CN110569606A - 峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法，通过原位地应力测试与反演分析获得工程区域主应力值和方位及空间分布；利用获得的岩石饱和单轴抗压强度、损伤应力，计算得到损伤应力强度比；采用饱和单轴抗压强度值进行硬岩判断；采用第1主应力量值及岩石强度应力比综合进行高地应力区划分；对于高应力区硬岩地下洞室布置设计，以最大水平主应力方向与主洞室轴线方向的夹角以及围岩扰动应力强度比DSSR作为确定洞室布置的最主要因素；根据围岩扰动应力强度比的判断标准，量化最大水平主应力方向应与主洞室轴线方向的夹角。本发明具有科学、完善、指标明确、易于实施的特点，能够降低施工风险，提高地下洞室群的整体稳定性。

Description

峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法

技术领域

本发明涉及地下洞室设计方法技术领域，具体地指一种峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法，适用于以硬脆性岩石为主的高应力区大型地下洞室布置设计。

背景技术

随着我国西部大开发战略的实施，越来越多的大型水力发电工程和蓄能电站进入兴建期，其中绝大多数都设计有大型或超大型地下洞室群作为主要的水工建筑物。由于西部地区现代地壳活动强烈、高地应力场和外动力地质作用显著，使得西部地区深埋的大型地下洞室群多处于高地应力环境当中。研究表明，高地应力条件下硬岩的破坏模式主要表现为脆性破坏，破坏的深度和范围主要与地应力的量级和岩体质量相关。西部高地应力区已建或在建工程中，高应力破坏现象时有发生，使得在该地区修建大型地下洞室群的稳定与安全问题变得十分突出。

目前相关的规程规范及工程经验，对大型地下洞室布置设计时，一般仅考虑地应力大小和方位、结构面产状等因素，通常要求主洞室轴线与最大主应力成较小夹角，与结构面呈较大夹角。对于岩体质量、地应力量级、工程区域地应力场空间分布特征、岩石强度应力比等因素均未考虑。大量的工程经验表明，工程岩体的破坏模式和变形特征均与岩石强度应力比直接相关，随着岩石强度应力比指标的变化，地下洞室群围岩破坏模式也相应发生改变。对于高地应力区，由于三维地应力场对洞室稳定影响显著，应力张量在水平面的投影，也即最大水平主应力尚取决于三维地应力场的分布，这与传统的初始地应力场第一主应力水平投影是显然不同的。洞室围岩稳定性应由地应力场各分量综合决定，单纯采用最大主应力水平投影方向确定洞室轴线方向不能合理反映地应力场的空间分布特征。

针对传统地下洞室布置设计方法存在的不足，有必要提出一种更为科学和完善的峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，而提出的一种峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法，可以使地下洞室布置设计方法更为科学，考虑的因素更为全面。

为实现上述目的，本发明所设计的一种峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：对工程区域进行原位地应力测试，获取测点第一主应力量值σ₁₀及方位角β₁₀和倾角α₁₀的空间分布，第二主应力量值σ₂₀及方位角β₂₀和倾角α₂₀的空间分布、第三主应力量值σ₃₀及方位角β₃₀和倾角α₃₀的空间分布；

步骤2：根据三维地应力测点信息，采用多源信息融合地应力场反演方法对地应力进行分析，获得工程区域初始第一主应力量值σ₁及方位角β₁和倾角α₁的空间分布，初始第二主应力量值σ₂及方位角β₂和倾角α₂的空间分布，初始第三主应力量值σ₃及方位角β₃和倾角α₃的空间分布；

步骤3：在地应力测试部位钻取岩芯，进行单轴压缩试验，获得岩石饱和单轴抗压强度σ_c和损伤应力σ_cd，由公式计算获得损伤应力强度比λ_cd；

步骤4：根据岩石饱和单轴抗压强度值对工程区域岩质类型进行划分，判别硬岩；

步骤5：根据地应力场反演分析及单轴压缩试验结果，对于初始第一主应力量值σ₁大于20MPa且岩石强度应力比小于4划分的区域为高地应力区；

步骤6：对于满足步骤4)和步骤5)的高应力区硬岩地下洞室进行布置设计，以最大水平主应力方向与主洞室轴线方向的夹角θ以及围岩扰动应力强度比DSSR作为确定洞室布置的最主要因素，且考虑工程区域内岩体主要结构面走向与主体洞室轴线呈较大角度相交；

步骤7：对于高应力区硬岩地下洞室，最大水平主应力方向与主洞室轴线呈锐角相交；

步骤8：采用数值方法计算得到地下洞室开挖后的应力场分布，由公式得到围岩扰动应力强度比，然后根据扰动应力强度比的判断标准，量化最大水平主应力方向应与主洞室轴线方向的夹角，式中，σ₁′为围岩扰动第一主应力，σ₃′为围岩扰动第三主应力。

优选地，所述步骤6)中工程区域内岩体结构面走向与主体洞室轴线呈大角度相交，夹角不小于45°。

优选地，所述步骤7)中最大水平主应力方向与主洞室轴线方向的夹角θ按下式计算：

当时，

当时，

其中，n₁＝sinα₁，m₁＝cosα₁ sin(β₀-β₁)，l₁＝cosα₁ cos(β₀-β₁)，n₂＝sinα₂，m₂＝cosα₂ sin(β₀-β₂)，l₂＝cosα₂ cos(β₀-β₂)，β₀为X正方向与大地坐标系正北方向的顺时针夹角，l₁、m₁、n₁为第一主应力的方向与OXYZ坐标系各轴夹角的函数，l₂、m₂、n₂为第二主应力的方向与OXYZ坐标系各轴夹角的函数；Y方向为OXYZ坐标系下主洞室轴线方向，此时最大水平主应力与主洞室轴线方向的夹角θ即为最大水平主应力在OXYZ坐标系下的方向角，X方向为OXYZ坐标系下与主洞室轴线垂直的方向，Z方向为OXYZ坐标系下铅直向上方向，O为OXYZ坐标系原点。

优选地，所述步骤8)中由围岩扰动应力强度比的判断标准，量化最大水平主应力方向应与主洞室轴线方向的夹角的方法为：当DSSR＜λ_cd时，最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角θ不大于35°；当DSSR≥λ_cd时，最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角θ不大于25°。

与现有设计方法相比，本发明提出了一种峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法，主要根据最大水平主应力方向与主洞室轴线方向的夹角、围岩结构面特征、岩石强度应力比和围岩扰动应力强度比等指标进行地下洞室轴线布置量化设计。本发明全面考虑了影响高应力区硬岩大型地下洞室围岩稳定的主要因素，采用本方法进行布置设计，比传统布置方法更为科学、完善、指标明确、易于实施，能够降低施工风险，提高地下洞室群的整体稳定性。

附图说明

图1为本发明一种峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法的流程图。

图2为本发明中地下洞室主厂房不同部位位移随岩体主要结构面走向与主体洞室轴线夹角变化趋势图。

图3为本发明中地下洞室开挖后围岩扰动应力强度比的大小及其分布情况。

图4为本发明中将最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角θ调整到25°后，地下洞室开挖后围岩扰动应力强度比的大小及其分布情况。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明一种峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法的实施步骤如下：

步骤1：在初步拟定的地下洞室布置区域内通过现场勘探平硐选取典型部位进行原位地应力测试，本例中地应力测试仪器为空心包体式钻孔三向应变计，测试方法为应力解除法，获取测点第一主应力量值σ₁₀及方位角β₁₀和倾角α₁₀，第二主应力量值σ₂₀空间分布及方位角β₂₀和倾角α₂₀，第三主应力量值σ₃₀及方位角β₃₀和倾角α₃₀的空间分布。地应力测点数量应不少于4点。

步骤2：根据测点地应力值，建立包含整个工程区域的三维数值模型，采用考虑河谷深切和剪应力修正作用的多源信息融合地应力场反演方法对地应力进行分析，获得工程区域初始第一主应力量值σ₁及方位角β₁和倾角α₁的空间分布，初始第二主应力量值σ₂及方位角β₂和倾角α₂的空间分布，初始第三主应力量值σ₃及方位角β₃和倾角α₃的空间分布。

步骤3：在地应力测试部位钻取岩芯，将岩芯加工成直径和高度比为1:2的圆柱形岩样圆柱形岩样，并确保岩样的完整性和均质性。采用滚珠丝杆与液压伺服联合控制的刚性试验机进行单轴压缩试验，获得岩石饱和单轴抗压强度σ_c和损伤应力σ_cd，由公式计算获得损伤应力强度比λ_cd。

步骤4：根据单轴压缩试验得到的岩石饱和单轴抗压强度值对工程区域岩质类型进行划分，岩石饱和单轴抗压强度大于60MPa为硬岩。

步骤5：根据地应力场反演分析及单轴压缩试验结果，计算获得岩石强度应力比值对于初始第一主应力量值σ₁大于20MPa且岩石强度应力比小于4划分为高地应力区。

步骤6：对于高应力区硬岩地下洞室布置设计，主要考虑地应力和岩体结构面的影响，且以最大水平主应力方向与主洞室轴线方向的夹角以及围岩扰动应力强度比DSSR作为确定洞室布置的主要因素。根据工程规模对工程区域进行相应的工程地质勘察工作，查明主要结构面的产状和性状。考虑工程区域内岩体主要结构面走向与主体洞室轴线呈较大角度相交。

以锦屏一级水电站地下厂房洞室群为工程背景，对于高地应力区地下厂房主洞室纵轴线布置设计，采用三维数值分析方法，定量化论证了主洞室纵轴线方向与主要结构面走向夹角对主洞室稳定的影响规律。主厂房围岩位移曲线分为两个部分，结构面夹角从80°减小为45°时，位移值增长缓慢；夹角从45°减小为10°时，位移值迅速增长，最大增长幅度可达206％。分析结果表明，岩体主要结构面走向与主体洞室轴线夹角一般应不小于45°。

步骤7：对于高应力区硬岩地下洞室，最大水平主应力方向应与主洞室轴线呈小角度相交。根据地应力场反演得到工程区域空间主应力值大小以及主应力的倾角和方位角，通过以下公式计算得到最大水平主应力与主洞室轴线方向的夹角θ：

当时，

当时，

其中，n₁＝sinα₁，m₁＝cosα₁ sin(β₀-β₁)，l₁＝cosα₁ cos(β₀-β₁)，n₂＝sinα₂，m₂＝cosα₂ sin(β₀-β₂)，l₂＝cosα₂ cos(β₀-β₂)，β₀为X正方向与大地坐标系正北方向的顺时针夹角，l₁、m₁、n₁为第一主应力的方向与OXYZ坐标系各轴夹角的函数，l₂、m₂、n₂为第二主应力的方向与OXYZ坐标系各轴夹角的函数；Y方向为OXYZ坐标系下主洞室轴线方向，此时最大水平主应力与主洞室轴线方向的夹角θ即为最大水平主应力在OXYZ坐标系下的方向角，X方向为OXYZ坐标系下与主洞室轴线垂直的方向，Z方向为OXYZ坐标系下铅直向上方向，O为OXYZ坐标系原点。

步骤8：根据以上步骤设计地下洞室布置方案，建立三维数值模型，采用有限元或有限差分法计算洞室开挖后的应力分布，由公式可以得到围岩扰动应力强度比的大小及分布情况，式中，σ₁′为围岩扰动第一主应力，σ₃′为围岩扰动第三主应力。通过对高应力环境下硬岩破坏特性开展的大量岩石力学试验得到损伤强度一般统计值为0.85倍岩石单轴饱和抗压强度，故损伤应力强度比λ_cd取0.85作为发生高应力破坏判别值。当DSSR＜λ_cd时，洞室围岩稳定性较好，最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角θ应不大于35°；当DSSR≥λ_cd时，洞室围岩会发生较为明显的高应力破坏，最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角θ应不大于25°。

以锦屏一级水电站地下厂房洞室群为工程背景，针对高地应力区地下厂房主洞室布置设计，采用三维数值分析方法，计算得到地下洞室开挖后围岩扰动应力强度比DSSR的大小及其分布情况。主厂房下游拱座以及上游边墙底部DSSR值大于0.85，这些部位会出现明显的高应力破坏，计算得到的高应力破坏区域与实际施工过程中出现破坏的区域吻合。根据计算结果，锦屏一级水电站地下洞室布置设计时，最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角θ应不大于25°。将夹角θ调整为25°后，主厂房DSSR值小于0.85，不会出现高应力破坏。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：对工程区域进行原位地应力测试，获取测点第一主应力量值σ₁₀及方位角β₁₀和倾角α₁₀的空间分布，第二主应力量值σ₂₀及方位角β₂₀和倾角α₂₀的空间分布、第三主应力量值σ₃₀及方位角β₃₀和倾角α₃₀的空间分布；

步骤2：根据三维地应力测点信息，采用多源信息融合地应力场反演方法对地应力进行分析，获得工程区域初始第一主应力量值σ₁及方位角β₁和倾角α₁的空间分布，初始第二主应力量值σ₂及方位角β₂和倾角α₂的空间分布，初始第三主应力量值σ₃及方位角β₃和倾角α₃的空间分布；

步骤3：在地应力测试部位钻取岩芯，进行单轴压缩试验，获得岩体饱和单轴抗压强度σ_c和损伤应力σ_cd，由公式计算获得损伤应力强度比λ_cd；

步骤4：根据岩石饱和单轴抗压强度值对工程区域岩质类型进行划分，岩石饱和单轴抗压强度大于60MPa判别为硬岩；

步骤5：根据地应力场反演分析及单轴压缩试验结果，对于初始第一主应力量值σ₁大于20MPa且岩石强度应力比小于4划分的区域为高地应力区；

步骤6：对于满足步骤4)和步骤5)的高应力区硬岩地下洞室进行布置设计，以最大水平主应力方向与主洞室轴线方向的夹角以及围岩扰动应力强度比DSSR作为确定洞室布置的最主要因素，且考虑工程区域内岩体主要结构面走向与主体洞室轴线呈较大角度相交；

步骤7：对于高应力区硬岩地下洞室，最大水平主应力方向与主洞室轴线呈锐角相交；

步骤8：采用数值方法计算得到地下洞室开挖后的应力场分布，由公式得到围岩扰动应力强度比，然后根据扰动应力强度比的判断标准，量化最大水平主应力方向应与主洞室轴线方向的夹角，式中，σ′₁为围岩扰动第一主应力，σ′₃为围岩扰动第三主应力。

2.根据权利要求1所述的峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法，其特征在于：所述步骤6)中工程区域内岩体结构面走向与主体洞室轴线呈大角度相交，夹角不小于45°。

3.根据权利要求1所述的峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法，其特征在于：所述步骤7)中最大水平主应力方向与主洞室轴线方向的夹角θ按下式计算：

当时，

当时，

其中，n₁＝sinα₁，m₁＝cosα₁sin(β₀-β₁)，l₁＝cosα₁cos(β₀-β₁)，n₂＝sinα₂，m₂＝cosα₂sin(β₀-β₂)，l₂＝cosα₂cos(β₀-β₂)，β₀为X正方向与大地坐标系正北方向的顺时针夹角，l₁、m₁、n₁为第一主应力的方向与OXYZ坐标系各轴夹角的函数，l₂、m₂、n₂为第二主应力的方向与OXYZ坐标系各轴夹角的函数；Y方向为OXYZ坐标系下主洞室轴线方向，此时最大水平主应力与主洞室轴线方向的夹角θ即为最大水平主应力在OXYZ坐标系下的方向角，X方向为OXYZ坐标系下与主洞室轴线垂直的方向，Z方向为OXYZ坐标系下铅直向上方向，O为OXYZ坐标系原点。

4.根据权利要求1所述的峡谷高应力区硬岩大型地下洞室轴线布置量化设计方法，其特征在于：所述步骤8)中由围岩扰动应力强度比的判断标准，量化最大水平主应力方向应与主洞室轴线方向的夹角的方法为：当DSSR＜λ_cd时，最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角θ不大于35°；当DSSR≥λ_cd时，最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角θ不大于25°。