高地應(yīng)力下洞室襯砌裂縫形成機(jī)制與防治對策

陳磊 余國祥

摘要： 針對白鶴灘水電站地下廠房周邊洞室群襯砌混凝土在廠房開挖過程中所出現(xiàn)的多條裂縫現(xiàn)象，以右岸地下廠房南側(cè)下游邊墻的電纜廊道和進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2為例，通過對襯砌裂縫進(jìn)行定量排查和定性分析，再現(xiàn)了該區(qū)域襯砌裂縫產(chǎn)生及演化的過程，給出了襯砌裂縫產(chǎn)生的原因。并結(jié)合整個地下洞室群的建設(shè)過程給出預(yù)防襯砌混凝土開裂的主要對策，保證廠房邊墻圍巖的穩(wěn)定，防止工程災(zāi)害的發(fā)生。結(jié)果表明：洞室襯砌混凝土的破裂及發(fā)展其本質(zhì)是圍巖的松弛破裂擴(kuò)展，是圍巖在開挖后體積擴(kuò)容的一種外部表現(xiàn)，具有明顯的時間效應(yīng);兩洞室襯砌混凝土的破裂主要是由于廠房高邊墻形成過程中，尤其是第Ⅶ層開挖期間頂拱應(yīng)力集中加劇所致，可通過前期洞室的開挖、支護(hù)及襯砌混凝土破裂后的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、回填灌漿、裂縫觀測等措施得到預(yù)防及治理。研究成果可為白鶴灘水電站及相關(guān)地下工程建設(shè)提供參考。

關(guān) 鍵 詞： 地下廠房圍巖穩(wěn)定; 襯砌裂縫; 地下洞室群; 白鶴灘水電站

中圖法分類號： ?TV 61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.022

0 引 言

水利水電工程建設(shè)多集中于高山峽谷區(qū)域，一般具有“高地應(yīng)力、強(qiáng)卸荷、地震烈度高”等主要特征[1-5]。由于水電工程的特殊地質(zhì)條件和功能要求，需要開挖斷面結(jié)構(gòu)不同、長短相異、空間分布極為復(fù)雜的大型地下洞室群[6]。水利水電工程的大型地下洞室群一般具有以下共同特征：① 地質(zhì)條件極為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為工程巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地應(yīng)力量級大;② 斷面尺寸大，具有明顯的尺寸效應(yīng);③ 邊墻高且穩(wěn)定性受開挖方案的影響，因此對于開挖設(shè)計(jì)具有較高要求;④ 洞室群密集分布，且洞室群之間相互影響[7]。因此，同交通隧道、采礦巷道等單一洞室相比，大型水電地下洞室群具有體量大、分布復(fù)雜等特征。

大型水電地下洞室群的圍巖變形及其破壞主要由圍巖應(yīng)力場的重新分布所導(dǎo)致，是地下結(jié)構(gòu)的地質(zhì)條件、洞室群的結(jié)構(gòu)及規(guī)模、開挖過程的時序及控制、洞室支護(hù)的強(qiáng)度與時機(jī)等因素綜合作用的結(jié)果[6]。因此，在水電工程地下洞室群的開挖過程中，受巖體類別、地應(yīng)力分布甚至是地下水因素的多重影響，難免會出現(xiàn)相應(yīng)的變形問題。例如，大崗山水電站地下廠房在施工過程中出現(xiàn)頂拱輝綠巖脈塌方的災(zāi)害，且塌方達(dá)3 000 m3，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和施工安全[8];錦屏I級水電站地下廠房在開挖過程中出現(xiàn)片幫剝落、圍巖松弛深度較高甚至巖爆等災(zāi)害，對地下洞室的安全、施工工期等造成重要影響[9]。

水電洞室襯砌裂縫形成的首要因素為洞室圍巖的變形甚至破壞。因此，國內(nèi)外許多專家學(xué)者采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、監(jiān)測分析及工程類比等多種手段對洞室圍巖的分級、力學(xué)特性、變形及協(xié)調(diào)機(jī)制、洞室群軸線布置等問題進(jìn)行了大量的研究，并取得了很多有益的研究成果。在圍巖失穩(wěn)研究方面，Hoek等[10]在考慮地應(yīng)力及巖體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將洞室圍巖的破裂分為塊體的失穩(wěn)、片幫、巖爆、斷層滑動等類型;Martin等[11-12]基于控制因素將圍巖變形破壞模式分為結(jié)構(gòu)控制型和應(yīng)力控制型、復(fù)合控制型等。對于地下洞室襯砌的裂縫問題，Malla等[13]對水電廊道中所出現(xiàn)的水平貫通裂縫采用三維有限元進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果揭示了廊道裂縫的產(chǎn)生機(jī)制，即由于襯砌混凝土的堿骨料反應(yīng)導(dǎo)致混凝土總體體積的增加，進(jìn)而引起廊道產(chǎn)生非彈性變形并造成襯砌水平裂縫的產(chǎn)生。Chen等[14]基于數(shù)值計(jì)算方法對施工期洞室廊道應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析，認(rèn)為洞室廊道由于頂拱的自重應(yīng)力作用，使得位于倒懸部分的襯砌因環(huán)向拉應(yīng)力增大而產(chǎn)生淺表裂縫。馬克等[15-16]基于微震監(jiān)測方法，對大崗山水電站高拱壩廊道的襯砌混凝土裂縫形成因素進(jìn)行了全面分析，給出了廊道襯砌混凝體破裂的原因。江權(quán)等[17-18]對高應(yīng)力作用下硬巖的卸荷破裂因素進(jìn)行了全面分析，并在此基礎(chǔ)上給出了大型硬巖地下洞室群穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法。

由于白鶴灘水電站地下洞室群規(guī)模宏大，包括導(dǎo)流洞、泄洪洞、引水洞、母線洞、尾水洞等建筑物，且由于這些線狀布置的建筑物的地層巖性、埋深和展布方位等不盡相同，因此其不同斷面上的應(yīng)力場差別極大[19]。同時，由于部分洞室之間的凈距較小，襯砌混凝土及圍巖出現(xiàn)裂縫將會對水電工程的安全及穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。因此，本文以右岸地下廠房南側(cè)下游邊墻的進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2和電纜廊道襯砌裂縫為研究對象，通過定期排查觀測、定性分析等方法，對兩洞室襯砌混凝土開裂的形成機(jī)制進(jìn)行研究，并給出預(yù)防和治理洞室襯砌開裂的主要對策，旨在為白鶴灘水電站地下洞室開挖及其他相關(guān)工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 研究對象

本文研究區(qū)域主要巖石類別為玄武巖巖漿噴發(fā)所形成的火成巖，包括隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖和角礫熔巖，具有巖質(zhì)堅(jiān)硬、性脆、隱微裂隙發(fā)育、起裂強(qiáng)度低等特點(diǎn)。隱晶質(zhì)玄武巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為112 MPa，杏仁狀玄武巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為99 MPa，角礫熔巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為74 MPa[20]。

右岸地下廠房的垂直埋深為420～540 m，地應(yīng)力測試結(jié)果表明，其最大應(yīng)力值可達(dá)30.99 MPa[20]。高地應(yīng)力下大型地下廠房的開挖卸荷顯著地改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，從而誘發(fā)圍巖強(qiáng)烈卸荷和應(yīng)力重分布，導(dǎo)致圍巖的一些部位出現(xiàn)應(yīng)力顯著降低和最大應(yīng)力值明顯增大的不利應(yīng)力狀態(tài)[16]，最終導(dǎo)致玄武巖圍巖的脆性開裂和應(yīng)力型片幫剝落破壞，如圖1所示。圍巖的脆性開裂及應(yīng)力型片幫剝落等會導(dǎo)致其表層噴護(hù)或襯砌混凝土產(chǎn)生破裂，從而極大地影響地下洞室的穩(wěn)定及安全。對于襯砌混凝土的破裂，以位于右岸地下廠房南側(cè)下游邊墻的進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2和電纜廊道兩洞尤為突出，如圖2所示。

圖3為進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2與電纜廊道的布置圖。如圖3所示，進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2為主變洞與主廠房間的交通通道，其軸向N80°E，與廠房軸線正交。其起點(diǎn)位于廠房下游邊墻樁號右廠0-32.75 m處，底板高程為590.4 m，終點(diǎn)位于主變洞上游邊墻樁號右廠0-32.75 m處，底板高程與起點(diǎn)一致。洞室總長為60.65 m，凈斷面尺寸為6.7 m×7.0 m，混凝土襯砌設(shè)計(jì)厚度為50 cm。

電纜廊道為主變洞與主廠房之間的電纜通道，其軸向?yàn)镹71.05°E，與廠房軸線交角為81.05°。起點(diǎn)位于廠房下游邊墻樁號右廠0-056.3 m處，底板高程為595.9 m;終點(diǎn)位于主變洞上游邊墻樁號右廠0-046.75 m處，底板高程為602.0 m。洞室總長為61.39 m，凈斷面尺寸為3.5 m × 3.5 m，混凝土襯砌設(shè)計(jì)厚度為40 cm。兩洞室間巖墻厚度為7.3～16.9 m，其中樁號K0+011 m處巖墻厚15 m。

1.2 基本地質(zhì)條件

如圖4所示，地質(zhì)條件特征上，進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2及電纜廊道地面高程約1 080～1 100 m，垂直埋深443～491 m，水平埋深420～500 m。兩洞所在地層為單斜巖層，總體產(chǎn)狀為N48°～50°E，SE∠15°～20°。巖層走向與洞室軸線小角度相交，交角區(qū)間為25°～30°。巖性主要為隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖，地質(zhì)構(gòu)造較不發(fā)育，開挖過程中偶見片幫現(xiàn)象，影響深度一般5～20 cm，圍巖類別為Ⅲ1類。

1.3 洞室開挖前后圍巖應(yīng)力條件變化特征

白鶴灘水電站右岸地下廠區(qū)初始地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，其中第一主應(yīng)力方向?yàn)镹0°～20°E，與廠房軸線夾角10°～30°，傾角2°～11°，量值約22～26 MPa（最大實(shí)測值為30.99 MPa）;第二主應(yīng)力量值為14～18 MPa，方向與廠房軸線方向近垂直;第三主應(yīng)力近垂直，量值為13～16 MPa，與上覆巖體自重應(yīng)力相當(dāng)，如圖5（a）所示。

為具體研究地下廠房開挖前后圍巖應(yīng)力的變化情況，圖5（b）對此進(jìn)行了分析[20]。數(shù)值分析成果表明：

在地下廠房高邊墻的形成過程中，其頂拱應(yīng)力集中程度逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致頂拱淺層巖體破裂加深，承載力降

低，進(jìn)而削弱了下游邊墻的支撐力;而邊墻部位則產(chǎn)生應(yīng)力顯著降低現(xiàn)象，其應(yīng)力松弛范圍逐漸加大，邊墻松弛破裂深度擴(kuò)展，圍巖向洞內(nèi)變形。在此影響下，位于廠房下游邊墻的進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2及電纜廊道在廠房開挖過程中產(chǎn)生襯砌混凝土開裂、掉塊，底板隆起，鋼筋向洞內(nèi)彎曲等現(xiàn)象。

2 襯砌混凝土及圍巖破裂演化過程

為詳細(xì)研究白鶴灘水電站右岸地下廠房南側(cè)下游邊墻兩洞室襯砌裂縫形成機(jī)制，找到防治此類破壞的對策。本節(jié)以進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2及電纜廊道為例，結(jié)合兩洞襯砌裂縫形成演化的過程對其襯砌混凝土破裂特征及原因進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2

對于進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2，其洞室襯砌混凝土破裂產(chǎn)生于廠房第Ⅴ層（高程為584.3～589.8 m）開挖期間，同時在廠房的開挖及完成過程中不斷發(fā)展，其裂縫擴(kuò)展特征如圖6所示。為詳細(xì)分析襯砌混凝土的破裂特征，將裂縫特征隨廠房開挖的擴(kuò)展情況列于圖7。

具體地，廠房第Ⅴ層開挖完成后，2017年6月23日排查發(fā)現(xiàn)距廠房下游邊墻0～12 m范圍內(nèi)邊墻襯砌混凝土開裂明顯，裂縫發(fā)育間距20～70 cm/條;同時，北側(cè)邊墻的襯砌混凝土裂縫較南側(cè)邊墻更為發(fā)育，且底板分布有5條裂縫。裂縫在走向上，以近N10°W的橫向裂縫為主，即與廠房邊墻近平行。在裂縫寬度上，邊墻襯砌混凝土的縫寬小于1 mm，底板縫寬一般介于2～6 mm。其中，底板距廠房邊墻4 m處開裂最為嚴(yán)重，其裂縫寬度達(dá)2～3 cm，最大可見深度約30 cm。

廠房第Ⅵb層（高程567.8～573.3 m）開挖完成后，于2017年11月9日第二次排查發(fā)現(xiàn)底板中部的縱向裂縫向廠房側(cè)延伸約2 m，樁號K0+011 m處橫向裂縫新增2條分支，且縫寬由第Ⅴ層開挖時的4～6 mm增大為1～3 cm。同時，南側(cè)邊墻新增10條環(huán)向裂縫，裂縫間距為40～60 cm/條，縫寬1～2 mm。

廠房第Ⅶ層（高程563.4～567.8 m）開挖期間，2017年12月2日第三次排查發(fā)現(xiàn)樁號K0+011 m處底板橫向裂縫寬度由1～3 cm增大為1.5～4.0 cm，且樁號K0+020 m處新增一條橫向裂縫，寬度為1～3 mm。同時原底板中部的縱向裂縫由樁號K0+013 m延伸至K0+018 m，頂拱及南北側(cè)邊墻各新增3條環(huán)向裂縫，縫寬1～2 mm。

廠房在第Ⅶ層基本開挖完成后，2018年1月2日第四次排查發(fā)現(xiàn)位于樁號K0+011 m處的底板橫向裂縫寬度由1.5～4.0 cm增大為8～10 cm，且兩縫壁間產(chǎn)生垂直錯動，錯距4～7 cm;K0+020 m處橫向裂縫寬度也由1～3 mm增加至1～2 cm，并同樣產(chǎn)生垂直錯動，錯距2～3 cm，如圖8所示。頂拱及南北側(cè)邊墻樁號K0+010-K0+020 m范圍內(nèi)新增多條環(huán)向裂縫，縫寬以1～2 mm為主，局部可達(dá)5 mm，同時伴以襯砌混凝土的脫落、襯砌鋼筋的外露及向洞內(nèi)彎折現(xiàn)象。

廠房機(jī)坑（高程為563.4 m）以上部位開挖完成后，2018年3月20日排查發(fā)現(xiàn)，頂拱樁號K0+017 m處新增一處襯砌混凝土脫落、掉塊，南側(cè)邊墻K0+011 m處原襯砌混凝土開裂、脫落部位的內(nèi)部橫向鋼筋被拉斷5根（均位于距邊墻底部1.5 m范圍內(nèi)），鋼筋的最大斷距達(dá)1 cm。

2.2 電纜廊道

對于電纜廊道，其洞室襯砌混凝土的破裂于廠房第Ⅵb層（高程567.8～573.3 m）開挖期間排查發(fā)現(xiàn)（此前由于不具備排查條件未排查），同時在廠房的開挖及完成過程中不斷發(fā)展，其裂縫展示圖如圖9所示。具體地，電纜廊道于2017年10月26日，廠房第Ⅵb層開挖期間排查發(fā)現(xiàn)距廠房下游邊墻4～11 m范圍內(nèi)底板襯砌混凝土出現(xiàn)4條近N10°W的橫向裂縫，縫寬約2～4 mm，隨后對該部位布置砂漿條觀測。11月3日再次排查發(fā)現(xiàn)砂漿條上普遍出現(xiàn)1～3 mm裂縫，如圖10所示。

廠房第Ⅶ層（高程為563.4～567.8 m）基本開挖完成后，2018年1月3日第二次排查發(fā)現(xiàn)廊道北側(cè)邊墻距廠房下游邊墻9～16 m范圍內(nèi)斷續(xù)發(fā)育10條裂縫，間距10～50 cm;南側(cè)邊墻距廠房下游邊墻10～16 m范圍內(nèi)斷續(xù)發(fā)育5條裂縫，間距1.0～1.5 m;頂拱距廠房下游邊墻9～16 m范圍內(nèi)斷續(xù)發(fā)育11條，間距10～50 cm。走向上，裂縫整體以近N10°W的橫向裂縫為主，與廠房邊墻近平行，縫寬一般1～3 mm，局部5～10 mm。大部分裂縫未產(chǎn)生錯動，僅北側(cè)邊墻有3條裂縫存在錯動，錯距5～8 mm。底板的橫向裂縫由原來的4條增加到7條，其中有4條裂縫產(chǎn)生水平錯動，錯距為0.3～2.0 cm，并在第6條與第7條裂縫中間新增縱向裂縫（近N80°E，垂直廠房邊墻），縫寬一般0.5～1.5 cm。

廠房機(jī)坑（高程為563.4 m）以上部位開挖完成后，2018年3月12日排查發(fā)現(xiàn)電纜廊道北側(cè)邊墻樁號K0+011 m處的襯砌混凝土沿裂縫產(chǎn)生脫落，內(nèi)部鋼筋向洞內(nèi)彎折，如圖10所示。其余部位新增裂縫相對較少，主要有4條，位于邊墻部位，均為環(huán)向裂縫，走向約N15°W，寬度約1 mm，延伸長一般約1～2 m。

2.3 襯砌裂縫形成機(jī)制分析

綜上所述，兩洞室襯砌混凝土破裂在時間上多發(fā)生于廠房第Ⅶ層開挖期間，在空間上主要位于距廠房下游邊墻0～12 m范圍內(nèi)。這是由于第Ⅶ層開挖過程中，廠房高邊墻最終形成，應(yīng)力釋放，從三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受壓應(yīng)力狀態(tài)，臨空方向應(yīng)力釋放后發(fā)生圍巖松弛，出現(xiàn)平行于臨空面的豎向裂縫。在裂縫產(chǎn)生的時間順序上，底板先于邊墻及頂拱;在裂縫寬度上，底板大于邊墻及頂拱。這主要是由于兩洞室設(shè)計(jì)時底板襯砌混凝土未配筋，澆筑完成后，其抗變形能力相對最弱所導(dǎo)致。

對兩洞襯砌混凝土裂縫的多次排查結(jié)果表明，襯砌混凝土的破裂及發(fā)展伴隨著圍巖的松弛破裂擴(kuò)展，是圍巖在開挖后體積擴(kuò)容的一種外部表現(xiàn)，具有一定的時間效應(yīng)。具體表現(xiàn)在從廠房第Ⅴ層開始開挖至第Ⅶ層開挖完成，襯砌混凝土破裂進(jìn)一步向洞內(nèi)發(fā)展，開裂范圍延伸至距廠房下游邊墻20 m處。在具體特征上，表現(xiàn)為裂縫增多，變寬，縫寬最大可達(dá)10 cm;底板擠壓變形后隆起，邊墻及頂拱處鋼筋向洞內(nèi)彎折，表層混凝土脫落。

在破裂因素上，兩洞室襯砌混凝土的破裂縫主要受向廠房側(cè)臨空影響且進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2與電纜廊道隔墩巖體臨空面多，破裂相對較為嚴(yán)重。在廠房高邊墻形成過程中，尤其是第Ⅶ層開挖期間，頂拱應(yīng)力集中加劇，導(dǎo)致頂拱淺層巖體破裂加深，承載力降低，對下游邊墻的支撐力削弱，加上地應(yīng)力方向原因，促使下游邊墻進(jìn)一步向洞內(nèi)變形。同時，下游邊墻應(yīng)力松弛范圍逐漸加大，邊墻松弛破裂深度擴(kuò)展，圍巖往洞內(nèi)變形，形成對頂拱圍巖的擠壓，又促進(jìn)頂拱向洞內(nèi)變形，最終導(dǎo)致兩洞的襯砌混凝土裂縫增多，增寬，鋼筋向洞內(nèi)彎折。

3 襯砌混凝土破裂防治對策及效果

高地應(yīng)力下大跨度地下廠房開挖過程中，圍巖應(yīng)力調(diào)整劇烈，其周邊洞室群圍巖、噴護(hù)及襯砌混凝土破裂較為明顯，對廠房的穩(wěn)定性造成一定影響。為保證廠房的整體穩(wěn)定性，對襯砌混凝土破裂給出相應(yīng)的預(yù)防及治理對策，其本質(zhì)是力求在開挖及支護(hù)這過程中減小對圍巖的損傷，提高圍巖的整體穩(wěn)定性，降低廠房下挖過程中圍巖的破裂風(fēng)險(xiǎn)，防止工程災(zāi)害發(fā)生。

3.1 襯砌混凝土破裂的預(yù)防

（1） 在廠房開挖方式上可采用中間抽槽，兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層的開挖方式，每層開挖高度控制在5 m內(nèi)。中槽與保護(hù)層之間先進(jìn)行施工預(yù)裂，中槽采用手風(fēng)鉆或多臂臺車進(jìn)行水平開挖，保護(hù)層采用水平光面爆破，且上下游保護(hù)層應(yīng)錯距開挖。同時應(yīng)進(jìn)行爆破振動測試，嚴(yán)格控制單響藥量，以減小開挖爆破及圍巖應(yīng)力調(diào)整對巖體的損傷。

（2） ?在廠房開挖與支護(hù)關(guān)系上，其中部拉槽與保護(hù)層開挖之間的距離應(yīng)小于20 m，以便及時支護(hù)。對于開挖后產(chǎn)生脆性開裂和應(yīng)力型片幫剝落破壞等部位，每開挖完成一循環(huán)，立即進(jìn)行“L”型隨機(jī)錨桿（長度3 m，端部彎折20 cm）施工，防止圍巖表層破壞向深部發(fā)展。同時初噴混凝土應(yīng)緊跟開挖面;砂漿錨桿最多滯后開挖面1～2個循環(huán);預(yù)應(yīng)力錨桿滯后開挖面應(yīng)小于20 m;錨索下索滯后掌子面小于30 m，張拉小于80 m，上一層錨索全部完成才進(jìn)行下一層的開挖。

（3） 在廠房高邊墻形成后，其下部機(jī)坑的開挖支護(hù)方式上，應(yīng)重視機(jī)坑隔墩的保護(hù)，機(jī)坑開挖前可采用在隔墩部位預(yù)先設(shè)置沉頭錨桿、頂部澆筑混凝土蓋板和豎向錨索相結(jié)合的機(jī)坑隔墩支護(hù)方式。同時機(jī)坑在平面上應(yīng)分序間隔開挖，可采用垂直預(yù)裂的開挖方案，保證機(jī)坑開挖后隔墩的成型質(zhì)量，使隔墩能充分發(fā)揮其支撐作用，保證廠房邊墻圍巖的穩(wěn)定。

（4） 在廠房支護(hù)方式上，可采用納米鋼纖維混凝土、預(yù)應(yīng)力錨桿、對穿預(yù)應(yīng)力錨索等錨固措施，來提供表層支護(hù)約束，限制表層圍巖松弛破裂擴(kuò)展。開挖過程中，對已完成系統(tǒng)支護(hù)但圍巖變形仍快速增長部位可在原系統(tǒng)錨索中間內(nèi)插相同荷載甚至更高荷載的預(yù)應(yīng)力錨索。主廠房與主變洞之間可增設(shè)對穿錨索，并根圍巖變形情況加密錨索間距。錨索的封錨預(yù)應(yīng)力應(yīng)小于設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力，以預(yù)留應(yīng)力增長空間，避免錨索荷載超限。在頂拱部位可增設(shè)鋼筋拱肋，并進(jìn)行低壓固結(jié)灌漿，灌漿壓力0.2～0.3 MPa為宜，以加強(qiáng)頂拱圍巖的整體性，使其能形成拱效應(yīng)，提升廠房的整體穩(wěn)定性。

（5） ?在廠房周邊洞室的襯砌支護(hù)上，如母線洞、進(jìn)廠交通洞、電纜廊道等，可采用增設(shè)鋼拱架以及強(qiáng)噴錨的方式來加固洞口，以提高圍巖的整體性，減少松弛開裂。在圍巖整體趨于穩(wěn)定后，可進(jìn)行襯砌施工，以限制少量的時效變形。 同時襯砌部位應(yīng)全部配筋，尤其是底板，如本文兩洞室在底板部位未配筋，因此其抗變形能力相對最弱，混凝土破裂最為嚴(yán)重。必要時可在襯砌混凝土內(nèi)部配置工字鋼，提高襯砌強(qiáng)度。

3.2 襯砌混凝土破裂的治理

（1） 在補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)上，可對廠房周圍襯砌混凝土破裂嚴(yán)重的洞室，進(jìn)行二期混凝土襯砌，修復(fù)破裂混凝土的同時縮小洞室斷面尺寸，提升圍巖整體穩(wěn)定性。襯砌前應(yīng)先對開裂破碎的混凝土進(jìn)行清除，原襯砌混凝土表面應(yīng)鑿毛。隨后進(jìn)行低壓注漿施工，以進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞 -2為例，其低壓注漿孔在頂拱入巖3 m，在邊墻入巖1.5 m，在底板入巖2 m，孔間距1.5 m×2 m，第一排孔距廠房邊墻1.5 m，注漿壓力0.2～0.3 MPa，采用強(qiáng)度等級42.5的普通硅酸鹽水泥，其漿液水灰比1 ∶1～0.5 ∶1。低壓注漿完成后可利用注漿孔掃孔后施工錨桿，錨桿施工完成后再進(jìn)行新增襯砌混凝土施工。

（2） 在回填封堵上，優(yōu)先選擇已產(chǎn)生襯砌混凝土破裂的施工支洞、交通洞等斷面尺寸較小且工程完工后將不使用的洞室進(jìn)行施工，以減小洞室群效應(yīng)，提升廠房邊墻的穩(wěn)定性，防止周邊洞室的襯砌混凝土破裂進(jìn)一步發(fā)展。封堵時，混凝土澆筑段長度不宜超過15 m，混凝土澆筑入倉溫度不大于20 ℃，封堵段頂拱應(yīng)預(yù)埋灌漿管進(jìn)行回填灌漿，灌漿壓力0.2～0.3 MPa，水灰比0.5 ∶1。

（3） 在觀測記錄上，應(yīng)定期對已產(chǎn)生襯砌混凝土破裂的洞室進(jìn)行排查，繪制裂縫展示圖，同時設(shè)立簡易觀測點(diǎn)，記錄其裂縫變化特征。對破裂嚴(yán)重部位可通過鉆孔定期進(jìn)行鉆孔攝像及聲波測試，分析內(nèi)部圍巖松弛破裂擴(kuò)展情況，以便及時采取相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)加固措施進(jìn)行處理，預(yù)防工程災(zāi)害的發(fā)生。

3.3 襯砌混凝土破裂防治后的實(shí)際效果

廠房下游側(cè)邊墻樁號右廠0-056 m（高程593.4 m）代表性測點(diǎn)圍巖變形時序過程線見圖11。該測點(diǎn)位于電纜廊道正下方。由圖可見，在廠房高邊墻正式形成后，該區(qū)域附近圍巖變形位移量開始陡增。在廠房下游邊墻的內(nèi)插預(yù)應(yīng)力錨索，進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2及電纜廊道的二次襯砌等支護(hù)措施逐步實(shí)施后，其圍巖變形逐漸平穩(wěn)，變形測值曲線趨于平緩。后續(xù)通過機(jī)坑分序間隔開挖，強(qiáng)支護(hù)等方式，保證了機(jī)坑開挖后隔墩的支撐作用，保證了廠房邊墻圍巖的長久穩(wěn)定，在變形曲線上則始終表現(xiàn)為一個平緩的狀態(tài)。

在宏觀表現(xiàn)上，兩洞室二次襯砌完成后，2018年11月5日再次對其進(jìn)行了裂縫排查，排查過程中僅發(fā)現(xiàn)少量細(xì)微的收縮縫，并在后期的多次排查中，裂縫的寬度跟數(shù)量均未產(chǎn)生明顯變化。

4 結(jié) 論

本文以白鶴灘水電站右岸地下廠房南側(cè)下游邊墻的電纜廊道和進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞-2的襯砌裂縫為研究對象，通過對兩洞襯砌裂縫的現(xiàn)場定量排查及定性分析，得到以下結(jié)論：

（1） 洞室襯砌混凝土的破裂及發(fā)展其本質(zhì)是廠房高邊墻形成后，應(yīng)力釋放，從三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受壓應(yīng)力狀態(tài)，臨空方向應(yīng)力釋放后發(fā)生圍巖松弛，出現(xiàn)平行于臨空面的豎向裂縫，是圍巖在開挖后體積擴(kuò)容的一種外部表現(xiàn)。其具有一定的時間效應(yīng)，隨著時間會有一定程度的發(fā)展，具體表現(xiàn)在襯砌混凝土裂縫寬度的增大，開裂范圍的擴(kuò)展。

（2） 兩洞室襯砌混凝土的破裂主要是由于廠房高邊墻形成過程中，尤其是第Ⅶ層開挖期間，頂拱應(yīng)力集中加劇，淺層巖體破裂加深，承載力降低，對下游邊墻的支撐力削弱，加上地應(yīng)力方向的影響，促進(jìn)下游邊墻進(jìn)一步向洞內(nèi)變形。同時，下游邊墻應(yīng)力松弛范圍逐漸加大，邊墻松弛破裂深度擴(kuò)展，圍巖往洞內(nèi)變形，形成對頂拱圍巖的擠壓，又促進(jìn)頂拱向洞內(nèi)變形。

（3） 襯砌混凝土的破裂防治其實(shí)質(zhì)是對圍巖本身破裂的防治，這對預(yù)防深部圍巖產(chǎn)生工程災(zāi)害具有重要意義?？赏ㄟ^前期洞室的開挖、支護(hù)及襯砌混凝土破裂后的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、回填灌漿、裂縫觀測等措施進(jìn)行預(yù)防及治理。

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（編輯：鄭 毅）

引用本文：

陳磊，余國祥.高地應(yīng)力下洞室襯砌裂縫形成機(jī)制與防治對策：以白鶴灘水電站為例

[J].人民長江，2021，52（8）：142-150.

Formation mechanism of lining cracks in caverns under high ground stress and

countermeasures：case of Baihetan Hydropower Station

CHEN Lei，YU Guoxiang

（ Zhejiang Huadong Construction Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou 310014，China ）

Abstract：

In view of the lining cracks in the underground powerhouse of the Baihetan Hydropower Station，this paper takes the cable corridor at south downstream side wall and No.2 branch hole of transportation tunnel as an example，and through quantitative inspection and qualitative analysis on lining cracks，we simulate the concrete lining crack generation and evolution in this area and give the reasons for lining cracks generation.Afterwards，we give the main countermeasures to prevent crack of concrete lining in combination with the whole construction process of underground cavities.The results show that the crack development in the lining concrete is essentially a reflection of relaxation and fracture of the surrounding rock，which is an external manifestation of the volume expansion of the surrounding rock after excavation and has an obvious time effect.The lining concrete cracks of the two holes were mainly caused by the formation of high side wall process，especially by the stress concentration at top arch due to the excavation of the Ⅶ layer.These cracks can be prevented and controlled by the measures of rational excavation，reinforcement support in excavation stage and backfill grouting and crack observation in the post stage.

Key words：

rock mass stability of underground powerhouse;lining cracks;underground caverns;Baihetan Hydropower Station