CCS水電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)研究

鄒紅英，梁成彥，吳 昊

（黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南鄭州450003）

21世紀是地下空間開發(fā)的世紀［1］，充分利用地形地勢特點，大型地下電站、隧道（洞）、地鐵、地下儲庫等正在邁向發(fā)展的高潮［2］。地下洞室開挖破壞了巖體原有的應力平衡狀態(tài)，使洞室周邊的徑向應力消失、切向應力劇增，圍巖應力發(fā)生重分布。隨著洞室開挖，巖體進入塑性狀態(tài)，洞室周邊巖體先破壞，應力向巖體深部轉(zhuǎn)移，圍巖破壞范圍逐漸擴大，直至圍巖應力小于或等于巖體強度，形成新的平衡，破壞才停止，周邊形成一個破裂帶［3］。地下洞室開挖后，圍巖總是向洞內(nèi)徑向變形。噴錨支護就是在洞室開挖后及時向圍巖的表面上噴一層薄的混凝土，有時再向圍巖內(nèi)增加一些錨桿，從而部分阻止圍巖向洞室內(nèi)變形，以達到支護的目的。這種支護簡稱為“新奧法”（NATM），它能在洞室開挖后及時有效地控制和調(diào)整圍巖應力的分布，最大限度地保護巖體的結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)，防止圍巖松動和坍塌。

厄瓜多爾從20世紀60年代開始對Coca河流域水電開發(fā)進行評估、認證、研究，確定CCS水電站為該流域最有吸引力的水電項目，號稱厄瓜多爾的“三峽”。作為“一帶一路”重點建設項目，CCS水電站項目因?qū)嵤╋L險高、技術(shù)難題多、組織難度大而極具挑戰(zhàn)性［4］，特別是項目的管理等全部履行西方的法律和程序，工程設計需執(zhí)行歐美規(guī)范。本文對厄瓜多爾CCS水電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

1 工程概況

厄瓜多爾CCS水電站，位于南美洲厄瓜多爾北部，電站總裝機容量1 500 MW，安裝8臺沖擊式水輪機組。地下洞室群埋深200 m左右，布置在Coca河右岸的山體內(nèi)，地面高程600～1 350 m，地形起伏較大。電站主要建筑物包括主廠房、副廠房、主變洞、8條母線洞、進廠交通洞、8條尾水支洞及1條尾水主洞等。地下主、副廠房按“一”字形布置，從左至右依次為1＃～4＃機組段、主安裝間、5＃～8＃機組段、右端副廠房（副安裝間），地下廠房洞群三維展示見圖1。廠房縱軸線方向角為315°，主廠房開挖尺寸為212.0 m×27.5 m×46.8 m（長×寬×高），主變洞開挖尺寸為192.0 m×19.0 m×33.8 m（長×寬×高）。8條母線洞位于主廠房與主變洞之間，斷面采用城門洞形，垂直廠房縱軸線布置，洞長24.0 m。

圖1 CCS水電站地下廠房洞群三維展示

2 工程地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)概況

地下廠房區(qū)的主要巖性為灰色、灰綠色和紫色Misahualli地層的火山凝灰?guī)r，上覆白堊系下統(tǒng)Hollin地層（Kh）頁巖、砂巖互層，表層覆蓋（Q4）厚度為3～30 m崩積物和河流沖積物。該區(qū)最大主應力為8～10 MPa，方向角為315°～340°。構(gòu)造應力作用并不強烈，以自重應力為主。施工區(qū)主要存在以下4組節(jié)理：①140°～170°∠70°～85°，約占主變節(jié)理總數(shù)的 80%；②230°～260°∠70°～80°；③20°～50°∠5°～15°，出露處容易形成楔形體的頂部邊界；④325°～355°∠75°～85°，零星發(fā)育。

地下廠房區(qū)屬于Sinclair構(gòu)造帶，構(gòu)造相對簡單，在廠房區(qū)開挖過程中沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層。但受構(gòu)造影響，廠房區(qū)發(fā)育多條小規(guī)模斷層（近70條），斷層最大寬度普遍小于50 cm，極少數(shù)達到2 m；斷層充填物質(zhì)普遍以角礫巖、巖屑夾泥為主，斷層帶組成物質(zhì)較好；斷層帶延伸較短，以幾十米為主；斷層走向以230°～260°為主，傾角以 60°～80°為主，整體與主廠房和主變室呈正交。

巖體以次塊狀結(jié)構(gòu)為主，圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，局部少量Ⅳ類，整體基本穩(wěn)定，局部裂隙密集帶存在不穩(wěn)定塊體，洞室開挖交叉面巖體穩(wěn)定性差。廠區(qū)地震烈度為Ⅷ度。

2.2 圍巖物理力學特性

隧洞支護設計監(jiān)理要求采用廣義Hoek-Brown經(jīng)驗判據(jù)，故在設計時同時考慮M-C和H-B準則，巖（石）體力學參數(shù)取值見表1、表2。

表1 巖（石）體力學參數(shù)取值

表2 Hoek-Brown經(jīng)驗判據(jù)巖（石）體計算參數(shù)取值

3 圍巖穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)

3.1 存在的主要問題

厄瓜多爾CCS水電站地下廠房呈現(xiàn)洞室多、洞室群縱橫交錯布置、主洞室跨度大、距離近、薄巖壁等特點，因而應力、應變復雜，圍巖穩(wěn)定問題突出，地下洞室圍巖穩(wěn)定成為整個工程亟待解決的問題。CCS水電站設計是在意大利ELC公司概念設計基礎(chǔ)上進行的概念優(yōu)化設計、基本設計及詳細設計。體形上將原有主廠房及主變洞頂拱的半圓拱改為三圓拱，廠房凈高減少3.2 m，極大減小了工程量并縮短了工期。但由于洞室間距受限，加上地質(zhì)條件的不可預知性，因此CCS水電站地下洞室群布置緊湊成為圍巖穩(wěn)定的制約因素，主要存在以下技術(shù)問題。

（1）設計理念問題。根據(jù)合同，在整個設計過程中包括材料、工程設計理念必須滿足歐美規(guī)范，墨西哥監(jiān)理和當?shù)貛r土工程師要求隧洞開挖支護設計滿足Hoek和 Barton理念、《巖石隧洞和豎井工程手冊》（EM1110-2-2901）。

（2）三向薄巖壁問題。①主廠房與主變室間距為24 m，為主廠房與主變室平均跨度的1.03倍。國內(nèi)規(guī)范［5］指出巖柱的寬度不宜小于相鄰洞室平均開挖寬度的1～1.5倍。國內(nèi)外同等大規(guī)模的地下洞室群，主廠房與主變室之間巖柱厚度為相鄰兩個大洞室平均跨度的1.1～1.4倍，因此主廠房與主變室之間存在薄巖壁問題。 同時Dr Evert Hoek［6］190提出，當巖柱的寬度為相鄰洞室最大洞室高度的0.5倍時，巖柱將面臨劇烈的破壞，巖柱塑性區(qū)基本貫通，巖柱將全部進入超應力狀態(tài)，極容易進入張拉破壞狀態(tài)。②CCS水電站8條母線洞間距為18.5 m，母線洞跨度為8.2 m，母線洞之間的巖柱只有10.3 m厚，小于母線洞跨度的1.5倍，因此母線洞之間也存在薄巖壁問題。③CCS水電站尾水洞間距為18.5 m，與母線洞水平向錯開1.3 m，與母線洞豎向間距7.15 m，小于母線洞跨度的1.5倍，因此母線洞與尾水洞之間也存在薄巖壁問題。

洞群三向薄巖壁問題加劇了主廠房與主變室之間圍巖的破壞。薄巖壁必然帶來塑性區(qū)貫通、圍巖變形加大、圍巖失穩(wěn)等問題，如果過多地采用錨索、預應力錨桿處理措施等會嚴重影響施工工期。

（3）楔形體問題。廠房縱軸線方向角為315°，節(jié)理①走向與主廠房和主變室洞軸線方向大角度相交，對地下洞室的穩(wěn)定相對有利，但節(jié)理①走向與母線洞軸向夾角較小，對母線洞洞室穩(wěn)定相對不利；節(jié)理①、②、③組合在主廠房、主變室下游邊墻形成密集的楔形體，極大威脅著洞室的施工和運行穩(wěn)定。

結(jié)合地質(zhì)資料分析，在詳細設計階段與墨西哥監(jiān)理多次反復溝通，一致認為楔形體問題為洞室圍巖穩(wěn)定的局部問題，支護設計理念為：在整體支護設計的基礎(chǔ)上進行局部加固。

3.2 穩(wěn)定計算分析

3.2.1 三維穩(wěn)定計算分析

FLAC3D程序建立在拉格朗日算法基礎(chǔ)上，可處理有限變形問題，在計算過程中允許材料發(fā)生屈服及流變，特別適合解決巖土工程中經(jīng)常遇到的大變形問題，在巖土工程領(lǐng)域應用廣泛［7-9］。三維分析巖體模型采用Mohr-Coulomb模型，采用多元回歸分析方法對地下廠房三維地應力場進行反演。計算模型包含主廠房、主變室、母線洞、尾水支洞、施工支洞、排水廊道以及部分進廠交通洞段等主體洞室，分層開挖步與現(xiàn)場施工步一致。結(jié)合地質(zhì)信息完善及布置方案調(diào)整，從概念設計到基本設計再到詳細設計不斷更新模型進行支護參數(shù)動態(tài)優(yōu)化。

通過三維計算分析，主廠房頂拱塑性區(qū)深度為2～4 m，上游邊墻塑性區(qū)深度為4～6 m，局部塑性區(qū)深度為9 m，下游邊墻塑性區(qū)深度為5～8 m，母線洞附近塑性區(qū)全部貫通。塑性區(qū)巖體破壞以剪切破壞為主，少部分區(qū)域出現(xiàn)拉伸破壞。主變室頂拱塑性區(qū)深度為2～3 m，上游邊墻塑性區(qū)深度為3～4 m，下游邊墻塑性區(qū)深度為3～6 m。

詳細設計階段支護工況3號機組段位移見圖2。主廠房及主變室上下游邊墻計算位移基本在11 mm以內(nèi)，頂拱位移基本在15 mm以內(nèi)，最大的變形出現(xiàn)在廠房底部臺階處。洞室邊界突變的部位為穩(wěn)定關(guān)鍵部位，如廠房吊車巖壁附近、廠房球閥層平臺處、主變室下游尾水疊梁門擴挖部位、母線洞與主廠房及主變室交叉部分、尾水洞與主廠房下游邊墻交叉部位，需要特別關(guān)注。

圖2 詳細設計階段支護工況3號機組段位移（單位：m）

3.2.2 二維穩(wěn)定計算分析

由于初期支護厚度較小，因此采用三維數(shù)值方法分析初期支護單元較多、耗時較長，與實際受力差異較大［10］。采用廣義Hoek-Brown判據(jù)，引入歐美運用較廣、較成熟的PHASEII軟件及分析方法對初期支護如鋼筋網(wǎng)噴混凝土安全系數(shù)和錨桿受力進行定量分析，同時與三維計算結(jié)果進行對比。Φ28錨桿軸力小于100 kN，Φ32錨桿軸力小于100 kN，Φ36的500 kN預應力錨桿軸力小于550 kN，錨桿均未出現(xiàn)屈服。主廠房和主變室噴混凝土安全系數(shù)整體大于1.5，局部尖角出現(xiàn)開裂。鋼筋網(wǎng)噴混凝土安全系數(shù)和錨桿受力滿足規(guī)范要求。主廠房和主變室洞周變形小于15 mm，洞室上下游邊墻中部變形為12 mm左右，最大變形出現(xiàn)在廠房底部；拱腳及洞周體形突變處產(chǎn)生不同程度的應力集中；主廠房、主變室洞周巖體均呈現(xiàn)出向巖體內(nèi)延伸的塑性區(qū)，塑性區(qū)巖體破壞以剪切破壞為主；變形、應力及塑性區(qū)分布規(guī)律與三維計算結(jié)果差異不大。

根據(jù)二、三維穩(wěn)定計算分析結(jié)果，同時考慮錨桿長度在 Dr Evert Hoek［6］201塑性區(qū)深度的基礎(chǔ)上加上2～3 m，并滿足《巖石隧洞和豎井工程手冊》（EM1110-2-2901）第七章和 Barton［6］202經(jīng)驗公式，在初始詳細設計的基礎(chǔ)上進行錨桿加長。Ⅱ類圍巖主廠房上游中部邊墻采用Ф28@2.0 m、長L＝9 m的支護錨桿，Ⅲ類圍巖上游中部邊墻采用Ф28@1.5 m、長12 m的支護錨桿。母線洞及尾水支洞采用0.2 m厚I16@0.5～1.0 m鋼拱架噴混凝土加錨桿的柔性初期支護。

3.2.3 楔形體局部加固分析

塊體理論的UNWEDGE軟件操作簡單、界面友好、適用性強、認可度高，被廣泛應用于地下工程塊體穩(wěn)定分析［11-12］，這里也采用該方法進行分析。主廠房、主變室和母線洞等洞室群揭露了1萬多條節(jié)理，在施工過程中應及時對結(jié)構(gòu)面進行最不利楔形體組合分析。主廠房、主變室洞周主要不穩(wěn)定楔形體見表3。

表3 CCS水電站主廠房、主變室洞周主要不穩(wěn)定楔形體

3.3 設計參數(shù)

采用工程類比法、二維有限元、三維有限差分法等對地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定進行綜合分析，經(jīng)過比較論證，在新奧法的基礎(chǔ)上最終提出了整體掛網(wǎng)噴混凝土加錨桿支護、局部型鋼噴混凝土加錨桿支護的設計思路。為提高噴混凝土錨桿初期支護的整體強度，錨桿錨頭采用螺母墊片固定的型式。

（1）選取支護材料。普通砂漿錨桿采用美國規(guī)范ASTM A706的grade 60，張拉錨桿采用美國規(guī)范ASTM A706的 grade 100W［690W］，錨索采用美國規(guī)范ASTM A416的grade1860［270］，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)符合美國規(guī)范ACI318，混凝土施工技術(shù)要求滿足美國規(guī)范ACI315、ACI301等。砂漿28 d齡期強度不低于35 MPa，襯砌28 d齡期強度不低于28 MPa，噴混凝土28 d齡期強度不低于28 MPa。

（2）系統(tǒng)支護參數(shù)。經(jīng)綜合分析，得到CCS水電站主廠房及主變室支護參數(shù)見表4。

（3）楔形體局部加固設計。鑒于結(jié)構(gòu)面與洞室臨空面的特殊關(guān)系，在主廠房、主變室頂拱與邊墻交接處拱座部位形成大大小小不利的楔形體，成為制約設計批復和現(xiàn)場施工安全的重大問題，經(jīng)分析，這些楔形體體量不大，在原有系統(tǒng)支護上局部進行錨桿加長加密支護后，正常運行工況安全系數(shù)大于2，地震工況安全系數(shù)大于1.3，滿足規(guī)范要求。

3.4 安全監(jiān)測資料分析

結(jié)合二、三維計算分析，主廠房及主變室在樁號ST0+005.00、ST0+086.00、ST0+148.00 等重點關(guān)注部位共布設了36套多點位移計、36支錨桿應力計；施工期結(jié)合現(xiàn)場開挖揭露地質(zhì)情況在樁號ST0+025.00、ST0+142.00補加多點位移計6套。

地下廠房洞群開挖于2013年7月基本結(jié)束，整個開挖過程中，各監(jiān)測儀器規(guī)律良好：大部分多點位移計從孔口至內(nèi)絕對變形及變形梯度越來越小，洞周圍巖較均勻、穩(wěn)定，屬于淺部位移；變形曲線多次呈臺階式跳躍，附近相鄰高程圍巖停止爆破一周之后變形速率變緩，與開挖爆破密切相關(guān)［13］；截至2014年3月，多點位移計孔口位移91%小于計算位移，錨桿應力計測得的應力92%小于計算應力，圍巖無異常變形，圍巖變形已經(jīng)長期收斂；圍巖穩(wěn)定性較好，支護結(jié)構(gòu)合理。

表4 CCS水電站主廠房及主變室支護參數(shù)

4 結(jié) 論

通過對CCS水電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)問題的研究，得到如下主要結(jié)論：

（1）經(jīng)工程類比、FLAC3D及 PHASEII分析，CCS 水電站地下洞室群大洞室頂拱采用0.2 m厚雙層掛網(wǎng)噴混凝土加墊板式砂漿錨桿的柔性支護，邊墻采用0.1 m厚單層掛網(wǎng)噴混凝土加墊板式砂漿錨桿的柔性支護，避免了大范圍預應力錨桿及錨索影響施工工期。

（2）根據(jù)主廠房及主變室受力及位移特點，巖壁吊車附近、主廠房高邊墻中部、主廠房與主變室中間巖柱、母線洞與尾水洞之間巖體、主變室下游尾水疊梁門擴挖部分等屬于重點關(guān)注部位。主廠房及主變室頂拱Ⅱ類圍巖穩(wěn)定支護錨桿長度為6.0 m，Ⅲ類圍巖穩(wěn)定支護錨桿長度為8.0 m。重點關(guān)注部位采用長度為9、10、12 m的砂漿錨桿和300、500 kN預應力錨桿進行加強支護。

（3）主廠房及主變室之間的母線洞及尾水支洞采用鋼拱架噴混凝土加錨桿的柔性初期支護，成功解決了三向薄巖壁的穩(wěn)定問題，避免了大范圍預應力錨桿影響施工工期。

（4）在整體支護設計的基礎(chǔ)上進行局部加固加強楔形體的穩(wěn)定性，分析得到各項監(jiān)測數(shù)據(jù)在安全范圍內(nèi)，因此整體長、密支護并沒有影響施工工期。鑒于節(jié)理的特殊性，CCS水電站主廠房及主變室頂拱與下游邊墻交接部位施工中應滿足小藥量、短進尺、及時支護等技術(shù)要求，避免因局部塊體失穩(wěn)而帶來整體失穩(wěn)。

（5）施工期的開挖質(zhì)量是有效控制松動擴展和保障圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。開挖施工措施控制不力會形成或誘發(fā)次控制結(jié)構(gòu)面，造成巖體破碎及深部松動。主廠房巖壁吊車梁壁座開挖、主廠房及主變室上下游邊墻的風道開挖、主變室疊梁門擴挖等體形突變處，特別是主廠房與主變室之間的巖柱受雙向爆破的影響，應控制爆破、及時做好鎖口及噴錨支護，不可野蠻施工。

各交叉部位、斷層破碎帶均安裝了收斂計、多點位移計、錨桿應力計、滲壓計，盡管各監(jiān)測數(shù)據(jù)已經(jīng)長期趨于穩(wěn)定，但圍巖松動圈深度及反饋的開挖質(zhì)量［14］還有待進行定量分析研究。