高地应力硬岩大型洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比关系研究

，，

(1.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072； 2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

近年来，在我国西部高山峡谷地区，已经建成了诸如雅砻江锦屏一级、官地和大渡河猴子岩等水电工程。在复杂区域地质构造背景下的地下洞室群施工开挖过程中，围岩将受到高—极高的初始地应力影响，在洞室群不同部位出现卸荷回弹、片帮剥落、岩体劈裂等不同类型的围岩变形破坏现象，支护措施如混凝土喷层出现不同数量、不同规模的裂缝或脱落，这些由围岩变形引起的破坏，都会导致支护工程量的增加和工期的延长，使得工程投资增加。随着我国西部水电资源的大规模开发，位于西部高山峡谷地区高地应力大型地下洞室群将会越来越多，由高地应力引起的围岩变形破坏失稳问题也越来越凸显，已成为当前岩石力学研究和工程地质勘察的重点和难点课题。

目前，有关高地应力条件下洞室群围岩变形破坏成果，以变形破坏机理及加固措施研究居多，如对施工期洞室群围岩变形破坏特征[1-3]、时效变形特征及其成因机理[4-7]、加固措施的研究[8-10]。另外，也有针对围岩卸荷松弛的声波曲线特征、声波曲线的时间效应特征对围岩变形破坏特征及机理的研究[11-12]，以及针对围岩变形破坏类型与洞室方向的关系、卸荷松弛形成时间规律及其最佳支护时机选择的研究[13-14]。根据我国现行规范[15]，岩石强度应力比作为岩体初始地应力分级的主要依据，是工程勘察阶段预测工程岩体施工开挖过程主要力学响应的重要指标。虽然针对高地应力条件下地下洞室开展围岩分类研究时，已有研究根据岩石强度应力比进行初始地应力分级标准的研究进展[16]，但均未涉及对硬岩大型洞室群围岩变形破坏类型与岩石强度应力比的关系和规律的研究。

本文以具有典型高地应力特点的锦屏一级水电站地下厂房和猴子岩水电站地下厂房2个硬岩大型洞室群为研究对象，首先系统梳理了这2个工程的工地地质条件，包括围岩岩性、岩石强度和初始地应力等数据，并针对两洞室群的施工期围岩稳定演化过程开展分析，详细统计了施工开挖过程中的围岩破坏类型和数量。然后，根据岩石抗压强度和初始地应力数据，绘制了典型地质剖面的岩石抗压强度、初始最大主应力以及岩石强度应力比分区图，并进一步结合围岩140多个破坏现象与发生部位，建立了高地应力条件下硬岩大型地下洞室群围岩变形破坏类型与岩石强度应力比之间的联系。最后，采用基于强度应力比的地应力分级标准，研究了现有规范分级标准[16]和根据高地应力区特点提出的修正分级标准[17]的适用性，以及围岩变形破坏数量和特定破坏类型与地应力分级之间的关系。

研究成果有助于今后高地应力条件下硬岩大型地下洞室施工期围岩变形破坏类型预测，并为提出具有针对性的施工期围岩稳定控制措施提供参考。

2 典型地下洞室群工程地质特征

2.1 锦屏一级水电站地下厂房洞室群

2.1.1 工程概况

锦屏一级水电站地下厂房布置于雅砻江右岸大坝下游山体内，地下厂区洞室群规模巨大，主要由引水洞、地下厂房、母线洞、主变室、尾水调压室和尾水洞等约40个洞室组成，水平埋深一般约110～300 m，厂房轴线N65°W，其中3大主洞室中的主厂房开挖尺寸为276.99 m(长度)×(28.90 m/25.60 m)(岩锚梁以上宽度/岩锚梁以下宽度)×68.8 m(高度)，主变室开挖尺寸为197.10 m(长度)×19.30 m(宽度)×32.70 m(高度)，圆筒型1#调压室开挖尺寸为80.50 m(高度)×(41 m/38 m)(上室直径/下室直径)，圆筒型2#调压室开挖尺寸为79.50 m(高度)×(37 m/35 m)(上室直径/下室直径)。

2.1.2 地下厂房洞室群岩性与岩石抗压强度

地下厂区涉及岩层岩性包括中上三叠统杂谷脑组第二段第2—第4层大理岩，其中第2层既有中—厚层状大理岩，又有薄层状大理岩，夹顺层绿片岩，中硬与坚硬岩相间分布；第3层以条纹状大理岩、同色角砾状大理岩为主，夹极少量薄层绿片岩，岩体多呈厚层—块状结构；第4层岩性为杂色角砾状大理岩、灰白色大理岩，零星分布透镜状绿片岩。岩层岩性可以划分为7种岩石类型，岩石强度一般约60～75 MPa，各种岩石类型的饱和单轴抗压强度见表1。

表1 锦屏一级地下洞室群岩石饱和单轴抗压强度Table 1 Saturated uniaxial compressive strength of rock of underground caverns of Jinping Hydropower Station Stage-I

注：岩石强度分区和岩石强度应力比分区中取范围值；具体各变形破坏点岩石强度应力比计算中取中值

根据岩石饱和单轴抗压强度和地下厂区洞室群岩层界线分区，可以得到锦屏一级地下厂区岩石强度分区平切面图，见图1。

图1 锦屏一级地下洞室群岩石单轴抗压强度分区Fig.1 Partition of surrounding rock according to uniaxial compressive strength of underground caverns of Jinping Hydropower Station Stage-I

2.1.3 地下厂房洞室群地应力实测成果分析

锦屏一级水电站坝址区谷坡高陡，相对高差1 500～2 500 m，构造应力场以NW—NWW向为主压应力场，构造应力与高自重应力叠加造成天然状态下地应力量值高，且分布不均一。锦屏一级地下厂区分别进行了24组空间地应力测试。根据地应力实测成果对洞室群进行最大主应力量值分区划分，可得到地下厂区最大主应力σ1量值分区平切面图，见图2。

图2 锦屏一级地下厂区最大主应力σ1量值分区Fig.2 Partition of surrounding rock according to values of maximum principal stress σ1 of the underground cavern group of Jinping Hydropower Station Stage-I

由图2可见：实测初始最大主应力一般为20～30 MPa，最高达35.7 MPa，方向平均为N48.7°W，与厂房轴线夹角约15°～20°。

2.2 猴子岩水电站地下厂房洞室群

2.2.1 工程概况

猴子岩水电站地下厂房3大主洞室的主厂房、主变室、尾调室呈平行布置，洞轴线方向 N61°W。地下厂房洞室群水平埋深280～510 m，垂直埋深400～660 m。主厂房开挖尺寸为219.5 m×29.2 m×68.7 m(长度×宽度×高度)，主变室开挖尺寸为139.0 m×18.8 m×25.2 m(长度×宽度×高度)，长廊型尾水调压室开挖尺寸为140.5 m×23.5 m×75.0 m(长度×宽度×高度)。

2.2.2 地下厂房洞室群岩性与岩石抗压强度

猴子岩地下厂区涉及岩层岩性包括志留系上统(S3)—泥盆系下统(D1)变质碳酸盐岩、绢云石英白云片岩、泥质结晶白云岩等，总体上为中厚层—厚层—巨厚层状，局部夹薄层状白云质灰岩、变质灰岩，少量夹薄层状含绢云母变质灰岩。岩层岩性可以划分为6种岩石类型，岩石强度一般约80～100 MPa，各种岩石类型的饱和单轴抗压强度见表2。

表2 猴子岩地下洞室群岩石饱和单轴抗压强度Table 2 Saturated uniaxial compressive strength of rock of underground caverns of Houziyan Hydropower Station

注：抗压强度取值原则同表1

根据岩石饱和单轴抗压强度和地下厂区洞室群岩层界线分区，可以得到猴子岩单轴抗压水电站地下厂区岩石单轴抗压强度分区平切面图，见图3。

图3 猴子岩地下洞室群岩石单轴抗压强度分区Fig.3 Partition of surrounding rock according to uniaxial compressive strength of underground caverns of Houziyan Hydropower Station

2.2.3 地下厂房洞室群地应力实测成果分析

猴子岩水电站地处深山峡谷区，新构造运动总体特点以整体间歇性强烈抬升为主，区域构造应力最大主应力方向表现为近EW向或NWW—SEE向。岩体以坚硬较完整变质灰岩为主，易于蓄集较高的应变能，地应力值相对较高。猴子岩地下厂区进行了9组空间地应力测试。根据地应力实测成果对洞室群进行最大主应力量值分区划分，可得到最大主应力σ1量值分区平切面图，图4为猴子岩地下厂区最大主应力σ1量值分区平切面图。

图4 猴子岩地下厂区最大主应力σ1量值分区Fig.4 Partition of surrounding rock according to values of maximum principal stress σ1 of the underground cavern group of Houziyan Hydropower Station

由图4可见：实测初始最大主应力多在 20～30 MPa范围内，最大36.43 MPa，方向一般N41°～75°W，与厂房轴线夹角约14°～20°。

3 洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比的关系

3.1 洞室群施工期围岩变形破坏类型和部位分析

锦屏一级地下厂房受高—极高地应力、相对较低的岩石强度和大规模洞室群复杂的洞室结构等诸多因素的综合影响，施工开挖过程中洞室群不同部位围岩发生了较大范围的变形破坏，从洞室浅表部到深部均有发生、发展。在洞室群开挖完成后，调查、统计表明共有变形破坏60点，归纳、分类可以划分为片帮剥落、卸荷回弹、岩体劈裂、挤压片状碎裂、岩层弯折内鼓、环向卸荷拉裂、岩层错动7种类型。

猴子岩地下厂房洞室群在施工过程中发生了同样的大范围变形破坏，较明显、较强烈的区域主要是主厂房上下游拱座下方至岩锚梁之间。调查、统计表明共有81点，归纳、分类可以划分为片帮剥落、卸荷回弹、挤压片状碎裂、岩体劈裂、环向卸荷拉裂、岩体鼓胀6种类型。

可见，上述这2个高地应力区地下厂房在施工过程中发生围岩变形破坏分类都与已有研究成果[17]的划分略有所不同。另外，统计分析发现，这类高地应力区硬岩大型地下洞室群围岩破坏的部位主要发生在顺河向洞室下游侧拱座、上下游拱座至岩锚梁高程、上游边墙等部位，而顺河向的洞室围岩破坏发生的工程部位可能主要发生在外侧顶拱及内侧边墙下部，或发生在顶拱及外侧边墙；不论在垂河向洞室还是顺河向洞室，其洞壁浅表部围岩变形破坏现象主要表现为受开挖影响更明显的岩体劈裂、片帮剥落、卸荷回弹等，新生裂隙裂面一般陡倾角倾向洞内，反映了开挖后卸荷强烈作用。

表3进一步给出了2个典型工程各种围岩变形破坏类型的发生总数以及占比，对于锦屏一级地下厂房，片帮剥落最多，有21点、占35%；其次是卸荷回弹，有15点、占25%；最少是岩层错动和挤压片状碎裂，分别都只有2点、占3%。对于猴子岩地下厂房，岩体劈裂最多，有48点、占59.3%，其次是片帮剥落，有25点、占30.9%，最少是挤压片状碎裂，只有1点、占1.2%。

表3 硬岩大型地下洞室群围岩破坏数量统计Table 3 Statistics on the number of surrounding rock failures of large underground caverns in hard rock

3.2 地下洞室群区域岩石强度应力比分区特征

上述3.1节中给出了高地应力硬岩大型洞室群施工期围岩变形破坏类型和发生部位的复杂性特征，体现的是洞室群不同部位的岩性、岩石强度以及初始地应力等影响因素的差异性。所以，采用一个既能反映岩石强度特性又能反映初始地应力特征的相对指标，用于梳理洞室群围岩变形破坏的规律是必要的。

对于赋存于一定地应力环境的岩石，强度应力比指标应是一个客观存在的属性。综合上述给出的地下厂区岩石强度分区和最大主应力量值分区平切图，可将两分区图合并，得到岩石强度应力比的分区特征图， 见图5。岩石强度应力比的分区图综合了岩石强度分区和最大主应力分区的主要特征，在总体上呈现出越靠近山内侧，强度应力比指标越低的分布趋势；在局部则受到不连续地质构造强度低的影响，使得强度应力比在局部出现陡降。总体来看，岩石强度应力比量值较低的区域，正是地下厂房洞室群施工开挖过程中易发围岩变形破坏的区域。图5综合地质勘察和实测地应力成果，直观展示了工程岩体在施工开挖过程中更易发生问题，由此更应予以关注的部位，这为后续的地下厂房开挖支护设计和施工期围岩稳定控制提供了依据。

3.3 不同地应力分级标准下围岩破坏分布特征

表4给出了基于现行规范[16]和修正的初始地应力分级标准[17]。其中，修正的初始地应力分级标准[17]是在广泛搜集、整理目前大型水电工程地应力状况资料(尤其是高地应力区大型地下厂房)的基础上，对地应力分类评价指标及标准提出的新建议，是反映我国水电工程实践的最新研究成果。

将锦屏一级和猴子岩2个硬岩大型地下厂房洞室群的围岩破坏部位与其所在部位的岩石强度应力比值相联系，分别采用现行规范和修正的岩体初始地应力分级标准，可以得到不同分级标准下的围岩变形破坏数量分布特征。基于现行规范的地应力分级标准，2个水电站地下厂房中仅有8处围岩变形破坏归入极高地应力范畴，占5.6%，绝大多数围岩变形破坏属于高地应力范畴，共128点，占90.8%，另有3.5%的围岩变形破坏属于中等地应力范畴，见图6。基于修正的地应力分级标准，则有73.0%的围岩变形破坏属于极高地应力破坏，26.2%的围岩变形破坏属于高地应力破坏，0.7%的围岩变形破坏属于中等应力破坏。

结合已建水电工程所获得的地下洞室围岩变形破坏特征和相应的地应力特点等经验，可知锦屏一级和猴子岩水电站的2个地下厂房所发生的围岩变形破坏程度、破坏范围均具有显著的与极高地应力条件所对应的特点。因此，对于图6(a)和图6(b)，可知基于修正的地应力分级标准更符合高地应力条件下地下厂房围岩变形破坏特点。

图5 大型地下洞室群岩石强度应力比分区Fig.5 Zoning of surrounding rock according to strength-to-stress ratio of large-scale underground cavern group

3.4 围岩变形破坏与岩石强度应力比的关系

采用修正的岩体初始地应力分级标准，研究了锦屏一级地下厂房和猴子岩2个硬岩大型地下厂房洞室群的围岩破坏类型与岩石强度应力比的关系。

(1)当岩石强度应力比<3时，2个地下厂房出现次数最多的围岩变形破坏类型为岩体劈裂、片帮剥落和卸荷回弹，为40次、34次、14次，分别占比39.6%,33.7%和13.9%，见图7(a)。

(2)当岩石强度应力比介于3～6时，2个地下厂房出现次数最多的围岩变形破坏类型为岩体劈裂和片帮剥落，为16次和11次，分别占比43.2%和29.7%，见图7(b)。

表4 基于岩石强度应力比的初始地应力不同分级标准Table 4 Different grading standards for initial geostress based on rock’s strength-to-stress ratio

图6 2种分级标准下围岩破坏数量统计特征Fig.6 Statistical quantities of failures of surrounding rock under two grading standards

图7 基于岩石强度应力比修正分级标准的围岩破坏 类型和数量的统计分布特征Fig.7 Statistical distribution characteristics of surrounding rock failure types and quantities based on grading standards modified according to rock’s strength-to-stress ratio

由上可见，岩体劈裂和片帮剥落在极高地应力和高地应力条件下，均是出现较多的围岩变形破坏类型，卸荷回弹破坏则在极高地应力条件下出现较多。其他变形破坏类型，包括岩层弯折内鼓、环向卸荷拉裂、岩体鼓胀、岩层错动和挤压片状碎裂，出现次数相对较少，规律性不明显。

从上述统计分析可知，岩体劈裂、片帮剥落和卸荷回弹是高地应力区硬岩大型地下厂房洞室群围岩变形破坏的主要类型，其形成机制主要体现的是应力诱导型破坏机制[10,13,18]。进一步研究这3种围岩变形破坏与出现区域岩石强度应力比的关系，见图8。

图8 围岩应力诱导破坏类型统计分布随岩石强度 应力比的变化规律Fig.8 Variation of the statistical distribution of stress-induced failure types of surrounding rock against the strength-to-stress ratio of rock

由图8可知，岩石强度应力比越低，这3种围岩变形破坏类型出现的次数就越多，岩石强度应力比越高，这些变形破坏类型出现的次数就越少。这一规律表明了高地应力条件下，岩石强度应力比是高地应力条件下硬岩大型地下厂房洞室群产生应力诱导型围岩变形破坏的主要控制性因素之一，同时也表明，应力诱导型破坏机制是高地应力—极高地应力区硬岩大型地下厂房洞室群围岩破坏的主要成因机制。

4 结 论

本文以具有典型高地应力特点的锦屏一级水电站地下厂房和猴子岩水电站地下厂房2个硬岩大型洞室群为研究对象，对施工期发生的围岩变形破坏进行了详细梳理，并结合两水电站地下厂房的工程地质特征，分析了高地应力硬岩大型地下洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比的关系，主要结论为：

(1)锦屏一级和猴子岩水电站地下厂房施工开挖过程中，洞室群围岩变形破坏类型众多；通过对2个硬岩大型洞室群围岩140多个破坏现象进行统计，破坏类型可分为片帮剥落、卸荷回弹、岩体劈裂、挤压片状碎裂、岩层弯折内鼓、环向卸荷拉裂、岩层错动(岩体鼓胀)等7类，呈现出更为复杂的破坏机理和表现形式。

(2)将基于现行规范和修正的岩体初始地应力分级标准分别应用于锦屏一级和猴子岩2个高地应力区硬岩大型地下厂房洞室群中，发现修正的地应力分级标准更符合高地应力条件下硬岩大型地下厂房洞室群围岩破坏特点。

(3)绘制了硬岩大型地下洞室群岩石抗压强度、初始最大主应力以及岩石强度应力比分区图，并结合围岩140多个破坏现象和发生部位的统计，建立了高地应力条件下硬岩大型洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比之间的关系。结果表明，岩体劈裂、片帮剥落和卸荷回弹是高地应力条件下硬岩大型地下厂房洞室群最为常见的几种围岩变形破坏类型，其形成机制为应力诱导型破坏机制；岩石强度应力比越低，这些应力诱导型围岩破坏类型出现的次数就越多，反之越少，表明岩石强度应力比是硬岩大型地下厂房洞室群产生应力诱导型围岩破坏的一个主控因素。

(4)对于高地应力条件下大型地下洞室群开挖后围岩所呈现出的不同类型的变形破坏，设计和施工人员应当根据其变形破坏机制、形式，以及可能失稳模式，选择合适的开挖加固方法和适宜的支护强度，从而抑制或避免高地应力开挖卸荷带来的围岩变形失稳，保证施工期和运行期安全。

最后需要说明的是，本文依据的锦屏一级、猴子岩2个水电站大型地下洞室群岩层均以浅变质的碎屑岩为主，岩体硬、脆特点突出，完整岩体储能性能好，洞室群部位岩体初始地应力普遍在20～30 MPa，最大都在35 MPa以上[18]。其他工程可能与锦屏一级、猴子岩有相似之处，但各个工程都会因地层岩性及岩石强度、地应力环境和洞室群规模、结构、开挖支护方案等方面的差异，施工开挖后出现围岩变形破坏的类型和规律会有所不同。另外，由于本文的统计样本有限，上述结论尚需要更多资料的验证。