CN106638508A - 高地应力条件下大型洞室轴线选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是水利水电工程领域的一种高地应力条件下大型洞室轴线选择方法，包括以下步骤：首先根据需要开挖地下洞室的规模进行工程地质勘察，获取洞室区地应力实测资料和岩体主要结构面特性；然后根据不同地应力级别选择不同的洞室轴线确定方法，最后以最大水平应力方向作为参照标准来确定洞室轴线，洞室轴线与最大水平应力方向呈小角度。本发明通过理论计算、综合分析和试验验证，在高地应力条件下，尤其是最大主应力倾角较大的情况下，采用最大水平应力方向作为参照标准来确定洞室轴线，能够使周围岩体的自稳能力更强，从而可大幅降低设计风险，减少支护措施，以达到经济安全的目的。

Description

高地应力条件下大型洞室轴线选择方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，尤其涉及一种高地应力条件下大型洞室轴线选择方法。

背景技术

地下洞室设计包括洞室功能设计、布置设计以及开挖支护设计，在满足功能要求的前提下，洞室布置设计和开挖支护设计的首要目标是确保洞室围岩稳定。围岩稳定靠两种途径来维系：一是岩体自稳能力，二是支护措施，因此洞室布置设计和开挖支护设计的核心思想就是充分发挥岩体自稳能力，以减少支护措施的使用，从而达到经济且安全的目的。洞室轴线选择属于洞室布置设计的内容，其目的就是在满足功能的前提下，调整洞室轴线，让洞周岩体自稳能力更好。

工程区任意一点的地应力状态可由六个独立的地应力分量表示，即三个正应力分量及三个剪应力分量，当三个正应力分量为主应力时，三个剪应力分量为0，工程区的地应力实际上是一个空间地应力场，如何选择洞室轴线使得地应力对洞室围岩的影响最小，这个问题一直没有很好的解决。现行设计规范《水电站厂房设计规范NB/T 35011-2013》中洞室轴线选择在7.1.3条第2款中给出了建议：高地应力地区，洞室纵轴线走向与地应力的最大主应力水平投影方向呈较小夹角。这条建议只考虑了最大主应力，没有考虑地应力的其他分量，显然不能充分反映地应力的影响。在过去的工程实践中，较少遇到水电站厂区地应力水平高的情况，且最大主应力倾角普遍较小，此时最大主应力对洞室围岩水平方向的稳定性起控制性作用，采用最大主应力的水平投影方向确定洞室轴线是可行的。但随着我国西部高山峡谷地区的水电开发，近几年建设的高地应力条件下的地下洞室越来越多，受地质构造和地形影响，存在最大主应力倾角较大的情况，例如猴子岩水电站地下厂房区域实测最大主应力为36.43MPa，倾角44.5°，这种情况下最大主应力对水平方向的影响力降低，洞室围岩水平方向的稳定性由各地应力分量综合决定，采用最大主应力水平投影方向确定洞室轴线则不合理。

发明内容

为克服现有设计建议在高地应力条件下采用最大主应力水平投影方向作为洞室轴线的参照标准所带来的局限性，本发明所要解决的技术问题是：提供一种新的、具有普适意义的高地应力条件下大型洞室轴线选择方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高地应力条件下大型洞室轴线选择方法，包括以下步骤：

A、根据需要开挖地下洞室的规模进行工程地质勘察，获取洞室区地应力实测资料和岩体主要结构面特性；

B、按照地应力大小将岩体分为三个等级，分别为低地应力、中地应力和高地应力；

C、在低地应力条件下，根据岩体结构面来确定洞室轴线；中地应力条件下，以岩体结构面为主，地应力为辅来确定洞室轴线；高地应力条件下，以地应力为主，岩体结构面为辅确定洞室轴线；

D、在高应力条件下，以最大水平应力作为洞室轴线选择的参照标准，使洞室轴线与最大水平应力方向呈小角度布置。

进一步的是，步骤A中所勘察的岩体结构面特性包括断层产状、优势节理裂隙产状情况。

进一步的是，对工程区进行地应力水平分级时采用岩石强度应力比来划分，参照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，岩石强度应力比小于4考虑为高地应力。

进一步的是，步骤C中在高地应力条件下辅助考虑岩体结构面时，主要考虑地质断层和优势节理裂隙，原则上以洞室轴线与断层走向呈大角度，与优势节理裂隙走向呈大角度布置。

进一步的是，步骤D中的最大水平应力通过以下步骤进行计算：

假设正应力以压为正、拉为负，剪应力以顺时针旋转为正、逆时针为负，局部坐标系定义为：X轴正方向为厂房轴线方向，Y轴正方向垂直于X向并指向上游，Z轴正方向竖直向上，定义洞室的三个典型剖面：横剖面(YOZ平面)、纵剖面(ZOX平面)、平剖面(XOY平面)，典型剖面上的最大、最小应力可以由三个主应力及主应力方向换算得到，换算过程如下：

其中σ₁、σ₂、σ₃分别为第一主应力、第二主应力和第三主应力，l_i、m_i、n_i(i＝1,2,3)为主应力方向与OXYZ坐标系各轴夹角的三角函数，以l_i为例：

其中α为σ₁的走向，δ为NOE平面(即XOY平面)上N向顺时针转向Y轴正向的角度，β为σ₁的倾角(定义仰角为正)，m_i、n_i的表达式与l_i相同，各角度的含义对应各主应力的方位；

在平剖面上(XOY平面)，最大水平应力σ_H和最小水平应力σ_h的表达式如下：

X轴顺时针转到最大水平应力σ_H的角度θ按下式计算：

按上述步骤确定最大水平应力大小和方向，高地应力条件下洞室轴线与最大水平应力方向呈小角度。

本发明的有益效果是：通过理论计算、综合分析和试验验证，在高地应力条件下，采用最大水平应力方向作为参照标准来确定洞室轴线能够使洞周岩体的自稳能力更强，从而可大幅降低设计风险，减少支护措施，以达到经济安全的目的。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步描述。

高地应力条件下大型洞室轴线选择方法，包括以下步骤：

A、根据需要开挖地下洞室的规模进行工程地质勘察，获取洞室区地应力实测资料和岩体主要结构面特性；

B、按照地应力大小将岩体分为三个等级，分别为低地应力、中地应力和高地应力；

C、在低地应力条件下，根据岩体结构面来确定洞室轴线；中地应力条件下，以岩体结构面为主，地应力为辅来确定洞室轴线；高应力条件下，以地应力为主，岩体结构面为辅确定洞室轴线；

D、在高应力条件下，以最大水平应力作为洞室轴线选择的参照标准，使洞室轴线与最大水平应力方向呈小角度布置。

工程区任意一点的地应力状态具有六个独立的分量，即三个正应力及三个剪应力分量，当三个正应力分量为主应力时，三个剪应力分量为0，工程区的地应力实际上是一个空间地应力场，如何选择洞室轴线使得地应力对洞室围岩的影响最小，这个问题一直没有很好的解决。比如现行规范《水电站厂房设计规范NB/T 35011-2013》中建议高地应力地区，洞室轴线与最大主应力水平投影方向呈小夹角，这条建议只考虑了地应力的最大主应力，没有考虑地应力的其他分量，显然不能充分反映地应力的影响。经过理论分析和试验验证，发现与现行参照标准相比，以最大水平应力作为洞室轴线选择的参照标准，使洞室轴线与最大水平应力方向呈小角度布置能够使周围岩体的自稳能力更强。

本发明主要是确定在高地应力条件下洞室轴线的选择，低地应力和中地应力条件暂不考虑，所谓高地应力指的是岩石强度应力比小于4的情况。

在高地应力条件下辅助考虑岩体结构面时，主要考虑地质断层和优势节理裂隙，原则上以洞室轴线与断层走向呈大角度，与优势节理裂隙走向呈大角度。断层产状和节理裂隙产状在岩体稳定性中所占比重较大，因此在确定洞室轴线的参照标准后，还需要综合考虑一下这两个因素，以便找到使周围岩体的自稳能力最强的布置方式。

在对岩体中某一点的实测地应力进行计算，采用如下公式：

假设正应力以压为正、拉为负，剪应力以顺时针旋转为正、逆时针为负，局部坐标系定义为：X轴正方向为厂房轴线方向，Y轴正方向垂直于X向并指向上游，Z轴正方向竖直向上，定义洞室的三个典型剖面：横剖面(YOZ平面)、纵剖面(ZOX平面)、平剖面(XOY平面)，典型剖面上的最大、最小应力可以由三个主应力及主应力方向换算得到，换算过程如下：

其中σ₁、σ₂、σ₃分别为第一主应力、第二主应力和第三主应力，l_i、m_i、n_i(i＝1,2,3)为主应力方向与OXYZ坐标系各轴夹角的三角函数，以l_i为例：

其中α为σ₁的走向，δ为NOE平面(即XOY平面)上N向顺时针转向Y轴正向的角度，β为σ₁的倾角(定义仰角为正)，m_i、n_i的表达式与l_i相同，各角度的含义对应各主应力的方位；

在平剖面上(XOY平面)，最大水平应力σ_H和最小水平应力σ_h的表达式如下：

X轴顺时针转到最大水平应力σ_H的角度θ按下式计算：

按上述过程确定最大水平应力的大小和方向。横剖面、纵剖面上的最大、最小应力的计算方法与平剖面上相同，需要注意的是各平面上坐标轴方向应满足右手法则。

实施例：

为了验证在高地应力条件下采用最大水平应力方向作为洞室轴线参照标准比采用最大主应力水平投影方向作为参照标准所得到的洞周岩体的自稳能力更强，特设计两个试验方案进行对比。

两个方案采用相同的地应力场(见表1)，地质条件相同，均采用含拉应力截断的摩尔库伦本构模型，岩体物理力学参数相同(见表2)，洞室尺寸相同，边界条件相同。方案一以最大主应力σ₁水平投影方向为洞室轴线方向(NW40.7°)，方案二以最大水平应力σ_H方向为洞室轴线方向(NW24.1°)。计算过程采用特定网格模型进行有限元分析。

表1洞室区地应力场

表2计算采用的岩体物理力学参数

试验结果：方案一最大洞周位移为0.59251m，方案二最大洞周位移为0.58699m；方案一洞周塑性区体积为91692m3，方案二洞周塑性区体积为89376m3。综上可知，方案二的洞周最大位移小于方案一，洞周塑性区体积也小于方案一，方案二的洞周岩体自稳能力更强，说明方案二确定的洞室轴线更优。

Claims (5)

1.高地应力条件下大型洞室轴线选择方法，其特征是，包括以下步骤：

A、根据需要开挖地下洞室的规模进行工程地质勘察，获取洞室区地应力实测资料和岩体主要结构面特性；

B、按照地应力大小将岩体分为三个等级，分别为低地应力、中地应力和高地应力；

C、在低地应力条件下，根据岩体结构面来确定洞室轴线；中地应力条件下，以岩体结构面为主，地应力为辅来确定洞室轴线；高地应力条件下，以地应力为主，岩体结构面为辅确定洞室轴线；

D、在高地应力条件下，以最大水平应力作为洞室轴线选择的参照标准，使洞室轴线与最大水平应力方向呈小角度布置。

2.如权利要求1所述的高地应力条件下大型洞室轴线选择方法，其特征是：步骤A中所勘察的岩体结构面特性包括断层产状、优势节理裂隙产状情况。

3.如权利要求1所述的高地应力条件下大型洞室轴线选择方法，其特征是：对工程区进行地应力水平分级时采用岩石强度应力比来划分，参照GB 50287-2006《水力发电工程地质勘察规范》中岩体初始地应力分级方式，岩石强度应力比小于4考虑为高地应力。

4.如权利要求1所述的高地应力条件下大型洞室轴线选择方法，其特征是：步骤C中在高地应力条件下辅助考虑岩体结构面时，主要考虑地质断层和优势节理裂隙，原则上以洞室轴线与断层走向呈大角度，与优势节理裂隙走向呈大角度布置。

5.如权利要求1所述的高地应力条件下大型洞室轴线选择方法，其特征是，步骤D中的最大水平应力通过以下步骤进行计算：

假设正应力以压为正、拉为负，剪应力以顺时针旋转为正、逆时针为负，局部坐标系定义为：X轴正方向为厂房轴线方向，Y轴正方向垂直于X向并指向上游，Z轴正方向竖直向上，定义洞室的三个典型剖面：横剖面(YOZ平面)、纵剖面(ZOX平面)、平剖面(XOY平面)，典型剖面上的最大、最小应力可以由三个主应力及主应力方向换算得到，换算过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_x=l_1^2{\mathrm{\σ}}_1+m_1^2{\mathrm{\σ}}_2+n_1^2{\mathrm{\σ}}_3\\ {\mathrm{\σ}}_y=l_2^2{\mathrm{\σ}}_1+m_2^2{\mathrm{\σ}}_2+n_2^2{\mathrm{\σ}}_3\\ {\mathrm{\σ}}_z=l_3^2{\mathrm{\σ}}_1+m_3^2{\mathrm{\σ}}_2+n_3^2{\mathrm{\σ}}_3\\ {\mathrm{\τ}}_{xy}=l_1{l}_2{\mathrm{\σ}}_1+m_1{m}_2{\mathrm{\σ}}_2+n_1{n}_2{\mathrm{\σ}}_3\\ {\mathrm{\τ}}_{xz}=l_1{l}_3{\mathrm{\σ}}_1+m_1{m}_3{\mathrm{\σ}}_2+n_1{n}_3{\mathrm{\σ}}_3\\ {\mathrm{\τ}}_{yz}=l_3{l}_2{\mathrm{\σ}}_1+m_3{m}_2{\mathrm{\σ}}_2+n_3{n}_2{\mathrm{\σ}}_3\end{array}\right.;$

其中σ₁、σ₂、σ₃分别为第一主应力、第二主应力和第三主应力，l_i、m_i、n_i(i＝1,2,3)为主应力方向与OXYZ坐标系各轴夹角的三角函数，以l_i为例：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_1=cos(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ})cos\mathrm{\β}\\ l_2=sin(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ})cos\mathrm{\β}\\ l_3=sin\mathrm{\β}\end{array}\right.;$

其中α为σ₁的走向，δ为NOE平面(即XOY平面)上N向顺时针转向Y轴正向的角度，β为σ₁的倾角(定义仰角为正)，m_i、n_i的表达式与l_i相同，各角度的含义对应各主应力的方位；

在平剖面上(XOY平面)，最大水平应力σ_H和最小水平应力σ_h的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_H=\frac{{\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_y}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_y}{2}\right)}^2+{{\mathrm{\τ}}_{xy}}^2}\\ {\mathrm{\σ}}_h=\frac{{\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_y}{2}-\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_x-{\mathrm{\σ}}_y}{2}\right)}^2+{{\mathrm{\τ}}_{xy}}^2}\end{array}\right.;$

X轴顺时针转到最大水平应力σ_H的角度θ按下式计算：

按上述步骤确定最大水平应力，高地应力条件下洞室轴线与最大水平应力方向呈小角度。