白鹤滩水电站地下厂房高边墙围岩稳定控制技术

2019-10-29韩进奇李洪伟

中国水利 2019年18期

韩进奇，李洪伟，曾强

（中国水利水电第七工程局有限公司白鹤滩施工局，615421，宁南）

白鹤滩水电站洞室群规模巨大，洞群效应凸显，在高地应力、复杂岩性以及不利地质构造发育的地质条件下，开挖期间洞室群围岩稳定问题突出。通过对玄武岩松弛特点进行研究，制定与之相适应的支护跟进控制标准并严格实施；通过开挖阶段全过程变形监测及反馈分析，有针对性地对施工方案和支护设计进行优化；采取快速支护措施，形成了复杂地质条件巨型地下厂房高边墙围岩稳定控制技术成果。

一、工程概况

白鹤滩水电站工程地质条件复杂，主要体现在岩性复杂、大型不利地质构造发育、洞室埋深大、地应力高等方面。左岸引水发电系统沿线为单斜地层，玄武岩岩流层产状总体为N42°～45°E，SE∠15°～20°。岩性有隐晶质玄武岩、斜斑玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩和凝灰岩等，其硬、脆、碎的岩性特点促进围岩表层破裂破坏。不利地质构造主要包括层间层内错动带、断层、长大裂隙以及广泛发育的玄武岩柱状节理等，其中LS3152层内错动带发育在厂房顶拱上部，与厂房南侧顶拱距离近，对厂房顶拱围岩变形影响较大。C2层间错动带斜贯厂区各大洞室，对厂房、主变洞、尾水管检修闸门室三大洞室高边墙围岩稳定均有较大影响。左岸引水发电系统地下洞室群埋深大，水平埋深800～1050 m，垂直埋深 260～330 m，地应力高，最大实测地应力33 MPa，岩爆片帮发生频繁，对工程施工及围岩稳定影响较大。

二、高边墙围岩变形控制研究

1.高边墙施工初步方案

白鹤滩水电站左岸地下厂房开挖高度88.7 m，高边墙开挖高度（除顶拱层以外）75.2m，其中机坑以上边墙高度47.7m。层间错动带C2斜穿整个厂房高边墙，对高边墙围岩稳定造成较大影响，高边墙围岩稳定问题不容忽视。

在左岸地下厂方施工前方案初步规划阶段，通过对类似工程的调研，加上对本工程特殊复杂地质条件认识不充分，更多从施工进度方面考虑，将岩锚梁以下高边墙（Ⅳ～Ⅶ层）开挖分层采取一次性全断面开挖（见图1）。

图1 厂房开挖分层初步设计方案

2.高边墙松弛特性研究

厂房第一层开挖支护完成后，对厂房特殊复杂地质条件加深了认识，白鹤滩地下厂房规模宏大且地质条件复杂，由于地下厂区玄武岩脆性特征强、初始地应力达中高应力水平、地质构造较为发育，使得地下厂房第I层围岩产生了相对普遍的应力型片帮与破裂破坏、层间层内错动带下盘岩体松弛坍塌破坏以及结构面—应力组合型破坏。

为研究本工程玄武岩松弛时效，在左岸地下厂房采用原位布置观测孔，利用孔内电视摄像，观察围岩开裂发展情况。

该观测孔位于左岸厂房上游K0+330桩号上游拱肩部位，开挖3天后，开挖掌子面超过监测孔5 m，孔口段产生松弛破裂，位于孔口约60 cm范围。开挖4天后松弛深度延伸至孔内1.2m左右。开挖5天后孔内裂隙加宽，孔口塌孔范围明显增大。开挖17天后掌子面超过监测孔13m，因附近系统锚杆施工完成，孔内裂隙宽度减小。

通过三维数值模拟对厂房以下各层开挖主应力响应特征进行仿真计算发现，厂房上游侧顶拱及各层上、下游墙角部位应力集中，量值超过40 MPa，分层越高，变形总量越大。

为确保高边墙围岩稳定，厂房下部各层开挖应采用薄层开挖方案。同时，由于墙角部位应力集中，若不能及时实施支护，将产生松弛破坏。为此，根据反馈分析成果，高边墙采用预留保护层开挖。

高边墙开挖分层方案除了考虑降低应力集中程度以外，还应考虑适宜快速跟进支护的分层方案，同时兼顾各层预应力锚索施工高度需求等。

3.高边墙开挖优化方案

厂房顶拱层开挖后，通过对厂房顶拱围岩变形反馈分析，高地应力与不良地质构造组合作用，在玄武岩硬、脆、碎的岩性特点及大跨度顶拱、高边墙等因素综合影响下，围岩稳定问题突出。

左岸地下厂房轴线与最大主应力呈大角度（60°～70°）相交，最大主应力接近水平，倾向河谷侧，倾角8°～12°，与洞轴线近垂直，易引起高边墙表面快速卸荷松弛。经综合考虑，采取分层分区调整方案如下（见图2）：

图2 厂房开挖分层优化设计方案

第Ⅳ～Ⅶ层采取薄层开挖，分层高度调整为4～5.5 m，一是降低边墙墙角部位应力集中程度；二是分层高度有利于大型支护设备实施快速支护，利于支护跟进；三是保证当层出露的锚索与开挖底板之间有足够的距离，满足锚索钻机施钻空间。

中下层开挖调整为中部拉槽、两侧预留保护层开挖，其目的在于，中部拉槽后，边墙应力释放直至重新稳定，在此过程中围岩产生卸荷松弛，因此在结构面外侧设置一定厚度的保护层，一方面保证保护层厚度大于松弛深度使该阶段卸荷松弛不影响到永久结构面，另一方面保护层厚度不宜过大，使边墙应力得到充分释放，将开挖保护层后应力调整幅度降至最小。经过数值计算，确定保护层厚度宜为4～6 m。优化方案中保护层厚度按照5 m预留。

受倾向河谷侧的水平主应力影响，在厂房开挖过程中上游侧顶拱及上下游墙角应力集中，相对而言，下游墙角的应力集中程度高于上游。

因此，在中、下层高边墙开挖时，优先进行上游侧保护层开挖，开挖完成后进行上游侧支护施工，然后再进行下游保护层开挖及支护，使下游边墙有较为充分的应力释放时间。对于高边墙C2层间错动带出露的部位，由于 C2错动带产状为 N42°～45°E，SE∠14°～17°，由下游倾向上游，因此 C2出露部位优先开挖下游侧，并在开挖后及时跟进支护，防止上盘岩体沿C2发生错动变形。

4.高边墙支护跟进开挖时空关系

通过对厂房顶拱围岩进行的松弛深度测试以及孔内摄像成果进行分析，爆破开挖揭露结构面后，表面松弛及破裂产生，在爆破揭露3天后，开挖2～3 个循环（6～9 m），围岩松弛快速发展，破裂破坏现象明显。锚杆支护后围岩松弛得到抑制，但随着时间延长，时效变形或周边爆破产生影响，松弛深度进一步增加。由此，制定支护跟进开挖的时空关系控制指标如下：

开挖后立即进行初喷混凝土施工，完成后进行下一循环开挖。

开挖3天后，再开挖掌子面不超过1～2个循环跟进完成一序锚杆施工（普通砂浆锚杆）。

开挖10天后，再开挖掌子面不超过20 m，并完成预应力锚杆施工。

开挖15天后，再开挖掌子面不超过30 m，并完成挂网及复喷混凝土施工。

开挖30天后，再开挖掌子面不超过80 m，并完成系统锚索张拉。

三、围岩变形控制实施效果

目前，左岸地下厂房开挖已完成，从围岩变形监测数据显示，厂房顶拱变形已趋于稳定，厂房边墙最大累计位移为103.46 mm，根据设计初始仿真计算，预测厂房边墙变形最大值在100～120 mm，累计位移最大值符合预期。从整体判断，厂房洞室群围岩变形控制采取的一系列措施有效，厂房围岩整体稳定。厂房边墙不同断面累计最大变形见3图。