广西龙滩水电站地下厂房围岩锚喷支护技术

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：龙滩地下洞室支护设计以“利用围岩为承载主体，充分发挥围岩的自承作用”为设计准则，确定了洞室以锚喷支护为主，并遵循新奥法理论，采用动态化监控、信息化设计。设计计算结果表明，与水平层状岩层中的洞室开挖相比较，位于陡倾角层状岩体中的龙滩水电站地下洞室群围岩的变形具有明显的非对称特征，围岩在开挖过程中明显沿层面错动。表7.20龙滩水电站地下厂房三大洞室支护参数续表施工过程中支护设计参数的动态调整及其效果。

（1）工程概述。广西龙滩水电站位于流经天峨县的红水河上，为碾压混凝土重力坝，坝高216.5m，坝长836.5m，库容272.7亿m3，装机总容量540万kW，电站于2001年开工，预计2010年竣工。

龙滩水电站引水发电系统布置在坝址左岸。其中，引水隧洞、发电主厂房、母线洞、主变洞、尾水调压井等洞室群布置在左岸山体内，发电主厂房洞室右端距河岸约160m，上覆岩体厚度120～240m。

主厂房、主变洞和尾水调压井三大洞室依次平行布置，主厂房、主变洞及尾水调压井之间岩墙厚度分别为43m和27.46m。主厂房上部（高程206m以上）开挖尺寸398.5m×28.9m×55.7m（长×宽×高，以下同），岩锚梁以上开挖跨度30.7m，主厂房拱顶高程261.7m，厂房最大开挖高度为76.4m。主变洞开挖基本尺寸为400.0m×19.8m×20.7m，主变洞拱顶高程253.9m。尾水调压井采用“三机一井”的长廊式调压井，共3个，1号尾水调压井开挖尺寸为68.3m×20.05m×84.31m，2号（3号）尾水调压井开挖尺寸为76.7m（95.85m）×22.73m×63.35m，调压井拱顶高程均为272.7m，1号、2号尾水井间岩柱厚61m，2号、3号尾水井间岩柱厚26.4m。

主厂房、主变室和尾水调压井布置区是坝区地质条件相对较好的地段之一。三大主洞室置于中陡倾角层状结构的Ⅱ、Ⅲ类围岩、局部Ⅳ类围岩内。主要岩性为砂岩、粉砂岩、泥板岩夹少量灰岩。厂区地层为三叠系中统（T2b），三大洞室穿越的 pagenumber_ebook=362,pagenumber_book=330 层～层多为中厚层互层状软硬相间的层状结构岩体，岩层为单斜构造并倾向厂房下游侧，岩层产状为345°～350°/NE∠55°～∠62°。主洞室布置区围岩强度较高，砂岩饱和抗压强度为130MPa，泥板岩为40～80MPa；变形模量为13～20GPa。水文地质条件较简单，多为裂隙水，表现为沿断层、层间错动（层面节理）或结构面交会处渗（滴）水，岩体透水性较小。

选定的厂房轴线方向为N50°W，与岩层走向夹角35°～40°。F1断层从主厂房安装间斜穿，与厂房轴线呈30°～35°夹角。洞室布置区内对洞室围岩影响较大的主要是层间错动或层间断层，以及F1、F56、F56—1、F7、F13等断层。层面和层间错动的发育及中陡的岩层倾角，对主厂房和调压井的上下游高边墙稳定不利，表现为层状岩体在上游边墙顺层剪切滑移，在下游边墙倾倒蠕变的形态。

地下厂房布置区实测地应力的最大主应力平均值为12MPa，方向为N20°～W80°属中等量级以水平应力为主的构造应力场。选定厂房轴线与地应力最大主应力方向夹角30°左右，垂直边墙方向的水平应力为5.8～10.5MPa，垂直主厂房上下游边墙方向的侧压力系数为1.5～1.9。

（2）锚喷支护设计与施工。龙滩地下洞室支护设计以“利用围岩为承载主体，充分发挥围岩的自承作用”为设计准则，确定了洞室以锚喷支护为主，并遵循新奥法理论，采用动态化监控、信息化设计。

锚喷支护参数设计以工程类比法为主，采用该法初步选择支护参数；采用极限平衡理论计算法进行局部稳定和支护承载力验算，调整支护参数；采用有限元计算法评价支护整体加固效果，提出加强支护的重点部位；坚持现场监控法，及时完善支护参数。

设计计算结果表明，与水平层状岩层中的洞室开挖相比较，位于陡倾角层状岩体中的龙滩水电站地下洞室群围岩的变形具有明显的非对称特征，围岩在开挖过程中明显沿层面错动。主洞室上下游边墙的变形机理不同，上游侧边墙的岩体在沿层面滑动的同时，在垂直层面的方向上略有张开；下游侧边墙的岩体则在向洞内倾倒的同时顺层上移。变形量大小及最大值出现的部位也不一致，三种计算方法的顶拱下沉变位、边墙水平变位列于表7.19。围岩的最大压应力为34.5MPa，发生在调压井下部的尾水管附近。计算塑性区范围较1994年计算结果有较大的改善。FLAC3D法计算结果表明：支护后洞室的塑性区，在三大洞室顶拱部位基本控制在1～2m内，主厂房上游边墙的塑性区小于下游边墙，下游边墙最大深度为8～12m，主厂房和主变洞之间的岩体稳定性相对较好，两者之间没有塑性贯通区域。在主变洞与调压井间受断层控制的区域形成局部的（厚度6m左右）塑性连通区域，而在没有断层控制的区域，岩体中间还将保留一段弹性岩体。调压井上下游边墙塑性区最大，为10m深。支护锚杆应力主厂房最大为227.6MPa，调压井最大为239.6MPa。

表7.19　三维计算主洞室的最大变化　单位：mm

pagenumber_ebook=364,pagenumber_book=332 (www.chuimin.cn)

1）锚喷参数选择基本原则。锚杆直径的选择应充分发挥其材料特性，使锚杆应力在具备一定安全度的情况下尽量接近其抗拉强度。锚杆长度应大于松动区厚度，且应有一定储备，但不宜超过塑性区深度，一般取塑性区深度的0.7倍。系统锚杆在Ⅱ、Ⅲ类围岩中采用间、排距1.5m，在Ⅳ类围岩中及需要加强支护的部位，间、排距可增密到1.2～1.0m。

喷混凝土厚度一般取洞室开挖跨度的1/100～1/120，大型洞室喷混凝土厚度取150～200mm。

2）支护参数综合选择。在上述设计方法和参数选择原则指导下，结合龙滩三大洞室围岩为典型中陡倾角层状岩体、上游边墙及左端墙岩体顺层剪切滑移变形、下游边墙及右端墙岩体倾倒蠕变等具体情况；考虑喷射混凝土根据不同部位采用钢纤维混凝土、聚丙烯微纤维混凝土或素混凝土，洞室交叉部位要求超前锁口支护等具体措施，以及锚索施工对地下洞室施工进度影响等因素，龙滩水电站主要洞室选择的锚喷支护综合参数见表7.20。对特定的大块体，在开挖过程中及时判定，在通过稳定计算分析后，用锚索锚固不稳定的块体。如主厂房上游边墙F1、F56、F56-1断层与层面和复合缓倾角节理组合楔体体积约为730～3000m3，楔体高10～16m，考虑吊车梁荷载不利影响，计及部分结构面的c、φ值，采用预应力锚索和预应力长锚杆进行稳定锚固。综上分析考虑，提出龙滩水电站三大洞室施工详图支护参数见表7.20。

表7.20　龙滩水电站地下厂房三大洞室支护参数

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续表

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（3）施工过程中支护设计参数的动态调整及其效果。施工过程中的支护设计，重点强调动态监控。如龙滩主厂房第二层开挖过程中和第三层开挖初期，曾出现下游拱角附近边墙多处顺层开裂（多系浅层开裂）及主厂房桩号HL0+0～0+50段下游边墙拱脚段部分锚杆应力超过设计值的现象，且此两种现象多出现在泥板岩与砂岩互层岩体内下游边墙的拱脚段。经分析，该段岩性软硬相间，在顶拱开挖后，由于受应力集中、围岩松弛和爆破震动等多重影响，下游边墙向临空面产生倾倒变形，又因为层面光滑，抗剪强度较低，层间产生剪切变形，导致互层岩体接触面开裂。

针对上述情况，设计在相应部位采取了如下主要措施：①补充了部分长（预应力）锚杆以提高互层岩体的整体承载能力，此外还适当降低了预应力锚杆初始张拉值，以增强其对应力变化的适应能力；②将原来6m长的普通砂浆锚杆直径增加到32mm。目前龙滩工程的主洞室已开始中下部开挖与支护，观测结果表明，上述部位变位及锚杆应力基本趋于稳定，主洞室其他部位设置的多点位移计测值一般较小，洞室处于稳定状态。

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