[发明专利]一种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。