某大跨度地下廠房蝕變巖防治措施與支護評價

田 林，黃銀偉，朱治峰

（浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

某電站廠房采用地下式，最大跨度為24.5m，最大高度約55m，地下廠房上覆巖體厚410～430m，圍巖為含礫晶屑熔結凝灰巖，巖層總體產狀為N50～70°W，NE∠20～35°，巖石微風化～新鮮，存在不同程度的蝕變現象。蝕變巖的分布及性狀，特別是其賦存環境發生變化后的工程特性，將直接影響地下工程的穩定性。廠區蝕變與構造發育情況具有明顯的相關性，北側的F204斷層和南側的F220斷層為Ⅲ～Ⅳ級結構面，是控制蝕變的主要構造，斷層及其影響帶內巖體蝕變明顯，工程性狀較差，對地下廠房洞布置及圍巖的完整性、穩定性影響非常大。

2 蝕變工程處理措施

蝕變作用是指地球內部存在的熱液流體沿一定的通道進入成分和物理化學條件與之有很大差別的巖石體系后發生的物理化學反應，其形成的巖石稱為蝕變巖或交代巖。蝕變作用經礦物蝕變和重結晶改變原巖和圍巖體的礦物成分和結構，該過程中通常還隨著一些次生礦物的形成，因此蝕變帶巖體的物理力學特性因蝕變作用和原巖性質差別很大，大部分蝕變巖體經熱液交代后結構松散，裂隙發育，強度性質降低，穩定性差。

國內多個在蝕變巖地區施工的大型工程均不同程度遇到了由于巖體或構造帶蝕變引起的塌方、崩塌等變形破壞問題。由于強烈蝕變，產生了大量的蒙脫石、高嶺石和絹云母等黏土礦物[1-2]。巖體、構造影響帶常呈土狀或泥狀，塌方的出現主要是由于蝕變巖富含黏土礦物且性質軟弱，在干濕交替和松弛條件下極易發生膨脹變形，加上圍巖節理發育、破碎程度高，開挖后自穩能力差，從而造成圍巖坍塌。根據調查和測試計算，某地下廠房建設主要從洞室布設、錨固設計、施工方法和地下水處理等方面加強與蝕變巖有關工程問題的防治工作[3]。

2.1 方案設計與超前預報

根據查明的地質條件，通過分析研究NE向斷裂的分布規律，將地下廠房設置在風化程度較淺、巖體質量較好的部位。采用洞探和鉆探為主、物探和試驗為輔的手段查明廠房部位地質條件，修改洞室位置及規模，盡可能根據地質條件規避蝕變巖帶發育地段，廠房各部位的使用功能存在差異性，部分洞段最終不可避免地將會位于蝕變巖體存在的部位，這就需要因地制宜，結合已有的蝕變分級情況，對不同巖體的工程特性，采取相對應的結構設計或者工程措施來確保其安全性和可靠性。

在廠房開挖過程中根據蝕變巖的發育情況和空間展布趨勢，分析研究已有的勘察資料，進行詳細的地質測繪和編錄工作，統計分析節理、裂隙等結構面以及蝕變巖體分布規律、地下出水位置和大小以及分布情況，包括圍巖類別在內的地質信息，進而對圍巖的穩定作出宏觀判斷。另外，利用超前地質預報資料，結合人工的地質編錄以及超前鉆孔成果，適時查明蝕變洞段巖體的發育規律，根據鉆孔巖樣情況分析研究其物理力學性質特征，進行相關試驗分析工作，為預報洞室安全、確定支護參數提供依據。

2.2 錨固方案設計

在已查明的蝕變巖分布洞段，提前采取工程處理措施，根據探查的巖體分布規模、形狀、空間形態，采取合適的柔性或剛性的錨固方案，同時科學設計錨固間距、排距，視情況及時封閉蝕變體和欠穩定體，確保洞室的穩定。比如，對部分斷層帶采取了鋼筋混凝土置換方案，通過排水廊道打出穿越斷層帶的縱向廊道，然后在斷層內（平行斷層走向布置）打出3條橫向廊道與縱向廊道連接。

由于蝕變巖富含黏土礦物，巖體被開挖成洞后，圍巖應力重新調整，原來膠結致密的裂面也可能錯動或張開，即使沒有地下水活動，潮濕的空氣也會使蝕變巖慢慢膨脹。在計算錨固參數時，需考慮蝕變巖體洞段的整體膨脹力，即便是相對完好的圍巖洞段，也必須采取工程措施確保存在的欠穩定巖體整體穩定后，再開展系統的支護、掛網等工序。對于正常支護的徑向錨桿，應根據圍巖情況長短結合設置。在軟弱破碎巖體區，錨桿可適當地加密、加長。在錨固蝕變巖時，錨桿應至少錨入新鮮巖0.5m以上，具體錨入深度應結合現場試驗調整后確定。

根據圍巖含有蝕變巖的特殊情況，噴錨支護參數一般應比《水電站廠房設計規范》（SL 266—2014）規定的參數略偏安全或者通過降低圍巖類別來選擇噴錨支護參數，將支護參數提高一個級別，以增加安全度。

2.3 施工開挖方法與噴砼控制

在蝕變巖體分布洞段，洞室開挖宜采用微臺階法，在開挖前先對圍巖進行排水和固結灌漿，首層按“眼鏡”法施工，中間預留巖柱，并遵循“先排水、短進尺、弱爆破、緊跟支護”的施工原則，同時根據廠房不同及工程部位地質條件的差異分區施工。

隨著大跨度地下廠房的開挖，洞室隨時間的推移存在逐步收斂的現象，并形成累加效應。噴錨支護要根據不同分區的地質條件，選擇在洞段膨脹前或膨脹后進行，盡可能減輕噴層所承受的膨脹壓力。蝕變洞段的巖面清理應采用高壓水清洗并將蝕變松散物刮除后鑿毛，再進行噴砼施工，減少砼層的開裂脫殼現象；在Ⅳ、Ⅴ類巖體及局部頂拱、邊墻等不支護存在欠穩定的塊體或掉塊的情況下，應采取隨挖隨噴或者隨機錨桿加噴混凝土的工程措施。對沒有影響洞室穩定的蝕變洞段應在蝕變巖經歷膨脹階段、壓力基本釋放之后，再采取相應的掛網、噴砼等措施處理，這樣可減輕保護層所承受的膨脹壓力，避免或者減少保護層的拉裂；對于強烈蝕變地段應采用剛性支護。

2.4 地下水處理

蝕變洞段圍巖穩定性受地下水發育情況影響也較大，水的存在往往會加速降低蝕變洞段巖體的物理力學性質，是加大圍巖穩定破壞性的推手。尤其在蝕變帶陡立或者與洞室邊墻小角度相組合時，地下水破壞性更大，常常導致邊墻膨脹失穩，局部坍塌，甚至形成倒傾的巖面。在地下水的作用下，巖石的礦物成分和原生結構是洞室和邊墻垮塌的主要影響因素，所以，在含水量較大的富水區域應采取相應的先導孔、廊道或者水泥灌漿等措施進行引流疏導或者堵截，將地下水與蝕變的洞室巖體盡量隔離開來，減少相互影響的可能。

3 洞室支護評價

地下廠房開挖實際揭露的地質條件與前期勘察資料的分析結論基本一致，圍巖為Ⅲ～Ⅳ類。

頂拱：緩傾角的層面節理、夾層與陡傾角斷層、節理的切割組合，在頂拱極易構成不穩定塊體，因此緩傾角的層面節理、夾層是影響頂拱圍巖穩定的主要結構面。先在頂拱四周開挖排水廊道，對圍巖進行預排水的基礎上，采用自北向南（逆巖層傾向）先兩邊導洞后中間巖墻的施工方法，最大程度地削減了地下水、層面節理、夾層對洞室圍巖穩定的影響，同時也避免了大跨度洞室板梁狀圍巖可能產生的逐層折斷塌落。專項處理F15、f2斷層與層面節理等組合的楔形體，避免廠房頂拱可能出現大的楔形體坍塌。通過上述施工順序和專項支護處理以及頂拱的分區系統支護后，頂拱圍巖穩定，各監測斷面實測數據無異常。

上、下游邊墻：在巖壁梁高程附近由SN向陡傾角節理與NNE向中～陡傾角節理組成的傾向廠房內的小型楔體，經系統支護處理后，巖體穩定；沿F15斷層呈帶狀破碎區巖體經專項支護處理后，提高了圍巖的穩定性，上游邊墻圍巖穩定。下游邊墻節理發育，斷層不發育，除沿F15斷層具條帶狀破碎巖體以外，未發現明顯的不利結構體，邊墻穩定性尚好。由于下游邊墻母線洞、尾水支洞等開挖量較大，受施工爆破振動以及支護滯后的因素影響，監測數據曾反映出個別多點變位計和錨桿應力計數據偏大，隨著后期加強支護跟進及廠房澆筑面的抬高、洞室的襯砌，上述異常點位的數值增量趨緩，并趨于收斂，現已趨于穩定。

北、南端墻：F204斷層由碎裂巖、角礫巖、糜棱巖及斷層泥構成，潮濕，局部滲滴水，傾向廠房，與北端墻的最小距離為6.4～9.6m，對其進行混凝土置換方案處理后，北端墻無異常情況，圍巖穩定；南端墻受F220斷層及緩傾廠房的層面節理等不利因素的影響，巖體呈較破碎～破碎狀，圍巖穩定性較差，施工時采用減少巖體擾動的方法，并及時支護，支護處理后南端墻圍巖穩定。

該地下廠房洞自施工開始至開挖支護完成，并安全運行至今，各種監測數據無異常，說明廠房洞圍巖穩定，采取的支護處理措施是合適的。

4 結束語

文章針對某電站地下廠房巖體及構造帶蝕變后強度低、性狀差的情況，采取了相應的處理和支護措施，經驗證，采取措施后的廠房洞室群圍巖結構穩定，可為類似工程提供參考。