杨静熙 刘忠绪 黄书岭

YANG Jingxi① LIU Zhongxu① HUANG Shuling②



高地应力条件下锦屏一级主厂房围岩松弛深度形成规律和支护时机研究*

杨静熙①刘忠绪①黄书岭②

近年来我国西部已建成发电或正在建设的一批大型、特大型水电工程，其地下洞室群多处于高山峡谷地区，地质条件复杂、地应力较高。受高地应力影响，施工期洞室群围岩易出现不同程度的变形破坏，并常常导致超常规深度的围岩松弛。本文结合锦屏一级水电站主厂房围岩松弛长期物探检测成果，系统分析了围岩松弛深度的形成、发展和演化趋势，再采用数值分析手段，通过围岩位移、塑性区发展趋势来研究最佳支护时机，研究表明：高地应力地区厂房轴线宜尽量与最大主应力σ1方向平行，能有效减小时效变形导致的不同部位不同程度的围岩松弛； 洞室分层开挖时，围岩松弛深度的80%在本层开挖后间隔2～3层时形成； 相比开挖后滞后支护，及时支护围岩位移量、塑性区明显较小，因此及时支护为最佳支护时机。研究成果对高地应力条件下大型地下洞室轴线选择、支护设计、支护时机选择具有参考意义。

锦屏一级水电站 高地应力 地下洞室 松弛深度 支护时机

YANG Jingxi①LIU Zhongxu①HUANG Shuling②

0 引 言

以雅砻江锦屏一级、大渡河猴子岩为代表的中国西部水电工程，其主厂房地质条件都很复杂，洞室群受高-极高应力、相对较低的岩石强度等因素的影响，施工期厂区洞室群围岩均出现了不同程度的变形破坏现象。如雅砻江锦屏一级、大渡河猴子岩水电站在开挖期主厂房、主变室上下游拱座、边墙甚至端墙浅表部围岩都出现了高应力引起的破坏，系统支护后仍然随时间向深部发展，最终导致边墙围岩形成深度一般8～12m，最大深度17～19m的卸荷松弛区。再如雅砻江官地水电站施工期主厂房上游边墙监测数据显示出现了累计位移50mm以上的大变形，而且上游边墙沿锚梁部位和3#压力管道下平段内混凝土喷层发现多处裂缝，在厂房三大洞室边墙均形成了深度不等的卸荷松弛区。

针对高地应力条件下洞室群围岩变形破坏，众多文献对其成因机理进行了研究(李仲奎等， 2009； 卢波等， 2010； 谢国权等， 2010； 陈长江等， 2011； 丰明海等， 2014； 朱建业， 2014)。研究都认为高地应力条件下洞室围岩变形破坏呈现出明显的松弛深度随下挖、时间持续而逐渐增大的时效变形特征，并对其进行了研究(杨林德等， 2005； 魏进兵等， 2010； 程丽娟等， 2011)，并提出了加固措施(周钟等， 2009； 侯东奇等， 2012； 张勇等， 2012)。也有文献根据声波曲线形状对围岩卸荷松弛特征进行了研究(He et al.，2014)，有文献利用围岩大量声波波速-深度曲线及其拟合曲线对开挖后的围岩松弛现象进行评价(张建海等， 2011)，有文献对围岩松弛的时间效应从物探检测资料进行了分析(廖伟等， 2011)，还有文献根据隧道围岩变形速率划分变形阶段来对围岩变形的空间效应和时间效应进行分析(孙元春等， 2008)。这些文献中针对开挖爆破松弛和卸荷松弛的时效变形问题进行了研究，但都未进行系统的卸荷松弛的长期检测分析，都没有涉及到围岩变形及松弛形成时间、形成规律的研究，都未涉及到支护时机选择的研究。

本文意在针对目前国内水电工程地下厂房围岩松弛区检测和研究中存在的问题，依托锦屏一级地下厂区施工期进行的围岩松弛区系统的钻孔声波和全景图像长期检测成果，在对不同开挖层围岩松弛深度划分确定后，从多角度分析主厂房顶拱和上下游边墙不同部位围岩松弛区深度的形成、发展、演化过程，探索围岩松弛特征及其深度形成规律。再采用数字分析手段，通过对不同支护时间围岩位移、塑性区的发展趋势的模拟分析，来研究最佳支护时机。最终总结出高地应力区洞室围岩松弛形成规律，为类似工程地下洞室围岩的最佳支护时机决策提供一定的经验参考。

1 工程概况和主厂房开挖分层完成情况

锦屏一级水电站位于四川省凉山州盐源县与木里县境内，总装机容量360万千瓦。地下厂房位于大坝下游右岸山体内，水平埋深110～300m，垂直埋深180～350m，主厂房轴线N65°W。洞室置于三叠系中上统杂谷脑组大理岩内，岩石强度60～75MPa，实测初始最大主应力一般20～30MPa，最高35.7MPa，方向平均为N48.7°W。受高-极高地应力、较低的岩石强度影响，主厂房在开挖支护过程中围岩发生了强烈的高地应力变形破坏，最终导致围岩松弛深度、范围远较一般工程大。

表1 锦屏一级主厂房开挖分层支护完成时间统计表

Table1 Finishing times of excavation of each layer in main powerhouse of Jinping I hydropower station

开挖层开挖时间系统浅层支护系统深层支护分层高程/m物探检测高程/m支护时机支护时间支护时机支护时间第Ⅰ层07.08前与开挖随层跟进07.8前——1664.801670、1665第Ⅱ层07.08～07.10随层跟进07.08～07.10滞后开挖一层07.11～07.121661.751657第Ⅲ层07.11～08.04随层跟进07.11～08.04滞后开挖一层08.05～08.071654.531657第Ⅳ层08.05～08.07随层跟进08.05～08.07滞后开挖一层08.08～08.101649.731649第Ⅴ层08.08～08.10随层跟进08.08～08.10滞后开挖一层08.10～08.121643.501649第Ⅵ层09.01～09.02随层跟进09.01～09.02滞后开挖一层09.03～09.051639.501641第Ⅶ层09.03～09.05随层跟进09.03～09.05滞后开挖一层09.06～09.081633.901634第Ⅷ层09.10～09.11随层跟进09.10～09.11滞后开挖一层09.11～09.121629.00第Ⅸ层09.11～09.12随层跟进09.11～09.12滞后开挖一层10.01～10.021625.80第Ⅹ层10.01～10.02随层跟进10.01～10.02滞后开挖一层10.03～10.041615.95第Ⅺ层10.03～10.04随层跟进10.03～10.04滞后开挖一层10.05～10.061604.80

主厂房开挖尺寸长276.99m、跨度25.60～28.90m、高度68.80m。图1 为主厂房66.8m高度的共11个开挖分层(台阶)，其中高程1625.80m以上为大跨度开挖，开挖时间为2007年初至2009年5月，高程1625.80m以下为蜗壳、发电机层开挖，开挖时间为2009年10月至2010年4月。表1为各开挖层浅层、深层支护完成时间，采用的都是常规的浅层支护随层完成、深层支护滞后开挖一层完成的及时支护。

图1 锦屏一级主厂房开挖分层图

2 围岩松弛检测布置

图2为主厂房施工期对围岩松弛区进行系统物探长期检测的断面布置，其中主机间为①-①到⑥-⑥ 6个断面，安装间为⑦-⑦断面，副厂房为⑧-⑧断面； 每断面上下游边墙共布置检测孔6个，典型断面布置(图3)。检测孔所在1665m、1657m、1649m、1641m、1634m高程分属开挖层的Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ层。

图2 主厂房围岩松弛区物探长期检测断面布置示意图

图3 主厂房围岩松弛区物探长期检测孔布置典型断面示意图

长期检测项目为钻孔声波和全景图像。检测时间要求为开挖后前3月每月测试1次， 3个月后每季度测试1次， 1年后每半年测试一次； 当观测部位附近有大爆破时，应加密观测一次。

实际检测工作按每一层的开挖支护台阶进行，在2009年12月开始第Ⅸ层开挖后长期检测工作即停止。截止于2009年10月最后一次检测，各断面、各高程检测孔完成的检测次数不等，其中1657m高程5次、1649m和1665m高程各4次， 1641m高程2次，上游1634m高程1次，下游1634m高程和上下游1625m高程没有进行检测。受现场施工条件影响不同台阶都有个别钻孔未能完成检测。

3 围岩松弛分带标准与松弛区划分

锦屏一级主厂房围岩中根据钻孔声波曲线趋势及衰减率、全景图像中新生张开裂隙的条数、间距及其张开宽度对每个检测孔在每一个开挖层的松弛区进行判别、划分，划分了强、弱两个松弛区，典型声波及全景图像松弛区分区(图4，图5)。图5 中原有岩体新鲜完整，裂隙不发育，且嵌合紧密，照片中所见张开裂隙均为开挖后岩体松弛新生裂缝。本文只针对松弛区最终深度进行研究，围岩强、弱松弛区的具体划分标准、方法不是本文的研究范围。

分析、整理主厂房上下游5个高程近70个钻孔的各次检测成果得到不同开挖层围岩的松弛深度成果和最终松弛深度成果，依据最终松弛深度成果绘制的主厂房主机间上下游边墙的围岩最终松弛深度等值线立面图(图6，图7)。

从图6和图7中可以看出：下游边墙围岩松弛深度总体都在9m以上，上游边墙则9m以上和以下约各占一半； 下游边墙及拱座在桩号0+070～0+180段高程约1657m以上有一松弛深度大于15m的连续带，最深为桩号0+045高程约1650m处的19m； 上游边墙中下部与1～4#压力管道交叉部位围岩松弛深度普遍在12m以上，其中1#压力管道靠山内侧约1640m高程处最大达16.2m。上下游边墙围岩松弛深度的这种不对称分布格局，与主厂房轴线方向N65°W和最大主应力σ1平均方向N48.7°W的小角度相交，但略偏向下游边墙密切相关。

图4 围岩松弛区划分典型声波曲线示意图

图5 围岩松弛区划分典型钻孔全景图像示意图

图6 主厂房上游边墙围岩最终松弛深度等值线立面图

图7 主厂房下游边墙围岩最终松弛深度等值线立面图

4 围岩松弛深度形成时间规律的研究

4.1 爆破松弛深度与松弛总深度的关系

主厂房上游5排、下游4排检测孔中上下游1665m、1649m两个高程共4排孔在本层开挖完成后7～10d内完成了检测，时间间隔相对较短，其测得松弛深度可视作爆破松弛深度。

图8为爆破松弛深度及其占最终松弛总深度比例图。两个高程比较， 1649m高程排爆破松弛深度一般4～8m、最大达9m，远大于1665m高程排的1～2m和3.8m； 同一高程比较，上游1665m高程排的爆破松弛深度一般0.6～2m与下游1665m高程排的一般1.0～3.8m相当，但上游1665m高程排爆破松弛深度占最终松弛总深度比例为33.3%～100%，远大于下游1665m高程排的7.7%～54.3%。说明上下游边墙1649m高程和顶拱上游部位围岩爆破松弛影响较大、而时效变形影响相对较小，顶拱下游侧部位围岩爆破松弛影响较小、而时效变形影响更大。

图8 主厂房各开挖层围岩爆破松弛深度统计图

4.2 单个钻孔检测成果的分析研究

以2#、5#机断面为例，图9 为主厂房主机间上下游1665m、1657m、1649m、1641m和1634m 5个高程开挖层7个断面共48个检测孔确定的各个开挖层松弛深度发展趋势图。

图9 主厂房上下游边墙围岩松弛深度发展趋势图

图10 上游边墙5个高程排松弛深度发展趋势图

图11 下游边墙4个高程排松弛深度发展趋势图

表2 主厂房上下游边墙围岩松弛深度发展趋势统计表

Table2 Statistics of relaxation depth at the upstream and downstream walls of main powerhouse

间隔层数总排数80%深度孔100%深度孔备注孔数占本层比例孔数占本层比例本层开挖19(上游9下游10)3(上游3)15.8%2(上游2)10.5%80%深度孔是指松弛深度达到最终深度的80%以上;100%深度孔是指达到最终深度的100%间隔1层36(上游21下游15)24(上游15下游9)66.7%16(上游12下游4)44.4%间隔2层30(上游19下游11)27(上游16下游11)90.0%24(上游13下游11)80.0%间隔3层21(上游10下游11)20(上游10下游10)95.2%19(上游9下游10)90.5%间隔4层7(上游6下游1)7100%7100%间隔5层15(上游10下游5)15(上游10下游5)100%13(上游8下游5)86.7%间隔6层9(上游6下游3)8(上游5下游3)88.9%6(上游4下游2)66.7%间隔7层11(上游6下游5)11100%11100%

图12 主厂房高程1657m围岩松弛范围变化趋势平切面图

图13 主厂房2#机组断面不同支护时机下围岩位移变化等色图

从图10和图9各部位围岩松弛圈发展趋势可知：(1)上游2#机断面在第Ⅶ层开挖时大部分孔的松弛深度已达最终深度的87.5%以上，此时1665m、1657m、1649m 3个高程分别距本层开挖间隔5层、3层、1层； 5#机断面则在第Ⅴ层开挖时所有孔深度都达到最终深度的80%以上； 上游1641m、1634m两个高程所有孔均在本层开挖后间隔1层即达到100%； (2)下游2#机断面1665m、1657m高程所有孔的松弛深度均在第Ⅵ、Ⅶ层开挖达到100%，此时距本层开挖已间隔5层以上； 1649m、1641m两个高程均在本层开挖后间隔1～2层达到100%。从上述成果中可以得到两个认识：(1)上下游边墙1641m高程以下均在本层开挖后间隔1、2层达到最终深度，说明低高程围岩时效变形不明显，围岩松弛以爆破松弛为主； (2)上下游1657m高程以上，由于本层开挖与第二次检测之间间隔较多，在第二次检测时大多达到了100%，暂无法判断主要松弛深度的形成时间。

表2为不分高程而按间隔层次对围岩松弛深度发展趋势的统计成果。本层开挖中19孔仅分别有3孔、2孔的松弛深度达到最终深度的80%以上和100%，孔数占本层总数的15.8%和10.5%； 间隔1层时36孔中分别有24孔、16孔达到80%以上和100%，孔数占比66.7%和44.4%； 间隔2层时30孔中分别有27孔、24孔达到80%以上和100%，孔数占比90.0%和80.0%； 间隔3层以后达到80%以上和100%的孔数比例除个别间隔层偏低外总体是上升的，至间隔7层全部达到100%。

4.3 按高程分排钻孔成果的分析研究

图10是上游边墙1665m、1657m、1649m、1641m和1634m 5个高程分排的本层开挖和间隔层次松弛深度发展的趋势图。

图11是下游边墙1665m、1657m、1649m和1641m 4个高程分排的本层开挖和间隔层次松弛深度发展的趋势图。

从图10和图11中有几点认识：(1)上下游1657m高程以上的顶拱及拱座，上游虽间隔7层才全部达到最终深度的100%，但最终深度一般都小于5.0m，说明受爆破、卸荷的影响都较小； 而下游相同部位在间隔5层时除1孔外都达到最终深度的100%， 5～13m的总松弛深度中本层开挖的爆破松弛深度均在3.8m以下，说明受时效变形控制的卸荷松弛影响更明显； (2)上下游中高程1649m在间隔2层大部分孔、间隔3层全部孔达到最终深度的100%，且最终深度中本层开挖的爆破松弛深度占比25%～50%，说明爆破和卸荷的影响程度差不多，但时效变形较强； 整个主厂房最大松弛深度19m即出现在这个高程的下游边墙0+061孔处； (3)与单个钻孔的总体分析结论一致，上下游1641m高程以下，到间隔1～2层时即全部达到最终深度的100%，说明受爆破的影响明显，而时效变形控制的卸荷松弛影响不明显。主厂房表现出的顶拱、上下游边墙不同部位围岩松弛深度受时效变形影响程度不同的特点，与锦屏一级主厂房轴线和最大主应力方向的夹角有关，主厂房轴线N65°W与最大主应力平均方向N48.7°W小角度相交、略偏向下游，即上游边墙指向开挖洞内、下游边墙指向边墙以内岩墙。

4.4 松弛深度发展变形总体趋势

以前一节按高程分排统计为基础，不分上下游与高、中、低高程，而是按本层开挖、间隔层次统计不同间隔层次每一排(高程)中松弛深度达到最终深度80%以上和100%的孔数及比例(表3)。从表3中可以看出，本层开挖时松弛深度没有达到最终深度80%以上的检测孔； 间隔1层时有4排和2排，占比为57.1%和28.6%； 间隔2层时松弛深度达到80%以上的排数已达100%，而松弛深度达到100%的排数达4排占80%； 间隔3层以后的各层排数都全部达到100%。由此得到一个认识：主厂房围岩松弛区主要深度在本层开挖后间隔2层即基本形成，间隔3层以后绝大部分松弛区没有再持续扩展。

以主厂房1657m高程为例，图12 为围岩松弛范围变化趋势：滞后1层时，上下游边墙围岩松弛深度相差不多，其中上游边墙3.2～6.8m占总深度33.3%～76.9%，下游边墙3.0～6.2m占总深度26.7%～36.6%； 滞后2层检测时除个别部位有部分未达到最终深度外，大多数部位都基本达到最终松弛深度，其中上游边墙7.4～10m到达总深度的87.7%～100%，下游边墙6.8～17m占总深度88%～100%。

5 支护时机及效果评价

5.1 支护时机

现代地下洞室围岩支护理论认为在确保围岩不发生危害性变形的前提下，允许和应该让围岩先发生一些变形，这样就能最大限度地发挥围岩的自承载能力，从而能节省一部分支护工程量。围岩的允许变形到什么时间适合就涉及到支护时机的选择、确定。

图14 主厂房不同部位不同支护时机下围岩位移量变化趋势图

图15 主厂房支护时机方案1、2与方案3比较位移减量趋势图

表3 主厂房上下游边墙按高程分排围岩松弛区深度发展趋势统计表

Table3 Statistics of relaxation depth at different elevations at the upstream and downstream walls

间隔层数总排数80%孔与80%深度80%孔100%深度备注排数占本层比例排数占本层比例本层开挖4(上游2下游2)000080%孔80%深度是指每排有80%孔松弛深度达到最终深度的80%以上;100%深度是指达到最终深度的100%间隔1层7(上游4下游3)4(上游3下游1)57.1%2(上游2)28.6%间隔2层5(上游3下游2)5100%4(上下游各2)80%间隔3层4(上游2下游2)4100%4100%间隔4层2(上游1下游1)2100%2100%间隔5层4(上游2下游2)4100%4100%间隔6层2(上游1下游1)2100%2100%间隔7层2(上游1下游1)2100%2100%

前面对围岩卸荷松弛的发展过程的分析表明，高地应力条件下主厂房上、下游边墙围岩松弛深度主要形成于开挖后下续第2、3层开挖支护期，为确保围岩稳定，开挖层的支护最好在间隔2层前完成。

本节借助数值分析手段，从围岩位移、塑性区发展趋势来分析、研究不同支护时机的影响，为高地应力条件下大型地下洞室群围岩支护时机的选择提供合理化的参考依据。数值分析时拟定3个支护方案：方案1及时支护为锚杆随层、锚索滞后1层，为一般地下洞室围岩支护采用的常规方案； 方案2为锚杆滞后1层、锚索滞后2层； 方案3为锚杆滞后2层、锚索滞后3层。数值分析表明，及时支护对围岩稳定性更有利。

图16 主厂房2#机组断面不同支护时机下围岩塑性区变化图

图13为以2#机组断面为例的不同支护时机下围岩位移变化等色图，图14 为主厂房不同部位在不同支护时机下的位移量统计图，图15 是方案1、2围岩位移与方案3的比较图。方案1及时支护后主厂房围岩位移值一般为31～60mm，方案3锚杆滞后2层+锚索滞后3层围岩位移值一般为32～63mm，与方案3相比，方案2围岩位移减小幅度为1.8%～3.0%，方案1围岩位移减小幅度为3.5%～6.0%。

图16为以2#机组断面为例的不同支护时机下围岩塑性区变化图，图17 为主厂房不同支护时机下的塑性区体积统计图。随着支护滞后，塑性区体积随之增加，其中方案3主厂房塑性区体积约为42.9×104m3，与其相比，方案2围岩塑性区体积为42.5×104m3、减小幅度为0.9%，方案1围岩塑性区体积为41.3×104m3、减小幅度为3.7%。

图17 主厂房2#机组断面不同支护时机下围岩塑性区体积变化趋势图

5.2 支护效果评价

2009年10月主厂房蜗壳、发电机层开挖，同年11月底主厂房Ⅷ层以上支护完成。在此之后，对主厂房桩号0+126.8m断面下游拱脚EL1670、下游岩锚梁EL1659部位的多点位移计监测成果表明，自2009年底以来，如图18a、18b所示洞室围岩位移监测曲线已收敛，表明支护完成以来洞室围岩处于持续的稳定状态。

图18 主厂房下游边墙纵0+126.8m位移计监测位移历时曲线

6 结论与认识

本文通过对锦屏一级主厂房围岩松弛长期检测成果的分析，初步探讨了高地应力条件下洞室围岩松弛区深度形成、发展、演化趋势，研究了围岩松弛特征及其形成时间、形成规律，为类似工程洞室围岩支护时机的选择、确定提供了一定参考经验。通过分析、总结，有以下几点结论与认识：

(1)高地应力条件下洞室不同部位松弛特征不同，顶拱上游侧-拱座和下游侧边墙下部，围岩受爆破、卸荷的影响都较小，其中爆破松弛深度一般仅3～5m，最终总深度5～8m； 顶拱下游侧—下游边墙中上部和上游边墙中下部，围岩受爆破的影响较小，爆破松弛深度一般1～5m不等，约占总深度的10%～50%，而受时效变形控制的卸荷松弛较大，最终松弛深度达15～20m。这种围岩松弛受时效变形影响程度不同而不同的特点，与锦屏一级主厂房轴线方向N65°W和最大主应力σ1方向平均N48.7°W，两者小角度相交略偏向下游密切相关。因此，在厂房轴线选择时应尽量与最大主应力σ1方向平行，以减小高地应力引起的时效变形控制的围岩松弛。

(2)高地应力条件下洞室围岩松弛区总深度的80%以上多在本层开挖后间隔2层时形成，间隔3层时绝大多数部位都能达到最终深度，结合数值分析成果洞室开挖后的支护时机以及时支护最好，滞后不能超过2层。

(3)锦屏一级由于地下厂房在第Ⅸ层开挖及以后没有再进行过钻孔声波、全景图像的长期检测，因此本文所指围岩松弛最终深度实际上是第Ⅷ层开挖后最后一次检测确定的深度。研究表明，虽然大部分部位围岩的松弛深度多在间隔2层时形成、在间隔5层以后基本上没有继续扩展，但不排除局部围岩的实际松弛深度还会有一定的增加，增加的量值与间隔层次、时效变形程度有关，时效变形越强烈，则增加量值就越大。因此，在进行系统预应力锚杆或锚杆束长度参数的选择、确定时应考虑这部分松弛深度的影响。

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JournalofEngineeringGeology工程地质学报 1004-9665/2016/24(5)- 0788- 10

RELAXATION DEPTH AND SUPPORTING TIME OF UNDERGROUND POWER HOUSE SURROUNDING ROCK UNDER HIGH GEOSTRESS AT JINPING I HYDROPOWER STATION

In recent years， some large and extra large hydropower projects have been built or are under construction in China. Underground caverns of these hydropower projects usually have problems of complex geological conditions and high geostress. High geostress often leads to failure of different degrees and relaxation of extraordinary depth in surrounding rock during the construction of caverns. In this paper， the development of relaxation in surrounding rock is studied through analyzing geophysical prospecting data while excavating of main powerhouse at Jinping I hydropower station. Optimal supporting time is studied through analyzing displacement and plastic zone of the surrounding rock through numerical analysis. It is shown that the plant axis should be parallel with the maximum principal stress， which can effectively reduce relaxation depth caused by the time-dependent deformation.80% of the relaxation depth in surrounding rock is formed after the excavation interval of 2 to 3 layers. Compared with the backward support， the displacement and plastic zone are obviously smaller when immediate support is applied. So， immediate support is beneficial to the stability of the surrounding rock. These research results can be used for reference when selection of plant axis， support design and supporting time determination of large underground caverns under high ground stress.

Jinping Ⅰ hydropower station， High geostress， Underground caverns， Relaxation depth， Supporting time

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.007

2016-06-28;

2016-07-23.

国家自然科学基金项目(51379022， 51539002)资助.

杨静熙(1968-)，男，硕士，教授级高级工程师，工程地质专业. Email: 2817482585@qq.com

简介： 刘忠绪(1968-)，男，学士，教授级高级工程师，工程地质专业. Email: 522741860@qq.com

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