瀑布沟地下厂房洞室群开挖支护设计研究

莫如军，樊熠玮

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

瀑布沟水电站是大渡河梯级规划中的第17个梯级，为一等大(Ⅰ)型工程，采用坝式开发方式。工程枢纽由拦河大坝、泄水、引水发电、尼日河引水等主要永久建筑物组成。电站最大水头181.7 m，最小水头114.3 m，额定水头154.6/156.7 m，装机总容量3 600 MW(6×600 MW)。地下厂房发电系统主要由厂房、主变室、尾水闸门室、母线洞、尾水管等建物组成，并以主厂房、主变室和尾水闸门室三大洞室为骨架，形成“上下分层 、前后分列、纵横交错”的地下洞室群。主厂房、主变室、尾水闸门室均为长条形洞室，平行布置，岩柱厚度分别为41.95 m和32.70 m，母线洞、尾水连接洞轴线垂直于主厂房。地下厂房洞室群布置见图1。

图1 瀑布沟地下厂房洞室群布置(单位：m)

考虑主厂房纵轴线应与主要结构面成较大夹角，与最大主应力成较小夹角，以及枢纽布置协调，综合分析后确定主厂房走向为N42°E。主厂房长208.6 m，宽30.7 m和26.8 m(岩锚梁上部和下部)，最大高度70.1 m。主变室长249.1 m，宽18.3 m，高25.975 m，尾水闸门室长212.085 m，宽16.4 m，高56.35 m。

1 基本地质条件

地下厂房系统洞室群布置在左岸山体中，水平埋深240～540 m，垂直埋深200～360 m，围岩为澄江期中粗粒花岗岩，仅有少量辉绿岩脉分布，多微风化～新鲜，主要呈次块状～块状结构，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，岩性坚硬，强度高，岩石单轴抗压强度一般在100 MPa以上。

厂房系统内无大的断层，仅有小断层、挤压破碎带和辉绿岩脉破碎带。辉绿岩脉破碎带多沿界面发育而成，以中陡倾角为主，走向多NWW、NW、NE；花岗岩中的小断层和挤压破碎带绝大多数产状为N40°～60° W/SW∠20°～40°，宽度多小于50 cm。断层带多由碎裂岩、碎块岩及少量糜棱岩组成，结构挤压紧密，揭露的小断层主要有4组：①N60°～80°W/SW∠70°～85°；②N30°～50°E/NW∠60°～80°；③N30°～50°E/SE∠65°～85°；④N30°～50°W/SW∠30°～40°。围岩中节理裂隙可归纳为四组：①近SN/E∠50°～70°；②N30°～60°W/SW∠30°～50°；③N30°～60°W/NE∠60°～80°；④N30°～50°E/NW∠50°～70°。

厂区岩体质量可分三大区：f12、f13断层以西区域，小断层发育，岩体完整性较差，大多属Ⅲ类岩体；f7以南区域，岩体弱风化，围岩质量多属Ⅲ类围岩；f12、f13断层以东、f7断层以北区域，构造简单，岩体完整，多属Ⅰ、Ⅱ类围岩。主厂房范围内不能避开的小断层主要有4条，且其中3条属岩脉断层，从断层主产状看可分为两组：一组走向N60°～80°E，倾向NW，包括f9、f9-1；一组走向N70°～75°W，倾向SW，包括f14、f15二条。局部辉绿岩脉、裂隙密集带、小断层带及影响破碎带为Ⅳ～Ⅴ类围岩。厂区地下水不丰富，局部有渗滴水，渗滴水多沿软弱结构面出现，随着开挖的进行，出水量逐渐减小、消失，对围岩稳定无大的影响。厂区地应力以构造应力为主，实测最大主应力σ1为21.1～27.3 MPa，属中-高地应力量级。

2 地下厂房洞室群开挖

2.1 开挖原则

(1)开挖要有利于保护洞室围岩的完整性，避免过度扰动和破坏围岩，避免使围岩出现不利的应力状态和承载条件，尽量减少洞室之间的施工干扰。

(2)开挖要有利于适时进行支护作业，发挥支护效用。

(3)要在满足施工组织设计的基础上，选取对洞室围岩稳定影响较小的开挖方案。

2.2 开挖方案

瀑布沟地下厂房洞室群开挖程序借鉴了类似工程经验，并经三维非线性优化分析研究，原设计推荐采用将主厂房、主变室、尾水闸门室三大主体洞室“错洞、错层、错段”开挖、对母线洞、尾水管及连接洞、排风排烟竖井、电梯电缆竖井等洞室采用“跳洞、错段、适时”的开挖程序方案，主副厂房自上而下共分为Ⅸ层进行开挖，主变室开挖滞后主厂房、尾水闸门室1～2期(厚12～20 m)，以利洞室围岩稳定。地下厂房洞室群施工开挖分层见图2。

图2 地下厂房洞室群施工开挖分层示意

瀑布沟水电站地下厂房系统工程于2004 年1 月开工，后受“10·27移民聚集事件”影响，施工于2004年10月27日停工，2005年9月19日复工，总工期延迟了10个多月时间。为达到瀑布沟水电站地下厂房首台机组提前发电的要求，原有的施工开挖方案已不能满足施工进度要求，故在施工过程中，承包商对原设计地下厂房洞室群开挖程序进行了较大幅度调整，采用了三大洞室“平行开挖”、大幅扩挖厂房上游边墙内排水廊道(2号)、加大分层开挖爆破力度(中部开挖层)、尾水管洞及其连接洞提前开挖、母线洞及1号电梯电缆竖井开挖爆破和衬砌施工大幅滞后(厂房高边墙形成后) 的施工程序。实际开挖过程如图3所示。

3 地下厂房洞室群的支护设计

地下洞室围岩支护的目的是通过加固围岩，提高围岩的力学强度，改善围岩的应力状态，限制围岩变形，充分发挥围岩自承能力，维护岩体稳定。根据瀑布沟电站的地质条件，为充分发挥岩体的自身承载能力，地下洞室群普遍采用喷锚支护设计。

3.1 支护设计原则

(1)以已建工程经验和工程类比为主，岩体力学数值分析为辅。

(2)以围岩分类为基础，根据不同的围岩类别和洞室功能，采用不同的支护型式。

(3)发挥围岩本身的自承能力，以“喷锚支护为主，钢筋混凝土衬砌为辅; 以系统支护为主，局部加强支护为辅，并与随机支护相结合”。

(4)对于有地质缺陷的局部洞段和在结构与功能上有特殊要求的洞室，采用喷锚支护和钢筋混凝土衬砌相结合的复合式支护，即“特殊部位特殊支护”。

(5)围岩支护参数应根据施工开挖期所揭露的实际地质条件和围岩监测及反馈分析成果，动态调整支护参数。

3.2 支护设计方案

瀑布沟地下厂房洞室群锚喷支护设计以工程类比法为主，通过数值模拟分析对拟定的洞室围岩支护参数进行三维有限元计算，提出适合本工程所需的支护参数。根据工程类别及计算分析，最终确定采用的支护方案为：除尾水管及其连接洞、尾水闸门室平台以下、母线洞、1号2号电梯电缆竖井、尾水隧洞及部分洞室交叉因水力学或结构要求采用复合衬砌支护外，其余洞室主要采用喷锚支护。地下厂房三大洞室支护参数见表1。

图3 厂房洞室群施工开挖时序

表1 三大洞室喷锚支护参数

3.3 加强支护

由于承包商采用地下厂房三大洞室平行开挖方案，该方案对洞室群的围岩稳定、变形和支护产生了一些不利影响。同时在施工过程中，三大洞室开挖普遍存在因开挖爆破控制不好、支护滞后的问题，恶化了围岩的稳定条件，受“10·27”事件停工影响近一年，围岩受到不同程度的损伤，导致围岩出现松弛变形、爆破松动、混凝土喷层开裂及脱开等工程现象。

为确保洞室围岩施工期和运行期的稳定和安全，在施工过程中，需及时调整支护参数，对洞室群顶拱、高边墙、交岔口等部位，开挖爆破变形较大部位、开裂明显部位及出现不同程度的不稳定楔形体的部位，进行局部加强支护。主要加强支护措施如下：

3.3.1 主厂房

①厂房顶拱局部增设锚筋桩加固，3Φ32、L为12～15 m每排3根、排距2.4～4.8 m。并采用挂网钢筋Φ16、间排距10 cm、喷混凝土厚25 cm。

②厂房上游边墙距岩壁梁上拐点以上1 m处局部增设2排锚杆Φ32、L为9 m、间排距1.5 m。岩壁吊车梁的下拐点局部增设3排Φ32、L为9 m间距1.5 m的加强锚杆。主厂房上游边墙出露的岩脉断层f14(βμ)范围设置挂网钢筋Φ8@20 cm×20 cm，宽度超出岩脉断层及岩脉两侧各1 m，挂网钢筋随边墙下卧至高程666.20 m，挂网钢筋与外露系统锚杆焊接。在685.70～677.70 m高程，局部增设锚筋桩 3Φ28、L为12 m加固锚筋桩，间排距2.0 m。

③主厂房下游边墙6条母线洞范围上部局部段岩壁吊车梁上的2排受拉锚杆长度加长，原Φ40、间距70 cm、L为13.1 m的锚杆调整为Φ40间距70 cm、L为15.1 m，伸入岩石12 m，原Φ40、间距70 cm、L为12.7 m的锚杆调整为Φ40、间距70 cm、L为14.7 m，伸入岩石12 m，在下排受拉锚杆和水平锚杆之间增加1排Φ40间距70 cm、L为14.7 m的锚杆。主厂房下游边墙出露的岩脉断层f14范围设置挂网钢筋Φ8@20 cm×20 cm，宽度超出岩脉断层及岩脉两侧各1 m，挂网钢筋随边墙下卧至高程666.20 m，对出露在5号母线洞侧岩脉断层f14进行了固结灌浆处理。

3.3.2 主变室

①主变室在6号、5号、4号母线洞对应的主变室上游侧顶拱增设2排锚筋桩3Φ28、L为12 m、间排距1.5 m。局部还增设加强锚杆Φ28～32、L为7～12 m、间排距1.2 m，并采用挂网钢筋Φ8，间排距20 cm，喷混凝土10 cm。

②边墙局部增设锚杆Φ28～32、L为7～9 m、间排距1.5 m，并采用挂网钢筋Φ8@20 cm×20 cm，喷C25混凝土，厚15 cm。

3.3.3 尾水闸门室

①上游侧顶拱局部设置加强锚杆，采用Φ28锚杆、L为7 m、间排距1.2 m。

②右边墙局部增设5排Φ28锚杆、间排距1.5 m、长度L为7 m。对边墙出露的辉绿岩脉断层f14设置挂网钢筋Φ8@20 cm，宽度两侧各超出1.0 m，并喷混凝土C20厚12 cm，挂网钢筋与外露锚杆焊接。上游在原施工完成锚索周边局部内插4～8根加强锚索。

3.3.4 母线洞

在左侧边墙局部范围增设锚筋桩，3Φ28、间排距1.5 m、L为8 m，并对边墙裂缝进行了固结浆。

3.3.5 尾水管

1～5号尾水管顶板及边墙局部增设锚筋桩，3Φ32、间排距2.0 m、L为15 m。

4 地下厂房洞室群围岩稳定性评价

4.1 数值模拟计算分析

在初步设计及招标、技施阶段，采用准三维有限元及三维有限元计算方法进行了地下厂房洞室群围岩稳定分析，计算内容包括地下厂房洞室群分期开挖和支护稳定特性分析、地下厂房三维整体分期开挖和锚固支护稳定特性分析对地下厂房洞室围岩稳定特性影响分析等。现以三维整体分期开挖和支护稳定特性分析为代表，计算成果如下：

(1) 开挖支护完毕后，除了洞室交叉口和断层穿过局部区域围岩的破坏区仍然稍大外，洞周的围岩破坏基本限制在4～5 m范围内。

(2) 开挖支护完毕后，主厂房、主变室顶拱的径向应力为-2.9 MPa，顶拱的切向应力为-28～-31 MPa，主厂房两端拱座处压应力值为-61.65 MPa，主变室和尾闸室拱座处的应力为-35.96 MPa。主厂房、主变室、尾闸室三大洞室顶拱的拉应力值达到0.57～3.86 MPa，沿洞室纵轴线方向的喷层拉应力变化不是太大；洞室顶拱的压应力值较小，其值分布在-0.78～-2.81 MPa，且分布比较均匀。

主厂房顶拱的锚杆应力大部分达到105～185 MPa，局部达到235～260 MPa。主变室和尾闸室顶拱的锚杆应力值在80～159 MPa之间。主厂房洞室上游边墙锚杆应力值一般为78～180 MPa，下游边墙的锚杆应力值大部分达到118～290 MPa，主变室和尾闸室边墙的锚杆应力值一般分布在70～240 MPa。

(3) 洞室开挖支护完毕后，主厂房洞室顶拱、主变室、尾闸室顶拱的位移分别为1.84 cm、0.76 cm和0.15 cm。主厂房上下游边墙的位移达到3.0～5.86 cm；主变室上下游边墙的位移较小，位移值为1.1～1.83 cm；调压井上游边墙的位移较小，其值为1.5～1.87 cm，下游边墙的位移稍大，位移值为1.18～4.81 cm。

通过整体三维有限元分析，除了洞室交口处和断层穿过的局部部位外，洞周的变形、应力分布状态和锚杆应力分布均合理。在整个开挖过程中，围岩变形和应力没有出现异常现象，整个洞室稳定是有保证的。

4.2 施工期监测与反馈分析

为了及时掌握瀑布沟水电站地下厂房施工期围岩的变形和稳定情况，地下洞室群在开挖施工前选取有代表性的典型断面进行了专门监测设计，共设置了6个监测断面：厂(横)0+016.60 m剖面(1号机中心)、厂(横)0+049.60 m剖面(2号机中心)、厂(横)0+115.60 m剖面(4号机中心)、厂(横)0+148.60 m剖面(5号机中心)、厂(横)0+181.60 m剖面(6号机中心)、厂(横)0+221.10 m剖面(副厂房)。截至2019年底，监测数据表明：

(1)变形情况。洞室变形均以指向洞内的收敛变形为主。从变形曲线可以看出，各曲线随厂房各层的下卧开挖形成了明显台阶，当各层开挖停止后，变形曲线基本趋于平稳，且围岩总体变形深度未超过系统锚索深度，说明目前围岩变形基本处于稳定状态。

(2)支护应力。绝大部分锚杆应力不大，仅有少量锚杆屈服，锚索拉力虽有超过设计值的现象，但基本在设计值的125%范围以内，支护设计合理，其总体强度满足设计要求，目前围岩总体稳定。

5 结 语

数值分析和施工期监测资料研究表明，瀑布沟水电站采用地下厂房三大洞室平行开挖的方案对洞室群的围岩稳定和支护虽产生了一些不利影响，但是通过加强监测、动态调整支护参数、及时采取加强支护措施以及加强现场施工管理等措施，最终确保了施工期及运行期地下厂房洞室群围岩稳定处于受控状态，洞周围岩的位移场分布、塑性区分布以及锚杆和锚索的受力条件符合一般规律，洞室群围岩具有较高的超载安全储备，整体稳定状态良好。