瀑布溝地下廠房洞室群開挖支護設計研究

莫如軍，樊熠瑋

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

瀑布溝水電站是大渡河梯級規劃中的第17個梯級，為一等大(Ⅰ)型工程，采用壩式開發方式。工程樞紐由攔河大壩、泄水、引水發電、尼日河引水等主要永久建筑物組成。電站最大水頭181.7 m，最小水頭114.3 m，額定水頭154.6/156.7 m，裝機總容量3 600 MW(6×600 MW)。地下廠房發電系統主要由廠房、主變室、尾水閘門室、母線洞、尾水管等建物組成，并以主廠房、主變室和尾水閘門室三大洞室為骨架，形成“上下分層 、前后分列、縱橫交錯”的地下洞室群。主廠房、主變室、尾水閘門室均為長條形洞室，平行布置，巖柱厚度分別為41.95 m和32.70 m，母線洞、尾水連接洞軸線垂直于主廠房。地下廠房洞室群布置見圖1。

圖1 瀑布溝地下廠房洞室群布置(單位：m)

考慮主廠房縱軸線應與主要結構面成較大夾角，與最大主應力成較小夾角，以及樞紐布置協調，綜合分析后確定主廠房走向為N42°E。主廠房長208.6 m，寬30.7 m和26.8 m(巖錨梁上部和下部)，最大高度70.1 m。主變室長249.1 m，寬18.3 m，高25.975 m，尾水閘門室長212.085 m，寬16.4 m，高56.35 m。

1 基本地質條件

地下廠房系統洞室群布置在左岸山體中，水平埋深240～540 m，垂直埋深200～360 m，圍巖為澄江期中粗粒花崗巖，僅有少量輝綠巖脈分布，多微風化～新鮮，主要呈次塊狀～塊狀結構，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，巖性堅硬，強度高，巖石單軸抗壓強度一般在100 MPa以上。

廠房系統內無大的斷層，僅有小斷層、擠壓破碎帶和輝綠巖脈破碎帶。輝綠巖脈破碎帶多沿界面發育而成，以中陡傾角為主，走向多NWW、NW、NE；花崗巖中的小斷層和擠壓破碎帶絕大多數產狀為N40°～60° W/SW∠20°～40°，寬度多小于50 cm。斷層帶多由碎裂巖、碎塊巖及少量糜棱巖組成，結構擠壓緊密，揭露的小斷層主要有4組：①N60°～80°W/SW∠70°～85°；②N30°～50°E/NW∠60°～80°；③N30°～50°E/SE∠65°～85°；④N30°～50°W/SW∠30°～40°。圍巖中節理裂隙可歸納為四組：①近SN/E∠50°～70°；②N30°～60°W/SW∠30°～50°；③N30°～60°W/NE∠60°～80°；④N30°～50°E/NW∠50°～70°。

廠區巖體質量可分三大區：f12、f13斷層以西區域，小斷層發育，巖體完整性較差，大多屬Ⅲ類巖體；f7以南區域，巖體弱風化，圍巖質量多屬Ⅲ類圍巖；f12、f13斷層以東、f7斷層以北區域，構造簡單，巖體完整，多屬Ⅰ、Ⅱ類圍巖。主廠房范圍內不能避開的小斷層主要有4條，且其中3條屬巖脈斷層，從斷層主產狀看可分為兩組：一組走向N60°～80°E，傾向NW，包括f9、f9-1；一組走向N70°～75°W，傾向SW，包括f14、f15二條。局部輝綠巖脈、裂隙密集帶、小斷層帶及影響破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類圍巖。廠區地下水不豐富，局部有滲滴水，滲滴水多沿軟弱結構面出現，隨著開挖的進行，出水量逐漸減小、消失，對圍巖穩定無大的影響。廠區地應力以構造應力為主，實測最大主應力σ1為21.1～27.3 MPa，屬中-高地應力量級。

2 地下廠房洞室群開挖

2.1 開挖原則

(1)開挖要有利于保護洞室圍巖的完整性，避免過度擾動和破壞圍巖，避免使圍巖出現不利的應力狀態和承載條件，盡量減少洞室之間的施工干擾。

(2)開挖要有利于適時進行支護作業，發揮支護效用。

(3)要在滿足施工組織設計的基礎上，選取對洞室圍巖穩定影響較小的開挖方案。

2.2 開挖方案

瀑布溝地下廠房洞室群開挖程序借鑒了類似工程經驗，并經三維非線性優化分析研究，原設計推薦采用將主廠房、主變室、尾水閘門室三大主體洞室“錯洞、錯層、錯段”開挖、對母線洞、尾水管及連接洞、排風排煙豎井、電梯電纜豎井等洞室采用“跳洞、錯段、適時”的開挖程序方案，主副廠房自上而下共分為Ⅸ層進行開挖，主變室開挖滯后主廠房、尾水閘門室1～2期(厚12～20 m)，以利洞室圍巖穩定。地下廠房洞室群施工開挖分層見圖2。

圖2 地下廠房洞室群施工開挖分層示意

瀑布溝水電站地下廠房系統工程于2004 年1 月開工，后受“10·27移民聚集事件”影響，施工于2004年10月27日停工，2005年9月19日復工，總工期延遲了10個多月時間。為達到瀑布溝水電站地下廠房首臺機組提前發電的要求，原有的施工開挖方案已不能滿足施工進度要求，故在施工過程中，承包商對原設計地下廠房洞室群開挖程序進行了較大幅度調整，采用了三大洞室“平行開挖”、大幅擴挖廠房上游邊墻內排水廊道(2號)、加大分層開挖爆破力度(中部開挖層)、尾水管洞及其連接洞提前開挖、母線洞及1號電梯電纜豎井開挖爆破和襯砌施工大幅滯后(廠房高邊墻形成后) 的施工程序。實際開挖過程如圖3所示。

3 地下廠房洞室群的支護設計

地下洞室圍巖支護的目的是通過加固圍巖，提高圍巖的力學強度，改善圍巖的應力狀態，限制圍巖變形，充分發揮圍巖自承能力，維護巖體穩定。根據瀑布溝電站的地質條件，為充分發揮巖體的自身承載能力，地下洞室群普遍采用噴錨支護設計。

3.1 支護設計原則

(1)以已建工程經驗和工程類比為主，巖體力學數值分析為輔。

(2)以圍巖分類為基礎，根據不同的圍巖類別和洞室功能，采用不同的支護型式。

(3)發揮圍巖本身的自承能力，以“噴錨支護為主，鋼筋混凝土襯砌為輔; 以系統支護為主，局部加強支護為輔，并與隨機支護相結合”。

(4)對于有地質缺陷的局部洞段和在結構與功能上有特殊要求的洞室，采用噴錨支護和鋼筋混凝土襯砌相結合的復合式支護，即“特殊部位特殊支護”。

(5)圍巖支護參數應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，動態調整支護參數。

3.2 支護設計方案

瀑布溝地下廠房洞室群錨噴支護設計以工程類比法為主，通過數值模擬分析對擬定的洞室圍巖支護參數進行三維有限元計算，提出適合本工程所需的支護參數。根據工程類別及計算分析，最終確定采用的支護方案為：除尾水管及其連接洞、尾水閘門室平臺以下、母線洞、1號2號電梯電纜豎井、尾水隧洞及部分洞室交叉因水力學或結構要求采用復合襯砌支護外，其余洞室主要采用噴錨支護。地下廠房三大洞室支護參數見表1。

圖3 廠房洞室群施工開挖時序

表1 三大洞室噴錨支護參數

3.3 加強支護

由于承包商采用地下廠房三大洞室平行開挖方案，該方案對洞室群的圍巖穩定、變形和支護產生了一些不利影響。同時在施工過程中，三大洞室開挖普遍存在因開挖爆破控制不好、支護滯后的問題，惡化了圍巖的穩定條件，受“10·27”事件停工影響近一年，圍巖受到不同程度的損傷，導致圍巖出現松弛變形、爆破松動、混凝土噴層開裂及脫開等工程現象。

為確保洞室圍巖施工期和運行期的穩定和安全，在施工過程中，需及時調整支護參數，對洞室群頂拱、高邊墻、交岔口等部位，開挖爆破變形較大部位、開裂明顯部位及出現不同程度的不穩定楔形體的部位，進行局部加強支護。主要加強支護措施如下：

3.3.1 主廠房

①廠房頂拱局部增設錨筋樁加固，3Φ32、L為12～15 m每排3根、排距2.4～4.8 m。并采用掛網鋼筋Φ16、間排距10 cm、噴混凝土厚25 cm。

②廠房上游邊墻距巖壁梁上拐點以上1 m處局部增設2排錨桿Φ32、L為9 m、間排距1.5 m。巖壁吊車梁的下拐點局部增設3排Φ32、L為9 m間距1.5 m的加強錨桿。主廠房上游邊墻出露的巖脈斷層f14(βμ)范圍設置掛網鋼筋Φ8@20 cm×20 cm，寬度超出巖脈斷層及巖脈兩側各1 m，掛網鋼筋隨邊墻下臥至高程666.20 m，掛網鋼筋與外露系統錨桿焊接。在685.70～677.70 m高程，局部增設錨筋樁 3Φ28、L為12 m加固錨筋樁，間排距2.0 m。

③主廠房下游邊墻6條母線洞范圍上部局部段巖壁吊車梁上的2排受拉錨桿長度加長，原Φ40、間距70 cm、L為13.1 m的錨桿調整為Φ40間距70 cm、L為15.1 m，伸入巖石12 m，原Φ40、間距70 cm、L為12.7 m的錨桿調整為Φ40、間距70 cm、L為14.7 m，伸入巖石12 m，在下排受拉錨桿和水平錨桿之間增加1排Φ40間距70 cm、L為14.7 m的錨桿。主廠房下游邊墻出露的巖脈斷層f14范圍設置掛網鋼筋Φ8@20 cm×20 cm，寬度超出巖脈斷層及巖脈兩側各1 m，掛網鋼筋隨邊墻下臥至高程666.20 m，對出露在5號母線洞側巖脈斷層f14進行了固結灌漿處理。

3.3.2 主變室

①主變室在6號、5號、4號母線洞對應的主變室上游側頂拱增設2排錨筋樁3Φ28、L為12 m、間排距1.5 m。局部還增設加強錨桿Φ28～32、L為7～12 m、間排距1.2 m，并采用掛網鋼筋Φ8，間排距20 cm，噴混凝土10 cm。

②邊墻局部增設錨桿Φ28～32、L為7～9 m、間排距1.5 m，并采用掛網鋼筋Φ8@20 cm×20 cm，噴C25混凝土，厚15 cm。

3.3.3 尾水閘門室

①上游側頂拱局部設置加強錨桿，采用Φ28錨桿、L為7 m、間排距1.2 m。

②右邊墻局部增設5排Φ28錨桿、間排距1.5 m、長度L為7 m。對邊墻出露的輝綠巖脈斷層f14設置掛網鋼筋Φ8@20 cm，寬度兩側各超出1.0 m，并噴混凝土C20厚12 cm，掛網鋼筋與外露錨桿焊接。上游在原施工完成錨索周邊局部內插4～8根加強錨索。

3.3.4 母線洞

在左側邊墻局部范圍增設錨筋樁，3Φ28、間排距1.5 m、L為8 m，并對邊墻裂縫進行了固結漿。

3.3.5 尾水管

1～5號尾水管頂板及邊墻局部增設錨筋樁，3Φ32、間排距2.0 m、L為15 m。

4 地下廠房洞室群圍巖穩定性評價

4.1 數值模擬計算分析

在初步設計及招標、技施階段，采用準三維有限元及三維有限元計算方法進行了地下廠房洞室群圍巖穩定分析，計算內容包括地下廠房洞室群分期開挖和支護穩定特性分析、地下廠房三維整體分期開挖和錨固支護穩定特性分析對地下廠房洞室圍巖穩定特性影響分析等。現以三維整體分期開挖和支護穩定特性分析為代表，計算成果如下：

(1) 開挖支護完畢后，除了洞室交叉口和斷層穿過局部區域圍巖的破壞區仍然稍大外，洞周的圍巖破壞基本限制在4～5 m范圍內。

(2) 開挖支護完畢后，主廠房、主變室頂拱的徑向應力為-2.9 MPa，頂拱的切向應力為-28～-31 MPa，主廠房兩端拱座處壓應力值為-61.65 MPa，主變室和尾閘室拱座處的應力為-35.96 MPa。主廠房、主變室、尾閘室三大洞室頂拱的拉應力值達到0.57～3.86 MPa，沿洞室縱軸線方向的噴層拉應力變化不是太大；洞室頂拱的壓應力值較小，其值分布在-0.78～-2.81 MPa，且分布比較均勻。

主廠房頂拱的錨桿應力大部分達到105～185 MPa，局部達到235～260 MPa。主變室和尾閘室頂拱的錨桿應力值在80～159 MPa之間。主廠房洞室上游邊墻錨桿應力值一般為78～180 MPa，下游邊墻的錨桿應力值大部分達到118～290 MPa，主變室和尾閘室邊墻的錨桿應力值一般分布在70～240 MPa。

(3) 洞室開挖支護完畢后，主廠房洞室頂拱、主變室、尾閘室頂拱的位移分別為1.84 cm、0.76 cm和0.15 cm。主廠房上下游邊墻的位移達到3.0～5.86 cm；主變室上下游邊墻的位移較小，位移值為1.1～1.83 cm；調壓井上游邊墻的位移較小，其值為1.5～1.87 cm，下游邊墻的位移稍大，位移值為1.18～4.81 cm。

通過整體三維有限元分析，除了洞室交口處和斷層穿過的局部部位外，洞周的變形、應力分布狀態和錨桿應力分布均合理。在整個開挖過程中，圍巖變形和應力沒有出現異常現象，整個洞室穩定是有保證的。

4.2 施工期監測與反饋分析

為了及時掌握瀑布溝水電站地下廠房施工期圍巖的變形和穩定情況，地下洞室群在開挖施工前選取有代表性的典型斷面進行了專門監測設計，共設置了6個監測斷面：廠(橫)0+016.60 m剖面(1號機中心)、廠(橫)0+049.60 m剖面(2號機中心)、廠(橫)0+115.60 m剖面(4號機中心)、廠(橫)0+148.60 m剖面(5號機中心)、廠(橫)0+181.60 m剖面(6號機中心)、廠(橫)0+221.10 m剖面(副廠房)。截至2019年底，監測數據表明：

(1)變形情況。洞室變形均以指向洞內的收斂變形為主。從變形曲線可以看出，各曲線隨廠房各層的下臥開挖形成了明顯臺階，當各層開挖停止后，變形曲線基本趨于平穩，且圍巖總體變形深度未超過系統錨索深度，說明目前圍巖變形基本處于穩定狀態。

(2)支護應力。絕大部分錨桿應力不大，僅有少量錨桿屈服，錨索拉力雖有超過設計值的現象，但基本在設計值的125%范圍以內，支護設計合理，其總體強度滿足設計要求，目前圍巖總體穩定。

5 結 語

數值分析和施工期監測資料研究表明，瀑布溝水電站采用地下廠房三大洞室平行開挖的方案對洞室群的圍巖穩定和支護雖產生了一些不利影響，但是通過加強監測、動態調整支護參數、及時采取加強支護措施以及加強現場施工管理等措施，最終確保了施工期及運行期地下廠房洞室群圍巖穩定處于受控狀態，洞周圍巖的位移場分布、塑性區分布以及錨桿和錨索的受力條件符合一般規律，洞室群圍巖具有較高的超載安全儲備，整體穩定狀態良好。