白鶴灘水電站巨型地下廠房主要巖石力學問題與防治對策

劉 寧，陳平志，陳 浩，陳建林，徐 劍

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122; 2.浙江中科依泰斯卡巖石工程研發有限公司，浙江省杭州市 310014; 3.中國三峽建設管理有限公司，北京市 100038）

1 引 言

白鶴灘水電站是目前在建世界最大水電站工程，也是僅次于三峽工程的世界第二大水電站工程，地下廠房洞室群規模、洞室跨度等均居世界水電工程第一。左、右岸引水發電系統采用對稱布置，地下廠房為首部開發方式，廠內各布置8臺1000MW水輪發電機組，裝機容量共16 000MW，是首次采用百萬機組的巨型水電工程。如圖1 所示，白鶴灘水電站左右岸巨型地下廠房洞室群由長廊型的地下廠房、主變壓器洞、尾閘室和圓筒43～48m直徑的尾水調壓室組成，其中左、右岸主副廠房洞長度438m，巖梁以上寬度34.0m，以下寬度31.0m，高度88.7m，巨大的地下廠房洞室群開創了中國水電工程建設的新紀錄。

白鶴灘地下廠房洞室群沿線為單斜巖層，出露二疊系上統峨眉山組玄武巖，巖層自下游至上游層位分別為 P2β2、P2β3、P2β4、…、P2β7、P2β8、P2β9層等，地質構造主要有層間錯動帶、層內錯動帶、斷層、裂隙等，層間、層內錯動帶為長大軟弱結構面，其產狀與巖流層產狀基本一致，典型地質剖面（右岸為例）見圖2。地下廠房洞室群圍巖以III類為主，巖性主要有斜斑玄武巖、隱晶質玄武巖、杏仁狀玄武巖、柱狀節理玄武巖、角礫熔巖，玄武巖的單軸抗壓強度一般為90～110MPa。左、右岸地下廠房洞室群區域屬于中高地應力區，左岸第一主應力值大小為 16.2～22.4MPa，右岸為 21.4～28.0MPa，實測最大地應力33.39MPa，右岸地應力水平總體上高于左岸。

圖1 白鶴灘水電站左右岸巨型地下廠房洞室群Figure 1 Cavern group of giant underground powerhouse on the left and right banks of Baihetan hydropower station

白鶴灘地下廠房洞室屬于深切河谷地區，地應力高，發育大型軟弱層間錯動帶不利構造，在地下廠房開挖過程中，廣泛揭示了高應力破壞特性[1-2]、軟弱層間錯動帶的張剪變形破壞[3-4]、脆性玄武巖破裂時效發展[5-7]等典型巖石力學問題。本文以白鶴灘地下廠房洞室施工過程出現的主要巖石力學問題進行了深入探討，并詳細剖析了各類典型問題的工程應對防治措施，工程實踐表明，這些主動和被動聯合防治措施合理、有效。

圖2 地下廠房工程區典型地質剖面圖（右岸）Figure 2 Typical geological section of underground powerhouse engineering area （right bank）

2 主要巖石力學問題

地下廠房洞室群工程區域巖體具備玄武巖硬脆性特征，初始應力為中高地應力水平，發育長大軟弱層間錯動帶幾大基本條件，開挖過程揭示了的典型圍巖響應模式包括：

（1）長大軟弱層間錯動帶控制型問題；

（2）脆性玄武巖高應力破裂問題。

2.1 層間錯動帶控制性問題

地下洞室工程區P2β24凝灰巖厚度一般為30～80cm，局部可達180cm，層間錯動帶主要在凝灰巖中部發育，厚度一般為10～60cm，平均20cm，如圖3所示。錯動帶物質組成為泥夾巖屑型，遇水易軟化，其性狀差，強度低。

圖3 長大軟弱層間錯動帶結構特征Figure 3 Structural characteristics of interlayer shear belt

當緩傾角層間（內）錯動帶在廠房洞室頂拱出露時，長大軟弱錯動帶切割部位的下部巖體受卸荷松弛、自身重力及其他結構面切割等因素影響，層間帶下盤局部巖體易發生失穩坍塌，如圖4所示層間帶C4在廠房洞室頂拱出露導致的坍塌破壞。

圖4 廠房洞室頂拱受層間錯動帶切割導致坍塌破壞Figure 4 Collapse and damage of the powerhouse cavern roof caused by the interlayer shear belt

當長大緩傾角層間（內）錯動帶在地下廠房洞室邊墻出露時，層間帶影響的上下盤巖體發生顯著的剪切變形，從而發生不連續變形破壞，見圖5。高應力條件下，地下廠房高邊墻是強卸荷區，由于層間帶C2性質軟弱，成為了圍巖變形的控制邊界。當層間帶上下盤巖體完整性較好時，上下盤巖體將產生整體錯動變形形成臺階，圍巖整體穩定性較好；但當上下盤圍巖完整性較差時，即次級結構面與層間帶組合，則可能形成局部塊體穩定問題。

圖5 層間錯動帶在廠房邊墻出露導致剪切破壞Figure 5 Shear failure on powerhouse cavern side wall caused by interlayer shear belt

2.2 脆性玄武巖高應力破裂問題

白鶴灘玄武巖具有顯著脆性特征且初始應力水平高，實測地應力最高達33.39MPa，廠房區域的巖體應力強度比為0.19～0.29，大于0.15且小于0.4，具備發生應力型破壞的條件，且以中等程度的高應力破壞為主，在地下廠房洞室開挖過程中，廣泛出現了脆性玄武巖高應力片幫、破裂、弱巖爆等應力型破壞，見圖6、圖7。

圖6 脆性玄武巖高應力破裂特征Figure 6 Stress spalling of cryptocrystalline basalt

圖7 地下廠房分層邊墻角高應力破裂破壞特征Figure 7 Characteristics of high stress fracture in the corner of layered sidewall of Underground Powerhouse

工程區玄武巖中初始裂紋（隱微裂隙）發育，受隱微裂隙影響，啟裂強度較低，易于在地下廠房洞室淺層應力集中（低圍壓）區，形成應力破裂和片幫破壞，以及受微裂隙影響的解體破壞，甚至可以歸結為理想脆性材料。同時，由于玄武巖的峰后強度低，脆性特征顯著，在高應力條件下損傷破裂深度相對較大且通常具有明顯的時間效應特征，而洞室開挖后圍巖開裂區域（松弛圈外側，或稱為外損傷區域），承載力也相應較低，而時效破裂則較為明顯。圖8為脆性玄武巖高應力破裂發展特征，該破裂特征也進一步佐證了巖體的時效破裂特性。

圖8 脆性玄武巖高應力破裂發展特征Figure 8 High stress fracture development characteristics of brittle basalt

3 層間錯動帶影響與防治

3.1 層間錯動帶切割頂拱影響與防治

白鶴灘層間錯動帶是橫貫地下廠房洞室群的大型軟弱構造，錯動帶與洞室交切位置不同，對大型洞室圍巖變形與穩定的影響方式存在明顯差異，局部加強措施也需要體現差異性和針對性。

3.1.1 層間帶對頂拱變形的影響

當層間錯動帶切割大型洞室頂拱時，將導致層間帶的法向松弛及其下盤巖體產生松弛變形，甚至在剪出口部位形成塌落破壞，由于剪出口附近層間帶下盤巖橋厚度較薄，高應力集中致使巖體產生屈服和應力松弛。如右岸地下廠房小樁號洞段頂拱受層間錯動帶C4切割，頂拱C4會產生明顯的法向松弛，局部圍巖變形顯著（見圖9），其下盤淺層巖體在開挖過程中通常不能自穩，需要依靠外在支護力來保持頂拱穩定。

層間錯動帶影響區域往往存在局部的應力場，洞室開挖過程，除了會在剪出口形成應力松弛與塌落破壞外，在距離層間帶一定范圍，還會形成如圖10所示的局部應力集中區，隨廠房分層下挖，邊墻高度的增加及頂拱應力集中的持續增強，應力集中疊加會使得層間帶下盤巖體的破裂擴展和時效變形更為明顯。局部應力集中的形成機制主要由于軟弱層間帶阻斷了應力向上盤調整，松弛巖體的荷載只能向C4下盤巖橋厚度較大部位（即向北側）巖體轉嫁，使得C4下盤距離切割部位一定范圍形成應力集中增強區域，即洞室頂拱“承載拱”，高應力集中區影響范圍主要在距離剪出口20～75m范圍，而應力集中區影響范圍相對更大，甚至影響到了右岸整個小樁號洞段。

圖9 層間帶切割廠房洞室頂拱破壞和圍巖變形特征Figure 9 The surrounding rock failure and deformation distribution characteristics in the top arch of powerhouse by the interlayer shear belt cut

圖10 右岸地下廠房C4下盤巖體的應力集中特征Figure 10 Stress concentration characteristics of C4 footwall rock mass of underground powerhouse on the right bank

3.1.2 洞室頂拱防治措施

地下廠房頂拱受層間錯動帶影響洞段，在頂拱出露部位局部變形量值較大，錯動帶下盤圍巖應力集中現象明顯，局部應力集中將導致圍巖應力型破壞，層間錯動帶在頂拱揭露后難以自穩，因此，系統支護、加強支護措施、開挖方案和爆破控制均對其穩定有影響。

（1）層間錯動帶頂拱出露一定范圍內的支護措施如下：噴混凝土C25，厚20cm；掛鋼筋網，鋼筋拱肋，系統預應力錨桿，L=9m，T=100kN；系統預應力錨索T=2000kN，L=25m。

（2）對于層間帶剪出口附近應力松弛區巖體需要提升支護力，如右廠小樁號洞段頂拱增加系統錨索和加密錨桿，采用超前錨固洞措施，實施預應力錨索，進行洞室頂拱預錨固，見圖11。

（3）開挖方案：根據層間錯動帶出露范圍進行綜合確定，具體措施包括沿著錯動帶出露方向開挖（開挖方向控制）、控制掘進循環采用短進尺、分多分幅開挖來減小單次出露范圍等。

（4）爆破控制：由于層間錯動帶的物理力學性狀差，開挖爆破對其卸荷松弛影響同樣較為明顯，因此爆破控制也是層間錯動帶穩定的重要方面。

（5）對于距離層間帶一定范圍的應力集中增強區而言，需要保證初期支護的強度以提升補償圍壓抑制應力型破壞，同時，需要充分考慮隨下臥導致頂拱應力集中增強而存在的破裂擴展與時效變形因素，需要預留變形和支護力增長空間，即降低初始張拉水平保證支護系統安全。此外，采用低壓注漿來提高錯動帶和破裂巖體力學參數，改善頂拱拱圈成拱效應，以滿足洞室長期穩定性要求。

圖11 層間錯動帶在洞室頂拱出露的局部加強支護措施Figure 11 Local strengthening support measures of interlayer shear belt between layers exposed in the top arch of cavern

3.2 層間帶切割邊墻錯動變形與防治

與層間帶切割頂拱不同，層間帶切割高邊墻帶來的主要是變形與松弛問題，并且圍巖松弛的范圍會大幅增大，甚至超過常規系統支護的能力。

3.2.1 層間帶對邊墻變形的影響

當層間帶切割高邊墻時，層間帶上下盤巖體產生明顯的錯動變形，并導致邊墻松弛深度的加劇。譬如，層間錯動帶C2是左岸廠區規模較大、貫穿性的大型軟弱結構面，對地下廠房圍巖變形有明顯的控制作用，層間錯動帶的存在顯著改變了高邊墻變形模式，如圖12所示，由于層間帶傾向上游，下游邊墻層間帶切割部位在分層開挖過程表現為張剪性變形，更易產生錯動；上游邊墻表現為壓剪性變形，錯動變形量相對較小，只有當層間帶被揭露后，才轉變為下盤巖體以層間帶為頂面的傾倒變形，因此，上游邊墻圍巖的大變形集中于切割部位下盤淺層范圍。總體上，白鶴灘地下廠房受層間帶控制的上下游高邊墻非連續變形存在顯著差異，且其對下游邊墻的影響大于上游邊墻。

圖12 層間帶切割高邊墻造成不連續錯動變形特征Figure12 Characteristics of discontinuous staggered deformation caused by cutting high side wall in interlayer shear belt

3.2.2 高邊墻的防治措施

層間帶的錯動變形及其上下盤巖體的卸荷松弛問題突出，而常規的錨索、錨桿支護措施，特別是層間帶附近部分預應力錨索的錨固端可能置于錯動帶影響范圍之內，對充分發揮其支護效果不利，因此，針對層間錯動帶引起的圍巖剪切錯動變形及局部大變形，需采取針對性的加強支護和綜合防治措施才能有效控制。具體防治措施見圖13。

（1）層間錯動帶在洞室邊墻出露采用系統性的噴錨支護和錨筋束鎖口支護限制其不協調變形措施。例如，右岸廠房下游邊墻中下部右廠0+165～右廠0+260段層間錯動帶C3出露，同時上盤還發育層內錯動帶RS411，為有效限制圍巖變形，沿層間錯動帶C3上下盤布置3排針對性預應力錨索（2500kN，35m/40m）進行加強支護。

（2）地下廠房上游和下游邊墻設置 “主洞+支洞”置換洞措施。置換洞開挖斷面為6m×6m，先進行一期混凝土襯砌，然后進行固結灌漿和中間混凝土回填。

（3）針對高邊墻受層間帶影響區域采用長錨索，對層間帶上盤巖體進行深層錨索錨固。

（4）層間錯動帶出露于母線洞、主變壓器洞與尾水擴散段、尾水連接管之間巖柱，二者之間布置2000kN有黏結型預應力對穿錨索進行加固。

圖13 層間帶切割高邊墻防治措施Figure 13 Prevention measures of cutting high side wall in interlayer shear belt

4 脆性玄武巖高應力問題與防治

4.1 玄武巖高應力問題與破裂特征

玄武巖在成巖時期由于冷卻原因，導致隱微裂隙發育，“硬” “脆” 特性顯著，在高地應力條件下，易形成高應力片幫、應力破裂破壞等問題。結晶巖發生應力破裂擴展的時間效應是指在恒定荷載的條件下，巖石中的破裂會隨時間不斷增長，因此強度隨之衰減，是脆性特征結晶巖的基本力學特性之一[8-11]。這種特性在地下工程中往往表現為：相對完整的圍巖條件下洞室開挖后，即便在開挖停止后圍巖中應力調整結束的條件下，應力破裂現象仍然不斷加劇。白鶴灘隱晶質玄武巖具有高度（理想）脆性特性，見圖14，研究和工程實踐表明，由于破裂尺寸的細觀特征，只有破裂發展到后期、圍巖特性顯著惡化以后才轉化為宏觀破壞，圍巖破裂和應力調整會引起遲滯的持續變形特征；換言之，破裂時間效應一旦啟動，想依靠支護手段完全抑制是不現實的，地下洞室工程玄武巖脆性破裂產生和發展是普遍的破壞特征。

綜合工程現場巖性條件和高分辨率超聲波測試成果分析，發生應力破裂發展區域巖性主要為隱晶質玄武巖，杏仁狀玄武巖存在應力破裂，但破裂發展特征明顯不如隱晶質突出[12-14]。通過分析六次重復測試成果可知，揭露了硬脆性巖體破裂特征加劇現象（圖中深藍區域變大）。局部巖體受工程區域應力場調整演化作用，出現破壞加劇的現象，如圖15所示，6.90～9.25m、9.75～10.50m、11.90～12.90m范圍的破壞呈現隨時間均存在加劇現象，其中9.75～10.50m的破壞區從第一次測試的不明顯破壞，到第六次測試拓寬到70°左右范圍的寬度，并且破壞區從第二、三次測試時向下延伸了約0.25m左右，如圖15所示深藍區域變大。

圖14 白鶴灘玄武巖的脆性特征Figure 14 Brittleness Characteristics of Baihetan basalt

圖15 脆性玄武巖不同深度區間應力破裂破壞發展特征（深藍區域變大）Figure 15 Development characteristics of stress rupture failure in different depths of brittle basalt（the dark blue area becomes larger）

4.2 脆性巖體破裂的主動防治

白鶴灘電站地下工程施工過程中，盡管脆性玄武巖的破裂還不足以導致工程問題，但考慮到地下洞室群的地應力水平和開挖規模，這一矛盾不可避免，因此需要主動采取合理布置、開挖、支護設計方案，最大程度抑制脆性玄武巖的高應力破裂。

（1）脆性巖體高應力破裂防治基本原則，一是降低圍巖中能量集中水平，二是提高圍巖在高應力條件下的自穩能力。

（2）戰略性方法層面，通過采取一些措施避免脆性巖體破裂問題出現的可能性或強度。戰略性方法的效果往往是全局性的，且基本上全部是通過主動降低整體應力集中和應力型破壞風險的方式實現脆性巖體破裂控制，典型的戰略性方法主要是洞室群布置研究，如地下廠房軸線方向布置避開了斷面受控第一主應力影響的因素。

（3）戰術性方法層面，通過具體的方法對存在高應力集中和應力型破壞的局部部位進行處理，如開挖程序優化、施工方法改進等，從而改善局部巖體的應力集中狀態、或者加強圍壓條件和承載力，達到防治由地質條件差異等造成的局部巖體破裂問題引起的危害程度或控制其不利影響。

（4）針對洞室斷面高應力問題防治，采取廠房開挖斷面少分序分幅和優化開挖分序順序。在圍巖地質條件、洞室布置和體形方案確定條件下，開挖分序不同將會導致圍巖應力路徑的不同，從而對圍巖的應力型破壞也有一定影響。如廠房分幅開挖順序對頂拱應力集中程度存在影響，廠房分幅開挖采取以順斷面大主應力方向為原則，一般應優先開挖臨江側，優化分幅開挖情況下廠房頂拱應力集中大于巖體啟裂強度（40MPa）的范圍也明顯減小，局部應力集中可以減小約5MPa，并且廠房分幅區域左側墻腳的應力集中區位于后續開挖體中，可避免應力破壞影響廠房輪廓邊界部位巖體。

（5）脆性玄武巖高應力破裂控制的針對性支護優化原則。當巖體高應力破裂風險增強時，表面支護需要從掛網、素噴+網、摻鋼纖噴層的方式優化，在高風險條件下不推薦使用“摻鋼纖噴層+網”的方式是考慮到消除掛網作業時間消耗與支護及時性之間的矛盾；當巖體高應力破裂風險增強時，原則上選擇加強錨桿支護時需要同時考慮增強錨桿支護力和柔性支護特征，可選擇增加普通螺紋鋼錨桿實現，以及有條件地使用噴納米鋼筋網混凝土，都需強調支護的及時性。

4.3 脆性巖體破裂支護實施時機

脆性巖體應力的破裂在很多情況下圍巖破裂損傷都會存在一定的滯后現象，即新開挖的掌子面上很難觀察到破裂損傷現象，常常給人圍巖安全性好、無需支護的錯覺。工程實踐表明，隨著時間推移或掌子面向前推進，圍巖的破裂損傷程度不斷加劇，因此，支護錨桿的安裝越接近掌子面時，越有利于及時維持圍巖中的圍壓。

針對高應力問題突出的部位，及時支護（支護時機二相比于支護時機一）有利控制頂拱的變形增量，同時也有利于提高頂拱的圍壓水平和降低應力集中區最大主應力的量級水平，使得圍巖應力狀態更加遠離強度包絡線，如圖16所示，及時支護有利于降低圍巖破裂、發生鼓脹變形從而導致噴層開裂的風險。

圖16 及時支護提供補償圍壓的作用Figure 16 The function of timely support to compensate the confining pressure

在高應力條件下，洞室圍巖破裂擴展和變形具有明顯的時間效應特征，而且脆性巖體的破裂發展到一定程度將會導致明顯巖體擴容、體積膨脹，使得這部分巖體將喪失了很大一部分的承載力，這就要求針對應力破裂甚至破碎巖體的“兜網”支護力的要求顯然會更高。因此，針對脆性圍巖高應力條件下破裂問題，越及時的支護需要付出支護力代價越小，且支護效果越好。如圖17數值模擬不同支護時機對圍巖松弛的影響，緊跟掌子面的及時支護（支護時機二）能夠使得巖體破裂損傷得到有效抑制，從而使得圍巖的松弛圈相比更小，必須強調工程實際中 “初期”支護的系統性和及時性。

圖17 白鶴灘右岸地下廠房松弛圈深度Figure 17 Relaxation zone depth of underground powerhouse on the right bank of Baihetan

5 結論

以白鶴灘地下廠房洞室在復雜的地質條件下施工開挖過程實踐為基礎，針對出現的主要巖石力學問題和防治措施進行了深入探討。

（1）層間錯動帶影響與防治。長大軟弱層間錯動帶影響范圍內的圍巖在開挖卸荷作用下，受松弛、局部化應力、自身重力等作用，上、下盤巖體松弛易發生較大的不連續剪切變形，造成局部圍巖失穩塌落。針對層間帶頂拱影響洞段采用預應力錨桿、錨索深層支護和超前錨固洞預錨固措施合理，高邊墻影響區域采用主洞+支洞置換洞、鎖口和上盤深錨等聯合支護措施是有效的防治措施。

（2）脆性玄武巖高應力破裂與防治。綜合考慮優化布置地下廠房洞室群軸線方向和優選洞室體形等戰略層面措施，采用主洞室軸線與最大主應力方向小角度相交的布置方案，體形上選擇雙向成拱的圓筒形，保證洞室頂拱曲率與應力拱相適應等措施，系列主動防治措施有效降低了高應力造成的圍巖高應力破壞風險。

（3）白鶴灘地下廠房洞室群工程區域巖體具備玄武巖硬脆性特征，初始應力為中高地應力水平，發育長大軟弱層間錯動帶以及柱狀節理發育的幾大基本條件[11-14]，地下洞室實施過程中出現了顯著的脆性圍巖高應力破裂及時效特征，應當強調初期支護的及時性和系統性，增強及時錨固支護力和柔性特征，充分利用洞室開挖過程的掌子面效應及時提供補償圍壓作用，從而有效抑制脆性巖體破裂擴展、時效變形和圍巖松動圈深度發展，工程實踐過程中充分考慮主動和被動防治措施聯合實施。