某大跨度地下厂房蚀变岩防治措施与支护评价

田 林，黄银伟，朱治峰

（浙江华东建设工程有限公司，浙江 杭州 310014）

1 工程概况

某电站厂房采用地下式，最大跨度为24.5m，最大高度约55m，地下厂房上覆岩体厚410～430m，围岩为含砾晶屑熔结凝灰岩，岩层总体产状为N50～70°W，NE∠20～35°，岩石微风化～新鲜，存在不同程度的蚀变现象。蚀变岩的分布及性状，特别是其赋存环境发生变化后的工程特性，将直接影响地下工程的稳定性。厂区蚀变与构造发育情况具有明显的相关性，北侧的F204断层和南侧的F220断层为Ⅲ～Ⅳ级结构面，是控制蚀变的主要构造，断层及其影响带内岩体蚀变明显，工程性状较差，对地下厂房洞布置及围岩的完整性、稳定性影响非常大。

2 蚀变工程处理措施

蚀变作用是指地球内部存在的热液流体沿一定的通道进入成分和物理化学条件与之有很大差别的岩石体系后发生的物理化学反应，其形成的岩石称为蚀变岩或交代岩。蚀变作用经矿物蚀变和重结晶改变原岩和围岩体的矿物成分和结构，该过程中通常还随着一些次生矿物的形成，因此蚀变带岩体的物理力学特性因蚀变作用和原岩性质差别很大，大部分蚀变岩体经热液交代后结构松散，裂隙发育，强度性质降低，稳定性差。

国内多个在蚀变岩地区施工的大型工程均不同程度遇到了由于岩体或构造带蚀变引起的塌方、崩塌等变形破坏问题。由于强烈蚀变，产生了大量的蒙脱石、高岭石和绢云母等黏土矿物[1-2]。岩体、构造影响带常呈土状或泥状，塌方的出现主要是由于蚀变岩富含黏土矿物且性质软弱，在干湿交替和松弛条件下极易发生膨胀变形，加上围岩节理发育、破碎程度高，开挖后自稳能力差，从而造成围岩坍塌。根据调查和测试计算，某地下厂房建设主要从洞室布设、锚固设计、施工方法和地下水处理等方面加强与蚀变岩有关工程问题的防治工作[3]。

2.1 方案设计与超前预报

根据查明的地质条件，通过分析研究NE向断裂的分布规律，将地下厂房设置在风化程度较浅、岩体质量较好的部位。采用洞探和钻探为主、物探和试验为辅的手段查明厂房部位地质条件，修改洞室位置及规模，尽可能根据地质条件规避蚀变岩带发育地段，厂房各部位的使用功能存在差异性，部分洞段最终不可避免地将会位于蚀变岩体存在的部位，这就需要因地制宜，结合已有的蚀变分级情况，对不同岩体的工程特性，采取相对应的结构设计或者工程措施来确保其安全性和可靠性。

在厂房开挖过程中根据蚀变岩的发育情况和空间展布趋势，分析研究已有的勘察资料，进行详细的地质测绘和编录工作，统计分析节理、裂隙等结构面以及蚀变岩体分布规律、地下出水位置和大小以及分布情况，包括围岩类别在内的地质信息，进而对围岩的稳定作出宏观判断。另外，利用超前地质预报资料，结合人工的地质编录以及超前钻孔成果，适时查明蚀变洞段岩体的发育规律，根据钻孔岩样情况分析研究其物理力学性质特征，进行相关试验分析工作，为预报洞室安全、确定支护参数提供依据。

2.2 锚固方案设计

在已查明的蚀变岩分布洞段，提前采取工程处理措施，根据探查的岩体分布规模、形状、空间形态，采取合适的柔性或刚性的锚固方案，同时科学设计锚固间距、排距，视情况及时封闭蚀变体和欠稳定体，确保洞室的稳定。比如，对部分断层带采取了钢筋混凝土置换方案，通过排水廊道打出穿越断层带的纵向廊道，然后在断层内（平行断层走向布置）打出3条横向廊道与纵向廊道连接。

由于蚀变岩富含黏土矿物，岩体被开挖成洞后，围岩应力重新调整，原来胶结致密的裂面也可能错动或张开，即使没有地下水活动，潮湿的空气也会使蚀变岩慢慢膨胀。在计算锚固参数时，需考虑蚀变岩体洞段的整体膨胀力，即便是相对完好的围岩洞段，也必须采取工程措施确保存在的欠稳定岩体整体稳定后，再开展系统的支护、挂网等工序。对于正常支护的径向锚杆，应根据围岩情况长短结合设置。在软弱破碎岩体区，锚杆可适当地加密、加长。在锚固蚀变岩时，锚杆应至少锚入新鲜岩0.5m以上，具体锚入深度应结合现场试验调整后确定。

根据围岩含有蚀变岩的特殊情况，喷锚支护参数一般应比《水电站厂房设计规范》（SL 266—2014）规定的参数略偏安全或者通过降低围岩类别来选择喷锚支护参数，将支护参数提高一个级别，以增加安全度。

2.3 施工开挖方法与喷砼控制

在蚀变岩体分布洞段，洞室开挖宜采用微台阶法，在开挖前先对围岩进行排水和固结灌浆，首层按“眼镜”法施工，中间预留岩柱，并遵循“先排水、短进尺、弱爆破、紧跟支护”的施工原则，同时根据厂房不同及工程部位地质条件的差异分区施工。

随着大跨度地下厂房的开挖，洞室随时间的推移存在逐步收敛的现象，并形成累加效应。喷锚支护要根据不同分区的地质条件，选择在洞段膨胀前或膨胀后进行，尽可能减轻喷层所承受的膨胀压力。蚀变洞段的岩面清理应采用高压水清洗并将蚀变松散物刮除后凿毛，再进行喷砼施工，减少砼层的开裂脱壳现象；在Ⅳ、Ⅴ类岩体及局部顶拱、边墙等不支护存在欠稳定的块体或掉块的情况下，应采取随挖随喷或者随机锚杆加喷混凝土的工程措施。对没有影响洞室稳定的蚀变洞段应在蚀变岩经历膨胀阶段、压力基本释放之后，再采取相应的挂网、喷砼等措施处理，这样可减轻保护层所承受的膨胀压力，避免或者减少保护层的拉裂；对于强烈蚀变地段应采用刚性支护。

2.4 地下水处理

蚀变洞段围岩稳定性受地下水发育情况影响也较大，水的存在往往会加速降低蚀变洞段岩体的物理力学性质，是加大围岩稳定破坏性的推手。尤其在蚀变带陡立或者与洞室边墙小角度相组合时，地下水破坏性更大，常常导致边墙膨胀失稳，局部坍塌，甚至形成倒倾的岩面。在地下水的作用下，岩石的矿物成分和原生结构是洞室和边墙垮塌的主要影响因素，所以，在含水量较大的富水区域应采取相应的先导孔、廊道或者水泥灌浆等措施进行引流疏导或者堵截，将地下水与蚀变的洞室岩体尽量隔离开来，减少相互影响的可能。

3 洞室支护评价

地下厂房开挖实际揭露的地质条件与前期勘察资料的分析结论基本一致，围岩为Ⅲ～Ⅳ类。

顶拱：缓倾角的层面节理、夹层与陡倾角断层、节理的切割组合，在顶拱极易构成不稳定块体，因此缓倾角的层面节理、夹层是影响顶拱围岩稳定的主要结构面。先在顶拱四周开挖排水廊道，对围岩进行预排水的基础上，采用自北向南（逆岩层倾向）先两边导洞后中间岩墙的施工方法，最大程度地削减了地下水、层面节理、夹层对洞室围岩稳定的影响，同时也避免了大跨度洞室板梁状围岩可能产生的逐层折断塌落。专项处理F15、f2断层与层面节理等组合的楔形体，避免厂房顶拱可能出现大的楔形体坍塌。通过上述施工顺序和专项支护处理以及顶拱的分区系统支护后，顶拱围岩稳定，各监测断面实测数据无异常。

上、下游边墙：在岩壁梁高程附近由SN向陡倾角节理与NNE向中～陡倾角节理组成的倾向厂房内的小型楔体，经系统支护处理后，岩体稳定；沿F15断层呈带状破碎区岩体经专项支护处理后，提高了围岩的稳定性，上游边墙围岩稳定。下游边墙节理发育，断层不发育，除沿F15断层具条带状破碎岩体以外，未发现明显的不利结构体，边墙稳定性尚好。由于下游边墙母线洞、尾水支洞等开挖量较大，受施工爆破振动以及支护滞后的因素影响，监测数据曾反映出个别多点变位计和锚杆应力计数据偏大，随着后期加强支护跟进及厂房浇筑面的抬高、洞室的衬砌，上述异常点位的数值增量趋缓，并趋于收敛，现已趋于稳定。

北、南端墙：F204断层由碎裂岩、角砾岩、糜棱岩及断层泥构成，潮湿，局部渗滴水，倾向厂房，与北端墙的最小距离为6.4～9.6m，对其进行混凝土置换方案处理后，北端墙无异常情况，围岩稳定；南端墙受F220断层及缓倾厂房的层面节理等不利因素的影响，岩体呈较破碎～破碎状，围岩稳定性较差，施工时采用减少岩体扰动的方法，并及时支护，支护处理后南端墙围岩稳定。

该地下厂房洞自施工开始至开挖支护完成，并安全运行至今，各种监测数据无异常，说明厂房洞围岩稳定，采取的支护处理措施是合适的。

4 结束语

文章针对某电站地下厂房岩体及构造带蚀变后强度低、性状差的情况，采取了相应的处理和支护措施，经验证，采取措施后的厂房洞室群围岩结构稳定，可为类似工程提供参考。