大型地下洞室圍巖完整性有效控制方法與應用效果

陳 俊 濤

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

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大型地下洞室圍巖完整性有效控制方法與應用效果

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行了簡述，通過對圍巖松弛圈進行測試以及對圍巖地震波檢測數據進行分析以確定巖體的完整性，為開挖爆破參數的調整及支護形式的確定提供了評判依據，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境內，為日調節純抽水蓄能電站，安裝4臺單機容量為375 MW的立軸單級混流可逆式水輪發電機組(國內單機最大)，總裝機容量為1 500 MW，年平均發電量為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，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巖，巖體完整～較完整，部分受節理、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)規模較小，F(49)雖有一定規模且性狀較差，但其傾角較陡，與洞軸線交角達75°～85°，對洞室整體穩定不會有太大的影響，故廠房圍巖穩定主要受結構面組合控制。f(48)和βμ-⑤交角大，與其它陡傾角節理形成的組合為倒四棱錐體，對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)可能會出現掉塊現象，需加強支護處理。根據結構面組合分析，斷層或節理①或②與④、⑤互相組合可形成楔形體，從鉆孔揭示的地質條件看，在頂拱高程附近有少量緩傾角節理發育，因此，在地下廠房頂拱局部可能存在陡、緩傾角節理不利組合產生的不穩定楔體。其它主要節理(優勢結構面)組合對頂拱圍巖基本無影響，僅有局部隨機節理與上述主要節理構成隨機塊體。

邊墻部位圍巖穩定性主要受結構面組合控制，推測廠房區④、⑤組節理發育，與①或②組節理組合可在邊墻形成不穩定塊體。另外，③組節理在PD10平洞內密集發育，間距3～5 cm，節理面充填鈣膜，出露于主廠房上游邊墻上游50 m外且與邊墻近平行，若該組節理發育范圍在深部向下游擴大，則邊墻巖體可能較破碎并影響邊墻圍巖的穩定，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象，故該部位圍巖穩定性差；①組節理與廠房左端墻呈小交角相交，受開挖卸荷影響可沿節理產生卸荷拉裂或形成片幫。總之，地下廠房無大的不利結構面組合，圍巖穩定性好。

主變洞平行布置于廠房下游，圍巖為新鮮、堅硬的角礫凝灰巖和少量的凝灰質砂巖，巖體完整～較完整，工程地質條件與廠房類似，圍巖穩定性總體較好，其頂拱亦存在節理①或②與④、⑤互相組合，形成局部不穩定楔體；花崗閃長斑巖脈γδπ-(14)斜切上下游邊墻，與斷層F(49)及節理①和④組合，在上游邊墻可形成里小外大的不穩定楔體。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理切割的影響，穩定性差。

2 對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，對圍巖實施完整性有效檢測和控制的手段有兩個：一個是圍巖松弛圈測試，另一個是圍巖地震波檢測。

2.1 圍巖松弛圈測試方法

地下洞室開挖后，由于側面應力的消失，洞壁表面的巖體將發生缺荷回彈而使洞周巖體內部引起應力重新分布，在洞室周圍形成三個不同的應力區域：即應力松弛帶、應力增加帶和初始應力帶，應力松弛帶內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，形成結構松弛帶而降低圍巖的聲波速度。因此，通過洞壁鉆孔測試洞周徑向巖體的聲波速度變化及趨勢可以確定洞室圍巖松弛圈的范圍。

測定地下洞室松弛圈的范圍采用單孔聲波法。在測孔位置鉆一個直徑不小于50 mm的鉆孔，把一發雙收聲波換能器放入孔中，利用其中一只換能器發射聲波，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間差，將兩只接收換能器的間距除以時間差即為接收換能器所在位置孔壁巖體的聲波速度。將鉆孔深度各測點的聲波速度繪制成孔深～聲速曲線圖，根據鉆孔聲波速度的變化及趨勢，確定松弛巖體的位置及深度。

2.2 圍巖彈性波測試方法

由于巖體的巖性、完整程度、風化程度、結構面特征等地質因素直接決定著巖體的力學性質和彈性波在巖體中的傳播速度，利用實測的巖體縱、橫波速度及由其計算的動彈性模量、動剪切模量、泊松比和完整性系數等巖體力學參數可以評價巖體的質量，并將其作為劃分巖體類別的重要依據。

在主廠房和主變洞每層開挖完成或引水洞、尾水洞各測段開挖完成，在噴錨支護前的裸巖上立即進行彈性波測試。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線，沿測線布置彈性波相遇觀測系統，每個觀測系統(排列)長度為11 m，將12只水平檢波器用石膏固定在測線上，各檢波器間距為1 m，在排列兩端1～3 m處用大錘沿測線方向錘擊，以最大程度地激發彈性波縱波信號，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用大錘在垂直測線的兩個相反方向分別錘擊巖壁，以最大程度地激發上下兩個方向的橫波信號，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的縱波初至時間，在橫波記錄上讀取各點的橫波同相軸相位時刻，分別繪制縱波和橫波時距曲線，利用差數時距曲線法分別求取圍巖的縱波速度和橫波速度，進而計算圍巖的動彈性模量、動剪切模量、泊松比、完整性系數和風化波速比等物理力學參數。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的實施

3.1 有效控制松弛圈的檢測內容及技術要求

3.1.1 有效控制松弛圈的檢測內容

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

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

3.1.2 有效控制松弛圈的檢測技術要求

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

(2)圍巖彈性波檢測點距為1 m，同時測試洞壁圍巖的縱波速度和橫波速度，應在洞室噴錨或襯砌前完成檢測工作；根據圍巖的縱波速度和橫波速度計算圍巖動彈性模量、動剪切模量、泊松比和完整性系數等巖體力學參數，以評價圍巖的質量并劃分巖體類別。

(3)應及時掌握現場洞室開挖進度，適時進點開展檢測工作，根據現場實際情況分次分批按期完成。

圖1 圍巖彈性波縱波測試記錄圖

圖2 圍巖彈性波橫波記錄圖

(4)斷面松弛圈聲波檢測孔造孔時,應注意避開隱蔽埋件(含錨桿)。

3.2 松弛圈檢測的原理及方法

3.2.1 檢測原理

松弛層檢測原理：利用單孔聲波檢測技術，把一發雙收聲波換能器放入孔中，利用一只換能器發射聲波，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時間差，將兩只接收換能器的間距除以時間差即為接收換能器所在位置孔壁巖體的聲波速度。根據規范要求，測試點距一般為10 cm，自孔口向孔底測試，發現波速異常時加密測試，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間差，把兩只接收換能器的間距(一般為20 cm)除以時間差即為該深度巖體的超聲波速度。根據實測聲波速度，計算巖體完整性系數。

具體的完整性系數kv計算公式為：

式中 kv為完整性系數；vp為縱波速度；vpr為測區完整、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系，同一巖性的巖體波速越高，其完整性越好。本測區巖性為凝灰巖，新鮮、完整凝灰巖塊的聲波速度vpr取6 300m/s。

根據《水電水利工程物探規程》(DL/T5010-2005)，可用巖體完整性系數評價巖體的完整性，其完整性分類標準見表1。

表1 巖體完整程度分類表

(2)松弛層界線的確定方法：根據巖體的完整性及其巖體的聲速和變化趨勢確定圍巖的松弛層厚度。考慮不同部位巖體完整程度的差異可能對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，結合聲速隨深度的變化情況及巖體完整系數綜合確定圍巖松弛層厚度。

3.3 松弛圈檢測的實施成果

仙居抽水蓄能電站地下廠房松弛圈檢測共分四個批次進行，鉆孔聲波測試使用武漢巖海工程技術開發公司生產的RS—ST01C智能型巖體聲波測試儀，設備性能指標均超過《水電水利工程物探規程》(DL/T5010-2005)的要求，經過法定機構的檢定且在有效期內。通過檢測，可有效判定檢測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的其他要求

斷面松弛圈聲波檢測必須緊跟開挖施工進度，適時進場，及時完成并做好與現場土建施工的協調、配合工作。具體為以下幾方面：

(1)應在鉆孔前通知檢測單位，檢測單位應及時進場準備聲波檢測工作。

(2)施工時應依據檢測單的孔位及要求施工，孔徑、孔深、孔斜應符合檢測單的要求，鉆孔應平直，孔底巖粉應沖洗干凈。

(3)在現場檢測期間，應局部調整施工安排，減少振動和噪音干擾，保證檢測現場周圍30 m范圍內相對安靜。

(4)頂拱等部位鉆孔檢測時，施工單位應全程提供登高配合，登高設備應滿足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，應盡快鉆孔并完成檢測，以免因高度過大而造成登高作業困難。

(6)廠房洞、主變洞每層開挖到位后，應及時鉆孔并完成檢測工作。

4 圍巖地震波檢測施工技術的實施

4.1 圍巖地震波檢測原理及方法

4.1.1 圍巖地震波檢測原理

由于巖體的巖性、完整程度、風化程度、結構面特征等地質因素直接決定著巖體的力學性質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、頻率等地震波參數的相對變化，可以了解巖體的性質、內部結構特征和相關的巖體力學參數。

地震波理論和大量的實踐表明：對于同一種介質，其地震波速度與強度之間有著密切的正相關關系。也就是說，對于同類型的固體材料，地震波速度越高，材料的強度越高；反之，地震波速度越低，材料的強度越低。因此，利用實測的巖體縱橫波速度及其計算出來的動彈性模量、動剪切模量、泊松比、完整性系數和風化波速比等巖體力學參數，可以評價巖體的質量，并將其作為劃分巖體類別的重要依據。

地震波檢測是利用先進的電子儀器設備，應用地球物理手段以獲取巖體物理力學參數為目的。首先，在巖體測段內布置接收檢波器，采用相遇觀測系統，在排列兩端進行錘擊激發，分別獲取該排列巖體的縱、橫波速度，進而計算巖體動彈性模量、動剪切模量、泊松比、完整性系數和風化波速比等物理力學參數。

4.1.2 資料整理方法

根據野外數據記錄，讀出每道記錄的縱橫波初至時間，根據初至時間和傳播距離的關系畫出時距曲線，利用時距曲線求取巖體的縱橫波速度，進而計算巖體動彈性模量、動剪切模量、泊松比、完整性系數和風化波速比等物理力學參數。具體的計算公式為：

式中 vs為橫波速度；γ為重度(根據測區前期地質資料，弱風化～新鮮凝灰巖采用25.2kN/m3)；g為重力加速度。

4.1.3 巖體完整性評價

巖體的完整性和巖體的波速具有緊密的聯系，同一巖性的巖體波速越高，其完整性越好。根據本次檢測成果及浙江仙居抽水蓄能電站華東院設代處提供的資料，該測區新鮮、完整凝灰巖巖塊的地震波縱波速度vpr取5 700m/s。

根據《水電水利工程物探規程》(DL/T5010-2005)，可用巖體完整性系數評價巖體的完整性，其完整性分類標準見表2，圍巖風化分帶情況見表3。

表2 巖體完整程度分類表

表3 圍巖風化分帶表

4.2 圍巖地震波檢測實施成果

仙居抽水蓄能電站地下廠房圍巖地震波檢測共分四個批次進行，彈性波法測試使用美國GEOMETRIC公司生產的SE12地震儀，該設備性能指標均超過《水電水利工程物探規程》(DL/T5010-2005)的要求，經過法定機構的檢定且在有效期內。地震波檢測通過所測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段的百分比，繼而分析得出巖體的完整性評價。

4.3 圍巖地震波檢測的其他要求

圍巖地震波檢測必須緊跟開挖施工進度，適時進場，及時完成并做好與現場土建施工的協調、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，沿上下游邊墻進行彈性波測試，應在錨噴施工前及時通知檢測單位完成檢測。

(2)將測試洞段的礦渣清理干凈，洞壁標注樁號。

(3)在現場檢測期間，應局部調整施工安排，減少現場振動和噪音干擾，保證檢測現場周圍50 m范圍內相對安靜。

5 結 語

在仙居抽水蓄能電站施工過程中，通過采用松弛圈檢測和圍巖地震波檢測等手段，對爆破開挖后得到的數據進行檢測分析、判定巖體的性質、內部結構特征和相關的巖體力學參數，并確定洞室圍巖松弛圈的范圍。對洞室開挖過程中的安全性分析、爆破參數調整和支護形式的確定富有較強的科學依據和指導意義。

(責任編輯：李燕輝)

2017-04-23

TV7;TV554;TV52;TV51；TV743

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1001-2184(2017)03-0032-05

陳俊濤(1983-)，男，河南三門峽人，項目經理助理，工程師，學士，從事水電工程施工技術與質量管理工作.