DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.06.021

高地应力下地下厂房围岩破坏特征及地质力学机制

李志鹏¹，徐光黎¹，董家兴^{1, 2}，储汉东¹，王金生³，陈春文³

(1. 中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉，430074；

2. 昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明，650500；

3. 中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都，610072)

摘要：结合前期地质勘查、施工期地质编录及其他施工信息，分析四川猴子岩水电站地下厂房围岩及支护结构变形开裂特征，对围岩变形破坏的地质力学机制进行研究，并对后续开挖支护提出相应的工程应对措施。研究结果表明：主厂房围岩破坏以应力驱动型为主，本质上是高地应力和低强度应力比造成的；厂区地应力及其方向使得主厂房上下游侧岩锚梁-拱肩之间边墙部位的切向应力加载效应明显，围岩易于压致劈裂；利用应力莫尔圆解释了该地区围岩易于出现破坏的原因。

关键词：高地应力；岩石力学；围岩劈裂；地质力学机制；猴子岩水电站

中图分类号：TU 45             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)06-1568-09

Geomechanics mechanism and characteristics of surrounding rock mass failure for underground powerhouse under high geostress

LI Zhipeng¹, XU Guangli¹, DONG Jiaxing^{1, 2}, CHU Handong¹, WANG Jinsheng³, CHEN Chunwen³

(1. College of Engineering, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China;

2. Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;

3. Power China Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China)

Abstract: Combined with the previous geological exploration, geological record during the construction and some other construction information, the cracking and deformation characteristics of the surrounding rock and supporting structure of Houziyan hydropower station were analyzed, and the geomechanics mechanism of surrounding rock deformation and failure was researched. Some corresponding engineering response measures for the subsequent excavation and support were put forward. The results show that the failure of surrounding rock in main powerhouse is mainly stress-driven, and essentially caused by high geostress and low strength stress ratio. In the sidewall between the rock anchor beam and spandrel of upstream and downstream in the main powerhouse, the tangential stress loading effect is obvious due to the stress magnitude and its direction, and the surrounding rock is easy to pressure-induced splitting. This explained why the surrounding rock mass of this area is easy to be damaged.

Key words: high geostress; rock mechanics; surrounding rock splitting; geomechanics mechanism; Houziyan Hydropower Station

猴子岩水电站位于四川省甘孜州康定县境内，是大渡河干流水电规划开发方案的第9个梯级电站。坝址区位于色龙沟口至折骆沟口河段，全长3.8 km，河道略成“S”型流向，坝址河谷狭窄，河谷形态呈较对称的“V”型谷。地下厂房系统位于大渡河右岸变质灰岩地层中，水平埋深280~510 m，垂直埋深400~660 m^[1-2]。厂区实测最大主应力高达36.43 MPa，围岩强度应力比为2~4，处于高地应力状态。由于地下厂房区岩体结构复杂、高地应力等因素的影响，地下主厂房在施工开挖过程中出现了较多的围岩变形破坏现象。自2013-05起，在主厂房上下游侧岩锚梁开始出现裂缝、伸缩缝错动；2013-09，巡视发现岩锚梁-拱肩之间边墙出现了严重的围岩劈裂、砼喷层鼓胀开裂、锚墩内陷等破坏现象；2013-10，参建人员对上述围岩变形破坏现象进行了详细地质素描，获得第一手现场资料。由于上述围岩破坏的存在，造成主厂房开挖停滞，工期延误^[3-4]。针对猴子岩水电站地下厂房高地应力、低强度应力比条件下的围岩开挖变形破坏问题，本文作者在综合分析前期地应力测试资料以及施工期地质编录、内观监测、物探检测、现场详查及施工资料的基础上，分析猴子岩水电站地下厂房围岩破坏特征，并对围岩破坏的地质力学机制进行阐述，以便为地下厂房的后续开挖和加固提供地质依据。

1  工程概况

1.1  洞室群布置及开挖进程

猴子岩水电站引水发电系统布置于大渡河右岸，总装机容量为1 700 MW(4×425 MW)。地下洞室群规模巨大，主要由压力管道、排水廊道、排风竖井、主厂房、母线洞、出线洞、主变室、尾水调压室、尾水连接洞以及尾水洞等组成，三大洞室平行布置(见图1)。主厂房轴线方向N61°W，厂房全长224.4 m，岩锚梁以上跨度为29.2 m，以下跨度为25.8 m，最大开挖高度70.5 m。主变室位于主厂房下游，两者之间岩墙厚46.7 m，主变室长×宽×高为141.0 m×18.80 m×25.2 m。尾调室位于主变室下游，两者之间岩墙厚44.75m，尾调室共设置2个调压室，长×宽×高分别为66.2 m×23.5 m×75 m和59.3 m×23.5 m×75 m，2个调压室之间岩隔墩15 m^[1-4]。

地下主厂房共分9层开挖，开挖分层方案如图2所示。自2011-11-01开始施工，开挖到第Ⅳ层时主厂房上下游侧岩锚梁-拱肩之间边墙部位围岩出现大量变形破坏情况，于2013-08至2013-10进行停工加固^[3]。

图1  地下洞室群布置三维示意图

Fig. 1  3D layout of underground caverns

图2  主厂房分层开挖方案(单位：m)

Fig. 2  Layered excavation scheme of main powerhouse

1.2  厂区地层岩性及地质构造

地下厂房区出露地层主要为泥盆系下统(D₁¹)第⑨层白云质灰岩、变质灰岩，岩层产状总体为N35°~60°E/NW∠20°~55°，走向与厂房轴线大角度相交，倾向山内。厂区无大型区域性断裂通过，仅发育多组NWW向的次级小断层以及NE向顺层挤压破碎带。主要节理裂隙有5组：① N35°~60°E/NW∠ 20°~55°，层面裂隙，最为发育；② EW/N∠55°~80°；③ N30~80°W/NE∠30°~70°；④ N35°~60°E/SE∠ 35°~45°；⑤ N20°~60°W/SW∠20°~60°^[4-5]。5组裂隙与厂房轴线关系赤平投影图(上半球)如图3所示。

开挖地质编录资料显示，主厂房围岩类别较好，以Ⅲ₁类、Ⅲ₂类为主，局部区域为Ⅳ类。各类围岩的主要物理力学参数见表1。

图3  各组裂隙与厂房轴线关系赤平投影图(上半球)

Fig. 3  Stereographic projection of each group fracture with axis of the main powerhouse (Upper hemisphere)

表1  岩体物理力学参数^[1-2]

Table 1  Physico-mechanical parameters of rock masses^[1-2]

1.3  地应力

厂区为典型的高山峡谷区，新构造运动总体以整体间歇性强烈抬升为主，区域构造应力最大主应力方向表现为近EW向或NWW~SEE向。地应力场以构造应力为主，岩体以坚硬较完整变质灰岩为主，易于蓄集较高的应变能^[1-2]。前期勘查阶段进行了6组地应力测试，见图4所示。实测厂区最大主应力σ₁=21.53~ 36.43 MPa，平均约为28.33 MPa；第二主应力σ₂=12.06~29.8 MPa，平均约为20.56 MPa；最小主应力σ₃=6.2~22.32 MPa，平均约为13.26 MPa；地下厂房水平埋深280~510 m段，正好位于河谷应力场的应力集中区，见图5。结合地下厂区地应力实测结果和岩体强度分析，猴子岩水电站地下厂房岩石强度应力比(R_b/σ_m)为2~4，属于高地应力区。

图4  地下厂房区岩体空间应力测试分布

Fig. 4  Space distribution of rock mass geostress texts in underground powerhouse caverns group region

图5  地下厂房区自然应力场随水平埋深变化实测曲线

Fig. 5  Curves of natural geostress with horizontal depth of embedment in underground powerhouse caverns group region

2  围岩宏观破坏特征

猴子岩水电站地下主厂房在第Ⅳ层施工期间出现了严重的变形破坏现象，主要出现在上下游侧岩锚梁-拱肩之间边墙部位。与锦屏一级水电站围岩破坏不对称现象不同^[6-9]，猴子岩水电站主厂房上下游侧均出现大量破坏情况。具体表现为岩锚梁开裂、伸缩缝错位、砼喷层鼓胀开裂或脱落、围岩劈裂、锚墩内陷等^[4]。

2.1  岩锚梁变形破坏特征

2013年5月22日岩锚梁出现裂缝22条，伸缩缝错位1处；7月22日岩锚梁裂缝有26条，伸缩缝错位2处；10月22日岩锚梁裂缝发展为30条，伸缩缝错位3处。其中裂缝宽0.1~3 mm，最大达10 mm，延伸长度50~170 cm；伸缩缝最大张开24 mm，错位达14.6 mm。由此可见，随时间推移，岩锚梁处于持续变形中。图6所示为岩锚梁典型变形照片。

2.2  岩锚梁-拱肩之间边墙部位变形破坏情况

2.2.1  砼喷层鼓胀开裂和脱落

此类破坏现象在岩锚梁-拱肩之间边墙部位较为普遍。喷层鼓胀开裂具有明显的区段性，裂缝一般长0.8~2.0 m，最长可达13 m，张开0.2~2.0 cm，最大可达11 cm。裂缝展布形态各异，以水平向与斜向发育为主，呈锯齿状断续弯曲延伸(见图7(a))。喷层脱落现象分布较为广泛，脱落面积不等，形状呈不规则状，呈椭圆状、凹槽状、长方形面状等(见图7(b))。在喷层脱落的部位可见钢筋弯曲现象(见图7(c))，反映出该部位围岩承受较大的切向应力。

该现象虽然表现为喷射混凝土层的变形破坏，但实际上反映的是内部围岩的破坏情况，内部围岩出现拉张、剪胀破坏，从而导致其表层的开裂或脱落。为验证上述推断，针对砼喷层开裂严重区域进行了“开槽”处理，如图8所示，明显可见砼喷层鼓胀开裂区域内部围岩出现严重的拉裂、劈裂破坏，岩体质量“劣化”^[5]。说明岩锚梁-拱肩之间边墙部位承受较大的切向应力，岩体产生压制拉裂破坏。

2.2.2  围岩开裂破坏

在调查中可见多处围岩开裂、剥裂现象，开裂深度0~1.0 m，开裂面略起伏粗糙，与边墙平行，陡倾于临空面，倾角为64°~85°。现场典型破坏现象见图9。

2.2.3  锚墩内陷

调查共发现2处锚墩内陷现象：下游0+33 m处锚头与围岩之间的位移为3~5 cm(见图10(a))，上游0+44 m处锚头与围岩之间位移为1~2 cm(见图10(b))，锚头周边围岩伴随有挤碎开裂现象。锚墩出现内陷现象反映出内部岩体已破碎，在较大预应力下被“拉入”到岩体中。

图6  岩锚梁变形破坏现象

Fig. 6  Phenomenon of deformation and failure of rock anchor beams

图7  岩锚梁上部边墙砼喷层破坏现象

Fig. 7  Damaged phenomena of concrete sprayed layer of sidewall upper rock anchor beam

图8  上游侧厂横0+32 m变形破坏现象(高程1 718~1 719 m)

Fig. 8  Deformation and failure phenomena of upstream side 0+32 m(elevation of 1 718-1 719 m)

图9  典型围岩开裂破坏

Fig. 9  Typical cracking phenomena of surrounding rock

图10  锚墩内陷现象

Fig. 10  Phenomenon of anchor pier invagination

3  地质力学机制分析

3.1  地应力状态与围岩开裂的关系

3.1.1  厂区地应力场特征

猴子岩水电站地下厂房区域多数岩石强度应力比(R_b/σ_m)为2~4，属于高地应力区。类似于锦屏一级水电站^[6-10]，厂区地应力场亦为典型的高山峡谷区“驼峰状”应力分布形式，地下厂房系统正好位于地应力较高的区域，没有避开应力集中区(见图5)。

以主厂房区域内σ_SPD1-5处实测的地应力数据为例来说明地应力状态与围岩开裂的关系。该点最大主应力σ₁为36.43 MPa，其方位角和仰角分别为319.3°和44.5°，第二主应力σ₂为29.8 MPa，其方位角和仰角分别为3.3°和-36.2°；最小主应力σ₃为22.32 MPa，其方位角和仰角分别为74.7°和23.6°。实测地应力与厂房轴线关系见图11。

图11  主应力方向与洞室轴线和岩层面关系(σ_SPD1-5)^[5]

Fig. 11  Relation between principal stress orientation and cavern axis and rock level (σ_SPD1-5)^[5]

由图11可以看出，最大主应力σ₁与厂房轴线小角度相交、与岩层面大角度相交，有利于洞室围岩稳定；但测值偏大的σ₂、σ₃与厂房轴线大角度相交，对洞室围岩稳定极为不利^[5]。

为进一步说明地应力对洞室稳定的影响，将三维应力场转为洞室横剖面上的平面应力状态，应力坐标转换公式为^[6-7]

                (1)

式中：σ′为新坐标系下的应力矩阵；σ为原坐标系下的应力矩阵；α为新坐标轴与原坐标轴之间的夹角余弦矩阵。

需要说明的是：新旧坐标系均遵循右手准则。原坐标系为方位角坐标系，即以正北为y轴，正东为x轴，竖直向上为z轴；新坐标系以厂房洞轴线为y轴(指向山外侧为正)，厂房横剖面水平方向为x轴(指向下游侧为正)，竖直方向为z轴。

经计算，厂房横剖面(xz平面)上的平面主应力分别为31.92 MPa和27 MPa，平面最大主应力与x轴夹角为9.1°，厂房横剖面应力椭圆如图12所示。

平面应力状态对洞室围岩稳定极为不利，进行洞室布置方案选择轴线方位时应尽量避免。因为过大的最大主应力(近水平向)会导致洞室开挖后边墙出现较大位移，这也是主厂房上下游边墙测点位移、松弛深度均较其他工程偏大的原因之一^[5]。对于顶拱、拱肩部位而言，过大的切向应力集中易使围岩产生压致拉裂、压碎，甚至出现岩爆现象，导致围岩破坏^[8]。与锦屏一级主厂房严重“偏压”(非对称)破坏不同，这种平面应力状态致使主厂房上下游侧岩锚梁-拱肩之间边墙部位均出现大量围岩破坏情况。

图12  主厂房开挖前的平面应力状态

Fig. 12  Plane stress state of the main powerhouse before excavation

3.1.2  猴子岩水电站洞室围岩易出现破坏的原因

图13所示为一般地应力条件下(σ₁＞σ₂＞σ₃，σ₂≈σ_m)应力莫尔圆^[4]。洞室开挖后，σ₁增大为σ₁′，σ₃减小为σ₃′，此时的应力莫尔圆向强度曲线靠近，趋近破坏。即与洞室开挖之前相比，破坏接近度d_1min＜d_0min。特别是当优化后的地下洞室轴线与σ₁方向一致时，在洞室壁面附近岩石处于单轴应力状态，最大主应力约为σ₂^[4]。

图14所示为猴子岩地应力条件下(σ₁≈σ₂＞σ₃，σ₂＞σ_m)应力莫尔圆^[4]。在此高地应力条件下，与一般地应力条件相比，洞室开挖后，σ₁增大为σ₁′的增幅更大，σ₃减小为σ₃′的降幅也更大。由二维和三维数值模拟得出^[11-14]：猴子岩地下洞室开挖后，σ₁′=100~150 MPa，应力莫尔圆更加向强度曲线趋近，即d_2min＜d_1min＜d_0min，猴子岩地应力条件下围岩更容易趋向破坏。当地下洞室轴线与σ₁方向完全一致时，在洞室壁面附近岩石的最大主应力虽约等于σ₂，但由于猴子岩的地应力条件是σ₂≈σ₁，所以，在单轴应力状态下的围岩也更容易出现破坏。

图13  一般地应力条件下洞室开挖前后应力莫尔圆^[4]

Fig. 13  Mohr circle under general geostress condition before and after excavation^[4]

图14  猴子岩应力条件下洞室开挖前后应力莫尔圆^[4]

Fig. 14  Mohr circle under Houziyan’s geostress condition before and after excavation

3.2  地质构造与围岩开裂的关系

施工地质编录资料显示(见图15)，主厂房上下游侧岩锚梁-拱肩之间边墙部位岩体质量较好，其中上游侧岩锚梁-拱肩部位Ⅲ₁类围岩占87.7%，Ⅲ₂类围岩占12.3%；下游侧岩锚梁-拱肩部位Ⅲ₁类围岩占72.5%，Ⅳ类围岩占27.5%。从图15可以看出：围岩破坏主要发生在岩体质量较好的区域，即主要出现在Ⅲ₁类围岩区域。这说明围岩破坏与地质构造的相关性较差，亦说明猴子岩水电站主厂房围岩破坏以应力驱动型为主，受地质构造影响较小而受高地应力条件下开挖卸荷影响较大^[4-5]。

3.3  应力驱动型破坏模式形成机制分析

根据徐光黎等^{[4-5, 13, 15]}的调查结果显示，猴子岩水电站主厂房围岩破坏类型主要为应力驱动型，重力驱动型以及复合型所占比例较少。

应力驱动型破坏是指在高地应力条件下，因开挖造成围岩应力重分布，在二次应力作用下，围岩开始起裂，产生新的裂缝，新生裂缝继续扩展、贯通，最终致使围岩损伤但不一定产生滑移的岩石破坏。该破坏模式主要有张开碎裂(unravelling)、剥离(spalling)、板裂splitting)、剪切破坏、岩爆等表现形式^[4-5]。从力学机制上可归纳为拉张破裂(T)、张剪破裂(TS)和剪切破裂(S) 3种模式(见图16)。

拉张破裂具体表现为围岩呈洋葱式剥离、剥落、劈裂、片帮或张开碎裂，裂缝张开，越靠近洞壁隙宽越大，裂面高角度倾向临空面，倾角大多大于75°。拉张破裂主要出现在拉应力集中或围压基本为0的部位，岩体受力状态近似于单轴压缩状态的部位(主要发育部位及受力状态如图16中“1”所示)。此破坏模式在猴子岩地下洞室极为发育。

张剪破裂具体表现为围岩呈片状、板状、厚板状平行排列，端部以Griffith裂纹拉张扩展，裂缝张开，隙宽向里减小，裂面高角度倾向洞内，但倾角小于拉张破裂倾角，倾角一般在48°~70°之间。张剪破裂主要出现在侧向围压较小的部位，岩体受力状态处于 σ₁′＞＞σ₃′三轴压缩状态—似单轴压缩状态(主要发育部位及受力状态如图16中“2”所示)。此破坏模式在猴子岩地下洞室壁面附近也极为发育。

图15  开挖揭示地质情况(岩锚梁-拱肩部位)

Fig. 15  Geological conditions revealed by excavation (Rock anchor beam-spandrel)

图16  应力驱动型破坏模式及力学机制示意图^[4]

Fig. 16  Diagram of stress-driven failure modes and its mechanism^[4]

剪切破裂具体表现为围岩产生新的剪切裂缝，裂面平整，隙宽闭合—微张，裂面也呈高角度倾向洞内，倾角一般在45°~65°之间。剪切破裂主要出现在侧向围压尚未恢复到原始应力量级(σ₃′＜σ₃) 的部位，岩体受力状态处于σ₁′＞σ₃′三轴压缩状态(主要发育部位及受力状态如图16中“3”所示)。此破坏模式在钻孔电视中可以见到，此处声波波速会跳跃性地降低^[16]。图17所示为钻孔时的剪切破裂的典型实例。

图17  C1711+009XD-20130701钻孔时围岩剪切破裂实例^[4]

Fig. 17  Shear failure of surrounding rock from drilling TV in C1711+009XD-20130701^[4]

4  结论及建议

1) 猴子岩水电站主厂房围岩破坏特征主要体现为4种类型：岩锚梁开裂错动、砼喷层鼓胀开裂、围岩开裂、锚墩内陷，这些表现形式的本质均是内部岩体出现损伤。

2) 猴子岩水电站厂区地应力测值偏高，且中间主应力σ₂明显偏大，通过开挖前后应力莫尔圆的变化情况，定性说明了猴子岩厂区硬岩在高地应力卸荷条件下易于出现破坏的原因。

3) 将厂区三维应力场转换到主厂房横剖面上的二维应力场显示：二维应力场中最大、最小主应力较大，但二者差值不大；应力椭圆近乎水平，不存在“偏压”；这种应力状态导致猴子岩主厂房上下游侧岩锚梁-拱肩之间边墙部位均出现切向应力高度集中，围岩出现压致拉裂。

4) 猴子岩水电站主厂房围岩破坏和岩体结构相关性不大，以应力驱动型为主，并且可细分为拉张破裂、张剪破裂和剪切破裂，3种受力机制在厂区广泛发育，充分体现出猴子岩厂区高地应力特征。

5) 在后续施工中应严格控制爆破，提高壁面平整度，尽量减小应力集中程度；开挖完成后应及时支护，补偿围岩侧向应力；锚固工程应采用“长锚索、低吨位、大锚头”进行设计。该项研究工作将有利于进一步研究高应力下地下厂房洞室群围岩变形的稳定性，可为类似地下厂房洞室群的设计和施工提供依据与借鉴。

致谢：感谢猴子岩水电建设有限公司、中国电建成都勘测设计研究院有限公司猴子岩设代处、物探检测中心、中国水电七局猴子岩项目部以及葛洲坝内观监测管理中心的领导及现场工作人员，为我们现场资料收集与分析提供了大力支持。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2016-06-10；修回日期：2016-09-19

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41472263); 中国水电工程顾问集团公司科研项目(P099) (Project(41472263) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(P099) supported by China Hydropower Engineering Consulting Group)

通信作者：徐光黎，博士，教授，从事岩土力学、地质灾害等研究；E-mail：xu1963@cug.edu.cn