某大跨度地下廠房蝕變巖防治措施與支護(hù)評(píng)價(jià)

田 林，黃銀偉，朱治峰

（浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

某電站廠房采用地下式，最大跨度為24.5m，最大高度約55m，地下廠房上覆巖體厚410～430m，圍巖為含礫晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，巖層總體產(chǎn)狀為N50～70°W，NE∠20～35°，巖石微風(fēng)化～新鮮，存在不同程度的蝕變現(xiàn)象。蝕變巖的分布及性狀，特別是其賦存環(huán)境發(fā)生變化后的工程特性，將直接影響地下工程的穩(wěn)定性。廠區(qū)蝕變與構(gòu)造發(fā)育情況具有明顯的相關(guān)性，北側(cè)的F204斷層和南側(cè)的F220斷層為Ⅲ～Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，是控制蝕變的主要構(gòu)造，斷層及其影響帶內(nèi)巖體蝕變明顯，工程性狀較差，對(duì)地下廠房洞布置及圍巖的完整性、穩(wěn)定性影響非常大。

2 蝕變工程處理措施

蝕變作用是指地球內(nèi)部存在的熱液流體沿一定的通道進(jìn)入成分和物理化學(xué)條件與之有很大差別的巖石體系后發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，其形成的巖石稱為蝕變巖或交代巖。蝕變作用經(jīng)礦物蝕變和重結(jié)晶改變?cè)瓗r和圍巖體的礦物成分和結(jié)構(gòu)，該過程中通常還隨著一些次生礦物的形成，因此蝕變帶巖體的物理力學(xué)特性因蝕變作用和原巖性質(zhì)差別很大，大部分蝕變巖體經(jīng)熱液交代后結(jié)構(gòu)松散，裂隙發(fā)育，強(qiáng)度性質(zhì)降低，穩(wěn)定性差。

國(guó)內(nèi)多個(gè)在蝕變巖地區(qū)施工的大型工程均不同程度遇到了由于巖體或構(gòu)造帶蝕變引起的塌方、崩塌等變形破壞問題。由于強(qiáng)烈蝕變，產(chǎn)生了大量的蒙脫石、高嶺石和絹云母等黏土礦物[1-2]。巖體、構(gòu)造影響帶常呈土狀或泥狀，塌方的出現(xiàn)主要是由于蝕變巖富含黏土礦物且性質(zhì)軟弱，在干濕交替和松弛條件下極易發(fā)生膨脹變形，加上圍巖節(jié)理發(fā)育、破碎程度高，開挖后自穩(wěn)能力差，從而造成圍巖坍塌。根據(jù)調(diào)查和測(cè)試計(jì)算，某地下廠房建設(shè)主要從洞室布設(shè)、錨固設(shè)計(jì)、施工方法和地下水處理等方面加強(qiáng)與蝕變巖有關(guān)工程問題的防治工作[3]。

2.1 方案設(shè)計(jì)與超前預(yù)報(bào)

根據(jù)查明的地質(zhì)條件，通過分析研究NE向斷裂的分布規(guī)律，將地下廠房設(shè)置在風(fēng)化程度較淺、巖體質(zhì)量較好的部位。采用洞探和鉆探為主、物探和試驗(yàn)為輔的手段查明廠房部位地質(zhì)條件，修改洞室位置及規(guī)模，盡可能根據(jù)地質(zhì)條件規(guī)避蝕變巖帶發(fā)育地段，廠房各部位的使用功能存在差異性，部分洞段最終不可避免地將會(huì)位于蝕變巖體存在的部位，這就需要因地制宜，結(jié)合已有的蝕變分級(jí)情況，對(duì)不同巖體的工程特性，采取相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者工程措施來確保其安全性和可靠性。

在廠房開挖過程中根據(jù)蝕變巖的發(fā)育情況和空間展布趨勢(shì)，分析研究已有的勘察資料，進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)測(cè)繪和編錄工作，統(tǒng)計(jì)分析節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面以及蝕變巖體分布規(guī)律、地下出水位置和大小以及分布情況，包括圍巖類別在內(nèi)的地質(zhì)信息，進(jìn)而對(duì)圍巖的穩(wěn)定作出宏觀判斷。另外，利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，結(jié)合人工的地質(zhì)編錄以及超前鉆孔成果，適時(shí)查明蝕變洞段巖體的發(fā)育規(guī)律，根據(jù)鉆孔巖樣情況分析研究其物理力學(xué)性質(zhì)特征，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)分析工作，為預(yù)報(bào)洞室安全、確定支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。

2.2 錨固方案設(shè)計(jì)

在已查明的蝕變巖分布洞段，提前采取工程處理措施，根據(jù)探查的巖體分布規(guī)模、形狀、空間形態(tài)，采取合適的柔性或剛性的錨固方案，同時(shí)科學(xué)設(shè)計(jì)錨固間距、排距，視情況及時(shí)封閉蝕變體和欠穩(wěn)定體，確保洞室的穩(wěn)定。比如，對(duì)部分?jǐn)鄬訋Р扇×虽摻罨炷林脫Q方案，通過排水廊道打出穿越斷層帶的縱向廊道，然后在斷層內(nèi)（平行斷層走向布置）打出3條橫向廊道與縱向廊道連接。

由于蝕變巖富含黏土礦物，巖體被開挖成洞后，圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，原來膠結(jié)致密的裂面也可能錯(cuò)動(dòng)或張開，即使沒有地下水活動(dòng)，潮濕的空氣也會(huì)使蝕變巖慢慢膨脹。在計(jì)算錨固參數(shù)時(shí)，需考慮蝕變巖體洞段的整體膨脹力，即便是相對(duì)完好的圍巖洞段，也必須采取工程措施確保存在的欠穩(wěn)定巖體整體穩(wěn)定后，再開展系統(tǒng)的支護(hù)、掛網(wǎng)等工序。對(duì)于正常支護(hù)的徑向錨桿，應(yīng)根據(jù)圍巖情況長(zhǎng)短結(jié)合設(shè)置。在軟弱破碎巖體區(qū)，錨桿可適當(dāng)?shù)丶用堋⒓娱L(zhǎng)。在錨固蝕變巖時(shí)，錨桿應(yīng)至少錨入新鮮巖0.5m以上，具體錨入深度應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整后確定。

根據(jù)圍巖含有蝕變巖的特殊情況，噴錨支護(hù)參數(shù)一般應(yīng)比《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 266—2014）規(guī)定的參數(shù)略偏安全或者通過降低圍巖類別來選擇噴錨支護(hù)參數(shù)，將支護(hù)參數(shù)提高一個(gè)級(jí)別，以增加安全度。

2.3 施工開挖方法與噴砼控制

在蝕變巖體分布洞段，洞室開挖宜采用微臺(tái)階法，在開挖前先對(duì)圍巖進(jìn)行排水和固結(jié)灌漿，首層按“眼鏡”法施工，中間預(yù)留巖柱，并遵循“先排水、短進(jìn)尺、弱爆破、緊跟支護(hù)”的施工原則，同時(shí)根據(jù)廠房不同及工程部位地質(zhì)條件的差異分區(qū)施工。

隨著大跨度地下廠房的開挖，洞室隨時(shí)間的推移存在逐步收斂的現(xiàn)象，并形成累加效應(yīng)。噴錨支護(hù)要根據(jù)不同分區(qū)的地質(zhì)條件，選擇在洞段膨脹前或膨脹后進(jìn)行，盡可能減輕噴層所承受的膨脹壓力。蝕變洞段的巖面清理應(yīng)采用高壓水清洗并將蝕變松散物刮除后鑿毛，再進(jìn)行噴砼施工，減少砼層的開裂脫殼現(xiàn)象；在Ⅳ、Ⅴ類巖體及局部頂拱、邊墻等不支護(hù)存在欠穩(wěn)定的塊體或掉塊的情況下，應(yīng)采取隨挖隨噴或者隨機(jī)錨桿加噴混凝土的工程措施。對(duì)沒有影響洞室穩(wěn)定的蝕變洞段應(yīng)在蝕變巖經(jīng)歷膨脹階段、壓力基本釋放之后，再采取相應(yīng)的掛網(wǎng)、噴砼等措施處理，這樣可減輕保護(hù)層所承受的膨脹壓力，避免或者減少保護(hù)層的拉裂；對(duì)于強(qiáng)烈蝕變地段應(yīng)采用剛性支護(hù)。

2.4 地下水處理

蝕變洞段圍巖穩(wěn)定性受地下水發(fā)育情況影響也較大，水的存在往往會(huì)加速降低蝕變洞段巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，是加大圍巖穩(wěn)定破壞性的推手。尤其在蝕變帶陡立或者與洞室邊墻小角度相組合時(shí)，地下水破壞性更大，常常導(dǎo)致邊墻膨脹失穩(wěn)，局部坍塌，甚至形成倒傾的巖面。在地下水的作用下，巖石的礦物成分和原生結(jié)構(gòu)是洞室和邊墻垮塌的主要影響因素，所以，在含水量較大的富水區(qū)域應(yīng)采取相應(yīng)的先導(dǎo)孔、廊道或者水泥灌漿等措施進(jìn)行引流疏導(dǎo)或者堵截，將地下水與蝕變的洞室?guī)r體盡量隔離開來，減少相互影響的可能。

3 洞室支護(hù)評(píng)價(jià)

地下廠房開挖實(shí)際揭露的地質(zhì)條件與前期勘察資料的分析結(jié)論基本一致，圍巖為Ⅲ～Ⅳ類。

頂拱：緩傾角的層面節(jié)理、夾層與陡傾角斷層、節(jié)理的切割組合，在頂拱極易構(gòu)成不穩(wěn)定塊體，因此緩傾角的層面節(jié)理、夾層是影響頂拱圍巖穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面。先在頂拱四周開挖排水廊道，對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)排水的基礎(chǔ)上，采用自北向南（逆巖層傾向）先兩邊導(dǎo)洞后中間巖墻的施工方法，最大程度地削減了地下水、層面節(jié)理、夾層對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定的影響，同時(shí)也避免了大跨度洞室板梁狀圍巖可能產(chǎn)生的逐層折斷塌落。專項(xiàng)處理F15、f2斷層與層面節(jié)理等組合的楔形體，避免廠房頂拱可能出現(xiàn)大的楔形體坍塌。通過上述施工順序和專項(xiàng)支護(hù)處理以及頂拱的分區(qū)系統(tǒng)支護(hù)后，頂拱圍巖穩(wěn)定，各監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)無異常。

上、下游邊墻：在巖壁梁高程附近由SN向陡傾角節(jié)理與NNE向中～陡傾角節(jié)理組成的傾向廠房?jī)?nèi)的小型楔體，經(jīng)系統(tǒng)支護(hù)處理后，巖體穩(wěn)定；沿F15斷層呈帶狀破碎區(qū)巖體經(jīng)專項(xiàng)支護(hù)處理后，提高了圍巖的穩(wěn)定性，上游邊墻圍巖穩(wěn)定。下游邊墻節(jié)理發(fā)育，斷層不發(fā)育，除沿F15斷層具條帶狀破碎巖體以外，未發(fā)現(xiàn)明顯的不利結(jié)構(gòu)體，邊墻穩(wěn)定性尚好。由于下游邊墻母線洞、尾水支洞等開挖量較大，受施工爆破振動(dòng)以及支護(hù)滯后的因素影響，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曾反映出個(gè)別多點(diǎn)變位計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)偏大，隨著后期加強(qiáng)支護(hù)跟進(jìn)及廠房澆筑面的抬高、洞室的襯砌，上述異常點(diǎn)位的數(shù)值增量趨緩，并趨于收斂，現(xiàn)已趨于穩(wěn)定。

北、南端墻：F204斷層由碎裂巖、角礫巖、糜棱巖及斷層泥構(gòu)成，潮濕，局部滲滴水，傾向廠房，與北端墻的最小距離為6.4～9.6m，對(duì)其進(jìn)行混凝土置換方案處理后，北端墻無異常情況，圍巖穩(wěn)定；南端墻受F220斷層及緩傾廠房的層面節(jié)理等不利因素的影響，巖體呈較破碎～破碎狀，圍巖穩(wěn)定性較差，施工時(shí)采用減少巖體擾動(dòng)的方法，并及時(shí)支護(hù)，支護(hù)處理后南端墻圍巖穩(wěn)定。

該地下廠房洞自施工開始至開挖支護(hù)完成，并安全運(yùn)行至今，各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無異常，說明廠房洞圍巖穩(wěn)定，采取的支護(hù)處理措施是合適的。

4 結(jié)束語

文章針對(duì)某電站地下廠房巖體及構(gòu)造帶蝕變后強(qiáng)度低、性狀差的情況，采取了相應(yīng)的處理和支護(hù)措施，經(jīng)驗(yàn)證，采取措施后的廠房洞室群圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可為類似工程提供參考。