大型地下洞室圍巖完整性有效控制方法與應(yīng)用效果

陳 俊 濤

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

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大型地下洞室圍巖完整性有效控制方法與應(yīng)用效果

陳 俊 濤

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

對仙居抽水蓄能電站地下洞室開挖過程中圍巖完整性有效控制方法進(jìn)行了簡述，通過對圍巖松弛圈進(jìn)行測試以及對圍巖地震波檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以確定巖體的完整性，為開挖爆破參數(shù)的調(diào)整及支護(hù)形式的確定提供了評判依據(jù)，確保了開挖過程中的安全性。

地下洞室；圍巖松弛圈；圍巖地震波；控制方法；應(yīng)用效果；仙居抽水蓄能電站

1 概 述

仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣湫山鄉(xiāng)境內(nèi)，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，安裝4臺單機(jī)容量為375 MW的立軸單級混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組(國內(nèi)單機(jī)最大)，總裝機(jī)容量為1 500 MW，年平均發(fā)電量為25.125億kW·h，年平均抽水電量為32.63億kW·h。

該電站主要地下洞室為主副廠房洞、主變洞等，其中主副廠房洞總長為176 m，下部開挖寬度為25 m，上部開挖寬度為26.5 m，最大開挖高度為55 m。副廠房、主廠房、安裝場從左到右呈“一”字型布置于主副廠房洞內(nèi)，其中主廠房長113 m；安裝場長44.5 m，開挖高度為25.7 m；副廠房長18.5 m，寬度上下相同，為25 m，最大開挖高度為51.5 m。主變洞工程位于主副廠房洞下游，兩洞凈距38.3 m；主變洞開挖尺寸為169.7 m×19.5 m×22.5 m(長×寬×高)，與主副廠房通過交通電纜洞、主變運(yùn)輸洞及4條母線洞相連，與尾閘洞通過尾閘交通洞相連。

廠房頂拱出露巖性為角礫凝灰?guī)r，巖體完整～較完整，部分受節(jié)理、巖脈切割的影響，完整性差～較破碎。斷層有f(48)和F(49)，其中，f(48)規(guī)模較小，F(xiàn)(49)雖有一定規(guī)模且性狀較差，但其傾角較陡，與洞軸線交角達(dá)75°～85°，對洞室整體穩(wěn)定不會有太大的影響，故廠房圍巖穩(wěn)定主要受結(jié)構(gòu)面組合控制。f(48)和βμ-⑤交角大，與其它陡傾角節(jié)理形成的組合為倒四棱錐體，對頂拱圍巖無大的不利影響，但兩者交接部位(斷層局部、巖脈的下盤巖體)可能會出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，需加強(qiáng)支護(hù)處理。根據(jù)結(jié)構(gòu)面組合分析，斷層或節(jié)理①或②與④、⑤互相組合可形成楔形體，從鉆孔揭示的地質(zhì)條件看，在頂拱高程附近有少量緩傾角節(jié)理發(fā)育，因此，在地下廠房頂拱局部可能存在陡、緩傾角節(jié)理不利組合產(chǎn)生的不穩(wěn)定楔體。其它主要節(jié)理(優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面)組合對頂拱圍巖基本無影響，僅有局部隨機(jī)節(jié)理與上述主要節(jié)理構(gòu)成隨機(jī)塊體。

邊墻部位圍巖穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面組合控制，推測廠房區(qū)④、⑤組節(jié)理發(fā)育，與①或②組節(jié)理組合可在邊墻形成不穩(wěn)定塊體。另外，③組節(jié)理在PD10平洞內(nèi)密集發(fā)育，間距3～5 cm，節(jié)理面充填鈣膜，出露于主廠房上游邊墻上游50 m外且與邊墻近平行，若該組節(jié)理發(fā)育范圍在深部向下游擴(kuò)大，則邊墻巖體可能較破碎并影響邊墻圍巖的穩(wěn)定，尤其是上游邊墻。主副廠房右端墻出露斷層f(48)和βμ-⑤巖脈，兩者交于右端墻，由于巖脈在平硐性狀較差，與圍巖接觸面有擠壓現(xiàn)象，故該部位圍巖穩(wěn)定性差；①組節(jié)理與廠房左端墻呈小交角相交，受開挖卸荷影響可沿節(jié)理產(chǎn)生卸荷拉裂或形成片幫?？傊?，地下廠房無大的不利結(jié)構(gòu)面組合，圍巖穩(wěn)定性好。

主變洞平行布置于廠房下游，圍巖為新鮮、堅(jiān)硬的角礫凝灰?guī)r和少量的凝灰質(zhì)砂巖，巖體完整～較完整，工程地質(zhì)條件與廠房類似，圍巖穩(wěn)定性總體較好，其頂拱亦存在節(jié)理①或②與④、⑤互相組合，形成局部不穩(wěn)定楔體；花崗閃長斑巖脈γδπ-(14)斜切上下游邊墻，與斷層F(49)及節(jié)理①和④組合，在上游邊墻可形成里小外大的不穩(wěn)定楔體。另外，該巖脈與邊墻交角小，其上游邊墻的上盤和下游邊墻的下盤巖體受節(jié)理切割的影響，穩(wěn)定性差。

2 對圍巖完整性采取的有效控制方法

在仙居抽水蓄能電站地下洞室中，對圍巖實(shí)施完整性有效檢測和控制的手段有兩個(gè)：一個(gè)是圍巖松弛圈測試，另一個(gè)是圍巖地震波檢測。

2.1 圍巖松弛圈測試方法

地下洞室開挖后，由于側(cè)面應(yīng)力的消失，洞壁表面的巖體將發(fā)生缺荷回彈而使洞周巖體內(nèi)部引起應(yīng)力重新分布，在洞室周圍形成三個(gè)不同的應(yīng)力區(qū)域：即應(yīng)力松弛帶、應(yīng)力增加帶和初始應(yīng)力帶，應(yīng)力松弛帶內(nèi)的圍巖聲波速度將有所降低；另外，由于洞室開挖爆破，使洞壁圍巖的完整性受到一定程度的破壞，形成結(jié)構(gòu)松弛帶而降低圍巖的聲波速度。因此，通過洞壁鉆孔測試洞周徑向巖體的聲波速度變化及趨勢可以確定洞室圍巖松弛圈的范圍。

測定地下洞室松弛圈的范圍采用單孔聲波法。在測孔位置鉆一個(gè)直徑不小于50 mm的鉆孔，把一發(fā)雙收聲波換能器放入孔中，利用其中一只換能器發(fā)射聲波，另兩只換能器接收聲波，讀取兩只接收換能器聲波初至的時(shí)間差，將兩只接收換能器的間距除以時(shí)間差即為接收換能器所在位置孔壁巖體的聲波速度。將鉆孔深度各測點(diǎn)的聲波速度繪制成孔深～聲速曲線圖，根據(jù)鉆孔聲波速度的變化及趨勢，確定松弛巖體的位置及深度。

2.2 圍巖彈性波測試方法

由于巖體的巖性、完整程度、風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)面特征等地質(zhì)因素直接決定著巖體的力學(xué)性質(zhì)和彈性波在巖體中的傳播速度，利用實(shí)測的巖體縱、橫波速度及由其計(jì)算的動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比和完整性系數(shù)等巖體力學(xué)參數(shù)可以評價(jià)巖體的質(zhì)量，并將其作為劃分巖體類別的重要依據(jù)。

在主廠房和主變洞每層開挖完成或引水洞、尾水洞各測段開挖完成，在噴錨支護(hù)前的裸巖上立即進(jìn)行彈性波測試。在主廠房洞、主變洞的每層上下游邊墻或引水洞、尾水洞上下游邊墻布置測線，沿測線布置彈性波相遇觀測系統(tǒng)，每個(gè)觀測系統(tǒng)(排列)長度為11 m，將12只水平檢波器用石膏固定在測線上，各檢波器間距為1 m，在排列兩端1～3 m處用大錘沿測線方向錘擊，以最大程度地激發(fā)彈性波縱波信號，選擇初至清晰的縱波記錄并保存下來，得到2張地震波縱波記錄。然后在排列兩端3～5 m用大錘在垂直測線的兩個(gè)相反方向分別錘擊巖壁，以最大程度地激發(fā)上下兩個(gè)方向的橫波信號，選擇同相軸清晰的橫波記錄并予以保存，得到4張橫波波形記錄。在縱波記錄上讀取各點(diǎn)的縱波初至?xí)r間，在橫波記錄上讀取各點(diǎn)的橫波同相軸相位時(shí)刻，分別繪制縱波和橫波時(shí)距曲線，利用差數(shù)時(shí)距曲線法分別求取圍巖的縱波速度和橫波速度，進(jìn)而計(jì)算圍巖的動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比、完整性系數(shù)和風(fēng)化波速比等物理力學(xué)參數(shù)。圍巖彈性波縱波記錄情況見圖1，橫波記錄情況見圖2。

3 有效控制松弛圈施工技術(shù)的實(shí)施

3.1 有效控制松弛圈的檢測內(nèi)容及技術(shù)要求

3.1.1 有效控制松弛圈的檢測內(nèi)容

在主副廠房洞布置了4個(gè)松弛圈聲波檢測斷面，其中廠房布置3個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置了13個(gè)鉆孔，頂拱3個(gè)，每層上、下游邊墻各5個(gè)；安裝場布置1個(gè)斷面、9個(gè)鉆孔，頂拱3個(gè)，每層上、下游邊墻各3個(gè)。各檢測孔深度為6 m，孔徑不小于50 mm。各斷面按主副廠房洞分層開挖進(jìn)度逐層檢測。

在主變洞布置了3個(gè)松弛圈聲波檢測斷面，每個(gè)斷面布置9個(gè)鉆孔，其中頂拱3個(gè)，每層上、下游邊墻各3個(gè)。各檢測孔深度為6 m，孔徑不小于50 mm。各斷面按主變洞分層開挖進(jìn)度逐層檢測。

3.1.2 有效控制松弛圈的檢測技術(shù)要求

(1)斷面松弛圈聲波檢測點(diǎn)距為10 cm，測試前必須通孔并注滿清水，上斜孔宜使用干孔換能器。

(2)圍巖彈性波檢測點(diǎn)距為1 m，同時(shí)測試洞壁圍巖的縱波速度和橫波速度，應(yīng)在洞室噴錨或襯砌前完成檢測工作；根據(jù)圍巖的縱波速度和橫波速度計(jì)算圍巖動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比和完整性系數(shù)等巖體力學(xué)參數(shù)，以評價(jià)圍巖的質(zhì)量并劃分巖體類別。

(3)應(yīng)及時(shí)掌握現(xiàn)場洞室開挖進(jìn)度，適時(shí)進(jìn)點(diǎn)開展檢測工作，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況分次分批按期完成。

圖1 圍巖彈性波縱波測試記錄圖

圖2 圍巖彈性波橫波記錄圖

(4)斷面松弛圈聲波檢測孔造孔時(shí),應(yīng)注意避開隱蔽埋件(含錨桿)。

3.2 松弛圈檢測的原理及方法

3.2.1 檢測原理

松弛層檢測原理：利用單孔聲波檢測技術(shù)，把一發(fā)雙收聲波換能器放入孔中，利用一只換能器發(fā)射聲波，另外兩只換能器接收聲波，讀取兩只接收換能器超聲波初至?xí)r間差，將兩只接收換能器的間距除以時(shí)間差即為接收換能器所在位置孔壁巖體的聲波速度。根據(jù)規(guī)范要求，測試點(diǎn)距一般為10 cm，自孔口向孔底測試，發(fā)現(xiàn)波速異常時(shí)加密測試，繪制聲速～深度曲線。

3.2.2 資料整理的方法

(1)巖體完整性資料的整理方法：讀取兩只接收換能器聲波初至的時(shí)間差，把兩只接收換能器的間距(一般為20 cm)除以時(shí)間差即為該深度巖體的超聲波速度。根據(jù)實(shí)測聲波速度，計(jì)算巖體完整性系數(shù)。

具體的完整性系數(shù)kv計(jì)算公式為：

式中 kv為完整性系數(shù)；vp為縱波速度；vpr為測區(qū)完整、新鮮巖塊的地震波縱波速度。

巖體的完整性和巖體的波速具有緊密的聯(lián)系，同一巖性的巖體波速越高，其完整性越好。本測區(qū)巖性為凝灰?guī)r，新鮮、完整凝灰?guī)r塊的聲波速度vpr取6 300m/s。

根據(jù)《水電水利工程物探規(guī)程》(DL/T5010-2005)，可用巖體完整性系數(shù)評價(jià)巖體的完整性，其完整性分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 巖體完整程度分類表

(2)松弛層界線的確定方法：根據(jù)巖體的完整性及其巖體的聲速和變化趨勢確定圍巖的松弛層厚度?？紤]不同部位巖體完整程度的差異可能對松弛層深度判斷的影響，一般取鉆孔深部巖體聲速的平均值作為巖體松弛層的臨界聲速，結(jié)合聲速隨深度的變化情況及巖體完整系數(shù)綜合確定圍巖松弛層厚度。

3.3 松弛圈檢測的實(shí)施成果

仙居抽水蓄能電站地下廠房松弛圈檢測共分四個(gè)批次進(jìn)行，鉆孔聲波測試使用武漢巖海工程技術(shù)開發(fā)公司生產(chǎn)的RS—ST01C智能型巖體聲波測試儀，設(shè)備性能指標(biāo)均超過《水電水利工程物探規(guī)程》(DL/T5010-2005)的要求，經(jīng)過法定機(jī)構(gòu)的檢定且在有效期內(nèi)。通過檢測，可有效判定檢測斷面巖體的松弛厚度范圍和松弛段、非松弛段的巖體完整性。

3.4 松弛圈有效控制檢測的其他要求

斷面松弛圈聲波檢測必須緊跟開挖施工進(jìn)度，適時(shí)進(jìn)場，及時(shí)完成并做好與現(xiàn)場土建施工的協(xié)調(diào)、配合工作。具體為以下幾方面：

(1)應(yīng)在鉆孔前通知檢測單位，檢測單位應(yīng)及時(shí)進(jìn)場準(zhǔn)備聲波檢測工作。

(2)施工時(shí)應(yīng)依據(jù)檢測單的孔位及要求施工，孔徑、孔深、孔斜應(yīng)符合檢測單的要求，鉆孔應(yīng)平直，孔底巖粉應(yīng)沖洗干凈。

(3)在現(xiàn)場檢測期間，應(yīng)局部調(diào)整施工安排，減少振動(dòng)和噪音干擾，保證檢測現(xiàn)場周圍30 m范圍內(nèi)相對安靜。

(4)頂拱等部位鉆孔檢測時(shí)，施工單位應(yīng)全程提供登高配合，登高設(shè)備應(yīng)滿足2人登高接近孔口的要求。

(5)廠房洞、主變洞頂拱開挖完成后，應(yīng)盡快鉆孔并完成檢測，以免因高度過大而造成登高作業(yè)困難。

(6)廠房洞、主變洞每層開挖到位后，應(yīng)及時(shí)鉆孔并完成檢測工作。

4 圍巖地震波檢測施工技術(shù)的實(shí)施

4.1 圍巖地震波檢測原理及方法

4.1.1 圍巖地震波檢測原理

由于巖體的巖性、完整程度、風(fēng)化程度、結(jié)構(gòu)面特征等地質(zhì)因素直接決定著巖體的力學(xué)性質(zhì)和地震波在巖體中的傳播速度，反之，通過分析地震波在巖體中的傳播速度、振幅、頻率等地震波參數(shù)的相對變化，可以了解巖體的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和相關(guān)的巖體力學(xué)參數(shù)。

地震波理論和大量的實(shí)踐表明：對于同一種介質(zhì)，其地震波速度與強(qiáng)度之間有著密切的正相關(guān)關(guān)系。也就是說，對于同類型的固體材料，地震波速度越高，材料的強(qiáng)度越高；反之，地震波速度越低，材料的強(qiáng)度越低。因此，利用實(shí)測的巖體縱橫波速度及其計(jì)算出來的動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比、完整性系數(shù)和風(fēng)化波速比等巖體力學(xué)參數(shù)，可以評價(jià)巖體的質(zhì)量，并將其作為劃分巖體類別的重要依據(jù)。

地震波檢測是利用先進(jìn)的電子儀器設(shè)備，應(yīng)用地球物理手段以獲取巖體物理力學(xué)參數(shù)為目的。首先，在巖體測段內(nèi)布置接收檢波器，采用相遇觀測系統(tǒng)，在排列兩端進(jìn)行錘擊激發(fā)，分別獲取該排列巖體的縱、橫波速度，進(jìn)而計(jì)算巖體動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比、完整性系數(shù)和風(fēng)化波速比等物理力學(xué)參數(shù)。

4.1.2 資料整理方法

根據(jù)野外數(shù)據(jù)記錄，讀出每道記錄的縱橫波初至?xí)r間，根據(jù)初至?xí)r間和傳播距離的關(guān)系畫出時(shí)距曲線，利用時(shí)距曲線求取巖體的縱橫波速度，進(jìn)而計(jì)算巖體動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、泊松比、完整性系數(shù)和風(fēng)化波速比等物理力學(xué)參數(shù)。具體的計(jì)算公式為：

式中 vs為橫波速度；γ為重度(根據(jù)測區(qū)前期地質(zhì)資料，弱風(fēng)化～新鮮凝灰?guī)r采用25.2kN/m3)；g為重力加速度。

4.1.3 巖體完整性評價(jià)

巖體的完整性和巖體的波速具有緊密的聯(lián)系，同一巖性的巖體波速越高，其完整性越好。根據(jù)本次檢測成果及浙江仙居抽水蓄能電站華東院設(shè)代處提供的資料，該測區(qū)新鮮、完整凝灰?guī)r巖塊的地震波縱波速度vpr取5 700m/s。

根據(jù)《水電水利工程物探規(guī)程》(DL/T5010-2005)，可用巖體完整性系數(shù)評價(jià)巖體的完整性，其完整性分類標(biāo)準(zhǔn)見表2，圍巖風(fēng)化分帶情況見表3。

表2 巖體完整程度分類表

表3 圍巖風(fēng)化分帶表

4.2 圍巖地震波檢測實(shí)施成果

仙居抽水蓄能電站地下廠房圍巖地震波檢測共分四個(gè)批次進(jìn)行，彈性波法測試使用美國GEOMETRIC公司生產(chǎn)的SE12地震儀，該設(shè)備性能指標(biāo)均超過《水電水利工程物探規(guī)程》(DL/T5010-2005)的要求，經(jīng)過法定機(jī)構(gòu)的檢定且在有效期內(nèi)。地震波檢測通過所測巖體縱波速度范圍判定完整性巖體、較完整性巖體和完整性差的巖體占所測段的百分比，繼而分析得出巖體的完整性評價(jià)。

4.3 圍巖地震波檢測的其他要求

圍巖地震波檢測必須緊跟開挖施工進(jìn)度，適時(shí)進(jìn)場，及時(shí)完成并做好與現(xiàn)場土建施工的協(xié)調(diào)、配合工作。具體為以下幾方面：

(1)廠房洞、主變洞每層開挖完成后，沿上下游邊墻進(jìn)行彈性波測試，應(yīng)在錨噴施工前及時(shí)通知檢測單位完成檢測。

(2)將測試洞段的礦渣清理干凈，洞壁標(biāo)注樁號。

(3)在現(xiàn)場檢測期間，應(yīng)局部調(diào)整施工安排，減少現(xiàn)場振動(dòng)和噪音干擾，保證檢測現(xiàn)場周圍50 m范圍內(nèi)相對安靜。

5 結(jié) 語

在仙居抽水蓄能電站施工過程中，通過采用松弛圈檢測和圍巖地震波檢測等手段，對爆破開挖后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測分析、判定巖體的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和相關(guān)的巖體力學(xué)參數(shù)，并確定洞室圍巖松弛圈的范圍。對洞室開挖過程中的安全性分析、爆破參數(shù)調(diào)整和支護(hù)形式的確定富有較強(qiáng)的科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)意義。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017-04-23

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1001-2184(2017)03-0032-05

陳俊濤(1983-)，男，河南三門峽人，項(xiàng)目經(jīng)理助理，工程師，學(xué)士，從事水電工程施工技術(shù)與質(zhì)量管理工作.