地下洞室施工期围岩变形性态分析

郭 成

[南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 211106]

0 引言

在抽水蓄能电站中，洞室群大多建成地下式，水头高，规模庞大，是抽蓄土建工程的主体。地下洞室开挖时地质条件、施工扰动等不确定因素较多，地下厂房还具有跨度大、开挖高度高、交叉相邻洞室多、施工期安全控制要求高等特点。在各地水电工程建设中，地下洞室坍塌事故屡见不鲜，致死致伤率很高。因此，施工期应做好地下洞室的安全监测工作，及时分析地下洞室安全监测数据，了解施工期地下洞室围岩变形性态，反馈设计，指导施工，为地下洞室施工期的安全保驾护航。[1][2]

1 工程概况

某抽水蓄能电站枢纽建筑物由上水库、输水系统、地下厂房及下水库等组成。其中，地下厂房包括主机间、安装间和地下副厂房3部分，开挖总长度219.90m。主厂房岩锚吊车梁以上开挖跨度为25.7m，以下为23.50m。主变压器洞长、宽分别为193.16m、19.70m，尾闸室宽约8.8m。

地下厂房位于上水库主坝北面约500m的山体内，铅直埋深240～290m，地下水丰富，岩体完整性差，洞室围岩以Ⅲ2～Ⅳ1类为主，主要由S3m3-1中厚～巨厚层（少量薄层）岩屑石英砂岩夹少量泥质粉砂岩组成，尤其是F54断层规模较大，斜穿三大洞室，是影响洞室围岩稳定的因素之一。[3][4]

2 监测概况

主厂房共布置5个监测断面，分别为CZ0+143断面、CZ0+90断面、CZ0+37断面、CZ0-20断面、CZ0+165断面和F54新增断面，各监测断面监测布置基本一致，监测断面示意图如图1所示，主要监测仪器有多点位移计（图中用M表示）、锚杆应力计（图中用AS表示）、锚索测力计（图中用D表示）、钢筋计（图中用R表示）。[5]

3 典型监测成果

2011年4月主厂房开始开挖，至2013年12月底开挖支护工作全部完成。各层分区具体见图2。主厂房顶拱采用普通水泥砂浆锚杆+喷钢纤维混凝土+预应力锚索+钢筋拱肋支护+拱脚预应力锚杆的支护方式；边墙采用系统砂浆锚杆+挂网喷混凝土+系统锚索的联合支护形式[1]。

受开挖影响，各断面围岩变形均有所增大，但CZ0+143断面变形量最大。下文以CZ0+143断面围岩变形作为典型代表来分析施工期厂房围岩变形特性。

图1 地下厂房监测断面示意图Fig．1 Sketch map of underground cavern monitoring section

图2 地下厂房系统开挖分层剖面图Fig．2 Stratified section map of underground powerhouse system excavation

CZ0+143断面顶拱围岩主要向洞室净空方向位移，位移在第Ⅰ层开挖时变化较大，最大变化速率（0.25mm/d）超过设计警戒值（0.15mm/d），但随着工作面的远离，顶拱变形趋于稳定。2011年底，顶拱超前监测测点最大位移14.1mm，2012年、2013年位移年变幅均在4mm以内，2014年1月累积位移最大20.1mm，由此可见，顶拱围岩变形主要受顶层开挖影响，受下卧开挖影响较小。出现这种现象的原因可能是，厂房顶拱有F54、F57等较大断层，开挖施工对断层的扰动导致顶拱破碎带位移变形较大，随着支护的跟进和作业面的远离，顶拱围岩位移逐渐趋于稳定。厂房开挖完成后顶拱基本稳定，截至2016年7月底，顶拱累积位移量最大20.6mm，较2014年1月增大了0.5mm。

CZ0+143断面在第Ⅰ层开挖时，顶拱变形较大，下游变形量（14.1mm）大于上游侧（8.4mm），且钢拱架偏心受压严重，下游侧应力大于上游侧，钢筋应力均已超过仪器量程，该断面附近钢拱肋部位表层开裂混凝土剥落后发现拱肋受压向厂房内弯曲变形，与下游位移量大、偏心受压严重的监测结果相吻合。这一情况的发生与开挖施工进程有关，第Ⅰ层开挖是上导洞先行，下导洞次之，中墩扩挖跟进，但实际施工时中墩跟进与下导洞开挖错时较短，下游侧比上游侧卸荷要快要猛，造成下游侧变形和支护应力较上游侧要大。根据监测反馈，调整了施工进程和施工方式，后期施工的断面围岩变形量明显减小。CZ0+143断面顶拱多点位移计过程线见图3。

图3 CZ0+143断面顶拱多点位移计过程线Fig．3 The process lines of multi point displacement meter of CZ0+143 section top arch

图4 CZ0+143断面拱肩多点位移计过程线Fig．4 The process lines of multi-point displacement meter of CZ0+143 section arch shoulder

拱肩部位围岩主要向洞室净空方向位移，上游侧位移（23.9mm）明显大于下游侧（0.8mm）。从测值过程线（图4，MC4-2位于拱肩上游侧，MC4-5位于拱肩下游侧）可以看出，拱肩上游侧位移主要发生在2013年第Ⅶ层开挖期间，其他各层的开挖对坝肩影响均较小。但自2013年4月初厂房第Ⅳ层开挖到2013年11月初第Ⅶ层开挖，厂房三层开挖支护仅历时7个月，在此期间，上游侧位移变化速率逐渐增大，在第Ⅶ层开挖时发生了突跳，说明拱肩上游侧的位移受下卧施工影响明显，且随着下卧开挖的进行，围岩稳定性越来越差。开挖支护完成后，拱肩围岩位移趋于稳定，位移年变幅在0.5mm以内。

洞室边墙受下卧开挖和附近洞室交叉施工影响明显，从2012年9月厂房第Ⅲ层开始开挖到2013年底开挖结束，位移出现较长时间的增长。上游侧边墙围岩位移的变化速率在正常范围以内，下游侧边墙除了受厂房下卧开挖影响外，还受其附近母线洞开挖的影响，位移变化速率经常超出设计警戒值（0.15mm/d），尤其在主厂房第Ⅲ层开挖和母线洞开挖同时进行时，下游侧边墙位移变化速率长期严重超出设计警戒值，最大达0.53mm/d，直到2012年12月母线洞基本完成开挖才有所缓和。厂房开挖结束时，下游侧边墙围岩位移（107.8mm）明显大于上游侧边墙位移（21.5mm），上下游边墙距孔口11.5m深测点位移分别达到19.1、52.9mm，分别占孔口位移量的88.8%和49.1%，说明上游侧边墙位移主要是深部围岩位移引起的，下游侧边墙位移由深部围岩位移和表面围岩位移共同形成的。开挖完成后，上下游边墙变形逐渐趋于稳定。CZ0+143断面边墙多点位移计过程线见图5，其中MC4-1位于上游侧边墙，MC4-5位于下游侧边墙。

此外，除了关注CZ0+143.125断面不同部位位移变化情况外，还需与相邻部位的变形进行对比，关注位置相近、变形差异较大的部位。

CZ0+143.125断面下游侧边墙测点MC4-6与CZ0+90.325断面下游侧边墙测点MC3-6相隔仅53m，孔口变形却相差约50mm（测值过程线见图6），现场检查发现厂房下游拱脚CZ0+127～CZ0+161部位喷混凝土出现裂缝。出现这种情况，可能与前面提到的CZ0+143.125断面存在断层，下游侧卸荷过快过猛有关，也可能与第Ⅲ层开挖和母线洞开挖同时进行有一定的联系，需加强关注，并根据后期发展情况采取必要的措施。

4 结束语

通过对地下厂房围岩变形性态的分析，得到如下结论：

（1）地下厂房顶拱围岩变形受顶层开挖影响大，且上下游侧变形量受施工方式、施工进程等影响明显，尤其是地质条件复杂的部位更是如此。但随着工作面的远离和支护的跟进，顶拱围岩变形逐渐趋于稳定，受下卧开挖影响较小。

图5 CZ0+143断面边墙多点位移计过程线Fig．5 The process lines of multi-point displacement meter of CZ0+143 section wall

图6 CZ0+143断面和CZ0+90．325断面下游侧边墙位移典型测点过程线Fig．6 The typical measuring points’ process lines of downstream side wall displacements of CZ0+143 section and CZ0+90．325 section

（2）地下厂房拱肩部位位移变形相对较小，受下卧开挖影响明显，尤其是到开挖后期，但下卧开挖的进度对其变形也有一定的影响。

（3）地下厂房边墙除了受下卧开挖影响明显外，其附近洞室的交叉施工对边墙围岩稳定的影响也很大，且边墙围岩变形速率最大就发生在交叉施工期间。故在后期开挖时可以通过各洞室错时开挖，以减小或控制边墙围岩变形速率。

（4）相邻变形量差异较大的部位需引起关注，根据情况采取必要的措施。

[1] 陈宁，邢磊．溧阳抽水蓄能电站地下厂房施工与监测[J]．水利水电施工，2015（6）:48-52．CHEN Ning，XING Lei．Construction and monitoring of underground powerhouse of Liyang[J]．Pumped Storage Power Station，2015（6）:48-52．

[2] 邢磊，史永方，祁舵．溧阳抽水蓄能电站地下厂房顶拱开挖与支护施工[C]．抽水蓄能电站工程建设文集2012，北京：中国电力出版社，2012．XING Lei，SHI Yongfang，QI Du．Liyang pumped storage power plant’s underground powerhouse roof arch excavation and support construction[C]．Pumped Storage Power Station Project Construction 2012．Beijing: China Electric Power Press，2012．

[3] 胡梦蛟．溧阳抽水蓄能电站工程地质特征及主要工程地质问题 [J]．水力发电，2013，39（3）：16-17．HU Mengjiao．Engineering geological characteristics and main engineering geological problems of Liyang pumped storage power station[J]．Hydroelectric Power Generation，2013，39（3）：16-17．

[4] 彭琦，王俤剀，邓建辉，等．地下厂房围岩变形特征分析[J]．岩石力学与工程学报，2007，26（12）：2583-2587．PENG Qi，WANG Dikai，DENG Jianhui．Analysis of deformation characteristics of surrounding rock of underground powerhouse[J]．Journal of Rock Mechanics and Ngineering，2007，26（12）：2583-2587．

[5] 周旭飞，单海年，潘琳．溧阳抽水蓄能工程地下厂房开挖过程性态分析[J]．水力发电，2013，39（3）：50-52．ZHOU Xufei，SHAN Hainian，PAN Lin．Analysis of the process behavior of underground powerhouse excavated by Liyang pumped storage engineering[J]．Hydroelectric Power Generation，2013，39（3）：50-52．