基于滑动测微计的高地应力洞室围岩变形研究

张石磊 田振华

（1. 中国水利水电科学研究院，北京 100048；2. 北京中水科工程集团有限公司，北京 100048）

0 引言

围岩力学行为受制于地应力及结构面等因素影响，变形特征复杂[1]。近年来，研究者基于三峡工程、锦屏等项目对工程岩体变形特性进行了卓有成效的研究。彭 琦等[2]、魏进兵等[3]、黄润秋等[4]对中低地应力条件、高应力与低应力强度比的围岩变形特征进行研究，总结出不同条件下围岩变形主要由结构面张开位移及岩块卸荷变形构成。卢 波等[5]、江权等[6]、喻 军等[7]基于地质调查及围岩变形监测分析了高应力条件、结构面因素对围岩变形和破坏的影响。刘 健等[8]、孟国涛等[9]在地质调查、监测数据分析基础上，详细阐述了地下厂房构造应力场对洞室群变形破坏的控制作用，用数值模型分析了白鹤滩地下厂房顶拱变形及破坏机理。在获取岩柱松弛圈信息方面，王 鹏等[10]通过统计分析单孔声波测试松弛深度数据，建立了柱状节理玄武岩的松弛深度经验公式。

总体来看，现有研究集中于洞壁或浅层围岩的受力特性、变形破坏机理，研究对象的空间离散程度高，缺少自空间连续角度对洞室群间大厚岩柱及穹顶围岩的力学响应特性的研究，未阐明高地应力洞室群中隔墙和洞室穹顶的围岩的变形规律及松弛范围。

本文基于白鹤滩水电站地下厂房主变洞中隔墙及尾水调压室穹顶的滑动测微计监测资料，对洞室群间岩柱及圆筒形洞顶围岩变形特征进行分析，探讨构造地应力占优的硬岩洞室群间中隔墙及顶板围岩的变形特性，为同类地下工程的优化设计提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

白鹤滩水电站地下厂房跨度达34 m，为目前世界已建跨度最大的地下厂房。主副厂房洞长453.00 m，高88.70 m。主副厂房轴线方向N20°E。左岸设4个圆筒形、阻抗式尾水调压室。

尾水调压室与主厂房、主变洞平行布置，与厂房机组中心线间距为220 m，与主变洞中心距为130.5 m。1-4 号尾水调压室穹顶开挖直径分别为48 m、47.5 m、46 m、44.5 m，井身开挖高度84.00～88.41 m，衬砌厚度1.5 m。主副厂房及尾水调压室平面布置见图1。

图1 左岸地下洞室平面布置图

左岸地下厂房实际开挖步序如表1 所示。左岸地下厂房自2014 年1 月开挖，2018 年6 月2 日全部开挖完成。

表1 实际分层开挖信息

尾调室穹顶采用“先中导洞后两侧、分扇形条块、穹顶对穿锚索支护跟进”的施工方法，开挖时期为2015 年3 月至2016 年3 月。调压室竖井采用先溜渣井贯通，然后自上而下分层、分区开挖支护。井身开挖时期为2016 年3 月-2019 年8 月。左岸尾水调压室开挖示意图如图2 所示。

图2 左岸尾水调压室开挖示意图（单位：cm）

1.2 工程地质条件

金沙江上游白鹤滩水电站大坝坝址岩性为上二叠统峨眉山玄武岩。左岸地下厂房位于坝肩上游山体内，水平埋深600～1000 m，垂直埋深260～330 m。

左岸厂房围岩主要由P2β23和P2β31层岩流层中新鲜的斜斑玄武岩、杏仁玄武岩、隐晶质玄武岩、角砾熔岩组成。厂房工程地质剖面见图3。

图3 左岸地下厂房上游墙工程地质剖面图

左岸尾水调压室岩层总体产状为N42°～45°E、SE∠15°～20°，为单斜岩层。主要由P2β31和P2β32层新鲜的隐晶质玄武岩、斜斑玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩和凝灰岩等组成，岩质坚硬。左岸尾水调压室埋深约287～337 m，围岩以Ⅲ1类、Ⅱ类为主。

1.3 初始应力场特征

白鹤滩水电站位于小江断裂带的北侧、交际河断裂的东侧。受喜山期运动（NW-NWW 方向的区域挤压）的影响，白鹤滩水电站左岸主厂房围岩应力以构造应力为主。

初始应力场主应力量测值的分布见图4，最大主应力与厂房轴线的关系见图5。厂区水平应力大于垂直应力，第一主应力和第二主应力基本水平，第三主应力大致垂直。初始应力场最大主应力量值20～34 MPa，方位N30°～50°W，倾角5°～13°。方向近水平并且与厂房轴线大角度相交。最小主应力在10 MPa 左右，方向近竖直。

图4 左岸洞室群初始应力场主应力量测值的分布

图5 左岸地下厂房最大主应力与厂房轴线关系

大主应力方向与厂房轴线夹角较大，对围岩稳定不利[4,9,11]。厂区岩石的强度应力比为3～5，应力集中量级为50～60 MPa，厂区岩石的强度应力比修正为2～3 之间，总体上属于高地应力区[11]。

2 测点布置

1 号尾水调压室布置2 个滑动测微孔，其中SCzwt-1-1 位于正穹顶，SCzwt-1-2 位于通气洞上方。正穹顶测点SCzwt-1-1 附近布置1 套5 点式位移计Mzwt-1-2，通气洞上方测点SCzwt-1-2 附近布置1套5 点式位移计Mzwt-1-5。4 号尾水调压室布置1个滑动测微孔SCzwt-4-1，位于通气洞上方。测孔附近布置1 套5 点式位移计Mzwt-4-5。滑动测微孔埋设参数见表2，1 号尾水调压室测点监测布置见图6。

表2 尾水调压室监测点埋设参数统计表

图6 尾水调压室滑动测微计典型监测剖面图（单位：cm）

在左岸主厂南侧0-12 断面、北侧0+229 断面中隔墙岩柱内布置2 个滑动测微孔。埋设参数见表3，滑动测微孔监测布置见图7。

图7 主厂房滑动测微计监测剖面图

表3 主厂房-主变洞中隔墙监测点埋设参数统计表

滑动测微仪采用美国INCREX Mobile Extensometer，多点位移计采用美国Geokon 传感器。位移计为预埋式，变形值的计算选取锚固洞底板处为不动点。变形值以拉伸为正，压缩为负。对于滑动测微成果，以围岩应变表示，符号约定与位移计同。

3 结果及讨论

3.1 圆筒形洞室穹顶围岩变形特征

1 号尾调室正穹顶测孔累计变形值为4.737 mm，孔内最大围岩应变为0.585 mm/m，在距穹顶12.1 m 处。附近位移计孔口处测点累计围岩变形为3.65 mm，沿轴向换算得到的围岩应变最大值为0.37 mm/m，深度为距穹顶1.5～3.5 m。围岩变形特征值见表4。

表4 圆筒型洞室穹顶围岩变形特征值

图8 为穹顶围岩应变-深度分布曲线。可见穹顶沿孔深方向围岩变形以受拉为主（松弛变形）。穹顶围岩应变具有明显空间分异特征：多数在0.4 mm/m 以内，1 号尾调室正穹顶15 m 深度、31 m 深度的应变突变点，对应裂隙或节理结构面，穹顶围岩变形主要集中在结构面处。但穹顶围岩变形总量低于5 mm，表明结构面规模较小或稳定性较高，未引起显著松弛变形。

图8 尾水调压室滑动测微计应变-深度分布曲线

图9 为滑动测微计成果时序曲线，测孔累计变形量值具有明显的周期性变化规律，周期约为1 年。在每年的6 月-7 月达到最大，随后开始减小至每年的11 月达到最小值。这主要与围岩温度的周期性变化相关，与圆筒形洞室井身的后续开挖相关性很小。

图9 尾调室穹顶滑动测微孔轴向累计变形时序过程线

图10 为穹顶多点位移计成果时序曲线。可见，轴向变形量值与滑动测微成果相当，为5 mm 左右。穹顶结构面区段与Ⅲ级围岩变形规律类似，围岩变形主要发生在掌子面近接施工期。位移计测值在尾调室井身开挖期间基本无变化，验证了穹顶围岩变形受井身开挖扰动影响很小。

图10 尾调室穹顶位移计围岩变形时序过程线

对比穹顶滑动测微成果与多点位移计时序成果，不同点在于是否具有周期波动的规律。可以从测孔的原理和构造来分析：测微孔为钻孔中安装的测斜管和固定间距铜环构成，测斜管内空气与洞室大气联通，气温存在一定的周期变化。由此引起测孔围岩周期性温度应力变化，导致围岩变形呈现伸长-缩短交替变化。然而，位移计测孔被灌浆封堵体填充，围岩温度变化小，温度应力波动较弱，所以很难出现测微孔围岩具有的变形周期性规律。两种测孔构造原理对比如图11 所示。

图11 滑动测微计测孔(左)及位移计测孔(右)构造原理

3.2 长廊型洞室群中隔墙围岩变形特性

根据开挖后揭示的岩体破坏特征，南侧厂纵0-12 断面属于典型的应力集中区，而北侧0+229则主要受到大型层间错动带C2斜切的影响，岩体以表面松弛为主[6,8,10]。主厂房-主变洞中隔墙滑动测微监测成果特征值见表5。

表5 左厂房-主变洞中隔墙围岩变形特征值

左厂房-主变洞中隔墙岩柱围岩应变-深度分布曲线如图12 及图13 所示。南侧厂纵0-12 断面围岩应变沿轴向通孔均出现了拉伸变形，围岩应变多数在4 mm/m 以内，这与研究者通过孔内摄像观测到的应力型破坏现象相吻合[6,9,12]。由于孔轴向均产生了拉伸应变，中隔墙围岩松弛深度可取孔深1/2（30 m），见图12。图14 为松弛深度经验公式[10]，左厂开挖高度88 m，对应的松弛圈深度约33.95 m，验证了滑动测微观测成果的可靠性。这表明高构造应力条件下，应力集中区的围岩应力调整深度与松弛圈深度相当，约为洞室高度的的1/3。

图12 厂纵0-012 断面中隔墙围岩应变轴向分布曲线

图13 厂纵0+229 断面中隔墙围岩应变轴向分布曲线

图14 高应力洞室松弛圈范围与洞室高度关系曲线[10]

厂房北侧0+229 测孔围岩松弛变形集中在浅层（距孔口10 m 内），其余孔深应变很小，如图14。由此判断北侧中隔墙松弛圈深度基本在10 m 左右，仅相当于南侧应力集中区（厂纵0-012）围岩松弛深度的1/3，而最大应变值则超过南侧应力集中区近1 倍。可见，北侧发育的大型结构面造成围岩松弛变形集中于结构面附近，而结构面以里围岩变形很小，岩体应力调整幅度较南侧明显削弱。换言之，构造应力为主应力的长廊型洞室群，中隔墙围岩松弛圈范围与应力集中程度成正比。

将厂房-主变洞岩柱各滑动测微测孔的轴向应变累加得到轴向累计变形，绘制滑动测微测孔轴向累计变形的时序过程线如图15 所示。

图15 中隔墙围岩变形时序过程线

由图15 可见，在厂房下挖阶段，测孔累计松弛变形在开挖期呈台阶状增长趋势，尤其第Ⅵ层-第Ⅶ层下挖期间，变形量增速较为显著，最大达到0.60 mm/d。该阶段厂房下挖速度为开挖时期最大的时段，随着洞室开挖成型，测孔累计变形量明显趋收敛。表明中隔墙围岩松弛圈的发展主要集中在下挖阶段，洞室成型后，基本无扩展。

从围岩变形在开挖期的时序特征来看，变形具有明显的脆性特征，变形的增幅与爆破开挖扰动的幅度成正比。对于长廊型厂房边墙而言，高构造地应力格局决定了围岩卸荷后会产生显著的松弛变形，围岩松弛圈范围远高于洞室顶板区域。

4 结论

本文基于工程地质调查及滑动测微计监测成果，从空间连续角度（围岩应变）系统地分析了高地应力硬质围岩条件下圆筒形洞室穹顶的围岩变形规律，探讨了长廊型洞室群中隔墙围岩松弛圈的范围及演化特性。主要得出以下结论：

（1）1 号尾调室穹顶存在两个软弱结构面，但结构面对穹顶围岩变形影响较小，影响范围局限于正穹顶。围岩变形及分布特征主要与地应力格局、岩性和软弱结构面因素有关。

（2）由于滑动测微孔内空气与洞室大气联通，测值具有周期变化规律。多点位移计测孔空隙被灌浆填充，围岩温度稳定，温度应力波动弱，所以变形演化过程与温度相关性小，无周期性规律。

（3）高构造应力条件下，长廊型洞室群，中隔墙围岩松弛圈范围与应力集中程度成正比；北侧发育的大型结构面造成围岩松弛变形集中于结构面附近，岩体应力调整幅度较南侧明显削弱；应力集中区的围岩应力调整深度与松弛圈深度相当，接近洞室高度的1/3；中隔墙围岩松弛圈的发展主要集中在下挖阶段，洞室成型后，基本无扩展。

（4）本文基于全过程围岩变形演化规律，查明了圆筒型洞室穹顶围岩变形特性和长廊型洞室群中隔墙的围岩松弛规律，可为运行期及同类工程的支护参数优化设计提供参考。