CN103291331B - 地下洞室群布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在水利水电工程、地下储库工程运用的大型地下洞室群布置方法，这种布置方法可全面的考虑影响地下洞室围岩稳定的主要因素，特别是岩石强度应力比这一至关重要因素，使大型地下洞室群布置设计方案更为科学，考虑的因素更为全面，首先确定主洞室位置，然后确定主洞室轴线方位，再确定主洞室之间的岩柱厚度，最后确定主洞室洞形，在确定主洞室洞形时，根据功能将主洞室分为地下主厂房、主变室和尾水调压室三类，地下主厂房和主变室的洞形采用圆拱直墙形或卵形，尾水调压室采用圆筒形或长廊形。

Description

地下洞室群布置方法

技术领域

本发明涉及一种地下洞室布置方法，尤其是一种在水利水电工程、地下储库工程运用的地下洞室群布置方法。

背景技术

在水利水电工程、地下储库工程等领域，均涉及地下洞室群的合理布置设计问题，特别是我国西部地区水电站地下厂房，其洞室群规模较大，往往处于高山峡谷地区，具有洞室埋深大、地应力高、地质条件复杂等特点，从而使大型地下洞室群围岩的稳定和安全问题变得十分突出。近几年来岩石力学领域相关专家及地下工程建设者越来越清楚的意识到，岩石基本强度、地应力、围岩结构面发育特征、支护强度是决定地下工程围岩稳定的关键性因素，洞室开挖尺寸与群洞效应、施工开挖顺序、爆破方式、支护的及时性等也都会对洞室围岩的稳定造成一定影响；而在其他条件基本相同的情况下，不同的岩石强度应力比将导致地下洞室群围岩表现出不同的变形破坏特征。通过合理的布置设计，并采取合理的开挖和支护措施后，能较好地解决大型地下洞室群围岩的稳定和安全问题，特别是高地应力环境大型地下洞室群围岩的稳定和安全问题。因此，合理的布置设计是保证大型地下洞室群围岩稳定和安全的先决条件。

地下洞室群的布置设计包括洞室位置、洞室纵轴线、洞室间距和洞形的确定等主要工作内容。按现有传统的大型地下洞室群的布置设计方法进行地下洞室群布置时，一般仅考虑地应力大小和方向、岩体结构面发育特征、洞室尺寸、内部布置要求等因素，对岩石强度应力比、场址区地应力分布特征等因素不予以考虑。

由于未考虑岩石强度应力比这一至关重要因素，按现有方法确定的大型地下洞室群主洞室的布置不尽合理，从而可能导致高地应力环境、围岩强度相对较低条件下的地下洞室群围岩在洞室开挖卸荷后发生较为严重的围岩变形破坏现象，如围岩岩爆、时效大变形、围岩松弛深度大、围岩压裂等，威胁工程安全并造成工期滞后和投资增加。

如某水电站地下厂房地质条件极为复杂，洞室群规模大，实测厂区最大主应力为20.0～35.7MPa，与二滩水电站、瀑布沟水电站、官地水电站等同属高地应力条件，但其岩石单轴抗压强度仅为60～75MPa，其岩石强度明显偏低。在施工开挖过程中出现了洞室围岩时效大变形、高边墙裂隙明显错动、主厂房下游拱腰围岩劈裂破坏、岩体片状剥落、表层岩体压裂等围岩卸荷灾变现象，同时洞周松弛区最大深度达到了一般工程的2～5倍且持续发展、数值计算模型中主洞室间塑性区连通、锚杆锚索拉力值超限情况较为严重，其洞室围岩的变形破坏情况和支护受力超限情况远比二滩水电站、瀑布沟水电站、官地水电站严重，且靠谷坡侧围岩(岩柱)的围岩变形破坏程度明显高于远离谷坡侧，规模较大结构面附近围岩的变形破坏程度也明显高于一般部位，给洞室围岩稳定性和施工期人员设备安全带来威胁，使得洞室群在开挖支护过程中遇到了严峻的挑战，为此该工程停止开挖实施加强支护，造成投资增加、工期滞后约一年时间。分析认为上述变形破坏情况的原因主要与地应力高而岩石强度相对较低、断层和煌斑岩脉等围岩结构面发育、洞室位置离谷坡较近、洞室间距过小、支护等因素有关。

因此，必须发明一种更为科学的大型地下洞室群布置设计方法，以便在进行地下洞室群布置时考虑岩石基本强度、地应力特征、岩体结构面发育特征这三个关键因素并易于实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种使设计方案更为科学并能降低施工风险的地下洞室群布置方法。

本发明解决其技术问题所采用的地下洞室群布置方法，首先确定主洞室位置，然后确定主洞室轴线方位，再确定主洞室之间的岩柱厚度，最后确定主洞室洞形，在确定主洞室洞形时，根据功能将主洞室分为地下主厂房、主变室和尾水调压室三类，地下主厂房和主变室的洞形采用采用圆拱直墙形或卵形，尾水调压室采用圆筒形或长廊形。

进一步的是，在确定主洞室位置时，若施工地为河流峡谷地段，将谷坡至山体以内的河岸地应力划分为河谷地应力区、远离河谷地貌的原始地应力控制区、上述二者之间的过渡区三部分；河谷地应力区又进一步划分为河床一带的应力集中区和坡面一带的应力松弛区；大型地下洞室群主洞室的位置应避开谷坡应力松弛带和应力集中区，并超过应力分布极不稳定的应力过渡区边缘。

进一步的是，当岩石强度应力比为2.0～4.0时，尾水调压室采用圆筒形；当岩石强度应力比小于2.0时，地下主厂房和主变室采用卵形。

进一步的是，圆拱直墙形的地下主厂房和主变室的参数采用以下方式确定：岩石强度应力比为2.0～4.0，圆拱直墙形断面的顶拱矢跨比取1/3.0～1/3.5；岩石强度应力比为4.0～7.0时，圆拱直墙形断面的顶拱矢跨比取1/3.5～1/4.0；岩石强度应力比大于7.0时，圆拱直墙形断面的顶拱矢跨比取1/4.0～1/4.5。

本发明的有益效果是：本发明提出的大型地下洞室群布置设计方法，主要根据地应力特征、岩石强度应力比和围岩结构面发育特征进行地下洞室群布置设计，其本质是根据地下洞室结构特征、围岩结构特征及承载能力(岩石强度)、荷载特征(即地应力)等进行地下洞室群的布置设计，这种布置方法可全面的考虑影响地下洞室围岩稳定的主要因素，特别是岩石强度应力比这一至关重要因素，按照本布置方法进行布置设计，相对于传统的布置方法提出的设计方案更为科学，特别是在高地应力环境、围岩强度相对较低条件下，可大幅度减少地下洞室群围岩在开挖卸荷后围岩的变形破坏现象或降低其严重程度，可减少围岩的加强支护成本，降低工期滞后风险、施工期安全风险，运行安全。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

本发明首先确定主洞室位置，然后确定主洞室轴线方位，再确定主洞室之间的岩柱厚度，最后确定主洞室洞形，在确定主洞室位置时，首先测得施工地的岩石强度应力比，当岩石强度应力比为2.0～4.0时，主洞室外缘到谷坡面的岩体厚度应大于400m；岩石强度应力比为4.0～7.0时，主洞室外缘到谷坡面的岩体厚度取值为200～400m；岩石强度应力比大于7.0时，主洞室外缘到谷坡面的岩体厚度为150～200m。岩石强度应力比是指岩石饱和单轴抗压强度与岩体初始地应力最大主应力量值的比值，与GB50287-2006《水力发电工程地质勘察规范》中“岩石强度应力比”的定义一致，当然也可用“围岩强度应力比”、“岩石应力强度比”、“围岩应力强度比”指标替代本发明中的“岩石应力强度比”。在进行布置设计时，均采用“岩石强度应力比”这个指标，该指标既同时考虑了岩石基本强度、地应力水平这两个因素，又是岩体初始地应力分级的主要依据，其物理意义类似于地下洞室围岩的承载力安全系数，即岩石强度应力比高时洞室围岩承载力安全系数大，岩石强度应力比低时洞室围岩承载力安全系数小。在宏观判断地下洞室群场址区地应力场特征的基础上，根据岩石强度应力比和围岩结构面发育特征确定地下洞室群主洞室的位置。

在河流峡谷地段，可将谷坡至山体以内的河岸地应力划分为河谷地应力区、远离河谷地貌的原始地应力控制区、上述二者之间的过渡区三部分。河谷地应力区又可进一步划分为河床一带的应力集中区和坡面一带的应力松弛区。大型地下洞室群主洞室的位置应避开谷坡应力松弛带和应力集中区，并超过应力分布极不稳定的应力过渡区边缘。

岩石强度应力比过低时(如小于2.0，为极高地应力环境)，不宜布置水电站地下厂房等大型地下洞室群；岩石强度应力比较低时(如2.0～4.0，为高地应力环境)，大型地下洞室群主洞室外缘到谷坡面的岩体厚度应大于400m；岩石强度应力比中等时(如4.0～7.0，为中等地应力环境)，大型地下洞室群外缘到谷坡面的岩体厚度可取为200～400m；岩石强度应力比高时(如大于7.0，为低地应力环境)，大型地下洞室群主洞室外缘到谷坡面的岩体厚度可取150～200m。地下洞室群主洞室的位置应避开向斜核部地带和活断层，尽量避开非活动区域性断层、普通断层及其影响带等规模较大结构面。

本发明提出的确定大型地下洞室群主洞室位置的方法，根据场址地应力场特征、岩石强度应力比和围岩构造特征确定地下洞室群主洞室的位置，其本质是根据地下洞室围岩结构特征及承载能力(岩石强度)、荷载特征(即地应力)进行地下洞室群的布置设计，可避免传统设计方法可能导致的问题。有机结合了GB50287-2006《水力发电工程地质勘察规范》中岩体初始地应力分级方式，适用于各种地应力水平下的地下洞室群布置设计。提出了较为具体的量化指标，便于设计人员应用。

在满足结构功能和总体布置要求的前提下，根据岩石强度应力比并兼顾地应力方位、围岩结构面发育特征最终确定地下洞室群的主洞室纵轴线方位。

围岩主要结构面走向与主洞室轴线方位呈较大夹角时，结构面对洞室群的影响往往只发生在局部区域，在采取相应的加固措施后可以保证这些部位的稳定性。主洞室纵轴线方位与最大主应力方位采用较小夹角，可减少开挖后洞室偏压及应力集中系数，防止发生岩爆或降低岩爆级别，减小高边墙侧向变形，从而有利于高边墙的稳定；但主洞室纵轴线方位与最大主应力方位的夹角过小时，又对与主洞室纵轴线方位垂直布置的其他洞室围岩的稳定不利。

根据已建工程成功案例，大型地下洞室的纵轴线方位与岩体主要结构面走向的夹角一般不宜小于40°，最好大于60°；大型地下洞室群的主洞室纵轴线方位与最大主应力夹角一般为15～40°。随着岩石强度应力比的降低，洞室围岩的变形破坏逐渐从以围岩结构面控制型为主，向结构面和应力复合控制型过渡，直至发生以应力控制型为主的变形破坏，根据岩石强度应力比确定洞室纵轴线方位的方法和原则如下：

a)岩石强度应力比较大时(如大于7.0，低地应力环境)，洞室围岩的变形破坏主要受围岩结构面因素控制，洞室纵轴线方位的选择以考虑结构面因素为主，在保证主洞室纵轴线与岩体主要结构面走向的夹角大于60°的前提下，兼顾主洞室纵轴线与最大主应力方位的夹角在15～40°以内取值且尽量小，还应注意到结构面的影响；

b)岩石强度应力比中等时(如4.0～7.0，中等地应力环境)，洞室围岩的变形破坏主要表现为结构面和应力复合控制型但结构面因素占优势，洞室纵轴线方位选择时对结构面和地应力因素都应重视，应同时保证主洞室纵轴线与岩体主要结构面走向的夹角大于40°、与最大主应力方位的夹角在40°以内；

c)岩石强度应力比较低时(如2.0～4.0，高地应力环境)，洞室围岩的变形破坏主要表现为结构面和应力复合控制型，应力因素开始发挥主导作用且两个因素会相互影响恶化围岩条件，硬岩可能发生中等岩爆，存在硬岩时效破裂和时效变形问题，软岩可能发生较大变形，洞室纵轴线方位选择时对结构面和地应力因素都应特别重视，主洞室纵轴线与最大主应力方位的夹角在15～30°范围取值且岩石强度应力比越低取值越小，主洞室纵轴线与岩体主要结构面走向的夹角在40°以上取值；

d)岩石强度应力比过低时(如小于2.0，极高地应力环境)，洞室围岩的变形破坏变形破坏现象严重，主要表现为结构面和应力复合控制型破坏，变形破坏时效性明显，硬岩可能发生强烈～极强岩爆，软岩可能发生持续大变形或流变，不宜布置大型地下洞室群，选择主洞室纵轴线方位时主要考虑地应力因素，可与最大主应力方位平行；

e)主洞室纵轴线方位选择时，还需注意第二主应力的影响，当第一主应力与第二主应力应量值接近时，按照与第一主应力或第二主应力中的水平分力较大者呈较小夹角、与岩体主要结构面呈较大夹角的原则选择主洞室纵轴线方位。

根据岩石强度应力比确定地下洞室群主洞室之间的岩柱厚度，总体原则是：岩石强度应力比高时岩柱厚度取小值，反之则取大值。本发明提出的确定大型地下洞室群主洞室纵轴线方位的方法，根据地应力特征、岩石强度应力比和围岩结构面发育特征来确定主洞室的纵轴线方位，其本质是根据地下洞室围岩结构特征及承载能力(岩石强度)、荷载特征(即地应力)进行地下洞室群的布置设计，可避免传统设计方法可能导致的问题。

在设计施工岩柱厚度时，以水电站地下厂房主洞室之间岩柱厚度的确定为例具体说明。地下厂房主要洞室之间的距离较大时对洞室围岩稳定有利，可降低主洞室之间的岩柱塑性区连通的风险，但会相应增加工程投资和长期电能损耗。据统计，国内外大型水电站地下厂房相邻主洞室之间的岩柱厚度约为大洞室高度的0.5～0.8倍(大部分在0.6～0.8倍之间)以及相邻洞室的平均开挖跨度的0.8～2.5倍(大部分在1～2倍之间)。因此，不妨将相邻洞室的平均开挖跨度的1.0～2.5倍作为主洞室岩柱厚度基准值，再根据岩石强度应力比的大小选择岩柱厚度，最后以较大洞室高度的0.5～0.8倍作为校验指标。水电站地下厂房主洞室之间的岩柱厚度按下述方法取值：

a)岩石强度应力比较低时(如2.0～4.0，高地应力环境)，取为相邻洞室的平均开挖跨度的2.0～2.5倍，且岩石强度应力比接近2.0时在上限值附近取值，条件允许时尽量取大一些以减少后期施工过程中的不确定风险，岩石强度应力比接近4.0时在下限值附近取值，并校验是否满足较大洞室高度的0.7～0.8倍的指标要求。按此方法确定的大型水电站地下厂房岩柱厚度约为50～60m，按洞室平均开挖跨度和较大洞室高度计算的主洞室之间的岩柱厚度值接近。

b)岩石强度应力比中等时(如4.0～7.0，中等地应力环境)，取为相邻洞室的平均开挖跨度的1.5～2.0倍，且岩石强度应力比接近4.0时在上限值附近取值，接近7.0时在下限值附近取值，并校验是否满足较大洞室高度的0.6～0.7倍的指标要求。以洞室平均跨度25m，高度70m的大型水电站地下厂房为例，按此方法确定的大型水电站地下厂房岩柱厚度约为40～50m，与按洞室平均开挖跨度和较大洞室高度计算的主洞室之间的岩柱厚度值接近。

c)岩石强度应力比较大时(如大于7.0)时，取为相邻洞室的平均开挖跨度的1.0～1.5倍，且岩石强度应力比在7.0附近时在上限值附近取值，并校验是否满足较大洞室高度的0.5～0.6倍的指标要求。由于该情况下洞室围岩的变形破坏主要受岩体结构面因素控制，主洞室之间的岩柱厚度值主要取决于较大洞室高度。以洞室平均跨度25m，高度70m的大型水电站地下厂房为例，按此方法确定的主洞室间岩柱厚度约为35～40m。

本发明提出的确定大型地下洞室群主洞室之间的岩柱厚度的方法，根据洞室尺寸和岩石强度应力比来确定主洞室之间的岩柱厚度，其本质是根据地下洞室的结构特征、围岩结构特征及承载能力(岩石强度)、荷载特征(即地应力)进行地下洞室群的布置设计，可避免传统设计方法可能导致的问题。

在确定主洞室洞形时，主洞室一般分为地下主厂房、主变室和尾水调压室三类。根据岩石强度应力确定大型地下洞室的合理洞形，总体原则是：岩石强度应力比低的软弱围岩宜采用卵圆形或圆形断面；若采用圆拱直墙形断面，应采用较大的顶拱矢跨比（矢高和洞室跨度的比值）。

以大型水电站地下厂房三大洞室的洞形确定为例具体说明。为便于施工及岩壁吊车梁结构布置等因素，地下主厂房和主变室一般采用圆拱直墙形；当岩石强度应力比小于2.0时，地下主厂房和主变室宜采用卵形。尾水调压室一般采用圆筒形和长廊形两种布置方式。根据数值分析成果和实际工程经验，长廊形调压室高边墙和中隔墙的围岩卸荷松弛和块体稳定问题较为突出，在地质条件复杂、岩石强度应力比低(如2.0～4.0)的情况下，宜采用圆筒形调压室。确定水电站地下厂房圆拱直墙形断面的顶拱矢跨比方法为：岩石强度应力比较低时(如2.0～4.0)，取1/3.0～1/3.5；岩石强度应力比中等时(如小于4.0～7.0)，取1/3.5～1/4.0；岩石强度应力比较大时(如大于7.0)时，取1/4.0～1/4.5。

本发明提出的根据岩石强度应力比确定大型地下洞室群主洞室洞形的方法，其本质是根据地下洞室围岩承载能力(岩石强度)进行地下洞室群的布置设计，可避免传统设计方法可能导致的问题。

Claims (2)

1.地下洞室群布置方法，首先确定主洞室位置，然后确定主洞室轴线方位，再确定主洞室之间的岩柱厚度，最后确定主洞室洞形，其特征在于：在确定主洞室洞形时，根据功能将主洞室分为地下主厂房、主变室和尾水调压室三类，地下主厂房和主变室的洞形采用圆拱直墙形或卵形，尾水调压室采用圆筒形或长廊形；

当岩石强度应力比为2.0～4.0时，尾水调压室采用圆筒形；当岩石强度应力比小于2.0时，地下主厂房和主变室采用卵形；

圆拱直墙形的地下主厂房和主变室的参数采用以下方式确定：岩石强度应力比为2.0～4.0，圆拱直墙形断面的顶拱矢跨比取1/3.0～1/3.5；岩石强度应力比为4.0～7.0时，圆拱直墙形断面的顶拱矢跨比取1/3.5～1/4.0；岩石强度应力比大于7.0时，圆拱直墙形断面的顶拱矢跨比取1/4.0～1/4.5。

2.如权利要求1所述的地下洞室群布置方法，其特征在于：在确定主洞室位置时，若施工地为河流峡谷地段，将谷坡至山体以内的河岸地应力划分为河谷地应力区、远离河谷地貌的原始地应力控制区、河谷地应力区和原始地应力控制区之间的过渡区三部分；河谷地应力区又进一步划分为河床一带的应力集中区和坡面一带的应力松弛区；大型地下洞室群主洞室的位置应避开谷坡应力松弛带和应力集中区，并超过应力分布极不稳定的应力过渡区边缘。