高地应力条件下大型地下洞室群施工期围岩稳定特征分析

周铭铄， 贺邵生

(湖南省有色地质勘查局二四七队 湖南有色工程勘察研究院，湖南 长沙 410000)

人们的生活水平不断提高，对水电的需求也在增加，水电工程随之快速发展，在某些地区发展水电站会面临很多问题，例如由于地形的特点，采用地下洞室群施工使得稳定性出现问题。很多地下洞群施工过程围岩发生变化和裂缝，造成施工环境的不稳定，需要针对这些情况进行分析，保证施工环境的稳定和施工人员的安全。

1 地下洞室群的工程地质条件

1.1 工程简介

本文以某水电站为例分析了大型地下洞室群施工期围岩稳定问题，此水电站位于雅砻江大河湾干流河段，采用砼双曲拱坝，最大坝高305 m。大坝下游350 m山体内为水电站地下厂房，水平、垂直埋深分别为170 m、180～350 m，根据地质调查显示，此区域节理裂隙发育、地应力高，受断层影响，存在较为严重的围岩施工稳定性问题。

1.2 地应力

由于受地形和环境的影响，地下洞室群的地应力分布不均匀，不同范围内的围岩值代表不同的地应力，一般围岩强度在2～4就属于高应力区。地下洞室群施工厂房设计位置不合理也会影响围岩的稳定。当地应力较大时，严重破坏围岩稳定性，甚至造成厂房周围施工环境大的变化，使得洞室群会发生裂缝、变形等，这些情况都会影响施工围岩的稳定情况。

为了地下洞室群施工围岩稳定性，要分析施工场地的情况，采用有效改善措施。由于厂房建设位于复杂地带，问题突出，要针对围岩不稳定性分析施工环境。

1.3 围岩情况

地向洞室群的地层分布情况特殊，施工厂房由不同的围岩组成，不同的岩层分布不同区域，饱和压力为65～80 MPa。

该水电站围岩种类很多，具有断层、局部破碎类型，有的断层是平行发展，在枢纽区右岸有很多短程地带，跨度很大，可能穿越主厂房、主变室，而且范围很广，这些地区由于风化情况明显，导致岩体的颜色呈现黄色。某水电站地区地应力普遍很高，该地区存在很严重的岩爆现象。由于自重应力，地应力还与坡度有关。

通过不断地研究地下洞室群的情况，剖析每个分期阶段的特点，对地下洞室群的认识会不断加深。综合分析各方面的信息，了解影响围岩稳定性的因素，再通过实验和模型分析，可针对分析结果采取有效的开挖措施，避免影响围岩稳定性。

1.4 岩性

通过分析施工作业环境，研究地下洞室群的地应力条件稳定性，采取相应措施，表1为地下洞室群分期施工岩性。

表1 地下洞室群分期施工岩性

施工预测阶段是分析实验模型的情况，对施工厂房各个组成部分进行分析，可以看出前期的地下洞室群施工围岩情况，实验和实际的情况存在出入，需要结合实际的围岩情况分析对比，得到准确结果，得出新的实验结果和参数模型。通过分析研究每个时期的地下洞室群的数据，确定围岩稳定情况，根据实际情况施工，提高施工安全系数，不对围岩造成影响。

2 围岩的稳定特性的研究

2.1 围岩的应力分析

本工程地质条件以及地下洞室群体型复杂，开挖支护施工也会对围岩产生扰动，因此围岩存在着较为复杂的应力变化。相邻洞室开挖会对洞室围岩产生明显影响，随着开挖施工的持续进行，围岩应力不断增加，整个开挖过程中，洞室群绝大部分洞室围岩应力分布状态为不断变化的态势。

从调查资料中得出，最大主应力均为沿着主厂房轴向方向的压应力，不同部位的围岩应力分布情况不同，断层间围岩应力的变化较小，断层出露处应力偏大，与顶拱处相比，拱脚处应力偏大。本工程上游侧存在断层，因此上游侧顶拱应力更大，下游稍小。

2.2 围岩的变形分析

根据洞室开挖情况来看，开挖初期，围岩主要为竖直变形，水平变形小，且变形最大处与断层出露、地应力方向密切相关；在进行顶拱层开挖时，变形严重，必须高度重视，及时采取有效的支护加固措施，以保证后续施工的安全性。

在开挖过程中，围岩有以下几种变形：

(1)洞室边墙上部开挖时，变形较小，但是随着开挖的深入，洞室边墙围岩变形较大。

(2)开挖后期，受连接洞室开挖影响下，主变室上游侧边墙、主厂房下游侧边墙围岩均出现了较为严重的变形问题，尤其是洞室连接处变形最大；厂房-尾调连接洞开挖时，主厂房下游侧中部岩柱下部围岩以及边墙下部的围岩都有比较突出的竖直沉降变形。

(3)围岩的变形随着开挖进行而不断增大(特别是边墙的变形)，为解决此问题，必须合理选择支护、加固方法，及时施作，限制围岩变形，保证洞室群开挖施工安全。

2.3 围岩的塑性区分析

根据围岩的塑性区分布情况可以得出：

(1)断层会对洞室围岩塑性区产生明显影响，一旦洞室断层穿越，则塑性区深度、范围均会更大；

(2)在地下洞室群开挖结束后，岩体要是处在主厂房机窝处的话，基本上都是处在塑性状态，围岩破坏严重，危险性极大；尾调室边墙塑性区通常沿边墙分布，深度可达到8 ～10 m。

(3)厂变连接洞围岩和主厂房主变室两侧边墙具有较差的稳定性，在施工过程中可能会出现围岩破裂的现象。

2.4 加固和支护措施

地下洞室群主要支护方法包括：框格梁及衬砌混凝土、预应力锚索、喷锚支护等。本地下厂房洞室群的开挖支护过程中，存在着局部涌水、极高地应力、岩体强度及变模较低、地质构造复杂等地质问题，对此必须严格按照以下原则进行开挖支护设计：

(1)实施工程类比工作，充分借鉴已建工程经验，落实岩体力学数值分析，发现问题可及时向专家请教；(2)坚持“以柔性支护为主、以刚性支护为辅”“以系统支护为主、以局部加强支护为辅”，充分发挥围岩自身承载能力，提高支护设计灵活性；(3)坚持“动态的支护设计”和“特殊部位特殊支护”的基本原则。

此外，在开挖施工作业时，地下厂房下游拱部位喷层砼开裂，经分析显示其主要原因在于开挖卸荷受高地应力影响，从而导致了上、下游出现不对称变形，下游拱部位应力集中。此外，基于主应力方向和岩层产状的不利组合，下游拱部位出现局部压碎、劈裂破坏情况。因此，加强支护措施主要从提高围岩的整体稳定性，增强围岩松动区整体岩石的强度，阻止围岩松弛深度向深部发展，限制表面岩体的侧向变形等方面来进行强化。

3 结语

该水电站地下洞室群施工情况比较复杂，地质构造不稳定，施工中的操作可能会导致围岩不稳定，需要分析具体情况来采取有效措施。认为可以采用数值模型和施工结合，分析出地应力、围岩的情况，针对出现的情况采取防护措施，维持地下洞室群施工围岩稳定，保证施工正常进行。