地下洞室施工期圍巖變形性態分析

郭 成

[南瑞集團公司（國網電力科學研究院），江蘇省南京市 211106]

0 引言

在抽水蓄能電站中，洞室群大多建成地下式，水頭高，規模龐大，是抽蓄土建工程的主體。地下洞室開挖時地質條件、施工擾動等不確定因素較多，地下廠房還具有跨度大、開挖高度高、交叉相鄰洞室多、施工期安全控制要求高等特點。在各地水電工程建設中，地下洞室坍塌事故屢見不鮮，致死致傷率很高。因此，施工期應做好地下洞室的安全監測工作，及時分析地下洞室安全監測數據，了解施工期地下洞室圍巖變形性態，反饋設計，指導施工，為地下洞室施工期的安全保駕護航。[1][2]

1 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐建筑物由上水庫、輸水系統、地下廠房及下水庫等組成。其中，地下廠房包括主機間、安裝間和地下副廠房3部分，開挖總長度219.90m。主廠房巖錨吊車梁以上開挖跨度為25.7m，以下為23.50m。主變壓器洞長、寬分別為193.16m、19.70m，尾閘室寬約8.8m。

地下廠房位于上水庫主壩北面約500m的山體內，鉛直埋深240～290m，地下水豐富，巖體完整性差，洞室圍巖以Ⅲ2～Ⅳ1類為主，主要由S3m3-1中厚～巨厚層（少量薄層）巖屑石英砂巖夾少量泥質粉砂巖組成，尤其是F54斷層規模較大，斜穿三大洞室，是影響洞室圍巖穩定的因素之一。[3][4]

2 監測概況

主廠房共布置5個監測斷面，分別為CZ0+143斷面、CZ0+90斷面、CZ0+37斷面、CZ0-20斷面、CZ0+165斷面和F54新增斷面，各監測斷面監測布置基本一致，監測斷面示意圖如圖1所示，主要監測儀器有多點位移計（圖中用M表示）、錨桿應力計（圖中用AS表示）、錨索測力計（圖中用D表示）、鋼筋計（圖中用R表示）。[5]

3 典型監測成果

2011年4月主廠房開始開挖，至2013年12月底開挖支護工作全部完成。各層分區具體見圖2。主廠房頂拱采用普通水泥砂漿錨桿+噴鋼纖維混凝土+預應力錨索+鋼筋拱肋支護+拱腳預應力錨桿的支護方式；邊墻采用系統砂漿錨桿+掛網噴混凝土+系統錨索的聯合支護形式[1]。

受開挖影響，各斷面圍巖變形均有所增大，但CZ0+143斷面變形量最大。下文以CZ0+143斷面圍巖變形作為典型代表來分析施工期廠房圍巖變形特性。

圖1 地下廠房監測斷面示意圖Fig．1 Sketch map of underground cavern monitoring section

圖2 地下廠房系統開挖分層剖面圖Fig．2 Stratified section map of underground powerhouse system excavation

CZ0+143斷面頂拱圍巖主要向洞室凈空方向位移，位移在第Ⅰ層開挖時變化較大，最大變化速率（0.25mm/d）超過設計警戒值（0.15mm/d），但隨著工作面的遠離，頂拱變形趨于穩定。2011年底，頂拱超前監測測點最大位移14.1mm，2012年、2013年位移年變幅均在4mm以內，2014年1月累積位移最大20.1mm，由此可見，頂拱圍巖變形主要受頂層開挖影響，受下臥開挖影響較小。出現這種現象的原因可能是，廠房頂拱有F54、F57等較大斷層，開挖施工對斷層的擾動導致頂拱破碎帶位移變形較大，隨著支護的跟進和作業面的遠離，頂拱圍巖位移逐漸趨于穩定。廠房開挖完成后頂拱基本穩定，截至2016年7月底，頂拱累積位移量最大20.6mm，較2014年1月增大了0.5mm。

CZ0+143斷面在第Ⅰ層開挖時，頂拱變形較大，下游變形量（14.1mm）大于上游側（8.4mm），且鋼拱架偏心受壓嚴重，下游側應力大于上游側，鋼筋應力均已超過儀器量程，該斷面附近鋼拱肋部位表層開裂混凝土剝落后發現拱肋受壓向廠房內彎曲變形，與下游位移量大、偏心受壓嚴重的監測結果相吻合。這一情況的發生與開挖施工進程有關，第Ⅰ層開挖是上導洞先行，下導洞次之，中墩擴挖跟進，但實際施工時中墩跟進與下導洞開挖錯時較短，下游側比上游側卸荷要快要猛，造成下游側變形和支護應力較上游側要大。根據監測反饋，調整了施工進程和施工方式，后期施工的斷面圍巖變形量明顯減小。CZ0+143斷面頂拱多點位移計過程線見圖3。

圖3 CZ0+143斷面頂拱多點位移計過程線Fig．3 The process lines of multi point displacement meter of CZ0+143 section top arch

圖4 CZ0+143斷面拱肩多點位移計過程線Fig．4 The process lines of multi-point displacement meter of CZ0+143 section arch shoulder

拱肩部位圍巖主要向洞室凈空方向位移，上游側位移（23.9mm）明顯大于下游側（0.8mm）。從測值過程線（圖4，MC4-2位于拱肩上游側，MC4-5位于拱肩下游側）可以看出，拱肩上游側位移主要發生在2013年第Ⅶ層開挖期間，其他各層的開挖對壩肩影響均較小。但自2013年4月初廠房第Ⅳ層開挖到2013年11月初第Ⅶ層開挖，廠房三層開挖支護僅歷時7個月，在此期間，上游側位移變化速率逐漸增大，在第Ⅶ層開挖時發生了突跳，說明拱肩上游側的位移受下臥施工影響明顯，且隨著下臥開挖的進行，圍巖穩定性越來越差。開挖支護完成后，拱肩圍巖位移趨于穩定，位移年變幅在0.5mm以內。

洞室邊墻受下臥開挖和附近洞室交叉施工影響明顯，從2012年9月廠房第Ⅲ層開始開挖到2013年底開挖結束，位移出現較長時間的增長。上游側邊墻圍巖位移的變化速率在正常范圍以內，下游側邊墻除了受廠房下臥開挖影響外，還受其附近母線洞開挖的影響，位移變化速率經常超出設計警戒值（0.15mm/d），尤其在主廠房第Ⅲ層開挖和母線洞開挖同時進行時，下游側邊墻位移變化速率長期嚴重超出設計警戒值，最大達0.53mm/d，直到2012年12月母線洞基本完成開挖才有所緩和。廠房開挖結束時，下游側邊墻圍巖位移（107.8mm）明顯大于上游側邊墻位移（21.5mm），上下游邊墻距孔口11.5m深測點位移分別達到19.1、52.9mm，分別占孔口位移量的88.8%和49.1%，說明上游側邊墻位移主要是深部圍巖位移引起的，下游側邊墻位移由深部圍巖位移和表面圍巖位移共同形成的。開挖完成后，上下游邊墻變形逐漸趨于穩定。CZ0+143斷面邊墻多點位移計過程線見圖5，其中MC4-1位于上游側邊墻，MC4-5位于下游側邊墻。

此外，除了關注CZ0+143.125斷面不同部位位移變化情況外，還需與相鄰部位的變形進行對比，關注位置相近、變形差異較大的部位。

CZ0+143.125斷面下游側邊墻測點MC4-6與CZ0+90.325斷面下游側邊墻測點MC3-6相隔僅53m，孔口變形卻相差約50mm（測值過程線見圖6），現場檢查發現廠房下游拱腳CZ0+127～CZ0+161部位噴混凝土出現裂縫。出現這種情況，可能與前面提到的CZ0+143.125斷面存在斷層，下游側卸荷過快過猛有關，也可能與第Ⅲ層開挖和母線洞開挖同時進行有一定的聯系，需加強關注，并根據后期發展情況采取必要的措施。

4 結束語

通過對地下廠房圍巖變形性態的分析，得到如下結論：

（1）地下廠房頂拱圍巖變形受頂層開挖影響大，且上下游側變形量受施工方式、施工進程等影響明顯，尤其是地質條件復雜的部位更是如此。但隨著工作面的遠離和支護的跟進，頂拱圍巖變形逐漸趨于穩定，受下臥開挖影響較小。

圖5 CZ0+143斷面邊墻多點位移計過程線Fig．5 The process lines of multi-point displacement meter of CZ0+143 section wall

圖6 CZ0+143斷面和CZ0+90．325斷面下游側邊墻位移典型測點過程線Fig．6 The typical measuring points’ process lines of downstream side wall displacements of CZ0+143 section and CZ0+90．325 section

（2）地下廠房拱肩部位位移變形相對較小，受下臥開挖影響明顯，尤其是到開挖后期，但下臥開挖的進度對其變形也有一定的影響。

（3）地下廠房邊墻除了受下臥開挖影響明顯外，其附近洞室的交叉施工對邊墻圍巖穩定的影響也很大，且邊墻圍巖變形速率最大就發生在交叉施工期間。故在后期開挖時可以通過各洞室錯時開挖，以減小或控制邊墻圍巖變形速率。

（4）相鄰變形量差異較大的部位需引起關注，根據情況采取必要的措施。

[1] 陳寧，邢磊．溧陽抽水蓄能電站地下廠房施工與監測[J]．水利水電施工，2015（6）:48-52．CHEN Ning，XING Lei．Construction and monitoring of underground powerhouse of Liyang[J]．Pumped Storage Power Station，2015（6）:48-52．

[2] 邢磊，史永方，祁舵．溧陽抽水蓄能電站地下廠房頂拱開挖與支護施工[C]．抽水蓄能電站工程建設文集2012，北京：中國電力出版社，2012．XING Lei，SHI Yongfang，QI Du．Liyang pumped storage power plant’s underground powerhouse roof arch excavation and support construction[C]．Pumped Storage Power Station Project Construction 2012．Beijing: China Electric Power Press，2012．

[3] 胡夢蛟．溧陽抽水蓄能電站工程地質特征及主要工程地質問題 [J]．水力發電，2013，39（3）：16-17．HU Mengjiao．Engineering geological characteristics and main engineering geological problems of Liyang pumped storage power station[J]．Hydroelectric Power Generation，2013，39（3）：16-17．

[4] 彭琦，王俤剴，鄧建輝，等．地下廠房圍巖變形特征分析[J]．巖石力學與工程學報，2007，26（12）：2583-2587．PENG Qi，WANG Dikai，DENG Jianhui．Analysis of deformation characteristics of surrounding rock of underground powerhouse[J]．Journal of Rock Mechanics and Ngineering，2007，26（12）：2583-2587．

[5] 周旭飛，單海年，潘琳．溧陽抽水蓄能工程地下廠房開挖過程性態分析[J]．水力發電，2013，39（3）：50-52．ZHOU Xufei，SHAN Hainian，PAN Lin．Analysis of the process behavior of underground powerhouse excavated by Liyang pumped storage engineering[J]．Hydroelectric Power Generation，2013，39（3）：50-52．