文登抽水蓄能电站地下厂房施工期围岩安全监测分析

卫洋波，张 捷，王 芳

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

水利水电工程地下厂房的开挖卸荷，将引起围岩产生变形，过量的变形将会影响地下厂房工程的安全施工[1]。在地下厂房施工开挖期布置位移及应力监测系统，可获得有关围岩稳定性及支护工作状态的真实信息，可为进一步有针对性地修改支护参数及后续的开挖提供依据[2]，另一方面也可为类似地下工程围岩稳定性分析提供借鉴。如在丰宁抽水蓄能电站一期和二期地下厂房洞室群围岩施工期中，布置了大量的监测仪器，通过对围岩位移监测、锚杆和锚索支护受力监测、裂缝监测及松弛状态监测，获得了洞室围岩开挖卸荷变形特征、结构面效应、变化规律及锚固系统控制状态，为该工程的安全施工提供了强有力的支撑[3，4]。类似的工程，如二滩、溧阳、深蓄等工程，也均在其地下厂房开挖过程中布置了位移及应力监测系统，针对施工期地下厂房的围岩安全监测分析开展了相关的研究工作[5-13]。

本文依据文登抽水蓄能电站地下厂房施工期的安全监测数据，对地下厂房开挖后围岩的变形和锚固支护受力监测数据展开系统分析，并结合施工期揭露的地质条件和物探成果，对厂房第Ⅵ层开挖完成后围岩的稳定性以及支护系统工作性态进行综合分析与评价，研究成果可为同类工程提供借鉴。

1 工程概况及地质条件分析

1.1 工程概况

文登抽水蓄能电站位于山东省胶东地区文登区界石镇境内，电站额定水头471m，共安装6台300MW容量的水轮机。工程三维透视图如图1所示。厂房布置于小过顶下部山体内，距离下水库的水平距离约1640m，山顶高程450～500m，厂房上覆岩体厚度约350m。地表左右两侧发育有与厂房轴线近垂直的冲沟，沟底高程350～400m。

图1 文登抽水蓄能电站三维透视图Figure 1 Three dimensional perspective of Wendeng pumped storage power station

地下洞室群主要有：主、副厂房、主变室、尾水闸门室、通风机房、母线洞、进厂交通洞、地下厂房通风洞、排水廊道等。地下厂房轴线方向约为NE65°；其中，主厂房洞室尺寸：长214.5m，宽25.0m，高54m；主变室洞室尺寸：长226.5m，宽21m，高22m；尾水闸门室尺寸：长90.6m，宽10.9m，高19.8m。

1.2 地质条件

地下厂房区域揭露的岩性主要是二长花岗岩和石英二长岩，围岩以新鲜岩体为主，完整性比较好，呈微～新岩体，裂隙不发育，洞壁干燥，围岩类别为Ⅱ类。在主厂左0+73～厂左0+77区域上游边墙出现煌斑岩脉捕虏体，在高程上从EL67m一直向下延伸至EL37m，即第Ⅴ层底部；黄斑岩脉呈灰黑色，块径10～25cm，母岩为石英二长岩，两种岩性为熔融接触，岩体较完整，如图2所示。

图2 黄斑岩脉捕虏体Figure 2 Xenoliths of macular vein

主厂房主要有f202、f203两条断层，均为长大裂隙型断层。根据最新的地质编录图，断层f203在主厂房上游边墙出露部位为厂左0+089～厂左0+093，在高程上向下一直延伸到EL62m附近，然后相继与长大裂隙L4和L6靠近一直延伸到第Ⅲ层底部，即EL50m处；在下游边墙出露部位为厂左0+100～厂左0+140，在高程上向下一直延伸到第Ⅵ层底部，如图3所示。断层f202在主厂房下游边墙出露部位为厂左0+164～厂左0+158，在高程上向下一直延伸到EL62m处；该断层在主厂房上游边墙尖灭。厂房区裂隙以陡倾角裂隙为主，优势产状为NW275°SW∠60°～90°，约占总统计条数的50%；另还发育一组产状NW275°SW∠0°～30°的缓倾角结构面，该组裂隙约占7%；其余方向的裂隙也有发育，约占总数的43%。

图3 主厂房下游边墙断层f203出露位置Figure 3 Exposed position of fault F203 in downstream side wall of main power house

根据现场地应力测试结果，地下厂房洞室群所在高程的应力值范围为：最大水平主应力SH为9.32～17.75MPa，最小水平主应力Sh为5.42～9.75MPa，垂直主应力SV为8.54～11.84MPa。地应力三个主应力之间的关系为SH＞SV＞Sh，总体测区主应力的方向均在NW280°～300°的范围内，个别测孔最大主应力近E-W向，工程区构造应力场为以NWW方向或近E-W向挤压为主。

2 地下厂房物探成果分析

主厂房及主变室洞室开挖施工过程中，受爆破振动及岩体应力释放影响，表层岩体及结构面变形、松弛，岩体内的应力重新分配，在洞壁周边岩体质量和完整性及力学参数降低，形成松动圈。采用单孔声波测试法开展岩体质量和松动圈测试。采用一发双收装置，测点距0.2m，基本原理是利用声波在一定距离沿井壁岩体滑行的时间来测定岩体的声波速度，根据发射器到两个接收器的纵波初至时间tp2与tp1及两个接收换能器间距（L），即可获得孔壁附近岩体的纵波速度值，见式（1）：

一般来讲，围岩的波速近似反映了其开挖松弛后的损伤程度，围岩的松弛损伤系数可以由其松动圈内的波速及未松动圈内的波速来近似计算。若用V′p表示围岩松弛圈的波速平均值，用Vp表示围岩未松弛圈波速的平均值，则围岩的松弛损伤系数可以用如下公式计算：

其中，松弛损伤系数为0表示围岩未损伤，松弛损伤系数越大表明围岩损伤程度越高。

主厂房物探测试成果见表1。主厂房测试成果表明，由于声波曲线随深度变化表现为浅部松弛卸荷强烈，存在比较明显的波速降低区域，内部局部区域呈锯齿状。主厂房声波测试显示总体围岩卸荷松弛规律如下：由于洞室岩体开挖卸荷后，初始地应力卸荷、主应力差变大，应力松弛导致原有节理裂隙扩展，介质的不连续面扩大，岩体质量进一步劣化，力学参数降低，以致声波在该方向的传播速度明显减小。一般越靠近临空面，卸荷扰动越大，纵波速度降低越多，松弛圈偏大，岩体质量和力学参数损伤劣化。洞室开挖后围岩浅部松弛，总体松弛范围在0.8～1.4m，大部分在0.8～1.2m之内。松弛圈内岩体波速一般在4119～5396m/s，非松弛圈波速一般在5212～5592m/s。几个物探测点的松弛损伤系数大部分在0.14以下，厂右0+010下游边墙、厂左0+040上游边墙损伤系数相对较高。

表1 主厂房各断面围岩松弛深度声波检测成果表Table 1 Acoustic wave detection results of surrounding rock relaxation depth at each section of underground power-house

3 安全监测布置

地下厂房开挖步序结合开挖分层设计图和实际施工顺序，遵循“先洞后墙”的开挖原则，两大洞室顶拱开挖总体按厂房顶拱先开挖，主变洞顶拱滞后跟进开挖的程序进行。跟随各洞室施工开挖进程，在主厂房、主变室埋设有多点位移计、锚杆应力计。主副厂房及安装间共布置3个主要监测剖面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ，另外布置5个辅助监测断面（a、b、c、d、e断层），主要开展围岩变形监测、支护应力监测。监测仪器布置见图4～图6。

图4 地下厂房监测断面布置图Figure 4 Monitoring section of the underground powerhouse

图5 I-I断面多点位移计监测布置图Figure 5 Multi-point displacement meter monitoring layout of I-I section

图6 锚杆应力计典型监测断面布置图Figure 6 Typical monitoring section layout of anchor stress meter

4 围岩变形监测数据及支护受力特征分析

4.1 主厂房

4.1.1 围岩变形分析

主厂房开挖后，洞室围岩卸荷回弹变形或松弛变形，围岩变形整体较小，孔口变形大部分小于2mm。最大变形量值为13.01mm，位于厂右0+000.80、厂下0+011.10，高程61m；该位移历时曲线台阶状明显、增长幅度相对较大，目前变形暂时未收敛，见图7。从地质编录图上来看，该多点位移计位于长大裂隙L17和L18附近，受局部不良岩体结构影响明显；同时，该监测点位于1号母线洞上方和岩锚梁区域，受开挖应力释放和爆破扰动也比较明显。结合物探测试成果，该区域的围岩损伤系数也相对较大。

图7 主厂房Mcf1-7-1～4多点位移计历时曲线图Figure 7 Multi-point displacement meter duration curve in main power house

4.1.2 锚杆受力分析

主厂房锚杆支护受力整体较小，锚杆锚固力绝大部分小于50MPa，占总数量的93%；最大锚固力到达158.79MPa（厂左0+048.00，厂上0+002.15，5.5m深度），见图8，没有超过锚杆屈服强度。锚固力较大的区域主要受局部不良岩体结构作用，还受应力释放卸荷和爆破开挖振动的影响；结合物探测试成果，该区域的围岩损伤系数也相对较大。

图8 主厂房锚杆应力历时曲线图（Rmcf2-1～3）Figure 8 Stress duration curve of anchor rod in main power house

4.2 主变压器室

4.2.1 围岩变形分析

根据主变压器室的多点位移计监测数据可以看出，主变压器洞在开挖后围岩变形曲线整体平稳，洞周围岩变形较小，变形量值一般小于0.5mm，最大变形量值为10.47mm（厂左0+034.20、厂下0+050.35），见图9。同主厂房类似，主变压器室围岩变形主要受到坚硬的石英二长岩岩性、局部裂隙等地质结构控制，还受应力释放卸荷和爆破开挖振动的影响。

图9 主变压器室Mzb1-4-1～4多点位移计历时曲线图Figure 9 Multi-point displacement meter duration curve in main transformer room

4.2.2 锚杆受力分析

主变压器室锚杆应力增长主要发生在2019年6月以来开挖期间，目前锚杆应力整体较小，历时曲线平稳。主变压器室锚杆应力一般小于25MPa，最大应力为158.93MPa（主变压器室厂左0+035.00、厂下0+050.35），见图10。

图10 主变压器室锚杆应力历时曲线图（Rmzb1-9～11）Figure 10 Stress duration curve of anchor rod in main transformer room

5 结束语

文登抽水蓄能电站地下厂房区岩性以晚元古代晋宁期黑云角闪二长花岗岩和中生代印支期黑云角闪石英二长岩为主，围岩以新鲜岩体为主，呈微～新岩体，发育少量断层及裂隙。地下厂房洞室群的围岩安全监测数据分析表明：主厂房、主变压器室开挖围岩总体变形不大，最大变形量值为13.01mm，支护体系受力也在正常范围内，表明地下厂房在开挖后围岩基本稳定。厂区工程地质条件及物探成果表明，文登地下厂房洞室围岩稳定主要受到石英二长岩岩性、长大裂隙、断层等地质结构控制，岩体变形受到应力卸荷松弛与局部岩体结构作用，变形较大区域多为受局部不良岩体结构和围岩开挖卸荷损伤作用所致。因此，为确保地下厂房在开挖过程中围岩的整体和局部稳定性，开挖应采用合理的爆破施工程序及合适的爆破药量，且开挖后应及时进行支护，以减小围岩尤其是结构面和洞室交汇区的损伤扰动。