复杂地质大型地下洞室开挖与支护技术

2021-06-04肖厚云杜安朋

四川建筑 2021年2期

肖厚云, 杜安朋

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610213)

杨房沟水电站为国内首个百万千瓦级大型地下厂房和百米级高坝整体EPC水电项目，位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上(部分工程区域位于甘孜州九龙县境内)，是雅砻江中游河段一库七级开发的第六级，上距孟底沟水电站37 km，下距卡拉水电站33 km。在坝址左岸山体不到0.5 km2的区域内、高度约400 m岩体中，共布置了体型各异、大小不等的近40条洞室，累计总长度超过10 km。这些洞室纵横交错、平、斜、竖相贯，组成复杂的大型地下洞室群。需对复杂地质地下洞室开挖与支护技术进行研究，保障现场施工安全，获取良好的安全作业环境。

1 复杂地质大型地下洞室开挖与支护现状分析

在隧道工程施工过程中，由于工程条件的复杂性，常常发生施工中安全事故。为了保证施工安全及隧道投入运营后的安全，在施工过程中对围岩进行监测是十分必要的，通过现场围岩监控量测及时掌握围岩和支护在施工中的力学动态及稳定程度，为评价和修改初期支护参数、力学分析及支护施作时间提供信息依据。

国内外学者对隧道围岩位移测量数据的处理方法进大量研究，包括位移反分析法、时间序列法、回归分析法、灰色系统预测、神经网络模型预测等。杨红军等[1]根据Panet、Gaudin、Sulem的研究成果[2]，利用半解析计算方法，考虑了隧道周边收敛和拱顶下沉随时间和掌子面推进距离的变化情况，建立了相关的收敛模型，由此给出了硬岩及软岩隧道中二衬的合理支护时机。叶继权等[5]通过三次B样条曲线拟合的数学方法将围护结构水平位移的报警转化为弯矩的报警，通过计算出的弯矩值与设计许可弯矩及规范允许的桩体极限弯矩对比，判断围护结构是否安全。袁厚海等[6]采用基于隧道支护结构测斜数据推导隧道支护结构弯矩值，给岀了较准确的隧道支护结构弯矩预测方法，并通过对隧道工程实例分析。李兆权[7]以国内部分矿山采用喷锚支护巷道的位移测试数据为基础，采用概率预测法对最终位移量做出估计，并经实例验证方法可行，为进行支护方案选择提供了简便方法。王宏伟[8]通过对盛大铁矿巷道进行变形监测，得到巷道变形规律，利用 MATLAB软件建立神经网络模型，以盛大铁矿46条支护稳定巷道为学习和检验样本，建立巷道支护优选及变形预测神经网络模型。李本强[9]应用人工神经网络方法，利用土钉支护变形观测数据，建立用于对支护系统未来变形进行预测的网络模型。同时，通过实例计算分析了影响预测精度的原因，提出了改善预测精度的措施。冯利坡等[10]通过研究支护结构破坏前20 d的坡顶水平位移、深层水平位移曲线，观测到了监测曲线反映结构破坏的突然变化，充分说明了自动化监测的预警作用。李晓婉[11]选取上海、杭州、武汉和大连市动港等地区200多个项目的实测数据，研究了围护结构变形预警值问题。应用风险理论。与概率统计理论，制定指向性、敏感性都强的安全风险预警指标。结合工程案例，进行设计合理的安全风险预警，验证其适用性。李惠强等[12]构建了支护结构安全预警系统，并在分析研究深基坑工程设计和施工实测资料的基础之上，采用改进的BP神经网络，建立起支护结构位移预测模型，并就基坑支护安全监测预警指标进行了讨论。

从以上研究成果可以看出，由于监测设备的技术水平以及安装等现实条件的限制，利用解析的方法求解支护结构应力较为困难，通常需要靠间接方法作位移反分析。而利用时间序列法、回归分析法、灰色系统预测、神经网络模型等方法较为成熟，其中回归分析的方法最简单，在早期计算机不发达的年代应用广泛。神经网络法、时间序列分析法等随着现代计算资源的发展而有了飞快的进步。

2 大型地下洞室开挖方法

主副厂房洞纵轴线方向为N5 °E，与引水隧洞高压管道轴线交角90 °。主副厂房洞、主变洞、尾水调压室三大洞室平行布置，均采用圆拱直墙型断面，主副厂房洞与主变洞的净距为45.0 m，主变洞与尾水调压室的净距为42.0 m。主副厂房洞与主变洞之间布置有4条母线洞，同时厂房下游、主变洞下部布置有尾水洞。主变洞下游布置有出线洞，其中出线洞包含出线下平洞、出线竖井和出线上平洞。引水发电系统地下洞室群各洞室尺寸见表1。

表1 引水发电系统各洞室规模汇总

鉴于前述分析，待建工程的地质条件较为复杂，开挖洞室又极大，施工组织非常困难，稍不注意，就会出现大变形甚至垮塌等不利后果。因此，需要预先研究能够规避上述不良危害的开挖、爆破和支护等预控技术，以此确保围岩稳定、结构安全和人员不受伤害。限于文章篇幅有限仅说明主副厂房洞的开挖方法。主副厂房洞开挖尺寸为230 m×30 m(28 m)×75.57 m(长×宽×高)，共分Ⅸ层开挖，目前主副厂房洞已全部开挖支护完毕。具体开挖分层分区见图1所示。

图1 主副厂房洞开挖分层示意(单位:mm)

(1)主厂房第Ⅰ层采用先中导洞开挖，后两侧扩挖的方式。主副厂房洞中导洞于2016年4月6日开始开挖，2016年8月3日开挖完成；扩挖于2016年7月16日开始，于2016年11月12日完成。

(2)厂房第Ⅱ～Ⅲ层采用中间拉槽，两侧预留保护层的开挖方式，其中Ⅱ-1和Ⅲ-1层采用一次性开挖爆破，Ⅲ-3和Ⅲ-5层采用一次性开挖爆破，开挖顺序为：(Ⅱ-1和Ⅲ-1)→(Ⅱ-2)→(Ⅲ-2)→(Ⅲ-3和Ⅲ-5)→(Ⅲ-4)→(Ⅲ-6)→(Ⅲ-7)→(Ⅲ-8)。第Ⅱ～Ⅲ层于2016年11月20日开始，2017年5月15日完工。

(3)第Ⅱ-1和Ⅲ-1层于2016年11月20日开始，于2016年12月10日完工；第Ⅱ-2层于2016年11月25日开始，于2016年12月25日完工；第Ⅲ-2层于2017年1月8日开始，于2017年3月17日完工；第Ⅲ-3和Ⅲ-5层于2017年1月18日开始，于2017年4月1日完工；第Ⅲ-4层于2017年3月1日开始，于2017年4月3日完工；第Ⅲ-6层于2015年3月7日开始，于2017年4月2日完工；第Ⅲ-7层于2017年3月23日开始， 2017年5月12日岩锚梁岩台保护层(Ⅲ-7层)全部开挖完毕；第Ⅲ-8层于2017年5月开始，与2017年5月15日完工。

(4)2017年5月23日，主厂房岩壁吊车梁浇筑第一仓混凝土，2017年8月6日，岩锚梁浇筑完毕。

(5)厂房第Ⅳ～Ⅶ层均采用中部拉槽，两侧预留保护层的开挖方式。第IV层于2017年8月11日开始，于2017年9月18日完工；第V层于2017年9月19日开始，于2017年10月31日完工；第VI于2017年11月5日开始，于2017年12月4日完工；第Ⅶ层于2017年12月7日开始，于2018年1月11日完工。

(6)厂房第Ⅷ～Ⅸ层(机窝)分导井、上游保护层、下游保护层、岩柱顶面保护层四序开挖，通过导井溜渣至基坑底部，并通过尾水扩散段出渣。1#机机窝于2018年1月20日开始，于2018年5月6日完工；2#机机窝于2018年3月17日开始，于2018年5月9日完工；3#机机窝于2018年3月28日开始，于2018年5月26日完工；4#机机窝于2018年4月6日开始，于2018年6月5日完工。

主副厂房洞现场施工面貌见图2。

图2 主副厂房洞现场施工

3 大型地下洞室支护方法

杨房沟水电站地下厂房规模较大，岩梁以上跨度30 m，开挖高度为75.7 m。

地下厂房轴线走向N5 °E，地面高程约2 220～2 350 m，洞顶高程2 022.50 m，上覆岩体厚度200～330 m。厂房围岩岩性为花岗闪长岩，呈微风化—新鲜状，岩质坚硬，岩石的饱和单轴抗压强度在80～100 MPa之间。厂区最大主应力σ1值为12～15.48 MPa，最大主应力方向为N61°W～N79°W，属于中等地应力区。

根据杨房沟地下厂房的规模和特点，支护设计遵循以下原则：

(1)遵循“根据工程特点，广泛征求专家意见，以已建工程经验和工程类比为主，岩体力学数值分析为辅”的设计原则。

(2)发挥围岩本身的自承能力，遵循以“锚喷支护为主，钢筋拱肋支护为辅；以系统支护为主，局部加强支护为辅，系统支护与随机支护相结合”的设计原则。

(3)采取分层开挖，及时支护，力求体现喷锚支护灵活性的特点及围岩局部破坏局部加固、整体加固的等强度支护原则。

(4)围岩支护参数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进行及时调整，即“动态支护设计”的原则。

按照以上支护设计原则，并根据洞室开挖后揭示的地质情况和监测反馈信息，对地下厂房洞室群的支护进行必要的调整，以满足围岩的稳定要求。

4 地下洞室开挖施工动态反馈技术

杨房沟水电站地下厂房洞室群位于中等地应力区，岩石强度相对较高，也不存在规模较大的软弱结构面和断层影响带，这些基本的地质条件决定了地下洞室群具备较好的整体稳定特征。围岩变形破坏的分布与地应力分布规律密切相关，杨房沟水电站三大洞室轴线与最大主应力方向呈大角度相交，受力条件相对不利，在一定程度上加剧了顶拱的应力集中和边墙的卸荷变形，同时边墙发育的顺洞向陡倾优势结构面也加剧了这种不利效应，在地下洞室群开挖过程中，局部洞段也出现围岩表层剥落、掉块、坍塌与喷层开裂等现象，监测成果也揭示，部分区域的围岩变形、锚杆锚索应力、围岩松弛深度及范围偏大。

针对地下洞室施工过程中遇到的各类工程问题，现场及时开展了动态反馈分析工作，从现场调研、理论分析、数值模拟等多角度，分析各种工程问题产生的原因，并提出相应的处理措施和建议，有针对性地实施了局部加强支护，包括适度加密系统锚杆和锚索、降低锚索锁定吨位、对IV类围岩采用较高密度的锚杆及预应力锚索和钢筋混凝土修补等处理措施，以提高岩体抗破坏能力，保障围岩稳定。

从目前的监检测数据和工程实践情况来看，针对各类工程问题的动态反馈分析论证是基本合理的，为洞室的及时支护优化设计与安全控制提供了科学依据；现场采取的处理措施总体是及时有效的，能尽可能的减小和避免了洞室不稳定问题或施工安全问题的发生，使得洞室整体开挖支护顺利完工，总体上实现了本项目中动态设计与监测反馈分析的研究目标。