某水電站地下廠(chǎng)房開(kāi)挖初期監(jiān)測(cè)成果分析

胡 明 秀， 胡 升 偉

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

1 概 述

大型地下廠(chǎng)房洞室群是高山峽谷地區(qū)水電站的重要組成單元，在山體內(nèi)開(kāi)挖規(guī)模宏大的地下空間必將會(huì)引起洞室群圍巖體的強(qiáng)烈卸荷和應(yīng)力調(diào)整。施工初期，針對(duì)圍巖開(kāi)展一系列監(jiān)測(cè)并及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析、總結(jié)，有利于實(shí)時(shí)了解圍巖松動(dòng)和應(yīng)力調(diào)整情況，有利于在之后的洞室開(kāi)挖過(guò)程中設(shè)計(jì)和調(diào)整圍巖噴錨支護(hù)方案，因此，施工初期的圍巖變形、應(yīng)力監(jiān)測(cè)是修建大型地下廠(chǎng)房洞室群的重要工作之一[1]。以某水電站為例，基于實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用作圖法、比較法、統(tǒng)計(jì)法等對(duì)地下廠(chǎng)房洞室開(kāi)挖初期的圍巖變形、圍巖應(yīng)力和錨索荷載監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行了分析和總結(jié)，對(duì)類(lèi)似工程的監(jiān)測(cè)成果分析及噴錨支護(hù)工作具有較好的參考價(jià)值。

某水電站工程為一等大(1)型工程。主、副廠(chǎng)房及安裝間按“一”字形布置，安裝間位于主廠(chǎng)房左側(cè)，副廠(chǎng)房位于主廠(chǎng)房右側(cè)。主機(jī)間頂拱跨度為28.3 m，巖錨吊車(chē)梁以下跨度為25.3 m，最大開(kāi)挖高度為67.32 m，長(zhǎng)度為134.08 m。安裝間長(zhǎng)54.01 m，副廠(chǎng)房長(zhǎng)26.61 m，廠(chǎng)房全長(zhǎng)214.7 m，廠(chǎng)房最大高度為67.32 m。

廠(chǎng)房開(kāi)挖后揭示地層巖性以似斑狀黑云鉀長(zhǎng)花崗巖為主，穿插花崗偉晶巖脈，呈焊結(jié)接觸，巖體新鮮完整、致密堅(jiān)硬。頂拱處發(fā)育1條煌斑巖脈沿右端墻-頂拱-上游邊墻發(fā)育，與廠(chǎng)房軸線(xiàn)陡傾斜交；上下邊墻發(fā)育一小斷層且其與洞軸線(xiàn)呈大角度相交。巖體結(jié)構(gòu)以塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)為主，圍巖類(lèi)別以Ⅲa類(lèi)為主，局部片幫、板裂及張剪嚴(yán)重破壞部位淺表部為Ⅳ類(lèi)。

2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與儀器布置

地下廠(chǎng)房洞室監(jiān)測(cè)的主要目的是監(jiān)控施工過(guò)程及運(yùn)行期的安全，兼顧反饋驗(yàn)證設(shè)計(jì)和為變形控制提供基本依據(jù)。其設(shè)置的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有圍巖變形、應(yīng)力及支護(hù)荷載等，分別采用多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器。

根據(jù)該電站廠(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件和地下廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，地下廠(chǎng)房共布置了6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，地下廠(chǎng)房監(jiān)測(cè)斷面及儀器布置情況見(jiàn)表1，地下廠(chǎng)房洞室開(kāi)挖分層情況見(jiàn)圖1。

3 監(jiān)測(cè)成果及分析

表1 地下廠(chǎng)房監(jiān)測(cè)斷面及儀器布置表

圖1 地下廠(chǎng)房洞室開(kāi)挖分層圖

3.1 圍巖位移成果分析

通過(guò)對(duì)典型監(jiān)測(cè)斷面(3-3監(jiān)測(cè)斷面)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析可知：A層開(kāi)挖結(jié)束累計(jì)位移在-1.08～14.6 mm之間，B層開(kāi)挖結(jié)束累計(jì)位移在-1.86～14.81 mm之間，C層開(kāi)挖結(jié)束累計(jì)位移在-6.11～14.96 mm之間。位移增長(zhǎng)主要發(fā)生在兩側(cè)拱肩擴(kuò)挖和下臥開(kāi)挖過(guò)程中，錨固支護(hù)后多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)值漸趨穩(wěn)定。

由監(jiān)測(cè)成果可知：圍巖的變形發(fā)展主要受洞室開(kāi)挖影響，由圖2和圖3可以看出：圍巖變形主要呈現(xiàn)“臺(tái)階”式增長(zhǎng)，受洞室開(kāi)挖影響明顯，其變形發(fā)展基本與開(kāi)挖線(xiàn)一致，A層邊墻的開(kāi)挖和B、C層中部拉槽的開(kāi)挖對(duì)圍巖變形影響最大，圍巖變形基本呈不同程度的突變。地下廠(chǎng)房3-3監(jiān)測(cè)斷面多點(diǎn)位移計(jì)位移開(kāi)挖分層統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2， 地下廠(chǎng)房3-3監(jiān)測(cè)斷面多點(diǎn)位移計(jì)M43CF-01過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖2，地下廠(chǎng)房3-3監(jiān)測(cè)斷面多點(diǎn)位移計(jì)M43CF-05過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖3。

3.2 錨桿應(yīng)力成果分析

由錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果可知：地下廠(chǎng)房的錨桿應(yīng)力基本上呈拉應(yīng)力狀態(tài)，錨桿應(yīng)力計(jì)R23CF-01-2、R24CF-02-2、R26CF-01-1(應(yīng)力分別為379.08 MPa、393.43 MPa、320.39 MPa)的應(yīng)力值接近量程(400 MPa)，主要表現(xiàn)為開(kāi)挖后局部圍巖應(yīng)力調(diào)整和集中；其余錨桿處于正常工作性態(tài)，應(yīng)力值在-11.67～247.56 MPa之間。廠(chǎng)房的錨桿應(yīng)力受洞室開(kāi)挖影響明顯，相鄰兩層洞室開(kāi)挖時(shí)應(yīng)力變化較大，同層洞室開(kāi)挖時(shí)應(yīng)力變化相對(duì)較小，頂拱錨桿應(yīng)力呈“臺(tái)階”逐次上升形態(tài)，上、下游拱腳及邊墻的部分錨桿應(yīng)力分布離散。

表2 地下廠(chǎng)房3-3監(jiān)測(cè)斷面多點(diǎn)位移計(jì)位移開(kāi)挖分層統(tǒng)計(jì)表

圖2 地下廠(chǎng)房3-3監(jiān)測(cè)斷面多點(diǎn)位移計(jì)M43CF-01過(guò)程線(xiàn)圖

從地下廠(chǎng)房的錨桿應(yīng)力分段統(tǒng)計(jì)情況(表3)可知：85.71%的錨桿應(yīng)力計(jì)呈現(xiàn)拉應(yīng)力，14.29%的錨桿應(yīng)力計(jì)呈現(xiàn)壓應(yīng)力；75%的拉應(yīng)力錨桿應(yīng)力值在100 MPa以?xún)?nèi)，壓應(yīng)力基本在12 MPa以?xún)?nèi)；應(yīng)力較大的部位主要位于主廠(chǎng)房上、下游邊墻及頂拱。地下廠(chǎng)房3-3監(jiān)測(cè)斷面錨桿應(yīng)力計(jì)R23CF-02過(guò)程線(xiàn)圖見(jiàn)圖4。

圖3 地下廠(chǎng)房3-3監(jiān)測(cè)斷面多點(diǎn)位移計(jì)M43CF-05過(guò)程線(xiàn)圖

表3 地下廠(chǎng)房錨桿應(yīng)力分段統(tǒng)計(jì)表

3.3 錨索錨固力成果分析

地下廠(chǎng)房錨索測(cè)力計(jì)張拉后的鎖定比例噸位為設(shè)計(jì)噸位的70%左右，其設(shè)計(jì)噸位分別為：2 000 kN、2 500 kN。實(shí)測(cè)錨固力在1 331.65～1 879.92 kN之間，損失率在-8%～11.6%之間。由地下廠(chǎng)房錨索測(cè)力計(jì)錨固力統(tǒng)計(jì)情況(表4)可知：錨索實(shí)測(cè)錨固力均在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，96.97%的錨索損失率在±10%以?xún)?nèi)；超鎖定噸位的錨索占57.58%，但損失率均在-8%以?xún)?nèi)。

錨索前期基本呈損失狀態(tài)，實(shí)測(cè)錨固力小于鎖定噸位。但隨著洞室開(kāi)挖錨固力增大，同層洞室開(kāi)挖錨固力變化量較小，相鄰兩層洞室開(kāi)挖時(shí)錨固力變化明顯。大多數(shù)錨索荷載處于小量增加狀態(tài)，每測(cè)次增幅在1～10 kN之間，反映出洞室開(kāi)挖后圍巖向臨空面變形，錨索發(fā)揮了錨固作用。地下廠(chǎng)房3-3監(jiān)測(cè)斷面錨索測(cè)力計(jì)DP3CF-03錨固力過(guò)程線(xiàn)圖見(jiàn)圖5。

圖4 地下廠(chǎng)房3-3監(jiān)測(cè)斷面錨桿應(yīng)力計(jì)R23CF-02過(guò)程線(xiàn)圖

3.4 監(jiān)測(cè)成果綜合分析

圍巖應(yīng)力、錨索錨固力在地下廠(chǎng)房洞室開(kāi)挖和支護(hù)初期的增加間接驗(yàn)證了圍巖變形監(jiān)測(cè)成果在時(shí)間和空間上具有較好的關(guān)聯(lián)性。受?chē)鷰r不良地質(zhì)條件和開(kāi)挖爆破影響，圍巖變形較大的部位其相應(yīng)的圍巖應(yīng)力亦較大，其錨固力的增加是否影響錨索自身的安全則應(yīng)考慮錨索自身承受荷載的能力[2]。鑒于地下廠(chǎng)房下挖施工和爆破錨固力增加較快，變幅較大，且因錨桿應(yīng)力計(jì)和錨索測(cè)力計(jì)的安裝相對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)較晚，監(jiān)測(cè)成果歷時(shí)過(guò)程較短，但其基本能反映洞室開(kāi)挖時(shí)圍巖的變形和應(yīng)力情況：

圖5 地下廠(chǎng)房3-3監(jiān)測(cè)斷面錨索測(cè)力計(jì)DP3CF-03錨固力過(guò)程線(xiàn)圖

表4 地下廠(chǎng)房錨索測(cè)力計(jì)錨固力統(tǒng)計(jì)表

(1)洞室開(kāi)挖對(duì)圍巖變形影響明顯。相鄰兩層洞室開(kāi)挖時(shí)，圍巖變形明顯增大；同一層洞室開(kāi)挖時(shí)，圍巖變形平緩[3]。

(2)錨桿的應(yīng)力變化與多點(diǎn)位移計(jì)位移變化規(guī)律一致，成正相關(guān)關(guān)系。位移變形和應(yīng)力變化受洞室開(kāi)挖影響明顯，相鄰兩層洞室開(kāi)挖時(shí)，位移和應(yīng)力增長(zhǎng)較大；同層洞室開(kāi)挖時(shí)，位移和應(yīng)力的增長(zhǎng)相對(duì)較小。

(3)錨索荷載前期基本呈損失狀態(tài)，錨索的后期荷載處于小量增加狀態(tài)，錨索荷載的變化與多點(diǎn)位移計(jì)位移變化相關(guān)性明顯，說(shuō)明洞室開(kāi)挖后圍巖向臨空面變形，錨索發(fā)揮了應(yīng)有的錨固作用。

4 結(jié)論及建議

(1)監(jiān)測(cè)成果分析表明：地下廠(chǎng)房洞室變形、應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果可靠，能夠較全面地反映圍巖變形情況和錨桿支護(hù)、錨索工作狀況。圍巖的變形均朝向臨空面，首層開(kāi)挖對(duì)頂拱變形較大，第一、二層的開(kāi)挖對(duì)拱腳和邊墻的變形影響較大，位移增量區(qū)域均存在向低高程(開(kāi)挖面)下移、擴(kuò)展的趨勢(shì)，而遠(yuǎn)離開(kāi)挖面高程的區(qū)域位移增量逐漸減小[4]。圍巖應(yīng)力、錨索錨固力在地下廠(chǎng)房洞室開(kāi)挖和支護(hù)初期的增加間接驗(yàn)證了圍巖變形監(jiān)測(cè)成果，在時(shí)間和空間上具有較好的關(guān)聯(lián)性。受?chē)鷰r不良地質(zhì)條件和開(kāi)挖爆破影響，圍巖變形增大的部位其相應(yīng)的圍巖應(yīng)力及錨索荷載亦增大。

(2)根據(jù)對(duì)所預(yù)埋的多點(diǎn)位移計(jì)變形與支護(hù)后錨桿應(yīng)力及錨索荷載情況進(jìn)行對(duì)比分析可知：支護(hù)前，洞室圍巖變形持續(xù)增長(zhǎng)，支護(hù)后，變形增長(zhǎng)得到了抑制，說(shuō)明噴錨支護(hù)對(duì)地下洞室的圍巖起到了較好的加固效果，是保持圍巖穩(wěn)定性的必要支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)滯后將會(huì)導(dǎo)致圍巖松動(dòng)范圍加大[5]。

(3)建議在今后的洞室開(kāi)挖工程中，應(yīng)在爆破后及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)， 以使錨桿、錨索最大限度地發(fā)揮其錨固懸吊作用，限制圍巖的松動(dòng)范圍，減小圍巖的變形。