CN106194222A - 适用于高地应力条件下的地下洞室群结构及其施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高地应力条件下的地下洞室群结构及其施工工艺，属于地下洞室工程技术领域，提供一种可以在高地应力条件下设置地下洞室群的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构及其施工工艺。本发明通过设置相应的应力解除洞，这样可在一定程度上对岩体的内应力进行破坏；进而解除或者削弱岩体的地应力；可将洞室群主体建筑进行有效的隔离，使其受到岩体内应力的影响更小；进而实现了在高地应力的条件下也可进行地下洞室群的布置；使得地下洞室群的适用范围更广，尤其适用于我国西部地区的地下洞室工程项目。

Description

适用于高地应力条件下的地下洞室群结构及其施工工艺

技术领域

本发明属于地下洞室工程技术领域，尤其涉及一种适用于高地应力条件下的地下洞室群结构及其施工工艺。

背景技术

随着西部水利工程、水电工程和交通工程的发展，将修建越来越多的地下工程。在西部特殊的地质和地形条件下，高地应力问题常常困扰着地下工程的设计和开挖支护施工，并可能影响到地下洞室围岩的长期稳定性。高地应力、大跨度、复杂地下洞室群的布置设计是当前水电工程和地下工程研究的重点和难点。

如在地下厂房洞室群的布置结构中，常规的设置方式是：地下厂房主体洞室建筑的轴线方位，应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等综合确定，并按照与其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进行布置；以此尽量避免岩体内应力对洞室群建筑的影响。但是上述技术的缺点为：当最大主应力和岩体主要结构面成较小夹角时，主体洞室很难满足“其轴线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”的要求。另外，根据现有的地下厂房布置技术，要求在岩石强度应力比小于2.5的极高地应力区不应布置地下厂房，因为此类地质条件的地应力过大，因此容易出现岩体破坏现象；如果强制在此类地质条件下布置地下洞室群，则必须提供足够强度的支护结构，否则存在较大的安全隐患。因此现有技术限制了地下厂房洞室群的适用范围。然而，随着此类工程不断向我国西部等以高山峡谷地区为主的区域推进，因其地形陡峭，在自重应力和构造应力的作用下，基本上都是高地应力区，因此急需一种可以适用于高地应力条件下的地下洞室群结构。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种可以在高地应力条件下设置地下洞室群的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构及其施工工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，包括洞室群主体建筑，所述洞室群主体建筑设置于高地应力的岩体内，所述高地应力岩体的岩石强度应力比小于4，还包括应力解除洞，所述应力解除洞至少设置在洞室群主体建筑上方的岩体内。

进一步的是：所述应力解除洞设置有多个，多个应力解除洞彼此平行的间隔设置。

进一步的是：在垂直于应力解除洞轴线的方向上，所述多个应力解除洞呈拱形分布。

进一步的是：在呈拱形分布的多个应力解除洞中，分别位于拱形两侧的部分应力解除洞呈竖直形分布于洞室群主体建筑侧方的岩体内。

进一步的是：所述洞室群主体建筑为地下水电站厂房，包括主厂房、主变室和尾水调压室；所述应力解除洞设置在主厂房、主变室和尾水调压室三者上方的岩体内或者所述应力解除洞设置在主厂房、主变室和尾水调压室三者上方、上游侧和下游侧的岩体内。

进一步的是：所述主厂房、主变室和尾水调压室的轴线相互平行，所述应力解除洞的轴线与主厂房的轴线平行，并且应力解除洞的长度大于主厂房、主变室和尾水调压室三者长度的最大值。

进一步的是：在相邻的两个应力解除洞之间设置有连通该两个应力解除洞的应力解除孔。

进一步的是：所述应力解除孔的轴线与应力解除洞的轴线垂直；在相邻的两个应力解除洞之间设置有多个所述的应力解除孔，并且多个所述应力解除孔彼此平行的间隔设置。

进一步的是：所述应力解除洞的宽度为2m-3m、高度为2.5m-3.5m；相邻两个的两个应力解除洞之间的距离为20m-40m；所述应力解除孔的直径为59mm-130mm，相邻两个应力解除孔之间的距离为1m～3m。

另外，本发明还提供一种适用于高地应力条件下的地下洞室群结构的施工工艺，采用上述适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，包括如下步骤：

A、在开挖洞室群主体建筑之前，先开挖应力解除洞，并对应力解除洞进行支护；

B、待应力解除洞开挖完成后，再钻设应力解除孔；

C、待应力解除孔施工完成后，再进行洞室群主体建筑的开挖工作。

本发明的有益效果是：本发明通过设置相应的应力解除洞，这样可在一定程度上对岩体的内应力进行破坏；进而解除或者削弱岩体的地应力；可将洞室群主体建筑进行有效的隔离，使其受到岩体内应力的影响更小；进而实现了在高地应力的条件下也可进行地下洞室群的布置；使得地下洞室群的适用范围更广，尤其适用于我国西部地区的地下洞室工程项目。

附图说明

图1为以地下厂房洞室群为例的地下洞室群结构的主视图；

图2为图1中局部区域A的放大示意图；

图3为图1的俯视图；

图中标记为：洞室群主体建筑1、应力解除洞2、主厂房3、主变室4、尾水调压室5、应力解除孔6、压力管道7、母线洞8、尾水连接管9、尾水隧洞10。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。需要说明的是，本发明所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构及其施工工艺，其中所述的高地应力，指的是布置于地下的洞室群主体建筑所在区域的岩体的地应力较高，导致在此类高地应力的岩体内不宜设置地下洞室群，如在岩石强度应力比小于2.5的情况下一般不建议设置地下洞室群；或者当在此类高地应力的岩体内设置洞室群时，则需要提供较大的支护强度，以保障洞室群的结构强度，如在岩石强度应力比介于2.5至4的岩体内设置洞室群时，需要提供较强的支护强度，因此相应的支护机构的成本较高。上述所述的岩石强度应力比，具体是指岩石饱和单轴抗压强度和最大地应力的比值；该比值可通过对岩体相应的参数进行常规的测试即可获得。在本发明中所指的高地应力条件可以通过岩石强度应力比确定，并且当岩石强度应力比较小时，如小于4时，即可认为满足本发明中所述的高地应力条件。

如图1至图3中所示，本发明所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，包括洞室群主体建筑1，所述洞室群主体建筑1设置于高地应力的岩体内，所述高地应力岩体的岩石强度应力比小于4，还包括应力解除洞2，所述应力解除洞2至少设置在洞室群主体建筑1上方的岩体内。

其中，应力解除洞2是用于破坏岩体内部应力的结构，本发明通过至少在洞室群主体建筑1的上方设置应力解除洞2，这样可实现对该部分岩体的应力解除或者削弱，进而可降低相应的岩石强度应力比，使得位于应力解除洞2下方的洞室群主体建筑1受到的地应力影响更小；并可提高洞室群主体建筑1的稳定性。

一般来说，可将应力解除洞2设置有多个，多个应力解除洞2彼此平行的间隔设置，例如附图3中所示，将多个应力解除洞2成排的设置。更具体的，可参照附图1中所示，可进一步在垂直于应力解除洞2轴线的方向上，设置所述多个应力解除洞2呈拱形分布，这样设置的好处的更便于洞室群主体建筑1上部岩体的应力传递。

另外，本发明中所述的应力解除洞2除了可以设置在洞室群主体建筑1上方的岩体内，还可以设置在洞室群主体建筑1四周侧方的岩体内，甚至理论上也可设置在洞室群主体建筑1下方的岩体内。一般来说，优选在洞室群主体建筑1的上方以及其中两侧方位上设置相应的应力解除洞2；例如附图1中所示，在呈拱形分布的多个应力解除洞2中，分别位于拱形两侧的部分应力解除洞2呈竖直形分布于洞室群主体建筑1侧方的岩体内；这样的好处是可以使得所有的应力解除洞2彼此平行设置以便进行施工。

另外，本发明所述的洞室群主体建筑1，一般是一类设置有至少一个地下洞室的建筑结构，例如可以是一些大型的地下水电站厂房或者一下大型的地下避难洞室群等。其中当本发明中所述的洞室群主体建筑1为地下水电站厂房时，即将本发明所述的地下洞室群结构用于地下水电站产房的工程中时，如图1和图3中所示：其洞室群主体建筑1通常包括主厂房3、主变室4和尾水调压室5等三大主体洞室；当然，通常还会设置一些如压力管道7、母线洞8、尾水连接管9和尾水隧洞10等附属结构，但是考虑到相应的附属结构一般相对较小，因此可将所述应力解除洞2设置在主厂房3、主变室4和尾水调压室5三者上方的岩体内或者所述应力解除洞2设置在主厂房3、主变室4和尾水调压室5三者上方、上游侧和下游侧的岩体内即可；而对于部分附属结构，如压力管道7和尾水隧洞10等则可以不必完全落入应力解除洞2所对应的区域内。

更优选的，如上述将本发明用于地下水电站厂房时，一般情况下，所述主厂房3、主变室4和尾水调压室5的轴线相互平行，相应的也可将所述应力解除洞2的轴线与主厂房3的轴线平行设置，并且设置应力解除洞2的长度大于主厂房3、主变室4和尾水调压室5三者长度的最大值。这样应力解除洞2即可完全覆盖在主厂房3、主变室4和尾水调压室5三者整体的上方；当然，也可进一步在地下水电站厂房整体的上游侧和下游侧设置相应的应力解除洞2结构，以起到对地应力的解除或者削弱作用。

另外，本发明还可进一步在相邻的两个应力解除洞2之间设置有连通该两个应力解除洞2的应力解除孔6。应力解除孔6是用于解除或者削弱在相邻两个应力解除洞2之间的沿体的内应力；这样可进一步提高对岩体内应力的解除或削弱效果。可参照附图3中所示，其中为了保持附图整体的整洁性，图3中仅画出了位于左侧的部分应力解除孔6，而隐藏了右侧部分的应力解除孔6。在附图3中，既是将所述应力解除孔6的轴线与应力解除洞2的轴线垂直；在相邻的两个应力解除洞2之间设置有多个所述的应力解除孔6，并且多个所述应力解除孔6彼此平行的间隔设置。

一般来说，应力解除洞2的大小应当能满足作业人员和相应的施工设备能顺利通过，因此，一般将所述应力解除洞2的宽度设置为2m-3m、高度设置为2.5m-3.5m；另外，相邻两个的两个应力解除洞2之间的距离并没有严格限制，一般设置为20m-40m即可；并且，一般情况下，位于洞室群主体建筑1上方的应力解除洞2间距可以适当大于位于侧方的应力解除洞2的间距。而对于应力解除孔6，一般将其直径设置为59mm-130mm，同时将相邻两个应力解除孔6之间的距离设置为1m～3m即可。

另外，本发明中上述设置的应力解除孔6和应力解除洞2，除了可以实现对相应岩体的应力解除或者削弱外，还可通过适当的处理，实现防渗排水作用；例如在应力解除洞2内设置相应的混凝土排水沟结构，同时将应力解除孔6与其混凝土排水沟对应设置，这样当有渗水时，渗水可从应力解除孔6排入到相应的混凝土排水沟内，然后由混凝土排水沟排出。

另外，本发明所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构的施工工艺，其既是实现上述本发明所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构的施工工艺，包括如下步骤：

A、在开挖洞室群主体建筑1之前，先开挖应力解除洞2，并对应力解除洞2进行支护；其中支护是为了保证应力解除洞2自身的稳定性和安全性；其支护方式和支护强度一般可根据具体情况选取即可；

B、待应力解除洞2开挖完成后，再钻设应力解除孔6；一般来说，应力解除洞2的大小需要满足作业人员和相应的施工设备能顺利通过，以便作业人员在应力解除洞2内进行应力解除孔6的钻设施工；当然，在进行应力解除孔6的钻设施工时，应当保证应力解除洞2具有足够的稳定性和安全性。

C、待应力解除孔6施工完成后，再进行洞室群主体建筑1的开挖工作。当然，在进行洞室群主体建筑1的开挖工作之前，应当确保整个应力解除洞2及应力解除孔6的施工已经完成，并且整体结构已经达到一定的稳定性；这样才能保证进行洞室群主体建筑1开挖的安全性。

最后，通过采用本发明所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构及其施工工艺，相对于现有的地下洞室机构以及其施工工艺而言，本发明具有如下优势：

1)对于地下洞室群主体建筑1的布置，可不再重点考虑地应力的影响，仅需考虑洞室结构功能、总体布置要求和岩体结构面产状等因素即可；因此增加了地下洞室布置的灵活性。

2)增大了地下洞室群的适应范围，例如可在岩石强度应力比小于2.5的区域内设置地下洞室群结构的水电站厂房。

3)由于对岩体的内部应力进行了解除或者削弱，因此可减少高地应力条件下地下洞室群主体建筑部分的围岩支护强度。

4)通过适当处理，还可利用应力解除洞2和应力解除孔6实现防渗排水目的，因此，可降低施工期得风险，确保了围岩开挖支护质量。

5)通过减少主体建筑部分的围岩支护强度，降低施工期的风险，总体上节约了工程投资，节省了工期。

Claims (10)

1.适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，包括洞室群主体建筑(1)，所述洞室群主体建筑(1)设置于高地应力的岩体内，所述高地应力岩体的岩石强度应力比小于4，其特征在于：还包括应力解除洞(2)，所述应力解除洞(2)至少设置在洞室群主体建筑(1)上方的岩体内。

2.如权利要求1所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，其特征在于：所述应力解除洞(2)设置有多个，多个应力解除洞(2)彼此平行的间隔设置。

3.如权利要求2所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，其特征在于：在垂直于应力解除洞(2)轴线的方向上，所述多个应力解除洞(2)呈拱形分布。

4.如权利要求3所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，其特征在于：在呈拱形分布的多个应力解除洞(2)中，分别位于拱形两侧的部分应力解除洞(2)呈竖直形分布于洞室群主体建筑(1)侧方的岩体内。

5.如权利要求1所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，其特征在于：所述洞室群主体建筑(1)为地下水电站厂房，包括主厂房(3)、主变室(4)和尾水调压室(5)；所述应力解除洞(2)设置在主厂房(3)、主变室(4)和尾水调压室(5)三者上方的岩体内或者所述应力解除洞(2)设置在主厂房(3)、主变室(4)和尾水调压室(5)三者上方、上游侧和下游侧的岩体内。

6.如权利要求5所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，其特征在于：所述主厂房(3)、主变室(4)和尾水调压室(5)的轴线相互平行，所述应力解除洞(2)的轴线与主厂房(3)的轴线平行，并且应力解除洞(2)的长度大于主厂房(3)、主变室(4)和尾水调压室(5)三者长度的最大值。

7.如权利要求2至6中任一项所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，其特征在于：在相邻的两个应力解除洞(2)之间设置有连通该两个应力解除洞(2)的应力解除孔(6)。

8.如权利要求7所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，其特征在于：所述应力解除孔(6)的轴线与应力解除洞(2)的轴线垂直；在相邻的两个应力解除洞(2)之间设置有多个所述的应力解除孔(6)，并且多个所述应力解除孔(6)彼此平行的间隔设置。

9.如权利要求8所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，其特征在于：所述应力解除洞(2)的宽度为2m-3m、高度为2.5m-3.5m；相邻两个的两个应力解除洞(2)之间的距离为20m-40m；所述应力解除孔(6)的直径为59mm-130mm，相邻两个应力解除孔(6)之间的距离为1m～3m。

10.适用于高地应力条件下的地下洞室群结构的施工工艺，其特征在于：采用上述权利要求7-9中任一项所述的适用于高地应力条件下的地下洞室群结构，包括如下步骤：

A、在开挖洞室群主体建筑(1)之前，先开挖应力解除洞(2)，并对应力解除洞(2)进行支护；

B、待应力解除洞(2)开挖完成后，再钻设应力解除孔(6)；

C、待应力解除孔(6)施工完成后，再进行洞室群主体建筑(1)的开挖工作。