洞室群围岩大变形的调控对策

利用考虑洞室围岩分区分级松动圈的岩体力学参数多目标反演模型，动态反演获得岩体力学参数，对洞室群开挖进行弹塑性数值分析及稳定性预测，锦屏一级地下厂房松动圈分区分级示意图见图5。由于地质条件复杂，施工期出现了诸如高地应力引起的片帮剥落、主厂房和主变室下游拱部的严重开裂、围岩变形量值大、锚杆和锚索超限、围岩卸荷松弛深度大等问题。地下厂房洞室群在开挖支护设计和施工过程中，自始至终坚持了“动态设计”理念，及时开展支护设计调整。针对主厂房下游拱部出现的规模性变形开裂，按不同区位分三时序进行支护处理，系统支护设计方案见图6。

图5　锦屏一级地下厂房松动圈分区分级示意图

1～7—开挖时序编号

图6　地下厂房洞室群系统支护设计方案

4.1　洞室群围岩大变形控制原理、原则和分层耦合控制方法

针对锦屏一级地下厂房围岩变形特点，采用了“稳住上部—增强中部—加固下部”的洞室群高边墙稳定控制原则以及“置换加固、灌浆加固、喷层—普通锚杆—预应力锚杆—预应力锚索适时支护”等表层—浅层—深层三层联动耦合的地下厂房洞室围岩大变形控制方法。

具体措施为：①为了保证顶拱稳定，在下游拱座增加了三排锚索，补加挂钢筋网喷混凝土后，采用浓浆精细监控灌注；②为了抑制岩壁吊车梁和母线洞部位松动圈的发展，在主厂房与主变室之间增加了对穿锚索，在母线洞之间靠厂房侧设置两排对穿锚索，尽快浇筑母线洞衬砌混凝土，并进行固结灌浆；③对断层f14和f18等变形较大部位加大支护强度，并采用固结灌浆；④母线洞底板和尾水连接管之间采用系统锚索支护；⑤将靠近主厂房尾水连接洞之间布置的两排锚索调整为四排；⑥机坑间岩墙开挖质量对保证厂房边墙稳定意义重大，立面用对穿锚索加固，顶部先下挖80cm、浇筑钢筋混凝土板后用锚索进行加固；⑦尾水调压室下部的三条尾水管之间，在2倍洞径范围内设对穿锚索；为保证尾水调压室围岩稳定，应合理安排开挖、支护程序，在尾水支管完成混凝土衬砌后再贯通尾水调压室；⑧为确保厂房安全，实施“增强中部”措施，放缓第Ⅷ层开挖。

4.2　预应力锚索分序、分区、分级控制初始锁定吨位设计方法(www.xing528.com)

由于高地应力环境地下厂房洞室围岩的变形会或多或少地表现出一定的时效变形特征，洞室开挖完成后仍有持续变形，在低岩石强度应力比条件和结构面发育部位，围岩的时效变形就会更为明显。洞室各部位的变形规律也有所不同，并受到岩体结构等因素影响。因此，在高地应力区大型地下厂房洞室群中，系统锚索预应力初始锁定吨位的控制，对后期锚索结构安全起非常重要的作用。鉴于此，对于高地应力区大型地下厂房洞室群预应力锚索支护，提出了预应力锚索分序、分区、分级控制初始锁定吨位设计方法。这种方法根据地应力量级、围岩条件、强度应力比、洞室边墙不同位置等具体情况以及洞室围岩稳定的监测反馈分析和对后期开挖乃至开挖完成后锚索张力的预测，在不同支护时机（滞后I层、Ⅱ层或者Ⅲ层）下，分时序对预应力锚索进行分区、分级控制初始锁定吨位，能够有效解决高地应力区大型地下厂房洞室群系统锚索超限和支护结构长期安全的问题。

锦屏一级水电站同时具高地应力、低岩石强度应力比、厂区有三大断层和煌斑岩脉通过等不利条件。根据地下厂房洞室群地应力量级、围岩条件、锚索所处位置等具体情况以及反馈分析和对后期开挖乃至开挖完成后锚索张力的预测结果，采用预应力锚索分序、分区、分级控制初始锁定吨位设计方法后，确定了锦屏一级地下厂房洞室群预应力锚索支护时机以及围岩分区初始锁定吨位，锚索一般滞后I层进行张拉锁定初始段位，其中厂房边墙上部初始锁定吨位为设计值的60%～70%，中部为65%～75%，下部80%～85%。而数值计算和现场监测均表明不会引起洞周围岩位移显著增加，而锚索后期超限现象有明显降低。

4.3　洞室围岩松动圈精细控制灌浆补强技术

在松动圈范围达4～6m甚至更深的情况下，以及时效变形占总变形量较大比例时，如何使松动圈有效地向承载圈转化，增强松动圈的整体性和自身的承载能力以便能够发挥岩体承载圈的作用是需要解决的技术难题。在地下厂房开挖施工中对松动圈进行固结灌浆可促使松动圈向稳定的承载圈转化，但无先例可循。锦屏一级地下厂房开挖过程中提出并实践了高地应力区地下厂房洞室松动圈围岩精细控制灌浆补强技术包括灌浆前围岩松动圈岩体破裂探测、灌浆过程中压力和围岩变形等实时监控、灌浆后岩体补强效果检测等全过程的精细控制。其中，灌浆前围岩松动圈岩体破裂探测主要工作为根据钻孔摄像观测、声波测试以及反馈分析等综合确定卸荷破损严重的松动圈范围和深度，作为围岩针对性的灌浆范围和深度；灌浆过程中压力和围岩变形监控主要工作为灌浆压力控制以及围岩变形和喷层实时监控，防止混凝土喷层起鼓，动态控制围岩变形和灌浆压力；灌浆后岩体补强效果检测主要工作包括采用压水试验和岩体波速测试或取芯开展室内岩石强度试验检测围岩补强效果。

地下厂房下游侧边墙高程1651～1654m（纵0+31.7～纵0+185.1）岩体固结灌浆进行了灌前、灌后进行声波检测，灌浆前后下游边墙岩体声波波速的对比情况见图7。灌后声波测试波速特点为：①松弛孔段岩体灌后平均声波波速比灌前提高了5.8%；②松弛以里孔段岩体灌后平均声波波速比灌前提高了2.4%。由此可见，松动圈精细控制灌浆补强技术有效提高了松动圈承载能力，保障了支护措施的长久性。

图7　灌浆前后声波变化