西部建設(shè)中的軟巖工程問題 6200字

西部建設(shè)中的軟巖工程問題6200字摘要：軟巖是一種特定環(huán)境下的具有顯著塑性變形的復(fù)雜巖石力學(xué)介質(zhì)，給地下項目建設(shè)帶來假設(shè)干巖石力學(xué)問題，特別是大中型水電項目建設(shè)中的高應(yīng)力軟巖。在西部、特別是西南地區(qū)大中型水電站中，地下洞室遇到的高應(yīng)力軟巖那么是最為突出的問題之一，它的存在使本身完整堅硬的巖石呈現(xiàn)出項目軟巖的特性。本文重點介紹了二灘水電站地下廠房開挖建設(shè)中出現(xiàn)的高應(yīng)力軟巖問題、處理措施、效果及倡議，同時提出了溪洛渡、錦屏一級水電站地下洞室開挖中可能出現(xiàn)的軟巖項目問題。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)、軟巖、項目軟巖、高應(yīng)力軟巖、巖爆

1前言

軟巖是一種特定環(huán)境下的具有顯著塑性變形的復(fù)雜巖石力學(xué)介質(zhì)，可分為地質(zhì)軟巖和項目軟巖兩大類別。地質(zhì)軟巖指強度低、孔隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層，該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)礦巖，是天然形成的復(fù)雜的地質(zhì)介質(zhì);項目軟巖是指在項目力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的項目巖體。項目軟巖強調(diào)軟巖所承受的項目力荷載的大小，強調(diào)從軟巖的強度和項目力荷載的對立統(tǒng)一關(guān)系中分析、把握軟巖的相對性實質(zhì)。

項目軟巖和地質(zhì)軟巖的關(guān)系是：當(dāng)項目荷載相對于地質(zhì)軟巖(如泥頁巖等)的強度足夠小時，地質(zhì)軟巖不產(chǎn)生軟巖顯著塑性變形力學(xué)特征，即不作為項目軟巖，只有在項目力作用下發(fā)生了顯著變形的地質(zhì)軟巖，才作為項目軟巖;在大深度、高應(yīng)力作用下，局部地質(zhì)硬巖(如泥質(zhì)膠結(jié)砂巖等)也呈現(xiàn)了顯著變形特征，那么應(yīng)視其為項目軟巖。

根據(jù)軟巖特性的差別及產(chǎn)生顯著塑性變形的機理，軟巖可分為4大類，及膨脹性軟巖、高應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖和復(fù)合型軟巖。

根據(jù)高應(yīng)力類型的不同，高應(yīng)力軟巖可細(xì)分為自重應(yīng)力軟巖和構(gòu)造應(yīng)力軟巖。前者的特點是與深度有關(guān)，與方向無關(guān);而后者的特點是與深度無關(guān)，而與方向有關(guān)。高應(yīng)力軟巖根據(jù)應(yīng)力水平分為3級，即高應(yīng)力軟巖、超高應(yīng)力軟巖和極高應(yīng)力軟巖(表1.1)。[1]

表1.1高應(yīng)力軟巖分級

級別

應(yīng)力水平/mpa

高應(yīng)力軟巖

25～50

超高應(yīng)力軟巖

50～75

極高應(yīng)力軟巖

>75

在西部、特別是西南地區(qū)的水電站大都位于深山峽谷中，樞紐區(qū)岸坡陡峻、河谷狹窄，主要建筑物只有布置在山體之中。大斷面的導(dǎo)流洞、泄洪洞、引水洞、發(fā)電廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、尾水洞、交通洞等，構(gòu)成巨大的地下洞室群，因而波及到大量的地質(zhì)、巖石力學(xué)問題。如：洞口高邊坡穩(wěn)定問題，洞室軟巖段穩(wěn)定及項目處理問題，高應(yīng)力下項目軟巖的研究和處理問題，層間或?qū)觾?nèi)錯動帶軟弱夾層的研究和處理問題，大跨度洞室頂板的變形和穩(wěn)定問題，軟弱夾層的流變特性及長期強度問題等，而高應(yīng)力軟巖那么是最為突出的問題之一。

2二灘水電站地下廠房

2.1主要軟巖項目問題

電站勘測設(shè)計階段在主廠房設(shè)計位置進(jìn)行了原位模擬洞圍巖變形特性研究，試驗結(jié)果預(yù)測：

⑴由于巖體堅硬，洞室周邊將形成應(yīng)力集中帶，應(yīng)力值高達(dá)40mpa以上。母線廊道巖柱將再次產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力值將在67mpa以上，從而使圍巖巖體產(chǎn)生脆性拉裂，破裂面與廠房洞室邊墻平行。

⑵地下廠房邊墻圍巖變形一般在30~60mm，頂拱變形在10mm左右。

⑶原位模擬洞圍巖位移反分析結(jié)果說明原巖最大主應(yīng)力在30mpa左右。

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，廠房地下洞室群可能存在高應(yīng)力軟巖問題，主要以構(gòu)造應(yīng)力特征顯現(xiàn)。

地下廠房洞室群于1993年3月開工開挖，至1996年底主體項目開挖完成。施工過程中，完整性較好的正長巖、輝長巖內(nèi)不同程度地產(chǎn)生過巖石板裂、蔥皮現(xiàn)象，尤其是應(yīng)力集中的項目部位，如三大洞室上游拱座附近、洞室交叉口、巖柱及其他復(fù)雜項目部位等。這些部位曾屢次產(chǎn)生巖石板裂、剝落掉塊、混凝土噴層開裂、脫空，以及局部錨索失效等現(xiàn)象。圍巖的破壞在二灘水電站這個高應(yīng)力區(qū)域主要以巖爆的形式表現(xiàn)出來

在地下廠房施工過程中，曾發(fā)生過數(shù)十次不同規(guī)模的巖爆，其中最嚴(yán)重的有兩次。

⑴1995年9月8日，當(dāng)#2尾調(diào)室靠南端墻側(cè)的臺階開挖并與下部尾水洞的出渣洞貫穿時，誘發(fā)了主變室1~3號母線洞之間巖柱發(fā)生巖爆，導(dǎo)致尾調(diào)室上游拱座及母線洞裂縫進(jìn)一步開展，尤其在#2母線洞0+005~015起拱線附近最為嚴(yán)重，大量塊石坍落。在#1與#2尾水管之間的巖柱也同時發(fā)生嚴(yán)重巖爆，范圍達(dá)幾十米，坍落巖塊厚度達(dá)3m，phm21突變50mm，并拉斷6根預(yù)應(yīng)力(175t)錨索。

⑵1996年4月30日，當(dāng)主廠房#2基坑與#2尾水管貫穿時，發(fā)生嚴(yán)重巖爆，邊墻圍巖突變24~41.5mm，基坑圍巖坍落大量巖塊，#1和#2母線洞距離廠房下游邊墻0+060~0+130m中、下部的襯砌混凝土開裂，裂縫寬達(dá)5~13mm(見圖2.1)，廠房吊頂0+070~150m段也發(fā)生巖爆，吊頂上抬30~40mm，上游拉筋被壓彎曲

圖2.1位移計phm21位移~時間關(guān)系曲線

2.2處理措施和效果

2.2.1處理措施

二灘水電站地下廠房三大洞室根本上采用系統(tǒng)噴錨支護(hù)、錨索進(jìn)行加固。

頂拱采用掛網(wǎng)，噴厚度為5~10cm的素混凝土，后期部分加噴厚度為5~10cm的鋼釬維混凝土，并增加間距1.5m×1.5m、長度6~8m系統(tǒng)砂漿錨桿。

邊墻噴厚度為5~10cm的鋼釬維混凝土，并增加長度15~20m，間距多數(shù)為6m，少數(shù)為4m，尾調(diào)室少數(shù)為12m，噸位為175t的系統(tǒng)錨索錨固。

在變形比擬大或穩(wěn)定條件較差的部位進(jìn)行補強支護(hù)處理。其中，在廠房頂拱增加鏈狀鋼絲網(wǎng)，并在0+51.2~0+188.62m段增加長11m、間距2.2m×3m的15t級單股軟錨索。在上游起拱線附近增加一些帶墊板錨桿，下游邊墻0+55~0+120m中下部增加14根長25m、350t級的錨索。

主變室上游邊墻#2~#3母線洞之間增加6根350t級的對穿錨索，下游邊墻增加與尾調(diào)室對穿的175t級錨索21根。

尾調(diào)室上游起拱線至頂拱中線增加鏈狀鋼絲網(wǎng)，并在起拱附近增加間距為1.0m的墊板錨桿，在0+140~0+160m段增加兩排間距為2.5m的15t級軟錨索。

2.2.2處理效果

⑴1998年度的觀測結(jié)果說明，絕大局部圍巖變形皆小于1.0mm，僅廠房一個斷面的變形達(dá)3.0mm~5.0mm，屬突發(fā)變形，隨后的觀測說明其也逐漸趨于穩(wěn)定;#2尾調(diào)室上游邊墻有2.0mm變形，但變形遲緩;錨桿應(yīng)力的變化較小，一般小于10mpa?？傮w上廠房系統(tǒng)各洞室圍巖是穩(wěn)定的。

⑵地質(zhì)巡視結(jié)果說明，1998年各洞室的原有裂縫未見進(jìn)一步擴展，也沒有發(fā)現(xiàn)新裂縫及其他異?，F(xiàn)象。

⑶#2尾調(diào)室上游邊墻的圍巖在運行兩年來仍有變形現(xiàn)象產(chǎn)生，此部位應(yīng)予以密切關(guān)注，并加強監(jiān)測和巡視。

2.2.3變形及錨桿應(yīng)力變化規(guī)律

⑴各洞室的變形主要表現(xiàn)為收斂變形，錨桿主要承受拉應(yīng)力，變形和錨桿受力的大小與洞室開挖尺寸關(guān)系密切，廠房觀測情況說明，安裝間變形最小，副廠房的變形小于主廠房，副廠房的錨桿應(yīng)力也小于主廠房的錨桿應(yīng)力。

⑵從時間上看，三大洞室的圍巖變形及錨桿應(yīng)力主要受臺階開挖及巖爆的影響，開挖停止后變形及應(yīng)力變化即根本停止，僅部分如#2尾調(diào)室上游邊墻可能會因為塊體松動引起局部位移或應(yīng)力調(diào)整。但總體上絕大局部圍巖的流變特征不明顯，綠泥石化玄武巖有輕微蠕變。

⑶三大洞室頂拱的變形及錨桿應(yīng)力都很小，變形值在2~8mm之間，大多數(shù)小于3.0mm，且局部儀器反映頂拱有上抬現(xiàn)象，產(chǎn)生上抬部位的錨桿應(yīng)受壓。

⑷各洞室的變形主要發(fā)生在高邊墻上，高邊墻的錨桿應(yīng)力變化值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂拱部位，這與洞室的高寬比和巖體應(yīng)力狀態(tài)(水平應(yīng)力為主)有關(guān)。

⑸主廠房高邊墻變形較大的部位一般發(fā)生在上游邊墻的拱座、吊車梁附近和下游邊墻的中部。主變室、尾調(diào)室變形較大的部位發(fā)生在上游邊墻，且上游邊墻的變形明顯大于下游邊墻。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要誘因是地下廠房及尾調(diào)室的兩次嚴(yán)重巖爆，變形的分布與洞室群交叉有關(guān)，也與巖體應(yīng)力方向有關(guān)。

⑹根據(jù)原地下廠房模擬洞試驗結(jié)果，正常情況下廠房圍巖的變形應(yīng)在30~60mm范圍內(nèi)，而實測變形值在很多部位遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此預(yù)測值，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是圍巖表層在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力松弛區(qū)，從位移與深度關(guān)系、錨桿應(yīng)力變化與深度關(guān)系上可以得到驗證。根據(jù)推測，廠房和尾調(diào)室邊墻的松弛區(qū)深度為5~10m，主變室邊墻的松弛區(qū)深度小于5m。松弛區(qū)的產(chǎn)生必將擴大圍巖內(nèi)部的塑性區(qū)域，估計廠房邊墻圍巖的塑性區(qū)深度為10~15m，主變室邊墻的塑性區(qū)深度在10m左右，尾調(diào)室上游邊墻的塑性區(qū)深度有可能超過15m，主變室與尾調(diào)室之間巖柱的塑性區(qū)有可能連通。

⑺由于巖爆、大變形及松弛區(qū)的產(chǎn)生，較大程度地?fù)p壞了廠房洞室群圍巖的完整性和自支承能力。但由于支護(hù)及時，支護(hù)強度合理，使廠房系統(tǒng)各洞室在開挖結(jié)束后即根本停止了變形，近年來的觀測結(jié)果證明各洞室圍巖目前是穩(wěn)定的。

2.3倡議

⑴地下洞室施工中應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計施項目序進(jìn)行，不要為加快施工進(jìn)度輕易更改。如為加快施工進(jìn)度，承包商沿尾調(diào)室上游邊墻底部開挖出渣通道進(jìn)行6條尾水管的挖掘，造成尾調(diào)室下部成為薄弱的承力巖板，致使圍巖處于嚴(yán)重破損的危險境地，應(yīng)引以為戒。

⑵由于巖體開挖后必將釋放應(yīng)力和變形，其巨大的能量是很難壓制的(如二灘b、c斷面預(yù)應(yīng)力加固錨索因巖爆而拉斷)，因此加固的錨索應(yīng)不施加預(yù)應(yīng)力(對已破損且不再有大的應(yīng)力釋放部位可以施加預(yù)應(yīng)力)，預(yù)留一定的調(diào)節(jié)變形量，只起到限制坍落并減少巖體松動的作用。對于高應(yīng)力區(qū)那么采用脹殼式錨桿增加巖體抗剪強度，防止砂漿式錨桿因高應(yīng)力作用使砂漿損壞而造成錨固失效。

3結(jié)束語

以上是二灘水電站建設(shè)中出現(xiàn)的軟巖項目問題，事實上，其他項目也可能存在類似的軟巖項目問題。如：

3.1溪落渡水電站地下廠房

溪落渡水電站地下廠房三大洞室對稱布置于兩岸庫內(nèi)山體中，垂直和水平埋深均大于300m，洞室圍巖均由新鮮、堅硬、完整性好~較好的玄武巖組成。巖體應(yīng)力量值中等，σ1=16~18mpa，方向n60°~70°w，接近水平;σ2=11~13mpa，近直立;σ3=6mpa，方向n20°~30°e，近于水平。巖體透水性較弱，含水極少，為裂隙和脈狀含水，洪枯水位變化幅度約15m，地下水位高程375(枯)~390(洪)。

左岸地下廠房軸線n24°w，與最大主應(yīng)力成35°~45°的夾角。頂拱圍巖均為p2β6層，邊墻由p2β6、p2β5和p2β4層組成，主變室頂拱主要為p2β6層，局部為p2β5和p2β7層。

右岸地下廠房軸線n70°w，與最大主應(yīng)力的夾角小于10°，廠房和主變室頂拱主要為p2β4層，邊墻為p2β3~p2β4層，尾調(diào)室由p2β3~p2β6層組成。

洞室區(qū)層間錯動發(fā)育較弱，層內(nèi)錯動主要發(fā)育于5層中下部和6層中部，規(guī)模一般較小，破碎帶厚度薄，嵌合緊密，以新鮮的裂隙巖塊型為主，裂隙稀疏短小。圍巖類型約2/3為ⅱ類，1/3為ⅲ1類，部分層內(nèi)錯動發(fā)育帶，且在頂拱埋深較淺的部位為ⅲ2~ⅳ1類，圍巖穩(wěn)定條件整體較好。

可能存在的軟巖項目問題主要有三方面：

⑴當(dāng)緩傾角的錯動帶在頂拱集中發(fā)育成帶，且埋深較淺時，或錯動帶與裂隙組合構(gòu)成不利的塊體時，有可能出現(xiàn)部分的塌頂或掉塊。

⑵在錯動帶較發(fā)育、巖體較破碎、圍巖類別較低的部位，在開挖后二次應(yīng)力調(diào)整的作用下，易發(fā)生塑性變形。

⑶在洞室群交叉和洞室的拐點，如尾水管、母線洞、交通洞等部位，應(yīng)力分布較復(fù)雜，容易產(chǎn)生一定范圍的塑性變形和位移。

3.2錦屏一級水電站地下廠房

錦屏一級水電站壩址位于變質(zhì)巖地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在鉆孔與探洞中有巖心餅化及片幫的發(fā)生，說明壩址為高地應(yīng)力區(qū)。其最大主應(yīng)力σ1一般為25～30mpa，最大達(dá)35.7～40.4mpa，方向介于n36°w～n67°w之間，平均n51°w，與岸坡走向近于垂直;傾角變化較大，最小3°，最大57°。產(chǎn)生高應(yīng)力的原因，除本區(qū)所處特殊的大地構(gòu)造環(huán)境，巖體中殘留有較高構(gòu)造應(yīng)力外，還與本區(qū)河谷深切、谷坡高陡、巖體自重應(yīng)力較大有關(guān)，從而構(gòu)成壩區(qū)自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及構(gòu)造剩余應(yīng)力迭加的高應(yīng)力場。另外，隨岸坡高程增加，巖體應(yīng)力降低;同一高程隨著水平深度的增加，巖體應(yīng)力升高，應(yīng)力水平分帶性明顯。

以上現(xiàn)象說明，在地下廠房系統(tǒng)開挖中，將會出現(xiàn)比二灘地下廠房開挖時更為嚴(yán)重的巖石板裂、蔥皮、剝落掉塊、混凝土噴層開裂、脫空及巖爆等一系列項目軟巖問題。這些項目軟巖問題以什么方式表現(xiàn)《什么時候出現(xiàn)《在哪些部位最容易產(chǎn)生《采用什么項目處理措施能更有效地予以解決等等《都是今后工作中需要進(jìn)一步探討和研究的。

在巖石三軸壓縮試驗中，雜色角礫狀大理巖變形模量、彈性模量出現(xiàn)圍壓為5mpa時變形模量、彈性模量值最高，0mpa時最低，圍壓從0mpa升高至5mpa，變形模量、彈性模量值升高154%～117%;從5mpa升高至10mpa，變形模量、彈性模量值降低18%和12%;從10mpa升