劉 寧，陳平志，陳 浩，陳建林，徐 劍

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311122; 2.浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司，浙江省杭州市 310014; 3.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，北京市 100038）

1 引 言

白鶴灘水電站是目前在建世界最大水電站工程，也是僅次于三峽工程的世界第二大水電站工程，地下廠房洞室群規(guī)模、洞室跨度等均居世界水電工程第一。左、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)采用對(duì)稱布置，地下廠房為首部開發(fā)方式，廠內(nèi)各布置8臺(tái)1000MW水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量共16 000MW，是首次采用百萬機(jī)組的巨型水電工程。如圖1 所示，白鶴灘水電站左右岸巨型地下廠房洞室群由長(zhǎng)廊型的地下廠房、主變壓器洞、尾閘室和圓筒43～48m直徑的尾水調(diào)壓室組成，其中左、右岸主副廠房洞長(zhǎng)度438m，巖梁以上寬度34.0m，以下寬度31.0m，高度88.7m，巨大的地下廠房洞室群開創(chuàng)了中國(guó)水電工程建設(shè)的新紀(jì)錄。

白鶴灘地下廠房洞室群沿線為單斜巖層，出露二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖，巖層自下游至上游層位分別為 P2β2、P2β3、P2β4、…、P2β7、P2β8、P2β9層等，地質(zhì)構(gòu)造主要有層間錯(cuò)動(dòng)帶、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶、斷層、裂隙等，層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶為長(zhǎng)大軟弱結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀與巖流層產(chǎn)狀基本一致，典型地質(zhì)剖面（右岸為例）見圖2。地下廠房洞室群圍巖以III類為主，巖性主要有斜斑玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖、柱狀節(jié)理玄武巖、角礫熔巖，玄武巖的單軸抗壓強(qiáng)度一般為90～110MPa。左、右岸地下廠房洞室群區(qū)域?qū)儆谥懈叩貞?yīng)力區(qū)，左岸第一主應(yīng)力值大小為 16.2～22.4MPa，右岸為 21.4～28.0MPa，實(shí)測(cè)最大地應(yīng)力33.39MPa，右岸地應(yīng)力水平總體上高于左岸。

圖1 白鶴灘水電站左右岸巨型地下廠房洞室群Figure 1 Cavern group of giant underground powerhouse on the left and right banks of Baihetan hydropower station

白鶴灘地下廠房洞室屬于深切河谷地區(qū)，地應(yīng)力高，發(fā)育大型軟弱層間錯(cuò)動(dòng)帶不利構(gòu)造，在地下廠房開挖過程中，廣泛揭示了高應(yīng)力破壞特性[1-2]、軟弱層間錯(cuò)動(dòng)帶的張剪變形破壞[3-4]、脆性玄武巖破裂時(shí)效發(fā)展[5-7]等典型巖石力學(xué)問題。本文以白鶴灘地下廠房洞室施工過程出現(xiàn)的主要巖石力學(xué)問題進(jìn)行了深入探討，并詳細(xì)剖析了各類典型問題的工程應(yīng)對(duì)防治措施，工程實(shí)踐表明，這些主動(dòng)和被動(dòng)聯(lián)合防治措施合理、有效。

圖2 地下廠房工程區(qū)典型地質(zhì)剖面圖（右岸）Figure 2 Typical geological section of underground powerhouse engineering area （right bank）

2 主要巖石力學(xué)問題

地下廠房洞室群工程區(qū)域巖體具備玄武巖硬脆性特征，初始應(yīng)力為中高地應(yīng)力水平，發(fā)育長(zhǎng)大軟弱層間錯(cuò)動(dòng)帶幾大基本條件，開挖過程揭示了的典型圍巖響應(yīng)模式包括：

（1）長(zhǎng)大軟弱層間錯(cuò)動(dòng)帶控制型問題；

（2）脆性玄武巖高應(yīng)力破裂問題。

2.1 層間錯(cuò)動(dòng)帶控制性問題

地下洞室工程區(qū)P2β24凝灰?guī)r厚度一般為30～80cm，局部可達(dá)180cm，層間錯(cuò)動(dòng)帶主要在凝灰?guī)r中部發(fā)育，厚度一般為10～60cm，平均20cm，如圖3所示。錯(cuò)動(dòng)帶物質(zhì)組成為泥夾巖屑型，遇水易軟化，其性狀差，強(qiáng)度低。

圖3 長(zhǎng)大軟弱層間錯(cuò)動(dòng)帶結(jié)構(gòu)特征Figure 3 Structural characteristics of interlayer shear belt

當(dāng)緩傾角層間（內(nèi)）錯(cuò)動(dòng)帶在廠房洞室頂拱出露時(shí)，長(zhǎng)大軟弱錯(cuò)動(dòng)帶切割部位的下部巖體受卸荷松弛、自身重力及其他結(jié)構(gòu)面切割等因素影響，層間帶下盤局部巖體易發(fā)生失穩(wěn)坍塌，如圖4所示層間帶C4在廠房洞室頂拱出露導(dǎo)致的坍塌破壞。

圖4 廠房洞室頂拱受層間錯(cuò)動(dòng)帶切割導(dǎo)致坍塌破壞Figure 4 Collapse and damage of the powerhouse cavern roof caused by the interlayer shear belt

當(dāng)長(zhǎng)大緩傾角層間（內(nèi)）錯(cuò)動(dòng)帶在地下廠房洞室邊墻出露時(shí)，層間帶影響的上下盤巖體發(fā)生顯著的剪切變形，從而發(fā)生不連續(xù)變形破壞，見圖5。高應(yīng)力條件下，地下廠房高邊墻是強(qiáng)卸荷區(qū)，由于層間帶C2性質(zhì)軟弱，成為了圍巖變形的控制邊界。當(dāng)層間帶上下盤巖體完整性較好時(shí)，上下盤巖體將產(chǎn)生整體錯(cuò)動(dòng)變形形成臺(tái)階，圍巖整體穩(wěn)定性較好；但當(dāng)上下盤圍巖完整性較差時(shí)，即次級(jí)結(jié)構(gòu)面與層間帶組合，則可能形成局部塊體穩(wěn)定問題。

圖5 層間錯(cuò)動(dòng)帶在廠房邊墻出露導(dǎo)致剪切破壞Figure 5 Shear failure on powerhouse cavern side wall caused by interlayer shear belt

2.2 脆性玄武巖高應(yīng)力破裂問題

白鶴灘玄武巖具有顯著脆性特征且初始應(yīng)力水平高，實(shí)測(cè)地應(yīng)力最高達(dá)33.39MPa，廠房區(qū)域的巖體應(yīng)力強(qiáng)度比為0.19～0.29，大于0.15且小于0.4，具備發(fā)生應(yīng)力型破壞的條件，且以中等程度的高應(yīng)力破壞為主，在地下廠房洞室開挖過程中，廣泛出現(xiàn)了脆性玄武巖高應(yīng)力片幫、破裂、弱巖爆等應(yīng)力型破壞，見圖6、圖7。

圖6 脆性玄武巖高應(yīng)力破裂特征Figure 6 Stress spalling of cryptocrystalline basalt

圖7 地下廠房分層邊墻角高應(yīng)力破裂破壞特征Figure 7 Characteristics of high stress fracture in the corner of layered sidewall of Underground Powerhouse

工程區(qū)玄武巖中初始裂紋（隱微裂隙）發(fā)育，受隱微裂隙影響，啟裂強(qiáng)度較低，易于在地下廠房洞室淺層應(yīng)力集中（低圍壓）區(qū)，形成應(yīng)力破裂和片幫破壞，以及受微裂隙影響的解體破壞，甚至可以歸結(jié)為理想脆性材料。同時(shí)，由于玄武巖的峰后強(qiáng)度低，脆性特征顯著，在高應(yīng)力條件下?lián)p傷破裂深度相對(duì)較大且通常具有明顯的時(shí)間效應(yīng)特征，而洞室開挖后圍巖開裂區(qū)域（松弛圈外側(cè)，或稱為外損傷區(qū)域），承載力也相應(yīng)較低，而時(shí)效破裂則較為明顯。圖8為脆性玄武巖高應(yīng)力破裂發(fā)展特征，該破裂特征也進(jìn)一步佐證了巖體的時(shí)效破裂特性。

圖8 脆性玄武巖高應(yīng)力破裂發(fā)展特征Figure 8 High stress fracture development characteristics of brittle basalt

3 層間錯(cuò)動(dòng)帶影響與防治

3.1 層間錯(cuò)動(dòng)帶切割頂拱影響與防治

白鶴灘層間錯(cuò)動(dòng)帶是橫貫地下廠房洞室群的大型軟弱構(gòu)造，錯(cuò)動(dòng)帶與洞室交切位置不同，對(duì)大型洞室圍巖變形與穩(wěn)定的影響方式存在明顯差異，局部加強(qiáng)措施也需要體現(xiàn)差異性和針對(duì)性。

3.1.1 層間帶對(duì)頂拱變形的影響

當(dāng)層間錯(cuò)動(dòng)帶切割大型洞室頂拱時(shí)，將導(dǎo)致層間帶的法向松弛及其下盤巖體產(chǎn)生松弛變形，甚至在剪出口部位形成塌落破壞，由于剪出口附近層間帶下盤巖橋厚度較薄，高應(yīng)力集中致使巖體產(chǎn)生屈服和應(yīng)力松弛。如右岸地下廠房小樁號(hào)洞段頂拱受層間錯(cuò)動(dòng)帶C4切割，頂拱C4會(huì)產(chǎn)生明顯的法向松弛，局部圍巖變形顯著（見圖9），其下盤淺層巖體在開挖過程中通常不能自穩(wěn)，需要依靠外在支護(hù)力來保持頂拱穩(wěn)定。

層間錯(cuò)動(dòng)帶影響區(qū)域往往存在局部的應(yīng)力場(chǎng)，洞室開挖過程，除了會(huì)在剪出口形成應(yīng)力松弛與塌落破壞外，在距離層間帶一定范圍，還會(huì)形成如圖10所示的局部應(yīng)力集中區(qū)，隨廠房分層下挖，邊墻高度的增加及頂拱應(yīng)力集中的持續(xù)增強(qiáng)，應(yīng)力集中疊加會(huì)使得層間帶下盤巖體的破裂擴(kuò)展和時(shí)效變形更為明顯。局部應(yīng)力集中的形成機(jī)制主要由于軟弱層間帶阻斷了應(yīng)力向上盤調(diào)整，松弛巖體的荷載只能向C4下盤巖橋厚度較大部位（即向北側(cè)）巖體轉(zhuǎn)嫁，使得C4下盤距離切割部位一定范圍形成應(yīng)力集中增強(qiáng)區(qū)域，即洞室頂拱“承載拱”，高應(yīng)力集中區(qū)影響范圍主要在距離剪出口20～75m范圍，而應(yīng)力集中區(qū)影響范圍相對(duì)更大，甚至影響到了右岸整個(gè)小樁號(hào)洞段。

圖9 層間帶切割廠房洞室頂拱破壞和圍巖變形特征Figure 9 The surrounding rock failure and deformation distribution characteristics in the top arch of powerhouse by the interlayer shear belt cut

圖10 右岸地下廠房C4下盤巖體的應(yīng)力集中特征Figure 10 Stress concentration characteristics of C4 footwall rock mass of underground powerhouse on the right bank

3.1.2 洞室頂拱防治措施

地下廠房頂拱受層間錯(cuò)動(dòng)帶影響洞段，在頂拱出露部位局部變形量值較大，錯(cuò)動(dòng)帶下盤圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，局部應(yīng)力集中將導(dǎo)致圍巖應(yīng)力型破壞，層間錯(cuò)動(dòng)帶在頂拱揭露后難以自穩(wěn)，因此，系統(tǒng)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)措施、開挖方案和爆破控制均對(duì)其穩(wěn)定有影響。

（1）層間錯(cuò)動(dòng)帶頂拱出露一定范圍內(nèi)的支護(hù)措施如下：噴混凝土C25，厚20cm；掛鋼筋網(wǎng)，鋼筋拱肋，系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨桿，L=9m，T=100kN；系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索T=2000kN，L=25m。

（2）對(duì)于層間帶剪出口附近應(yīng)力松弛區(qū)巖體需要提升支護(hù)力，如右廠小樁號(hào)洞段頂拱增加系統(tǒng)錨索和加密錨桿，采用超前錨固洞措施，實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨索，進(jìn)行洞室頂拱預(yù)錨固，見圖11。

（3）開挖方案：根據(jù)層間錯(cuò)動(dòng)帶出露范圍進(jìn)行綜合確定，具體措施包括沿著錯(cuò)動(dòng)帶出露方向開挖（開挖方向控制）、控制掘進(jìn)循環(huán)采用短進(jìn)尺、分多分幅開挖來減小單次出露范圍等。

（4）爆破控制：由于層間錯(cuò)動(dòng)帶的物理力學(xué)性狀差，開挖爆破對(duì)其卸荷松弛影響同樣較為明顯，因此爆破控制也是層間錯(cuò)動(dòng)帶穩(wěn)定的重要方面。

（5）對(duì)于距離層間帶一定范圍的應(yīng)力集中增強(qiáng)區(qū)而言，需要保證初期支護(hù)的強(qiáng)度以提升補(bǔ)償圍壓抑制應(yīng)力型破壞，同時(shí)，需要充分考慮隨下臥導(dǎo)致頂拱應(yīng)力集中增強(qiáng)而存在的破裂擴(kuò)展與時(shí)效變形因素，需要預(yù)留變形和支護(hù)力增長(zhǎng)空間，即降低初始張拉水平保證支護(hù)系統(tǒng)安全。此外，采用低壓注漿來提高錯(cuò)動(dòng)帶和破裂巖體力學(xué)參數(shù)，改善頂拱拱圈成拱效應(yīng)，以滿足洞室長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求。

圖11 層間錯(cuò)動(dòng)帶在洞室頂拱出露的局部加強(qiáng)支護(hù)措施Figure 11 Local strengthening support measures of interlayer shear belt between layers exposed in the top arch of cavern

3.2 層間帶切割邊墻錯(cuò)動(dòng)變形與防治

與層間帶切割頂拱不同，層間帶切割高邊墻帶來的主要是變形與松弛問題，并且圍巖松弛的范圍會(huì)大幅增大，甚至超過常規(guī)系統(tǒng)支護(hù)的能力。

3.2.1 層間帶對(duì)邊墻變形的影響

當(dāng)層間帶切割高邊墻時(shí)，層間帶上下盤巖體產(chǎn)生明顯的錯(cuò)動(dòng)變形，并導(dǎo)致邊墻松弛深度的加劇。譬如，層間錯(cuò)動(dòng)帶C2是左岸廠區(qū)規(guī)模較大、貫穿性的大型軟弱結(jié)構(gòu)面，對(duì)地下廠房圍巖變形有明顯的控制作用，層間錯(cuò)動(dòng)帶的存在顯著改變了高邊墻變形模式，如圖12所示，由于層間帶傾向上游，下游邊墻層間帶切割部位在分層開挖過程表現(xiàn)為張剪性變形，更易產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)；上游邊墻表現(xiàn)為壓剪性變形，錯(cuò)動(dòng)變形量相對(duì)較小，只有當(dāng)層間帶被揭露后，才轉(zhuǎn)變?yōu)橄卤P巖體以層間帶為頂面的傾倒變形，因此，上游邊墻圍巖的大變形集中于切割部位下盤淺層范圍?？傮w上，白鶴灘地下廠房受層間帶控制的上下游高邊墻非連續(xù)變形存在顯著差異，且其對(duì)下游邊墻的影響大于上游邊墻。

圖12 層間帶切割高邊墻造成不連續(xù)錯(cuò)動(dòng)變形特征Figure12 Characteristics of discontinuous staggered deformation caused by cutting high side wall in interlayer shear belt

3.2.2 高邊墻的防治措施

層間帶的錯(cuò)動(dòng)變形及其上下盤巖體的卸荷松弛問題突出，而常規(guī)的錨索、錨桿支護(hù)措施，特別是層間帶附近部分預(yù)應(yīng)力錨索的錨固端可能置于錯(cuò)動(dòng)帶影響范圍之內(nèi)，對(duì)充分發(fā)揮其支護(hù)效果不利，因此，針對(duì)層間錯(cuò)動(dòng)帶引起的圍巖剪切錯(cuò)動(dòng)變形及局部大變形，需采取針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)和綜合防治措施才能有效控制。具體防治措施見圖13。

（1）層間錯(cuò)動(dòng)帶在洞室邊墻出露采用系統(tǒng)性的噴錨支護(hù)和錨筋束鎖口支護(hù)限制其不協(xié)調(diào)變形措施。例如，右岸廠房下游邊墻中下部右廠0+165～右廠0+260段層間錯(cuò)動(dòng)帶C3出露，同時(shí)上盤還發(fā)育層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶RS411，為有效限制圍巖變形，沿層間錯(cuò)動(dòng)帶C3上下盤布置3排針對(duì)性預(yù)應(yīng)力錨索（2500kN，35m/40m）進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

（2）地下廠房上游和下游邊墻設(shè)置 “主洞+支洞”置換洞措施。置換洞開挖斷面為6m×6m，先進(jìn)行一期混凝土襯砌，然后進(jìn)行固結(jié)灌漿和中間混凝土回填。

（3）針對(duì)高邊墻受層間帶影響區(qū)域采用長(zhǎng)錨索，對(duì)層間帶上盤巖體進(jìn)行深層錨索錨固。

（4）層間錯(cuò)動(dòng)帶出露于母線洞、主變壓器洞與尾水?dāng)U散段、尾水連接管之間巖柱，二者之間布置2000kN有黏結(jié)型預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索進(jìn)行加固。

圖13 層間帶切割高邊墻防治措施Figure 13 Prevention measures of cutting high side wall in interlayer shear belt

4 脆性玄武巖高應(yīng)力問題與防治

4.1 玄武巖高應(yīng)力問題與破裂特征

玄武巖在成巖時(shí)期由于冷卻原因，導(dǎo)致隱微裂隙發(fā)育，“硬” “脆” 特性顯著，在高地應(yīng)力條件下，易形成高應(yīng)力片幫、應(yīng)力破裂破壞等問題。結(jié)晶巖發(fā)生應(yīng)力破裂擴(kuò)展的時(shí)間效應(yīng)是指在恒定荷載的條件下，巖石中的破裂會(huì)隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)，因此強(qiáng)度隨之衰減，是脆性特征結(jié)晶巖的基本力學(xué)特性之一[8-11]。這種特性在地下工程中往往表現(xiàn)為：相對(duì)完整的圍巖條件下洞室開挖后，即便在開挖停止后圍巖中應(yīng)力調(diào)整結(jié)束的條件下，應(yīng)力破裂現(xiàn)象仍然不斷加劇。白鶴灘隱晶質(zhì)玄武巖具有高度（理想）脆性特性，見圖14，研究和工程實(shí)踐表明，由于破裂尺寸的細(xì)觀特征，只有破裂發(fā)展到后期、圍巖特性顯著惡化以后才轉(zhuǎn)化為宏觀破壞，圍巖破裂和應(yīng)力調(diào)整會(huì)引起遲滯的持續(xù)變形特征；換言之，破裂時(shí)間效應(yīng)一旦啟動(dòng)，想依靠支護(hù)手段完全抑制是不現(xiàn)實(shí)的，地下洞室工程玄武巖脆性破裂產(chǎn)生和發(fā)展是普遍的破壞特征。

綜合工程現(xiàn)場(chǎng)巖性條件和高分辨率超聲波測(cè)試成果分析，發(fā)生應(yīng)力破裂發(fā)展區(qū)域巖性主要為隱晶質(zhì)玄武巖，杏仁狀玄武巖存在應(yīng)力破裂，但破裂發(fā)展特征明顯不如隱晶質(zhì)突出[12-14]。通過分析六次重復(fù)測(cè)試成果可知，揭露了硬脆性巖體破裂特征加劇現(xiàn)象（圖中深藍(lán)區(qū)域變大）。局部巖體受工程區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整演化作用，出現(xiàn)破壞加劇的現(xiàn)象，如圖15所示，6.90～9.25m、9.75～10.50m、11.90～12.90m范圍的破壞呈現(xiàn)隨時(shí)間均存在加劇現(xiàn)象，其中9.75～10.50m的破壞區(qū)從第一次測(cè)試的不明顯破壞，到第六次測(cè)試拓寬到70°左右范圍的寬度，并且破壞區(qū)從第二、三次測(cè)試時(shí)向下延伸了約0.25m左右，如圖15所示深藍(lán)區(qū)域變大。

圖14 白鶴灘玄武巖的脆性特征Figure 14 Brittleness Characteristics of Baihetan basalt

圖15 脆性玄武巖不同深度區(qū)間應(yīng)力破裂破壞發(fā)展特征（深藍(lán)區(qū)域變大）Figure 15 Development characteristics of stress rupture failure in different depths of brittle basalt（the dark blue area becomes larger）

4.2 脆性巖體破裂的主動(dòng)防治

白鶴灘電站地下工程施工過程中，盡管脆性玄武巖的破裂還不足以導(dǎo)致工程問題，但考慮到地下洞室群的地應(yīng)力水平和開挖規(guī)模，這一矛盾不可避免，因此需要主動(dòng)采取合理布置、開挖、支護(hù)設(shè)計(jì)方案，最大程度抑制脆性玄武巖的高應(yīng)力破裂。

（1）脆性巖體高應(yīng)力破裂防治基本原則，一是降低圍巖中能量集中水平，二是提高圍巖在高應(yīng)力條件下的自穩(wěn)能力。

（2）戰(zhàn)略性方法層面，通過采取一些措施避免脆性巖體破裂問題出現(xiàn)的可能性或強(qiáng)度。戰(zhàn)略性方法的效果往往是全局性的，且基本上全部是通過主動(dòng)降低整體應(yīng)力集中和應(yīng)力型破壞風(fēng)險(xiǎn)的方式實(shí)現(xiàn)脆性巖體破裂控制，典型的戰(zhàn)略性方法主要是洞室群布置研究，如地下廠房軸線方向布置避開了斷面受控第一主應(yīng)力影響的因素。

（3）戰(zhàn)術(shù)性方法層面，通過具體的方法對(duì)存在高應(yīng)力集中和應(yīng)力型破壞的局部部位進(jìn)行處理，如開挖程序優(yōu)化、施工方法改進(jìn)等，從而改善局部巖體的應(yīng)力集中狀態(tài)、或者加強(qiáng)圍壓條件和承載力，達(dá)到防治由地質(zhì)條件差異等造成的局部巖體破裂問題引起的危害程度或控制其不利影響。

（4）針對(duì)洞室斷面高應(yīng)力問題防治，采取廠房開挖斷面少分序分幅和優(yōu)化開挖分序順序。在圍巖地質(zhì)條件、洞室布置和體形方案確定條件下，開挖分序不同將會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力路徑的不同，從而對(duì)圍巖的應(yīng)力型破壞也有一定影響。如廠房分幅開挖順序?qū)敼皯?yīng)力集中程度存在影響，廠房分幅開挖采取以順斷面大主應(yīng)力方向?yàn)樵瓌t，一般應(yīng)優(yōu)先開挖臨江側(cè)，優(yōu)化分幅開挖情況下廠房頂拱應(yīng)力集中大于巖體啟裂強(qiáng)度（40MPa）的范圍也明顯減小，局部應(yīng)力集中可以減小約5MPa，并且廠房分幅區(qū)域左側(cè)墻腳的應(yīng)力集中區(qū)位于后續(xù)開挖體中，可避免應(yīng)力破壞影響廠房輪廓邊界部位巖體。

（5）脆性玄武巖高應(yīng)力破裂控制的針對(duì)性支護(hù)優(yōu)化原則。當(dāng)巖體高應(yīng)力破裂風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng)時(shí)，表面支護(hù)需要從掛網(wǎng)、素噴+網(wǎng)、摻鋼纖噴層的方式優(yōu)化，在高風(fēng)險(xiǎn)條件下不推薦使用“摻鋼纖噴層+網(wǎng)”的方式是考慮到消除掛網(wǎng)作業(yè)時(shí)間消耗與支護(hù)及時(shí)性之間的矛盾；當(dāng)巖體高應(yīng)力破裂風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng)時(shí)，原則上選擇加強(qiáng)錨桿支護(hù)時(shí)需要同時(shí)考慮增強(qiáng)錨桿支護(hù)力和柔性支護(hù)特征，可選擇增加普通螺紋鋼錨桿實(shí)現(xiàn)，以及有條件地使用噴納米鋼筋網(wǎng)混凝土，都需強(qiáng)調(diào)支護(hù)的及時(shí)性。

4.3 脆性巖體破裂支護(hù)實(shí)施時(shí)機(jī)

脆性巖體應(yīng)力的破裂在很多情況下圍巖破裂損傷都會(huì)存在一定的滯后現(xiàn)象，即新開挖的掌子面上很難觀察到破裂損傷現(xiàn)象，常常給人圍巖安全性好、無需支護(hù)的錯(cuò)覺。工程實(shí)踐表明，隨著時(shí)間推移或掌子面向前推進(jìn)，圍巖的破裂損傷程度不斷加劇，因此，支護(hù)錨桿的安裝越接近掌子面時(shí)，越有利于及時(shí)維持圍巖中的圍壓。

針對(duì)高應(yīng)力問題突出的部位，及時(shí)支護(hù)（支護(hù)時(shí)機(jī)二相比于支護(hù)時(shí)機(jī)一）有利控制頂拱的變形增量，同時(shí)也有利于提高頂拱的圍壓水平和降低應(yīng)力集中區(qū)最大主應(yīng)力的量級(jí)水平，使得圍巖應(yīng)力狀態(tài)更加遠(yuǎn)離強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖16所示，及時(shí)支護(hù)有利于降低圍巖破裂、發(fā)生鼓脹變形從而導(dǎo)致噴層開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖16 及時(shí)支護(hù)提供補(bǔ)償圍壓的作用Figure 16 The function of timely support to compensate the confining pressure

在高應(yīng)力條件下，洞室圍巖破裂擴(kuò)展和變形具有明顯的時(shí)間效應(yīng)特征，而且脆性巖體的破裂發(fā)展到一定程度將會(huì)導(dǎo)致明顯巖體擴(kuò)容、體積膨脹，使得這部分巖體將喪失了很大一部分的承載力，這就要求針對(duì)應(yīng)力破裂甚至破碎巖體的“兜網(wǎng)”支護(hù)力的要求顯然會(huì)更高。因此，針對(duì)脆性圍巖高應(yīng)力條件下破裂問題，越及時(shí)的支護(hù)需要付出支護(hù)力代價(jià)越小，且支護(hù)效果越好。如圖17數(shù)值模擬不同支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)圍巖松弛的影響，緊跟掌子面的及時(shí)支護(hù)（支護(hù)時(shí)機(jī)二）能夠使得巖體破裂損傷得到有效抑制，從而使得圍巖的松弛圈相比更小，必須強(qiáng)調(diào)工程實(shí)際中 “初期”支護(hù)的系統(tǒng)性和及時(shí)性。

圖17 白鶴灘右岸地下廠房松弛圈深度Figure 17 Relaxation zone depth of underground powerhouse on the right bank of Baihetan

5 結(jié)論

以白鶴灘地下廠房洞室在復(fù)雜的地質(zhì)條件下施工開挖過程實(shí)踐為基礎(chǔ)，針對(duì)出現(xiàn)的主要巖石力學(xué)問題和防治措施進(jìn)行了深入探討。

（1）層間錯(cuò)動(dòng)帶影響與防治。長(zhǎng)大軟弱層間錯(cuò)動(dòng)帶影響范圍內(nèi)的圍巖在開挖卸荷作用下，受松弛、局部化應(yīng)力、自身重力等作用，上、下盤巖體松弛易發(fā)生較大的不連續(xù)剪切變形，造成局部圍巖失穩(wěn)塌落。針對(duì)層間帶頂拱影響洞段采用預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索深層支護(hù)和超前錨固洞預(yù)錨固措施合理，高邊墻影響區(qū)域采用主洞+支洞置換洞、鎖口和上盤深錨等聯(lián)合支護(hù)措施是有效的防治措施。

（2）脆性玄武巖高應(yīng)力破裂與防治。綜合考慮優(yōu)化布置地下廠房洞室群軸線方向和優(yōu)選洞室體形等戰(zhàn)略層面措施，采用主洞室軸線與最大主應(yīng)力方向小角度相交的布置方案，體形上選擇雙向成拱的圓筒形，保證洞室頂拱曲率與應(yīng)力拱相適應(yīng)等措施，系列主動(dòng)防治措施有效降低了高應(yīng)力造成的圍巖高應(yīng)力破壞風(fēng)險(xiǎn)。

（3）白鶴灘地下廠房洞室群工程區(qū)域巖體具備玄武巖硬脆性特征，初始應(yīng)力為中高地應(yīng)力水平，發(fā)育長(zhǎng)大軟弱層間錯(cuò)動(dòng)帶以及柱狀節(jié)理發(fā)育的幾大基本條件[11-14]，地下洞室實(shí)施過程中出現(xiàn)了顯著的脆性圍巖高應(yīng)力破裂及時(shí)效特征，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)的及時(shí)性和系統(tǒng)性，增強(qiáng)及時(shí)錨固支護(hù)力和柔性特征，充分利用洞室開挖過程的掌子面效應(yīng)及時(shí)提供補(bǔ)償圍壓作用，從而有效抑制脆性巖體破裂擴(kuò)展、時(shí)效變形和圍巖松動(dòng)圈深度發(fā)展，工程實(shí)踐過程中充分考慮主動(dòng)和被動(dòng)防治措施聯(lián)合實(shí)施。