巴基斯坦N-J水电站地下厂房边墙变形分析

(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)

对地下厂房围岩的变形与破坏特征进行研究，是地下厂房设计的重要内容。影响围岩稳定的主要因素一方面是工程地质条件与围岩质量，另一方面是地下厂房布置与开挖支护。国内大部分大型地下厂房围岩类别以Ⅱ类为主、局部Ⅲ类，仅个别电站主洞室有约1/4洞段为Ⅳ类。由于岩体与工程因素复杂，目前对地下厂房洞室围岩稳定性评价仍没有一个统一的标准[1]。国内地下厂房洞室周边允许位移值一般控制在开挖跨度的0.5%以内，当洞室实施支护以后，围岩变形趋近于收敛，变化速率也趋近于零，则可判断洞室围岩趋于稳定。巴基斯坦N-J水电站(以下简称N-J电站)主洞室跨度25m，采用全喷锚支护，地下厂房围岩类别以Q4(约占67%)为主，且节理裂隙发育。开挖过程中，地下厂房主洞室边墙累计最大变位达302 mm，为开挖跨度的1.2%，远大于一般工程的控制值。本文根据开挖揭露的地质情况，通过对厂房布置和监测资料的分析，提出导致边墙变形过大的主要原因，总结经验教训，供类似工程借鉴。

1 地下厂房布置简述

N-J水电站位于巴基斯坦印度河支流尼拉姆河上，是一座高水头长隧洞引水式电站。工程由大坝、沉砂池、引水系统、地下厂房、尾水系统及开关站等组成，电站发电水头420 m，装机容量963 MW。采用中部式地下厂房方案，引水隧洞长28.5 km，尾水隧洞长3.5 km。

地下厂房埋深约400 m，主洞室纵轴线走向NE80°，与岩层走向EW285°～340°呈较大夹角。主厂房洞室长137.20 m，高54 m，宽25.00 m，安装4台混流式水轮发电机组。1号与2号、3号与4号机组间距22.7 m，2号与3号机组间距25.7 m，下游墙母线廊道宽8.00 m，高6.50 m，尾水闸门室宽8.50 m，高17.00 m。上游墙压力钢管开挖洞径6 m。主变洞室长150.37 m，宽16.40 m，高20.60 m，安装13台单向变压器。厂房横剖面见图1，厂房出线层平面布置见图2。

2 厂房区工程地质条件

工程区位于亚喜马拉雅逆冲推覆体上，除取水口局部地层岩性属于二叠系Panjal组火成变质岩外，其它建筑物区均位于第三系Murree组，划分为SS-1砂岩、SS-2砂岩、粉砂岩、泥岩和页岩五大类，其中SS-1砂岩和页岩均为独立单元，SS-2砂岩、粉砂岩和泥岩为连续的渐变系列。区域地层受强烈挤压，多呈紧闭的褶皱，多次被错断、挤碎，局部呈敞开式宽阔褶曲[2-3]。

厂房位于Agar峡谷右岸山体内，地下厂房埋深约400 m。前期厂房区地质勘察深度不足，也未实施勘探平硐。施工过程中，根据开挖揭露的地质情况，进行地质编录[4]。

图1 厂房横剖面图(尺寸单位：mm)Fig.1 Power house cross section

图2 厂房出线层平面布置(尺寸单位：mm)Fig.2 Layout of outgoing wire at power house floor

主厂房洞室段围岩岩性为Murree组砂岩与泥岩，即SS-1砂岩、SS-2砂岩、泥岩(Mud)及夹层。岩性以SS-1、Mud为主，SS-2+Mud次之。主洞室各岩性占统计段长的百分比见表1。岩性分布见图3。

SS-1砂岩呈浅灰色或灰色，坚硬，胶结较好，细粒-中粒结构，单轴抗压强度为75～97 MPa，节理闭合-微张，局部张开，碎屑充填。SS-2砂岩夹有薄层的粉砂岩、泥岩，一般呈浅红褐色，细粒-微晶-泥晶结构，强度低于SS-1，单轴抗压强度为38～55 MPa。泥岩呈红褐色，泥晶结构，软-中硬，遇水易软化，单轴抗压强度为17～50 MPa。

表1 主洞室各岩性占统计段长的百分比Tab.1 Percentage of lithology in main cavern

厂房部位岩体产状为NW285°～340°，NE ∠40°～70°。节理强烈发育，在SS-1砂岩中，大节理的发育间距为1～2 m，层面节理的发育间距小于1 m。泥岩为层理最发育的岩层，主要节理为：① NW310°～340°,NE ∠40°～70°；② NW295°～325°,SW ∠40°～70°；③ NE70°～90°,SE∠45°～75°；④ NE0°～30°,NW ∠55°；⑤ NE45 °～60°,NW ∠50°～60°。

图3 主洞室岩性分布展开图Fig.3 Lithology distribution map of main chamber

施工掘进时，沿洞顶、洞壁有渗水(潮湿～线流状)沿节理面溢出，出水点大多出现在SS-1与泥岩界面及砂岩中节理发育段。受岩层产状、节理及开挖放炮等影响，下游墙有裂缝产生，缝宽约2～3 cm。

依据标书技术条款[5]，围岩划分按巴顿的Q系统法，将工程岩体质量等级划分为5级。围岩分类特征见表2。

表2 围岩分类特征表Tab.2 Characteristics of different rock mass types

在实施过程中，根据咨询工程师意见将Q4又细分为Q4a和 Q4b。主厂房洞室段围岩类别各占统计段长以Q4a为主，长80.70 m，占58.8%；Q3次之，长33.50 m，占33.5%；Q4b长7.70 m，占7.7%。

3 主洞室变形监测及加固措施

为监测围岩变形，评价洞室围岩的稳定性，主洞室共布置了16个收敛监测断面和12个应变计断面(见图4，5)。主洞室各收敛监测断面最大变形统计情况见表3。

图4 主洞室监测断面布置Fig.4 Monitoring section layout of the main chamber

图5 主洞室收敛变形监测断面Fig.5 Convergent deformation monitoring section of the main chamber

监测成果显示主洞室各断面收敛变形在62～302 mm之间，变形值与洞室跨度之比为0.25%～1.21%，最大收敛变形发生在桩号0+50及桩号0+65(602高程P-Q )处，累计最大变形值分别为297 mm和302 mm，最大变形值与洞室跨度之比均超过1.0%。与国内同类大型地下厂房相比，施工开挖期边墙变形明显过大[4-6]。图6为桩号0+65断面收敛变形-时间过程曲线。

表3 主洞室各收敛监测断面最大变形统计Tab.3 Statistics of largest deformation of mornitoring section of main cavern

由图6可见，围岩从开始变形到最后稳定经历了20～24个月时间，主厂房下游边墙变形量随时间推移持续发展，初期2012年5月到2012年12月，6个月变形速率较大，变形最大速率1 mm/d，从2012年12月到2014年2月，变形速率虽然有所降低，但是没有收敛趋势，变形速率仍有0.5 mm/d左右，最大变形值为287 mm。为此，施工方中止了主洞室的开挖，并对下游边墙进行补强加固。经加固处理后，变形速率明显减慢，从2014年2月到2014年6月，变形速率为0.06 mm/d左右。2014年6月到2015年6月，变形量基本没有增加，变化速率近于零。

图6 主洞室(桩号0+65m)变形-时间过程曲线Fig.6 Deformation-time process curve of the main chamber(Chainage 0+65)

主洞室下游侧边墙变形导致已经施工安装好的桥机轨道错位，边墙变形没有收敛迹象。为保证工程安全，一方面调整了开挖次序；另一方面对下游墙进行加固处理[7-9]。

3.1 调整开挖次序

地下厂房主洞室于2011年11月开始施工，计划分九大层19个区全断面自上而下开挖(见图7)。当开挖至583.0 m高程时，由于桩号0+50 m到桩号0+65 m区间边墙变形过大，立即中止了主洞室的开挖，并对下游边墙已开挖部位进行补强加固，待主变洞室开挖完成后再继续主洞室下部开挖。主洞室下部后续开挖采取分步开挖，即先开挖4号机组段，待4号机蜗壳混凝土浇筑完成后再开挖1～3号机组段。

3.2 加固处理

根据变形监测资料并通过反馈分析，对支护参数进行了动态调整[10-12]。主要加固措施为：① 在母线廊道和尾水闸门洞室两侧增加1 m厚钢筋混凝土衬砌；② 在下游墙相邻岩壁间增设间排距2 m的对穿预应力锚索；③ 下游墙高程592.5 m以下预应力锚索由L=15 m、间排距5.0 m增强为L=20 m、间排距3～4 m。经加固处理后， 2014年6月到2015年6月，变形量基本没有增加，变形速率近于零，围岩趋于稳定。

4 主洞室变形原因分析

N-J水电站地下厂房主洞室边墙累计最大变位达302 mm，发生在3号与4号机组间下游边墙中部(桩号0+65 m处)，分析其原因如下。

4.1 围岩地质条件不好

该工程地下厂房围岩为砂岩、泥岩互层，节理裂隙发育，围岩类别Q4占66.5%。爆破施工开挖引起围岩扰动，导致洞周围岩体发生松动，围岩应力在初始应力条件下重分布，从而改变了围岩的应力分布特性及围岩稳定状态。由图3岩性分布展开图可见，3号与4号机组间泥岩和粉砂岩相对集中，特别是主洞室下游墙3号机尾水闸门室和母线廊道部位，发育有剪切带，围岩类别Q4b，泥岩和粉砂岩强度低且受构造影响较破碎。岩石的破碎程度决定了围岩变形量的大小，围岩破碎程度越高，围岩变形量值越大，而且表现出一定的时效变形特征。故该部位(桩号0+50.0～65.0 m)处边墙变形远超过相邻断面。这是该部位边墙变形大的控制因素。

图7 开挖次序示意Fig.7 Excavation sequence diagram

4.2 尾水闸门室位置不合理

实际工程中，尾水闸门主要有如下几种布置型式[1]：① 尾水闸门布置在单独的洞室内；② 尾水闸门设在调压井洞室内；③ 尾水闸门布置在主变洞室内。

该工程采用中部式布置型式，尾水洞长度较长，为此，在尾水管末端设置尾水检修闸门，尾水闸门采用密闭式闸阀，将尾水闸门操作室设在主厂房内(参见图1)：下游墙母线廊道宽8.00 m，高6.50 m，尾水闸门室宽8.50 m，高17.00 m。这样布置，尾水闸门室和母线廊道在高程592.50 m处连在一起，在主洞室下游边墙形成跨度16.50 m的大洞室，导致下游墙1号与2号、3号与4号间岩石厚度仅6 m。由图3可见，在1号机右端也有一段宽约20 m的泥岩和粉砂岩软弱带，由于该部位没有孔洞，故桩号0+127.8 m断面边墙中部最大变形远小于桩号0+50.0 m和桩号0+65.0 m断面。主洞室下游边墙开挖洞室尺寸大，对边墙稳定极其不利，这是边墙变形大的主要原因。

5 结 论

(1) 该工程在开挖过程中，主洞室下游侧边墙中部最大变位达302 mm，为洞室跨度的1.2%，实测位移速度出现急剧增长时，经改变开挖顺序和补强后，边墙变形趋于收敛，变化速率也趋近于零，围岩趋于稳定。

(2) 复杂地质条件下的大跨度、高边墙地下洞室的围岩稳定和支护方式是地下厂房设计和施工的关键技术问题，围岩类别和断层、节理等地质构造往往是围岩稳定的控制因素。该工程主厂房洞室段围岩类别Q4占66.5%，且节理裂隙发育，是导致主洞室下游边墙变形较大，影响围岩稳定的自然因素。在围岩类别Q4为主的岩体中，修建跨度25 m的地下厂房尚无先例。该工程实践表明，通过选择合理的开挖次序和加强支护措施也是可行的。

(3) 地下厂房洞室的形状对围岩稳定和变形有较大的影响。已建地下厂房洞室，在岩石较完整、地应力不太高的情况下，普遍采用圆拱直墙式断面，根据厂房上部、中部、下部的布置不同，厂房宽度从上至下逐步变窄。这种体型可改善边墙应力状态和减少边墙变位，有利于提高边墙的稳定性。厂房边墙位移不仅受地质条件影响，而且还受边墙洞室尺寸和开挖影响。该工程将尾水闸门操作室设在主厂房内，在主洞室下游侧形成大跨度的洞室，是导致主洞室下游边墙变形较大的主要原因。因此对围岩条件较差的地下厂房，应当避免上述布置型式。