一種大型地下洞室群布置方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及地下洞室設(shè)計方法，其公開了一種大型地下洞室群布置方法，科學(xué)合理地確定相互平行的洞室之間的巖柱厚度。本發(fā)明中根據(jù)洞室群的結(jié)構(gòu)和功能需要確定的相鄰洞室水平跨度B1、B2，巖柱挖空率η，巖石單軸濕抗壓強度Rs，以及圍壓影響系數(shù)K2，目標(biāo)安全系數(shù)[K]，按本發(fā)明提出的相應(yīng)公式計算得到所需的相鄰洞室?guī)r柱厚度B。此外還可以利用該公式復(fù)核開挖后的洞室間巖柱的安全性。本發(fā)明適用于確定相互平行的洞室之間的巖柱厚度，如水電站地下主廠房、主變室、尾調(diào)(閘)室三大洞室之間，以及尾水洞之間等的巖體厚度，并判斷其安全性。
【專利說明】一種大型地下洞室群布置方法
【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，均涉及到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至IJ，巖石基本強度、地應(yīng)力、圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、支護(hù)強度是決定地下工程圍巖是否穩(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(hù)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)定及開挖支護(hù)方案。正是由于洞室群效應(yīng)的存在，在進(jìn)行洞室群布置時，必須合理確定相鄰洞室間距，在充分利用洞室間巖柱承載力的同時防止洞室間巖柱塑性區(qū)相互連通。
[0004]現(xiàn)代隧洞的柔性支護(hù)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(hù)設(shè)計也是采用柔性系統(tǒng)支護(hù)，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(hù)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(hù)以“充分發(fā)揮圍巖承載能力”為核心，且支護(hù)的強度和作用極為有限，在進(jìn)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(hù)力就能達(dá)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]根據(jù)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)有技術(shù)進(jìn)行地下洞室群布置設(shè)計時，需要確定洞室位置、洞室縱軸線、洞室間距和洞形。按現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行大型地下洞室群布置設(shè)計的工作流程為:首先確定主洞室位置，然后確定主洞室軸線方位，再確定主洞室洞形及尺寸，最后確定主洞室之間的巖柱厚度，其主要布置設(shè)計依據(jù)是工程經(jīng)驗、工程類t匕。按現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行地下洞室群布置時，在確定地下洞室群主洞室之間的巖柱厚度時一般僅考慮洞室尺寸因素，對地應(yīng)力和巖石強度因素不予以考慮或僅在后續(xù)的支護(hù)設(shè)計時對洞室圍巖進(jìn)行加強支護(hù)予以補救。
[0006]按該傳統(tǒng)技術(shù)確定的地下洞室群主洞室之間的巖柱厚度不盡合理，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洞室之間的巖柱在洞室開挖卸荷后發(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、塊體失穩(wěn)等，造成后期加強支護(hù)工程量巨大，甚至無法通過加強支護(hù)加以彌補，造成工程安全裕度不足或不安全，或是不經(jīng)濟。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，實測廠區(qū)最大主應(yīng)力為20.0~35.7MPa，與二灘水電站、瀑布溝水電站、官地水電站等同屬高地應(yīng)力條件，但其巖石單軸抗壓強度僅為60~75MPa，與其他電站巖石強度相比明顯偏低(其他電站巖石單軸濕抗壓強度均在IOOMPa以上)。在施工開挖過程中廠房洞室圍巖出現(xiàn)了時效特征明顯的持續(xù)大變形、主廠房下游拱腰混凝土噴層嚴(yán)重開裂和圍巖劈裂破壞、主廠房高邊墻裂隙明顯錯動、巖體片狀剝落、表層巖體壓裂等圍巖卸荷災(zāi)變現(xiàn)象，同時洞周松弛區(qū)最大深度達(dá)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，其洞室圍巖的變形破壞情況和支護(hù)受力超限情況遠(yuǎn)比二灘水電站、瀑布溝水電站、官地水電站嚴(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，國內(nèi)相關(guān)專家甚至認(rèn)為上述問題在一定程度上超出了現(xiàn)有巖石力學(xué)的理論認(rèn)識和工程應(yīng)用水平，使得洞室群在開挖支護(hù)過程中遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由此可見，傳統(tǒng)技術(shù)不能適用于各種地應(yīng)力水平和復(fù)雜地質(zhì)條件的大型地下洞室群布置設(shè)計。
[0007]為解決上述傳統(tǒng)技術(shù)存在的不足，在已有的專利申請(申請?zhí)枮?01310234648.0,201310234638.7,201310234651.2,201310234313.9)公開的技術(shù)內(nèi)容中，在確定主洞室之間的巖柱厚度時，主要依據(jù)巖石強度應(yīng)比指標(biāo)、相鄰洞室的寬度和高度尺寸，結(jié)合大量已建和在建工程的主洞室之間的巖柱厚度統(tǒng)計指標(biāo)，最終確定目標(biāo)工程主洞室之間的巖柱厚度，其指標(biāo)基本實現(xiàn)了量化，也適用于各種地應(yīng)力水平和復(fù)雜地質(zhì)條件的大型地下洞室群設(shè)計。其主要缺點是，確定洞室群厚度的方法對工程經(jīng)驗的依賴程度相對較高，且不能根據(jù)巖石強度和地應(yīng)力量值等指標(biāo)對巖柱厚度進(jìn)行精確計算，也不能用于復(fù)核洞室間巖柱的安全性并給出具體承載力安全系數(shù)值。
[0008]因此，本發(fā)明有必要 提出一種大型地下洞室群布置的新方法，更為科學(xué)、準(zhǔn)確地確定主洞室之間的巖柱厚度(如水電站地下主廠房、主變室、尾調(diào)(閘)室三大洞室之間，以及尾水洞之間等的巖體厚度)，以克服現(xiàn)有方法的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提出一種大型地下洞室群布置方法，科學(xué)合理地確定相互平行的洞室之間的巖柱厚度，進(jìn)一步，還可以獲取洞室之間巖柱的確切承載力安全系數(shù)以復(fù)核開挖后的洞室間巖柱的安全性。
[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方法，包括:首先確定主洞室群縱軸線方位，然后確定主洞室的洞形和尺寸，再確定主洞室之間的巖柱厚度，最后確定主洞室群谷坡側(cè)巖體厚度和上覆巖體厚度；在確定主洞室之間的巖柱厚度時，按照以下公式計算出巖柱厚度B:
【權(quán)利要求】
1.一種大型地下洞室群布置方法，包括:首先確定主洞室群縱軸線方位，然后確定主洞室的洞形和尺寸，再確定主洞室之間的巖柱厚度，最后確定主洞室群谷坡側(cè)巖體厚度和上覆巖體厚度； 其特征在于，在確定主洞室之間的巖柱厚度時，按照以下公式計算出巖柱厚度B:
2.如權(quán)利要求1所述的一種大型地下洞室群布置方法，其特征在于，該方法還包括:通過上述公式①和公式②獲取巖柱的安全系數(shù)[K]，以復(fù)核開挖后的洞室間巖柱的安全性。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種大型地下洞室群布置方法，其特征在于，復(fù)核開挖后的洞室之間巖柱的安全性時，公式①中的圍壓影響系數(shù)K2按下列公式③計算: K2 = (V/Vk)2/Kv 公式③， 其中，V為開挖后相鄰洞室之間巖柱實測平均聲波值，Vk為測試獲得工程圍巖新鮮巖石的聲波速度，Kv為開挖前的圍巖完整性系數(shù)。
【文檔編號】E21D13/00GK104005776SQ201410230738
【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 申請人:中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司