大于国内同等规模、相似地质条件的地下厂房同期开挖变形量(锦屏一级水电站地下厂房位移变形大于50 mm的测点数占总测点数的11 %)，极为罕见[5]。围岩松弛破坏深度一般为6.0～12.2 m，最大松弛深度约15.0 m，钻孔全景图显示松弛破坏区内岩体较破碎，完整性差。主厂房典型声波测试曲线及钻孔全景图像见图8和图9，从图8中可以看出，部分声波孔的低波速区逐渐往深部发展。

图7 厂横0+051.30断面主厂房下游边墙▽1 706.5 m处测点位移过程线

图8 主厂房下游边墙▽1 711 m长观声波不同时间的测试曲线

图9 主厂房钻孔全景图像

围岩的初期变形速率普遍较大，最大变形速率超过10 mm/d。围岩变形发展过程基本呈“台阶式”增长，但受施工开挖及支护工艺影响，呈现较大的区别，特别是支护工艺，对变形发展影响至关重要。支护及时，每级增长台阶基本上可分为变形突变、变形缓增及变形基本收敛等3个阶段，典型变形过程线见图10(a)；支护延迟，变形过程线无显著的变形突变阶段，且变形收敛趋势不明显，甚至不收敛，整个变形过程线基本保持一个变化速率。典型辨别过程线见图10(b)。

图10 典型变形监测过程线

3.3 锚固支护结构负荷水平偏高

根据监测资料，施工开挖期浅层锚固系统(锚杆)及深层锚固系统(锚索)实测应力水平大多较高。锚固系统应力测值与围岩浅表测点位移基本对应，位移量较大的部位，锚固系统相应的应力测值也较大(见图11)。主厂房Ⅳ层开挖前，锚杆应力平均增长率相对较大，此后，由于洞周岩体松弛区往深部发展，浅层岩体松弛卸荷，锚杆应力增长率逐渐降低，部分锚杆甚至出现卸荷现象，而锚索应力持续增长。至主洞室全部开挖结束，主厂房锚杆应力测值超过200 MPa的约占16 %，其中，应力超过仪器量程的约占11 %；主厂房锚索应力测值超过锁定值30 %的约占49 %，其中，应力超过设计荷载值的占22 %。

图11 厂房锚索测力计应力过程线

4 围岩破坏机理分析

洞室开挖后围岩破坏过程是一个复杂的二次应力场调整过程，是洞室的工程地质条件、规模和结构、开挖时序与爆破、支护强度和时机等诸多因素共同作用的结果。工程地质条件是影响洞室围岩变形、破坏的最根本因素。

地下洞室开挖后，围岩应力重新分布，洞室边墙同时受到开挖水平向卸荷产生的张拉作用和竖向加载引起的压剪作用，岩体处于广义拉伸状态，开始产生微裂纹，洞室开挖过程中，张拉和压剪效应逐渐增强，微裂缝发展至贯通，出现宏观裂隙，形成方向大致与边墙平行的劈裂裂缝，裂缝贯通后的岩块最终与母岩脱离，破坏过程示意见图12。

图12 边墙破坏形成示意图

高地应力条件下，对比大跨度、高边墙地下洞室的顶拱、底板、边墙等部位，高边墙的稳定问题更为突出，因此，该类地下洞室布置时通常遵循“洞室轴线方向与围岩主要构造面走向成较大的夹角、与初始地应力场第一主应力水平投影方向成较小夹角”的布置原则，以尽量减小第一主应力作用对高边墙稳定的影响。然而当第二主应力水平也较高时，高地应力对高边墙的影响难以规避，应力越高，开挖前岩体内积累的压缩变形能越大，当第二主应力方向卸荷后，会产生较大的临空向变形，即张拉变形，当变形超过岩体的变形能力时，岩体破裂，而岩体具有高抗压、低抗拉的特性，在原本的压缩变形程度下完好的岩体，在同等程度的张拉变形下则极易发生破坏。猴子岩地下厂区岩体单轴饱和抗压强度为60～100 MPa，虽然第一主应力的水平投影方向与主洞室轴线交角较小，约10°，但第二主应力与边墙几近垂直。在第二主应力量值高、不利作用方向、较低岩体强度等综合因素作用下，边墙变形破坏非常强烈。

5 洞室围岩支护措施

分析猴子岩水电站高第二主应力条件下地下厂房洞室群地质、监测及检测资料，与国内一些条件相似的已建工程进行对比分析，其围岩变形、破坏现象有相似之处，但也有其特殊性，且这种特殊性在国内其他已建和在建工程中极为少见，围岩破坏特性的特殊性决定了其支护的差异。随着猴子岩水电站地下洞室开挖完成，洞室的变形、应力等逐渐趋于收敛，整理围岩支护措施，初步得出如下特点。

5.1 充分发挥浅层支护的作用

洞室开挖卸荷后围岩释放的巨大能量单靠支护结构承担是不可能的，要保证围岩的稳定必须依靠围岩的自承能力。浅层支护的作用就是在洞室开挖后，通过采用锚杆(锚筋束)等支护措施维护洞室浅层岩体的完整性，提高其承载能力，形成承载拱圈，阻碍应力驼峰区往深度发展，提高岩体的自承能力。浅层支护的锚固深度最好位于围岩破坏区范围以外，否则，不仅不能充分发挥浅层支护的作用，还会加重深层支护的负担。

5.2 边墙采用适当的深层支护

高第二主应力条件下边墙的稳定性问题比较突出，猴子岩水电站地下厂房洞室群边墙的变形、应力监测值及变化速率均偏大较多，且变形深度大，部分区域已超过锚杆的作用范围，只靠浅层支护已不能保证围岩的稳定，采用适当的锚索等深层支护措施是必要的。而且，这种环境下的深层支护必须有足够的强度才能提供围岩稳定必需的围压。

5.3 针对性地布置支护

高第二主应力条件下洞室围岩各部位破坏特征差异较大，需分部位，有针对性地布置支护措施及采用差别化的支护参数。如顶拱部位设置锚索主要是解决不利结构面形成的块体问题；拱角部位设置锚索主要是为围岩提供足够的围压，以解决高地应力、低岩石强度环境下应力集中区岩体的劈裂破坏；边墙部位设置锚索主要是为防止该部位在张拉板裂、完整性降低后的异常变形。由于以上3个部位锚索作用不同，锚索强度、长度等参数也有差异。

6 结 论

(1)猴子岩水电站地下厂房洞室群位于地质条件复杂的高第二主应力岩体内，地应力空间差异性大，岩体强度较低，开挖后围岩卸荷松弛显著，变形异常，且围岩的变形破坏具有整体性，为典型的高地应力破坏。围岩变形破坏的分布与地应力分布规律密切相关，总体上受地应力方向和大小控制，同时岩层层面、断层及挤压破碎带等加剧了这种破坏效应。

(2)在高第二主应力作用下，由于围岩破坏机理与一般高地应力环境岩体有区别，岩体破坏表现出的力学特性也不同，洞室围岩的破坏特征也有差异。围岩主要破坏特征表现为：①岩爆等高地应力型破坏剧烈、普遍、随机性强，持续时间长；②围岩在施工开挖期呈现出较明显的大变形特征，且变形速率大，破坏区深度深；③支护结构负荷水平偏高。

(3)高第二主应力环境下洞室开挖后的围岩破坏过程是一个复杂的二次应力场调整过程，是洞室的工程地质条件、规模和结构、开挖时序与爆破、支护强度和时机等诸多因素共同作用的结果。当第二主应力也很大时，洞室高边墙的不利作用难以通过调整洞室轴线来规避，应力越高，开挖前岩体积累的压缩变形能越大，开挖卸荷后产生的张拉变形越大，岩体越容易破坏。

(4)虽然高第二主应力环境的地下洞室围岩支护结构的主要作用是在围岩开挖卸荷及二次应力调整和变形过程中为围岩提供足够的围压，恢复岩体的三向应力状态，增强围岩的自承能力，形成承载拱圈，但其变形、破坏特征及机理的不同决定了其支护结构的不同，应以充分发挥围岩自承能力为目标，有针对性地布置支护措施。

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