基于滑動測微計的高地應力洞室圍巖變形研究

張石磊 田振華

（1. 中國水利水電科學研究院，北京 100048；2. 北京中水科工程集團有限公司，北京 100048）

0 引言

圍巖力學行為受制于地應力及結(jié)構(gòu)面等因素影響，變形特征復雜[1]。近年來，研究者基于三峽工程、錦屏等項目對工程巖體變形特性進行了卓有成效的研究。彭 琦等[2]、魏進兵等[3]、黃潤秋等[4]對中低地應力條件、高應力與低應力強度比的圍巖變形特征進行研究，總結(jié)出不同條件下圍巖變形主要由結(jié)構(gòu)面張開位移及巖塊卸荷變形構(gòu)成。盧 波等[5]、江權(quán)等[6]、喻 軍等[7]基于地質(zhì)調(diào)查及圍巖變形監(jiān)測分析了高應力條件、結(jié)構(gòu)面因素對圍巖變形和破壞的影響。劉 健等[8]、孟國濤等[9]在地質(zhì)調(diào)查、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，詳細闡述了地下廠房構(gòu)造應力場對洞室群變形破壞的控制作用，用數(shù)值模型分析了白鶴灘地下廠房頂拱變形及破壞機理。在獲取巖柱松弛圈信息方面，王 鵬等[10]通過統(tǒng)計分析單孔聲波測試松弛深度數(shù)據(jù)，建立了柱狀節(jié)理玄武巖的松弛深度經(jīng)驗公式。

總體來看，現(xiàn)有研究集中于洞壁或淺層圍巖的受力特性、變形破壞機理，研究對象的空間離散程度高，缺少自空間連續(xù)角度對洞室群間大厚巖柱及穹頂圍巖的力學響應特性的研究，未闡明高地應力洞室群中隔墻和洞室穹頂?shù)膰鷰r的變形規(guī)律及松弛范圍。

本文基于白鶴灘水電站地下廠房主變洞中隔墻及尾水調(diào)壓室穹頂?shù)幕瑒訙y微計監(jiān)測資料，對洞室群間巖柱及圓筒形洞頂圍巖變形特征進行分析，探討構(gòu)造地應力占優(yōu)的硬巖洞室群間中隔墻及頂板圍巖的變形特性，為同類地下工程的優(yōu)化設計提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

白鶴灘水電站地下廠房跨度達34 m，為目前世界已建跨度最大的地下廠房。主副廠房洞長453.00 m，高88.70 m。主副廠房軸線方向N20°E。左岸設4個圓筒形、阻抗式尾水調(diào)壓室。

尾水調(diào)壓室與主廠房、主變洞平行布置，與廠房機組中心線間距為220 m，與主變洞中心距為130.5 m。1-4 號尾水調(diào)壓室穹頂開挖直徑分別為48 m、47.5 m、46 m、44.5 m，井身開挖高度84.00～88.41 m，襯砌厚度1.5 m。主副廠房及尾水調(diào)壓室平面布置見圖1。

圖1 左岸地下洞室平面布置圖

左岸地下廠房實際開挖步序如表1 所示。左岸地下廠房自2014 年1 月開挖，2018 年6 月2 日全部開挖完成。

表1 實際分層開挖信息

尾調(diào)室穹頂采用“先中導洞后兩側(cè)、分扇形條塊、穹頂對穿錨索支護跟進”的施工方法，開挖時期為2015 年3 月至2016 年3 月。調(diào)壓室豎井采用先溜渣井貫通，然后自上而下分層、分區(qū)開挖支護。井身開挖時期為2016 年3 月-2019 年8 月。左岸尾水調(diào)壓室開挖示意圖如圖2 所示。

圖2 左岸尾水調(diào)壓室開挖示意圖（單位：cm）

1.2 工程地質(zhì)條件

金沙江上游白鶴灘水電站大壩壩址巖性為上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖。左岸地下廠房位于壩肩上游山體內(nèi)，水平埋深600～1000 m，垂直埋深260～330 m。

左岸廠房圍巖主要由P2β23和P2β31層巖流層中新鮮的斜斑玄武巖、杏仁玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、角礫熔巖組成。廠房工程地質(zhì)剖面見圖3。

圖3 左岸地下廠房上游墻工程地質(zhì)剖面圖

左岸尾水調(diào)壓室?guī)r層總體產(chǎn)狀為N42°～45°E、SE∠15°～20°，為單斜巖層。主要由P2β31和P2β32層新鮮的隱晶質(zhì)玄武巖、斜斑玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖和凝灰?guī)r等組成，巖質(zhì)堅硬。左岸尾水調(diào)壓室埋深約287～337 m，圍巖以Ⅲ1類、Ⅱ類為主。

1.3 初始應力場特征

白鶴灘水電站位于小江斷裂帶的北側(cè)、交際河斷裂的東側(cè)。受喜山期運動（NW-NWW 方向的區(qū)域擠壓）的影響，白鶴灘水電站左岸主廠房圍巖應力以構(gòu)造應力為主。

初始應力場主應力量測值的分布見圖4，最大主應力與廠房軸線的關(guān)系見圖5。廠區(qū)水平應力大于垂直應力，第一主應力和第二主應力基本水平，第三主應力大致垂直。初始應力場最大主應力量值20～34 MPa，方位N30°～50°W，傾角5°～13°。方向近水平并且與廠房軸線大角度相交。最小主應力在10 MPa 左右，方向近豎直。

圖4 左岸洞室群初始應力場主應力量測值的分布

圖5 左岸地下廠房最大主應力與廠房軸線關(guān)系

大主應力方向與廠房軸線夾角較大，對圍巖穩(wěn)定不利[4,9,11]。廠區(qū)巖石的強度應力比為3～5，應力集中量級為50～60 MPa，廠區(qū)巖石的強度應力比修正為2～3 之間，總體上屬于高地應力區(qū)[11]。

2 測點布置

1 號尾水調(diào)壓室布置2 個滑動測微孔，其中SCzwt-1-1 位于正穹頂，SCzwt-1-2 位于通氣洞上方。正穹頂測點SCzwt-1-1 附近布置1 套5 點式位移計Mzwt-1-2，通氣洞上方測點SCzwt-1-2 附近布置1套5 點式位移計Mzwt-1-5。4 號尾水調(diào)壓室布置1個滑動測微孔SCzwt-4-1，位于通氣洞上方。測孔附近布置1 套5 點式位移計Mzwt-4-5?；瑒訙y微孔埋設參數(shù)見表2，1 號尾水調(diào)壓室測點監(jiān)測布置見圖6。

表2 尾水調(diào)壓室監(jiān)測點埋設參數(shù)統(tǒng)計表

圖6 尾水調(diào)壓室滑動測微計典型監(jiān)測剖面圖（單位：cm）

在左岸主廠南側(cè)0-12 斷面、北側(cè)0+229 斷面中隔墻巖柱內(nèi)布置2 個滑動測微孔。埋設參數(shù)見表3，滑動測微孔監(jiān)測布置見圖7。

圖7 主廠房滑動測微計監(jiān)測剖面圖

表3 主廠房-主變洞中隔墻監(jiān)測點埋設參數(shù)統(tǒng)計表

滑動測微儀采用美國INCREX Mobile Extensometer，多點位移計采用美國Geokon 傳感器。位移計為預埋式，變形值的計算選取錨固洞底板處為不動點。變形值以拉伸為正，壓縮為負。對于滑動測微成果，以圍巖應變表示，符號約定與位移計同。

3 結(jié)果及討論

3.1 圓筒形洞室穹頂圍巖變形特征

1 號尾調(diào)室正穹頂測孔累計變形值為4.737 mm，孔內(nèi)最大圍巖應變?yōu)?.585 mm/m，在距穹頂12.1 m 處。附近位移計孔口處測點累計圍巖變形為3.65 mm，沿軸向換算得到的圍巖應變最大值為0.37 mm/m，深度為距穹頂1.5～3.5 m。圍巖變形特征值見表4。

表4 圓筒型洞室穹頂圍巖變形特征值

圖8 為穹頂圍巖應變-深度分布曲線?？梢婑讽斞乜咨罘较驀鷰r變形以受拉為主（松弛變形）。穹頂圍巖應變具有明顯空間分異特征：多數(shù)在0.4 mm/m 以內(nèi)，1 號尾調(diào)室正穹頂15 m 深度、31 m 深度的應變突變點，對應裂隙或節(jié)理結(jié)構(gòu)面，穹頂圍巖變形主要集中在結(jié)構(gòu)面處。但穹頂圍巖變形總量低于5 mm，表明結(jié)構(gòu)面規(guī)模較小或穩(wěn)定性較高，未引起顯著松弛變形。

圖8 尾水調(diào)壓室滑動測微計應變-深度分布曲線

圖9 為滑動測微計成果時序曲線，測孔累計變形量值具有明顯的周期性變化規(guī)律，周期約為1 年。在每年的6 月-7 月達到最大，隨后開始減小至每年的11 月達到最小值。這主要與圍巖溫度的周期性變化相關(guān)，與圓筒形洞室井身的后續(xù)開挖相關(guān)性很小。

圖9 尾調(diào)室穹頂滑動測微孔軸向累計變形時序過程線

圖10 為穹頂多點位移計成果時序曲線?？梢姡S向變形量值與滑動測微成果相當，為5 mm 左右。穹頂結(jié)構(gòu)面區(qū)段與Ⅲ級圍巖變形規(guī)律類似，圍巖變形主要發(fā)生在掌子面近接施工期。位移計測值在尾調(diào)室井身開挖期間基本無變化，驗證了穹頂圍巖變形受井身開挖擾動影響很小。

圖10 尾調(diào)室穹頂位移計圍巖變形時序過程線

對比穹頂滑動測微成果與多點位移計時序成果，不同點在于是否具有周期波動的規(guī)律?？梢詮臏y孔的原理和構(gòu)造來分析：測微孔為鉆孔中安裝的測斜管和固定間距銅環(huán)構(gòu)成，測斜管內(nèi)空氣與洞室大氣聯(lián)通，氣溫存在一定的周期變化。由此引起測孔圍巖周期性溫度應力變化，導致圍巖變形呈現(xiàn)伸長-縮短交替變化。然而，位移計測孔被灌漿封堵體填充，圍巖溫度變化小，溫度應力波動較弱，所以很難出現(xiàn)測微孔圍巖具有的變形周期性規(guī)律。兩種測孔構(gòu)造原理對比如圖11 所示。

圖11 滑動測微計測孔(左)及位移計測孔(右)構(gòu)造原理

3.2 長廊型洞室群中隔墻圍巖變形特性

根據(jù)開挖后揭示的巖體破壞特征，南側(cè)廠縱0-12 斷面屬于典型的應力集中區(qū)，而北側(cè)0+229則主要受到大型層間錯動帶C2斜切的影響，巖體以表面松弛為主[6,8,10]。主廠房-主變洞中隔墻滑動測微監(jiān)測成果特征值見表5。

表5 左廠房-主變洞中隔墻圍巖變形特征值

左廠房-主變洞中隔墻巖柱圍巖應變-深度分布曲線如圖12 及圖13 所示。南側(cè)廠縱0-12 斷面圍巖應變沿軸向通孔均出現(xiàn)了拉伸變形，圍巖應變多數(shù)在4 mm/m 以內(nèi)，這與研究者通過孔內(nèi)攝像觀測到的應力型破壞現(xiàn)象相吻合[6,9,12]。由于孔軸向均產(chǎn)生了拉伸應變，中隔墻圍巖松弛深度可取孔深1/2（30 m），見圖12。圖14 為松弛深度經(jīng)驗公式[10]，左廠開挖高度88 m，對應的松弛圈深度約33.95 m，驗證了滑動測微觀測成果的可靠性。這表明高構(gòu)造應力條件下，應力集中區(qū)的圍巖應力調(diào)整深度與松弛圈深度相當，約為洞室高度的的1/3。

圖12 廠縱0-012 斷面中隔墻圍巖應變軸向分布曲線

圖13 廠縱0+229 斷面中隔墻圍巖應變軸向分布曲線

圖14 高應力洞室松弛圈范圍與洞室高度關(guān)系曲線[10]

廠房北側(cè)0+229 測孔圍巖松弛變形集中在淺層（距孔口10 m 內(nèi)），其余孔深應變很小，如圖14。由此判斷北側(cè)中隔墻松弛圈深度基本在10 m 左右，僅相當于南側(cè)應力集中區(qū)（廠縱0-012）圍巖松弛深度的1/3，而最大應變值則超過南側(cè)應力集中區(qū)近1 倍。可見，北側(cè)發(fā)育的大型結(jié)構(gòu)面造成圍巖松弛變形集中于結(jié)構(gòu)面附近，而結(jié)構(gòu)面以里圍巖變形很小，巖體應力調(diào)整幅度較南側(cè)明顯削弱。換言之，構(gòu)造應力為主應力的長廊型洞室群，中隔墻圍巖松弛圈范圍與應力集中程度成正比。

將廠房-主變洞巖柱各滑動測微測孔的軸向應變累加得到軸向累計變形，繪制滑動測微測孔軸向累計變形的時序過程線如圖15 所示。

圖15 中隔墻圍巖變形時序過程線

由圖15 可見，在廠房下挖階段，測孔累計松弛變形在開挖期呈臺階狀增長趨勢，尤其第Ⅵ層-第Ⅶ層下挖期間，變形量增速較為顯著，最大達到0.60 mm/d。該階段廠房下挖速度為開挖時期最大的時段，隨著洞室開挖成型，測孔累計變形量明顯趨收斂。表明中隔墻圍巖松弛圈的發(fā)展主要集中在下挖階段，洞室成型后，基本無擴展。

從圍巖變形在開挖期的時序特征來看，變形具有明顯的脆性特征，變形的增幅與爆破開挖擾動的幅度成正比。對于長廊型廠房邊墻而言，高構(gòu)造地應力格局決定了圍巖卸荷后會產(chǎn)生顯著的松弛變形，圍巖松弛圈范圍遠高于洞室頂板區(qū)域。

4 結(jié)論

本文基于工程地質(zhì)調(diào)查及滑動測微計監(jiān)測成果，從空間連續(xù)角度（圍巖應變）系統(tǒng)地分析了高地應力硬質(zhì)圍巖條件下圓筒形洞室穹頂?shù)膰鷰r變形規(guī)律，探討了長廊型洞室群中隔墻圍巖松弛圈的范圍及演化特性。主要得出以下結(jié)論：

（1）1 號尾調(diào)室穹頂存在兩個軟弱結(jié)構(gòu)面，但結(jié)構(gòu)面對穹頂圍巖變形影響較小，影響范圍局限于正穹頂。圍巖變形及分布特征主要與地應力格局、巖性和軟弱結(jié)構(gòu)面因素有關(guān)。

（2）由于滑動測微孔內(nèi)空氣與洞室大氣聯(lián)通，測值具有周期變化規(guī)律。多點位移計測孔空隙被灌漿填充，圍巖溫度穩(wěn)定，溫度應力波動弱，所以變形演化過程與溫度相關(guān)性小，無周期性規(guī)律。

（3）高構(gòu)造應力條件下，長廊型洞室群，中隔墻圍巖松弛圈范圍與應力集中程度成正比；北側(cè)發(fā)育的大型結(jié)構(gòu)面造成圍巖松弛變形集中于結(jié)構(gòu)面附近，巖體應力調(diào)整幅度較南側(cè)明顯削弱；應力集中區(qū)的圍巖應力調(diào)整深度與松弛圈深度相當，接近洞室高度的1/3；中隔墻圍巖松弛圈的發(fā)展主要集中在下挖階段，洞室成型后，基本無擴展。

（4）本文基于全過程圍巖變形演化規(guī)律，查明了圓筒型洞室穹頂圍巖變形特性和長廊型洞室群中隔墻的圍巖松弛規(guī)律，可為運行期及同類工程的支護參數(shù)優(yōu)化設計提供參考。