[发明专利]大型地下洞室群布置设计方法

说明书

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。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，其岩石强度相比明显偏低。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大型地下洞室群布置设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的大型地下洞室群布置设计方法，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，在确定主洞室轴线方位时，首先测得施工处岩体主要结构面走向和最大主应力方位，以主洞室轴线同岩体主要结构面走向和最大主应力方位的夹角来确定主洞室轴线方位，主洞室轴线与岩体主要结构面走向的夹角不小于40°，主洞室轴线与最大主应力方位的夹角为0～40°。

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，当岩石强度应力比大于7.0时，主洞室轴线与岩体主要结构面走向的夹角不小于60°；当岩石强度应力比为2.0～4.0时，主洞室轴线与最大主应力方位的夹角在15～40°范围取值且岩石强度应力比越低取值越小。