黄河规划设计

地下厂房围岩支护设计

巴海涛¹ 陈秀菊² 周凤华³

1、3.小浪底设计处 2.河南黄河工程局

摘　要　　回龙抽水蓄能电站地下厂房上覆岩体厚度200m左右，厂房纵轴线走向NE80°，地下厂房开挖尺寸较大,周围洞室密集，通过工程类比、Q系统分类法、结合三维有限元计算，提出地下厂房支护设计参数。

关键词　　回龙抽水蓄能电站　地下厂房　围岩　有限元分析 Q系统分类法　　围岩稳定性

1工程概况

回龙抽水蓄能电站地下厂房上覆岩体厚度200左右m，厂房纵轴线走向NE80°，输水管道从东南方向与厂房纵轴线成67.5°夹角进入厂房，主要洞室采用“一”字型布置。地下厂房开挖尺寸较大（长120m×宽16m×高34m）,周围洞室密集。地下厂房洞室群主要有：主洞室（主、副厂房、安装间和主变室）、高压电缆出线斜洞、进厂交通洞、尾水闸门室及尾水闸门运输洞、排水廊道等。

2厂区围岩分类及岩石力学指标

2.1厂房围岩岩石物理力学参数见表2.1。

表2.1地下厂房洞室区岩体（石）物理力学参数建议值

岩体类型		强风化花岗岩（中下部）	弱风化花岗岩	微风化及新鲜花岗岩	断层及节理密集带
					岩屑夹泥	岩块碎屑
天然容重（KN/m³）		25.5	26	26.3	25
单轴饱和抗压强度R_W（MPa）		15	50	100
变形参数	弹性模量E（GPa）	2	5～10	20～30	1.5～2
	变性模量E_o（GPa）	1	2～5	15～20	0.5～0.8
	泊松比μ	0.3	0.25	0.2	0.35

2.2地应力

为了确定本地区的应力状态，1999年9月至10月，中国地震局地壳应力研究所先后在PD01探洞内洞深335m、509m的ZK32、ZK33两钻孔分别用应力解除法和水压致裂解除法进行了地应力测试。

最大水平主应力：δ1=8~10Mpa，N20⁰W左右；

中间水平主应力：δ2=6.5~8Mpa，N57⁰~77⁰E；

最小水平主应力：δ3=3.5~6Mpa，S81⁰~88⁰W；

2.3围岩分类

2.3.1围岩工程地质分类

地下厂房位于F₂₅、L₁₄之间的新鲜完整岩体中，岩性为细粒花岗岩，属整体块状结构。根据岩性、构造和地下水的综合判定，地下厂房区洞室围岩属块状结构，为类围岩，岩体综合评分为67，基本稳定。

表2.3地下厂房洞室区岩体质量计算成果值

Q系统分类基本参数	RQD	J_n	J_r	J_a	J_w	SRF	Q	基本评价
整体状结构	93.8	4	1.5	0.75	1	1.0	46.9	很好
块状结构	75.5	6	1.5	0.75	1	1.0	25.2	好
次块状结构	62.3	6	1.5	0.75	1	2.5	8.3	一般
碎裂结构	32.0	12	1.5	1	0.66	2.5	1.06	坏
碎块状结构	1.20	20	1.0	3	0.66	2.5	<0.01	极坏
碎屑状结构	0.02	20	1.0	3	0.66	2.5	<0.01	极坏

2.3.2围岩稳定性评价

根据选定的地下厂房布置方案，地下厂房位于F₂₅、L₁₄之间的新鲜完整岩体中，岩性为细粒花岗岩。两结构面间距104m，上游边墙距L₁₄约51m，下游边墙距F₂₅约37m。上覆岩体厚200左右m。

厂房区主要构造节理有四组：⑴310～330⁰/SW∠75～80⁰；⑵24～40⁰/NW∠48～79⁰；⑶65～80⁰/SE∠69～79⁰； ⑷ 270～280⁰/SW∠50～70⁰。其中第一、二组节理对地下厂房边墙稳定性影响较大。因此，厂房轴向应与这两组节理有较大的交角。由于厂房跨度大，边墙高，第二组节理倾向北西，对厂房的上游边墙稳定不利；第三组节理倾向南东，对厂房下游边墙稳定不利。

厂房顶拱部位三组节理组合，可能形成不稳定的楔形体，开挖时如发现三组节理发育，需及时锚杆加固。

3.支护参数的确定

3.1支护参数的确定

通过工程类比、Q系统分类法计算，提出支护设计参数如下：

顶拱：张拉锚杆？ 25mm@1.5m′ 1.5m，L=5/3m间隔布置，挂网？ 6mm@0.20x0.20m喷混凝土厚度为375px；边墙：张拉锚杆？ 22mm@1.5m′ 1.5m，L=5/3m间隔布置,局部挂网？ 6mm@0.20x0.20m，喷混凝土厚度为250px。

3.2支护参数的理论验证

洞室开挖后，围岩的物理力学指标随着围岩松弛的影响而降低，因此对不同的岩体力学参数j 、C值，进行敏感性分析。

根据工程经验，并参照类似工程的折减系数，将回龙地下厂房的岩体力学参数作如下折减：

I: C=0.2 Mpa,φ=45^O；

II: C=0.4 Mpa,φ=45^O；

III: C=0.6 Mpa,φ=45^O。

计算结果见表3.2。

从计算结果来看K_Min≧1.5，M_Min≧50%,均满足要求。

表3.2主厂房理论验算法计算结果

计算项目		计算结果
喷、锚、网联合提供支护抗力Pw(MPa)		0.1663	0.1663	0.1663	0.1663
岩体力学参数	内摩擦角j (° )	45	45	45	45
	凝聚力C(MPa)	0.9	0.2	0.4	0.6
	初始应力s ₀(MPa) 容重r(KN/m³)	26	27	27	27
围岩所需最小支护抗力Pmin(MPa) 安全系数K=Pw/Pmin 松弛区深度S=R-R₀(m) 加固深度占松弛区的比例M=L/(R-R₀)(%)		0.0316 5.26 1.5 200%	0.0791 2.10 5.92 51%	0.064 2.60 3.9 76.9%	200%

4.三维有限元计算

经过对南阳回龙抽水蓄能电站地下厂房进行三维有限元计算，可得出以下结论：

（1）洞室开挖以后，径向应力释放，切向应力增长，主厂房下部切向应力较大，显示出自重应力场为主的特征，洞室拐角均有应力集中现象；

（2）锚杆系统支护后，主洞室上游边墙最大位移31.5px，顶拱最大下沉位移59px，总的看，位移值不大，围岩稳定性较好；

（3）从分期开挖情况看到，从第一期到第四期之间，洞室周围基本不出现塑性区，围岩稳定性较好，在第五期开挖时，仅在上游边墙下部出现量值很小的塑性变形。然而，在用锚杆系统支护以后，整个开挖过程均没有出现塑性区。

综上所述，南阳回龙抽水蓄能电站地下厂房处于完整的中生代燕山晚期花岗岩地段，岩体岩性致密、坚硬，力学强度高，无大的断层和裂隙穿过。开挖过程中围岩的应力、变形均不大，喷锚系统支护后，洞室围岩是稳定的。

5.结论

回龙抽水蓄能地下厂房的支护设计，是通过工程类比、Q系统分类法等方法综合分析比较，提出地下厂房的支护参数，经过理论验算法和三维有限元对支护参数进行敏感性、稳定性分析，认为该设计是安全可靠的。