地下洞室稳定性设计控制优化

4.1　地下洞室稳定设计处理原则

（1）避让性原则。厂址与洞线选择应尽量避开规模较大的断层，过堆积体洞段应保证足够的上覆岩体厚度。

（2）适应性原则。厂址洞轴线与优势结构面、软弱结构面成大角度相交，与较大主应力方向成小角度相交，通过方案比较获得稳定性较好的布置方案，以减少潜在不稳定块体出现概率，减少对块体稳定性影响，获得相对较好的调整应力场。

（3）主动性原则。通过开挖程序的研究比较，选择较优的开挖次序，以最大可能降低洞室调整应力峰值和应力差，一般采用先小后大、先中间后两侧、基本同步交替下挖的开挖次序，相邻洞室开挖高差不宜过大。在高地应力硬岩大型地下洞室群开挖设计中，如何尽可能降低大洞室的调整应力水平较为关键。

（4）针对性原则。通过块体稳定和围岩应力应变分析研究，找出稳定性或变形最不利的块体和部位，或控制稳定的关键因素或部位，进行针对性加强处理设计。

（5）适时性原则。根据对围岩变形破坏机制的初步分析判断，提出支护实施的较优时机。

4.2　围岩变形特征

围岩变形、破坏特征和岩体强度、岩石与结构面亲水性、岩体结构、围岩初始地应力水平和应力场特征、地下水活动特性等密切相关。根据已有工程资料，结合围岩变形和几何特征等，大致可归纳为以下几种变形类型：

（1）应力调整型。大多数地下厂房的变形属于此种类型，围岩稳定性好，以弹性变形为主，变形稳定时间短。对于岩体较完整、岩体强度较高、围岩初始应力或调整应力水平不高的洞室，其应力应变特征主要表现为围岩浅表部应力松弛、回弹，锚杆受力较小，局部因岩体结构差异或开挖体型突变或洞口交叉部分锚杆应力较大，围岩变形深度、量值均较小，变形稳定时间短。地下厂房围岩变形量一般为20～30mm，即使国内目前跨度最大的向家坝地下厂房，其围岩变形也很小，跨度33m，最大变形仅10mm左右。

（2）块体滑移变形拉裂型。大型地下洞室存在大型不稳定或稳定性较差的组合块体，滑移变形可导致后部拉裂或前部抗力体挤压破裂。广西红水河某大型电站30 m跨度厂房上游边墙，因两条陡倾角断层组合交线在机窝开挖时基本临空导致近70m高的上游边墙发生近150mm的位移，变形深度超过30m，部分锚索应力超限，锚墩松弛，位于上游的送风洞底板开裂。

（3）拉压变形开裂型。岩墙或岩柱或片状结构岩体边墙易出现。

（4）应力调整+塑性变形型。为在高地应力状态下或高调整应力条件下高强度硬岩的一种变形类型。高地应力高强度硬岩大型地下洞室高边墙松弛圈深度或应力调整深度、变形深度、稳定时间均大于中等应力场高强度硬岩情况，应力调整量值较高，可使岩体沿硬性结构面产生一定的剪切位移。围岩变形主要表现为弹性和较大比例的塑性变形，浅表层锚杆支护应力较大，锚索受力增长不明显，变形存在一定的空间时间效应。洞室下层开挖对已开挖部位影响较大，开挖后一定时间内，变形呈缓慢增长至稳定或表现为小幅波动。下层开挖变形增量、变形稳定时间与围岩结构和完整性有关，岩体完整性较差的部位变形及其深度较大；某电站围岩为强度极高的玄武岩，主应力达35 MPa，机组段围岩最大变形达60mm，部分锚杆应力超过400 MPa，厂房开挖结束后，其变形存在缓慢增长趋势，数月后才趋于稳定。

（5）应力调整+塑性流变型。高地应力中硬—硬岩大型洞室，应力调整可导致较大深度范围内岩体破裂，围岩松弛和变形深度较大，浅层和深层支护应力均较大，变形稳定时间长，表现为流变特征。

（6）流变型。主要存在于软岩洞室。

（7）膨胀型。泥岩、页岩以及蚀变带等亲水性软岩遇水膨胀变形。

4.3　围岩变形破坏模式

（1）块体塌落或滑移塌落型。大多数洞室存在结构面不稳定组合，受爆破影响，自重作用下塌落或滑落。对于通常所说的结构面切割形成的横洞向或顺洞向人字形四面组合块体或准人字形块体及其衍生出来的其他形状块体稳定性较差或不稳定。顶拱典型人字形四面组合块体一般情况下认为是不稳定的。滑移塌落型块体稳定性取决于主侧滑移面或滑移线倾角、抗剪强度以及拉裂面的贯通性；顶拱或拱肩部位陡倾角和陡缓倾角结构面组合易出现块体滑移塌落，在工程洞室中最为常见，其对工程施工安全的威胁也较大。

（2）块体滑移拉裂变形失稳型。在高边墙存在陡倾角或陡缓倾角结构面潜在不稳定组合时，当其主滑面或滑移线倾向临空方向时，块体易沿其组合交线发生滑移变形甚至失稳。其稳定性取决于主滑面强度、滑移线倾角以及拉裂面连通性。对于存在大型高陡形软弱结构面组合块体，在其交线未完全临空的情况下亦存在危害性变形的可能。最近西部一中型电站26m直径的调压井在挖至底部时因存在高陡断层发生塌滑。某电站导流洞16m高边墙因存在顺洞向倾向洞内的陡倾角断层，虽跟进进行了多排3根直径32mm锚筋桩加固，下层开挖切脚后，局部仍出现了严重变形拉裂，变形体规模近500m3，进行了挖除。

（3）岩墙或岩柱拉压开裂变形失稳型或片帮失稳型。电站尾水调压井中间隔墙、尾水或引水岔洞隔墙由于其挖空率较高，岩墙厚度较薄，至少三面临空，围岩应力高度集中，岩墙或岩柱几乎处于单向受压状态，容易发生墙（柱）体受压变形或沿结构面甚至岩体本身破裂。对于高边墙存在顺洞向高倾角层状岩体或顺洞向片状结构岩体（存在顺洞向高倾角节理密集带），则表现为片帮破坏。

（4）塑性流变破坏型。为高地应力状态下或高调整应力条件下中硬—一般硬岩的一种变形破坏类型。表现为松弛圈深度大甚至发生深部塑性破裂、变形历时长，锚索应力随着开挖和时间有较大增长。围岩应力调整措施、支护深度、强度不足或时机不当时，存在洞室松弛圈整体发生危害性变形或失稳可能。

（5）松弛失稳型。对于Ⅳ类、Ⅴ类围岩或覆盖层洞室，围岩自稳性差，自稳时间段，若超前支护、支护时机、支护形式不当，其松弛圈过度变形可能发生整体坍塌或导致支护结构发生危害性变形甚至失稳。

（6）流变、崩解膨胀失稳型。对于富含高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等亲水性矿物的页岩、泥岩、黏土岩、凝灰岩等软岩以及岩浆岩断层带或蚀变带，其流变性突出，暴露后易吸水或遇水软化甚至崩解膨胀，围岩变形大、历时长，自稳性差。某电站对外公路隧洞围岩为炭质页岩，发生多起塌方，初期支护最大变形达30～40cm，衬砌后历时长达一年尚未稳定，出现衬砌开裂、路面隆起。

（7）岩爆型。对于完整的硬岩或超硬岩，在高围压状态开挖或高地应力区应力集中系数较高时易发生围岩破裂甚至弹射。根据岩爆程度可分为轻度、中等、强和极强岩爆。

（8）震塌型。因洞室或附近爆破控制不当，受爆破冲击和地震波影响可导致岩体开裂失稳等。

4.4　典型洞室稳定处理设计

（1）某电站地下厂房。

1）工程概况。电站装机1000 MW，安装4台机组，地下厂房跨度22.7m，岩锚梁以下21.1m，厚层—巨厚层凝灰质砂岩，超硬岩，初始应力水平中等，第一主应力14.5 MPa，与轴线夹角较小，岩体较完整，存在一条Ⅱ级中倾角层间挤压错动带f13和2～3条Ⅲ级缓倾角挤压破碎带斜切厂房，碎屑夹泥型，f13在厂房上游边墙为斜交顺向。陡倾角节理较发育，局部存在缓倾角节理。厂房临江一侧发育一条陡倾角Ⅱ级夹泥型断层f102，斜切尾水调压井（直径26m）下部。厂区无大型特定块体，边墙和顶拱存在有层间错动带、缓倾角挤压带以及陡倾角节理组合成的不稳定或潜在不稳定块体。主厂房开挖工期13.5个月。顶拱最大变形1cm，边墙最大变形2cm左右，应力应变历时线为典型台阶状，松弛圈深度1～2m，大部分锚杆应力小于100 MPa，岩锚梁附近锚杆少量达300 MPa。岩锚梁沿层间挤压面轻度剪切位移开裂。系统支护体系主要为6m、9m直径28～32mm锚杆，未设置系统锚索。

2）工程措施。深入研究厂区内二级软弱结构面对三大洞室稳定的影响，通过调整布置，尽量减少厂房轴线与主应力夹角，增大与f13夹角，避开F102，避免F102在调压井下部临空，并尽量保留一定的岩体厚度。

针对顶拱由层间挤压带控制潜在的较大块体，利用中导洞针对顺洞向陡倾角节理实施侧向超前加固，并对大块体中的潜在不稳定小块体（关键块体）实施锚杆加固。交替扩挖两侧，对块体跟进支护。

在边墙沿f13或其他中缓倾角挤压面上盘或下盘，增设两排“缝合“锚杆。

顶拱在f13下盘一定厚度范围增设长度15～30m不等的锚索。

3）工程经验。充分发挥地质工程师作用，在布置方案和支护设计参数方面，在块体稳定详细分析的基础上，结合应力应变分析规律，并借鉴类似工程经验，提出了一整套布置、开挖和支护参数建议。通过与水工专业人员深入讨论交换意见，将专业互补作用极大发挥。招标和施工图阶段基本采纳了地质工程师的建议。

将块体稳定控制理念和方法进行全过程贯彻落实，与监理、施工紧密配合、积极互动，并落到实处。

施工前编制了厂房洞室、边坡的地质开挖断层等控制性结构面展示图，指导现场工作。(www.xing528.com)

在施工阶段，业主和设计项目部重视，授权设计院现场地质负责人初步处理现场边坡、洞室围岩支护设计方案、参数调整。监理、施工配备了较强的地质专业人员，成立了由设计院地质副设总牵头的支护工作小组，形成了现场地质问题的快速工作机制。

外延地质预报工作内容和作用，地质通知单内容涵盖所涉及部位的地质基本条件、评价、初步处理措施、施工措施建议和施工安全注意事项等。在很长一段时间内，地质通知单作为设计通知单使用，效果很好、效率很高。后来因行业习惯问题和国内施工合同结算规定约束，才改为设计人员根据地质通知单另出设计通知单形式。

不足之处在于，顶拱锚索因工期问题，开挖至安装间高程时才实施，增加了施工难度和施工成本。

（2）高地应力区某水电站地下厂房。

1）工程概况。电站装机2400 MW，安装4台机组，跨度29 m，岩锚梁以下27m，厚层—巨厚层似层状玄武岩，块状、次块状结构，局部碎裂状，最大主应力35 MPa，主厂房洞轴线与主应力以及一组陡倾角优势节理夹角均较小，无Ⅱ级断层发育，厂区内主要存在与洞轴线夹角较大的三级、四级陡倾角挤压破碎带以及缓倾角挤压破碎带，节理较发育。岩体较完整，厂房主要为Ⅱ类，顶拱和上游边墙局部存在Ⅲ类，机组段上游边墙存在一组顺洞向陡倾角节理，陡倾角岩块或岩屑型破碎带与边墙呈大角度相切，和与边墙呈大角度相切的缓倾角岩块或岩屑型破碎带组合成不利组合。主变室主要为Ⅱ类，尾水调压井顶拱和下游边墙为大部Ⅲ类，岩块岩屑夹泥型缓倾角挤压带从顶拱向下游延伸至拱肩以及边墙上部，大部下游拱肩部位岩体完整性较差。

主厂房开挖工期24个月。主厂房围岩松弛圈深度2～3m，锚杆应力100～300 MPa，较大值深度在5m左右，部分岩锚梁锚杆应力超设计强度400 MPa；围岩变形深度一般在8m以内，局部12m，变形量10～30mm，最大近60mm，出现在上游边墙3#机组中部偏上位置，变形历时线呈宽缓台阶状，下一层开挖结束后，浅表层变形呈稳定小速率增长或小幅波动中下层开挖阶段变形增量占近50%，开挖结束后稳定时间较长，开挖过程中锚杆应力稳定时间相对较短，锚索应力变化不明显。岩锚梁混凝土出现了较多的剪张裂缝，错动不明显，中上部钢纤维喷层在上游边墙变形较大的部位喷层裂缝较明显，后续发展不明显。个别母线洞混凝土衬砌后出现开裂。尾水调压室中隔墙开挖过程中，上部对穿锚索应力超过设计张拉荷载较多，岩墙沿横洞向节理开裂。

2）工程措施。主厂房边墙采用系统喷锚和系统锚索（机组段），顶拱为锚喷支护，局部缓倾角破碎带下盘增设200 k N预应力锚杆。主厂房与主变室岩墙、调压室中隔墙施加对穿预应力锚索。调压室顶拱存在缓倾角挤压破碎带部位设置预应力锚杆，受其影响的拱肩和顶拱部位增设预应力锚索。

3）工程经验。增加了机组段监测断面；利用探洞和中导洞提前实施部分多点位移计，以获取开挖应力应变初始值；通过松弛圈的全过程监测跟踪掌握围岩松弛破损发生发展过程，作为围岩变形稳定的一个重要判据。

利用厂房中导洞对潜在缓倾角破碎带不稳定组合块体先揭露部分实施加强支护；及时调整尾水调压室中隔墙中下部开挖方案，实施小梯段开挖，加长锚杆锚固深度，相向搭接，采用小断面室间交通洞并增设钢筋混凝土衬砌，完成交通使命后及时回填。

预应力锚索张拉荷载为设计的80%，预留一定的设计荷载，以适应高地应力区围岩应力时空调整。主厂房开挖支护在时间和空间上错开，一部开挖，另一部实施支护作业，以保证及时进行支护。

区别对待围岩浅表部和深部应力应变变化，并有机联系起来进行分析，将深部应力应变的变化，尤其是变化速率作为围岩变形稳定和整体稳定主要判据是合适的。块体三维刚体极限平衡分析方法和变形速率经验判据总体上适用于高地应力区高强度围岩，在机组段中下部开挖过程中喷层出现开裂以及围岩变形出现较大变化时，基于对块体边界和稳定性分析判断，没有盲目增设锚索等深层支护。

对于高地应力区强度较高的围岩，采用系统锚索进行深层支护较为合适，有效约束了围岩的过大变形，针对块体和断层影响带加强处理是保证围岩稳定和工程安全的关键。围岩浅表或松弛圈的支护在中低地应力区大型地下洞室常规锚喷参数基础上适当加强是合适的。

不足之处是在尾水调压室顶拱设计和施工中存在喷层两次施工缝面接触不良导致喷层开裂；拱肩部位缓倾角挤压带对围岩变形影响重视认识不足，致使第三层开挖后部分下游高边墙和顶拱浅表层出现开裂，增设了较多的锚索工程量。中隔墙上部开挖梯段高度和次序不尽合理，应力调整控制措施不充分，导致支护应力超限和墙体开裂。

（3）某工程尾水岔洞单薄岩柱。

1）工程概况。

电站总装机1000 MW，尾水两机一洞，在调压井后设卜型岔管，尾水洞净尺寸16m×18m，岔管最大跨度28m，岔管上游尾水支洞直径14m，交叉点上游17m垂直尾水支洞布置有施工交通洞，交通洞部位洞间岩体宽度约11m。厚层—巨厚层凝灰质砂岩，陡倾角节理较发育，中倾角碎屑夹泥型层间错动带从右侧支洞顶拱斜切至左侧支洞腰部，岩柱稳定性较差。

2）工程措施。导洞交替开挖支护，先施工右侧，布置相向搭接锚杆，下层开挖前提前将施工交通洞下游采用混凝土墙进行支撑。

3）工程经验。制定专门岔管段开挖支护施工方案，真正做到分层分序、小单响甚至微药量开挖，逐步进行应力调整（施工支洞的开挖实际上也起到了提前释放部分围岩形变能的作用）；提前封堵施工支洞改变后续开挖应力调整方向，降低岩柱受力。在岩柱开挖过程中，混凝土墙出现了一组高角度剪张裂缝，岩柱喷混层未见开裂现象，衬砌后混凝土内钢筋计、应变计量值亦很小，说明岩柱下层开挖过程中，施工支洞下游混凝土墙承担了大部分应力调整荷载，岩柱未沿层间错动带发生滑移变形或沿顺洞向节理面产生开裂变形。

（4）某电站导流洞渐变段。

1）工程概况。导流洞渐变段跨度26m，长40 m，标准过流断面16m×18 m，岩体为凝灰质砂岩，中等风化，厚层碎裂—次块状结构，在洞身20～50m洞段上下游分别发育碎屑夹泥型陡倾角断层和中倾角层间挤压带，横切洞身，陡倾角断层倾向上游，层间挤压带倾向下游，顺洞向陡节理发育并沿左右侧顶拱存在顺洞向陡倾角岩块或岩屑型挤压破碎带，组合块体长约30m，最大高约18m，规模3000m3。顺洞向呈不等边直角三角形，横向上在顶拱中间分布。渐变段围岩稳定性较差。

2）工程措施。块体处理方案最初为15m深长预应力锚杆方案，在施工过程中，通过对块体边界条件密切跟踪和稳定性分析，取消了预应力锚杆。中导洞先行贯通，顺开挖方向锚杆超前支护，先加强随机锚杆后实施系统支护再立设型钢拱架，锚杆长6m或9m，中导洞扩挖前实施侧向超前锚杆。块体边界出露后，块体区域系统锚杆长度和间排距按9 m、1 m×1m布置，在陡倾角断层和中缓倾角层间挤压带下盘锚杆方向与断层大角度相交，穿过断层2～3m，沿顺洞向陡倾角挤压带实施侧向锚杆加固。块体加固完成后两侧剩余部分交替扩挖，一次扩挖宽度为3m，单响药量低至5 kg。中下层开挖仍然遵循上述原则。开挖过程中严格控制爆破孔间排距、角度和深度，洞室成型良好，未发生较大掉块。

上层洞开挖和支护施工过程中拱脚局部锚杆应力损失为零，边坡和洞身多点位移计存在突变现象，但深部位移较小，稳定时间较短。导流初期混凝土衬砌顶拱应变计超过5000个微应变设计变形极限，未做处理。

3）工程经验。中导洞先行是进一步查明工程洞室条件的非常有效手段；顺洞向和侧洞向超前支护、随机锚杆跟进实施是保障不良地质体初期稳定的第一步；短进尺、多序扩挖、薄层下卧、微量爆破等精细化施工手段是块体不发生突发性失稳的可靠保障；对块体控制性边界（关键块）及时实施针对性加强支护是控制围岩块体自稳的关键。

为保证块体开挖施工期的稳定，开挖、支护以及监测需有序实施，步步为营、环环相扣，最后将超前支护、随机支护、针对性支护和系统支护措施形成有机锚喷支护体系。

对于大型不稳定块体，只要参建各方高度重视，密切合作，通过精细化信息化科学有序施工，采用常规喷锚支护手段进行施工期稳定控制，不发生塌方是完全可以做到的。

（5）某工程导流洞渐变段塌方处理。

1）工程概况。导流洞进口渐变段跨度25 m，长33 m，标准过流断面16m×19m，似层状玄武岩，岩石强度极高，中等风化，碎裂结构，顺洞向中、陡倾角节理发育，埋藏约2倍洞跨，前期资料中无断层或挤压带。渐变段0～33m先开挖左侧导洞，33m处先行开挖至底板高程，上层中部以及右侧分两部开挖，进尺3m，进口前段设悬吊锚杆、长管棚超前支护，开挖至11～16m时，11～33m顶拱发生坍塌。塌方稳定后发现，顶拱小桩号喷层拉裂、管棚尾部断裂，左侧已实施钢拱架端部破损，坍塌面性状顺洞向和横洞向呈人字形，塌方高度最大15m，规模1300m3。

2）原因分析。存在顺洞向倾向相向的长大中陡倾角结构面以及横洞向倾向下游的陡倾角小型断层，存在大型不稳定组合块体。

开挖次序不合理，先行开挖左侧部分不能有效起到成拱效应，初期支护未能形成有机整体，侧向超前支护难以实施，尾部桩号先行开挖至底板高程形成尾部临时高边墙增加了端部顶拱岩体松弛。

上层洞分序断面过大，一次进尺偏长，不利于逐步形成拱效应，爆破单响偏大，中部开挖后右侧部分爆破松动强烈，多不能有效保留，塌方前6m支护未完全到位，施工不精细。

3）塌方处理措施。塌方停止后组织参建各方现场勘查塌方区，重点对塌方的地质原因和施工存在的风险进行分析评估，在保证施工安全的前提下先对塌方区外围变形拱架进行修复并增设径向锚杆进行加强，确保塌方区不再进一步发展和作业面安全；采用机械清除塌方面残留松散危石，由外向里逐次初喷铺设主动防护网，脚手架分层铺满防护材料以避免落石伤人；采用锚筋桩或长锚杆大角度与结构面或塌落面相交先行实施锁脚，再由外向里、从低到高依次实施；对残留岩体实施微量爆破成型；锚喷支护完成后沿原设计断面架设型钢拱架喷射混凝土封闭形成临时混凝土拱，最后施工混凝土衬砌并泵送一定厚度混凝土回填空腔。整个塌方处理过程未发生二次伤害事件，历时较短（从塌方到过流共用时4～5个月）。

4）工程经验。任何不合理的开挖支护程序都可能导致不良地质洞段发生塌方。塌方后需采取快速有效施工安全防护措施以保障施工作业安全，消除作业人员恐惧心理；塌方处理程序必须遵循先稳定外围，由外及里、从脚至顶的加固治理步骤；锚筋桩或锚杆需对塌腔面出露的不利结构面进行针对性布置。施工机具和锚固材料选择应偏重其快速有效。塌方处置过程存在一定安全风险，应做好应急预案。