高地應力條件下大型地下洞室群施工期圍巖穩(wěn)定特征分析

周銘鑠， 賀邵生

(湖南省有色地質(zhì)勘查局二四七隊 湖南有色工程勘察研究院，湖南 長沙 410000)

人們的生活水平不斷提高，對水電的需求也在增加，水電工程隨之快速發(fā)展，在某些地區(qū)發(fā)展水電站會面臨很多問題，例如由于地形的特點，采用地下洞室群施工使得穩(wěn)定性出現(xiàn)問題。很多地下洞群施工過程圍巖發(fā)生變化和裂縫，造成施工環(huán)境的不穩(wěn)定，需要針對這些情況進行分析，保證施工環(huán)境的穩(wěn)定和施工人員的安全。

1 地下洞室群的工程地質(zhì)條件

1.1 工程簡介

本文以某水電站為例分析了大型地下洞室群施工期圍巖穩(wěn)定問題，此水電站位于雅礱江大河灣干流河段，采用砼雙曲拱壩，最大壩高305 m。大壩下游350 m山體內(nèi)為水電站地下廠房，水平、垂直埋深分別為170 m、180～350 m，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查顯示，此區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育、地應力高，受斷層影響，存在較為嚴重的圍巖施工穩(wěn)定性問題。

1.2 地應力

由于受地形和環(huán)境的影響，地下洞室群的地應力分布不均勻，不同范圍內(nèi)的圍巖值代表不同的地應力，一般圍巖強度在2～4就屬于高應力區(qū)。地下洞室群施工廠房設計位置不合理也會影響圍巖的穩(wěn)定。當?shù)貞^大時，嚴重破壞圍巖穩(wěn)定性，甚至造成廠房周圍施工環(huán)境大的變化，使得洞室群會發(fā)生裂縫、變形等，這些情況都會影響施工圍巖的穩(wěn)定情況。

為了地下洞室群施工圍巖穩(wěn)定性，要分析施工場地的情況，采用有效改善措施。由于廠房建設位于復雜地帶，問題突出，要針對圍巖不穩(wěn)定性分析施工環(huán)境。

1.3 圍巖情況

地向洞室群的地層分布情況特殊，施工廠房由不同的圍巖組成，不同的巖層分布不同區(qū)域，飽和壓力為65～80 MPa。

該水電站圍巖種類很多，具有斷層、局部破碎類型，有的斷層是平行發(fā)展，在樞紐區(qū)右岸有很多短程地帶，跨度很大，可能穿越主廠房、主變室，而且范圍很廣，這些地區(qū)由于風化情況明顯，導致巖體的顏色呈現(xiàn)黃色。某水電站地區(qū)地應力普遍很高，該地區(qū)存在很嚴重的巖爆現(xiàn)象。由于自重應力，地應力還與坡度有關。

通過不斷地研究地下洞室群的情況，剖析每個分期階段的特點，對地下洞室群的認識會不斷加深。綜合分析各方面的信息，了解影響圍巖穩(wěn)定性的因素，再通過實驗和模型分析，可針對分析結果采取有效的開挖措施，避免影響圍巖穩(wěn)定性。

1.4 巖性

通過分析施工作業(yè)環(huán)境，研究地下洞室群的地應力條件穩(wěn)定性，采取相應措施，表1為地下洞室群分期施工巖性。

表1 地下洞室群分期施工巖性

施工預測階段是分析實驗模型的情況，對施工廠房各個組成部分進行分析，可以看出前期的地下洞室群施工圍巖情況，實驗和實際的情況存在出入，需要結合實際的圍巖情況分析對比，得到準確結果，得出新的實驗結果和參數(shù)模型。通過分析研究每個時期的地下洞室群的數(shù)據(jù)，確定圍巖穩(wěn)定情況，根據(jù)實際情況施工，提高施工安全系數(shù)，不對圍巖造成影響。

2 圍巖的穩(wěn)定特性的研究

2.1 圍巖的應力分析

本工程地質(zhì)條件以及地下洞室群體型復雜，開挖支護施工也會對圍巖產(chǎn)生擾動，因此圍巖存在著較為復雜的應力變化。相鄰洞室開挖會對洞室圍巖產(chǎn)生明顯影響，隨著開挖施工的持續(xù)進行，圍巖應力不斷增加，整個開挖過程中，洞室群絕大部分洞室圍巖應力分布狀態(tài)為不斷變化的態(tài)勢。

從調(diào)查資料中得出，最大主應力均為沿著主廠房軸向方向的壓應力，不同部位的圍巖應力分布情況不同，斷層間圍巖應力的變化較小，斷層出露處應力偏大，與頂拱處相比，拱腳處應力偏大。本工程上游側(cè)存在斷層，因此上游側(cè)頂拱應力更大，下游稍小。

2.2 圍巖的變形分析

根據(jù)洞室開挖情況來看，開挖初期，圍巖主要為豎直變形，水平變形小，且變形最大處與斷層出露、地應力方向密切相關；在進行頂拱層開挖時，變形嚴重，必須高度重視，及時采取有效的支護加固措施，以保證后續(xù)施工的安全性。

在開挖過程中，圍巖有以下幾種變形：

(1)洞室邊墻上部開挖時，變形較小，但是隨著開挖的深入，洞室邊墻圍巖變形較大。

(2)開挖后期，受連接洞室開挖影響下，主變室上游側(cè)邊墻、主廠房下游側(cè)邊墻圍巖均出現(xiàn)了較為嚴重的變形問題，尤其是洞室連接處變形最大；廠房-尾調(diào)連接洞開挖時，主廠房下游側(cè)中部巖柱下部圍巖以及邊墻下部的圍巖都有比較突出的豎直沉降變形。

(3)圍巖的變形隨著開挖進行而不斷增大(特別是邊墻的變形)，為解決此問題，必須合理選擇支護、加固方法，及時施作，限制圍巖變形，保證洞室群開挖施工安全。

2.3 圍巖的塑性區(qū)分析

根據(jù)圍巖的塑性區(qū)分布情況可以得出：

(1)斷層會對洞室圍巖塑性區(qū)產(chǎn)生明顯影響，一旦洞室斷層穿越，則塑性區(qū)深度、范圍均會更大；

(2)在地下洞室群開挖結束后，巖體要是處在主廠房機窩處的話，基本上都是處在塑性狀態(tài)，圍巖破壞嚴重，危險性極大；尾調(diào)室邊墻塑性區(qū)通常沿邊墻分布，深度可達到8 ～10 m。

(3)廠變連接洞圍巖和主廠房主變室兩側(cè)邊墻具有較差的穩(wěn)定性，在施工過程中可能會出現(xiàn)圍巖破裂的現(xiàn)象。

2.4 加固和支護措施

地下洞室群主要支護方法包括：框格梁及襯砌混凝土、預應力錨索、噴錨支護等。本地下廠房洞室群的開挖支護過程中，存在著局部涌水、極高地應力、巖體強度及變模較低、地質(zhì)構造復雜等地質(zhì)問題，對此必須嚴格按照以下原則進行開挖支護設計：

(1)實施工程類比工作，充分借鑒已建工程經(jīng)驗，落實巖體力學數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)問題可及時向?qū)＜艺埥蹋?2)堅持“以柔性支護為主、以剛性支護為輔”“以系統(tǒng)支護為主、以局部加強支護為輔”，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力，提高支護設計靈活性；(3)堅持“動態(tài)的支護設計”和“特殊部位特殊支護”的基本原則。

此外，在開挖施工作業(yè)時，地下廠房下游拱部位噴層砼開裂，經(jīng)分析顯示其主要原因在于開挖卸荷受高地應力影響，從而導致了上、下游出現(xiàn)不對稱變形，下游拱部位應力集中。此外，基于主應力方向和巖層產(chǎn)狀的不利組合，下游拱部位出現(xiàn)局部壓碎、劈裂破壞情況。因此，加強支護措施主要從提高圍巖的整體穩(wěn)定性，增強圍巖松動區(qū)整體巖石的強度，阻止圍巖松弛深度向深部發(fā)展，限制表面巖體的側(cè)向變形等方面來進行強化。

3 結語

該水電站地下洞室群施工情況比較復雜，地質(zhì)構造不穩(wěn)定，施工中的操作可能會導致圍巖不穩(wěn)定，需要分析具體情況來采取有效措施。認為可以采用數(shù)值模型和施工結合，分析出地應力、圍巖的情況，針對出現(xiàn)的情況采取防護措施，維持地下洞室群施工圍巖穩(wěn)定，保證施工正常進行。