巴基斯坦N-J水電站地下廠房邊墻變形分析

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

對(duì)地下廠房圍巖的變形與破壞特征進(jìn)行研究，是地下廠房設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。影響圍巖穩(wěn)定的主要因素一方面是工程地質(zhì)條件與圍巖質(zhì)量，另一方面是地下廠房布置與開挖支護(hù)。國(guó)內(nèi)大部分大型地下廠房圍巖類別以Ⅱ類為主、局部Ⅲ類，僅個(gè)別電站主洞室有約1/4洞段為Ⅳ類。由于巖體與工程因素復(fù)雜，目前對(duì)地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)仍沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[1]。國(guó)內(nèi)地下廠房洞室周邊允許位移值一般控制在開挖跨度的0.5%以內(nèi)，當(dāng)洞室實(shí)施支護(hù)以后，圍巖變形趨近于收斂，變化速率也趨近于零，則可判斷洞室圍巖趨于穩(wěn)定。巴基斯坦N-J水電站(以下簡(jiǎn)稱N-J電站)主洞室跨度25m，采用全噴錨支護(hù)，地下廠房圍巖類別以Q4(約占67%)為主，且節(jié)理裂隙發(fā)育。開挖過程中，地下廠房主洞室邊墻累計(jì)最大變位達(dá)302 mm，為開挖跨度的1.2%，遠(yuǎn)大于一般工程的控制值。本文根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況，通過對(duì)廠房布置和監(jiān)測(cè)資料的分析，提出導(dǎo)致邊墻變形過大的主要原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，供類似工程借鑒。

1 地下廠房布置簡(jiǎn)述

N-J水電站位于巴基斯坦印度河支流尼拉姆河上，是一座高水頭長(zhǎng)隧洞引水式電站。工程由大壩、沉砂池、引水系統(tǒng)、地下廠房、尾水系統(tǒng)及開關(guān)站等組成，電站發(fā)電水頭420 m，裝機(jī)容量963 MW。采用中部式地下廠房方案，引水隧洞長(zhǎng)28.5 km，尾水隧洞長(zhǎng)3.5 km。

地下廠房埋深約400 m，主洞室縱軸線走向NE80°，與巖層走向EW285°～340°呈較大夾角。主廠房洞室長(zhǎng)137.20 m，高54 m，寬25.00 m，安裝4臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組。1號(hào)與2號(hào)、3號(hào)與4號(hào)機(jī)組間距22.7 m，2號(hào)與3號(hào)機(jī)組間距25.7 m，下游墻母線廊道寬8.00 m，高6.50 m，尾水閘門室寬8.50 m，高17.00 m。上游墻壓力鋼管開挖洞徑6 m。主變洞室長(zhǎng)150.37 m，寬16.40 m，高20.60 m，安裝13臺(tái)單向變壓器。廠房橫剖面見圖1，廠房出線層平面布置見圖2。

2 廠房區(qū)工程地質(zhì)條件

工程區(qū)位于亞喜馬拉雅逆沖推覆體上，除取水口局部地層巖性屬于二疊系Panjal組火成變質(zhì)巖外，其它建筑物區(qū)均位于第三系Murree組，劃分為SS-1砂巖、SS-2砂巖、粉砂巖、泥巖和頁巖五大類，其中SS-1砂巖和頁巖均為獨(dú)立單元，SS-2砂巖、粉砂巖和泥巖為連續(xù)的漸變系列。區(qū)域地層受強(qiáng)烈擠壓，多呈緊閉的褶皺，多次被錯(cuò)斷、擠碎，局部呈敞開式寬闊褶曲[2-3]。

廠房位于Agar峽谷右岸山體內(nèi)，地下廠房埋深約400 m。前期廠房區(qū)地質(zhì)勘察深度不足，也未實(shí)施勘探平硐。施工過程中，根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)情況，進(jìn)行地質(zhì)編錄[4]。

圖1 廠房橫剖面圖(尺寸單位：mm)Fig.1 Power house cross section

圖2 廠房出線層平面布置(尺寸單位：mm)Fig.2 Layout of outgoing wire at power house floor

主廠房洞室段圍巖巖性為Murree組砂巖與泥巖，即SS-1砂巖、SS-2砂巖、泥巖(Mud)及夾層。巖性以SS-1、Mud為主，SS-2+Mud次之。主洞室各巖性占統(tǒng)計(jì)段長(zhǎng)的百分比見表1。巖性分布見圖3。

SS-1砂巖呈淺灰色或灰色，堅(jiān)硬，膠結(jié)較好，細(xì)粒-中粒結(jié)構(gòu)，單軸抗壓強(qiáng)度為75～97 MPa，節(jié)理閉合-微張，局部張開，碎屑充填。SS-2砂巖夾有薄層的粉砂巖、泥巖，一般呈淺紅褐色，細(xì)粒-微晶-泥晶結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度低于SS-1，單軸抗壓強(qiáng)度為38～55 MPa。泥巖呈紅褐色，泥晶結(jié)構(gòu)，軟-中硬，遇水易軟化，單軸抗壓強(qiáng)度為17～50 MPa。

表1 主洞室各巖性占統(tǒng)計(jì)段長(zhǎng)的百分比Tab.1 Percentage of lithology in main cavern

廠房部位巖體產(chǎn)狀為NW285°～340°，NE ∠40°～70°。節(jié)理強(qiáng)烈發(fā)育，在SS-1砂巖中，大節(jié)理的發(fā)育間距為1～2 m，層面節(jié)理的發(fā)育間距小于1 m。泥巖為層理最發(fā)育的巖層，主要節(jié)理為：① NW310°～340°,NE ∠40°～70°；② NW295°～325°,SW ∠40°～70°；③ NE70°～90°,SE∠45°～75°；④ NE0°～30°,NW ∠55°；⑤ NE45 °～60°,NW ∠50°～60°。

圖3 主洞室?guī)r性分布展開圖Fig.3 Lithology distribution map of main chamber

施工掘進(jìn)時(shí)，沿洞頂、洞壁有滲水(潮濕～線流狀)沿節(jié)理面溢出，出水點(diǎn)大多出現(xiàn)在SS-1與泥巖界面及砂巖中節(jié)理發(fā)育段。受巖層產(chǎn)狀、節(jié)理及開挖放炮等影響，下游墻有裂縫產(chǎn)生，縫寬約2～3 cm。

依據(jù)標(biāo)書技術(shù)條款[5]，圍巖劃分按巴頓的Q系統(tǒng)法，將工程巖體質(zhì)量等級(jí)劃分為5級(jí)。圍巖分類特征見表2。

表2 圍巖分類特征表Tab.2 Characteristics of different rock mass types

在實(shí)施過程中，根據(jù)咨詢工程師意見將Q4又細(xì)分為Q4a和 Q4b。主廠房洞室段圍巖類別各占統(tǒng)計(jì)段長(zhǎng)以Q4a為主，長(zhǎng)80.70 m，占58.8%；Q3次之，長(zhǎng)33.50 m，占33.5%；Q4b長(zhǎng)7.70 m，占7.7%。

3 主洞室變形監(jiān)測(cè)及加固措施

為監(jiān)測(cè)圍巖變形，評(píng)價(jià)洞室圍巖的穩(wěn)定性，主洞室共布置了16個(gè)收斂監(jiān)測(cè)斷面和12個(gè)應(yīng)變計(jì)斷面(見圖4，5)。主洞室各收斂監(jiān)測(cè)斷面最大變形統(tǒng)計(jì)情況見表3。

圖4 主洞室監(jiān)測(cè)斷面布置Fig.4 Monitoring section layout of the main chamber

圖5 主洞室收斂變形監(jiān)測(cè)斷面Fig.5 Convergent deformation monitoring section of the main chamber

監(jiān)測(cè)成果顯示主洞室各斷面收斂變形在62～302 mm之間，變形值與洞室跨度之比為0.25%～1.21%，最大收斂變形發(fā)生在樁號(hào)0+50及樁號(hào)0+65(602高程P-Q )處，累計(jì)最大變形值分別為297 mm和302 mm，最大變形值與洞室跨度之比均超過1.0%。與國(guó)內(nèi)同類大型地下廠房相比，施工開挖期邊墻變形明顯過大[4-6]。圖6為樁號(hào)0+65斷面收斂變形-時(shí)間過程曲線。

表3 主洞室各收斂監(jiān)測(cè)斷面最大變形統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of largest deformation of mornitoring section of main cavern

由圖6可見，圍巖從開始變形到最后穩(wěn)定經(jīng)歷了20～24個(gè)月時(shí)間，主廠房下游邊墻變形量隨時(shí)間推移持續(xù)發(fā)展，初期2012年5月到2012年12月，6個(gè)月變形速率較大，變形最大速率1 mm/d，從2012年12月到2014年2月，變形速率雖然有所降低，但是沒有收斂趨勢(shì)，變形速率仍有0.5 mm/d左右，最大變形值為287 mm。為此，施工方中止了主洞室的開挖，并對(duì)下游邊墻進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。經(jīng)加固處理后，變形速率明顯減慢，從2014年2月到2014年6月，變形速率為0.06 mm/d左右。2014年6月到2015年6月，變形量基本沒有增加，變化速率近于零。

圖6 主洞室(樁號(hào)0+65m)變形-時(shí)間過程曲線Fig.6 Deformation-time process curve of the main chamber(Chainage 0+65)

主洞室下游側(cè)邊墻變形導(dǎo)致已經(jīng)施工安裝好的橋機(jī)軌道錯(cuò)位，邊墻變形沒有收斂跡象。為保證工程安全，一方面調(diào)整了開挖次序；另一方面對(duì)下游墻進(jìn)行加固處理[7-9]。

3.1 調(diào)整開挖次序

地下廠房主洞室于2011年11月開始施工，計(jì)劃分九大層19個(gè)區(qū)全斷面自上而下開挖(見圖7)。當(dāng)開挖至583.0 m高程時(shí)，由于樁號(hào)0+50 m到樁號(hào)0+65 m區(qū)間邊墻變形過大，立即中止了主洞室的開挖，并對(duì)下游邊墻已開挖部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，待主變洞室開挖完成后再繼續(xù)主洞室下部開挖。主洞室下部后續(xù)開挖采取分步開挖，即先開挖4號(hào)機(jī)組段，待4號(hào)機(jī)蝸殼混凝土澆筑完成后再開挖1～3號(hào)機(jī)組段。

3.2 加固處理

根據(jù)變形監(jiān)測(cè)資料并通過反饋分析，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)調(diào)整[10-12]。主要加固措施為：① 在母線廊道和尾水閘門洞室兩側(cè)增加1 m厚鋼筋混凝土襯砌；② 在下游墻相鄰巖壁間增設(shè)間排距2 m的對(duì)穿預(yù)應(yīng)力錨索；③ 下游墻高程592.5 m以下預(yù)應(yīng)力錨索由L=15 m、間排距5.0 m增強(qiáng)為L(zhǎng)=20 m、間排距3～4 m。經(jīng)加固處理后， 2014年6月到2015年6月，變形量基本沒有增加，變形速率近于零，圍巖趨于穩(wěn)定。

4 主洞室變形原因分析

N-J水電站地下廠房主洞室邊墻累計(jì)最大變位達(dá)302 mm，發(fā)生在3號(hào)與4號(hào)機(jī)組間下游邊墻中部(樁號(hào)0+65 m處)，分析其原因如下。

4.1 圍巖地質(zhì)條件不好

該工程地下廠房圍巖為砂巖、泥巖互層，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖類別Q4占66.5%。爆破施工開挖引起圍巖擾動(dòng)，導(dǎo)致洞周圍巖體發(fā)生松動(dòng)，圍巖應(yīng)力在初始應(yīng)力條件下重分布，從而改變了圍巖的應(yīng)力分布特性及圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。由圖3巖性分布展開圖可見，3號(hào)與4號(hào)機(jī)組間泥巖和粉砂巖相對(duì)集中，特別是主洞室下游墻3號(hào)機(jī)尾水閘門室和母線廊道部位，發(fā)育有剪切帶，圍巖類別Q4b，泥巖和粉砂巖強(qiáng)度低且受構(gòu)造影響較破碎。巖石的破碎程度決定了圍巖變形量的大小，圍巖破碎程度越高，圍巖變形量值越大，而且表現(xiàn)出一定的時(shí)效變形特征。故該部位(樁號(hào)0+50.0～65.0 m)處邊墻變形遠(yuǎn)超過相鄰斷面。這是該部位邊墻變形大的控制因素。

圖7 開挖次序示意Fig.7 Excavation sequence diagram

4.2 尾水閘門室位置不合理

實(shí)際工程中，尾水閘門主要有如下幾種布置型式[1]：① 尾水閘門布置在單獨(dú)的洞室內(nèi)；② 尾水閘門設(shè)在調(diào)壓井洞室內(nèi)；③ 尾水閘門布置在主變洞室內(nèi)。

該工程采用中部式布置型式，尾水洞長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為此，在尾水管末端設(shè)置尾水檢修閘門，尾水閘門采用密閉式閘閥，將尾水閘門操作室設(shè)在主廠房?jī)?nèi)(參見圖1)：下游墻母線廊道寬8.00 m，高6.50 m，尾水閘門室寬8.50 m，高17.00 m。這樣布置，尾水閘門室和母線廊道在高程592.50 m處連在一起，在主洞室下游邊墻形成跨度16.50 m的大洞室，導(dǎo)致下游墻1號(hào)與2號(hào)、3號(hào)與4號(hào)間巖石厚度僅6 m。由圖3可見，在1號(hào)機(jī)右端也有一段寬約20 m的泥巖和粉砂巖軟弱帶，由于該部位沒有孔洞，故樁號(hào)0+127.8 m斷面邊墻中部最大變形遠(yuǎn)小于樁號(hào)0+50.0 m和樁號(hào)0+65.0 m斷面。主洞室下游邊墻開挖洞室尺寸大，對(duì)邊墻穩(wěn)定極其不利，這是邊墻變形大的主要原因。

5 結(jié) 論

(1) 該工程在開挖過程中，主洞室下游側(cè)邊墻中部最大變位達(dá)302 mm，為洞室跨度的1.2%，實(shí)測(cè)位移速度出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)時(shí)，經(jīng)改變開挖順序和補(bǔ)強(qiáng)后，邊墻變形趨于收斂，變化速率也趨近于零，圍巖趨于穩(wěn)定。

(2) 復(fù)雜地質(zhì)條件下的大跨度、高邊墻地下洞室的圍巖穩(wěn)定和支護(hù)方式是地下廠房設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵技術(shù)問題，圍巖類別和斷層、節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造往往是圍巖穩(wěn)定的控制因素。該工程主廠房洞室段圍巖類別Q4占66.5%，且節(jié)理裂隙發(fā)育，是導(dǎo)致主洞室下游邊墻變形較大，影響圍巖穩(wěn)定的自然因素。在圍巖類別Q4為主的巖體中，修建跨度25 m的地下廠房尚無先例。該工程實(shí)踐表明，通過選擇合理的開挖次序和加強(qiáng)支護(hù)措施也是可行的。

(3) 地下廠房洞室的形狀對(duì)圍巖穩(wěn)定和變形有較大的影響。已建地下廠房洞室，在巖石較完整、地應(yīng)力不太高的情況下，普遍采用圓拱直墻式斷面，根據(jù)廠房上部、中部、下部的布置不同，廠房寬度從上至下逐步變窄。這種體型可改善邊墻應(yīng)力狀態(tài)和減少邊墻變位，有利于提高邊墻的穩(wěn)定性。廠房邊墻位移不僅受地質(zhì)條件影響，而且還受邊墻洞室尺寸和開挖影響。該工程將尾水閘門操作室設(shè)在主廠房?jī)?nèi)，在主洞室下游側(cè)形成大跨度的洞室，是導(dǎo)致主洞室下游邊墻變形較大的主要原因。因此對(duì)圍巖條件較差的地下廠房，應(yīng)當(dāng)避免上述布置型式。