CN104005777B - 一种大型地下洞室群布置设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下洞室设计方法，其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设计方法，更为科学合理的确定地下洞室群的位置。本发明在确定主洞室群纵轴线方位、主洞室的洞形和尺寸、洞室间距的基础上，综合考虑岩石强度应力比、场址区地应力场特征、洞室群效应、主洞室尺寸等影响地下洞室群布置的关键因素，进一步确定主洞室群谷坡侧岩体厚度和上覆岩体厚度。本发明提出的谷坡地应力特征的量化分析方法、谷坡侧岩体厚度的计算公式、洞室群上覆岩体厚度的确定方法，不仅科学合理，而且量化程度高，可操作性强，便于设计人员应用，适用于各种地应力水平和复杂地质条件下的大型地下洞室群布置设计。

Description

一种大型地下洞室群布置设计方法

技术领域

本发明涉及地下洞室设计方法，尤其是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设计方法。

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。

水电站地下厂房主要由主厂房、主变洞、尾调(闸)室、引水洞、尾水洞、母线洞、出线洞(井)、交通洞、施工支洞等组成，形成了以主厂房、主变洞、尾调(闸)室为中心相互连接的地下洞室群。由于洞室之间布置紧凑，开挖后洞室之间相互影响，形成群洞效应，其强烈程度将影响洞室群的围岩稳定。正是由于洞室群效应的存在，在进行洞室群布置时，必须合理利用和充分考虑其影响，将地下洞室群作为一个整体考虑。

现代隧洞的柔性支护以“充分发挥围岩承载能力”为核心。目前大型地下洞室的支护设计也是采用柔性系统支护，分三个阶段分步实施的喷混凝土层、系统锚杆和系统锚索的总支护强度一般在0.2～0.3MPa之间，远低于初始地应力水平，几乎不能限制围岩的卸荷变形，这已在多年来的洞室围岩数值分析和工程实践中得到证实。正是由于柔性支护以“充分发挥围岩承载能力”为核心，且支护的强度和作用极为有限，在进行洞室群布置设计时，首先应使洞室围岩在开挖后不依靠柔性支护力就能达到某种程度的稳定平衡。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。

SD335—1989《水电站厂房设计规范(试行)》、SL266—2001《水电站厂房设计规范》、NB/T35011—2013《水电站厂房设计规范》提供的传统技术在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、洞室群效应等因素不予以考虑，还未意识到洞室群谷坡侧岩体，既有其作为洞室群围岩的稳定问题，也有其作为边坡的稳定问题。由于传统技术在进行地下洞室群布置时，忽略了岩石强度应力比、场址区地应力场特征、洞室群效应等重要因素，按其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，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、表层岩体压裂等较为严重的变形破坏现象，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，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、围岩结构面发育、洞室位置离谷坡较近、洞室间距过小、支护强度和时机等因素有关。

岩石强度应力比指标与前一电站接近的另一工程，在主厂房、主变室和尾调室仅开挖了2～3层的情况下，围岩松弛深度为：主厂房上游侧2～5m不等，下游侧2～8m不等，主变室3～6m，尾调室0.5～4m，其松弛深度明显偏大，已达到甚至超过官地、瀑布沟水电站等全部开挖完成后的围岩松弛深度，也不得不暂停施工进行加强支护。

可见，SD335—1989《水电站厂房设计规范(试行)》、SL266—2001《水电站厂房设计规范》、NB/T35011—2013《水电站厂房设计规范》提供的现有传统技术忽略了岩石强度应力比、场址区地应力场特征、洞室群效应等重要因素，并不适用于岩石强度应力比较低条件下的大型水电站地下洞室群布置设计，并且其用于设计的相关指标量化程度不够，操作性不强，难以应对日益复杂的地质条件。

在确定地下洞室群的位置时，专利申请(申请号201310234648.0，201310234638.7，201310234651.2，201310234313.9)在已公开的技术内容中，指出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；分别按岩石强度应力比为2.0～4.0、4.0～7.0、大于7.0三种情况确定主洞室外缘到谷坡面的岩体厚度，该厚度在150～400m之间，相关参数可以适当调整。然而，其给出的方法量化程度也还不够，相关参数可供取值的范围较大，对工程类比和工程经验的依赖程度较高，还有较大的改进空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种新的大型地下洞室群布置设计方法，更为科学合理的确定地下洞室群的位置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种大型地下洞室群布置设计方法，包括：

在确定主洞室群纵轴线方位、主洞室的洞形和尺寸、洞室间距的基础上，综合考虑岩石强度应力比、场址区地应力场特征、洞室群效应、主洞室尺寸等影响地下洞室群布置的关键因素，进一步确定主洞室群谷坡侧岩体厚度和上覆岩体厚度。

该方法具体包括步骤：

a.首先通过现场勘探、测试和分析，获得施工地具有代表性的地应力测试点的地应力测试成果；

b.根据地应力测试成果，建立三维数值模型，反演河谷谷坡的地应力场，分析河谷谷坡地应力场特征，计算岩石强度应力比指标RSS；

c.确定主洞室群纵轴线方位；

d.确定主洞室的洞形和尺寸；

e.确定主洞室间距；

f.考虑洞室群效应，根据岩石强度应力比、谷坡侧应力集中区的中心位置、主洞室最大跨度、谷坡侧主洞室高度等确定洞室群谷坡侧岩体厚度；

g.考虑洞室群效应，根据岩石强度应力比确定洞室群上覆岩体厚度。

具体的，步骤a中，所述地应力测试点的数量在6个以上。

具体的，步骤b中，对地应力反演的三维数值模型的要求为：长度、宽度、高度均应达到1000m以上，且满足主洞室群的上、下游和左、右两侧均有400m以上平面空间，主洞室底部以下的岩体高度大于400m；且模型应考虑计算范围内已揭示的主要一级结构面，包括断层、规模较大的错动带等。

具体的，步骤b中，所述反演河谷谷坡的地应力场包括：垂直于河谷谷坡面走向作多个剖面，给出第一主应力、第二主应力和第三主应力的应力等值线图、应力矢量图。

具体的，步骤b中，所述分析河谷谷坡地应力场特征包括：在应力等值线图上，通过主洞室顶部、中部和顶部高程处分别作一水平线，该水平线与应力等值线相交的交点对应的应力量值即为相应位置的地应力量值；以所作水平线与谷坡的交点为原点，以水平位置为横坐标，以交点应力量值为纵坐标，即可作出相应高程处的应力与位置关系曲线，对某一高程的应力与位置关系曲线而言，谷坡面附近曲线最高点对应位置即为应力集中区的中心，谷坡内侧曲线最低点对应位置即应力稳定区外缘。

具体的，步骤f中，所述确定洞室群谷坡侧岩体厚度的具体方法为：

若主洞室纵轴线与谷坡面走向垂直L_r＝L₁+mB+c

若主洞室纵轴线与谷坡面走向平行L_r＝L₁+mH+c

式中：L_r为待定的谷坡侧岩体厚度；L₁为主洞室顶部高程谷坡侧应力集中区的中心至谷坡面的水平距离；B为主洞室最大跨度；H为谷坡侧主洞室高度；c为预留水平距离，可取30～50m；m为应力影响深度系数，根据岩石强度应力比RSS取值：RSS≥7时取1.0；4≤RSS＜7时取1.0～1.5；2≤RSS＜4时取1.5～2.0；RSS＜2时取值2.0～2.5；可中间插值。

具体的，步骤g中，所述确定洞室群上覆岩体厚度的具体方法为：

设洞室群上覆岩体厚度以H_c表示，

当RSS≥7时，H_c≥较大洞室跨度的2倍或洞室群宽度的0.5倍；4≤RSS＜7时，H_c取洞室群宽度的0.5～1.0倍；2≤RSS＜4时，H_c取洞室群宽度的1.0～1.5倍；RSS＜2时，H_c取洞室群宽度的1.5～2.0倍。

本发明的有益效果是：本发明提出的确定大型地下洞室群位置的方法，考虑了岩石强度应力比、场址区地应力场特征、洞室群效应、主洞室尺寸等影响地下洞室群布置的关键因素，适用于各种地应力水平和复杂地质条件下的大型地下洞室群布置设计。提出的谷坡地应力特征的量化分析方法、谷坡侧岩体厚度的计算公式、洞室群上覆岩体厚度的确定方法，不仅科学合理，而且量化程度高，可操作性强，便于设计人员应用。

具体实施方式

本发明是在已确定主洞室群纵轴线方位、主洞室的洞形和尺寸、洞室间距的基础上，考虑岩石强度应力比、场址区地应力场特征、洞室群效应、主洞室尺寸等影响地下洞室群布置的关键因素，进一步确定主洞室群谷坡侧岩体厚度和上覆岩体厚度。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。

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的描述：

1)首先通过现场勘探、测试和分析，获得施工地具有代表性的地应力测点的地应力的测试成果，地应力测试点的数量通常在6个及以上；获得岩石强度等相关试验成果及其他勘探成果(如覆盖层厚度、岩体结构面分布等)。

2)根据地应力测试成果，建立三维数值模型，反演河谷谷坡的地应力场，分析河谷谷坡地应力场特征，计算岩石强度应力比指标RSS；本发明对地应力反演的三维数值模型的特殊要求为：长度、宽度、高度一般均应达到1000m以上，且满足主洞室群的上、下游和左、右两侧均有400m以上平面空间，主洞室底部以下的岩体高度大于400m；模型应考虑计算范围内已揭示的主要一级结构面，如断层、规模较大的错动带等。

在进行河谷谷坡的地应力场反演时，垂直于河谷谷坡面走向作若干剖面，给出第一主应力、第二主应力和第三主应力的应力等值线图、应力矢量图等。接着分析谷坡的地应力场特征：在应力等值线图上，通过主洞室顶部、中部和顶部高程处分别作一水平线，该水平线将与应力等值线相交形成若干交点，交点的应力量值即为相应位置的地应力量值；以所作水平线与谷坡的交点为原点，以水平位置为横坐标，以交点应力量值为纵坐标，即可作出相应高程处的应力与位置关系曲线，进一步对关系曲线进行分析，对某一高程的应力与位置关系曲线而言，谷坡面附近曲线最高点对应位置即为应力集中区的中心，谷坡内侧曲线最低点对应位置即应力稳定区外缘。

3)确定主洞室群纵轴线方位：首先测得施工地岩体主要结构面走向和最大主应力方位，在满足结构功能和总体布置要求的前提下，结合岩石强度应力比、地应力方位、围岩结构面发育特征，并按照与最大主应力方位呈较小夹角、与岩体主要结构面走向呈较大夹角的原则综合确定主洞室群纵轴线方位。在第一主应力和第二主应力量值较为接近的情况下，应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、与岩体主要结构面走向呈较大夹角的原则选择主洞室纵轴线方位。

4)确定主洞室的洞形和尺寸：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；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。

5)确定主洞室间距：采用主洞室间距的计算公式或采用基于岩石强度应力比和工程经验的方法来确定主洞室间距。

6)确定洞室群谷坡侧岩体厚度：洞室群所需谷坡侧岩体厚度的确定需要基于如下认识：a)厂房纵轴线与岸坡垂直时，谷坡侧岩体厚度为洞室群的端部，由于单个洞室断面为窄高型，岩石强度应力比低时，开挖后主洞室端部之间的应力场调整区可能相互连通，但洞室群效应并不明显，其影响深度一般为单洞室宽度的1～2倍；b)厂房纵轴线与岸坡平行时，谷坡侧岩体厚度为洞室群的高边墙，开挖后的应力场调整区深度与谷坡侧主洞室的高度有关，其影响深度为洞高的1～2倍，对窄高型主洞室而言，该情况所需谷坡侧岩体厚度大幅度超出与岸坡垂直时；c)洞室群谷坡侧岩体，既是洞室群围岩，又是河谷边坡，应同时保证其稳定安全性；d)岩石强度应力比从中等水平上升至高水平时，洞室边墙的变形范围对岩石强度应力比的变化较为敏感；e)在河谷谷坡附近的应力集中区，第一主应力最大值可达到稳定应力区的1.5～2.0倍，且应力集中区附近的地应力大小、方向变化剧烈，不利于该地下洞室群的稳定；f)第三主应力由谷坡面向坡内一般呈单调上升，主要受洞室埋深的影响；g)第二主应力量值在应力过渡区内变化不大。

本发明给出了具体的计算公式：

若主洞室纵轴线与谷坡面走向垂直L_r＝L₁+mB+c

若主洞室纵轴线与谷坡面走向平行L_r＝L₁+mH+c

式中：L_r为待定的谷坡侧岩体厚度(水平向)；L₁为主洞室顶部高程谷坡侧应力集中区的中心至谷坡面的水平距离；B为主洞室最大跨度；H为谷坡侧主洞室高度；c为预留水平距离，可取30～50m；m为应力影响深度系数，根据岩石强度应力比RSS取值：RSS≥7时取1.0；4≤RSS＜7时取1.0～1.5；2≤RSS＜4时取1.5～2.0；RSS＜2时取值2.0～2.5；可中间插值。

7)确定洞室群上覆岩体厚度：根据岩石强度应力比RSS确定洞室群的上覆岩体厚度H_c：当RSS≥7时取H_c≥较大洞室跨度的2倍或洞室群宽度的0.5倍；4≤RSS＜7时，取洞室群宽度的0.5～1.0倍；2≤RSS＜4时取洞室群宽度的1.0～1.5倍；RSS＜2时取洞室群宽度的1.5～2.0倍。对于上述洞室群上覆岩体厚度的确定主要基于对主应力等值线图的如下认识：a)岩石强度应力比为4.4～5.6时，单个主洞室顶拱最大变形仅为0.05mm，洞室群上部变形约为0.025mm，洞室群效应不明显，洞顶变形深度与洞室群宽度的相关性很小；b)随着岩石强度应力比的逐渐降低，主洞室的上部变形量值和变形深度明显增大，与洞室群的宽度相关性增强，洞室群效应也越明显。

此外，地下洞室群主洞室的位置还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。

相对于传统技术，本发明方案的优势如下：

(1)提出的确定大型地下洞室群位置的方法，考虑了岩石强度应力比、场址区地应力场特征、洞室群效应、主洞室尺寸等影响地下洞室群布置的关键因素，适用于各种地应力水平和复杂地质条件下的大型地下洞室群布置设计。

(2)提出了谷坡地应力特征的量化分析方法、谷坡侧岩体厚度的计算公式、洞室群上覆岩体厚度的确定方法，不仅科学合理，而且量化程度高，可操作性强。

(3)按本方法进行地下洞室群的布置设计，可大幅降低设计风险，避免地下洞室群围岩在开挖期间发生严重的变形破坏现象，可减少围岩的二次加强支护成本，降低工期滞后风险、施工期安全风险，确保运行安全，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。

(4)经济和环境效益计算：以大型水电站地下厂房为例，若地下厂房洞室群的布置设计不合理，施工过程中出现严重的围岩变形破坏或支护受力异常需要加固处理时，所需加固处理时间短则数月，长则一年。不计加固直接成本，仅按装机1000MW电站、年利用4000小时、减少工期延迟4个月、上网电价0.3元/kW.h计，可减少清洁能源发电损失13.3亿kW.h(约4亿元)，相当于节煤478万t，减排二氧化碳1044万t。

Claims (6)

1.一种大型地下洞室群布置设计方法，其特征在于，

在确定主洞室纵轴线方位、主洞室的洞形和尺寸、主洞室间距的基础上，综合考虑岩石强度应力比、场址区地应力场特征、洞室群效应、主洞室尺寸这些影响地下洞室群布置的关键因素，进一步确定洞室群河谷谷坡侧岩体厚度和上覆岩体厚度；

具体包括步骤：

a.首先通过现场勘探、测试和分析，获得施工地具有代表性的地应力测试点的地应力测试成果；

b.根据地应力测试成果，建立三维数值模型，反演河谷谷坡的地应力场，分析河谷谷坡地应力场特征，计算岩石强度应力比RSS；

c.确定主洞室纵轴线方位；

d.确定主洞室的洞形和尺寸；

e.确定主洞室间距；

f.考虑洞室群效应，根据岩石强度应力比、谷坡侧应力集中区的中心位置、主洞室最大跨度、谷坡侧主洞室高度确定洞室群谷坡侧岩体厚度；

g.考虑洞室群效应，根据岩石强度应力比确定洞室群上覆岩体厚度；

步骤f中，所述确定洞室群谷坡侧岩体厚度的具体方法为：

若主洞室纵轴线与谷坡面走向垂直，则L_r＝L₁+mB+c

若主洞室纵轴线与谷坡面走向平行，则L_r＝L₁+mH+c

式中：L_r为待定的谷坡侧岩体厚度；L₁为主洞室顶部高程谷坡侧应力集中区的中心至谷坡面的水平距离；B为主洞室最大跨度；H为谷坡侧主洞室高度；c为预留水平距离，取30～50m；m为应力影响深度系数，根据岩石强度应力比RSS取值：RSS≥7时取1.0；4≤RSS＜7时取1.0～1.5；2≤RSS＜4时取1.5～2.0；RSS＜2时取值2.0～2.5。

2.如权利要求1所述的一种大型地下洞室群布置设计方法，其特征在于，步骤a中，所述地应力测试点的数量在6个以上。

3.如权利要求1所述的一种大型地下洞室群布置设计方法，其特征在于，步骤b中，对地应力反演的三维数值模型的要求为：长度、宽度、高度均应达到1000m以上，且满足洞室群的上、下游和左、右两侧均有400m以上平面空间，主洞室底部以下的岩体高度大于400m；且模型应考虑计算范围内已揭示的主要一级结构面，包括断层、规模较大的错动带。

4.如权利要求1所述的一种大型地下洞室群布置设计方法，其特征在于，步骤b中，所述反演河谷谷坡的地应力场包括：垂直于河谷谷坡面走向作多个剖面，给出第一主应力、第二主应力和第三主应力的应力等值线图、应力矢量图。

5.如权利要求1所述的一种大型地下洞室群布置设计方法，其特征在于，步骤b中，所述分析河谷谷坡地应力场特征包括：在应力等值线图上，通过主洞室顶部、中部和顶部高程处分别作一水平线，该水平线与应力等值线相交的交点对应的应力量值即为相应位置的地应力量值；以所作水平线与谷坡的交点为原点，以水平位置为横坐标，以交点应力量值为纵坐标，即可作出相应高程处的应力与位置关系曲线，对某一高程的应力与位置关系曲线而言，谷坡面附近曲线最高点对应位置即为应力集中区的中心，谷坡内侧曲线最低点对应位置即应力稳定区外缘。

6.如权利要求1所述的一种大型地下洞室群布置设计方法，其特征在于，步骤g中，所述确定洞室群上覆岩体厚度的具体方法为：

设洞室群上覆岩体厚度以H_c表示，

当RSS≥7时，H_c≥较大主洞室跨度的2倍或洞室群宽度的0.5倍；4≤RSS＜7时，H_c取洞室群宽度的0.5～1.0倍；2≤RSS＜4时，H_c取洞室群宽度的1.0～1.5倍；RSS＜2时，H_c取洞室群宽度的1.5～2.0倍。