摘要：某抽水蓄能电站地下厂房采用尾部开发方式，受制于地质条件，成洞条件一般，尤其是厂房发育岩脉，蚀变较为严重，对厂房稳定性影响较大，在分析现场及岩脉特性后，建立相关数学模型，采用岩石本构为摩尔库伦弹塑性本构模型，置换用的混凝土材料则采用线弹性本构模型来计算，同时从岩脉强蚀变区域的不坍落、坍落深度1m、2m、3m的情况下进行计算和分析，最终确定混凝土置换深度为1m～2.0m，同时采用挂钢筋网+钢筋肋拱+喷钢纤维混凝土+锚杆+锚索”处理；当开挖揭露岩脉蚀变程度较大时，置换深度为2m。
关键词：岩脉蚀变；厂房顶拱；影响分析；加固措施
1工程概述
江苏某抽水蓄能电站位于江苏省某市境内，距南京市65km，镇江约36km，县城约26km。上、下水库坝址均有简易公路与外围相通，对外交通方便。电站枢纽工程主要建筑物由上水库、输水系统和地下厂房、地面开关站及下水库等组成，装机容量为1350MW。地下厂房采用尾部开发方式，主副厂房洞开挖尺寸246.5m×25.8m×57.2m（长×宽×高），主变洞开挖尺寸242.35m×18m×22.15~28.85m（长×宽×高）。厂址位于震旦系灯影组（Z2dn）、幕府山组上段（∈1m2）、炮台山组（∈1p）等白云岩岩类地层内。溶洞、溶蚀裂隙等岩溶现象较发育，地下水比较丰富，且雨季或暴雨时受地表水补给。地质构造发育，以Ⅲ级结构面为主，部分Ⅳ级结构面；结构面组合，多处形成不利组合块体。地下厂房和主变洞围岩均以Ⅲ类为主，部分Ⅳ类。地下厂房的成洞地质条件一般。厂房区主要发育21条断层（岩脉），断层宽度0.2~5m不等，主要以Ⅲ级结构面为主。
2 地应力特征
三维地应力测试分别在厂房支洞PD2-1桩号115m处CZK5，PD2-2桩号131m处CZK8，及PD2桩号240m处CZK10，测试段均选择完整和较完整岩体中进行，采用水压致裂法。通过三维地应力回归分析，厂房顶拱51m高程：第一主应力σ1约为5.50MPa～6.20MPa，方位角为N65.0~70.0°E向；第三主应力σ3约为2.40MPa～3.20MPa，方位角为S31.0~43.0°E向。厂房10m安装高程：第一主应力σ1约为6.00MPa～6.40MPa，方位角为N65.0~75.0°E向；第三主应力σ3约为3.30MPa～3.60MPa，方位角为S46.0~50.0°E向。地下厂房区属低地应力场，厂区围岩不会发生岩爆。
3岩脉特性
PD2洞内总体产状以N45～55°W，NE∠70～90°为主，部分SW∠70～80°，宽0.2～5.0m，呈弱～微风化，与围岩接触带呈裂隙接触，多有溶蚀现象。方解石表现为两种形式，一种以细脉状充填，一般宽2~5cm，总体产状N70～75°W，NE∠70～80°及N60～70°E，NW∠60～70°，大部分溶蚀，少量形成宽20～50cm的溶洞，红色黏土充填，另一种则以粗晶形式伴生于溶蚀裂隙面。
PD2-1支洞方解石脉（Ca）：洞内揭露方解石表现为两种形式，以细脉状形式充填，共2条，产状N50°E，NW∠60°、N75～85°E，NW∠85～90°，另一种则以粗晶型式伴生于溶蚀裂隙面。PD2-2支洞洞内共揭露11条蚀变闪长玢岩脉，产状：N70～75°E，NW∠60～65°、N80～85°E，NW∠40～45°；宽为0.5～3.0m，蚀变强烈，呈土状，崩解。从探洞岩脉距离揭露距离洞室面蚀变程度看，岩脉呈现蚀变由两侧向中心蚀变特性，岩脉全蚀变深度一般约0.5m～2.7m，推测两侧蚀变影响深度可能达～10m。
4计算模型
采用的岩石本构为摩尔库伦弹塑性本构模型。置换用的混凝土材料则采用线弹性本构模型。摩尔—库伦强度准则起源于1773年，是对大量材料室内试验研究的成果，后来被引入岩体工程界，用于描述岩石、结构面、和岩体的峰值强度及残余强度特特征。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆考虑岩脉蚀变带深度10m范围内，岩体发生蚀变，即强度变低（蚀变后的强度=初始强度×蚀变系数），即，蚀变系数越小，蚀变程度越高。假定蚀变系数分别为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.1、0.1，进行相应的模拟计算。
根据不同蚀变系数下断面AA’和BB’的变形增量，由不同蚀变系数下岩脉蚀变带表面典型监测点的的变形增量曲线，分析可知：随着蚀变程度的增大，岩脉蚀变带的变形影响深度也相应增大，以不考虑岩脉蚀变时为基础进行变形增量对比，考虑蚀变系数为0.8时，影响深度（以变形增量大于20mm为标准）约0.5m；考虑蚀变系数为0.6时，影响深度（以变形增量大于20mm为标准）增大为1.2m；考虑蚀变系数为0.5时，影响深度增大为3.6m；考虑蚀变系数为0.4时，影响深度增大为5.5m；蚀变系数大于0.5时，表层监测点增量显著增大，且随蚀变系数的减小，变形呈现不收敛；随着蚀变系数的减小，蚀变程度增大，岩脉蚀变带的变形影响深度也相应增大；蚀变程度达到或者低于0.5（即岩脉存在一半发生蚀变）时，围岩的变形影响深度显著增大，其增大幅度大于蚀变系数为1.0至0.5时，这个指示了某岩脉蚀变的复杂性和非线性特征。岩脉的蚀变程度与开挖揭露后岩脉裸露时间长短和环境有关，一般情况下岩脉揭露后及时进行封闭可以减缓蚀变程度。
5岩脉假定不同塌落深度的影响分析
工程岩脉具有明显蚀变特性，由地质踏勘成果报告可知，岩脉蚀变带蚀变深度约3m深度范围，岩脉蚀变带为强蚀变的为V类岩体，而3m~7m范围内，则设定为中强蚀变区域。地下厂房开挖过程，当在厂房顶拱揭露时易发生沿岩脉蚀变劣化而发生塌落破坏，为了解不同塌落破坏深度对顶拱的影响，数值模拟分析岩脉蚀变带顶拱发育时假定塌落1m、2m和3m时厂房围岩响应特征。岩脉不同塌落深度使得厂房顶拱成拱形态存在差异，围岩的变形和应力边界略有变化，由于岩脉蚀变带的强度与围岩相差较大，主要影响变形边界还是表现为岩脉蚀变区域；由于在开挖后且未坍落之前，坍落体强度与两侧围岩的强度比相差大，使得坍落体区域的应力得以快速释放并形成了潜在的大变形不稳定区域。从岩脉强蚀变区域的不坍落、坍落深度1m、2m、3m的情况下分析可知，强蚀变区域的深度直接影响蚀变带的失稳边界，需要强调的是工程现场岩脉蚀变区与随机节理组合时，塌落范围会扩大，必要时需适时采取预应力锚杆锁扣支护和喷混凝土封闭塌落面。
6加固措施建议
通过不同工况下锚索受力大于1400KN和大于1500KN（设计荷载）的受力统计，由分析可知：当置换加固深度为1m+支护时，锚索受力荷载大于1400KN的占比约16.4%，锚索受力荷载大于1500KN（超设计荷载）的占比约4.7%；当置换加固深度为2m+支护时，锚索受力荷载大于1400KN的占比约9.6%，锚索受力大于1500KN（超设计荷载）的占比约0.0%；而当置换加固深度为3m时，锚索受力荷载均小于1400KN。综合分析认为，置换深度3m+支护时支护系统受力安全裕度偏高，当置换加固深度为1m+支护时支护系统受力安全裕度偏低；为此，当置换深度在1m～2m之间+支护时，支护系统总体受力合理，可以较好的发挥联合加固的支护作用。岩脉影响厂房洞段顶拱加固措施：混凝土置换深度建议1m～2.0m，采用挂钢筋网+钢筋肋拱+喷钢纤维混凝土+锚杆+锚索”处理；当开挖揭露岩脉蚀变程度较大时，建议取大值置换2m。
7结论及建议
通过闪长玢等岩脉特性可知，从探洞岩脉距离揭露距离洞室面蚀变程度看，岩脉呈现蚀变由两侧向中心蚀变特性，岩脉全蚀变深度一般约0.5m～2.7m，推测两侧蚀变影响深度可能达～10m，综合工程案例和结合某岩脉蚀变特性分析，结论与建议如下：
（1）岩脉随着蚀变系数的减小，蚀变程度增大，岩脉蚀变带的变形影响深度也相应增大；蚀变程度达到或者低于0.5（即岩脉存在一半发生蚀变）时，围岩的变形影响深度显著增大，其增大幅度大于蚀变系数为1.0至0.5时，这个指示了某岩脉蚀变的复杂性和非线性特征；岩脉的蚀变程度与开挖揭露后岩脉裸露时间长短和环境有关，一般情况下岩脉揭露后及时进行封闭非常重要。
（2）加固条件下支护系统受力较大部位位于岩脉蚀变带附近影响区域，综合分析认为当置换深度3m+支护时支护系统受力安全裕度偏高，当置换加固深度为1m+支护时支护系统受力安全裕度偏低；为此，当置换深度在1m～2m之间+支护时，支护系统总体受力合理，可以较好的发挥联合加固的支护作用。
（3）建议岩脉影响厂房顶拱洞段：混凝土置换深度建议1m～2.0m，采用挂钢筋网+钢筋肋拱+喷钢纤维混凝土+锚杆+锚索”处理；当开挖揭露岩脉蚀变程度较大时，建议取大值置换2m。
论文作者:胡正凯,彭鹏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/20
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