白鹤滩水电站巨型地下厂房主要岩石力学问题与防治对策

刘 宁，陈平志，陈 浩，陈建林，徐 剑

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122; 2.浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司，浙江省杭州市 310014; 3.中国三峡建设管理有限公司，北京市 100038）

1 引 言

白鹤滩水电站是目前在建世界最大水电站工程，也是仅次于三峡工程的世界第二大水电站工程，地下厂房洞室群规模、洞室跨度等均居世界水电工程第一。左、右岸引水发电系统采用对称布置，地下厂房为首部开发方式，厂内各布置8台1000MW水轮发电机组，装机容量共16 000MW，是首次采用百万机组的巨型水电工程。如图1 所示，白鹤滩水电站左右岸巨型地下厂房洞室群由长廊型的地下厂房、主变压器洞、尾闸室和圆筒43～48m直径的尾水调压室组成，其中左、右岸主副厂房洞长度438m，岩梁以上宽度34.0m，以下宽度31.0m，高度88.7m，巨大的地下厂房洞室群开创了中国水电工程建设的新纪录。

白鹤滩地下厂房洞室群沿线为单斜岩层，出露二叠系上统峨眉山组玄武岩，岩层自下游至上游层位分别为 P2β2、P2β3、P2β4、…、P2β7、P2β8、P2β9层等，地质构造主要有层间错动带、层内错动带、断层、裂隙等，层间、层内错动带为长大软弱结构面，其产状与岩流层产状基本一致，典型地质剖面（右岸为例）见图2。地下厂房洞室群围岩以III类为主，岩性主要有斜斑玄武岩、隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩、柱状节理玄武岩、角砾熔岩，玄武岩的单轴抗压强度一般为90～110MPa。左、右岸地下厂房洞室群区域属于中高地应力区，左岸第一主应力值大小为 16.2～22.4MPa，右岸为 21.4～28.0MPa，实测最大地应力33.39MPa，右岸地应力水平总体上高于左岸。

图1 白鹤滩水电站左右岸巨型地下厂房洞室群Figure 1 Cavern group of giant underground powerhouse on the left and right banks of Baihetan hydropower station

白鹤滩地下厂房洞室属于深切河谷地区，地应力高，发育大型软弱层间错动带不利构造，在地下厂房开挖过程中，广泛揭示了高应力破坏特性[1-2]、软弱层间错动带的张剪变形破坏[3-4]、脆性玄武岩破裂时效发展[5-7]等典型岩石力学问题。本文以白鹤滩地下厂房洞室施工过程出现的主要岩石力学问题进行了深入探讨，并详细剖析了各类典型问题的工程应对防治措施，工程实践表明，这些主动和被动联合防治措施合理、有效。

图2 地下厂房工程区典型地质剖面图（右岸）Figure 2 Typical geological section of underground powerhouse engineering area （right bank）

2 主要岩石力学问题

地下厂房洞室群工程区域岩体具备玄武岩硬脆性特征，初始应力为中高地应力水平，发育长大软弱层间错动带几大基本条件，开挖过程揭示了的典型围岩响应模式包括：

（1）长大软弱层间错动带控制型问题；

（2）脆性玄武岩高应力破裂问题。

2.1 层间错动带控制性问题

地下洞室工程区P2β24凝灰岩厚度一般为30～80cm，局部可达180cm，层间错动带主要在凝灰岩中部发育，厚度一般为10～60cm，平均20cm，如图3所示。错动带物质组成为泥夹岩屑型，遇水易软化，其性状差，强度低。

图3 长大软弱层间错动带结构特征Figure 3 Structural characteristics of interlayer shear belt

当缓倾角层间（内）错动带在厂房洞室顶拱出露时，长大软弱错动带切割部位的下部岩体受卸荷松弛、自身重力及其他结构面切割等因素影响，层间带下盘局部岩体易发生失稳坍塌，如图4所示层间带C4在厂房洞室顶拱出露导致的坍塌破坏。

图4 厂房洞室顶拱受层间错动带切割导致坍塌破坏Figure 4 Collapse and damage of the powerhouse cavern roof caused by the interlayer shear belt

当长大缓倾角层间（内）错动带在地下厂房洞室边墙出露时，层间带影响的上下盘岩体发生显著的剪切变形，从而发生不连续变形破坏，见图5。高应力条件下，地下厂房高边墙是强卸荷区，由于层间带C2性质软弱，成为了围岩变形的控制边界。当层间带上下盘岩体完整性较好时，上下盘岩体将产生整体错动变形形成台阶，围岩整体稳定性较好；但当上下盘围岩完整性较差时，即次级结构面与层间带组合，则可能形成局部块体稳定问题。

图5 层间错动带在厂房边墙出露导致剪切破坏Figure 5 Shear failure on powerhouse cavern side wall caused by interlayer shear belt

2.2 脆性玄武岩高应力破裂问题

白鹤滩玄武岩具有显著脆性特征且初始应力水平高，实测地应力最高达33.39MPa，厂房区域的岩体应力强度比为0.19～0.29，大于0.15且小于0.4，具备发生应力型破坏的条件，且以中等程度的高应力破坏为主，在地下厂房洞室开挖过程中，广泛出现了脆性玄武岩高应力片帮、破裂、弱岩爆等应力型破坏，见图6、图7。

图6 脆性玄武岩高应力破裂特征Figure 6 Stress spalling of cryptocrystalline basalt

图7 地下厂房分层边墙角高应力破裂破坏特征Figure 7 Characteristics of high stress fracture in the corner of layered sidewall of Underground Powerhouse

工程区玄武岩中初始裂纹（隐微裂隙）发育，受隐微裂隙影响，启裂强度较低，易于在地下厂房洞室浅层应力集中（低围压）区，形成应力破裂和片帮破坏，以及受微裂隙影响的解体破坏，甚至可以归结为理想脆性材料。同时，由于玄武岩的峰后强度低，脆性特征显著，在高应力条件下损伤破裂深度相对较大且通常具有明显的时间效应特征，而洞室开挖后围岩开裂区域（松弛圈外侧，或称为外损伤区域），承载力也相应较低，而时效破裂则较为明显。图8为脆性玄武岩高应力破裂发展特征，该破裂特征也进一步佐证了岩体的时效破裂特性。

图8 脆性玄武岩高应力破裂发展特征Figure 8 High stress fracture development characteristics of brittle basalt

3 层间错动带影响与防治

3.1 层间错动带切割顶拱影响与防治

白鹤滩层间错动带是横贯地下厂房洞室群的大型软弱构造，错动带与洞室交切位置不同，对大型洞室围岩变形与稳定的影响方式存在明显差异，局部加强措施也需要体现差异性和针对性。

3.1.1 层间带对顶拱变形的影响

当层间错动带切割大型洞室顶拱时，将导致层间带的法向松弛及其下盘岩体产生松弛变形，甚至在剪出口部位形成塌落破坏，由于剪出口附近层间带下盘岩桥厚度较薄，高应力集中致使岩体产生屈服和应力松弛。如右岸地下厂房小桩号洞段顶拱受层间错动带C4切割，顶拱C4会产生明显的法向松弛，局部围岩变形显著（见图9），其下盘浅层岩体在开挖过程中通常不能自稳，需要依靠外在支护力来保持顶拱稳定。

层间错动带影响区域往往存在局部的应力场，洞室开挖过程，除了会在剪出口形成应力松弛与塌落破坏外，在距离层间带一定范围，还会形成如图10所示的局部应力集中区，随厂房分层下挖，边墙高度的增加及顶拱应力集中的持续增强，应力集中叠加会使得层间带下盘岩体的破裂扩展和时效变形更为明显。局部应力集中的形成机制主要由于软弱层间带阻断了应力向上盘调整，松弛岩体的荷载只能向C4下盘岩桥厚度较大部位（即向北侧）岩体转嫁，使得C4下盘距离切割部位一定范围形成应力集中增强区域，即洞室顶拱“承载拱”，高应力集中区影响范围主要在距离剪出口20～75m范围，而应力集中区影响范围相对更大，甚至影响到了右岸整个小桩号洞段。

图9 层间带切割厂房洞室顶拱破坏和围岩变形特征Figure 9 The surrounding rock failure and deformation distribution characteristics in the top arch of powerhouse by the interlayer shear belt cut

图10 右岸地下厂房C4下盘岩体的应力集中特征Figure 10 Stress concentration characteristics of C4 footwall rock mass of underground powerhouse on the right bank

3.1.2 洞室顶拱防治措施

地下厂房顶拱受层间错动带影响洞段，在顶拱出露部位局部变形量值较大，错动带下盘围岩应力集中现象明显，局部应力集中将导致围岩应力型破坏，层间错动带在顶拱揭露后难以自稳，因此，系统支护、加强支护措施、开挖方案和爆破控制均对其稳定有影响。

（1）层间错动带顶拱出露一定范围内的支护措施如下：喷混凝土C25，厚20cm；挂钢筋网，钢筋拱肋，系统预应力锚杆，L=9m，T=100kN；系统预应力锚索T=2000kN，L=25m。

（2）对于层间带剪出口附近应力松弛区岩体需要提升支护力，如右厂小桩号洞段顶拱增加系统锚索和加密锚杆，采用超前锚固洞措施，实施预应力锚索，进行洞室顶拱预锚固，见图11。

（3）开挖方案：根据层间错动带出露范围进行综合确定，具体措施包括沿着错动带出露方向开挖（开挖方向控制）、控制掘进循环采用短进尺、分多分幅开挖来减小单次出露范围等。

（4）爆破控制：由于层间错动带的物理力学性状差，开挖爆破对其卸荷松弛影响同样较为明显，因此爆破控制也是层间错动带稳定的重要方面。

（5）对于距离层间带一定范围的应力集中增强区而言，需要保证初期支护的强度以提升补偿围压抑制应力型破坏，同时，需要充分考虑随下卧导致顶拱应力集中增强而存在的破裂扩展与时效变形因素，需要预留变形和支护力增长空间，即降低初始张拉水平保证支护系统安全。此外，采用低压注浆来提高错动带和破裂岩体力学参数，改善顶拱拱圈成拱效应，以满足洞室长期稳定性要求。

图11 层间错动带在洞室顶拱出露的局部加强支护措施Figure 11 Local strengthening support measures of interlayer shear belt between layers exposed in the top arch of cavern

3.2 层间带切割边墙错动变形与防治

与层间带切割顶拱不同，层间带切割高边墙带来的主要是变形与松弛问题，并且围岩松弛的范围会大幅增大，甚至超过常规系统支护的能力。

3.2.1 层间带对边墙变形的影响

当层间带切割高边墙时，层间带上下盘岩体产生明显的错动变形，并导致边墙松弛深度的加剧。譬如，层间错动带C2是左岸厂区规模较大、贯穿性的大型软弱结构面，对地下厂房围岩变形有明显的控制作用，层间错动带的存在显著改变了高边墙变形模式，如图12所示，由于层间带倾向上游，下游边墙层间带切割部位在分层开挖过程表现为张剪性变形，更易产生错动；上游边墙表现为压剪性变形，错动变形量相对较小，只有当层间带被揭露后，才转变为下盘岩体以层间带为顶面的倾倒变形，因此，上游边墙围岩的大变形集中于切割部位下盘浅层范围。总体上，白鹤滩地下厂房受层间带控制的上下游高边墙非连续变形存在显著差异，且其对下游边墙的影响大于上游边墙。

图12 层间带切割高边墙造成不连续错动变形特征Figure12 Characteristics of discontinuous staggered deformation caused by cutting high side wall in interlayer shear belt

3.2.2 高边墙的防治措施

层间带的错动变形及其上下盘岩体的卸荷松弛问题突出，而常规的锚索、锚杆支护措施，特别是层间带附近部分预应力锚索的锚固端可能置于错动带影响范围之内，对充分发挥其支护效果不利，因此，针对层间错动带引起的围岩剪切错动变形及局部大变形，需采取针对性的加强支护和综合防治措施才能有效控制。具体防治措施见图13。

（1）层间错动带在洞室边墙出露采用系统性的喷锚支护和锚筋束锁口支护限制其不协调变形措施。例如，右岸厂房下游边墙中下部右厂0+165～右厂0+260段层间错动带C3出露，同时上盘还发育层内错动带RS411，为有效限制围岩变形，沿层间错动带C3上下盘布置3排针对性预应力锚索（2500kN，35m/40m）进行加强支护。

（2）地下厂房上游和下游边墙设置 “主洞+支洞”置换洞措施。置换洞开挖断面为6m×6m，先进行一期混凝土衬砌，然后进行固结灌浆和中间混凝土回填。

（3）针对高边墙受层间带影响区域采用长锚索，对层间带上盘岩体进行深层锚索锚固。

（4）层间错动带出露于母线洞、主变压器洞与尾水扩散段、尾水连接管之间岩柱，二者之间布置2000kN有黏结型预应力对穿锚索进行加固。

图13 层间带切割高边墙防治措施Figure 13 Prevention measures of cutting high side wall in interlayer shear belt

4 脆性玄武岩高应力问题与防治

4.1 玄武岩高应力问题与破裂特征

玄武岩在成岩时期由于冷却原因，导致隐微裂隙发育，“硬” “脆” 特性显著，在高地应力条件下，易形成高应力片帮、应力破裂破坏等问题。结晶岩发生应力破裂扩展的时间效应是指在恒定荷载的条件下，岩石中的破裂会随时间不断增长，因此强度随之衰减，是脆性特征结晶岩的基本力学特性之一[8-11]。这种特性在地下工程中往往表现为：相对完整的围岩条件下洞室开挖后，即便在开挖停止后围岩中应力调整结束的条件下，应力破裂现象仍然不断加剧。白鹤滩隐晶质玄武岩具有高度（理想）脆性特性，见图14，研究和工程实践表明，由于破裂尺寸的细观特征，只有破裂发展到后期、围岩特性显著恶化以后才转化为宏观破坏，围岩破裂和应力调整会引起迟滞的持续变形特征；换言之，破裂时间效应一旦启动，想依靠支护手段完全抑制是不现实的，地下洞室工程玄武岩脆性破裂产生和发展是普遍的破坏特征。

综合工程现场岩性条件和高分辨率超声波测试成果分析，发生应力破裂发展区域岩性主要为隐晶质玄武岩，杏仁状玄武岩存在应力破裂，但破裂发展特征明显不如隐晶质突出[12-14]。通过分析六次重复测试成果可知，揭露了硬脆性岩体破裂特征加剧现象（图中深蓝区域变大）。局部岩体受工程区域应力场调整演化作用，出现破坏加剧的现象，如图15所示，6.90～9.25m、9.75～10.50m、11.90～12.90m范围的破坏呈现随时间均存在加剧现象，其中9.75～10.50m的破坏区从第一次测试的不明显破坏，到第六次测试拓宽到70°左右范围的宽度，并且破坏区从第二、三次测试时向下延伸了约0.25m左右，如图15所示深蓝区域变大。

图14 白鹤滩玄武岩的脆性特征Figure 14 Brittleness Characteristics of Baihetan basalt

图15 脆性玄武岩不同深度区间应力破裂破坏发展特征（深蓝区域变大）Figure 15 Development characteristics of stress rupture failure in different depths of brittle basalt（the dark blue area becomes larger）

4.2 脆性岩体破裂的主动防治

白鹤滩电站地下工程施工过程中，尽管脆性玄武岩的破裂还不足以导致工程问题，但考虑到地下洞室群的地应力水平和开挖规模，这一矛盾不可避免，因此需要主动采取合理布置、开挖、支护设计方案，最大程度抑制脆性玄武岩的高应力破裂。

（1）脆性岩体高应力破裂防治基本原则，一是降低围岩中能量集中水平，二是提高围岩在高应力条件下的自稳能力。

（2）战略性方法层面，通过采取一些措施避免脆性岩体破裂问题出现的可能性或强度。战略性方法的效果往往是全局性的，且基本上全部是通过主动降低整体应力集中和应力型破坏风险的方式实现脆性岩体破裂控制，典型的战略性方法主要是洞室群布置研究，如地下厂房轴线方向布置避开了断面受控第一主应力影响的因素。

（3）战术性方法层面，通过具体的方法对存在高应力集中和应力型破坏的局部部位进行处理，如开挖程序优化、施工方法改进等，从而改善局部岩体的应力集中状态、或者加强围压条件和承载力，达到防治由地质条件差异等造成的局部岩体破裂问题引起的危害程度或控制其不利影响。

（4）针对洞室断面高应力问题防治，采取厂房开挖断面少分序分幅和优化开挖分序顺序。在围岩地质条件、洞室布置和体形方案确定条件下，开挖分序不同将会导致围岩应力路径的不同，从而对围岩的应力型破坏也有一定影响。如厂房分幅开挖顺序对顶拱应力集中程度存在影响，厂房分幅开挖采取以顺断面大主应力方向为原则，一般应优先开挖临江侧，优化分幅开挖情况下厂房顶拱应力集中大于岩体启裂强度（40MPa）的范围也明显减小，局部应力集中可以减小约5MPa，并且厂房分幅区域左侧墙脚的应力集中区位于后续开挖体中，可避免应力破坏影响厂房轮廓边界部位岩体。

（5）脆性玄武岩高应力破裂控制的针对性支护优化原则。当岩体高应力破裂风险增强时，表面支护需要从挂网、素喷+网、掺钢纤喷层的方式优化，在高风险条件下不推荐使用“掺钢纤喷层+网”的方式是考虑到消除挂网作业时间消耗与支护及时性之间的矛盾；当岩体高应力破裂风险增强时，原则上选择加强锚杆支护时需要同时考虑增强锚杆支护力和柔性支护特征，可选择增加普通螺纹钢锚杆实现，以及有条件地使用喷纳米钢筋网混凝土，都需强调支护的及时性。

4.3 脆性岩体破裂支护实施时机

脆性岩体应力的破裂在很多情况下围岩破裂损伤都会存在一定的滞后现象，即新开挖的掌子面上很难观察到破裂损伤现象，常常给人围岩安全性好、无需支护的错觉。工程实践表明，随着时间推移或掌子面向前推进，围岩的破裂损伤程度不断加剧，因此，支护锚杆的安装越接近掌子面时，越有利于及时维持围岩中的围压。

针对高应力问题突出的部位，及时支护（支护时机二相比于支护时机一）有利控制顶拱的变形增量，同时也有利于提高顶拱的围压水平和降低应力集中区最大主应力的量级水平，使得围岩应力状态更加远离强度包络线，如图16所示，及时支护有利于降低围岩破裂、发生鼓胀变形从而导致喷层开裂的风险。

图16 及时支护提供补偿围压的作用Figure 16 The function of timely support to compensate the confining pressure

在高应力条件下，洞室围岩破裂扩展和变形具有明显的时间效应特征，而且脆性岩体的破裂发展到一定程度将会导致明显岩体扩容、体积膨胀，使得这部分岩体将丧失了很大一部分的承载力，这就要求针对应力破裂甚至破碎岩体的“兜网”支护力的要求显然会更高。因此，针对脆性围岩高应力条件下破裂问题，越及时的支护需要付出支护力代价越小，且支护效果越好。如图17数值模拟不同支护时机对围岩松弛的影响，紧跟掌子面的及时支护（支护时机二）能够使得岩体破裂损伤得到有效抑制，从而使得围岩的松弛圈相比更小，必须强调工程实际中 “初期”支护的系统性和及时性。

图17 白鹤滩右岸地下厂房松弛圈深度Figure 17 Relaxation zone depth of underground powerhouse on the right bank of Baihetan

5 结论

以白鹤滩地下厂房洞室在复杂的地质条件下施工开挖过程实践为基础，针对出现的主要岩石力学问题和防治措施进行了深入探讨。

（1）层间错动带影响与防治。长大软弱层间错动带影响范围内的围岩在开挖卸荷作用下，受松弛、局部化应力、自身重力等作用，上、下盘岩体松弛易发生较大的不连续剪切变形，造成局部围岩失稳塌落。针对层间带顶拱影响洞段采用预应力锚杆、锚索深层支护和超前锚固洞预锚固措施合理，高边墙影响区域采用主洞+支洞置换洞、锁口和上盘深锚等联合支护措施是有效的防治措施。

（2）脆性玄武岩高应力破裂与防治。综合考虑优化布置地下厂房洞室群轴线方向和优选洞室体形等战略层面措施，采用主洞室轴线与最大主应力方向小角度相交的布置方案，体形上选择双向成拱的圆筒形，保证洞室顶拱曲率与应力拱相适应等措施，系列主动防治措施有效降低了高应力造成的围岩高应力破坏风险。

（3）白鹤滩地下厂房洞室群工程区域岩体具备玄武岩硬脆性特征，初始应力为中高地应力水平，发育长大软弱层间错动带以及柱状节理发育的几大基本条件[11-14]，地下洞室实施过程中出现了显著的脆性围岩高应力破裂及时效特征，应当强调初期支护的及时性和系统性，增强及时锚固支护力和柔性特征，充分利用洞室开挖过程的掌子面效应及时提供补偿围压作用，从而有效抑制脆性岩体破裂扩展、时效变形和围岩松动圈深度发展，工程实践过程中充分考虑主动和被动防治措施联合实施。