蒲石河抽水蓄能電站地下廠房開挖支護設計

于生波，趙忠文，逄立輝，賈志剛，宋立民，呂君卓

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 工程概況

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內，距丹東市約60 km，該電站是我國東北在建的大型純抽水蓄能電站，總裝機容量為1 200 MW，單機容量為300 MW，共4臺機組。

廠房洞室系統是一組空間立體交叉的地下洞室群，以廠房、主變室及尾閘室為核心。三大洞室從上游向下游依次平行布置，廠房與主變室間巖體厚度為29.8 m，主變室與尾閘室間巖體厚度為19.9 m。 3 個洞室的縱軸線方位均為 NW279°50′19″。

2 洞室群圍巖狀況

蒲石河抽水蓄能電站樞紐區基巖主要為混合花崗巖，局部穿插有閃長玢巖巖脈。巖石新鮮、堅硬，上覆巖體較厚。雖有40余條斷層破碎帶分布，但寬度較小，傾角較陡，多分布于廠房樞紐區的東西兩側，走向多與廠軸交角較大。巖石節理一般不發育，多以陡傾角為主，其主要節理走向與廠軸交角亦較大，多呈微張或鈣質膠結。

從整體看，廠房樞紐地段巖體尚完整，以塊狀結構為主，本區巖體地應力屬中等狀態，且其最大水平主應力方向與廠軸近平行，對洞室圍巖穩定較為有利。

據廠房平硐所揭示的巖體工程地質特性，廠房樞紐地段多以Ⅱ類圍巖為主，約占80%左右，Ⅲ類圍巖約占20%。Ⅱ類圍巖的縱波速多為4 000～5 000 m/s，其中個別地段達到5 500～5 900 m/s；Ⅲ類圍巖縱波速多為3 250～4 000 m/s。Ⅱ類圍巖巖體濕抗壓強度為100～200 MPa；Ⅲ類圍巖巖體濕抗壓強度為55～100 MPa；斷層破碎帶巖體濕抗壓強度為20～50 MPa。Ⅱ類圍巖變形模量 E0為 10.65～28.49 GPa；Ⅲ類圍巖E0為7.44～8.64 GPa；斷層破碎帶E0為 3.06 GPa。

廠房區地下水主要為賦存于基巖裂隙及斷層破碎帶內的裂隙水。地下水位埋深約40～55 m，高出廠房頂拱約190～195 m。據鉆孔壓水試驗資料，廠房區巖石透水性微弱，其透水率多小于1 Lu。在廠房樞紐區西半部沿f14斷層破碎帶、節理J60和節理J73、上游支洞F14和f24斷層破碎帶以及巖脈δπ-13滲水量較大，約10～24 L/min。

3 圍巖穩定分析

影響地下洞室圍巖穩定的主要因素有以下兩點：①自然地質因素。主要包括巖體地質構造、結構面性質和空間組合、巖石物理力學性質、地應力大小與方向和地下水狀況等。②工程因素。包括工程洞室群布置、軸線方位、洞室形狀、施工開挖順序和施工方法以及洞室支護措施、支護時機等因素。天然條件下，巖體處于平衡狀態，開挖洞室活動是引起圍巖變形、破壞的直接原因。

地下洞室開挖后，改變了原來天然巖體中的應力平衡狀態，在初始應力場的作用下，洞室圍巖應力重新分布，圍巖向洞內變形，甚至失穩破壞。地下廠房的圍巖穩定性分析應根據巖體地質構造、巖石力學性質、地應力大小與方向、地下水影響及工程布置、施工方法等因素，采用工程類比法并結合有限元計算成果作出評價。

蒲石河抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩定分析主要采用二維和三維計算模型相結合的方法進行非線性彈塑性有限元分析，巖體材料的屈服準則采用Drucker-Prager屈服準則，采用ANSYS程序軟件進行計算分析。

根據二維模型和三維模型的有限元計算分析結果，對蒲石河地下洞室圍巖的整體安全穩定性評價如下：

（1）洞室圍巖整體位移符合具有高邊墻的地下洞室特點。頂拱隨開挖過程逐步下沉，在開挖后期輕微上抬，最大下沉量約8 mm；底板隨開挖過程逐步上抬，最大上抬量14 mm左右；邊墻向洞內收斂位移，最大位移量為25 mm左右。

（2）洞室圍巖應力分布隨開挖過程逐步由洞周向巖體內部遷移，應力遷移和調整區域主要集中在洞周1倍洞徑左右范圍。開挖過程中洞周未出現顯著拉應力，較大壓應力主要發生在拱角、底板和邊墻中部，最大壓應力均在15 MPa以內。

（3）洞室圍巖塑性區僅出現在拱角、底板和邊墻中部等部位，向洞周巖體延伸深度較淺，一般在3 m以內。

（4）通過對有支護錨桿和無支護錨桿 （毛洞）圍巖穩定計算分析成果的對比，可以得出：①施加錨桿后，在各洞室的拱肩、邊墻中部等部位錨桿自身的應力明顯增大，說明開挖導致了巖體應力調整，錨桿在巖體應力調整中發揮作用比較明顯。②由于吊車梁部位處于高邊墻的中上部，該部位錨桿自身的應力比較大。③錨桿自身的應力在100 MPa以內，遠小于錨桿的允許應力，說明巖體穩定狀況較好，巖體和支護結構是穩定安全的。

綜上所述，蒲石河抽水蓄能電站地下洞室圍巖的應力、位移分布規律性較好，無明顯異常區域，圍巖處于安全穩定狀態，擬定錨桿支護是合理、可靠的。

4 支護設計

工程因素對洞室圍巖穩定的影響是明顯的。在同類圍巖中，洞室布置尺寸越大，圍巖穩定性越差，而施工開挖是造成圍巖應力重分布的基本原因。影響圍巖穩定最為顯著的就是地下洞室的開挖方式，不同的開挖程序就意味著在時空上以不同的方式對圍巖施加荷載，從而決定施工期內圍巖的應力、塑性區和洞周位移的分布。開挖爆破產生的巖石松動和破裂對圍巖穩定關系也很大。另外，支護時機的選擇也是至關重要的，支護過早，則支護結構承擔荷載更大，不能充分發揮圍巖自身 “塌落拱”效應，造成支護工程量增加；支護過晚，錯過最佳支護時機，圍巖變形量增大，對穩定造成不利影響。

圍巖與支護結構共同承載的現代支護理論是20世紀50年代發展起來的，這種理論認為巖體不僅會對支護結構產生荷載，同時本身又是一種承載體，圍巖是承載的主體，支護是加固和穩定圍巖的手段，支護與圍巖共同承載維持洞室穩定。允許圍巖有適度變形，通過支護調節，控制圍巖不出現有害松動，以最大限度地發揮圍巖自承能力。

充分發揮圍巖自承能力是現代支護理論的一個基本觀點。當前，國際上廣泛采用的 “新奧法”就是基于支護與圍巖共同作用的現代支護理論。 “新奧法”一方面要求采用快速支護、緊跟作業面支護、預先支護等手段限制圍巖松動，以保持圍巖的自承力；另一方面又要求采用分次支護、柔性支護等手段允許圍巖出現一定程度的塑性，以充分發揮圍巖的自承載能力。顯然，支護時機選擇是 “新奧法”的一個關鍵因素。

目前，國內外對地下洞室的支護設計較普遍采用的是 “新奧法”，利用噴混凝土和錨桿相結合的柔性支護，并根據變形觀測資料加以修正。噴錨支護結構能較好地適應地下洞室圍巖變形，使巖體結構的自承能力得以充分發揮。

蒲石河抽水蓄能電站地下洞室的支護設計是在有限元計算分析成果確定支護形式和參數的基礎上，根據圍巖分類、工程類比，按半經驗半理論的方式綜合分析確定了洞室的支護形式。地下洞室群以采用全噴錨支護設計為主，局部采用噴錨支護與混凝土襯砌相結合的復合支護形式，即以柔性支護為主，剛性支護為輔。地下洞室支護布置見圖1。

圖1 蒲石河地下廠房洞室支護布置

（1）主廠房洞室13.2 m高程以上邊墻及頂拱噴鋼纖維混凝土，噴層厚度為15.0 cm；13.2 m高程以下噴10.0 cm厚素混凝土。

（2）主廠房洞室頂拱及上、下游墻13.2 m高程以上布置系統錨桿，錨桿φ25，錨入巖石4.0 m或6.0 m；上、下游墻13.2～-7.0 m高程系統錨桿φ25，錨入巖石 5.0 m；上、下游墻-7.0 m高程以下系統錨桿φ22，錨入巖石4.0 m。以上系統錨桿間排距均為 1.5 m×1.5 m。

（3）廠房端墻處及廠房尾水管處系統錨桿φ22，錨入巖石 4.0 m，間排距為1.5 m×1.5 m。

（4）主變洞頂拱及邊墻均噴15 cm厚鋼纖維混凝土。

（5）主變洞系統錨桿φ25或φ22，錨入巖石5.0 m或3.0 m，間排距1.5 m×1.5 m。

（6）母線洞為噴錨支護與混凝土襯砌相結合的復合支護形式，噴10 cm厚素混凝土結合40 cm厚混凝土襯砌墻體，系統錨桿φ22，錨入巖石4.0 m，間排距1.5 m×1.5 m。

（7）洞室拱角處以及洞室交叉口處設置超前錨桿，永久錨桿采用φ25加長錨桿，錨入巖石7.0～9.0 m。

在施工階段，根據廠房開挖后的地質情況及監測結果，合理地調整了廠房系統的支護設計，主廠房上、下游墻體加設了1 000 kN級的錨索，錨索長度為20～30 m；母線洞間加設了對穿預應力錨桿等。對于開挖過程中發現的局部不穩定巖塊，及時采取了隨機加固支護措施。

5 結語

蒲石河抽水蓄能電站地下廠房洞室群開挖支護完成已經近4年的時間。從錨桿應力計、位移計等監測成果分析可知，系統錨桿支護有效地改善了圍巖的應力狀態，減少了洞室圍巖的塑性區，限制了圍巖位移的有害發展，提高了圍巖的整體穩定性，支護參數和支護結構是合理可靠的。經過蒲石河工程實踐，對地下廠房洞室群圍巖穩定分析及支護設計有了以下認識：

（1）地質勘探工作是地下工程設計的基礎。無論是圍巖整體穩定性分析，還是局部不穩定塊體分析，都離不開巖體的物理力學特性。有限元計算分析的精確與否，取決于其模擬的邊界條件是否與實際地質情況相符。因此，地勘工作在地下工程設計中至關重要。

（2）做好圍巖的有限元計算分析工作，除了邊界條件模擬的準確性外，開挖方式、方法也決定著洞室圍巖的穩定性。因此，應綜合考慮現代施工設備、施工能力、施工條件等多方面因素，確定模擬合理的、符合實際的開挖方式、方法。

（3）在地下洞室群支護設計中，必須運用承載拱現代支護理論，充分發揮圍巖的自承能力，采取“新奧法”的柔性支護形式，掌握好最佳的支護時機，減少襯砌和支護工程量，減少工程投資。

（4）通過反分析和預測分析，對支護設計隨時進行調整或修正，使之更符合實際工程，在滿足圍巖穩定的安全前提下，讓支護措施更加合理化。

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