丰宁抽水蓄能电站（一期）地下厂房开挖期阶段性安全监测分析

支 旭，吕风英，刘占海

（1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北 丰宁 068350）

1 工程概况

丰宁抽水蓄能电站位于河北丰宁境内滦河干流上，电站一、二期工程同步建设，总装机容量3600 MW（12×300MW），年平均发电量66.12 亿kW·h。主厂房开挖尺寸414 m×25 m×54.5 m（长×宽×高）。一期主机间开挖尺寸149.5 m，位于河北丰宁境内滦河，目前主厂房第五层开挖施工完成。

地下厂房区岩性为微新中粗粒花岗岩，属坚硬岩。主厂房洞轴线方向为SN，埋深为245 m～315 m，岩性为微风化中粗粒花岗岩，厂房四周均有断层发育，上游为f363，下游为f347、f348，左侧为f375，右侧为f350，主厂房洞位于上述断层所围地块中，但上述断层均未切割主体建筑物。厂房区中小规模断层较发育，走向以NWW 向为主，部分为NEE 向，破碎带宽5 cm～2 m不等，与厂房轴线大角度相交；厂房区NW 和NE 向裂隙发育，与厂房轴线斜交。厂房区地下水总体不丰富。地应力量值中等，最大主应力可达18 MPa，倾角约11°，方向约NE79.5°，与厂房及主变洞轴线大角度相交。地下厂房区岩体结构类型以次块状结构为主。岩体完整性较差，围岩类别总体以Ⅲ类为主。

地下厂房分9 层开挖，每层开挖控制深度5 m～10 m。根据现场施工进度的安排，本工程采用“先墙后洞”方案开挖。

2 监测仪器布置

一期主厂房布置4 个主监测断面：编号Ⅰ-Ⅰ（厂左0+0）、Ⅱ-Ⅱ（厂左 0+48）、Ⅲ-Ⅲ（厂左 0+96）、Ⅳ-Ⅳ（厂左 0+156），每个断面布置围岩内部位移监测、锚杆应力监测、预应力锚索监测；主厂房另设5 个辅助监测断面为a-a（厂右0+26）、b-b（厂左 0+24）、c-c（厂左 0+72）、d-d（厂左 0+120）、A-A(沿主变中心线剖面顶拱)，其中 a-a、b-b、c-c、d-d 断面布置的监测项目为围岩内部位移观测、锚杆应力监测、预应力锚索监测，A-A、监测项目为围岩内部位移观测、锚杆应力监测。监测仪器断面布置统计见表1，典型断面布置图见图1。

图1 典型监测断布置图

表1 （一期）地下厂房系统监测仪器布置断面统计表

本工程地下厂房自2016 年开始施工，至2019 年1 月2日，主厂房已开挖至第6 层。

3 （一期）主副厂房监测成果分析

表2 显示，目前一期工程主副厂房较大变形主要出现在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ断面上下游边墙，其它辅助断面变形量相对较小；表3 显示，目前一期主副厂房锚杆应力较大部位主要发生在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ顶拱，边墙相对较小；表4 显示，目前锚索测力计超设计荷载部位主要发生在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ断面（锚索设计吨位为1000 kN,锁定值为设计值的90%）

表2 （一期）主副厂房位移监测成果表 单位：mm

表3 （一期）主副厂房锚杆应力监测成果表 单位：MPa

表4 （一期）主副厂房锚索测计力监测成果表

（1）Ⅰ-Ⅰ断面最大变形分布为上游边墙＞下游边墙＞顶拱，其中最大变形部位发生在上游边墙979 m 高程，孔口位移57.84 mm，受厂房Ⅵ上游半幅开挖影响明显，主要表现为空间效应，现呈缓慢收敛趋势；对应锚索测力计较锁定吨位增加32.04%，较设计吨位增加10.76%，锚索应力与位移变化相关性良好，呈缓慢收敛趋势。多点位移计和锚索测力计过程线见图 2～ 图 3。

图2 多点位移计M1-6 位移- 时间过程线

图3 锚索测力计Dpcf1-6 荷载- 时间过程线

（2）Ⅱ-Ⅱ断面最大变形分布为下游边墙＞上游边墙＞顶拱；地质编录资料显示，上游边墙共有5 条长大裂隙穿过，以中陡倾角内倾为主，对边墙稳定有利，下游拱腰及拱角部位L183与L17、L18 组合切割形成块体，厚度5 m～15 m。从监测数据可以看出，围岩变形主要发生在距临空面0 m～10 m 范围内。变形最大区域为下游边墙1000.00 m 高程，孔口位移74.10 mm，现已呈收敛状态；对应锚索当前吨位823.12 kN，相对锁定吨位（-3.27%），相对设计吨位（-17.69%），锚索应力略有震荡，未见与变形明显相关性。多点位移计位移过程线见图4。

图4 多点位移计M2-8 位移- 时间过程线

（3）Ⅲ-Ⅲ断面最大变形分布为下游边墙＞上游边墙＞顶拱；该断面顶拱部位发育断层f371，规模较小，且只在顶拱发育，并未向上下游边墙延伸。受 L248、L261、L262、L591、L593、L802 等裂隙组合切割影响，上游边墙岩体相对破碎，可能形成诸多大小不一的块体，块体厚度约10 m，由于裂隙多外倾，块体在外力影响下可能沿裂隙面产生变形。下游拱脚部位L41 和L205 裂隙组合形成块体，厚度约4 m。下游边墙985 m～992 m高程段，L802 和L609 组合切割形成不稳定块体，块体最厚约3.5 m。多点位移计M3-9(厂左0+96，EL991 m，下游边墙)目前累计位移为86.47 mm（接近传感器量程100 mm），该处为主厂房变形最大部位，从位移过程线可以看出，变形主要发生在2018 年3 月～8 月中旬5#母线洞和厂房Ⅴ层开挖期间，由于5#母线洞顶拱距多点位移计M3-9 距离仅5 mm，5#母洞开挖过程中顶拱围岩向径空变形会对M3-9 产生扰动，致使变形增加，2018 年8 月18 日后变形呈收敛趋势；由于该部位变形量较大，在附近增加1 套多点位移计M3-9*(厂左0+96，EL986m，下游边墙)，该套多点位移计于2018 年6 月20 日安装完成，自安装完成变形呈缓慢增长趋势，至9 月15 日变形量共增加11.55 mm，2018 年9 月30 日随4#母洞开挖，测值产生小幅突变，至2019 年1 月2 日位移共增加9.51 mm，达到21.37 mm,变形主要发生在2 m～19.5 m 范围内，目前M3-9*还有增长趋势。多点位移计M3-9（厂左0+96，EL991 m，下游边墙）从2018年11 月17 日后变形量相对前期有小幅减小，分析认为，变形趋势减缓是由于厂房护壁墙上排锚索张拉，限制了裂隙的继续发育，随着护壁墙下排锚索的张拉完成，将抑制多点位移计M3-9*继续变形。多点位移计位移过程线图5 和图6。

图5 多点位移计M3-9 位移- 时间过程线

图6 多点位移计M3-9*位移- 时间过程线

（4）安装间Ⅳ-Ⅳ断面多点位移计观测结果显示，目前安装于该断面拱顶、上游拱腰、上游拱肩、上游边墙的多点位移计测值为分别为 18.53 mm、22.87 mm、41.82 mm、42.12 mm，下游拱腰、下游拱肩、下游边墙测值分别为5.72 mm、-0.04 mm、5.35 mm，变形主要发生在2018 年3 月至4 月厂房Ⅳ层和工具间及机修间开挖期间。从变形分布看，上游侧变形明显大于下游侧变形，上下游两侧位移的严重不对称表明该区域存在不均匀变形，导致该区域存在指向上游的偏压，偏压使该区域应力高度集中，产生弹性或塑性变形。由于喷混凝土强度高，岩层强度较低且围岩构造弱面容许应变大于喷混凝土，从而导致2018年4 月24 日安装间上游侧顶拱出现喷混凝土开裂、掉块和空鼓现象，检查发现安装间厂左0+140～厂左0+200 产生的13 条裂缝有11 条发生在顶拱上游侧。产生不对称变形的原因主要是下游侧厂房和主变间交通洞采用“先洞后墙”的开挖顺序。上游侧工具间、机修间及排水廊道采用“先墙后洞”的开挖顺序，从该断面监测成果可以明显看出，采用“先洞后墙”的开挖顺序可以有效控制围岩变形。工具间及机修间开挖衬砌安成后，变形速率明显减，目前该断面处于稳定状态。典型过程线见图7。

图7 多点位移计M4-5 位移- 时间过程线

4 围岩变形特征综合分析

（1）从位移变化特征看，厂房下游边墙最大变形大于上游边墙，厂房下游边墙中下部局部变形较大，应引起关注，加强开挖过程控制和监测，必要时及时进行加强处理。

（2）从应力变化规律看，拱角、岩柱厚度中部、洞室交叉口等部位附近发生不同程度的应力集中现象，可能存在结构面控制的潜在大变形和块体稳定问题，需要进一步深化研究局部加强措施。

（3）一期主副厂房共安装锚索测力计38 台，设计荷载为1000 kN 的有27 台，设计荷载为1500 kN 的有11 台。锚索测力计荷载与设计值相比，小于设计值的有25 台，占65.79%，超过设计荷载0～10%的有6 台，占15.79%，超过设计荷载10%～20%的有5 台，占13.16%，超过设计荷载20%～30%的有1 台，占2.63%，超过锁定荷载30%～40%的有1 台，占2.63%，总计有13 台测力计荷载超过设计锁定值，占34.21%。锚索测力计观测荷载超过设计荷载占比相对较大，主要是由于锚索设计吨位偏小，同时张拉值较大，预留值较小造成。总体认为，目前主厂房系统支护锚索有效运行。

5 结论

（1）丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩开挖响应特征符合一般规律，洞周变位、应力、锚索受力等量值均在可控范围，且相互对应，地下厂房整体稳定，监测资料真实反应了地下厂房开挖期间的客观变形。

（2）受断层、裂隙、蚀变带等不良地质构造影响，系统支护后局部边墙变形较大。考虑到地下厂房规模大，洞室纵横交错，交叉口多，局部体型复杂，加上受多条断层、裂隙及蚀变带等的影响，应重点做好岔口部位的精细化施工，加强开挖过程控制和监测，尽量减少因爆破因素而引起的边墙位移异常增大或变形速率过快，及时实施锁口和支护。

（3）地下厂房变形产生的空间效应和时间效应非常明显，建议后续开挖采用“短进尺弱爆破”的开挖工序，能有效控制围岩变形。