蒲石河抽水蓄能電站地下廠房開挖支護設(shè)計

于生波，趙忠文，逄立輝，賈志剛，宋立民，呂君卓

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 工程概況

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，距丹東市約60 km，該電站是我國東北在建的大型純抽水蓄能電站，總裝機容量為1 200 MW，單機容量為300 MW，共4臺機組。

廠房洞室系統(tǒng)是一組空間立體交叉的地下洞室群，以廠房、主變室及尾閘室為核心。三大洞室從上游向下游依次平行布置，廠房與主變室間巖體厚度為29.8 m，主變室與尾閘室間巖體厚度為19.9 m。 3 個洞室的縱軸線方位均為 NW279°50′19″。

2 洞室群圍巖狀況

蒲石河抽水蓄能電站樞紐區(qū)基巖主要為混合花崗巖，局部穿插有閃長玢巖巖脈。巖石新鮮、堅硬，上覆巖體較厚。雖有40余條斷層破碎帶分布，但寬度較小，傾角較陡，多分布于廠房樞紐區(qū)的東西兩側(cè)，走向多與廠軸交角較大。巖石節(jié)理一般不發(fā)育，多以陡傾角為主，其主要節(jié)理走向與廠軸交角亦較大，多呈微張或鈣質(zhì)膠結(jié)。

從整體看，廠房樞紐地段巖體尚完整，以塊狀結(jié)構(gòu)為主，本區(qū)巖體地應(yīng)力屬中等狀態(tài)，且其最大水平主應(yīng)力方向與廠軸近平行，對洞室圍巖穩(wěn)定較為有利。

據(jù)廠房平硐所揭示的巖體工程地質(zhì)特性，廠房樞紐地段多以Ⅱ類圍巖為主，約占80%左右，Ⅲ類圍巖約占20%。Ⅱ類圍巖的縱波速多為4 000～5 000 m/s，其中個別地段達到5 500～5 900 m/s；Ⅲ類圍巖縱波速多為3 250～4 000 m/s。Ⅱ類圍巖巖體濕抗壓強度為100～200 MPa；Ⅲ類圍巖巖體濕抗壓強度為55～100 MPa；斷層破碎帶巖體濕抗壓強度為20～50 MPa。Ⅱ類圍巖變形模量 E0為 10.65～28.49 GPa；Ⅲ類圍巖E0為7.44～8.64 GPa；斷層破碎帶E0為 3.06 GPa。

廠房區(qū)地下水主要為賦存于基巖裂隙及斷層破碎帶內(nèi)的裂隙水。地下水位埋深約40～55 m，高出廠房頂拱約190～195 m。據(jù)鉆孔壓水試驗資料，廠房區(qū)巖石透水性微弱，其透水率多小于1 Lu。在廠房樞紐區(qū)西半部沿f14斷層破碎帶、節(jié)理J60和節(jié)理J73、上游支洞F14和f24斷層破碎帶以及巖脈δπ-13滲水量較大，約10～24 L/min。

3 圍巖穩(wěn)定分析

影響地下洞室圍巖穩(wěn)定的主要因素有以下兩點：①自然地質(zhì)因素。主要包括巖體地質(zhì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間組合、巖石物理力學性質(zhì)、地應(yīng)力大小與方向和地下水狀況等。②工程因素。包括工程洞室群布置、軸線方位、洞室形狀、施工開挖順序和施工方法以及洞室支護措施、支護時機等因素。天然條件下，巖體處于平衡狀態(tài)，開挖洞室活動是引起圍巖變形、破壞的直接原因。

地下洞室開挖后，改變了原來天然巖體中的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在初始應(yīng)力場的作用下，洞室圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖向洞內(nèi)變形，甚至失穩(wěn)破壞。地下廠房的圍巖穩(wěn)定性分析應(yīng)根據(jù)巖體地質(zhì)構(gòu)造、巖石力學性質(zhì)、地應(yīng)力大小與方向、地下水影響及工程布置、施工方法等因素，采用工程類比法并結(jié)合有限元計算成果作出評價。

蒲石河抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定分析主要采用二維和三維計算模型相結(jié)合的方法進行非線性彈塑性有限元分析，巖體材料的屈服準則采用Drucker-Prager屈服準則，采用ANSYS程序軟件進行計算分析。

根據(jù)二維模型和三維模型的有限元計算分析結(jié)果，對蒲石河地下洞室圍巖的整體安全穩(wěn)定性評價如下：

（1）洞室圍巖整體位移符合具有高邊墻的地下洞室特點。頂拱隨開挖過程逐步下沉，在開挖后期輕微上抬，最大下沉量約8 mm；底板隨開挖過程逐步上抬，最大上抬量14 mm左右；邊墻向洞內(nèi)收斂位移，最大位移量為25 mm左右。

（2）洞室圍巖應(yīng)力分布隨開挖過程逐步由洞周向巖體內(nèi)部遷移，應(yīng)力遷移和調(diào)整區(qū)域主要集中在洞周1倍洞徑左右范圍。開挖過程中洞周未出現(xiàn)顯著拉應(yīng)力，較大壓應(yīng)力主要發(fā)生在拱角、底板和邊墻中部，最大壓應(yīng)力均在15 MPa以內(nèi)。

（3）洞室圍巖塑性區(qū)僅出現(xiàn)在拱角、底板和邊墻中部等部位，向洞周巖體延伸深度較淺，一般在3 m以內(nèi)。

（4）通過對有支護錨桿和無支護錨桿 （毛洞）圍巖穩(wěn)定計算分析成果的對比，可以得出：①施加錨桿后，在各洞室的拱肩、邊墻中部等部位錨桿自身的應(yīng)力明顯增大，說明開挖導致了巖體應(yīng)力調(diào)整，錨桿在巖體應(yīng)力調(diào)整中發(fā)揮作用比較明顯。②由于吊車梁部位處于高邊墻的中上部，該部位錨桿自身的應(yīng)力比較大。③錨桿自身的應(yīng)力在100 MPa以內(nèi)，遠小于錨桿的允許應(yīng)力，說明巖體穩(wěn)定狀況較好，巖體和支護結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定安全的。

綜上所述，蒲石河抽水蓄能電站地下洞室圍巖的應(yīng)力、位移分布規(guī)律性較好，無明顯異常區(qū)域，圍巖處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，擬定錨桿支護是合理、可靠的。

4 支護設(shè)計

工程因素對洞室圍巖穩(wěn)定的影響是明顯的。在同類圍巖中，洞室布置尺寸越大，圍巖穩(wěn)定性越差，而施工開挖是造成圍巖應(yīng)力重分布的基本原因。影響圍巖穩(wěn)定最為顯著的就是地下洞室的開挖方式，不同的開挖程序就意味著在時空上以不同的方式對圍巖施加荷載，從而決定施工期內(nèi)圍巖的應(yīng)力、塑性區(qū)和洞周位移的分布。開挖爆破產(chǎn)生的巖石松動和破裂對圍巖穩(wěn)定關(guān)系也很大。另外，支護時機的選擇也是至關(guān)重要的，支護過早，則支護結(jié)構(gòu)承擔荷載更大，不能充分發(fā)揮圍巖自身 “塌落拱”效應(yīng)，造成支護工程量增加；支護過晚，錯過最佳支護時機，圍巖變形量增大，對穩(wěn)定造成不利影響。

圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同承載的現(xiàn)代支護理論是20世紀50年代發(fā)展起來的，這種理論認為巖體不僅會對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，同時本身又是一種承載體，圍巖是承載的主體，支護是加固和穩(wěn)定圍巖的手段，支護與圍巖共同承載維持洞室穩(wěn)定。允許圍巖有適度變形，通過支護調(diào)節(jié)，控制圍巖不出現(xiàn)有害松動，以最大限度地發(fā)揮圍巖自承能力。

充分發(fā)揮圍巖自承能力是現(xiàn)代支護理論的一個基本觀點。當前，國際上廣泛采用的 “新奧法”就是基于支護與圍巖共同作用的現(xiàn)代支護理論。 “新奧法”一方面要求采用快速支護、緊跟作業(yè)面支護、預先支護等手段限制圍巖松動，以保持圍巖的自承力；另一方面又要求采用分次支護、柔性支護等手段允許圍巖出現(xiàn)一定程度的塑性，以充分發(fā)揮圍巖的自承載能力。顯然，支護時機選擇是 “新奧法”的一個關(guān)鍵因素。

目前，國內(nèi)外對地下洞室的支護設(shè)計較普遍采用的是 “新奧法”，利用噴混凝土和錨桿相結(jié)合的柔性支護，并根據(jù)變形觀測資料加以修正。噴錨支護結(jié)構(gòu)能較好地適應(yīng)地下洞室圍巖變形，使巖體結(jié)構(gòu)的自承能力得以充分發(fā)揮。

蒲石河抽水蓄能電站地下洞室的支護設(shè)計是在有限元計算分析成果確定支護形式和參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)圍巖分類、工程類比，按半經(jīng)驗半理論的方式綜合分析確定了洞室的支護形式。地下洞室群以采用全噴錨支護設(shè)計為主，局部采用噴錨支護與混凝土襯砌相結(jié)合的復合支護形式，即以柔性支護為主，剛性支護為輔。地下洞室支護布置見圖1。

圖1 蒲石河地下廠房洞室支護布置

（1）主廠房洞室13.2 m高程以上邊墻及頂拱噴鋼纖維混凝土，噴層厚度為15.0 cm；13.2 m高程以下噴10.0 cm厚素混凝土。

（2）主廠房洞室頂拱及上、下游墻13.2 m高程以上布置系統(tǒng)錨桿，錨桿φ25，錨入巖石4.0 m或6.0 m；上、下游墻13.2～-7.0 m高程系統(tǒng)錨桿φ25，錨入巖石 5.0 m；上、下游墻-7.0 m高程以下系統(tǒng)錨桿φ22，錨入巖石4.0 m。以上系統(tǒng)錨桿間排距均為 1.5 m×1.5 m。

（3）廠房端墻處及廠房尾水管處系統(tǒng)錨桿φ22，錨入巖石 4.0 m，間排距為1.5 m×1.5 m。

（4）主變洞頂拱及邊墻均噴15 cm厚鋼纖維混凝土。

（5）主變洞系統(tǒng)錨桿φ25或φ22，錨入巖石5.0 m或3.0 m，間排距1.5 m×1.5 m。

（6）母線洞為噴錨支護與混凝土襯砌相結(jié)合的復合支護形式，噴10 cm厚素混凝土結(jié)合40 cm厚混凝土襯砌墻體，系統(tǒng)錨桿φ22，錨入巖石4.0 m，間排距1.5 m×1.5 m。

（7）洞室拱角處以及洞室交叉口處設(shè)置超前錨桿，永久錨桿采用φ25加長錨桿，錨入巖石7.0～9.0 m。

在施工階段，根據(jù)廠房開挖后的地質(zhì)情況及監(jiān)測結(jié)果，合理地調(diào)整了廠房系統(tǒng)的支護設(shè)計，主廠房上、下游墻體加設(shè)了1 000 kN級的錨索，錨索長度為20～30 m；母線洞間加設(shè)了對穿預應(yīng)力錨桿等。對于開挖過程中發(fā)現(xiàn)的局部不穩(wěn)定巖塊，及時采取了隨機加固支護措施。

5 結(jié)語

蒲石河抽水蓄能電站地下廠房洞室群開挖支護完成已經(jīng)近4年的時間。從錨桿應(yīng)力計、位移計等監(jiān)測成果分析可知，系統(tǒng)錨桿支護有效地改善了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，減少了洞室圍巖的塑性區(qū)，限制了圍巖位移的有害發(fā)展，提高了圍巖的整體穩(wěn)定性，支護參數(shù)和支護結(jié)構(gòu)是合理可靠的。經(jīng)過蒲石河工程實踐，對地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析及支護設(shè)計有了以下認識：

（1）地質(zhì)勘探工作是地下工程設(shè)計的基礎(chǔ)。無論是圍巖整體穩(wěn)定性分析，還是局部不穩(wěn)定塊體分析，都離不開巖體的物理力學特性。有限元計算分析的精確與否，取決于其模擬的邊界條件是否與實際地質(zhì)情況相符。因此，地勘工作在地下工程設(shè)計中至關(guān)重要。

（2）做好圍巖的有限元計算分析工作，除了邊界條件模擬的準確性外，開挖方式、方法也決定著洞室圍巖的穩(wěn)定性。因此，應(yīng)綜合考慮現(xiàn)代施工設(shè)備、施工能力、施工條件等多方面因素，確定模擬合理的、符合實際的開挖方式、方法。

（3）在地下洞室群支護設(shè)計中，必須運用承載拱現(xiàn)代支護理論，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，采取“新奧法”的柔性支護形式，掌握好最佳的支護時機，減少襯砌和支護工程量，減少工程投資。

（4）通過反分析和預測分析，對支護設(shè)計隨時進行調(diào)整或修正，使之更符合實際工程，在滿足圍巖穩(wěn)定的安全前提下，讓支護措施更加合理化。

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