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摘要：

在新時期背景下，我國大型工程的地下廠房建設規模越來越大。由于受到地形等因素的制約，地下廠房在遇到復雜的地質條件和工程問題時，需要對地質進行研究，并使用現場測試、數值分析等方法和手段。因此，深入研究地下廠房的基本地質條件、斷裂發育、應力場特征、洞室穩定性，具有重要意義。

關鍵詞：

地下廠房；地質研究；檢測儀器；應用

本文以某位于西部河谷地區的大型水利水電工程為例，該水利水電工程地下廠房位于岸坡陡峭、河谷狹窄地域，周邊的環境多為高邊墻，地質條件比較復雜。區域應力分布不規則，河谷形成演化過程呈現不規則情況，需要為其地下廠房的地質情況、支護設計、儀器布設等提供理論依據。

1地質研究

1.1地形地貌

如圖1，該壩址區域所處的地形為搞啥峽谷地貌，周邊的岸坡險峻，河谷狹窄，呈現V字型。地下水類型分別為裂隙潛水和脈狀裂隙承壓水兩種類型，埋深大約為100~200m左右，脈狀承壓水的構造帶分別是三迭系變質巖。該壩區沒有大的支流，垂直河流常年流水，植被稀少，兩岸分布有有熱水溝、多隆溝、沿崗溝、哇扯溝等。沿岸零星分布有沖擊砂和卵礫石。壩區的底層由老向新分層發展，包括：①前震旦系分布在東北部區域，巖層以片麻巖和結晶片巖石為主，基底為古老結晶巖石。②二迭系分布在北部區域，巖層以砂礫巖、碳酸巖為主，不整合在前震旦系之上[1]。③三迭系分布在東部區域，下三迭分布較廣，為壩區主要地層單元，在上統一、中統、下統之間，與下伏前震旦系和晚二迭系呈現不整合和斷層接觸。中三迭選在下伏二迭系角度不整合的前震旦系之上，下部多為砂巖、板巖、互層砂礫巖等，上部為紫色中細粒夾板巖。④在壩區的巖體中，以花崗巖體為主要分布帶，壩區斜拉底端主要為塔買花崗閃長巖體，掩體上為當家寺花崗閃長巖體。上述巖體主要分布在三迭下統變質巖，圍巖呈現波裝接觸。⑤在陸相小型山間盆地之間為碎屑巖建造，以侏羅系、白堊系的紫紅色砂巖、礫巖為主，含煤層。⑥在第三系中下部為紫紅色礫巖層，中上部為橘紅色砂礫巖、泥巖等。第四系分布主要為河湖相、冰漬、沖擊等；下更新統為河湖相和黃色泥巖、粉砂巖等。呈現整合或者假整合接觸。上更新統為三級以上階地礫石層、黃土狀土。

1.2地質構造

該水利水電工程地下廠房北鄰褶皺系，南街周周帶，呈現山脈及山間盆地構造的地貌輪廓[2]。根據該區域的地貌地形分析，可以將該區域新構造運動的發展分為以下階段：在中新世早期，構造運動表現為斷陷盆地下陷和斷塊山區隆起，形成了較為深厚的湖相地層，為地震活動較低區域。在壩址周圍80km范圍內，曾經有過兩次地震記錄，頻度相對較小、無集中分布現象。受到地震影響，出現了活動性較大的斷裂控制分布帶，區域內沒有中強震發生，壩址的裂度不大。在壩址100km范圍內的區域內，一些小震活動頻度低，分布零散，地震活動水平比外圍低。活動規律為：①活動性深大斷裂主要分布在東北部斷裂帶上，全新世活動強烈，發生過強震。②次級發震構造在北部區域發生了活動斷裂，曾經有強震史。③發震部位位于活動斷裂的交匯處，形成了較弱的地震活動地帶，沒有強震記錄[3]。在區域地貌發展進程中，逐漸從差異性隆起轉變為整體間歇性抬升。在區域地殼脈動式抬升的頻度逐漸加劇后，形成了多級階地。

2地下廠房地質特征

該壩址區地下廠房、主變室均位于花崗巖中，花崗巖為致密塊狀終生侵入式巖漿巖，具有抗壓、彈性、吸水的特點。部分尾水洞、導流洞等為砂板巖，經過實驗證明，該廠房地質結構干容重圍2.8~2.9g/cm3，干抗壓強度為159MPa，濕度抗壓強度為110MPa，軟化系數平均為0.9，彈性模量平均為6GPa，抗剪斷強度值為1.23。經過上述實驗結果，施加側向應力時，巖石強度的幅度有所增加；在軸向和側向應力作用下，強度相對抗壓強度可提高3倍，巖石的彈性性能也相應提高。地下廠房的地下洞室穩定性，包括塊體穩定性和圍巖變形穩定性。巖體中的地下洞室變形時，隨著模量的變化而變化。影響圍巖塊體的關鍵，在于各種斷裂結構面的產狀、切割、塊體分布狀態等。地下廠房地帶陡傾斷層發育特征，影響著洞室的邊墻穩定。在勘探平洞的過程中，廠區陡傾斷裂發育較為平直、局部彎曲，地表水有下滲現象。廠房地帶的陡傾斷層大致分為斷裂產狀、陡傾斷裂產狀、優勢產狀。陡傾斷裂的發育一般為洞室的切割邊界，與洞室的軸線方位近似一致，對洞室的邊墻穩定性影響非常重要。斷裂延伸處較為深遠，填充深厚、斷面有地下水活動的跡象，貫通性穩定，構成塊體邊界，形成圍巖邊界[4]。地下廠房緩傾斷裂發育往往以較大規模出現。構成洞室不穩定塊體的分離性結構，這種結構往往形成斷裂交錯切割的狀態，對圍巖產生不穩定的影響。在廠區緩傾斷裂帶內多見的是碎裂巖，斷層面多有銹跡。斷裂面較平直，有滲水現象發生。地下廠房的主廠房區的平洞圍巖類型，斷層帶為碎裂結構。絕大部分地段為平緩裂隙帶，間距較小、條數較多，大部分的洞頂圍巖具有不穩定型的特點。

3地下廠房監測儀器應用

3.1全站儀和滑動測微計

線法監測。測微計在軸向變形線法測量中，采用套上塑性套管的金屬測標方法，將側線劃分為若干段，通過灌漿等方式將側標與被測介質澆筑起來。當測介質發生變形時，將測介質的標距長度與時間變化聯系起來，計算得出被測介質的變形分布規律數據。在三維收斂檢測測點的布置上，對地下廠房開挖斷面進行布置，設置主廠房的上、下游側墻點、拱肩點、拱頂點，在廠房底部開挖上下游邊墻，將斷面標注上斷面號。滑動測微計測孔，一般設置在地下廠房開挖斷面處，目的是監測地下廠房圍巖的變形情況、廠房直立墻的變形情況，引水洞洞間巖體的穩定情況等。監測儀器使用巖體表面三維非基礎變形監測徠卡全站儀，儀器附屬設備包括棱鏡、反光照射片、膜片、強力照射燈等。采用瑞士進口的滑動微測算計對巖體深部變形狀況進行檢測，部件包括導向鏈、連接桿、二次儀表等。

3.2深埋地下廠房微震檢測系統

該系統是隨著幾年來地下巖體監測的數字化監測技術的快速發展產物，這種技術在國外深井礦山發掘、高應力礦山地壓安全檢測中廣泛使用。目前在我國的深埋地下廠房中，圍巖變形和穩定性預測上也正使用著，對于監測地下廠房的微震活動起著非常重要的作用。微震監測系統包括數字信號采集系統、信號處理系統，使用的是加速度傳感器，采用24位模數轉換、閥值觸發。通道微震檢測系統，可以覆蓋主廠房和主變室之間的區域以及頂拱區域，對加速傳感器的微破裂可以實行24h不間斷監測。實時動態監測微震事件的時間、空間、位置、應力等多項震源參數信息，并提供出微震事件的完整波形和波普分析圖，降低微震事件對地下廠房運行的影響。微震監測系統采用網狀分布，傳感器安裝主要分布在主變室的上游邊墻。通過彈性波信號，加強傳感器與巖體之間的接觸。微震監測系統網絡拓撲結構圖（如圖6）。

3.3石墨桿收斂計

石墨桿收斂計，主要為將地下廠房的上層和下層聯系洞的布置進行檢測，通過測量錨墩點的收縮來監測巖體的變形。錨點一般固定在巖體內，連接桿可以將錨點到錨點之間的情況，通過傳感器組件來進行距離變化的測量。收斂計的組成包括錨固點、連接桿、振弦外傳感器組件[5]。監測儀器的布置，一般為在地下廠房的上層和下層洞內，各埋設一套石墨桿收斂計。在上、下聯系洞內設置側點支墩，分別測量巖體的變形；再將測點間的變形情況進行分析、計算，得出不同測段的巖體相對變形量；最終得出各測點相對下游邊墻的累計變形。

4結語

本文以實際案例為分析對象，主要對地下廠房洞室的地質環境的復雜性和特殊性進行分析，介紹了該案例地下廠房地質因素的影響，對人工開挖洞室的穩定性進行了論述。然后對地下廠房中的各種監測儀器系統的原理、構造以及功能進行探討與研究。通過分析，提請業界關注工程圍巖穩定性，以及地下廠房工程設計與施工的難點和重點。下一步，應加強地下主廠房及主變室、洞室的圍巖穩定性分析研究。

參考文獻：

[1]黃潤秋，黃達.錦屏Ⅰ級水電站地下廠房施工期圍巖變形開裂特征及地質力學機制研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（1）：23~35.

[2]黃秋香，閆晶晶，汪家林，等.玄武巖巖體圍巖位移特征研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33（z2）：3924~3931.

[3]黃秋香，汪家林.地下廠房頂拱圍巖變形機制分析[J].巖石力學與工程學報，2013（z2）：3520~3526.

[4]麥錦鋒，李端有，黃祥.烏東德水電站右岸地下廠房施工期圍巖穩定分析[J].長江科學院院報，2016，33（5）：42~47.

[5]董志宏，丁秀麗.錦屏一級地下廠房蝸殼施工期受力特征實測分析[J].水力發電學報，2014，33（4）：202~207.

作者:張小洋 單位:葛洲壩集團實驗檢測有限公司