（岩土工程专业论文）狮子坪水电站地下厂房施工监控量测与数值分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 随着我国水利水电事业的发展，特别是西部大开发战略的实施，地下厂房 方案在山区和丘陵地区水电站建设中日益得到重视，一些大跨度的复杂地下洞 室群相继出现，在加大了设计难度的同时也对其施工安全性提出了更高的要求。 在目前地下工程施工中，新奥法的应用相当广泛，它的非常重要一方面就是在 施工过程中通过对围岩的监控量测反馈出施工信息，从而及时掌握围岩和支护 的稳定性动态，确保施工安全。 本文以四川理县狮子坪水电站为背景，结合地下厂房监控量测数据对围岩 稳定性做出初步判断，并以数值分析理论为基础，对压力管道中平洞段的开挖 支护进行数值模拟，结合监测数据分析该洞室围岩的稳定性。本文所做的主要 工作有： ( 1 ) 整理狮子坪水电站地下厂房开挖支护方案，并简要分析工程施工的重 点、难点及相关施工对策； ( 2 ) 阐述狮子坪水电站地下厂房监控量测方案及相关工作实施情况，列举 典型断面近4 年的监控量测数据，对围岩稳定性做出初步分析和判断，并总结 出地下洞室顶拱变形规律； ( 3 ) 阐述岩土材料的弹塑性本构关系，并介绍本文所采用的有限元分析软 件( m d a s g t s ) 及其施工阶段有限元分析理论； ( 4 ) 应用有限元分析软件对压力管道中平洞段的开挖支护施工过程进行数 值模拟，计算出围岩位移及锚杆应力等物理量，并结合现场监控量测数据进行 分析比较，最后对该洞段的围岩稳定性作出判断，并为压力管道的下一步的施 工提供指导依据。 狮子坪水电站地下厂房监控量测数据及数值模拟计算结果表明，地下厂房 工作状态良好，压力管道中平洞段开挖支护施工过程中围岩处于稳定状态，有 足够的安全储备，能为工程的后续施工提供指导，并为相关工程提供经验数据。 关键词：地下厂房，开挖支护，监控量测，数值分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s ep r o g r a mh a sr e c e i v e di m m e a s u r a b l ee m p h a s e si n t h ec o n s t r u c t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o ni nm o u n t a i n o u sa n dh i l l ya r e a sw i t ht h e d e v e l o p m e n to fw a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n gw o r k ，e s p e c i a l l yt h e w e s t e r nd e v e l o p m e n t t h ea p p e a r a n c eo fs o m eh i g h - s p a na n dc o m p l i c a t e d u n d e r g r o u n dc a v e r n si sr a i s i n gt h ed i f f i c u l t yi nd e s i g na sw e l la sd e m a n di ns e c u r i t y o fi m p l e m e n t a t i o n t h ew i d e l yu s e dn e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o di nt h ec u r r e n t u n d e r g r o u n di m p l e m e n t a t i o np o s s e s s e sad i s t i n c t i v ef e a t u r ei nf e e d i n gb a c kt h e i m p l e m e n t a t i o ni n f o r m a t i o nt h r o u g ht h em o n i t o r i n gp r o g r a mo ft h es u r r o u n d i n gr o c k ， 8 0a st oc o n t r o lo v e rt h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t ya n di t ss u p p o r tt h u st oe n s u r et h e i m p l e m e n t a t i o ns e c u r i t y t i l i st e x t s e t si nt h eb a c k g r o u n do fs h i z i p i n gh y d r o p o w e rs t a t i o ni nl ic o u n t y o fs i c h u a np r o v i n c e ，m a k e sa ni n i t i a lj u d g m e n to ft h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yb y r e l a t i n gi tt ot h em o n i t o r i n gd a t ao ft h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ，a n dc a r r yo u ta n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ee x c a v a t i o ns u p p o r to ft h ep r e s s u r ep i p e l i n ei na d m i t s e c t i o no nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i st h e o r yo ft h en u m e r i c a lv a l u e ，a n a l y z e st h e s u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t ya c c o r d i n g t ot h em o n i t o r i n gd a t a t h em a i nt a r g e t so ft h i se s s a ya r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t oa r r a n g et h ee x c a v a t i o ns u p p o r tp r o g r a mo ft h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e o fs h i z i p i n gh y d r o p o w e rs t a t i o n ，a n dt oh a v eas i m p l ea n a l y s i so ft h ee m p h a s e sa n d d i f f i c u l t i e so ft h er e l e v a n tc o n s t r u c t i o nc o u n t e r m e a s u r ed u r i n gt h ei m p l e m e n t a t i o n p r o c e s s ( 2 ) t oe l a b o r a t et h em o n i t o r i n gp r o g r a mo ft h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s eo f s h i z i p i n gh y d r o p o w e rs t a t i o na n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h er e i m e dw o r k ；t o e n u m e r a t et h er e c e n t l y4y e a r s m o n i t o r i n gd a t ao ft h et y p i c a lc r o s ss e c t i o ns oa st o m a k eai n i t i a la n a l y s i sa n dj u d g m e n to ft h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t y ；t oc o n c l u d et h e a r c hd e f o r m a t i o no ft h eu n d e r g r o u n dc a v e r n ( 3 ) t oe l a b o r a t et h ee l a s t i c - p l a s t i cc o n s t i t u t i v eo ft h eg e o t e c h n i c a lm a t e r i a l s a n dt oi n t r o d u c em i d a s g t sa sw e l la st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st h e o r yi nt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) t oc a r r yo u tan u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ee x c a v a t i o ns u p p o r to ft h e p r e s s u r ep i p e l i n ei na d m i ts e c t i o nb yi m p l y i n gm i d a s g t s ，a n dt oc a l c u l a t et h e d i s p l a c e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c ka n do t h e rp h y s i c a l q u a n t i t ys u c h 嬲b o l ts t r e s s f i n a l l yt om a k eaj u d g m e n to ft h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c k ，a n dt og i v ea g u i d a n c eo ft h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ep r e s s u r ep i p e l i n e s t h em o n i t o r i n gd a t aa n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i n gc a l c u l a t i o no fs r t i z i p i n g h y d r o p o w e rs t a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h eu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s ew o r k si ng o o d c o n d i t i o na n dt h es u r r o u n d i n gr o c ki si nas t a b l es i t u a t i o na n dh a ss u f f i c i e n ts a f e t y r e s e r v ed u r i n gt h ep r o c e s so fe x c a v a t i o ns u p p o r tc o n s t r u c t i o n w h i c hg i v e st h e g u i d a n c et h e o r ya n d r e f e r e n c ed a t at ot h ef o l l o w i n gi m p l e m e n t a t i o n k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ，e x c a v a t i o ns u p p o r t ，m o n i t o r i n g ，d a t aa n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另f j j j n 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：翱c 奶，；铴期卅。2 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 随着科学技术的发展，人类改造自然的愿望和能力越来越强，开拓的空间 也越来越大，对地下空间的开发也得到了前所未有的重视。目前已建成了很多 闻名于世的隧道等地下工程，例如，长5 3 8 5j a i l 的日本青函隧道和长4 9 2 蛔的 英吉利海峡隧道是连接两大陆地的特长隧道，这种连接方式较桥梁方案要更加 优越和安全，是当今世界非常具有典型意义的隧道工程。此外，其他著名的公 路隧道还有连通日本群马县和新泄县的关越隧道和穿越阿尔卑斯山、连接法国 和意大利的勃朗峰隧道，长度均超过1 0h ，我国的秦岭终南山公路隧道也长达 1 8 2 9 虹。 除了这些公路和铁路隧道在地下工程中迅速发展之外，我国的水利水电工 程建设也达到了一个空前发展的阶段。在我国西部地区，继举世闻名的三峡工 程之后，还有许多特大型、大型水电站及水利工程均已经进入了施工准备期或 施工期，例如长江三峡集团公司在金沙江上正在投资兴建的溪洛渡和向家坝水 电站，中国国电集团在大渡河上的投资兴建的瀑布沟和大岗山水电站，以及目 前已经准备进入西线工程施工的南水北调工程，等等。这些水利水电项目受水 力资源分布和其他社会环境影响，大部分集中在西南青藏高原的周边地区，该 地区是规模宏大的地壳厚度陡变带，也是重力梯度异常带和深层构造带，河谷 狭窄陡峻，雨量充沛，地广人稀，虽然非常适宜建造水利水电项目，但异常复 杂的地质环境给工程设计和施工人员制造了很大的难题。特别是有些水电站由 于地表空间有限及其他原因，必须选择地下厂房的方案，在加大了设计难度的 同时也对其施工安全性提出了更高的要求，特别是地下洞室的稳定性已经成为 水电站选址和施工安全非常重要的因素之一。 在水工地下洞室开挖之前，岩体都处于一定的应力平衡状态，开挖施工势 必会对原岩应力的平衡状态造成破坏，并引起岩体天然应力状态在一定范围内 重分布，如果重分布后的围岩应力在岩石极限强度之内时，不用采取支护措施 围岩就已经处于稳定状态，这种情况一般只出现在围岩级别较好洞室中。另外 如果当重分布后的围岩应力达到或超过极限强度时，除了弹性变形之外还将产 武汉理工大学硕士学位论文 生一定的塑性变形，如果没有支护或者其他工程措施，任由塑性变形发展将会 导致围岩失稳破坏。 自从新奥法施工技术传入我国以后，在许多重大地下工程中得到了广泛应 用，新奥法施工非常重要的一方面就是通过施工过程中对围岩位移和应力等 些物理量的监控量测，反馈施工信息，及时掌握围岩和支护的稳定性动态，确 保工程安全。例如施工过程中经常会遇到一些非常复杂的工程地质问题，像渗 水、坍塌、大变形等问题时有发生，澳大利亚悉尼输水压力管道就曾因为围岩 强度低，加上混凝土衬砌质量不符合要求，在1 0 0 多米水头的内水压力作用下， 3 0 0 米长的一段衬砌遭到严重破坏，承压水使洞顶围岩破裂错动，水涌出地表， 被迫停工补修，从而造成了重大的经济损失【1 1 。其他像这种因为工程地质条件差 和施工质量问题等原因造成的工程事故还有很多，由此而产生的在复杂地质条 件下水工洞室围岩稳定性研究，以及在开挖支护等施工过程中的监控量测分析 都将显得更加重要。另外一方面，水工隧洞主要特点是运行期过水，因此影响 水工隧洞围岩稳定的因素除了要考虑施工开挖，还要考虑运行期水压力对围岩 稳定性的影响。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 岩土工程监测技术的发展及应用 长期以来，岩土工程的安全保证主要是依靠结构物的可靠度设计和工程实 践经验，随着岩土工程的失事为人们提供教训以后，岩土工程的安全监测技术 才逐步发展起来。最为典型的例子就是法国的马尔巴塞双曲拱坝由于没有采用 必要的安全监测设施，蓄水后在扬压力作用下，左坝肩部分围岩产生了不均匀 的滑动和变形，于1 9 5 9 年1 2 月2 日突然溃决，造成了5 0 0 多名士兵死亡的重 大事故，在此之前库坝安全管理人员没有丝毫的察觉。此后，岩土工程界的研 究人员才逐渐认识到大坝失事大多是因为地基失稳引起的，如果能够在事故发 生前得到预警信息，从而可以采取有效的防范措施，便可以制止事故的发生。 此后，监测工作逐步受到工程人员的重视，工程师把工程安全状况的预判越来 越多的寄望于工程施工期和竣工后的原型观测，希望通过监测来保证工程的施 工、运行安全，同时又能通过监测来验证、优化设计和提高设计水平。 现在地下工程的监测工作内容涵盖了隧道围岩支护结构力学体系的各个 2 武汉理 。大学硕十学位论文 方面，包括位移、应力、应变、压力等等，具体的监测项目有隧道拱顶下沉、 洞周收敛、地表下沉、围岩内部位移、围岩应力、支护结构压力、锚杆轴力和 抗拔力等，目前实际工程中采用鞍多的是隧道围岩变形监测和围岩应力监测， 其它水工隧道还有渗水压力监测等等。常规位移监测有一种是收敛位移监测， 目前测量围岩各点发生位移量的绝对值一般比较困难，所以在工程实践中采集 的位移量通常都是剽点之间的相对位移量，比如水平收敛和拱顶下沉这些必测 项目，这就是收敛位移监测，另外一种就是对围岩内部位移的监控量测，即在 围岩中埋设位移计进行测试，位移计又分单点位移计和多点位移计。本文所依 托的工程采用的就是南京葛南公司生产的v w m 型振弦式多点位移计( 如图1 1 所示) ，这种仪器适用于长期埋设在水工结构物或土坝、土堤、边坡、隧道等结 构物内，测量结构物深层多部位的位移、沉降、应变、滑移等，并可同步测量 埋设点的温度。振弦式位移计的敏感测量元件，其与固定机架的材料线膨胀系 数极为接近，经试验温度修正系数甚小，使用中不需要温度修正，另外振弦式 多点位移计其有智能识别功能。 图i - iv w i v l 型振弦式多点位移计 但是目前隧道围岩的位移监测也存在很多问题，例如在实际测量时，多点 位移计监测都是假设某一点是固定的，而且是在不受开挖影响的围岩中，然后 通过与固定点相联传递杆引到岩体外部，再测量其位移数值，这里面就存在人 为影响因素。除此之外，影响施工现场位移监控量测准确性的因素还有监测仪 器埋设滞后于施工开挖，爆破施工造成监测仪器的损坏等等。 除了圈岩位移监测外，还有围岩的应力监控量测，目前普遍采用应力解除 法和水压致裂法。随着地应力测量工作的不断开展，各种监测方法和仪器也不 武汉理工大学硕士学位论文 断的得到了发展，目前各种主要监测方法有数十种之多，而监测仪器则高达数 百种之多。依据测量基本原理的不同，可将测量方法分为直接法和间接法两大 类。直接法，顾名思义是用测量仪器直接测量和记录各种应力值，并由这些应 力值和原岩应力的关系计算原岩应力值，在计算中可以不用知道岩石的本构关 系，目前水压致裂法应用最为广泛，声发射法次之。而间接法是借助某些传感 元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，再 通过已知的公式进行计算岩体中的应力，目前国内外最普遍采用的是套孔应力 解除法。 监控量测工作贯穿于隧道施工的全过程，监测数据应立即与支护参数进行 对照分析，如果监测结果与原设计有较大出入，有必要对支护作加强和减弱的 修正，使隧道的设计和施工更加合理和规范，同时也对地下工程的施工提供了 很好的安全保障。 1 2 2 岩土工程数值分析的发展现状 工程实践中的岩土工程问题是十分复杂的，其解析解一般很难得到，在这 种情况下，特别是随着计算机技术的广泛应用，数值分析方法得到了很大的发 展空间。对复杂性质的材料( 非线性的本构方程) 、任意荷载情况和各种边界条 件等等，数值分析计算都可以得到与实际相近的解，能够比较好地解决岩土工 程力学计算中数学问题。目前岩土工程的数值分析方法有很多种，包括：有限 元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ， 简称b e m ) 、离散元法( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ，简称d e m ) 、有限差分法， 还有目前发展很快的快速拉格朗日分析方法( f l a c ) 、数值流形方法( n m m ) 和无网格方法等。 其中有限差分法的基本思想是用差分网格离散求解域，用差分公式将问题 的控制方程转化为差分方程，然后结合初始和边界条件，求解线性代数方程组。 这种思路比较直观，而且也容易编写程序，早在2 0 世纪4 0 年代后期就开始就 差分法成功的解决了渗流和固结问题，到了6 0 年代，该方法还用于求解弹性地 基上的梁、板和板桩等结构问题。此后，有限元法在岩土工程领域得到了应用， 由于能够灵活容易的解决复杂的地形和边界条件，特别是非线性方面的求解也 很方便，所以得到了充分的发展空间，几乎应用于岩土工程的各个领域，如矿 山工程中的地应力、巷道压力、围岩位移和边坡稳定性分析，同时，在水利水 4 武汉理工大学硕士学位论文 电工程中的坝基稳定、渗流、以及地下洞室群的围岩稳定性领域也有很好的应 用。有限元法是建立在连续介质力学的基础上，所以岩土有限元几乎都沿用连 续体假设，对于没有抗拉能力的岩体节理、裂隙等则可以通过模拟不连续面的 特殊单元来处理，适合小变形分析。目前，在工程领域推广应用的有限元通用 程序主要有：a n s y s 、f l a c 、a d i n a 、m a r c 、s a p 5 等。 2 0 世纪2 0 年代，边界元法的理论基础就已经初步形成，直到8 0 年代初才 得到迅速发展。边界元法的思路是把所要求解的微分方程转化为相应的边界积 分方程，然后采用边界积分方程的数值解法求得原问题的数值解，这种方法的 特点就是通过边界上的量来确定区域内部的未知量，由于它仅仅离散边界，特 别适合于半无限域问题。边界元法采用类似于有限元法的离散技术来离散边界， 离散所产生的误差仅来源于边界，这样就提高了计算的精确度。与有限元法相 比，边界元法具有信息准备工作少、求解问题的维数少、计算量少和计算精准 度相对较高的特点。同时，边界元法也有一些不足，主要有两点，一是边界元 程序没有较好的前后置处理技术，计算结果的表达也不形象和直观，二是对非 线性的适用性不如有限元灵活，正是因为这两点不足之处导致了边界元法没有 像有限元法得到广泛的应用。 上述有限差分法、有限元法和边界元法的一个前堤假设就是将岩体视为连 续介质，从而可以采用弹性力学和塑性力学的方法去求解和分析，但对于节理 发育充分的破碎岩体，这就要采用离散元法，该数值分析方法是针对节理岩土 体提出的一种适用于模拟岩土体大位移的数值方法。1 9 7 1 年，c u n d a l l 首次提出 离散单元法，当时主要用来分析岩石边坡的运动。离散单元法的个突出功能 是它在反映岩块之间接触面的滑移等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形 与应力分布，求解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。该法主要用于分析 节理岩体及其与锚杆( 索) 的相互作用，存在的不足之处主要是阻尼系数的选 取和迭代计算的收敛性。 非连续介质数值分析方法除了离散单元法外还有石根华博士于2 0 世纪8 0 年代提出的一种平行于有限元法的基于隐式算法的非连续变形分析方法( 简称 d d a ) 。d d a 模型建立了一套完整的块体系统运动学理论，较好地模拟具有非 连续面岩体的运动与变形特性，但是d d a 模型将岩体完全离散化这与实际岩体 的情况不是十分相符【2 j 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文所做的工作 ( 1 ) 整理狮子坪水电站地下厂房开挖支护方案，并简要分析工程施工的重 点、难点及相关施工对策； ( 2 ) 阐述狮子坪水电站地下厂房监控量测方案及相关工作实施情况，列举 典型断面近4 年的监控量测数据，对围岩稳定性做出初步分析和判断，并总结 出地下洞室顶拱变形规律； ( 3 ) 阐述岩土材料的弹塑性本构关系，并介绍本文所采用的有限元分析软 件( m m a s g t s ) 及其施工阶段有限元分析理论； ( 4 ) 应用有限元分析软件对压力管道中平洞段的开挖支护施工过程进行数 值模拟，计算出围岩位移及锚杆应力等物理量，并结合现场监控量测数据进行 分析比较，最后对该洞段的围岩稳定性作出判断，并为压力管道的下一步的施 工提供指导依据。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章狮子坪地下厂房开挖支护方案 2 1 工程概况 狮子坪水电站位于四川省阿坝州理县，为杂谷脑河梯级水电开发的龙头水 库电站，水库总库容1 3 3 亿立方米，电站设计水头3 9 0 米，引用流量5 7 立方米 秒，总装机容量1 9 5 万千瓦( 3 6 5 m w ) ，多年平均发电量8 7 6 亿千瓦时。工 程枢纽主要由拦河坝、引水隧洞和地下厂房等建筑物组成。地下厂房系统工程 建筑物主要由压力管道、主副厂房、尾闸室、主变室、排风洞、交通洞、尾水 洞和出线洞等组成。 地下厂房系统布置于杂谷脑河右岸，地面高程2 3 5 0 - - 一2 3 9 0 m ，顶拱垂直埋 深2 6 0 0 0 , - - - - 2 8 0 o o m ，水平埋深2 4 0 0 0 - 2 8 0 o o m 。岩体为岩性单一、微风化 新鲜的中厚层状变质砂岩，厂房轴线与主要结构面有5 0 。左右的较大交角，围 岩类别以为i i i 类为主，洞室围岩整体稳定性较好。地下厂房系统采用主副厂房、 主变室与g i s 室、尾闸室三大主洞室平行布置方案，方向为n 1 0 。e 。主厂房长 7 5 3 m ，宽1 7 6 m ，高3 6 8 6 m ，底板高程2 0 7 1 1 4 m ，包括主机间、副厂房、安装 间；主变室长5 2 7 m ，宽1 3 6 m ，高2 4 1 m ，底板高程2 0 8 8 4 6 m ；尾闸室长3 3 4 m ， 宽l o m ，高2 5 1 m ，底板高程2 0 7 8 6 5 m 。 主厂房、主变室及尾闸室围岩为侏倭组下段t 3 吐中厚层状变质砂岩夹砂质板 岩，岩层产状为n 5 0 - - 7 0 。e n w ( s e ) 么7 5 9 0 。岩体内无大的断层通过，仅 发育规模较小的挤压破碎带和节理裂隙，优势节理有五组： ( 1 ) n 5 0 7 0 。洲( s e ) 7 5 - 9 0 。，层面裂隙，延伸大于1 0 m ，面平 直粗糙； ( 2 ) 缓倾角裂隙，产状变化大，以倾s e 、n w 为主，倾角一般2 - - 2 0 。， 延伸一般大于5 m ，面微起伏粗糙，间距2 0 4 0 c m ； ( 3 ) n 2 0 - - 5 0 e s e 么5 5 - - - 7 0 。，延伸一般1 3 m ，面平直粗糙，间距3 0 - 5 0 c m ； ( 4 ) n 2 0 - 4 0 w n e 么7 0 - - 8 5 。，延伸一般1 - - 3 m ，面平直粗糙，间距大于 6 0 c m ； ( 5 ) n 4 0 - - 6 0 w s w 么7 0 - - - , 8 0 。，延伸般l - - 3 m ，面平直粗糙，间距大于 7 武汉理工大学硕士学位论文 5 0 e r n 。 但第( 2 ) 组缓倾角节理较发育，且普遍延伸较长，对洞室顶拱的稳定不利； ( 2 ) 、( 4 ) 组及( 2 ) 、( 5 ) 组结构面组合对内、外侧边墙稳定不利。此外，各 组节理相互切割易形成楔形块体，施工中可能出现局部失稳，应注意采取相应 的工程处理措施。 尾水洞长1 3 1 2 6 m ，底板高程2 0 8 4 5 m ，o + 0 0 - - - 0 + 5 0 2 m 段洞向n 6 9 。5 9 7 2 4 e ，0 + 5 0 2 - - 0 + 1 3 1 2 6 m 段洞向转向n 7 5 。2 5 7 0 1 ”e ，洞径5 0 m 。根 据岩质类型、岩体完整程度及风化卸荷状态可将其分为三段： o + 0 0 - 0 + 2 9 m ，段长2 9 m ，围岩为侏倭组下段t 3 吐中厚层状变质砂岩夹 砂质板岩，岩体内无大的断层通过，仅发育规模较小的挤压破碎带和节理裂隙， 岩体呈微风化至新鲜，中厚层状结构，完整性较好，属i i i 类围岩，具备较好的 成洞条件。但对小型挤压破碎带及节理裂隙不利组合形成的潜在不稳定体，应 有相应的工程支护措施。 0 + 2 9 - - - 0 + 7 3 7 3 m ，段长4 4 7 3 m ，围岩为侏倭组下段t 3 出中厚层状变质砂 岩夹砂质板岩，岩体内无大的断层通过，主要结构面为小型挤压破碎带和节理 裂隙，岩体呈弱风化弱卸荷，中厚层状结构，完整性较差，属类围岩，成洞 条件一般。局部地段因挤压破碎带、结构面不利组合对洞室稳定有影响，对此 需在开挖中加强工程处理措施。 o + 7 3 7 3 - 0 + 1 3 1 2 6 m ，段长5 7 5 3 m ，为覆盖层洞段，由层崩坡积块碎 石土、层漂卵砾石层、层含砾粉质壤土及层含漂( 块) 卵( 碎) 砾石组 成，结构松散，成洞条件极差，应采取特殊的工程措施和施工方法。洞段末端 为尾水平台，后缘开挖边坡建议坡比1 ：1 1 ：1 2 5 ，并加强支护。 尾水明渠长4 8 7 3 m ，底板高程2 0 8 4 5 m ，渠向n 7 5 。2 5 7 0 1 e ，底宽由6 4 m 渐变为8 m ，渠底由第层含漂( 块) 卵( 碎) 砾石组成；渠两侧有第层含砾 粉质壤土分布，稳定性极差，应采取相应的支护处理措施。 交通洞长2 4 0 4 7 m ，起点底板高程2 0 8 8 4 6 m ，终点底板高程2 0 9 5 5 0 m 。0 + 0 0 - 0 + 4 9 4 m 段洞向为n 7 0 。e ，o + 4 9 4 o + 2 4 0 4 7 m 段洞向转为n 9 0 。e ， 洞径7 0 m 。根据岩质类型、岩体完整程度及风化卸荷状态可将其分为三段： o + 0 0 - - 0 + 1 1 5 m ，段长1 1 5 m ，围岩为侏倭组下段t 3 z h 中厚层状变质砂岩 夹砂质板岩，岩体内无大的断层通过，仅发育规模较小的挤压破碎带和节理裂 隙，岩体呈微风化至新鲜，中厚层状结构，完整性较好，属i i i 类围岩，具备较 好的成洞条件。但对小型挤压破碎带及节理裂隙不利组合形成的潜在不稳定体， 武汉理工大学硕士学位论文 应有相应的工程支护处理措施。 o + 1 1 5 - 0 + 1 4 0 m ，段长2 5 m ，围岩为侏倭组下段t 3 血中厚层状变质砂岩 夹砂质板岩，岩体内无大的断层通过，主要结构面为小型挤压破碎带和节理裂 隙，岩体呈弱风化弱卸荷，中厚层状结构，完整性一般，属类围岩，成洞条 件较差。局部地段因结构面不利组合形成潜在不稳定体对洞室稳定有影响，对 此需在开挖中加强工程处理措施。 o + 1 4 0 - - - 0 + 2 1 4 3 2 m ，段长7 4 3 2 m ，为覆盖层洞段，由层漂卵砾石层和 第层崩坡积块碎石土组成，结构松散，成洞条件极差，应采取相应的工程处 理措施。 o + 2 1 4 3 2 - - 0 + 2 4 0 4 7 m ，段长2 6 1 5 m ，为公路明挖段，路基由第层漂卵 砾石层组成，承载力较高，满足路基要求。 出线洞位于开关站与主变室之间，洞长2 2 1 4 8 m ，起点底板高程2 0 9 8 9 6 m ， 终点底板高程2 0 9 8 0 0 m ，0 + 0 0 - - - 0 + 2 1 0 4 m 段洞向为n 2 0 。w ，o + 2 1 0 4 - - 0 + 2 0 8 8 6 m 段洞向转为n 5 1 。5 1 7 4 1 e 。根据岩质类型、岩体完整程度及风化卸 荷状态可将其分为三段： o + 0 0 - - 0 + 8 7 m ，段长8 7 m ，围岩为侏倭组下段t 3 吐中厚层状变质砂岩夹 砂质板岩，岩体内无大的断层通过，仅发育规模较小的挤压破碎带和节理裂隙， 岩体呈微风化至新鲜，中厚层状结构，完整性较好，属类围岩，具备较好的 成洞条件。但对小型挤压破碎带及节理裂隙不利组合形成的潜在不稳定块体， 应有相应的工程支护处理措施。 0 + 8 7 , - - - , 0 + 1 1 6 m ，段长2 9 m ，围岩为侏倭组下段t 3 吐中厚层状变质砂岩夹 砂质板岩，岩体内无大的断层通过，主要结构面为小型挤压破碎带和节理裂隙， 岩体呈弱风化弱卸荷，中厚层状结构，完整性一般，属类围岩，成洞条件较 差。局部地段因结构面不利组合形成潜在不稳定体对洞室稳定有影响，对此需 有相应的工程处理措施。 o + 1 1 6 - 0 + 2 2 1 4 8 m ，段长1 0 5 4 8 m ，为覆盖层洞段，由第层漂卵砾石层 和第层崩坡积块碎石土组成，结构松散，成洞条件极差，应采取有效的工程 支护处理措施，确保施工和运行安全。 排风洞长2 8 2 5 m ，起点底板高程2 1 0 2 9 m ，终点底板高程2 0 9 5 0 m ，o + 0 0 - o + 3 7 6 8 m 段洞向为$ 2 0 。e ，o + 3 7 6 8 - - 0 + 2 8 2 5 0 m 段洞向转为s 9 0 。3 3 9 e ，洞径6 1 m 6 6 m ( 扩挖) 。根据岩质类型、岩体完整程度及风化卸荷状态可 将其分为三段： 9 武汉理工大学硕士学位论文 0 + 0 0 - - 0 + 7 3 8 2 m ，段长7 3 8 2 m ，围岩为侏倭组下段t 3 z h 中厚层状变质砂 岩夹砂质板岩，岩体内无大的断层通过，仅发育规模较小的挤压破碎带和节理 裂隙，岩体呈微风化至新鲜，中厚层状结构，完整性较好，属i i i 类围岩，具备 较好的成洞条件。但对小型挤压破碎带及节理裂隙不利组合形成的潜在不稳定 块体，应有相应的工程支护处理措施。 0 + 7 3 8 2 - - - 0 + 1 8 7 7 2 m ，段长1 1 3 9 m ，围岩为侏倭组下段t 3 吐中厚层状变 质砂岩夹砂质板岩，岩体内无大的断层通过，主要结构面为小型挤压破碎带和 节理裂隙，岩体呈弱风化弱卸荷，中厚层状结构，完整性一般，属类围岩， 成洞条件较差。局部地段因结构面不利组合形成潜在不稳定体对洞室稳定有影 响，对此需有相应的工程处理措施。 o + 1 8 7 7 2 , - - , 0 + 2 8 2 5 0 m ，段长9 4 7 8 m ，为覆盖层洞段，由第层崩坡积块 碎石土组成，结构松散，成洞条件极差，应采取有效的工程支护处理措施。 开关站长8 5 m ，宽2 0 m ，建基面高程2 1 0 5 o m ，布置于i 级阶地上，地形较 为平缓，后缘坡体高陡，浅表部岩体卸荷强烈，局部存在掉块现象，应有相应 的处理措施。基础浅表部为第层块碎石土，下部为砂卵砾石层，承载力较高， 地质条件良好。 2 2 工程施工重点、难点和主要对策 2 2 1 工程施工重点及难点 ( 1 ) 地下厂房系统的洞挖工程量相对较大( 约1 2 8 1 万立方米) ，并且覆盖 层洞挖约1 2 7 8 万立方米，同时混凝土浇筑与机电埋件安装的交叉施工亦直接影 响工程施工进度，该单项工程的施工为本标段工程的重中之重。 ( 2 ) 尾水洞、交通洞、出线洞和排风洞分别有5 6 1 l m 、7 6 4 7 m 、8 9 4 1 m 和9 4 7 8 m 的覆盖层洞段，该洞挖和支护是该项目前期工作的重点和难点。 ( 3 ) 主副厂房及安装间的岩锚吊车梁预留岩锚尺寸较小，同时进厂交通洞 及三条母线洞的顶拱与预留岩锚垂直距离较近( o - - - 2 m ) ，其开挖成型难度较大。 ( 4 ) 地下厂房系统洞室群布置十分紧凑，洞与洞之间岩柱厚度有限，特别 是母线洞之间岩体被主厂房和主变室切割成2 6 6 5 mx9 8 m ( 长宽) 的岩柱( 最 窄处宽7 8 m ) ，其纵向宽度与母线洞洞径相近，开挖过程中爆破施工对围岩稳定 影响突出，控制爆破技术要求高。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 地下厂房系统洞室数量较多，在平面上和空间上的分布各异，土石方 开挖、混凝土浇筑、金属结构安装及机电安装交叉施工，相互间施工干扰大。 ( 6 ) 施工通道少，主厂房i i 层以下、压力管道下平段和下斜段、主变室、 尾闸室上中段的开挖与支护以及厂房混凝土浇筑和下平段压力钢管安装均通过 进厂交通洞，洞内交通异常紧张，施工干扰大。 ( 7 ) 由于洞室间的相互影响，部分洞室需先期浇筑混凝土，其周边洞室的 开挖爆破对新浇混凝土影响较大。 ( 8 ) 压力管道上斜段、下斜段长度均接近2 0 0 米，施工通道进洞线路较长、 洞径小、弯道多，极不利于工作面的通风除尘。上平段要施工经过阀室交通洞， 与调压井标共用并且无公路相通，所有开挖料及施工用材全部利用斜坡卷扬机 道运输，施工干扰较大。 ( 9 ) 斜坡卷扬机道修建施工期便道形成条件差，施工设备及材料运输难度 大。 ( 1 0 ) 进厂交通洞、排风洞、尾水洞、出线洞出口均在3 1 7 国道附近，施 工道路狭窄，前期洞口明挖及进洞弃碴的通车对3 1 7 国道的运行干扰大。 ( 1 1 ) 地下厂房系统内放射性氡含量严重超标，施工期防护难度大。 2 2 2 主要对策措施 针对以上难点和重点，根据施工管理水平和以往类似工程的施工经验，拟 采取以下措施，首先在施工组织和管理上做n - ( 1 ) 充分认识本标工程施工的特点和难点，严格按标书要求的施工程序、 技术要求组织施工。 ( 2 ) 选用责任心强、施工经验丰富的施工管理人员和施工队伍，配备足够 的与本工程特点相匹配的施工机械。 ( 3 ) 根据不同的地质条件和工程特性，有针对性地采取不同的施工方法， 严格按“新奥法 施工。 ( 4 ) 根据各洞室的进度要求和相互关系，制定科学合理的施工程序和严密 的网络计划，精心组织、精心施工，确保工程按期完工。 ( 5 ) 聘请专家，利用科研院所的科技力量组织现场攻关，初步拟定覆盖层 洞挖科技攻关项目，岩锚吊车梁、岩石控制爆破开挖技术等攻关项目，以及基 岩变形观测技术研究等科技攻关项目。 武汉理工大学硕士学位论文 其次在具体施工上有针对性的采取以下相关措施： ( 1 ) 本着经济合理、满足施工要求的原则，充分利用蝶阀室交通洞、厂房 交通洞、出线洞、尾水洞作为施工通道，从交通洞修建交通联系洞到尾闸室上 层施工部位，从排风洞修建排风交通洞到主变室上层部位施工。 ( 2 ) 对尾水洞、交通洞、出线洞和排风洞及其他隧洞覆盖层洞挖，采用钢 支撑、管棚和挂网喷锚支护的方法开挖，支护方式采用边挖边护与超前支护相 结合，循环跟进。 ( 3 ) 对主副厂房、主变室及尾闸室采取分层分区开挖、适时支护的施工原 则，根据其开挖高度、施工道路布置及施工设备的配置，主厂房拟分6 层开挖， 主变室分3 层开挖，尾闸室分3 层开挖。 ( 4 ) 围绕关键线路施工的需要，结合所选取设备及施工方法，组织“平面 多工序，立体多层次 的施工局面，尽量减少各洞室开挖施工的相互干扰。 ( 5 ) 主厂房上游边墙接3 条压力管道支管，下游边墙接3 条母线洞、3 条 尾水管和进厂交通洞，右侧接排风洞，交叉口多，施工中除合理安排与主厂房 相交洞室的施工程序外，还应对相关交叉口进行必要的锁口支护工作，以确保 主厂房上、下游边墙的稳定。 ( 6 ) 岩锚吊车梁部位开挖时，对岩锚吊车梁两侧预留3 米厚水平保护层， 预留岩体边线采取施工预裂，保护层采取水平光面爆破开挖，短进尺、弱爆破， 周边孔密集钻孔，间隔装药，控制周边孔抵抗线和相邻孔装药，确保岩锚梁开 挖质量，尤其是斜坡面的开挖质量，岩锚梁开挖及岩锚梁锚杆安装，必须经试 验确定最优的施工参数和工艺后再施工；在岩锚梁锚杆安装之前，对下一层边 墙提前进行预裂，以减小厂房第1 层开挖对岩锚梁的扰动；厂房第层开挖拟 分两期进行，中部宽约1 0 米的槽挖安排在岩锚梁砼浇筑之前进行，两侧开挖采 取增加钻孔数量，减少单孔装药，增大炮孔堵塞长度，控制单响药量，减小爆 破震动速度以保护岩锚梁，同时岩锚梁底面及侧面模板在第1 i i 层开挖作业时不 拆除，必要时在模板外侧铺设草袋或轮胎等防护措施进行保护，防止飞石损伤 混凝土表面。为尽量减少岩锚梁施工对工程施工总进度的影响，在开挖及锚杆 施工中加大人力、物力投入，采取多工作面同时施工，并通过调整外加剂来加 快混凝土的强度，缩短混凝土凝期内的施工间歇时间。 ( 7 ) 为减少母线洞开挖对岩锚梁锚杆和新浇混凝土的影响，在该项目施工 前，自主厂房进入母线洞，完成5 8 米段的母线洞开挖。 ( 8 ) 在洞与洞、洞与井等交叉部位提前