高地應(yīng)力下大型地下洞室開挖期硬巖片幫機(jī)理分析

侯奇東，張順利，李治國，羅乾坤

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

西南地區(qū)屬于我國地形的第一級階梯，山高坡陡，河谷深切，在此類河谷中修建水電站，存在沒有足夠地面空間布置發(fā)電廠房的可能，因此往往會采用地下廠房的方案。布置地下廠房節(jié)省了地面空間，但卻需要在岸坡山體內(nèi)進(jìn)行開挖，而水電站地下廠房的開挖規(guī)模較大，多個(gè)已建電站的主廠房邊墻開挖高度都已超過50 m。如此大規(guī)模的開挖將顯著改變地下深埋巖體的原地質(zhì)條件，加之岸坡山體內(nèi)往往賦存有較高的地應(yīng)力[1]；開挖后，洞室圍巖可能在能量釋放與重新平衡的過程中發(fā)生片幫、掉塊、大變形等破壞，威脅現(xiàn)場工作人員的生命安全，影響工程施工有序開展。

在高地應(yīng)力下進(jìn)行地下深埋硬巖開挖時(shí)，片幫破壞較為常見。不同于其他破壞方式，由于受制于不利巖體條件，片幫可發(fā)生在質(zhì)量較好的完整巖體中。一些巖體在開挖前質(zhì)量較好，開挖后卻發(fā)生持續(xù)的片幫剝離，巖體逐漸破碎，進(jìn)而發(fā)生掉塊等破壞。片幫一般在開挖后數(shù)小時(shí)發(fā)生，將對正在進(jìn)行的地下洞室開挖施工造成嚴(yán)重影響；因此，有必要對片幫破壞的特征進(jìn)行深入研究，從而為實(shí)際工程中的針對性支護(hù)與防范措施提供參考。

本文研究所依托的工程為雙江口水電站。在初期開挖施工過程中，雙江口地下廠房洞室圍巖發(fā)生了較為嚴(yán)重的片幫破壞。本文將基于現(xiàn)場破壞情況和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對高地應(yīng)力下大型地下洞室開挖期的片幫特征進(jìn)行分析。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概述

雙江口水電站是大渡河流域水電規(guī)劃“3庫22級”的第5級電站。工程區(qū)位于四川省阿壩州馬爾康縣、金川縣境內(nèi)的大渡河上源足木足河與綽斯甲河匯口以下約2 km河段。雙江口水電站是以發(fā)電為主的大型水庫電站，采用了大壩、首部地下引水發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)方式。水庫正常蓄水位為2 500.00 m，具有年調(diào)節(jié)能力。電站總裝機(jī)容量2 000 MW，廠內(nèi)安裝4臺容量500 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，多年平均年發(fā)電量77.07億kW·h。雙江口水電站為一等大(1)型工程，樞紐主要建筑物為一級建筑物，次要建筑物為三級建筑物。樞紐工程由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。

引水發(fā)電系統(tǒng)布置于左岸，發(fā)電廠房采用地下式，由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室等組成，主變室和尾水調(diào)壓室與廠房平行布置，如圖1所示。主廠房長132.56 m、寬29.3 m、高63 m，屬于大跨度高邊墻洞室[2]；廠房縱軸方向?yàn)镹10°W；主安裝間長55.8 m，副廠房長26.47 m，廠房總長為214.83 m。主變室全長116.6 m、寬20 m、高25.9 m。尾水調(diào)壓室寬20 m，高74 m，其中1號尾調(diào)室長48.62 m，2號尾調(diào)室長51.62 m。

1.2 廠區(qū)地質(zhì)條件

地下廠房布置在左壩肩山體內(nèi)，水平埋深約400～640 m，垂直埋深約320～500 m。廠區(qū)巖體以似斑狀黑云鉀長花崗巖為主，其中穿插花崗偉晶巖脈和少量細(xì)晶巖脈，呈焊結(jié)接觸，巖石致密堅(jiān)硬，巖體中結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，完整性較好，多呈塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)，以Ⅲa類圍巖為主，局部小斷層和煌斑巖脈影響區(qū)為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，整體成洞條件和圍巖自穩(wěn)能力較好。地下廠房洞室主要置于水平埋深400 m以里的地應(yīng)力平緩帶內(nèi)，最大主應(yīng)力σ1量級介于20～37.8 MPa之間，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于4，屬高地應(yīng)力區(qū)[3]。左岸大主應(yīng)力方位角在310°～357°之間，其中主廠房附近最大主應(yīng)力方向約為NNW向，與廠房縱軸線小角度相交(見圖1)。地下廠區(qū)的地下水活動微弱，局部洞壁滲滴水，偶見線狀流水。

圖1 雙江口地下廠房布置與地應(yīng)力主方向

2 室內(nèi)試驗(yàn)研究

對于地下深埋巖體而言，若無人為的外界干擾，在自然條件下一般處于穩(wěn)定受壓狀態(tài)，不存在卸荷的條件。而人為的開挖則創(chuàng)造了臨空面，失去了一部分支撐的臨空面圍巖將通過卸荷變形的方式重新平衡。埋深較大的地下巖體一般地應(yīng)力較高，蘊(yùn)藏了極大的能量，開挖卸荷過程中，能量將在淺層圍巖范圍內(nèi)釋放，造成片幫、大變形等破壞；并且開挖規(guī)模越大，圍巖破壞也越顯著。雙江口地下廠房系統(tǒng)的開挖顯然屬于大規(guī)模洞室開挖，并且面臨著高地應(yīng)力，故雙江口廠區(qū)圍巖卸荷風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，要想分析施工期的現(xiàn)場片幫破壞特征，則需要對工程區(qū)巖體的卸荷特征進(jìn)行研究。

室內(nèi)試驗(yàn)是研究巖石卸荷特征的重要手段。此處的室內(nèi)試驗(yàn)所用巖樣取自雙江口水電站主副廠房中導(dǎo)洞的花崗巖；根據(jù)相關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)范，通過室內(nèi)加工將其制成標(biāo)準(zhǔn)試件，尺寸為Φ50 mm×H100 mm，并保持自然風(fēng)干狀態(tài)；且試件平均密度為2.68 g/cm3。試驗(yàn)方案采用常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和卸荷試驗(yàn)進(jìn)行對比，三軸壓縮試驗(yàn)分為三個(gè)階段，分別為：①以6 MPa/min的速率增加σ3至預(yù)定值；②以30 kN/min的速率施加σ1；③在彈性階段末期以橫向變形0.02 mm/min的速率施加軸向荷載，峰值荷載后以0.04 mm/min的速率繼續(xù)施加軸向荷載至巖石的殘余變形階段。8組常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的圍壓設(shè)計(jì)水平分別為0.5 MPa、1 MPa、3 MPa、5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa。常規(guī)三軸壓縮下的泊松比μ-軸向應(yīng)變ε1關(guān)系曲線和應(yīng)力-應(yīng)變過程曲線如圖2～4所示。

圖2 常規(guī)三軸試驗(yàn)μ-ε1關(guān)系曲線

圖3 常規(guī)三軸試驗(yàn)應(yīng)力-軸向應(yīng)變過程曲線

圖4 常規(guī)三軸試驗(yàn)應(yīng)力-側(cè)向應(yīng)變過程曲線

卸荷試驗(yàn)采用穩(wěn)軸壓、卸圍壓的方案，分為四個(gè)階段：①施加圍壓至初始條件；②施加軸壓至三軸試驗(yàn)材料強(qiáng)度比例極限附近；③σ1保持不變，σ3降低速率2 MPa/min；④試件一旦破壞后即停止卸圍壓，并保持不變，直至結(jié)束試驗(yàn)。其中，卸荷試驗(yàn)根據(jù)初始圍巖水平分為五組，其初始圍壓分別為5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa。卸荷狀態(tài)下的泊松比μ-軸向應(yīng)變ε1關(guān)系曲線和應(yīng)力-應(yīng)變過程曲線如圖5～7所示。

（4）對操作人員及時(shí)下發(fā)安全技術(shù)交底，并對其進(jìn)行培訓(xùn)后方可上崗。對攪拌操作人員進(jìn)行安全教育，施工中不得隨意從高空拋灑。

圖5 卸荷試驗(yàn)μ-ε1關(guān)系曲線

圖6 卸荷試驗(yàn)應(yīng)力-軸向應(yīng)變過程曲線

圖7 卸荷試驗(yàn)應(yīng)力-側(cè)向應(yīng)變過程曲線

泊松比μ與軸向應(yīng)變ε1的關(guān)系曲線體現(xiàn)了試驗(yàn)過程中試件形態(tài)的變化特征。圖2顯示，常規(guī)三軸試驗(yàn)中，隨著軸向應(yīng)變增加，泊松比有一個(gè)先略微減小后持續(xù)增加的過程。這說明在試驗(yàn)初期，軸向變形的速率大于側(cè)向變形的速率，試件整體呈壓縮的態(tài)勢；但在試驗(yàn)后期，側(cè)向變形的速率超過軸向變形且差距持續(xù)增大，泊松比自然呈增大趨勢。通過對比觀察圖2和圖3可知，此變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)大致在相應(yīng)圍壓下巖石試件的強(qiáng)度極限附近。由此可推知，當(dāng)施加軸壓達(dá)到巖石強(qiáng)度極限后，巖石發(fā)生顯著塑性變形，軸向壓縮的速率趕不上側(cè)向擴(kuò)容的速率，試件趨于破壞。從圖5和圖6可知，泊松比在卸荷試驗(yàn)中也表現(xiàn)出了幾乎相同的規(guī)律，即在軸壓達(dá)到相應(yīng)卸荷條件下的強(qiáng)度極限后，泊松比開始迅速增加。但是，其區(qū)別在于：在相同的初始圍壓條件下，卸荷試驗(yàn)中泊松比在前期的下降過程更加不明顯，而后期的增長卻更加顯著而迅速，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的最終泊松比也比常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)時(shí)高，這說明與常規(guī)試驗(yàn)相比，卸荷過程中的巖體試件更容易發(fā)生側(cè)向擴(kuò)容變形。圖4與圖7的應(yīng)力-側(cè)向應(yīng)變過程曲線也可驗(yàn)證此規(guī)律：卸荷試驗(yàn)中的最終側(cè)向應(yīng)變比常規(guī)三軸試驗(yàn)中大。卸荷過程中更加顯著的側(cè)向擴(kuò)容使得試件在較低的初始圍壓下易發(fā)生壓致拉裂破壞(見圖8(a))，形成類似單軸試驗(yàn)的效果(見圖9)，而在初始圍壓較高時(shí)會發(fā)生剪切破壞，形成斜向剪切裂紋(圖8(b)～圖8(e))。

圖8 雙江口廠區(qū)巖芯卸荷試驗(yàn)破壞示意

圖9 雙江口廠區(qū)巖芯單軸試驗(yàn)破壞示意

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知：相比于普通三軸壓縮，巖石試件在卸荷過程中更易發(fā)生側(cè)向擴(kuò)容，也就更易破壞。當(dāng)雙江口水電站進(jìn)行地下廠房開挖時(shí)，將暴露大范圍的臨空面，而臨空面上都將發(fā)生卸荷。因此，工程區(qū)將面臨較大范圍的圍巖卸荷破壞風(fēng)險(xiǎn)。

3 現(xiàn)場片幫現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)只能說明雙江口廠區(qū)附近的花崗巖試件在特定條件下的力學(xué)特性；但現(xiàn)場的開挖條件復(fù)雜，僅僅基于實(shí)驗(yàn)室的測試數(shù)據(jù)還不足以分析廠區(qū)圍巖的片幫特征，需結(jié)合現(xiàn)場片幫的調(diào)查資料進(jìn)行對比分析。

雙江口水電站主廠房第一層開挖完成后，現(xiàn)場的圍巖片幫情況如圖10所示。從圖10中可以觀察出此階段的片幫有以下規(guī)律：

圖10 主廠房第一層開挖后拱圈片幫特征

(1)片幫主要發(fā)生在廠房洞室上下游方向的拱腳位置，少量發(fā)生在拱肩位置；

(2)片幫主要發(fā)生在完整巖體表面，結(jié)構(gòu)面、巖脈等地質(zhì)條件脆弱處對于片幫的分布有一定影響，但不起控制性作用；

(3)片幫的剝落厚度大多小于10 cm，即呈薄片狀。

由此可知，上下游拱腳屬于開挖斷面輪廓的突變位置，容易發(fā)生應(yīng)力集中，故片幫較為嚴(yán)重。而由于片幫不受結(jié)構(gòu)面、巖脈等軟弱地質(zhì)構(gòu)造控制，因此片幫可能發(fā)生在整個(gè)洞室的圍巖表面。

2020年9月，主廠房已開挖至巖錨梁位置，但片幫現(xiàn)象并無緩解，仍有多個(gè)部位出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的片幫破壞。此階段邊墻部位出現(xiàn)了片幫，且洞室交叉部位的片幫尤為嚴(yán)重。進(jìn)廠交通洞與安裝間邊墻交叉部位的片幫面積較廣，在靠近交通洞處出現(xiàn)了大范圍的片狀開裂；且片狀開裂顯示出多個(gè)層次，可見片幫有向更深層圍巖擴(kuò)展的趨勢，巖石可能一層層向里剝落。主變室上游邊墻的圍巖完整，巖體堅(jiān)硬，幾乎沒有裂隙，且開挖質(zhì)量也較好，但仍然出現(xiàn)了片幫；該處片幫所造成的呈片狀裂開的巖石長寬尺寸約有20 cm，裂縫寬度可伸進(jìn)手掌，且片幫附近的圍巖也有發(fā)生開裂的跡象。主變室內(nèi)端墻與交通洞交叉部位的片幫則更為嚴(yán)重，表現(xiàn)出了多層層疊的特征，且破壞范圍也更廣，附近圍巖在其影響下表現(xiàn)較為破碎；此部位屬于施工人員來往頻繁的交通要道，若破碎圍巖進(jìn)一步發(fā)生掉塊、崩塌等破壞，將嚴(yán)重威脅現(xiàn)場人員安全。

4 片幫機(jī)理分析

4.1 發(fā)生條件

地應(yīng)力扮演了類似于室內(nèi)試驗(yàn)中軸壓的角色。若沒有足夠的地應(yīng)力提供軸壓，巖石可能只在卸荷作用下發(fā)生緩慢的變形，或者僅僅在受軟弱結(jié)構(gòu)面控制的部位發(fā)生大變形，而不會受高地應(yīng)力影響，在整個(gè)開挖區(qū)域發(fā)生顯著的側(cè)向擴(kuò)容從而出現(xiàn)層狀剝離。因此，片幫破壞屬于典型的應(yīng)力驅(qū)動型破壞[4]。雙江口水電站廠區(qū)地應(yīng)力大主應(yīng)力在20 MPa以上，強(qiáng)度應(yīng)力比小于4，顯然屬于高地應(yīng)力區(qū)。盡管廠房軸線選擇了與大主應(yīng)力小角度相交的方案(見圖1)，但從上一章節(jié)的現(xiàn)場片幫分析可以看出，高地應(yīng)力仍然發(fā)揮了較大的影響。

較為完整且堅(jiān)硬的巖體質(zhì)量是片幫發(fā)生的另一重要條件。當(dāng)開挖洞室的圍巖條件較為破碎，例如洞室圍巖受到裂隙、斷層等結(jié)構(gòu)面切割時(shí)，往往會在開挖初期，即在圍巖洞周應(yīng)力調(diào)整影響下發(fā)生掉塊等破壞，而不會發(fā)生受擠壓作用的片幫剝離。而當(dāng)圍巖不破碎但較為軟弱(例如，圍巖本身巖性就偏向于軟巖)時(shí)，不會在開挖后的短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生脆性剝離，而往往會隨著時(shí)間推移，發(fā)生應(yīng)力不變、但變形持續(xù)增加的長時(shí)間流變[5]。

綜上所述，當(dāng)工程區(qū)巖體完整而堅(jiān)硬且地應(yīng)力水平較高時(shí)，就需注意對圍巖片幫破壞的警示與分析控制。

4.2 發(fā)生過程

若要分析片幫破壞的發(fā)生過程，需要理解開挖后洞周應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整。因廠區(qū)圍巖埋深較大，受構(gòu)造應(yīng)力顯著影響，因此開挖前廠區(qū)地應(yīng)力的大主應(yīng)力近似呈水平方向。開挖后，圍巖失去原有支撐，伴隨著向臨空面卸荷，臨空面附近圍巖內(nèi)的應(yīng)力分布也發(fā)生調(diào)整。在洞周附近，大主應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)為沿洞周輪廓分布，如圖11所示；而小主應(yīng)力則近似垂直于洞周輪廓，這樣的徑向小主應(yīng)力越接近，臨空面越小，直至在洞壁處降為0。洞室開挖后，徑向擠壓應(yīng)力迅速減小，可類比為第二章卸荷試驗(yàn)中圍巖減小的過程；而轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢虻拇笾鲬?yīng)力承擔(dān)了卸荷試驗(yàn)中軸壓的角色；因此可用室內(nèi)卸荷試驗(yàn)類比解釋現(xiàn)場的卸荷破壞過程。但值得注意的是，洞室開挖前的圍壓雖然很大，但爆破開挖后，臨空面附近圍巖的徑向圍壓幾乎在瞬間被卸掉，卸荷速度比室內(nèi)試驗(yàn)中快；因此，實(shí)際開挖過程中受到高圍壓的保護(hù)和限制作用較小，其破壞過程可能更接近于低初始圍壓下的卸荷試驗(yàn)。而開挖后洞壁處圍巖的徑向圍壓幾乎為0，可視為單軸壓縮狀態(tài)，破壞效果可與單軸試驗(yàn)對比。根據(jù)低圍壓下的卸荷試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)可知，圍巖在這兩種狀態(tài)下易發(fā)生壓致拉裂破壞，如圖8～9所示。由此即可較好地解釋片幫破壞：洞壁附近的表層圍巖受壓致拉裂作用，易形成淺層的拉裂縫，在切向的大主應(yīng)力持續(xù)作用下拉裂縫會貫穿，導(dǎo)致表層圍巖呈片狀剝開，一段時(shí)間后可能發(fā)生片幫剝落造成破壞；而隨著時(shí)間推移，拉裂縫進(jìn)一步向圍巖內(nèi)部擴(kuò)展[6]，圍巖發(fā)生由表及里地漸進(jìn)性松弛開裂，進(jìn)而剝落，這也將為更里面一層的片幫埋下隱患(見圖11)。若不及時(shí)處理，片幫深度及范圍將逐漸增大，破壞可以持續(xù)數(shù)天或更長時(shí)間[7]。

圖11 片幫破壞機(jī)理示意

開挖輪廓的不光滑處容易發(fā)生應(yīng)力集中，該處切向壓應(yīng)力可能更大，也將面臨更大的片幫破壞風(fēng)險(xiǎn)。而拱腳等位置是典型的應(yīng)力集中區(qū)域，如圖11中σ1的模擬結(jié)果所示。本文在第三章節(jié)中也提到，在工程現(xiàn)場，拱腳以及洞室交叉處等應(yīng)力集中位置的片幫破壞較為嚴(yán)重(如圖11中用圓圈示意的兩處應(yīng)力集中區(qū)域)。另外，地下廠房洞室下層開挖爆破的擾動[8]，也可能加劇上層已開挖巖體的片幫破壞，或誘使一些片狀開裂但尚未掉落的巖體提前墜落。

4.3 處理措施

片幫并非一次性破壞，即某處圍巖發(fā)生片幫掉落后，壓致拉裂作用會進(jìn)一步向里面一層的圍巖轉(zhuǎn)移，可能造成再次的片幫破壞。因此，若無針對性處理，圍巖會像剝洋蔥皮一樣，一層一層向里剝落，不僅會造成開挖輪廓與設(shè)計(jì)輪廓差異過大，還嚴(yán)重威脅現(xiàn)場施工人員的生命安全。因此，開挖完成后，應(yīng)及時(shí)噴混凝土封閉開挖面，防止洞壁的表層圍巖受壓開裂。同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求施工系統(tǒng)錨桿，使得淺層圍巖緊密結(jié)合在一起，限制一層一層向里的片幫剝離。在特定部位通過錨索將表層圍巖與深層圍巖拉緊，也可較好地限制片幫。

5 結(jié) 論

本文依托雙江口水電站地下廠房洞室開挖工程，基于室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場破壞情況，對高地應(yīng)力下大型地下洞室開挖期的片幫特征進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

(1)洞室開挖后的應(yīng)力重分布使得大主應(yīng)力沿洞周切向分布，所帶來的壓致拉裂作用將使得表層圍巖呈片狀開裂，發(fā)生片幫破壞；

(2)高地應(yīng)力作用下的完整堅(jiān)硬巖石更容易發(fā)生片幫；

(3)拱腳、洞室交叉處等應(yīng)力集中部位的片幫風(fēng)險(xiǎn)往往更高；

(4)片幫出現(xiàn)后，圍巖可能發(fā)生由表及里地漸進(jìn)性松弛開裂，因此應(yīng)及時(shí)封閉支護(hù)。