某水電站地下廠房開挖初期監測成果分析

胡 明 秀， 胡 升 偉

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

大型地下廠房洞室群是高山峽谷地區水電站的重要組成單元，在山體內開挖規模宏大的地下空間必將會引起洞室群圍巖體的強烈卸荷和應力調整。施工初期，針對圍巖開展一系列監測并及時對監測成果進行分析、總結，有利于實時了解圍巖松動和應力調整情況，有利于在之后的洞室開挖過程中設計和調整圍巖噴錨支護方案，因此，施工初期的圍巖變形、應力監測是修建大型地下廠房洞室群的重要工作之一[1]。以某水電站為例，基于實測監測數據，運用作圖法、比較法、統計法等對地下廠房洞室開挖初期的圍巖變形、圍巖應力和錨索荷載監測成果進行了分析和總結，對類似工程的監測成果分析及噴錨支護工作具有較好的參考價值。

某水電站工程為一等大(1)型工程。主、副廠房及安裝間按“一”字形布置，安裝間位于主廠房左側，副廠房位于主廠房右側。主機間頂拱跨度為28.3 m，巖錨吊車梁以下跨度為25.3 m，最大開挖高度為67.32 m，長度為134.08 m。安裝間長54.01 m，副廠房長26.61 m，廠房全長214.7 m，廠房最大高度為67.32 m。

廠房開挖后揭示地層巖性以似斑狀黑云鉀長花崗巖為主，穿插花崗偉晶巖脈，呈焊結接觸，巖體新鮮完整、致密堅硬。頂拱處發育1條煌斑巖脈沿右端墻-頂拱-上游邊墻發育，與廠房軸線陡傾斜交；上下邊墻發育一小斷層且其與洞軸線呈大角度相交。巖體結構以塊狀～整體狀結構為主，圍巖類別以Ⅲa類為主，局部片幫、板裂及張剪嚴重破壞部位淺表部為Ⅳ類。

2 監測項目的設計與儀器布置

地下廠房洞室監測的主要目的是監控施工過程及運行期的安全，兼顧反饋驗證設計和為變形控制提供基本依據。其設置的主要監測項目有圍巖變形、應力及支護荷載等，分別采用多點位移計、錨桿應力計、錨索測力計等監測儀器。

根據該電站廠區工程地質條件和地下廠房結構設計特點，地下廠房共布置了6個監測斷面，地下廠房監測斷面及儀器布置情況見表1，地下廠房洞室開挖分層情況見圖1。

3 監測成果及分析

表1 地下廠房監測斷面及儀器布置表

圖1 地下廠房洞室開挖分層圖

3.1 圍巖位移成果分析

通過對典型監測斷面(3-3監測斷面)監測成果進行分析可知：A層開挖結束累計位移在-1.08～14.6 mm之間，B層開挖結束累計位移在-1.86～14.81 mm之間，C層開挖結束累計位移在-6.11～14.96 mm之間。位移增長主要發生在兩側拱肩擴挖和下臥開挖過程中，錨固支護后多點位移計測值漸趨穩定。

由監測成果可知：圍巖的變形發展主要受洞室開挖影響，由圖2和圖3可以看出：圍巖變形主要呈現“臺階”式增長，受洞室開挖影響明顯，其變形發展基本與開挖線一致，A層邊墻的開挖和B、C層中部拉槽的開挖對圍巖變形影響最大，圍巖變形基本呈不同程度的突變。地下廠房3-3監測斷面多點位移計位移開挖分層統計情況見表2， 地下廠房3-3監測斷面多點位移計M43CF-01過程線見圖2，地下廠房3-3監測斷面多點位移計M43CF-05過程線見圖3。

3.2 錨桿應力成果分析

由錨桿應力監測成果可知：地下廠房的錨桿應力基本上呈拉應力狀態，錨桿應力計R23CF-01-2、R24CF-02-2、R26CF-01-1(應力分別為379.08 MPa、393.43 MPa、320.39 MPa)的應力值接近量程(400 MPa)，主要表現為開挖后局部圍巖應力調整和集中；其余錨桿處于正常工作性態，應力值在-11.67～247.56 MPa之間。廠房的錨桿應力受洞室開挖影響明顯，相鄰兩層洞室開挖時應力變化較大，同層洞室開挖時應力變化相對較小，頂拱錨桿應力呈“臺階”逐次上升形態，上、下游拱腳及邊墻的部分錨桿應力分布離散。

表2 地下廠房3-3監測斷面多點位移計位移開挖分層統計表

圖2 地下廠房3-3監測斷面多點位移計M43CF-01過程線圖

從地下廠房的錨桿應力分段統計情況(表3)可知：85.71%的錨桿應力計呈現拉應力，14.29%的錨桿應力計呈現壓應力；75%的拉應力錨桿應力值在100 MPa以內，壓應力基本在12 MPa以內；應力較大的部位主要位于主廠房上、下游邊墻及頂拱。地下廠房3-3監測斷面錨桿應力計R23CF-02過程線圖見圖4。

圖3 地下廠房3-3監測斷面多點位移計M43CF-05過程線圖

表3 地下廠房錨桿應力分段統計表

3.3 錨索錨固力成果分析

地下廠房錨索測力計張拉后的鎖定比例噸位為設計噸位的70%左右，其設計噸位分別為：2 000 kN、2 500 kN。實測錨固力在1 331.65～1 879.92 kN之間，損失率在-8%～11.6%之間。由地下廠房錨索測力計錨固力統計情況(表4)可知：錨索實測錨固力均在設計值范圍內，96.97%的錨索損失率在±10%以內；超鎖定噸位的錨索占57.58%，但損失率均在-8%以內。

錨索前期基本呈損失狀態，實測錨固力小于鎖定噸位。但隨著洞室開挖錨固力增大，同層洞室開挖錨固力變化量較小，相鄰兩層洞室開挖時錨固力變化明顯。大多數錨索荷載處于小量增加狀態，每測次增幅在1～10 kN之間，反映出洞室開挖后圍巖向臨空面變形，錨索發揮了錨固作用。地下廠房3-3監測斷面錨索測力計DP3CF-03錨固力過程線圖見圖5。

圖4 地下廠房3-3監測斷面錨桿應力計R23CF-02過程線圖

3.4 監測成果綜合分析

圍巖應力、錨索錨固力在地下廠房洞室開挖和支護初期的增加間接驗證了圍巖變形監測成果在時間和空間上具有較好的關聯性。受圍巖不良地質條件和開挖爆破影響，圍巖變形較大的部位其相應的圍巖應力亦較大，其錨固力的增加是否影響錨索自身的安全則應考慮錨索自身承受荷載的能力[2]。鑒于地下廠房下挖施工和爆破錨固力增加較快，變幅較大，且因錨桿應力計和錨索測力計的安裝相對多點位移計較晚，監測成果歷時過程較短，但其基本能反映洞室開挖時圍巖的變形和應力情況：

圖5 地下廠房3-3監測斷面錨索測力計DP3CF-03錨固力過程線圖

表4 地下廠房錨索測力計錨固力統計表

(1)洞室開挖對圍巖變形影響明顯。相鄰兩層洞室開挖時，圍巖變形明顯增大；同一層洞室開挖時，圍巖變形平緩[3]。

(2)錨桿的應力變化與多點位移計位移變化規律一致，成正相關關系。位移變形和應力變化受洞室開挖影響明顯，相鄰兩層洞室開挖時，位移和應力增長較大；同層洞室開挖時，位移和應力的增長相對較小。

(3)錨索荷載前期基本呈損失狀態，錨索的后期荷載處于小量增加狀態，錨索荷載的變化與多點位移計位移變化相關性明顯，說明洞室開挖后圍巖向臨空面變形，錨索發揮了應有的錨固作用。

4 結論及建議

(1)監測成果分析表明：地下廠房洞室變形、應力監測成果可靠，能夠較全面地反映圍巖變形情況和錨桿支護、錨索工作狀況。圍巖的變形均朝向臨空面，首層開挖對頂拱變形較大，第一、二層的開挖對拱腳和邊墻的變形影響較大，位移增量區域均存在向低高程(開挖面)下移、擴展的趨勢，而遠離開挖面高程的區域位移增量逐漸減小[4]。圍巖應力、錨索錨固力在地下廠房洞室開挖和支護初期的增加間接驗證了圍巖變形監測成果，在時間和空間上具有較好的關聯性。受圍巖不良地質條件和開挖爆破影響，圍巖變形增大的部位其相應的圍巖應力及錨索荷載亦增大。

(2)根據對所預埋的多點位移計變形與支護后錨桿應力及錨索荷載情況進行對比分析可知：支護前，洞室圍巖變形持續增長，支護后，變形增長得到了抑制，說明噴錨支護對地下洞室的圍巖起到了較好的加固效果，是保持圍巖穩定性的必要支護結構，支護滯后將會導致圍巖松動范圍加大[5]。

(3)建議在今后的洞室開挖工程中，應在爆破后及時進行噴錨支護， 以使錨桿、錨索最大限度地發揮其錨固懸吊作用，限制圍巖的松動范圍，減小圍巖的變形。