某水电站地下厂房开挖初期监测成果分析

胡 明 秀， 胡 升 伟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

大型地下厂房洞室群是高山峡谷地区水电站的重要组成单元，在山体内开挖规模宏大的地下空间必将会引起洞室群围岩体的强烈卸荷和应力调整。施工初期，针对围岩开展一系列监测并及时对监测成果进行分析、总结，有利于实时了解围岩松动和应力调整情况，有利于在之后的洞室开挖过程中设计和调整围岩喷锚支护方案，因此，施工初期的围岩变形、应力监测是修建大型地下厂房洞室群的重要工作之一[1]。以某水电站为例，基于实测监测数据，运用作图法、比较法、统计法等对地下厂房洞室开挖初期的围岩变形、围岩应力和锚索荷载监测成果进行了分析和总结，对类似工程的监测成果分析及喷锚支护工作具有较好的参考价值。

某水电站工程为一等大(1)型工程。主、副厂房及安装间按“一”字形布置，安装间位于主厂房左侧，副厂房位于主厂房右侧。主机间顶拱跨度为28.3 m，岩锚吊车梁以下跨度为25.3 m，最大开挖高度为67.32 m，长度为134.08 m。安装间长54.01 m，副厂房长26.61 m，厂房全长214.7 m，厂房最大高度为67.32 m。

厂房开挖后揭示地层岩性以似斑状黑云钾长花岗岩为主，穿插花岗伟晶岩脉，呈焊结接触，岩体新鲜完整、致密坚硬。顶拱处发育1条煌斑岩脉沿右端墙-顶拱-上游边墙发育，与厂房轴线陡倾斜交；上下边墙发育一小断层且其与洞轴线呈大角度相交。岩体结构以块状～整体状结构为主，围岩类别以Ⅲa类为主，局部片帮、板裂及张剪严重破坏部位浅表部为Ⅳ类。

2 监测项目的设计与仪器布置

地下厂房洞室监测的主要目的是监控施工过程及运行期的安全，兼顾反馈验证设计和为变形控制提供基本依据。其设置的主要监测项目有围岩变形、应力及支护荷载等，分别采用多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计等监测仪器。

根据该电站厂区工程地质条件和地下厂房结构设计特点，地下厂房共布置了6个监测断面，地下厂房监测断面及仪器布置情况见表1，地下厂房洞室开挖分层情况见图1。

3 监测成果及分析

表1 地下厂房监测断面及仪器布置表

图1 地下厂房洞室开挖分层图

3.1 围岩位移成果分析

通过对典型监测断面(3-3监测断面)监测成果进行分析可知：A层开挖结束累计位移在-1.08～14.6 mm之间，B层开挖结束累计位移在-1.86～14.81 mm之间，C层开挖结束累计位移在-6.11～14.96 mm之间。位移增长主要发生在两侧拱肩扩挖和下卧开挖过程中，锚固支护后多点位移计测值渐趋稳定。

由监测成果可知：围岩的变形发展主要受洞室开挖影响，由图2和图3可以看出：围岩变形主要呈现“台阶”式增长，受洞室开挖影响明显，其变形发展基本与开挖线一致，A层边墙的开挖和B、C层中部拉槽的开挖对围岩变形影响最大，围岩变形基本呈不同程度的突变。地下厂房3-3监测断面多点位移计位移开挖分层统计情况见表2， 地下厂房3-3监测断面多点位移计M43CF-01过程线见图2，地下厂房3-3监测断面多点位移计M43CF-05过程线见图3。

3.2 锚杆应力成果分析

由锚杆应力监测成果可知：地下厂房的锚杆应力基本上呈拉应力状态，锚杆应力计R23CF-01-2、R24CF-02-2、R26CF-01-1(应力分别为379.08 MPa、393.43 MPa、320.39 MPa)的应力值接近量程(400 MPa)，主要表现为开挖后局部围岩应力调整和集中；其余锚杆处于正常工作性态，应力值在-11.67～247.56 MPa之间。厂房的锚杆应力受洞室开挖影响明显，相邻两层洞室开挖时应力变化较大，同层洞室开挖时应力变化相对较小，顶拱锚杆应力呈“台阶”逐次上升形态，上、下游拱脚及边墙的部分锚杆应力分布离散。

表2 地下厂房3-3监测断面多点位移计位移开挖分层统计表

图2 地下厂房3-3监测断面多点位移计M43CF-01过程线图

从地下厂房的锚杆应力分段统计情况(表3)可知：85.71%的锚杆应力计呈现拉应力，14.29%的锚杆应力计呈现压应力；75%的拉应力锚杆应力值在100 MPa以内，压应力基本在12 MPa以内；应力较大的部位主要位于主厂房上、下游边墙及顶拱。地下厂房3-3监测断面锚杆应力计R23CF-02过程线图见图4。

图3 地下厂房3-3监测断面多点位移计M43CF-05过程线图

表3 地下厂房锚杆应力分段统计表

3.3 锚索锚固力成果分析

地下厂房锚索测力计张拉后的锁定比例吨位为设计吨位的70%左右，其设计吨位分别为：2 000 kN、2 500 kN。实测锚固力在1 331.65～1 879.92 kN之间，损失率在-8%～11.6%之间。由地下厂房锚索测力计锚固力统计情况(表4)可知：锚索实测锚固力均在设计值范围内，96.97%的锚索损失率在±10%以内；超锁定吨位的锚索占57.58%，但损失率均在-8%以内。

锚索前期基本呈损失状态，实测锚固力小于锁定吨位。但随着洞室开挖锚固力增大，同层洞室开挖锚固力变化量较小，相邻两层洞室开挖时锚固力变化明显。大多数锚索荷载处于小量增加状态，每测次增幅在1～10 kN之间，反映出洞室开挖后围岩向临空面变形，锚索发挥了锚固作用。地下厂房3-3监测断面锚索测力计DP3CF-03锚固力过程线图见图5。

图4 地下厂房3-3监测断面锚杆应力计R23CF-02过程线图

3.4 监测成果综合分析

围岩应力、锚索锚固力在地下厂房洞室开挖和支护初期的增加间接验证了围岩变形监测成果在时间和空间上具有较好的关联性。受围岩不良地质条件和开挖爆破影响，围岩变形较大的部位其相应的围岩应力亦较大，其锚固力的增加是否影响锚索自身的安全则应考虑锚索自身承受荷载的能力[2]。鉴于地下厂房下挖施工和爆破锚固力增加较快，变幅较大，且因锚杆应力计和锚索测力计的安装相对多点位移计较晚，监测成果历时过程较短，但其基本能反映洞室开挖时围岩的变形和应力情况：

图5 地下厂房3-3监测断面锚索测力计DP3CF-03锚固力过程线图

表4 地下厂房锚索测力计锚固力统计表

(1)洞室开挖对围岩变形影响明显。相邻两层洞室开挖时，围岩变形明显增大；同一层洞室开挖时，围岩变形平缓[3]。

(2)锚杆的应力变化与多点位移计位移变化规律一致，成正相关关系。位移变形和应力变化受洞室开挖影响明显，相邻两层洞室开挖时，位移和应力增长较大；同层洞室开挖时，位移和应力的增长相对较小。

(3)锚索荷载前期基本呈损失状态，锚索的后期荷载处于小量增加状态，锚索荷载的变化与多点位移计位移变化相关性明显，说明洞室开挖后围岩向临空面变形，锚索发挥了应有的锚固作用。

4 结论及建议

(1)监测成果分析表明：地下厂房洞室变形、应力监测成果可靠，能够较全面地反映围岩变形情况和锚杆支护、锚索工作状况。围岩的变形均朝向临空面，首层开挖对顶拱变形较大，第一、二层的开挖对拱脚和边墙的变形影响较大，位移增量区域均存在向低高程(开挖面)下移、扩展的趋势，而远离开挖面高程的区域位移增量逐渐减小[4]。围岩应力、锚索锚固力在地下厂房洞室开挖和支护初期的增加间接验证了围岩变形监测成果，在时间和空间上具有较好的关联性。受围岩不良地质条件和开挖爆破影响，围岩变形增大的部位其相应的围岩应力及锚索荷载亦增大。

(2)根据对所预埋的多点位移计变形与支护后锚杆应力及锚索荷载情况进行对比分析可知：支护前，洞室围岩变形持续增长，支护后，变形增长得到了抑制，说明喷锚支护对地下洞室的围岩起到了较好的加固效果，是保持围岩稳定性的必要支护结构，支护滞后将会导致围岩松动范围加大[5]。

(3)建议在今后的洞室开挖工程中，应在爆破后及时进行喷锚支护， 以使锚杆、锚索最大限度地发挥其锚固悬吊作用，限制围岩的松动范围，减小围岩的变形。