復雜地質大型地下洞室開挖與支護技術

肖厚云, 杜安朋

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610213)

楊房溝水電站為國內首個百萬千瓦級大型地下廠房和百米級高壩整體EPC水電項目，位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上(部分工程區域位于甘孜州九龍縣境內)，是雅礱江中游河段一庫七級開發的第六級，上距孟底溝水電站37 km，下距卡拉水電站33 km。在壩址左岸山體不到0.5 km2的區域內、高度約400 m巖體中，共布置了體型各異、大小不等的近40條洞室，累計總長度超過10 km。這些洞室縱橫交錯、平、斜、豎相貫，組成復雜的大型地下洞室群。需對復雜地質地下洞室開挖與支護技術進行研究，保障現場施工安全，獲取良好的安全作業環境。

1 復雜地質大型地下洞室開挖與支護現狀分析

在隧道工程施工過程中，由于工程條件的復雜性，常常發生施工中安全事故。為了保證施工安全及隧道投入運營后的安全，在施工過程中對圍巖進行監測是十分必要的，通過現場圍巖監控量測及時掌握圍巖和支護在施工中的力學動態及穩定程度，為評價和修改初期支護參數、力學分析及支護施作時間提供信息依據。

國內外學者對隧道圍巖位移測量數據的處理方法進大量研究，包括位移反分析法、時間序列法、回歸分析法、灰色系統預測、神經網絡模型預測等。楊紅軍等[1]根據Panet、Gaudin、Sulem的研究成果[2]，利用半解析計算方法，考慮了隧道周邊收斂和拱頂下沉隨時間和掌子面推進距離的變化情況，建立了相關的收斂模型，由此給出了硬巖及軟巖隧道中二襯的合理支護時機。葉繼權等[5]通過三次B樣條曲線擬合的數學方法將圍護結構水平位移的報警轉化為彎矩的報警，通過計算出的彎矩值與設計許可彎矩及規范允許的樁體極限彎矩對比，判斷圍護結構是否安全。袁厚海等[6]采用基于隧道支護結構測斜數據推導隧道支護結構彎矩值，給岀了較準確的隧道支護結構彎矩預測方法，并通過對隧道工程實例分析。李兆權[7]以國內部分礦山采用噴錨支護巷道的位移測試數據為基礎，采用概率預測法對最終位移量做出估計，并經實例驗證方法可行，為進行支護方案選擇提供了簡便方法。王宏偉[8]通過對盛大鐵礦巷道進行變形監測，得到巷道變形規律，利用 MATLAB軟件建立神經網絡模型，以盛大鐵礦46條支護穩定巷道為學習和檢驗樣本，建立巷道支護優選及變形預測神經網絡模型。李本強[9]應用人工神經網絡方法，利用土釘支護變形觀測數據，建立用于對支護系統未來變形進行預測的網絡模型。同時，通過實例計算分析了影響預測精度的原因，提出了改善預測精度的措施。馮利坡等[10]通過研究支護結構破壞前20 d的坡頂水平位移、深層水平位移曲線，觀測到了監測曲線反映結構破壞的突然變化，充分說明了自動化監測的預警作用。李曉婉[11]選取上海、杭州、武漢和大連市動港等地區200多個項目的實測數據，研究了圍護結構變形預警值問題。應用風險理論。與概率統計理論，制定指向性、敏感性都強的安全風險預警指標。結合工程案例，進行設計合理的安全風險預警，驗證其適用性。李惠強等[12]構建了支護結構安全預警系統，并在分析研究深基坑工程設計和施工實測資料的基礎之上，采用改進的BP神經網絡，建立起支護結構位移預測模型，并就基坑支護安全監測預警指標進行了討論。

從以上研究成果可以看出，由于監測設備的技術水平以及安裝等現實條件的限制，利用解析的方法求解支護結構應力較為困難，通常需要靠間接方法作位移反分析。而利用時間序列法、回歸分析法、灰色系統預測、神經網絡模型等方法較為成熟，其中回歸分析的方法最簡單，在早期計算機不發達的年代應用廣泛。神經網絡法、時間序列分析法等隨著現代計算資源的發展而有了飛快的進步。

2 大型地下洞室開挖方法

主副廠房洞縱軸線方向為N5 °E，與引水隧洞高壓管道軸線交角90 °。主副廠房洞、主變洞、尾水調壓室三大洞室平行布置，均采用圓拱直墻型斷面，主副廠房洞與主變洞的凈距為45.0 m，主變洞與尾水調壓室的凈距為42.0 m。主副廠房洞與主變洞之間布置有4條母線洞，同時廠房下游、主變洞下部布置有尾水洞。主變洞下游布置有出線洞，其中出線洞包含出線下平洞、出線豎井和出線上平洞。引水發電系統地下洞室群各洞室尺寸見表1。

表1 引水發電系統各洞室規模匯總

鑒于前述分析，待建工程的地質條件較為復雜，開挖洞室又極大，施工組織非常困難，稍不注意，就會出現大變形甚至垮塌等不利后果。因此，需要預先研究能夠規避上述不良危害的開挖、爆破和支護等預控技術，以此確保圍巖穩定、結構安全和人員不受傷害。限于文章篇幅有限僅說明主副廠房洞的開挖方法。主副廠房洞開挖尺寸為230 m×30 m(28 m)×75.57 m(長×寬×高)，共分Ⅸ層開挖，目前主副廠房洞已全部開挖支護完畢。具體開挖分層分區見圖1所示。

圖1 主副廠房洞開挖分層示意(單位:mm)

(1)主廠房第Ⅰ層采用先中導洞開挖，后兩側擴挖的方式。主副廠房洞中導洞于2016年4月6日開始開挖，2016年8月3日開挖完成；擴挖于2016年7月16日開始，于2016年11月12日完成。

(2)廠房第Ⅱ～Ⅲ層采用中間拉槽，兩側預留保護層的開挖方式，其中Ⅱ-1和Ⅲ-1層采用一次性開挖爆破，Ⅲ-3和Ⅲ-5層采用一次性開挖爆破，開挖順序為：(Ⅱ-1和Ⅲ-1)→(Ⅱ-2)→(Ⅲ-2)→(Ⅲ-3和Ⅲ-5)→(Ⅲ-4)→(Ⅲ-6)→(Ⅲ-7)→(Ⅲ-8)。第Ⅱ～Ⅲ層于2016年11月20日開始，2017年5月15日完工。

(3)第Ⅱ-1和Ⅲ-1層于2016年11月20日開始，于2016年12月10日完工；第Ⅱ-2層于2016年11月25日開始，于2016年12月25日完工；第Ⅲ-2層于2017年1月8日開始，于2017年3月17日完工；第Ⅲ-3和Ⅲ-5層于2017年1月18日開始，于2017年4月1日完工；第Ⅲ-4層于2017年3月1日開始，于2017年4月3日完工；第Ⅲ-6層于2015年3月7日開始，于2017年4月2日完工；第Ⅲ-7層于2017年3月23日開始， 2017年5月12日巖錨梁巖臺保護層(Ⅲ-7層)全部開挖完畢；第Ⅲ-8層于2017年5月開始，與2017年5月15日完工。

(4)2017年5月23日，主廠房巖壁吊車梁澆筑第一倉混凝土，2017年8月6日，巖錨梁澆筑完畢。

(5)廠房第Ⅳ～Ⅶ層均采用中部拉槽，兩側預留保護層的開挖方式。第IV層于2017年8月11日開始，于2017年9月18日完工；第V層于2017年9月19日開始，于2017年10月31日完工；第VI于2017年11月5日開始，于2017年12月4日完工；第Ⅶ層于2017年12月7日開始，于2018年1月11日完工。

(6)廠房第Ⅷ～Ⅸ層(機窩)分導井、上游保護層、下游保護層、巖柱頂面保護層四序開挖，通過導井溜渣至基坑底部，并通過尾水擴散段出渣。1#機機窩于2018年1月20日開始，于2018年5月6日完工；2#機機窩于2018年3月17日開始，于2018年5月9日完工；3#機機窩于2018年3月28日開始，于2018年5月26日完工；4#機機窩于2018年4月6日開始，于2018年6月5日完工。

主副廠房洞現場施工面貌見圖2。

圖2 主副廠房洞現場施工

3 大型地下洞室支護方法

楊房溝水電站地下廠房規模較大，巖梁以上跨度30 m，開挖高度為75.7 m。

地下廠房軸線走向N5 °E，地面高程約2 220～2 350 m，洞頂高程2 022.50 m，上覆巖體厚度200～330 m。廠房圍巖巖性為花崗閃長巖，呈微風化—新鮮狀，巖質堅硬，巖石的飽和單軸抗壓強度在80～100 MPa之間。廠區最大主應力σ1值為12～15.48 MPa，最大主應力方向為N61°W～N79°W，屬于中等地應力區。

根據楊房溝地下廠房的規模和特點，支護設計遵循以下原則：

(1)遵循“根據工程特點，廣泛征求專家意見，以已建工程經驗和工程類比為主，巖體力學數值分析為輔”的設計原則。

(2)發揮圍巖本身的自承能力，遵循以“錨噴支護為主，鋼筋拱肋支護為輔；以系統支護為主，局部加強支護為輔，系統支護與隨機支護相結合”的設計原則。

(3)采取分層開挖，及時支護，力求體現噴錨支護靈活性的特點及圍巖局部破壞局部加固、整體加固的等強度支護原則。

(4)圍巖支護參數根據施工開挖期所揭露的實際地質條件和圍巖監測及反饋分析成果進行及時調整，即“動態支護設計”的原則。

按照以上支護設計原則，并根據洞室開挖后揭示的地質情況和監測反饋信息，對地下廠房洞室群的支護進行必要的調整，以滿足圍巖的穩定要求。

4 地下洞室開挖施工動態反饋技術

楊房溝水電站地下廠房洞室群位于中等地應力區，巖石強度相對較高，也不存在規模較大的軟弱結構面和斷層影響帶，這些基本的地質條件決定了地下洞室群具備較好的整體穩定特征。圍巖變形破壞的分布與地應力分布規律密切相關，楊房溝水電站三大洞室軸線與最大主應力方向呈大角度相交，受力條件相對不利，在一定程度上加劇了頂拱的應力集中和邊墻的卸荷變形，同時邊墻發育的順洞向陡傾優勢結構面也加劇了這種不利效應，在地下洞室群開挖過程中，局部洞段也出現圍巖表層剝落、掉塊、坍塌與噴層開裂等現象，監測成果也揭示，部分區域的圍巖變形、錨桿錨索應力、圍巖松弛深度及范圍偏大。

針對地下洞室施工過程中遇到的各類工程問題，現場及時開展了動態反饋分析工作，從現場調研、理論分析、數值模擬等多角度，分析各種工程問題產生的原因，并提出相應的處理措施和建議，有針對性地實施了局部加強支護，包括適度加密系統錨桿和錨索、降低錨索鎖定噸位、對IV類圍巖采用較高密度的錨桿及預應力錨索和鋼筋混凝土修補等處理措施，以提高巖體抗破壞能力，保障圍巖穩定。

從目前的監檢測數據和工程實踐情況來看，針對各類工程問題的動態反饋分析論證是基本合理的，為洞室的及時支護優化設計與安全控制提供了科學依據；現場采取的處理措施總體是及時有效的，能盡可能的減小和避免了洞室不穩定問題或施工安全問題的發生，使得洞室整體開挖支護順利完工，總體上實現了本項目中動態設計與監測反饋分析的研究目標。

5 結論

(1)針對復雜條件，提出了復雜條件下地下洞室合理分區開挖方法，并根據不同位置受力情況進行針對性設計。

(2)監測動態反饋結果表明，智能快速提出的洞室開挖、支護優化設計與安全控制等處理措施非常有效，最大程度減小和避免了洞室不穩定問題或施工安全問題，使得洞室整體開挖支護順利完工。

(3)鑒于大型地下廠房等洞室大多處于山體及巖土條件均極復雜工程區域，因此仍然需要對在開挖施工過程中的圍巖與結構等的應力和變形等進行監控，并對其作出準確分析，進而提出合理控制方法及參數，以確保工程安全。