蒲石河抽水蓄能电站地下厂房开挖支护设计

于生波，赵忠文，逄立辉，贾志刚，宋立民，吕君卓

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁 丹东 118216）

1 工程概况

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省宽甸满族自治县境内，距丹东市约60 km，该电站是我国东北在建的大型纯抽水蓄能电站，总装机容量为1 200 MW，单机容量为300 MW，共4台机组。

厂房洞室系统是一组空间立体交叉的地下洞室群，以厂房、主变室及尾闸室为核心。三大洞室从上游向下游依次平行布置，厂房与主变室间岩体厚度为29.8 m，主变室与尾闸室间岩体厚度为19.9 m。 3 个洞室的纵轴线方位均为 NW279°50′19″。

2 洞室群围岩状况

蒲石河抽水蓄能电站枢纽区基岩主要为混合花岗岩，局部穿插有闪长玢岩岩脉。岩石新鲜、坚硬，上覆岩体较厚。虽有40余条断层破碎带分布，但宽度较小，倾角较陡，多分布于厂房枢纽区的东西两侧，走向多与厂轴交角较大。岩石节理一般不发育，多以陡倾角为主，其主要节理走向与厂轴交角亦较大，多呈微张或钙质胶结。

从整体看，厂房枢纽地段岩体尚完整，以块状结构为主，本区岩体地应力属中等状态，且其最大水平主应力方向与厂轴近平行，对洞室围岩稳定较为有利。

据厂房平硐所揭示的岩体工程地质特性，厂房枢纽地段多以Ⅱ类围岩为主，约占80%左右，Ⅲ类围岩约占20%。Ⅱ类围岩的纵波速多为4 000～5 000 m/s，其中个别地段达到5 500～5 900 m/s；Ⅲ类围岩纵波速多为3 250～4 000 m/s。Ⅱ类围岩岩体湿抗压强度为100～200 MPa；Ⅲ类围岩岩体湿抗压强度为55～100 MPa；断层破碎带岩体湿抗压强度为20～50 MPa。Ⅱ类围岩变形模量 E0为 10.65～28.49 GPa；Ⅲ类围岩E0为7.44～8.64 GPa；断层破碎带E0为 3.06 GPa。

厂房区地下水主要为赋存于基岩裂隙及断层破碎带内的裂隙水。地下水位埋深约40～55 m，高出厂房顶拱约190～195 m。据钻孔压水试验资料，厂房区岩石透水性微弱，其透水率多小于1 Lu。在厂房枢纽区西半部沿f14断层破碎带、节理J60和节理J73、上游支洞F14和f24断层破碎带以及岩脉δπ-13渗水量较大，约10～24 L/min。

3 围岩稳定分析

影响地下洞室围岩稳定的主要因素有以下两点：①自然地质因素。主要包括岩体地质构造、结构面性质和空间组合、岩石物理力学性质、地应力大小与方向和地下水状况等。②工程因素。包括工程洞室群布置、轴线方位、洞室形状、施工开挖顺序和施工方法以及洞室支护措施、支护时机等因素。天然条件下，岩体处于平衡状态，开挖洞室活动是引起围岩变形、破坏的直接原因。

地下洞室开挖后，改变了原来天然岩体中的应力平衡状态，在初始应力场的作用下，洞室围岩应力重新分布，围岩向洞内变形，甚至失稳破坏。地下厂房的围岩稳定性分析应根据岩体地质构造、岩石力学性质、地应力大小与方向、地下水影响及工程布置、施工方法等因素，采用工程类比法并结合有限元计算成果作出评价。

蒲石河抽水蓄能电站地下厂房洞室围岩稳定分析主要采用二维和三维计算模型相结合的方法进行非线性弹塑性有限元分析，岩体材料的屈服准则采用Drucker-Prager屈服准则，采用ANSYS程序软件进行计算分析。

根据二维模型和三维模型的有限元计算分析结果，对蒲石河地下洞室围岩的整体安全稳定性评价如下：

（1）洞室围岩整体位移符合具有高边墙的地下洞室特点。顶拱随开挖过程逐步下沉，在开挖后期轻微上抬，最大下沉量约8 mm；底板随开挖过程逐步上抬，最大上抬量14 mm左右；边墙向洞内收敛位移，最大位移量为25 mm左右。

（2）洞室围岩应力分布随开挖过程逐步由洞周向岩体内部迁移，应力迁移和调整区域主要集中在洞周1倍洞径左右范围。开挖过程中洞周未出现显著拉应力，较大压应力主要发生在拱角、底板和边墙中部，最大压应力均在15 MPa以内。

（3）洞室围岩塑性区仅出现在拱角、底板和边墙中部等部位，向洞周岩体延伸深度较浅，一般在3 m以内。

（4）通过对有支护锚杆和无支护锚杆 （毛洞）围岩稳定计算分析成果的对比，可以得出：①施加锚杆后，在各洞室的拱肩、边墙中部等部位锚杆自身的应力明显增大，说明开挖导致了岩体应力调整，锚杆在岩体应力调整中发挥作用比较明显。②由于吊车梁部位处于高边墙的中上部，该部位锚杆自身的应力比较大。③锚杆自身的应力在100 MPa以内，远小于锚杆的允许应力，说明岩体稳定状况较好，岩体和支护结构是稳定安全的。

综上所述，蒲石河抽水蓄能电站地下洞室围岩的应力、位移分布规律性较好，无明显异常区域，围岩处于安全稳定状态，拟定锚杆支护是合理、可靠的。

4 支护设计

工程因素对洞室围岩稳定的影响是明显的。在同类围岩中，洞室布置尺寸越大，围岩稳定性越差，而施工开挖是造成围岩应力重分布的基本原因。影响围岩稳定最为显著的就是地下洞室的开挖方式，不同的开挖程序就意味着在时空上以不同的方式对围岩施加荷载，从而决定施工期内围岩的应力、塑性区和洞周位移的分布。开挖爆破产生的岩石松动和破裂对围岩稳定关系也很大。另外，支护时机的选择也是至关重要的，支护过早，则支护结构承担荷载更大，不能充分发挥围岩自身 “塌落拱”效应，造成支护工程量增加；支护过晚，错过最佳支护时机，围岩变形量增大，对稳定造成不利影响。

围岩与支护结构共同承载的现代支护理论是20世纪50年代发展起来的，这种理论认为岩体不仅会对支护结构产生荷载，同时本身又是一种承载体，围岩是承载的主体，支护是加固和稳定围岩的手段，支护与围岩共同承载维持洞室稳定。允许围岩有适度变形，通过支护调节，控制围岩不出现有害松动，以最大限度地发挥围岩自承能力。

充分发挥围岩自承能力是现代支护理论的一个基本观点。当前，国际上广泛采用的 “新奥法”就是基于支护与围岩共同作用的现代支护理论。 “新奥法”一方面要求采用快速支护、紧跟作业面支护、预先支护等手段限制围岩松动，以保持围岩的自承力；另一方面又要求采用分次支护、柔性支护等手段允许围岩出现一定程度的塑性，以充分发挥围岩的自承载能力。显然，支护时机选择是 “新奥法”的一个关键因素。

目前，国内外对地下洞室的支护设计较普遍采用的是 “新奥法”，利用喷混凝土和锚杆相结合的柔性支护，并根据变形观测资料加以修正。喷锚支护结构能较好地适应地下洞室围岩变形，使岩体结构的自承能力得以充分发挥。

蒲石河抽水蓄能电站地下洞室的支护设计是在有限元计算分析成果确定支护形式和参数的基础上，根据围岩分类、工程类比，按半经验半理论的方式综合分析确定了洞室的支护形式。地下洞室群以采用全喷锚支护设计为主，局部采用喷锚支护与混凝土衬砌相结合的复合支护形式，即以柔性支护为主，刚性支护为辅。地下洞室支护布置见图1。

图1 蒲石河地下厂房洞室支护布置

（1）主厂房洞室13.2 m高程以上边墙及顶拱喷钢纤维混凝土，喷层厚度为15.0 cm；13.2 m高程以下喷10.0 cm厚素混凝土。

（2）主厂房洞室顶拱及上、下游墙13.2 m高程以上布置系统锚杆，锚杆φ25，锚入岩石4.0 m或6.0 m；上、下游墙13.2～-7.0 m高程系统锚杆φ25，锚入岩石 5.0 m；上、下游墙-7.0 m高程以下系统锚杆φ22，锚入岩石4.0 m。以上系统锚杆间排距均为 1.5 m×1.5 m。

（3）厂房端墙处及厂房尾水管处系统锚杆φ22，锚入岩石 4.0 m，间排距为1.5 m×1.5 m。

（4）主变洞顶拱及边墙均喷15 cm厚钢纤维混凝土。

（5）主变洞系统锚杆φ25或φ22，锚入岩石5.0 m或3.0 m，间排距1.5 m×1.5 m。

（6）母线洞为喷锚支护与混凝土衬砌相结合的复合支护形式，喷10 cm厚素混凝土结合40 cm厚混凝土衬砌墙体，系统锚杆φ22，锚入岩石4.0 m，间排距1.5 m×1.5 m。

（7）洞室拱角处以及洞室交叉口处设置超前锚杆，永久锚杆采用φ25加长锚杆，锚入岩石7.0～9.0 m。

在施工阶段，根据厂房开挖后的地质情况及监测结果，合理地调整了厂房系统的支护设计，主厂房上、下游墙体加设了1 000 kN级的锚索，锚索长度为20～30 m；母线洞间加设了对穿预应力锚杆等。对于开挖过程中发现的局部不稳定岩块，及时采取了随机加固支护措施。

5 结语

蒲石河抽水蓄能电站地下厂房洞室群开挖支护完成已经近4年的时间。从锚杆应力计、位移计等监测成果分析可知，系统锚杆支护有效地改善了围岩的应力状态，减少了洞室围岩的塑性区，限制了围岩位移的有害发展，提高了围岩的整体稳定性，支护参数和支护结构是合理可靠的。经过蒲石河工程实践，对地下厂房洞室群围岩稳定分析及支护设计有了以下认识：

（1）地质勘探工作是地下工程设计的基础。无论是围岩整体稳定性分析，还是局部不稳定块体分析，都离不开岩体的物理力学特性。有限元计算分析的精确与否，取决于其模拟的边界条件是否与实际地质情况相符。因此，地勘工作在地下工程设计中至关重要。

（2）做好围岩的有限元计算分析工作，除了边界条件模拟的准确性外，开挖方式、方法也决定着洞室围岩的稳定性。因此，应综合考虑现代施工设备、施工能力、施工条件等多方面因素，确定模拟合理的、符合实际的开挖方式、方法。

（3）在地下洞室群支护设计中，必须运用承载拱现代支护理论，充分发挥围岩的自承能力，采取“新奥法”的柔性支护形式，掌握好最佳的支护时机，减少衬砌和支护工程量，减少工程投资。

（4）通过反分析和预测分析，对支护设计随时进行调整或修正，使之更符合实际工程，在满足围岩稳定的安全前提下，让支护措施更加合理化。

［1］ 刘琦风，译.明潭抽水蓄能电站地下厂房洞室设计［J］.西北水电， 1991（1）:59-64.

［2］ 杨典森，陈卫忠，等.龙滩地下洞室群围岩稳定性分析［J］.岩土力学， 2004， 25（3）:391-395.

［3］ 肖明，龚玉锋.西龙池抽水蓄能电站地下厂房围岩稳定三维非线性分析［J］.岩石力学与工程学报， 2000， 19（5）:557-561.

［4］ 徐文仙，戚海峰.江苏宜兴抽水蓄能电站地下厂房的支护设计［J］.水力发电， 2009， 35（2）:54-56.