一種大型地下洞室群布置設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及地下洞室設(shè)計方法，其公開了一種在水利水電工程、地下儲庫工程運用的大型地下洞室群布置設(shè)計方法，更為科學(xué)合理的確定地下洞室群的位置。本發(fā)明在確定主洞室群縱軸線方位、主洞室的洞形和尺寸、洞室間距的基礎(chǔ)上，綜合考慮巖石強度應(yīng)力比、場址區(qū)地應(yīng)力場特征、洞室群效應(yīng)、主洞室尺寸等影響地下洞室群布置的關(guān)鍵因素，進一步確定主洞室群谷坡側(cè)巖體厚度和上覆巖體厚度。本發(fā)明提出的谷坡地應(yīng)力特征的量化分析方法、谷坡側(cè)巖體厚度的計算公式、洞室群上覆巖體厚度的確定方法，不僅科學(xué)合理，而且量化程度高，可操作性強，便于設(shè)計人員應(yīng)用，適用于各種地應(yīng)力水平和復(fù)雜地質(zhì)條件下的大型地下洞室群布置設(shè)計。
【專利說明】一種大型地下洞室群布置設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地下洞室設(shè)計方法，尤其是一種在水利水電工程、地下儲庫工程運用的大型地下洞室群布置設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在水利水電工程、地下儲庫工程等領(lǐng)域，均涉及地下洞室群的合理布置設(shè)計問題，特別是我國西部地區(qū)水電站地下廠房，其洞室群規(guī)模較大，往往處于高山峽谷地區(qū)，具有洞室埋深大、地應(yīng)力高、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點，從而使大型地下洞室群圍巖的穩(wěn)定和安全問題變得十分突出。近幾年來巖石力學(xué)領(lǐng)域相關(guān)專家及地下工程建設(shè)者越來越清楚的意識到，巖石基本強度、地應(yīng)力、圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、支護強度是決定地下工程圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵性因素，洞室開挖尺寸與群洞效應(yīng)、施工開挖順序、爆破方式、支護的及時性等也都會對洞室圍巖的穩(wěn)定造成一定影響；而在其他條件基本相同的情況下，不同的巖石強度應(yīng)力比將導(dǎo)致地下洞室群圍巖表現(xiàn)出不同的變形破壞特征。
[0003]水電站地下廠房主要由主廠房、主變洞、尾調(diào)(閘)室、引水洞、尾水洞、母線洞、出線洞(井)、交通洞、施工支洞等組成，形成了以主廠房、主變洞、尾調(diào)(閘)室為中心相互連接的地下洞室群。由于洞室之間布置緊湊，開挖后洞室之間相互影響，形成群洞效應(yīng)，其強烈程度將影響洞室群的圍巖穩(wěn)定。正是由于洞室群效應(yīng)的存在，在進行洞室群布置時，必須合理利用和充分考慮其影響，將地下洞室群作為一個整體考慮。
[0004]現(xiàn)代隧洞的柔性支護以“充分發(fā)揮圍巖承載能力”為核心。目前大型地下洞室的支護設(shè)計也是采用柔性系統(tǒng)支護，分三個階段分步實施的噴混凝土層、系統(tǒng)錨桿和系統(tǒng)錨索的總支護強度一般在0.2?0.3MPa之間，遠(yuǎn)低于初始地應(yīng)力水平，幾乎不能限制圍巖的卸荷變形，這已在多年來的洞室圍巖數(shù)值分析和工程實踐中得到證實。正是由于柔性支護以“充分發(fā)揮圍巖承載能力”為核心，且支護的強度和作用極為有限，在進行洞室群布置設(shè)計時，首先應(yīng)使洞室圍巖在開挖后不依靠柔性支護力就能達到某種程度的穩(wěn)定平衡。因此，合理的布置設(shè)計是保證大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定和安全的先決條件。
[0005]SD335—1989《水電站廠房設(shè)計規(guī)范(試行)》、SL266— 2001《水電站廠房設(shè)計規(guī)范》、NB/T35011— 2013《水電站廠房設(shè)計規(guī)范》提供的傳統(tǒng)技術(shù)在進行地下洞室群布置時，一般僅考慮地應(yīng)力大小和方向、巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、洞室尺寸、內(nèi)部布置要求等因素，對巖石強度應(yīng)力比、場址區(qū)地應(yīng)力分布特征、洞室群效應(yīng)等因素不予以考慮，還未意識到洞室群谷坡側(cè)巖體，既有其作為洞室群圍巖的穩(wěn)定問題，也有其作為邊坡的穩(wěn)定問題。由于傳統(tǒng)技術(shù)在進行地下洞室群布置時，忽略了巖石強度應(yīng)力比、場址區(qū)地應(yīng)力場特征、洞室群效應(yīng)等重要因素，按其確定的大型地下洞室群主洞室的布置不盡合理，從而可能導(dǎo)致高地應(yīng)力環(huán)境、圍巖強度相對較低條件下的地下洞室群圍巖在開挖卸荷后發(fā)生較為嚴(yán)重的圍巖變形破壞現(xiàn)象，如圍巖巖爆、時效大變形、圍巖松弛深度大、圍巖壓裂等，威脅工程安全并造成工期滯后和投資增加。如某水電站地下廠房地質(zhì)條件極為復(fù)雜，洞室群規(guī)模大，在施工開挖過程中出現(xiàn)了洞室圍巖時效大變形、高邊墻裂隙明顯錯動、主廠房下游拱腰圍巖劈裂破壞、巖體片狀剝落、表層巖體壓裂等較為嚴(yán)重的變形破壞現(xiàn)象，同時洞周松弛區(qū)最大深度達到了一般工程的2?5倍且持續(xù)發(fā)展、數(shù)值計算模型中主洞室間塑性區(qū)連通、錨桿錨索拉力值超限情況較為嚴(yán)重，給洞室圍巖穩(wěn)定性和施工期人員設(shè)備安全帶來威脅，使得洞室群在開挖支護過程中遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為此該工程停止開挖實施加強支護，造成投資增加、工期滯后約一年時間。分析認(rèn)為上述變形破壞情況的原因主要與地應(yīng)力高而巖石強度相對較低、圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育、洞室位置離谷坡較近、洞室間距過小、支護強度和時機等因素有關(guān)。
[0006]巖石強度應(yīng)力比指標(biāo)與前一電站接近的另一工程，在主廠房、主變室和尾調(diào)室僅開挖了 2?3層的情況下，圍巖松弛深度為:主廠房上游側(cè)2?5m不等，下游側(cè)2?Sm不等，主變室3?6m，尾調(diào)室0.5?4m，其松弛深度明顯偏大，已達到甚至超過官地、瀑布溝水電站等全部開挖完成后的圍巖松弛深度，也不得不暫停施工進行加強支護。
[0007]可見，SD335—1989《水電站廠房設(shè)計規(guī)范(試行)》、SL266— 2001《水電站廠房設(shè)計規(guī)范》、NB/T35011— 2013《水電站廠房設(shè)計規(guī)范》提供的現(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)忽略了巖石強度應(yīng)力比、場址區(qū)地應(yīng)力場特征、洞室群效應(yīng)等重要因素，并不適用于巖石強度應(yīng)力比較低條件下的大型水電站地下洞室群布置設(shè)計，并且其用于設(shè)計的相關(guān)指標(biāo)量化程度不夠，操作性不強，難以應(yīng)對日益復(fù)雜的地質(zhì)條件。
[0008]在確定地下洞室群的位置時，專利申請(申請?zhí)?01310234648.0，201310234638.7,201310234651.2,201310234313.9)在已公開的技術(shù)內(nèi)容中，指出大型地下洞室群主洞室的位置應(yīng)避開谷坡應(yīng)力松弛帶和應(yīng)力集中區(qū)，并超過應(yīng)力分布極不穩(wěn)定的應(yīng)力過渡區(qū)邊緣；分別按巖石強度應(yīng)力比為2.0?4.0,4.0?7.0、大于7.0三種情況確定主洞室外緣到谷坡面的巖體厚度，該厚度在150?400m之間，相關(guān)參數(shù)可以適當(dāng)調(diào)整。然而，其給出的方法量化程度也還不夠，相關(guān)參數(shù)可供取值的范圍較大，對工程類比和工程經(jīng)驗的依賴程度較高，還有較大的改進空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提出一種新的大型地下洞室群布置設(shè)計方法，更為科學(xué)合理的確定地下洞室群的位置。
[0010]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0011]一種大型地下洞室群布置設(shè)計方法，包括:
[0012]在確定主洞室群縱軸線方位、主洞室的洞形和尺寸、洞室間距的基礎(chǔ)上，綜合考慮巖石強度應(yīng)力比、場址區(qū)地應(yīng)力場特征、洞室群效應(yīng)、主洞室尺寸等影響地下洞室群布置的關(guān)鍵因素，進一步確定主洞室群谷坡側(cè)巖體厚度和上覆巖體厚度。
[0013]該方法具體包括步驟:
[0014]a.首先通過現(xiàn)場勘探、測試和分析，獲得施工地具有代表性的地應(yīng)力測試點的地應(yīng)力測試成果；
[0015]b.根據(jù)地應(yīng)力測試成果，建立三維數(shù)值模型，反演河谷谷坡的地應(yīng)力場，分析河谷谷坡地應(yīng)力場特征，計算巖石強度應(yīng)力比指標(biāo)RSS ；
[0016]c.確定主洞室群縱軸線方位；
[0017]d.確定主洞室的洞形和尺寸；
[0018]e.確定主洞室間距；[0019]f.考慮洞室群效應(yīng)，根據(jù)巖石強度應(yīng)力比、谷坡側(cè)應(yīng)力集中區(qū)的中心位置、主洞室最大跨度、谷坡側(cè)主洞室高度等確定洞室群谷坡側(cè)巖體厚度；
[0020]g.考慮洞室群效應(yīng)，根據(jù)巖石強度應(yīng)力比確定洞室群上覆巖體厚度。
[0021]具體的，步驟a中，所述地應(yīng)力測試點的數(shù)量在6個以上。
[0022]具體的，步驟b中，對地應(yīng)力反演的三維數(shù)值模型的要求為:長度、寬度、高度均應(yīng)達到1000m以上，且滿足主洞室群的上、下游和左、右兩側(cè)均有400m以上平面空間，主洞室底部以下的巖體高度大于400m ;且模型應(yīng)考慮計算范圍內(nèi)已揭示的主要一級結(jié)構(gòu)面，包括斷層、規(guī)模較大的錯動帶等。
[0023]具體的，步驟b中，所述反演河谷谷坡的地應(yīng)力場包括:垂直于河谷谷坡面走向作多個剖面，給出第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的應(yīng)力等值線圖、應(yīng)力矢量圖。
[0024]具體的，步驟b中，所述分析河谷谷坡地應(yīng)力場特征包括:在應(yīng)力等值線圖上，通過主洞室頂部、中部和頂部高程處分別作一水平線，該水平線與應(yīng)力等值線相交的交點對應(yīng)的應(yīng)力量值即為相應(yīng)位置的地應(yīng)力量值；以所作水平線與谷坡的交點為原點，以水平位置為橫坐標(biāo)，以交點應(yīng)力量值為縱坐標(biāo)，即可作出相應(yīng)高程處的應(yīng)力與位置關(guān)系曲線，對某一高程的應(yīng)力與位置關(guān)系曲線而言，谷坡面附近曲線最高點對應(yīng)位置即為應(yīng)力集中區(qū)的中心，谷坡內(nèi)側(cè)曲線最低點對應(yīng)位置即應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)外緣。
[0025]具體的，步驟f中，所述確定洞室群谷坡側(cè)巖體厚度的具體方法為:
[0026]若主洞室縱軸線與谷坡面走向垂直Lr = Li+mB+c
[0027]若主洞室縱軸線與谷坡面走向平行L = L^mH+c
[0028]式中:Lr為待定的谷坡側(cè)巖體厚度A為主洞室頂部高程谷坡側(cè)應(yīng)力集中區(qū)的中心至谷坡面的水平距離為主洞室最大跨度；H為谷坡側(cè)主洞室高度；c為預(yù)留水平距離，可取30~50m ；m為應(yīng)力影響深度系數(shù)，根據(jù)巖石強度應(yīng)力比RSS取值:RSS7時取1.0 ;4 RSS ≤ 7 時取 1.0 ~1.5 ;2 RSS < 4 時取 1.5 ~2.0 ；RSS < 2 時取值 2.0 ~2.5 ;可中間插值。
[0029]具體的，步驟g中，所述確定洞室群上覆巖體厚度的具體方法為:
[0030]設(shè)洞室群上覆巖體厚度以H。表示，
[0031]當(dāng)RSS7時，H。較大洞室跨度的2倍或洞室群寬度的0.5倍；4≤RSS < 7時，Hc取洞室群寬度的0.5~1.0倍；2RSS < 4時，H。取洞室群寬度的1.0~1.5倍；RSS< 2時，H。取洞室群寬度的1.5~2.0倍。
[0032]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提出的確定大型地下洞室群位置的方法，考慮了巖石強度應(yīng)力比、場址區(qū)地應(yīng)力場特征、洞室群效應(yīng)、主洞室尺寸等影響地下洞室群布置的關(guān)鍵因素，適用于各種地應(yīng)力水平和復(fù)雜地質(zhì)條件下的大型地下洞室群布置設(shè)計。提出的谷坡地應(yīng)力特征的量化分析方法、谷坡側(cè)巖體厚度的計算公式、洞室群上覆巖體厚度的確定方法，不僅科學(xué)合理，而且量化程度高，可操作性強，便于設(shè)計人員應(yīng)用。
【具體實施方式】
[0033]本發(fā)明是在已確定主洞室群縱軸線方位、主洞室的洞形和尺寸、洞室間距的基礎(chǔ)上，考慮巖石強度應(yīng)力比、場址區(qū)地應(yīng)力場特征、洞室群效應(yīng)、主洞室尺寸等影響地下洞室群布置的關(guān)鍵因素，進一步確定主洞室群谷坡側(cè)巖體厚度和上覆巖體厚度。巖石強度應(yīng)力比是指巖石飽和單軸抗壓強度與巖體初始地應(yīng)力最大主應(yīng)力量值的比值，與GB50287-2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中“巖石強度應(yīng)力比”的定義一致，當(dāng)然也可用“圍巖強度應(yīng)力比”、“巖石應(yīng)力強度比”、“圍巖應(yīng)力強度比”指標(biāo)替代本發(fā)明中的“巖石應(yīng)力強度比”。在進行布置設(shè)計時，均采用“巖石強度應(yīng)力比”這個指標(biāo)，該指標(biāo)是巖體初始地應(yīng)力分級的主要依據(jù)，其物理意義類似于地下洞室圍巖的承載力安全系數(shù)，即巖石強度應(yīng)力比高時洞室圍巖承載力安全系數(shù)大，巖石強度應(yīng)力比低時洞室圍巖承載力安全系數(shù)小。
[0034]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述:
[0035]I)首先通過現(xiàn)場勘探、測試和分析，獲得施工地具有代表性的地應(yīng)力測點的地應(yīng)力的測試成果，地應(yīng)力測試點的數(shù)量通常在6個及以上；獲得巖石強度等相關(guān)試驗成果及其他勘探成果(如覆蓋層厚度、巖體結(jié)構(gòu)面分布等)。
[0036]2)根據(jù)地應(yīng)力測試成果，建立三維數(shù)值模型，反演河谷谷坡的地應(yīng)力場，分析河谷谷坡地應(yīng)力場特征，計算巖石強度應(yīng)力比指標(biāo)RSS ;本發(fā)明對地應(yīng)力反演的三維數(shù)值模型的特殊要求為:長度、寬度、高度一般均應(yīng)達到IOOOm以上，且滿足主洞室群的上、下游和左、右兩側(cè)均有400m以上平面空間，主洞室底部以下的巖體高度大于400m ;模型應(yīng)考慮計算范圍內(nèi)已揭示的主要一級結(jié)構(gòu)面，如斷層、規(guī)模較大的錯動帶等。
[0037]在進行河谷谷坡的地應(yīng)力場反演時，垂直于河谷谷坡面走向作若干剖面，給出第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的應(yīng)力等值線圖、應(yīng)力矢量圖等。接著分析谷坡的地應(yīng)力場特征:在應(yīng)力等值線圖上，通過主洞室頂部、中部和頂部高程處分別作一水平線，該水平線將與應(yīng)力等值線相交形成若干交點，交點的應(yīng)力量值即為相應(yīng)位置的地應(yīng)力量值；以所作水平線與谷坡的交點為原點，以水平位置為橫坐標(biāo)，以交點應(yīng)力量值為縱坐標(biāo)，即可作出相應(yīng)高程處的應(yīng)力與位置關(guān)系曲線，進一步對關(guān)系曲線進行分析，對某一高程的應(yīng)力與位置關(guān)系曲線而言，谷坡面附近曲線最高點對應(yīng)位置即為應(yīng)力集中區(qū)的中心，谷坡內(nèi)側(cè)曲線最低點對應(yīng)位置即應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)外緣。
[0038]3)確定主洞室群縱軸線方位:首先測得施工地巖體主要結(jié)構(gòu)面走向和最大主應(yīng)力方位，在滿足結(jié)構(gòu)功能和總體布置要求的前提下，結(jié)合巖石強度應(yīng)力比、地應(yīng)力方位、圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征，并按照與最大主應(yīng)力方位呈較小夾角、與巖體主要結(jié)構(gòu)面走向呈較大夾角的原則綜合確定主洞室群縱軸線方位。在第一主應(yīng)力和第二主應(yīng)力量值較為接近的情況下，應(yīng)按照與第一主應(yīng)力或第二主應(yīng)力中的水平分力較大者呈較小夾角、與巖體主要結(jié)構(gòu)面走向呈較大夾角的原則選擇主洞室縱軸線方位。
[0039]4)確定主洞室的洞形和尺寸:在確定主洞室洞形時，根據(jù)功能將主洞室分為地下主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室三類，地下主廠房和主變室的洞形采用采用圓拱直墻形或卵形，尾水調(diào)壓室采用圓筒形或長廊形；當(dāng)巖石強度應(yīng)力比為2.0?4.0時，尾水調(diào)壓室采用圓筒形；當(dāng)巖石強度應(yīng)力比小于2.0時，地下主廠房和主變室采用卵形；圓拱直墻形的地下主廠房和主變室的參數(shù)采用以下方式確定:巖石強度應(yīng)力比為2.0?4.0，圓拱直墻形斷面的頂拱矢跨比取1/3.0?1/3.5 ;巖石強度應(yīng)力比為4.0?7.0時，圓拱直墻形斷面的頂拱矢跨比取1/3.5?1/4.0 ;巖石強度應(yīng)力比大于7.0時，圓拱直墻形斷面的頂拱矢跨比取1/4.0 ?1/4.5。
[0040]5)確定主洞室間距:采用主洞室間距的計算公式或采用基于巖石強度應(yīng)力比和工程經(jīng)驗的方法來確定主洞室間距。[0041]6)確定洞室群谷坡側(cè)巖體厚度:洞室群所需谷坡側(cè)巖體厚度的確定需要基于如下認(rèn)識:a)廠房縱軸線與岸坡垂直時，谷坡側(cè)巖體厚度為洞室群的端部，由于單個洞室斷面為窄高型，巖石強度應(yīng)力比低時，開挖后主洞室端部之間的應(yīng)力場調(diào)整區(qū)可能相互連通，但洞室群效應(yīng)并不明顯，其影響深度一般為單洞室寬度的I~2倍；b)廠房縱軸線與岸坡平行時，谷坡側(cè)巖體厚度為洞室群的高邊墻，開挖后的應(yīng)力場調(diào)整區(qū)深度與谷坡側(cè)主洞室的高度有關(guān)，其影響深度為洞高的I~2倍，對窄高型主洞室而言，該情況所需谷坡側(cè)巖體厚度大幅度超出與岸坡垂直時；c)洞室群谷坡側(cè)巖體，既是洞室群圍巖，又是河谷邊坡，應(yīng)同時保證其穩(wěn)定安全性；d)巖石強度應(yīng)力比從中等水平上升至高水平時，洞室邊墻的變形范圍對巖石強度應(yīng)力比的變化較為敏感；e)在河谷谷坡附近的應(yīng)力集中區(qū)，第一主應(yīng)力最大值可達到穩(wěn)定應(yīng)力區(qū)的1.5~2.0倍,且應(yīng)力集中區(qū)附近的地應(yīng)力大小、方向變化劇烈，不利于該地下洞室群的穩(wěn)定；f)第三主應(yīng)力由谷坡面向坡內(nèi)一般呈單調(diào)上升，主要受洞室埋深的影響；g)第二主應(yīng)力量值在應(yīng)力過渡區(qū)內(nèi)變化不大。
[0042]本發(fā)明給出了具體的計算公式: [0043]若主洞室縱軸線與谷坡面走向垂直Lr = Li+mB+c
[0044]若主洞室縱軸線與谷坡面走向平行L = L^mH+c
[0045]式中:Lr為待定的谷坡側(cè)巖體厚度(水平向)；U為主洞室頂部高程谷坡側(cè)應(yīng)力集中區(qū)的中心至谷坡面的水平距離；B為主洞室最大跨度；H為谷坡側(cè)主洞室高度；c為預(yù)留水平距離，可取30~50m ；m為應(yīng)力影響深度系數(shù)，根據(jù)巖石強度應(yīng)力比RSS取值:RSS ^ 7時取1.0 ;4≤RSS < 7時取1.0~1.5 ;2≤RSS < 4時取1.5~2.0 ；RSS < 2時取值2.0~
2.5 ;可中間插值。
[0046]7)確定洞室群上覆巖體厚度:根據(jù)巖石強度應(yīng)力比RSS確定洞室群的上覆巖體厚度H。:當(dāng)RSS≤7時取H?！茌^大洞室跨度的2倍或洞室群寬度的0.5倍；4≤RSS < 7時，取洞室群寬度的0.5~1.0倍；2≤RSS < 4時取洞室群寬度的1.0~1.5倍；RSS < 2時取洞室群寬度的1.5~2.0倍。對于上述洞室群上覆巖體厚度的確定主要基于對主應(yīng)力等值線圖的如下認(rèn)識:a)巖石強度應(yīng)力比為4.4~5.6時，單個主洞室頂拱最大變形僅為
0.05mm,洞室群上部變形約為0.025mm,洞室群效應(yīng)不明顯，洞頂變形深度與洞室群寬度的相關(guān)性很?。籦)隨著巖石強度應(yīng)力比的逐漸降低，主洞室的上部變形量值和變形深度明顯增大，與洞室群的寬度相關(guān)性增強，洞室群效應(yīng)也越明顯。
[0047]此外，地下洞室群主洞室的位置還應(yīng)避開向斜核部地帶和活斷層，盡量避開非活動區(qū)域性斷層、普通斷層及其影響帶等規(guī)模較大結(jié)構(gòu)面。
[0048]相對于傳統(tǒng)技術(shù)，本發(fā)明方案的優(yōu)勢如下:
[0049](I)提出的確定大型地下洞室群位置的方法，考慮了巖石強度應(yīng)力比、場址區(qū)地應(yīng)力場特征、洞室群效應(yīng)、主洞室尺寸等影響地下洞室群布置的關(guān)鍵因素，適用于各種地應(yīng)力水平和復(fù)雜地質(zhì)條件下的大型地下洞室群布置設(shè)計。
[0050](2)提出了谷坡地應(yīng)力特征的量化分析方法、谷坡側(cè)巖體厚度的計算公式、洞室群上覆巖體厚度的確定方法，不僅科學(xué)合理，而且量化程度高，可操作性強。
[0051](3)按本方法進行地下洞室群的布置設(shè)計，可大幅降低設(shè)計風(fēng)險，避免地下洞室群圍巖在開挖期間發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞現(xiàn)象，可減少圍巖的二次加強支護成本，降低工期滯后風(fēng)險、施工期安全風(fēng)險，確保運行安全，具有顯著的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。[0052](4)經(jīng)濟和環(huán)境效益計算:以大型水電站地下廠房為例，若地下廠房洞室群的布置設(shè)計不合理，施工過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的圍巖變形破壞或支護受力異常需要加固處理時，所需加固處理時間短則數(shù)月，長則一年。不計加固直接成本，僅按裝機1000MW電站、年利用4000小時、減少工期延遲4個月、上網(wǎng)電價0.3元/kW.h計，可減少清潔能源發(fā)電損失13.3億kW.h (約4億元)，相當(dāng)于節(jié)煤478萬t，減排二氧化碳1044萬t。
【權(quán)利要求】
1.一種大型地下洞室群布置設(shè)計方法，其特征在于， 在確定主洞室群縱軸線方位、主洞室的洞形和尺寸、洞室間距的基礎(chǔ)上，綜合考慮巖石強度應(yīng)力比、場址區(qū)地應(yīng)力場特征、洞室群效應(yīng)、主洞室尺寸這些影響地下洞室群布置的關(guān)鍵因素，進一步確定主洞室群谷坡側(cè)巖體厚度和上覆巖體厚度； 具體包括步驟: a.首先通過現(xiàn)場勘探、測試和分析，獲得施工地具有代表性的地應(yīng)力測試點的地應(yīng)力測試成果； b.根據(jù)地應(yīng)力測試成果，建立三維數(shù)值模型，反演河谷谷坡的地應(yīng)力場，分析河谷谷坡地應(yīng)力場特征，計算巖石強度應(yīng)力比指標(biāo)RSS ； c.確定主洞室群縱軸線方位； d.確定主洞室的洞形和尺寸； e.確定主洞室間距； f.考慮洞室群效應(yīng)，根據(jù)巖石強度應(yīng)力比、谷坡側(cè)應(yīng)力集中區(qū)的中心位置、主洞室最大跨度、谷坡側(cè)主洞室高度確定洞室群谷坡側(cè)巖體厚度； g.考慮洞室群效應(yīng)，根據(jù)巖石強度應(yīng)力比確定洞室群上覆巖體厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種大型地下洞室群布置設(shè)計方法，其特征在于，步驟a中，所述地應(yīng)力測試點的數(shù)量在6個以上。
3.如權(quán)利要求1所述的一種大型地下洞室群布置設(shè)計方法，其特征在于，步驟b中，對地應(yīng)力反演的三維數(shù)值模型的要求為:長度、寬度、高度均應(yīng)達到1000m以上，且滿足主洞室群的上、下游和左、右兩側(cè)均有400m以上平面空間，主洞室底部以下的巖體高度大于400m ;且模型應(yīng)考慮計算范圍內(nèi)已揭示的主要一級結(jié)構(gòu)面,包括斷層、規(guī)模較大的錯動帶。
4.如權(quán)利要求1所述的一種大型地下洞室群布置設(shè)計方法，其特征在于，步驟b中，所述反演河谷谷坡的地應(yīng)力場包括:垂直于河谷谷坡面走向作多個剖面，給出第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的應(yīng)力等值線圖、應(yīng)力矢量圖。
5.如權(quán)利要求1所述的一種大型地下洞室群布置設(shè)計方法，其特征在于，步驟b中，所述分析河谷谷坡地應(yīng)力場特征包括:在應(yīng)力等值線圖上，通過主洞室頂部、中部和頂部高程處分別作一水平線，該水平線與應(yīng)力等值線相交的交點對應(yīng)的應(yīng)力量值即為相應(yīng)位置的地應(yīng)力量值；以所作水平線與谷坡的交點為原點，以水平位置為橫坐標(biāo)，以交點應(yīng)力量值為縱坐標(biāo)，即可作出相應(yīng)高程處的應(yīng)力與位置關(guān)系曲線，對某一高程的應(yīng)力與位置關(guān)系曲線而言，谷坡面附近曲線最高點對應(yīng)位置即為應(yīng)力集中區(qū)的中心，谷坡內(nèi)側(cè)曲線最低點對應(yīng)位置即應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)外緣。
6.如權(quán)利要求1所述的一種大型地下洞室群布置設(shè)計方法，其特征在于，步驟f中，所述確定洞室群谷坡側(cè)巖體厚度的具體方法為: 若主洞室縱軸線與谷坡面走向垂直+ 若主洞室縱軸線與谷坡面走向平行L = L^mH+c 式中為待定的谷坡側(cè)巖體厚度A為主洞室頂部高程谷坡側(cè)應(yīng)力集中區(qū)的中心至谷坡面的水平距離為主洞室最大跨度；H為谷坡側(cè)主洞室高度；c為預(yù)留水平距離，可取30~50m ；m為應(yīng)力影響深度系數(shù)，根據(jù)巖石強度應(yīng)力比RSS取值:RSS≥7時取1.0 ;4≤ RSS < 7 時取 1.0 ~1.5 ;2 ≤ RSS < 4 時取 1.5 ~2.0 ；RSS < 2 時取值 2.0 ~2.5 ;可中間插值。
7.如權(quán)利要求1所述的一種大型地下洞室群布置設(shè)計方法，其特征在于，步驟g中，所述確定洞室群上覆巖體厚度的具體方法為: 設(shè)洞室群上覆巖體厚度以H。表示， 當(dāng)RSS≥7時，Hc≥較大洞室跨度的2倍或洞室群寬度的0.5倍；4≤RSS < 7時，H。取洞室群寬度的0.5~1.0倍；2≤RSS < 4時，H。取洞室群寬度的1.0~1.5倍；RSS < 2時，Hc取洞室群寬度的1.5~2.0倍。
【文檔編號】E21D13/00GK104005777SQ201410231882
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】張勇, 肖平西, 程麗娟 申請人:中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司