水布垭水电站尾水洞软岩成洞研究（周述达,陈代华,易路,黄骞）

摘要: 水布垭水电站尾水洞穿越的地层均为软岩岩层，成洞条件差。为了保证尾水洞施工安全以及长期安全运行，对尾水洞软岩成洞的关键技术问题进行了研究。通过多种方法有限元数值分析，选择受力条件好的断面型式和合适的洞轴线间距，并制定了详细的初期支护参数和施工措施，解决了水布垭地下电站尾水洞软岩成洞关键技术问题，在洞间岩柱薄、围岩条件极差的情况下，安全、顺利地建成了大型尾水洞群。

关 键 词: 尾水洞;软岩;围岩稳定性;断面型式;支护参数;监测成果;水布垭水利枢纽

中图分类号: TV732.3 文献标识码: A

1 工程概况

水布垭水利枢纽位于清江中游河段巴东县境内，其地下电站主要建筑物包括:引水渠、进水口、引水隧洞、地下厂房、母线洞、尾水洞、尾水平台、尾水渠、500kV变电所、交通洞、通风及管线洞和厂外排水洞等。其中地下厂房位于右岸山体F2 和F3 断层之间，开挖尺寸为168.50m×23.00m×65.47m（长×宽×高），拱顶高程为230.47m;尾水隧洞共4条，开挖直径13.7m，长295～310m，洞轴线间距31m，洞间岩柱厚度为开挖直径的1.26倍。

2 地质条件

尾水隧洞穿越P11q 、P1ma 、C2h 和D3x 地层，均为软岩岩层，且岩层中软弱剪切带发育，围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类，其中顶拱位于剪切带和写经寺组等Ⅳ～Ⅴ类岩体之中的洞段长占70%～85%。尾水洞围岩条件极差，且洞间岩柱偏薄，软岩成洞问题突出。

3 尾水洞软岩成洞关键技术研究

尾水洞洞间岩柱厚度小，且位于Ⅳ～Ⅴ类岩体之中的洞段长占70%～85%。选择合适的断面型式及洞轴线间距、合适的开挖程序和施工工艺、合适的初期支护参数和永久衬砌结构型式，以保证施工安全及尾水隧洞的长期安全运行，是尾水洞的关键技术问题。

3.1 尾水洞围岩稳定性分析

采用二维、三维弹塑性有限元及三维粘弹塑性有限元对尾水洞围岩稳定性进行了分析。断面型式研究了圆形和城门洞形，而马蹄形断面由于体型复杂，开挖和混凝土衬砌施工工期难以保证，未作深入研究;对于圆形断面，比较了25.5m和31m两种洞轴线间距，对应的洞室开挖直径分别为12.3m和13.7m。

3.1.1 二维弹塑性有限元分析结论

（1）尾水洞断面采用圆形或城门洞型，喷锚支护后，围岩变形量的最大减小幅度分别为55%、45%，喷锚支护对限制围岩变形效果明显。

（2）圆形断面围岩塑性区小于城门洞型，特别是在喷混凝土支护后，圆形断面相邻洞室岩柱塑性区没有连通，而城门洞型相邻洞室岩柱则基本连通，且喷混凝土支护单元屈服数远少于城门洞形。

（3）同样洞轴线间距，相同机组运行条件下，圆形断面将更有利于洞室围岩的稳定。因此，从保证尾水洞围岩的稳定性及减小初期支护等方面分析，圆形断面比城门洞形更优。

（4）不同的洞轴线及对应洞室开挖直径相比，洞室围岩开挖位移与变形处在同一量级，塑性区范围略有增加，且两方案在喷混凝土后，围岩变形与塑性区范围基本相同，相邻洞室岩柱没有出现塑性区连通。因此，当尾水洞断面加大后，相应增加洞轴线间距是合适的，也是必要的。

（5）4条尾水洞同时开挖、相邻2条洞同时开挖及4条洞间隔开挖等3种开挖方式的研究成果表明，采取间隔开挖方式，无论喷锚支护与否，4条洞间隔开挖的变形及塑性区分布均小于其它2种方式，且喷混凝土及围岩中的应力分布更均匀合理，洞室群围岩稳定更有保证。

3.1.2 三维弹塑性有限元分析结论

计算表明，围岩的变形、塑性区范围及应力大小均小于二维计算结果，仅尾水出口处于强卸荷带中的洞段变形和塑性区范围较大，通过及时的喷锚支护后可以保证洞室围岩的稳定。

3.1.3 三维粘弹塑性计算分析结论

计算表明尾水洞总体变形趋势是洞周岩体向洞内变形，顶拱岩体下沉，底板先呈向上回弹变形，后随时间流逝开始下沉。围岩流变变形一般小于3mm，最大流变变形约7mm，围岩流变时效性较明显。与弹塑性计算相比，尾水洞段塑性区分布规律和分布范围没有明显变化。

综上所述，尾水洞采取喷锚支护加固后，围岩稳定能得到保证，为满足水力过渡过程要求，尾水洞开挖直径加大至13.7m，相应洞轴线间距调整为31m是合适的。

3.2 尾水洞断面型式选择

尾水洞断面型式有马蹄形、圆形及城门洞形等。根据工程施工经验，马蹄形断面的开挖及混凝土衬砌施工较困难，对施工质量及工程进度不利，因此，确定以圆形断面和城门洞形断面为重点研究对象。

（1）衬砌结构受力条件。计算表明，圆形衬砌结构能有效抵御外压，其控制工况为运行工况，城门洞形则运行工况及检修工况同时起控制作用，控制着内、外侧的配筋。在衬砌结构抵抗山岩压力，尤其是围岩流变所产生的附加山岩压力方面，圆形要远优于城门洞形，因此，从结构受力条件分析，圆形断面有利于衬砌结构的长期安全运行。

（2）工程量及投资。与圆形断面相比，城门洞形断面增加的工程量主要有:岩石洞挖3500m3 、衬砌混凝土3500m3 、锚杆2050根、喷混凝土750m3 、钢筋350t、预应力锚索132束，钢材（用于初期围岩支护的钢拱架）100t，相应增加投资约750万元。

（3）施工条件。城门洞形断面和圆形断面的开挖施工均较简单，但圆形断面更有利于利用钢模台车浇筑衬砌混凝土，而且在衬砌回填灌浆和围岩固结灌浆，尤其是高压固结灌浆时，圆形断面更有利于控制压力和衬砌结构变形。

（4）断面型式对尾水隧洞围岩稳定性的影响。通过二维、三维有限元分析可以看出，采用圆形断面将更有利于洞室围岩的稳定。综合分析，选择圆形断面。

3.3 初期支护参数及施工措施

有限元数值分析表明，尾水洞开挖后变形较大，且流变特征明显，采取合理的初期支护结构，不但能减小围岩初期变形，保证施工安全，而且后期能改善衬砌结构的受力，有利于衬砌结构的安全运行。

计算表明，喷锚支护可减小围岩变形45%～55%，围岩塑性区范围也明显减小，围岩应力分布更合理，且喷锚支护后洞间岩柱的塑性区没有贯通，对围岩稳定有利。

根据工程类比和数值计算成果，确定尾水隧洞初期支护参数和施工措施如下:

（1）尾水洞采用间隔开挖方式，并严格执行“短进尺、弱爆破、强支护、勤监测”的要求;

（2）开挖后，马上进行喷混凝土保护，喷混凝土采用C25钢纤维混凝土，厚20cm。要求喷混凝土强度24h内应达到12～15MPa;

（3）采用系统张拉锚杆对围岩进行加固，锚杆采用###28Ⅱ级钢筋，长8m，间距1.25m×1.25m～1.5m×1.5m，张拉力50～75kN。

（4）局部洞段采用2000kN级预应力锚索作加强支护;

（5）位于卸荷带的出口段，在开挖之前，先进行围岩固结灌浆处理;

（6）对处于Ⅴ类围岩的洞段，采用间距1m的20A工字钢进行加固，每榀工字钢之间用25钢筋作横向连接加固，并利用喷混凝土将工字钢掩埋。必要时，采用超前锚杆和超前小导管注浆的技术，确保施工安全。

4 施工过程紧急情况处理

在1号尾水洞施工过程中出现了围岩大变形、钢拱架出现挤压变形、顶拱掉块及跨塌、掌子面跨塌等异常情况。

针对上述问题，对类似地质条件的洞段，提出了如下处理措施:

（1）进一步加强“短进尺、弱爆破、强支护”施工，每一循环进尺由3m调整为2m，并视具体地质条件再由2m调整为1～1.5m，并加强随机锚杆支护;

（2）钢拱架加密至50～80cm，并加强钢拱架之间的连接，喷混凝土及时封闭;

（3）在顶拱90°～120°范围内布置超前锚杆，并在掌子面上利用钻孔提前探明前段的地质条件，并制定紧急预案;

（4）对掌子面进行喷混凝土保护，必要时应对前段地下水预先进行输导;

（5）进一步加强围岩收敛变形监测，根据监测成果及时调整开挖爆破参数和支护措施。

上述处理措施实施后，在后续施工中，避免了险情的再发生，保证了洞室围岩稳定和施工安全。

5 监测资料分析

在尾水洞内安装了8套多点位移计对尾水隧洞围岩变形进行监测，从监测成果可知，由于多点位移计未测试到围岩的初始变形值，因此，测试变形值均较小，最大约为12mm。根据位移历时曲线分析，在尾水洞开挖结束后围岩变形要经过8～12个月的变形期，但变化幅度不大，在一年以后，位移值收敛，围岩处于稳定状态。

施工期收敛监测选择的监测断面较多，跟随掌子面也比较及时，所测得的变形值均比多点位移计大，一般变形为20～30mm，局部可达50mm左右。从收敛变形历时曲线分析，各断面测点测线位移变化曲线在受爆破影响时有突变情况。在开挖结束后1月左右变化速率较小，且位移历时曲线趋于收敛，围岩趋于稳定。

6 结语

目前，水布垭地下电站尾水洞开挖已经结束，钢筋混凝土衬砌施工也接近尾声。监测资料表明，尾水洞围岩稳定性良好，支护及衬砌结构受力正常，根据研究成果所选择的断面型式和初期支护参数是合理的。

作者简介: 周述达，男，长江水利委员会设计院枢纽处，高级工程师。

来源：《人民长江》2007年第7期

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