猴子巖水電站地下廠房施工期圍巖變形特征分析

雷 英 成， 何 剛

(四川中水成勘院工程物探檢測(cè)有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

近年來(lái)，西南地區(qū)一大批超大型水電工程正在或即將開(kāi)工建設(shè)，由于樞紐布置、施工等方面的需要，這些水電站大都采用地下廠房，因此必須開(kāi)挖、修建、運(yùn)行大型地下洞室群。然而，由于西南地區(qū)處于青藏高原東緣橫斷山系高山峽谷地區(qū)，河谷深切，天然地應(yīng)力高且分布不均勻，同時(shí)巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體質(zhì)量、施工周期及安全標(biāo)準(zhǔn)要求高，施工程序復(fù)雜、難度大，如二灘、錦屏、大崗山、長(zhǎng)河壩、猴子巖等[1～4]，迫切需要解決大型地下洞室圍巖穩(wěn)定性及其控制等一系列問(wèn)題，為工程建設(shè)和運(yùn)行的安全提供保障。

猴子巖水電站地下廠房洞室群圍巖質(zhì)量較好，圍巖類別以Ⅲ1，Ⅲ2類為主，局部為IV類，完整(較完整)巖體聲波波速一般分布在5 000～6 200 m/s，實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力值36.43 MPa，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Rb/m= 2～4，屬于高地應(yīng)力區(qū)。在開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖變形出現(xiàn)了位移量級(jí)偏大、局部變形不收斂、錨頭內(nèi)陷、巖錨梁錯(cuò)位、混凝土噴層開(kāi)裂以及巖體劈裂等圍巖變形特征[5]。根據(jù)該地下廠房4個(gè)高程共32個(gè)孔的長(zhǎng)觀聲波監(jiān)測(cè)成果分析地下廠房開(kāi)挖期圍巖變形特征。研究成果表明：(1)未開(kāi)挖時(shí)間段內(nèi)圍巖聲波波速和卸荷松弛深度以沒(méi)有明顯變化為主；(2)開(kāi)挖時(shí)間段內(nèi)圍巖巖體卸荷松弛深度多隨逐層開(kāi)挖由表及里增加、圍巖聲波波速多隨逐層開(kāi)挖由表及里衰減，表明猴子巖水電站地下廠房巖體變形以開(kāi)挖后應(yīng)力釋放致巖體損傷以為主。

1 工程概況

猴子巖水電站地下廠房系統(tǒng)布置在右岸280 m～510 m山體內(nèi)，房區(qū)巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，巖體中巖溶不發(fā)育，僅見(jiàn)個(gè)別溶隙，除斷層帶具較強(qiáng)透水性外，中陡傾裂隙一般透水性較弱。地下廠房區(qū)無(wú)區(qū)域斷裂通過(guò)，據(jù)勘探平洞揭示，廠區(qū)上游側(cè)發(fā)育一條規(guī)模較大的斷層F1-1，產(chǎn)狀N60°E / NW∠85°，主要由碎粒巖、碎粉巖組成，主錯(cuò)帶寬1.0 m～1.5 m，碎粉巖帶寬30 cm，斷層影響帶寬約20 m，斷層處洞壁垮塌，地下水沿?cái)鄬庸蔂盍鞒觥Ｆ渌Y(jié)構(gòu)面主要有次級(jí)小斷層23條、擠壓破碎帶42條和節(jié)理裂隙6組。廠房部位巖體完整性總體為較完整～完整。

2 施工期圍巖變形特征

長(zhǎng)觀聲波是觀測(cè)洞室圍巖聲波速度與圍巖松弛深度隨地下廠房開(kāi)挖而變化發(fā)展情況。在猴子巖水電站地下廠房主機(jī)間共布置4個(gè)長(zhǎng)觀聲波檢測(cè)斷面，其樁號(hào)分別為廠橫0+008.80、廠橫0+041.30、廠橫0+073.80、廠橫0+106.30(為避免長(zhǎng)觀聲波檢測(cè)孔與母線洞、壓力管道等交叉，在地下廠房主機(jī)間每臺(tái)機(jī)組中心線向山里側(cè)平移10米)，每斷面布置12個(gè)長(zhǎng)觀聲波檢測(cè)孔，上、下游邊墻各6孔，自上而下分別位于1 718 m、1 711 m、1 704 m、1 697 m、1 690 m、1 683 m等高程，共計(jì)48個(gè)長(zhǎng)觀聲波檢測(cè)孔，其中巖壁吊車梁高程附近1 718 m、1 711 m高程4孔孔深20 m，其余孔深均15 m，方向水平下斜，如圖1所示。

圖1 地下廠房主機(jī)間長(zhǎng)觀聲波檢測(cè)孔位布置示意圖

2.1 未開(kāi)挖時(shí)段圍巖變形特征

猴子巖水電站地下廠房圍巖質(zhì)量較好，圍巖類別以Ⅲ1，Ⅲ2類為主，完整(較完整)巖體聲波波速一般5 000 m/s～6 200 m/s不等。在未開(kāi)挖時(shí)段，該水電站地下廠房1 718 m、1 711 m、1 704 m、1 697 m等4個(gè)高程共計(jì)32個(gè)長(zhǎng)觀聲波孔在7天～60天時(shí)間段內(nèi)共有26個(gè)長(zhǎng)觀聲波孔圍巖波速和松弛深度沒(méi)有明顯變化，所占比例為81.2%，其典型聲波曲線如圖2所示。其余6個(gè)長(zhǎng)觀聲波孔圍巖波速和松弛深度變化較小，圍巖聲波波速衰減一般小于10%，圍巖松弛深度一般增加0.2～0.6 m不等，所占比例為18.8%。

圖1為1 718 m、1 711 m、1 704 m、1 697 m四個(gè)高程典型長(zhǎng)觀孔未開(kāi)挖時(shí)段內(nèi)聲波曲線成果圖。其中圖2(1)～(4)的曲線1和曲線2為造孔后第1次、第2次或第3次觀測(cè)結(jié)果(1 d，14 d或28 d)，期間地下廠房未下挖，由曲線1和曲線2可以對(duì)比發(fā)現(xiàn)地下廠房未下挖時(shí)長(zhǎng)觀聲波曲線變化幅度小；圖2(1)的曲線3和曲線4是1 702 m～1 698 m高程段(第IV-1層)開(kāi)挖后和1 698 m～1 694 m高程段(第IV-2層)開(kāi)挖前長(zhǎng)觀聲波曲線圖，由曲線3和曲線4可以對(duì)比發(fā)現(xiàn)地下廠房未下挖時(shí)長(zhǎng)觀聲波曲線變化幅度小。

2.2 開(kāi)挖時(shí)段圍巖變形特征

猴子巖水電站地下廠房在1 710 m～1 702 m高程段(第III層)、1 702 m～1 698 m高程段(第IV-1層)、1 698 m～1 694 m高程段(第IV-2層)等開(kāi)挖時(shí)段內(nèi)，完成1 718 m、1 711 m、1 704 m等3個(gè)高程共計(jì)18個(gè)長(zhǎng)觀聲波孔(其中1 718 m高程8孔，1 711 m高程8孔，1 704 m高程2孔)觀測(cè)工作，每個(gè)觀測(cè)孔一般觀測(cè)6～11次不等，一般每層開(kāi)挖均進(jìn)行了長(zhǎng)觀聲波測(cè)試，為分析該水電站地下廠房圍巖波速和松弛深度隨開(kāi)挖變形提供了第一手資料。依據(jù)長(zhǎng)觀聲波成果，該水電站地下廠房在開(kāi)挖階段圍巖變形主要分為急變型(所占比例78%)、緩變型(所占比例11%)、穩(wěn)定型(所占比例11%)。

2.2.1 急變型

該水電站地下廠房開(kāi)挖階段急變型聲波曲線如圖3所示，其聲波曲線典型特征為：1)巖體卸荷松弛深度隨開(kāi)挖成階梯狀由表及里增加；2)聲波波速隨開(kāi)挖逐層由表及里衰減。在開(kāi)挖階段18個(gè)長(zhǎng)觀聲波觀測(cè)資料中，有14個(gè)觀測(cè)孔具上述兩個(gè)典型特征，所占比例為78%，主要集中在巖體條件稍差部位，如下游邊墻廠橫0+008、廠橫0+041等。由圖3可知，開(kāi)挖后在1.85m處置處新增加一條張性裂隙，裂隙張開(kāi)度約1.0 mm。

2.2.2 緩變型

猴子巖水電站地下廠房開(kāi)挖階段緩變型聲波曲線如圖4所示，其聲波曲線典型特征為：1)開(kāi)挖前、后巖體聲波波形曲線形態(tài)上總體一致；2)個(gè)別孔段聲波波速隨開(kāi)挖由表及里有一定衰減，衰減率一般小于15%(相對(duì)于初次測(cè)試)。在開(kāi)挖階段18個(gè)長(zhǎng)觀聲波觀測(cè)資料中，有2個(gè)觀測(cè)孔具上述兩個(gè)典型特征，所占比例為11%。

圖2 未開(kāi)挖時(shí)段圍巖典型聲波曲線

圖3 開(kāi)挖階段急變型聲波曲線

圖4 開(kāi)挖階段緩變型聲波曲線

圖5 開(kāi)挖階段穩(wěn)定型聲波曲線

2.2.3 穩(wěn)定型

該水電站地下廠房開(kāi)挖階段緩變型聲波曲線如圖5所示，其聲波曲線典型特征為：1)開(kāi)挖前、后巖體聲波波形曲線形態(tài)上總體一致；2)聲波波速隨開(kāi)挖衰減較少，衰減率一般小于5%。在開(kāi)挖階段18個(gè)長(zhǎng)觀聲波觀測(cè)資料中，有2個(gè)觀測(cè)孔具上述兩個(gè)典型特征，所占比例為11%。

2.3 監(jiān)測(cè)資料驗(yàn)證

2.3.1 多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)

圖6為該水電站地下廠房多點(diǎn)位移計(jì)典型曲線圖。從圖6可知：該水電站地下廠房多點(diǎn)位移計(jì)變化過(guò)程曲線多隨開(kāi)挖成層階梯狀變形，開(kāi)挖時(shí)段內(nèi)位移一般有突變，而未開(kāi)挖期位移曲線一般平穩(wěn)發(fā)展。根據(jù)王俤剴[5]統(tǒng)計(jì)，該水電站地下廠房洞室群絕大部分圍巖變形過(guò)程呈現(xiàn)階梯狀發(fā)展，約占監(jiān)測(cè)總量的83%，與長(zhǎng)觀聲波統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。

圖6 該水電站地下廠房多點(diǎn)位移計(jì)典型曲線圖

圖7 該水電站地下廠房微震事件柱狀圖

2.3.2 微震監(jiān)測(cè)

圖7是該水電站地下廠房微震監(jiān)測(cè)微震日事件數(shù)量柱狀圖。由圖7可知，1 702 m～1 698 m高程段(第IV-1層)、1 698 m～1 694 m高程段(第IV-2層)等開(kāi)挖時(shí)段內(nèi)巖體微震事件數(shù)量明顯多余未開(kāi)挖時(shí)間段內(nèi)，微震事件數(shù)量多說(shuō)明巖體損傷嚴(yán)重[6-7]。

3 結(jié) 論

猴子巖水電站地下廠房具有地應(yīng)力高、強(qiáng)度應(yīng)力比低的特點(diǎn)，在施工過(guò)程中出現(xiàn)片幫、錨頭內(nèi)陷、混凝土噴層開(kāi)裂等變形破壞現(xiàn)象。根據(jù)該地下廠房4個(gè)高程共32個(gè)孔的長(zhǎng)觀聲波監(jiān)測(cè)成果分析地下廠房開(kāi)挖期圍巖變形特征。研究成果表明：未開(kāi)挖時(shí)間段內(nèi)圍巖聲波波速和卸荷松弛深度以沒(méi)有明顯變化為主；開(kāi)挖時(shí)間段內(nèi)圍巖巖體

卸荷松弛深度多隨逐層開(kāi)挖由表及里增加、圍巖聲波波速多隨逐層開(kāi)挖由表及里衰減，表明猴子巖水電站地下廠房巖體變形以開(kāi)挖后應(yīng)力釋放致巖體損傷以為主。這一結(jié)論可為同類高地應(yīng)力條件下大型地下洞室群設(shè)計(jì)、開(kāi)挖、支護(hù)等提供參考。