復雜地質條件下地下廠房與主變洞頂拱層開挖施工方案模擬選擇

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016)

1 工程概況

江蘇溧陽抽水蓄能電站位于江蘇省溧陽市境內，其主要任務是為江蘇省電力系統提供調峰、填谷和緊急事故備用，同時可承擔系統的調頻、調相等任務。樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統、發電廠房(含地面開關站及副廠房)和下水庫等4部分組成。電站安裝6臺單機容量250MW的可逆式水泵水輪發電機組，總裝機容量1500MW。地下廠房洞室群由主廠房、主變洞、母線洞、電纜豎井、進廠交通洞、通風洞等洞室組成。

主廠房洞室包括主機間、安裝間和地下副廠房三個部分，開挖總長度219.90m；巖錨吊車梁以上開挖跨度為25m，以下為23.5m，尾水管底板至廠房頂拱開挖高度為55.3m。主變洞開挖尺寸193.16m×19.70m ×22.0m(長×寬×高)。6條母線洞凈空尺寸7.50m×9.0m(寬×高)，靠主廠房10m范圍內母線洞凈空尺寸6.00m×5.40m(寬×高)。

2 工程地質條件

溧陽抽水蓄能電站地下廠房地質條件復雜，地層內斷層十分發育，斷層主要通過勘探平洞揭露，共揭露大小斷層111條。廠區圍巖主要為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖。巖層強烈褶皺，斷裂錯動頻繁，受巖層褶皺及斷層錯動影響，廠區巖層產狀變化較大，大部分地段巖層傾角較陡。巖石節理十分發育，且受巖層產狀影響較大，發育方向分散，規律性較差，難以找出優勢節理組。主要節理間距為0.20～0.50m，且節理密集帶較多，大部分節理的延伸受層面限制而出露較短小，近70%的節理傾角大于60°，少部分節理切層發育。廠區整體圍巖巖性相對較單一，圍巖質量主要受斷層及層間錯動帶分布及節理裂隙發育程度等影響，巖體多屬于鑲嵌結構或鑲嵌碎裂結構，以Ⅲ2～Ⅳ類為主兼有部分Ⅴ類圍巖。

3 施工亟待解決的問題

溧陽抽水蓄能電站地下廠房與主變洞在平面布置上為平行布置，兩者之間巖體厚度45m；主廠房頂拱高程為-16.05m，主變洞頂拱高程為-20.50m，兩者頂拱之間高差為4.45m。

根據總體施工進度安排，關鍵線路上的主廠房將作為首個工作面進行施工，在主廠房頂拱層開挖支護成型后再進行主變洞頂拱層開挖支護施工。該施工次序有利于主廠房頂層成型控制，可有效避免相鄰洞室爆破振動對廠房作業面的影響，保證廠房頂拱施工安全和工程安全。但作為地下廠房洞室群整體施工來說，該施工次序將嚴重制約主變洞整體施工進度，以及下部母線洞施工進度。同時，在主廠房單個作業面施工情況下，將無法充分發揮多臂鉆、濕噴臺車等大型機械設備的效率，造成大型設備閑置，從而增加施工成本。

4 問題解決途徑及模擬方案

鑒于上述施工存在的諸多矛盾問題，合理選擇主變洞頂拱層開挖時段，是保證主廠房、主變洞兩大洞室頂拱施工安全和工程安全的前提，對工程施工安排、資源合理利用、大型設備高效率利用以及施工成本控制具有重要意義。本文采用三維有限元模型進行地下廠房洞室群圍巖穩定性分析研究，以期得到較為合理的開挖施工程序及施工方案。

初步擬定“主廠房頂拱層開挖完成后進行主變洞頂拱層開挖、主廠房與主變洞頂拱層同步開挖、主廠房開挖兩層后再進行主變洞頂拱層開挖”三種方案，對主廠房及主變洞頂拱層開挖施工程序進行分析比較。

4.1 有限元分析模型

根據溧陽抽水蓄能電站地下廠房洞室群布局以及工程所在的地形條件，建立地下廠房洞室群三維有限元分析模型，包括主廠房、主變洞、尾閘室以及母線洞、尾水洞、引水洞等洞室。三維計算坐標取為：水平面上以垂直廠房軸線(NW340°)為X軸，正向指向下游，以主廠房縱軸線為Y軸線，垂直方向為Z軸，與大地坐標重合，指向上為正。坐標原點位于CZ0+000.000和CH0+000.000相交處。模型范圍為X：-130～230m，Y：-150～300m，Z：高程-180m～地表(最高高程296m)。分析過程中，模型四周及底部法向約束，模型考慮了Ⅱ級結構面F10、F32和Ⅲ級結構面F54、F57、F88。三維分析模型經離散后，生成的有限元網格共含有單元191657個，節點 266972個(有限元網格如圖1～圖2所示)。

圖1 地下洞群開挖幾何模型

圖2 地下洞群開挖單元三維網格

4.2 分析計算手段

采用大型巖土工程數值仿真分析軟件 FINAL，對地下廠房洞室群穩定進行有限元數值仿真分析，主要從巖體有限元模型、巖體材料本構模型、斷層及節理有限元模型三種模型進行分析計算。

4.3 荷載模擬

4.3.1 初始地應力場模擬

根據溧陽抽水蓄能電站地下廠房現場地應力實測資料，豎直地應力以巖體自重應力為主，水平地應力采用豎直地應力乘側壓力系數K表示。地應力的施加采用體積力的賦值方法。豎直地應力根據巖體的容重與上覆巖體的深度，程序自動進行每個單元的計算賦值。

4.3.2 開挖荷載模擬

施工期地下廠房洞室群的開挖卸荷通過釋放開挖區巖體的初始地應力，并用等效結點荷載的方法轉移到開挖邊界上。

施工荷載：初始地應力+開挖地應力釋放荷載。

4.4 初始地應力

在廠區勘探平洞 PD5-2中兩個鉆孔內采用水壓致裂法進行了平面應力測試(測試成果見表1)。其成果表明廠區地應力量級較低，屬于低應力，最大平面主應力為4.30～6.30MPa，方位角為NW向(332°～350°)，最小平面主應力為3.30～4.60MPa。

表1 水壓致裂法地應力測試成果

注表中內容摘自《江蘇溧陽抽水蓄能電站主體工程招標文件——水文氣象及工程地質參考資料》。

根據地應力實測結果，在三維計算坐標中進行應力轉換，得到實測點各應力分量值(詳見表2)，其中ZK148位于3號機組段中，ZK149位于6號機組段中。實測結果分析可知，σz為豎直方向，其值與上覆巖土體自重成1.15倍關系，水平側壓力系數X向在0.4～0.55范圍內，Y向在0.5～0.7范圍內。

表2 實測處應力分量分析

根據實測分析結果，在控制地下廠房洞室群的模型范圍內，對于巖體初始應力場采用常數k0(k0=1.15)倍自重應力場和水平構造應力場疊加進行模擬。

4.5 物理力學參數選取

洞室圍巖以弱風化中—厚層巖屑石英砂巖為主，夾少量泥質粉砂巖，屬堅硬—中硬類巖石，巖性條件較好。巖性對圍巖質量影響較小，圍巖質量主要受斷層及層間錯動帶分布及節理裂隙發育程度等影響。大部分由節理裂隙及層面切割的巖體屬于鑲嵌結構或鑲嵌碎裂結構，部分為層狀結構或次塊狀結構，斷層影響帶、層間擠壓破碎帶、部分節理密集帶等多為碎裂結構，斷層破碎帶、層間軟弱夾層、蝕變巖脈等屬于散體結構或碎裂結構。考慮蝕變巖脈或寬度大于0.50m的斷層帶或層間擠壓破碎帶為Ⅴ類圍巖，同時，在計算中綜合考慮了其余圍巖，Ⅱ級結構面F10、F32和Ⅲ級結構面F54、F57、F88。

工程地質資料中提到“主要依據勘探平洞相應范圍內的分類比例，結合鉆孔巖芯及物探測試資料對洞室圍巖質量進行類比劃分。但勘探平洞離主要洞室頂拱距離達80～90m，具體各類圍巖的比例及分區分段，須根據提前開挖的離廠頂或側墻較近的排水廊道、揭露的地質情況或廠房實際開挖后的情況進行細化和調整”。故將廠區的圍巖分類比例進行加權綜合，考慮地下廠房洞室群圍巖為Ⅲ+Ⅳ類。

4.6 不同方案計算成果分析

根據三維仿真模型計算需要，在主廠房及主變洞的頂拱、高邊墻位置設置關鍵點位進行圍巖變形分析演算，通過其關鍵部位圍巖位移值判別不同開挖方案的優劣性(主廠房及主變洞圍巖變形關鍵點位如圖3所示，表3為洞室群開挖完成后方案二和方案三分別與方案一位移百分比值，表4為洞室群在上述不同方案下開挖完成后無支護情況圍巖關鍵部位的位移值)。

通過仿真計算得出地下廠房洞室群在三種不同開挖方案下開挖完成后無支護圍巖的位移矢量圖(見圖4～圖6)。

圖3 地下廠房洞室群圍巖關鍵點位置圖

圖4 主廠房頂層開挖完成后進行主變洞頂拱層開挖無支護圍巖位移矢量圖

圖5 主廠房與主變洞頂拱層同時開挖無支護圍巖位移矢量圖

圖6 主廠房開挖兩層后再進行主變洞頂拱層開挖無支護圍巖位移矢量圖

表3 地下廠房洞室群不同開挖方案位移百分比值

注表中X位移值“+”表示向下游變形，“-”表示向上游變形；百分比值“-”表洞室支護后變形減小，“+”表支護后變形增大(表2同)。

表4 地下廠房洞室群不同開挖方案下圍巖位移值 單位：mm

從上述圖、表中可明顯看出，地下廠房洞室群在不同施工方案下圍巖產生不同的變形值，開挖方案的不同導致圍巖不同的應力重分布以及變形，總體上位移的規律變化基本一致，在主變洞中最大位移出現于頂拱部位，在廠房中最大位移則位于邊墻部位。

4.6.1 豎向位移分析

從豎向位移來看，主廠房與主變洞頂拱部位均出現各自洞室豎向變形最大值，地下廠房洞室群最大豎向位移值出現于廠房頂拱部位。廠房頂拱豎向位移在三種不同方案中，方案一的最大，其值不超過 115mm，方案三的最小，其值不超過109mm。三種方案中頂拱部位豎向位移值最大相差均不超過5%。在邊墻部位，最大相差不超過10%。

方案二中洞室群各關鍵部位豎向位移值均界于方案一與方案三之間。

4.6.2 水平位移分析

從水平位移來看，其最大值位于主廠房右邊墻與母線洞相交的上方部位，在三個方案中，方案三最大，其值不超過150mm，方案一最小，其值不超過144mm。方案一比其余兩個方案位移大部分少8%左右，最多能夠少20%。

方案一與方案二相比，除個別部位(廠房左邊墻、左拱肩部位)外，其余部位水平位移值均小于方案二；方案一與方案三相比，除廠房1號關鍵部位、主變洞邊墻及右拱肩外，其余部位水平位移值均小于方案三。

5 結 論

綜上所述，三種方案在不考慮施工支護情況下，洞室開挖完成后，豎向位移最大出現于廠房頂拱部位，其值不超過115mm，但三種方案中豎向位移值最大相差均不超過5%；從水平位移來看，其最大值位于主廠房右邊墻與母線洞相交的上方部位，在三個方案中，方案三最大，其值不超過150mm，方案一最小，其值不超過144mm。方案一比其余兩個方案位移大部分少8%左右，最大能夠少20%。

工期控制上，方案三所需時間最長，且在開挖主變洞時，主廠房存在高邊墻受主變洞爆破開挖施工影響的因素；方案二所需時間最短，可盡早進行主變洞下部開挖支護施工；方案一所需時間介于方案二、三之間，施工工期可控，同時，主廠房高邊墻穩定控制方面優于方案二、三。

結合方案一、方案二特性，從減少施工投入、成本控制入手，盡快完成主變洞開挖支護后，直接進行母線洞一期開挖施工，減少從主變洞底部先行開挖施工支洞后進行母線洞一期開挖施工，可大大減少施工投入和節約成本，因此，從施工工期、圍巖變形形態、施工投入、成本控制等方面綜合考慮，可結合方案一、方案二的特性，以方案二為主。為避免因主廠房、主變洞同樁號同時開挖對兩洞間巖體的疊加放大影響，施工中先進行主廠房頂拱層開挖施工，開挖一定距離(30～50m)后再進行主變洞頂拱層開挖施工，這樣既有利于地下洞室群總體施工工期控制，還能加快主變洞下部開挖施工進度，為從主變洞下挖后進行母線洞一期開挖創造條件，大大減少從主變洞下部開挖施工支洞后進行母線洞一期開挖的成本投入。