第23卷第19期岩石力学与工程学报23(19)：3281～3287 2004年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2004
急倾斜层状岩体中巨型地下洞室群开挖施工
理论与优化研究*
陈卫忠1李术才1，2朱维申1，2杨典森1杨为民2林晖3
(1中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室武汉 430071)
(2山东大学岩土与结构工程中心济南 250061) (3厦门市路桥建设投资总公司厦门 361009)
摘要洞室群的开挖顺序和支护是影响洞室稳定性的重要因素。应用三维断裂损伤有限元法和施工过程力学的基本原理，研究龙滩电站急倾斜岩层中开挖大型地下洞室群的稳定性及最优的施工方案，根据围岩的破损区及位移场的变化规律，提出了较优的开挖施工方案。其计算方法和一些结论可为国内的相关工程设计和建设提供借鉴。
关键词地下工程，急倾斜，层状岩体，巨型地下洞室，施工优化
分类号TD 823.21+3 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)19-3281-07
EXCA V ATION AND OPTIMIZATION THEORY FOR GIANT UNDERGROUND CA VERNS CONSTRUCTED IN HIGH DIPPING
LAMINAR STRATA
Chen Weizhong 1，Li Shucai1，2，Zhu Weishen1，2，Yang Diansen1，Yang Weimin2，Lin Hui3
(1Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics，Institute of Rock and Soil Mechanics，
The Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430071China)
(2Research Center of Geotechnical and Structural Engineering，Shandong University，Jinan 250061 China)
(3Xiamen Road and Bridge Investment Company，Xiamen 361009 China)
Abstract Construction sequences and support parameters have strong influence on stability of giant underground caverns. Based on 3D fracture and damage FEM and fundamental principles of dynamic construction mechanics，numerical simulations are conducted to obtain the optimal construction sequences for the caverns constructed in high dipping laminar strata of Longtan hydropower station，China. The size of the powerhouse caverns is the largest in the world. The optimal construction sequences of the caverns are obtained by comparing the damaged zone of surrounding rock mass with displacements of key points around the caverns. The numerical methods and some conclusions from the research work are useful for the design and construction of analogous rock engineering.
Key words underground engineering，high dipping，laminar strata，giant underground cavern，optimization of construction sequence
2003年3月13日收到初稿，2003年6月6日收到修改稿。
* 国家自然科学基金(50379052)和中国科学院重大创新方向性项目(KGCX2-SW-302)及国家自然科学基金杰出青年(B类)(50229901)资助课题。
作者陈卫忠简介：男，36岁，博士，1990年毕业于山东科技大学采矿系，现任研究员、博士生导师，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail：wzchen@https://www.doczj.com/doc/d917279623.html,。
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1 引言
我国已建设了大量的地下工程，如铁路、公路隧道，水电站地下厂房，冶金矿山及煤矿巷道，地下铁道及人防工程等。据不完全统计，目前，我国铁路部门已建成的隧道超过5 000座，水电站在导流洞、引水洞、泄洪洞、进出场交通洞、大型地下厂房等方面的建设规模都非常大。对于水电站的地下厂房，洞室群的布局对改善洞室围岩的稳定性十分重要，现在设计中已经非常重视洞室纵轴线的方位及洞室间距的选择。目前在建和设计阶段的大型地下洞室群的主厂房和调压井，高度都为80～90 m，宽度为20～30 m，轴线的长度为300 m，其宽度和跨度之大可以列入世界水平。这样的巨型洞室对高边墙的围岩稳定性十分不利，在高边墙上将会产生大片的塑性区和拉损区。因此，巨型地下洞室群的合理开挖过程、支护时机及支护强度的研究及相关的设计理论已成为当前水电开发中亟待研究解决的重大课题。
从力学观点看，地下工程围岩的稳定性是指在一定的地应力和工程荷载的作用下，围岩中不产生破坏性的剪切滑移。比较好的设计方案应该保持洞室处于稳定状态并保证规定的安全系数。在地下工程中，主要以边墙测点的相对收敛变形、收敛变形速率、塑性区范围大小和拱顶是否发生较大塌落等标准判断洞室围岩的稳定性。对于浅埋大跨度地下工程，结构所受荷载以浅层岩体的自重为主，洞室的破坏形态主要表现为以拱脚部位的塑性区发展，从而导致拱部较大下沉变形，失去稳定，以及拱部拉裂破坏并导致洞室的塌方。因此，可以选择塑性区面积、最大塑性区半径、拉裂破坏区面积以及顶部的相对下沉量作为标准来判定洞室的稳定状态。对埋深大、围岩完好的地下洞室，研究重点一般放在对围岩承载能力的研究上，以围岩实际的应力水平来作为围岩稳定的判据。日本的土屋敬认为，深埋隧道塑性区厚度不宜大于洞室半径的40％。文[1]认为对于浅埋隧道，塑性区半径不应大于1倍的洞室跨度，同时拱顶的拉应力面积为2～4 m2/m，顶拱下沉小于2βL／100EC m(E为岩体弹模，C m为龟裂系数，L为洞室跨度)；β为系数，当单轴抗压强度c R小于30 MPa时，β为0.02～0.04；当c R大于30 MPa时，β为0.01～0.02。文[2]提出应用极限张应变来判断硬岩中洞室围岩的稳定性。对于地下洞室结构体系的失稳判定标准，目前国内外还没有一套统一的准则，因为影响稳定性的因素较多且不定因素也很多[3]。因此，在工程的设计过程中，通过数值计算来定性地反映工程开挖过程中的围岩内应力和位移随开挖的变化规律显得尤为重要。本文结合国内在建的规模最大的龙滩大型电站厂房，运用数值计算方法，探讨急倾斜岩层中巨型地下洞室群的围岩稳定性及施工优化方法的分析方法，提出了一些可供工程设计和施工单位参考的方案和建议。
2 工程概况
龙滩大型水电站由碾压混凝土重力坝、泄水建筑物、通航建筑物及地下发电厂房等组成。其拦河大坝、左岸全地下厂房、全地下式发电厂房布置在左岸，主要建筑物包括：进水口、引水隧洞、主厂房、母线洞、主变室、调压井、尾水隧洞、交通洞、排水廊道、送风廊道、出线平台、GIS开关站、中控楼、电缆竖井等。主要地下工程在初期建设时，一次性开挖完成。水电站输水发电系统规模巨大，地下洞室群纵横交错，总开挖量约380×104m3。3条尾水管共用1个调压井和1条尾水洞，尾水洞为3个圆形隧洞，9条母线洞垂直厂房轴线平行布置，连通厂房和主变室，它们在地下将构成复杂的地下洞室群。其主厂房的尺寸为388.5 m×28.5(31.3) m×74.5 m；主变洞为405 m×19.5 m×(32.2～34.2) m；调压井为(67～95.3)m×21.575 m×89.71 m。
厂房区内为三叠系中统板纳组(T2b1-52)，岩层走向340°～356°，与河谷夹角70°，倾向NE，倾角为55°～63°的急倾斜岩层。岩性为厚层砂岩粉砂岩(占68.2%)和泥质板岩砂岩互层(30.8%)，新鲜砂岩单轴饱和抗压强度为130 MPa，泥板岩为40～80 MPa。T2b18泥板岩在压应力方向与泥板岩劈理面呈25°～30°夹角时，单轴饱和抗压强度仅13.4～23.4 MPa。主洞室布置区，顶拱上覆岩体的厚度为100～280 m，围岩新鲜完整，90%以上为Ⅱ2，Ⅲ1类围岩。有8组陡倾角节理，对地下洞室稳定性影响较大的有2组，其产状为：345°～355°/NE∠60°和40°～55°/ NE∠52°～55°，迹长≤3.0 m。整个厂房区域内影响洞室稳定性的主要断层如表1所示，主厂房区域的岩层分布及其结构模型如图1所示。
第23卷 第19期 陈卫忠等. 急倾斜层状岩体中巨型地下洞室群开挖施工理论与优化研究 ? 3283·
表1 主厂房区域分布的几组主要断层
Table 1 Main faults around main powerhouse caverns
断层分类
断层性质
断层编号
破碎带宽/m
胶结状态
第1组
层间断层、层间错动走向340°～355° /NE ∠55°～65°
F 5，F 12，F 18，F 22，F 750.1～1.5
未胶结，压碎岩充填石英脉夹泥厚3～8cm
第2组
层间断层、层间错动走向 30°～60°/NW ∠60°～65°
F 63，F 69，F 56，F 56－1 0.5～3.6
充填破碎糜梭岩断层泥厚30～60 cm
第3组
层间断层、层间错动走向N70°～90° W/NE 或SW ∠70°～85°
F 1，F 4 0.1～1.5
破碎糜梭岩，断层泥厚2～10 cm 第4组
层间断层、层间错动走向N65°～85° E/NW 或SE ∠75°～85°
F 60，F 89，F 189
影响带宽1～12 m
0.3～0.4
未胶结破碎岩夹大量断层泥，富含地下水
图1 地下洞室群岩层分布及主厂房洞室群的三维模型
Fig.1 Distribution of rock mass and 3D numerical model of main powerhouse caverns
3 巨型地下洞室群施工顺序优化
3.1 开挖施工方案
在空间结构上的地下洞室群洞室相互交叉，洞室群的周围遇到的断层一般为三维走向。洞室群的三维空间结构关系随着洞室的开挖而发生变化，不同的开挖施工顺序对应不同的应力调整过程和支护工作量。优化洞室群的开挖施工顺序，加快施工进度是优化工作的重点内容。根据龙滩地下洞室群的结构以及围岩的分布特征，在设计院的推荐方案、承包商的推荐方案的基础上，应用动态施工过程力学的基本原理[4]和国内外其他大型洞室群的施工经
验[5
～8]
，结合龙滩工程厂房的实际状况提出了另外3
种推荐开挖方案。按照设计院初步设计，主厂房、调压井各分9个开挖层，主变室分4个开挖层，3大洞室从上到下分层开挖示意如图2所示。本文所考虑的5种开挖方案如表2所示。 3.2 计算方法和原理
裂隙岩体内包含了从微观到细观以至宏观的各种尺度的地质缺陷，而且岩体从原始状态到最终破坏的整个变形过程中，同时存在分布缺陷和奇异缺陷，且相互作用和转化。工程岩体的开挖将使岩体在开挖面附近的荷载发生变化，并使应力重分布，应力的释放和集中将使原有的裂隙张开和扩展，并产生新的裂隙。岩体内微裂隙的扩展和演化到一定
? 3284 ? 岩石力学与工程学报 2004年
主厂房 主变室 调压井
图2 主厂房分块开挖示意图
Fig.2 Excavation block schemes of underground powerhouse caverns
表2 地下厂房开挖方案
Table 2 Excavation schemes of underground caverns
数值模拟开挖顺序
开挖方案
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
主厂房 1(1) 1(2) 2(1) 2(2) 3 4 5(1) 5(2) 6 7 8 9 主变室 1 2 3 4
设计院 方案
调压井 1(1) 1(2) 2(1) 2(2) 3 4
5
6
7
8 9 主厂房 1(1) 1(2) 2(1) 2(2) 3 4 8、9 5(1) 5(2) 6 7 主变室 1 2 3 4
承包商 方案
调压井 1(1) 1(2) 2(1) 2(2) 3 4
5
6 7 8 主厂房 1(1) 1(2) 2(1) 2(2) 3
4 5(1) 5(2) 6 7 8 9 主变室 1 2 3 4 方案1 调压井 1(1) 1(2) 2(1) 2(2) 3 4
5
6
7 8 9 主厂房 1(1) 1(2) 2(1) 2(2) 3
4 5(1) 5(2) 6
7
8
9
主变室 1 2 3 4 方案2 调压井 1(1) 1(2) 2(1) 2(2) 3 4 5 6 7 8 9 主厂房 1(1) 1(2) 2(1) 2(2) 3
4 5(1) 5(2) 6
7
8
9
主变室 1 2 3 4 方案3 调压井 1(1) 1(2) 2(1) 2(2) 3 4 5 6 7 8 9
注：1～9为开挖层；1(1)代表第1分层第1步开挖，1(2)代表第1分层第2步开挖，2(1)代表第2分层第1步开挖，2(2)代表第2分层第2步开挖。
的程度就会产生宏观破坏现象，从而对工程岩体的稳定性造成一定程度的影响。地下洞室群围岩的破坏机制有拉损破坏、剪切破坏，也有沿着结构面顺层滑移等。传统的弹塑性模型如Mohr-Coulomb 、Drucker-Prager 等一般只描述岩体峰值强度以前的力学行为，而分析围岩的稳定情况必须考虑岩体峰值强度以后的力学行为。数值计算的方法及其选择的模型合理与否，必须根据洞室围岩的破坏机制和 变形特征综合考虑。
根据该地下洞室围岩的特点，本文按照三维弹塑性断裂损伤理论[9
～11]
，分析不同的开挖过程对洞
室围岩的破损情况，根据破损区的大小来判断围岩的稳定性，并据此来确定最优施工方案。采用增量形式描述裂隙岩体的损伤本构关系时，表示为
p d e p ~
d -
e ~
d -
e : :εεεεσσε
&&&&&&&++=++=C C (1) 式中：ε
&为弹塑性损伤岩体的总应变率；:d -e e C =ε& ~
σ
&为某一损伤尺度下裂隙岩体的弹性应变率；p ε& 为裂隙岩体的塑性应变率；~
d -
e d :σε
C &&=为岩体因损 伤演化引起的附加耦合应变率。裂隙岩体的三维弹塑性断裂损伤本构关系为
rs klrs kl K ε&= (2) 1(2) 1(1)
1(1)
2(1)
2(2)
2(2) 3
4
5(2) 5(1)
678
9
1(1)2(1)
5(1) 2(1) 3
4
9
876431(1) 1(2)
1(2)2(2)
2(2)
~
σ
&
第23卷 第19期 陈卫忠等. 急倾斜层状岩体中巨型地下洞室群开挖施工理论与优化研究 ? 3285·
式中：klrs K 为裂隙岩体的弹塑性损伤刚度矩阵，其值为
?=d
-e klrs
klrs E K h q
f f E C E C E f E C E C E f f E rs rskl ijop opkl
mn kl ad
ijop opmn ij rsfg ijop opfg
mn fg ad
ijop opmn ij uv uvkl
?????+????+??????~
d -
e d -e e ~~
e d
-e d -e e ~
~
e ~
d -
e )()(σσσσσσσσ (3)
3.3 初始地应力场和岩体力学参数
龙滩地下洞室群(厂房、主变洞、调压井等)90%以上为质量中等或较好的Ⅱ，Ⅲ类围岩，岩体大部分为微风化～新鲜完整岩体，是以水平地应力为主导的中等量级的地应力场。根据现场地应力的实测结果，在数值计算时垂直主厂房边墙方向的侧压系数为=λ 1.7，垂直主厂房端墙的侧压力系数=λ 2.2。 数值分析时采用的岩体基本力学参数如表3所示。 3.4 计算结果 3.4.1 位移场的特点
主厂房、主变室和调压井随着工程的开挖和高边墙的形成，岩体的变形总体呈逐渐增加的趋势，但顶拱部位的岩体具有先下沉后抬升再下沉的特点。主厂房和调压井的高边墙位移呈现近水平倾倒性的特点，这个变形特点与岩体内高水平地应力密 切相关。主变室的下游边墙在开挖结束时发生偏向调压井的位移。以剖面HL0+258.0为例，设计院开挖方案在主厂房洞室群开挖结束时，洞室边墙的位移矢量如图3所示。从5个开挖方案的计算结果来看，方案2的顶拱沉降位移最小，主厂房顶拱下沉在高边墙开挖和形成过程中，共产生约3 mm 的上抬。HL0+51.0，Hlo+150.0，HL0+258.0剖面顶拱的下沉随开挖步的变化如图4～6所示。该剖面5个 开挖方案各关键点的位移见表4。
图3 HL0+258.0剖面洞室边墙的位移矢量(设计院方案) Fig.3 Displacement vectors of walls on profile HL0+258.0
(design institute scheme)
图4 HL0+51.0剖面主厂房顶拱下沉随开挖步的变化规律
(设计院方案)
Fig.4 Variation of arch top settlement of the main powerhouse
with excavation steps at section of HL0+51.0 (design institute scheme)
3.4.2 岩体损伤演化特征
工程岩体的开挖将使岩体在开挖面附近的荷载发生变化，并使应力重分布，应力的释放和集中将使原有的裂隙发生张开和扩展并产生新的裂隙，岩体内微裂隙的扩展和演化到一定的程度就会使得洞室围岩产生宏观破坏现象，甚至出现张裂缝。从几
表3 主厂房区域岩体基本力学参数 Table 3 Mechanical parameters of rock mass
岩层
变形模量/GPa
泊松比
粘聚力/ MPa
内摩擦系数
抗拉强度/ MPa
容重/kN ·m －
3
微风化-新鲜砂岩 15.0 0.25 2.40 1.30 1.30 27.3 微风化-新鲜泥板岩 10.0 0.27 1.48 1.10 1.00 27.4 微风化-新鲜互层(砂岩70％) 13.0 0.26 1.28 1.10
1.00
27.4
弱风化砂岩 6.0 0.28 1.48 1.00 1.00 27.0 弱风化砂岩泥板岩互层 5.0 0.28 1.18 0.80 0.80 26.8
强风化砂岩 1.5 0.34 0.50 0.75 0.08 25.5
强风化泥板岩 0.7 0.34 0.29 0.55 0.08 25.5
断层 0.5 0.34 0.05 0.30 0.00 20.0
层理 1.0 0.34 0.05 0.30 0.00 20.0
024*********
1
2
3
4
5
67 89101112
开挖步
顶拱下沉/ m m
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图5 HL0+150.0剖面主厂房顶拱下沉随开挖步的变化规律 图6 HL0+258.0剖面主厂房顶拱下沉随开挖步的变化规律
(设计院方案) (设计院方案)
Fig.5 Variation of arch top settlement of the main powerhouse Fig.6 Variation of arch top settlement of the main powerhouse
with excavation steps at section of HL0+150.0 (design with excavation steps at section of HL0+258.0 (design
institute scheme) institute scheme)
表4 地下洞室群不同开挖方案关键点的位移
Table 4 Displacements of key points of underground caverns with different excavation schemes mm
主厂房
主变室
调压井
开挖方案
顶拱
上游边墙
下游边墙
底臌
顶拱上游边墙
下游边墙
顶拱
上游边墙
下游边墙
底臌
设计院方案 9.70 63.99 54.09 16.8917.2110.42 8.62 6.27 52.81 71.11 40.91 承包商方案 11.15 67.56 55.42 11.7318.8111.27 7.29 7.08 53.33 71.27 39.72 方 案 1 10.25 64.70 56.38 14.7418.3610.94 3.84 6.65 55.32 74.27 40.71 方 案 2 6.22 64.14 45.34 18.9910.608.56 11.16 5.51 40.85 53.47 32.00 方 案 3
7.93
64.76
41.24
19.75
14.23
7.98
6.73
4.38
64.93
56.43
24.32
个计算剖面的结果来看，岩体内的损伤区随着洞室高边墙的形成呈现增大的趋势，位于HL0+51.0剖面的损伤演化区较其他几个断面要大一些，因为该剖面的埋深较浅且地质条件相对较差。从几个不同开挖方案的损伤演化区的范围来看，方案2的破损区域最小，各方案最后一步的损伤演化区如图7所示。
(a) 设计院方案
(b) 承包商方案
(c) 方案1
024********
160
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
开挖步
顶拱下沉/ m m
024*********
1
2
3
4
5
67
8
9
10
11
12
开挖步
顶拱下沉/ m m
第23卷第19期陈卫忠等. 急倾斜层状岩体中巨型地下洞室群开挖施工理论与优化研究 ? 3287·
(d) 方案2
(e) 方案3
图7 HL0+51.0第9分层损伤演化区
Fig.7 Damage evolution zone of the 9th layer at section of HL0+51.0
4 结论
通过对龙滩地下厂房洞室群不同开挖施工方案的三维非线性有限元计算分析与对比，可以得到如下基本结论：
(1) 洞室顶拱的沉降位移随着洞室的开挖出现先下沉后上升的现象，这种规律和以往工程中实际监测结果较为类似，表明顶拱的下沉到了某一个量值后可以趋于稳定，保证了顶拱的承载能力。
(2) 岩体的高边墙呈现倾倒性变形特征，同时主洞室上游边墙的水平位移明显大于下游边墙的水平位移，这与岩层和节理组的陡倾角及高水平地应力密切相关。
(3) 三大洞室(主厂房、主变室、调压井)同时从上到下开挖，岩体中的损伤演化区域就会相对较大，如果在调压井开挖到接近主变室的底板高程时才开始开挖主变室，则可以使调压井和主变室之间的岩柱避免应力相互叠加，加大了岩体的破损区的范围。
(4) 从本文计算结果来看，按照施工单位建议的开挖方案，岩体中的破损区域最大。而采用动态施工工程力学原理确定的方案2，无论是从位移场还是从岩体的破损区大小来看，其结果都是较优的方案。
参考文献
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1洞挖施工工艺流程 洞挖施工工艺流程见如下框图： 洞挖施工工艺流程 .2石方明挖施工工艺流程 Ⅳ
石方明挖施工工艺流程见如下框图： 石方明挖施工工艺流程 5钻孔爆破 地下建筑物开挖，宜采用直径小于100mm的钻头造孔,泄洪洞工程开挖爆破均采用非电雷管。 5.1设计轮廓面的开挖，采用光面爆破或预裂爆破技术。 5.2施工单位应根据设计图纸、地质情况、爆破材料性能及钻孔机械等条件，进行钻爆设计。其主要内容和遵守的主要原则如下： (1)掏槽方式：应根据开挖断面大小、围岩类别、钻孔机具等因素确定。若采用中空直眼掏槽，应尽量加大空眼直径和数目。 (2)炮眼布臵，深度及角度：炮眼应均匀布臵。孔深根据断面大小、钻孔机具性能和循环进尺要求等因素确定。钻孔角度应一致，保持平行。
(3)装药量应根据围岩类别确定。任一炮眼装药量所引起的爆破裂隙伸入到岩体的破坏带不应超过周边孔爆破产生的破坏带。应选择合适的炸药，特别是周边孔应选用低爆速炸药或采用间隔装药、专用小直径药卷连续装药。 (4)炮孔堵塞应密实。 (5)起爆方式及顺序：采用塑料导爆管非电毫秒雷管，根据孔位布臵内外分段爆破，其分段爆破时差，应使每段爆破独立作用。周边孔应同时起爆。 (6)应考虑地下相邻建筑物、浅埋深隧洞或隧洞附近有重点保护文物时的安全，按其抗震要求进行钻爆设计。 (7)绘制爆破图,施工中，不断总结经验，随时修正钻爆设计。 5.3光面爆破和预裂爆破的主要参数，应通过试验确定.施工中，根据爆破效果进行调整，以确定最优钻爆参数。 5.4特殊工程部位，按设计要求进行专项钻爆设计。 5.5特大断面中下部开挖，采用深孔台阶爆破法时，应满足下列要求： (1)周边轮廓先行预裂或预留保护层； (2)采用非电毫秒雷管分段起爆； (3)按围岩和建筑物的抗震要求，控制最大一段的起爆药量； (4)台阶高度由围岩稳定性情况而定，一般取6m～8m为宜，最大不宜超过10m，其单孔装药不超过允许值，应采用孔间微差顺序起爆新技术； (5)爆破石渣的块度和爆堆，要适合装渣机械作业。
地下洞室开挖工程 1.1 施工程序 1.1.1 开挖程序安排原则 根据本标段地下洞室的布置特点，开挖施工程序按下述原则安排： ㈠根据各部位具备施工条件的时段，提前组织好人员、机械设备，遵循自上而下、由外向里的开挖施工原则。 ㈡地下洞室开挖施工以不影响主体施工或将影响降低到最低为原则，合理安排开挖施工工期，确保洞室开挖与主体施工顺利进行。 ㈢地下洞室开挖施工以围岩类别控制单循环进尺为原则，根据围岩类别合理控制单循环进尺，确保洞室稳定，防止安全事故发生。 ㈣洞室开挖程序安排遵循新奥法施工原则，根据揭露围岩类别，采取相应的支护形式及时支护，确保施工安全。 ㈤地下洞室开始进洞遵循洞脸锁口原则，防止破坏洞脸边坡。 1.1.2 施工程序 洞挖施工程序为：测量放线→布→钻→爆破→通风排烟→出碴→支护→下一循环 测量放线：每一循环作业前，都要进行测量放样。洞室放样需标出顶拱圆弧中心和边有代表性的控制点，以保证开挖施工的准确性。 布：施工技术人员根据测量放线成果及爆破设计，进行现场布，用红漆标出主要钻的位，以便钻施工。 钻：采用手风钻钻，径φ42mm，爆破间距50~70cm，光爆间距40~50cm。钻角度和深，应符合爆破设计的规定，已造好的钻，需进行保护。对于因堵塞无
法装药的钻，应予吹或补钻，钻经检查合格后可装药。 装药：爆破采用φ32mm药卷装药，光爆采用导爆索串联φ25mm药卷间隔装药，线装药密度150～200g/m左右； 爆破：爆破网络采用非电毫秒微差延时网络，火雷管起爆式。 通风排烟：由于本工程开挖洞室长度较长，采用供风机进行供风排烟。 出渣：洞运输采用扒渣机配合索矿车排渣至洞外，洞外采用反铲挖装，自卸汽车运输。 安全处理：出碴之前，应有专职负责安全处理人员将掌子面及顶拱的松动岩体和危进行处理，避免事故发生。 支护：岩破碎的洞段，爆破完后及时采用锚杆、喷锚等法进行支护，必要时视地质情况采用钢支撑支护。 隧道洞挖施工工艺流程见图1-1。
地下洞室岩土工程勘察 李守礼 铁道第三勘察设计院地路处 2003年12
目录 前言 02地下洞室的分类 03岩土工程勘察 03 1．2．1勘察阶段的划分、目的和要求 03 1． 2。2交通隧道选线（址）原则 05 1．2．3 交通隧道勘察工作流程图： 07工程地质调查与测绘 08 遥感图像地质解译 08勘探与测试 09 各勘察阶段需提供的资料 10 1．2．8围岩分类 12围岩稳定性分析 18 参考文献： 20
前言 为了便于广大技术人员进行地下工程和地下洞室的工程地质勘察设计，特将铁路、 公路、水电、地下铁道、港口、工业民用建筑等有关地下洞室的勘察、文件资料整理以及围岩分类和围岩稳定性分析归纳在本文中，以供勘察设计时参考。
地下洞室岩土工程勘察 地下洞室系指为了某种目的，修建在地面以下及山体内部的各类建筑物。具有隔热、恒温、密闭、防震、隐蔽、不占地面土地、不干扰城市基础设施等诸多优点。 地下洞室的分类（见表、表） 表按毛洞跨度分类 表按用途分类 由于地下洞室完全被包围在岩土体介质中，所以既要考虑如何防止周围介质对它的不良影响，如：围岩压力、地下水等，又要考虑如何利用周围介质的有利条件，如：把围岩改造成洞室本身的支护结构等。 岩土工程勘察 勘察阶段的划分、目的和要求 1．2．1．1勘察阶段的划分（见表） 表勘察阶段的划分
各勘察阶段的目的和要求（见表） 表各勘察阶段的目的和要求 1. 2. 2交通隧道选线（址）原则 1．2．2．1 一般地区隧道位置的选择 a.应选择地质构造简单、地层单一、岩性完整、工程地质条件较好的地段，在倾斜岩层中，以隧道轴线垂直岩层走向为宜。 b.应选择在山体稳定、山形较完整、山体无冲沟，山洼等次地形切割不大、无软弱夹层、岩层基本稳定的地段通过。 c.应选择地下水影响小、无有害气体、无有用矿产和不含放射性元素的地层通过。 1．2．2．2 不良地质地区隧道位置的选择 a.隧道顺褶曲构造布置时，一般避开褶曲轴部破碎带，选择两侧翼部地质较好的一侧通过。 b.隧道尽量避开断层破碎带，特别是含水丰富的破碎带；如必须穿越时，隧道应与之垂直或大角度斜交通过。 c.隧道洞身不应在滑坡、错落体内穿过；如必须通过此类地段时，应使洞身埋置在错落体或滑动面以下一定深度的稳固地层中。 d.当陡岸斜坡严重张裂不稳或山坡有严重崩塌时，隧道位置宜往里靠，置于稳固地层中；如确有困难时，应选择其范围最小且相对稳定的地段通过，并提出保证施工和洞身安全的有效措施。当崩塌地段短，崩落石块小，情况不严重，可考虑明洞方案，或与路基防护工程作比较。 e.隧道应避免通过严重不良地质、地下水极为发育的低洼垭口处。
2009年第5期 东北水利水电地下洞室围岩稳定判定分析 任建川，陈旭，姜淑香 ［摘要］地下洞室稳定性问题是一个复杂的非线性力学问题，通常伴随着变形非均匀性、非连续性和大位移等特点，影响洞室稳定的因素众多，关系错综复杂，找出一个普遍适用的定量失稳判定是困难的,目前大多数判定是以周边允许收敛量和允许收敛速率的形式给出的,以此判定围岩是否稳定。 ［关键词］地下洞室；围岩稳定；判定分析［中图分类号］TV554 ［文献标识码］A ［文章编号］1002－0624（2009）05－0005－02 （中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁丹东118220） 1影响洞室围岩稳定性的主要因素 1.1地质因素 （1）岩体的结构特征。从稳定性分类角度来看，岩体结构特征可简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。实践证明，围岩的破碎程度对地下洞室稳定与否起主导作用，在相同岩性条件下，岩体愈破碎，洞室就愈容易失稳。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。一定程度上岩体越破碎则洞室越不稳定，越容易坍塌。 （2）结构面性质与空间组合。在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质，以及它们在空间的组合状态。对地下洞室来说，围岩中存在单一的软弱面一般不会影响洞室的稳定性。只有结构面与洞室轴线关系不利时，或出现两组或两组以上的结构面时，才构成易坠落的分离岩块。分离岩块的塌落或滑动，还与结构面的抗剪强度以及岩块之间的相互连锁作用有关。因此在围岩分类中，可从结构面的成因及其发展史、结构面的平整及光滑程度、结构面的物质组成及其充填物质情况、结构面的规模与方向、结构面的密度与组数五方面来研究结构面对洞室围岩稳定性影响的大小。 （3）岩石的力学性质。在整体结构的岩体中，影响围岩稳定性的主要因素是岩石力学性质，尤其是岩石强度，一般来说，岩石强度越高洞室越稳定。此外，岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态，强度高的硬岩多表现为脆性 破坏，易引起岩爆现象。而强度低的软岩，多以塑性变形为主，流变现象明显。 （4）初始应力状态。初始应力会影响洞室开挖后稳定性。地下工程失稳主要由于开挖引起应力重分布超过围岩强度或引起围岩过分变形造成的，而应力重分布是否达到危险程度与初始应力场方向、量值有关。 （5）地下水的影响。地下水对围岩稳定性的影响主要表现为使岩石软化、疏松，充填物泥化，强度降低，增加动、静水压力等，从而降低隧道围岩的稳定性。调查资料表明，地下水对不同类别隧道稳定性影响程度存在明显差异，地下水对硬岩组成的围岩隧道稳定性影响甚微，可忽略不计，而对于弱岩，地下水影响较大。 （6）特殊地质条件。当地下工程穿越断层破碎带、强风化带、发育的岩溶区等特殊地质条件时，维护围岩的稳定往往较困难，因为构造破碎带往往包含断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等断裂构造岩。这时岩层松软破碎，而临近地带的岩层节理裂隙也比较密集，地下水往往较活动，再加上地应力较大，则会出现强烈的地压现象。 1.2工程活动造成的人为因素 洞室施工是造成围岩丧失稳定的一个最主要的因素。开挖洞室所采用的施工方法、洞室断面尺寸和形状、施工质量、支护形式及实施过程都会对围岩的稳定产生影响。 （1）洞室的尺寸和形状。跨度大小对围岩的稳定性也有显著影响，实践证明，跨度越大则洞室的稳定性越差，跨度大小对隧道工程稳定性的影响可从三方面考虑：应 规划设计 · 5 ·
7 地下洞室开挖工程 7.1工程概述 7.1.1引水隧洞工程 引水系统包括进水塔、引水隧洞、调压井和压力管道。 引水隧洞为城门洞型, 开挖断面 2.4×2.4m, 长约3697m, 坡比3‰。砼衬砌段: 衬厚20cm, 进出口段采用钢拱架, 长为1297m; 锚喷段: 喷厚5cm混凝土, 长为920m。在整个洞线上布置三条支洞, 长度分别是243m、212m、95m; 支洞与主洞的相交桩号分别是1+171m、1+806m、3+351m。 7.1.2调压井 调压井井深35m, 内径为5m, 底部高程为1533.50m, 井口平台高程为1571.50m; 调压井衬砌厚度为0.75m, 1557.0m高程以下部分采用钢衬, 钢板厚度为10mm。 7.1.3右岸导流洞 导流洞也为城门洞型, 开挖断面尺寸为2.4×2.5m, 洞挖长约120m, 衬厚20cm。 洞挖支护工程量一览表表7-1
7.2工程地质条件 引水隧洞和导流洞进出口段洞室需加强支护, 支护类型以衬砌为主, 衬砌长度为1297m。洞身段围岩基本稳定, 对部分稳定性差的洞段围岩采用锚喷支护, 锚喷长度为920m。 7.3洞挖施工特点、难点及措施 ( 1) 隧洞洞线长, 洞径小, 开挖钻孔、爆破、出渣、支护各工序交叉作业, 相互干扰大, 合理安排施工顺序、施工工艺、组织计划是保证隧洞开挖安全、质量和进度的关键。 ( 2) 隧洞进出口围岩段的爆破开挖需加强控制并及时支护。施工中需加强监测工作, 并根据现场情况采用超前小导管灌浆或超前锚杆等方法提前支护。 ( 3) 主洞与支洞和洞井交叉位置处, 应加强支护确保开挖质量与安全。 7.4施工方案 7.4.1引水隧洞和导流洞施工方案 引水隧洞和导流洞开挖采用YT-28手风钻造孔爆破、全断面掘进。洞内铺设轨道, 扒渣机配合动力牵引矿车出渣。为保证洞挖交通顺畅, 每隔120-150m扩挖设一错车道, 支护作业紧随开挖进
深部围岩变形破坏时效性分析 1.引言 围岩应力场和位移场的分布规律是地下工程设计中必须解决的主要问题。地下洞室的失稳破坏，往往是从洞室周边开始、由于围岩应力超载或围岩位移过量所致，而岩石的流变性使得围岩的变形具有很强的时效性。一方面由于岩石和岩体本身的结构和组成反映出明显的流变性质，另一方面也由于岩体的受力条件(包括长期受力和三轴应力状态)使流变性质更为突出，因此，在矿山和地下工程中表现的力学现象，包括地压、变形、破坏等等几乎都与时间有关。巷道或隧道开挖后，在地应力的作用下，围岩往往会向巷道或隧道内慢慢地移动收敛，具体表现是:侧墙逐渐向内移动，底板慢慢隆起，顶拱则进一步开裂。各种长期监测资料表明，自洞室开挖至数月或数年内，围岩的变形和应力分布均随时间发生变化。现在己经认识到岩体流变的普遍性，并用塑性流动和粘性流动来解释地下工程的时间效应问题。岩石的流变变形也是导致岩体地下工程中支护结构产生变形和破坏的主要原因，作用于地下结构衬砌上的载荷会随时间而增长，大型边坡和地下洞室的变形会逐渐加大，甚至会引起灾难性的后果。 因此，对地下洞室变形时效性的研究，也是我们在地下工程中合理选择支护类型及支护结构的前提，对于研究开挖后的工程岩体的动态特征以及岩体工程的设计，均具有十分重要的意义。 2.岩体时效(Rock Timeliness)的影响因素 岩体流变性质和时效特征是岩石材料的固有力学属性，也是用以解释和分析地质构造运动现象和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。根据大地构造测试结果，地壳目前的平均蠕变速率为106l/s。不少大断层至今仍有持续移动的迹象。在边坡、隧洞、基坑、矿井、铁路路基等岩体工程中，岩体流变现象很常见。近年来，由于能源开发的扩大和环境保护要求的提高，所进行的天然气、液化气、油料以及核废料地下储藏课题研究，将岩石材料在不同荷载水平和不同温度条件下的长期变形与稳定问题提到了十分紧迫和重要的地位。一般认为，岩体工程中的时间效应主要是由以下几个方面的因素所引起的： (l)、岩石材料本身所具有的粘性性质，如蠕变、松弛、滞后以及弹性后效等。一般的软岩，如盐岩、泥岩、粘土岩等，其粘滞系数都达到106-109MPa.S。硬岩的流变性态相对较弱，如测得的花岗岩的粘滞系数为1013MPa .S。然而，由于受到成岩过程中的地质构造运动影响，岩石材料中存在各种裂隙、节理、层理等构造面，这一结构特点导致脆性岩体亦呈现较强的
1.地下洞室开挖 1.1.说明 1.1.1.范围 本章规定适用于本合同施工图纸所示的施工支洞、临时过坝交通洞、导流洞洞身等地下工程的开挖，只适用于钻爆法开挖，不适用于掘进机施工。 1.1. 2.承包人的责任 （1）承包人应全面掌握本合同工程地下洞室地质条件，按施工图纸、监理人指示和本技术条款规定进行地下洞室的开挖施工。其开挖工作内容包括准备工作、洞线测量、施工期排水、照明和通风、钻孔爆破、围岩监测、塌方处理、完工验收前的维护，以及将开挖石渣运至指定地区堆存和废渣处理等工作。 （2）承包人应按本合同条款第13.5款（3）项、第30.2款（4）项和本技术条款的1.10节中的有关规定，做好地下工程施工现场的粉尘、噪声和有害气体的安全防护工作，以及定时定点进行相应的监测，并及时向监理人报告监测数据。工作场地内的有害成份含量必须符合国家劳动保护法规的有关规定。 （3）承包人应对地下洞室的施工安全负责，在开挖过程中应按施工图纸和本合同条款第29.2款第（1）项规定，做好围岩稳定的安全保护工作，防止洞口及洞室发生塌方、掉块危及人身安全。开挖过程中，由于施工措施不当而发生山坡、洞口或洞室内塌方，引起工程量增加或工期延误，以及造成人员伤亡和财产损失，均应由承包人负责。 （4）承包人应按监理人批准的施工措施计划和本技术条款1.11.3条规定，在指定地点堆放石渣。 （5）承包人应协助进行地质测绘，其工作内容还应包括地质测绘前必要的局部清理和暂停开挖工作，承包人不得以局部清理和暂停开挖为由，向发包人索取额外费用。开挖过程中承包人应作好施工记录及地质描述工作。 1.1.3.主要提交件 1.1.3.1.施工措施计划 在本合同工程开工前28天，承包人应根据施工图纸及本技术条款的规定，提交一式四份包括下述内容的施工措施计划，报送监理人批准： （1）导流洞开挖程序及施工布置图；
地下洞室开挖工程 1.1施工程序 1.1.1开挖程序安排原则 根据本标段地下洞室的布置特点，开挖施工程序按下述原则安排： ㈠根据各部位具备施工条件的时段，提前组织好人员、机械设备，遵循自上而下、由外向里的开挖施工原则。 ㈡地下洞室开挖施工以不影响主体施工或将影响降低到最低为原则，合理安排开挖施工工期，确保洞室开挖与主体施工顺利进行。 ㈢地下洞室开挖施工以围岩类别控制单循环进尺为原则，根据围岩类别合理控制单循环进尺，确保洞室稳定，防止安全事故发生。 ㈣洞室开挖程序安排遵循新奥法施工原则，根据揭露围岩类别，采取相应的支护形式及时支护，确保施工安全。 ㈤地下洞室开始进洞遵循洞脸锁口原则，防止破坏洞脸边坡。 1.1.2施工程序 洞挖施工程序为：测量放线→布孔→钻孔→爆破→通风排烟→出碴→支护→下一循环 测量放线：每一循环作业前，都要进行测量放样。洞室放样需标出顶拱圆弧中心和周边有代表性的控制点，以保证开挖施工的准确性。 布孔：施工技术人员根据测量放线成果及爆破设计，进行现场布孔，用红漆标出主要钻孔的孔位，以便钻孔施工。 钻孔：采用手风钻钻孔，孔径φ42mm，爆破孔间距50~70cm，光爆孔间距40~50cm。钻孔角度和孔深，应符合爆破设计的规定，已造好的钻孔，需进行保护。对于因堵塞无法装药的钻孔，应予吹孔或补钻，钻孔经检查合格后方可装药。 装药：爆破孔采用φ32mm药卷装药，光爆孔采用导爆索串联φ25mm药卷间隔装药，线装药密度150～200g/m左右； 爆破：爆破网络采用非电毫秒微差孔内延时网络，火雷管起爆方式。 通风排烟：由于本工程开挖洞室长度较长，采用供风机进行供风排烟。
第五章石方明挖及地下洞室开挖 5.1概况 拉西瓦水电站引水系统采用单机单管引水方式，包含有上平段、上弯段、竖井段、下弯段及下平段。上平段及上弯段相邻洞轴线间距为23.0m，下平段、下弯段及竖井段相邻洞轴线间距为34.0m。进水口高程分为三个台阶，①、②机进水口中线高程为2350.0m，③、④机为2370.0m，⑤、⑥机为2410.0m。6条引水洞穿过右岸坝轴线下游山体，引水洞采用竖井连接上下水平段，引水洞内径9.5m，引水洞下平段采用钢衬，其余部分采用钢筋混凝土衬砌。引水洞隧洞轴线长229.126～372.758m不等，总长约1791.776m。引水洞以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，根据不同的围岩情况，采取不同的开挖方法及衬砌型式；①～⑥引水洞进口段20.0m为渐变段，上平段及竖井段为开挖直径11.5m的圆形断面，下平段为开挖直径11.1m的圆形断面。 6#施工支洞总长约612m，洞口位于二道坝下游120m处，标准断面尺寸为11.0×7.0m（开挖尺寸一般为11.2×7.1m）, 6#施工支洞进口高程2232.0m，在与①引水洞相交处底板高程为2214.5m，6#施工支洞与①～⑥引水洞下平段垂直相交，交线位置位于下平段末端上游15.0m处。 5.1.1主要项目及工程量 引水洞开挖工程主要工程项目有： 1、引水洞石方洞挖： 2、6＃施工支洞石方洞挖； 3、交通桥桥墩明挖。 本标段石方明挖及洞挖工程量共计251343m3。其中石方明挖320 m3，主要为交通桥桥墩基础石方明挖；石方洞挖共计251023m3，其中引水洞石方洞挖198125 m3。 详细工程量分布见表5-1。 5.1.2石方洞挖工期安排 本工程石方洞挖工程主要为6＃施工支洞及6条引水洞的石方洞挖，根据招
第18章地下洞室开挖施工 18.1 概述 18.1.1 主要施工项目及工程量 本标段地下洞室工程施工项目主要包括：泄水坝段180m高程坝基排水隧洞、273m高程岸坡灌浆平洞开挖、支护及混凝土浇筑等。 本标段地下洞室工程施工平面布置见附图XJB/0562-T-18-01，主要特性见表18-1。 表18-1 地下洞室特性表 本标段洞室工程开挖支护施工主要工程量见表18-2。 表18-2 地下洞室开挖支护施工主要工程量 18.1.2 工程地质 坝址位于向家坝峡谷河段出口处，河流大体自西向东流，河谷形态呈不对称的“U”型，底宽500m左右。常年河水位266.50m时，主河槽在右侧，水面宽度160～220m，水深3～10m。坝址河床基岩顶板的总体形态是下游高上游低、中间高两侧低。河床基岩顶板略微倾向上游，并且在两侧存在较连贯的凹槽。 坝址区涉及的地层有三迭系上统须家河组(T 3xj )、三迭系中统雷口坡组(T 21 )、 侏罗系中下统自流井组(J 1-2z )及第四系(Q)，其中在坝址区出露的基岩主要为三迭 系上统须家河组（T 3xj ）的砂岩夹泥质岩石，系一套河湖、沼泽相沉积的砂岩、泥岩含煤地层，岩性岩相变化大，交错层理发育。主要建筑物地基岩石（或围岩）以细至中粗粒砂岩为主，仅夹少量泥质岩石；两岸边坡部分涉及泥质岩石。砂岩
的主要矿物成分为石英、长石及岩屑，泥质岩石的粘土矿物以伊利石和绢云母为主。 坝址区最大的结构面为立煤湾挠曲核部的岩层陡倾带，是一个挤压破碎带，延伸长度达数百米。该陡倾带斜穿坝基，在坝踵部位宽80m左右，坝趾部位宽约150m。其次为一些小型断层，一般延伸200～300m，个别长500～600m，断层破碎带宽度多在1m左右，少数可达5～10m。 高程180m坝基排水洞围岩主要为砂岩，主要持力层是T32-2、T32-3、T32-4亚组，并穿过JC2-8夹层和f22、f23、f30断层。围岩总体属中等透水（10Lu≤q ＜100Lu），透水性主要受断层、夹层和节理裂隙控制。围岩水平埋深小（距坝基顶面20～50m），受结构面影响，岩体较破碎，渗透性较强。围岩以Ⅱ类、Ⅲ类为主，局部为Ⅳ、Ⅴ类。 2 18.2 施工重点与难点 （1）围岩条件差，存在Ⅳ、Ⅴ类围岩，在开挖过程中必须采取科学施工方法确保施工安全，同时加强围岩安全监测，建立安全预报制度，开挖过程中根据开挖部位和地质条件，及时根据要求设置安全监测点和围岩收敛监测断面，及时沟通信息，以便调整开挖钻爆程序和钻爆参数，减轻开挖爆破对围岩稳定的影响。故软岩的开挖是本洞室开挖的首要重点和难点。 （2）坝基排水洞位于地下富水层，围岩渗透性较强，开挖过程中采取“以防为主、堵排结合、综合处理”措施，确保施工安全。故加强防水处理，是本洞室开挖的重点之一。 （3）坝基排水洞距坝基顶面较近（约20～50m），排水洞开挖时（特别是楼梯间竖井）大坝正在进行混凝土施工，爆破振动对新浇混凝土影响较大，必须采取爆破控制措施防止对新浇混凝土的影响。故爆破振动对新浇混凝土影响是本洞室开挖的重点之一。 （4）灌浆平洞进洞口位于右非5＃坝段建基面，出洞口与地下厂房第三层灌浆廊道平面交叉；坝基排水洞的横向交通洞与上、下游纵向排水洞及楼梯竖井和集水竖井交通洞与上游纵向排水洞存在平面交叉口，楼梯竖井、集水竖井和排水洞均存在立体交叉，岩隔墙厚度最小仅3.05m。对这些特殊部位必须采取科学施工方法，在建基面洞口段、交叉口采取加强支护，开挖按照“短进尺、多循环”的原则施工，加强控制爆破和监测及数据反馈，确保安全施工。故建基面洞口段、平面及立体交叉口等特殊部位的开挖，是本洞室开挖的重点之一。 （5）围岩系砂岩、泥岩含煤地层，同时排水洞布置弯道多、洞线长、断面尺寸小，其地下开挖作业的卫生标准以及通风、防尘和防有害气体(H2S、瓦斯等)的要求高，是本洞室开挖的难点之一。 （6）本地下工程包括洞挖和井挖，洞室开挖断面小，出渣困难，需多次转渣。灌浆平洞拟采用3m3装载机端至洞口后再转至指定渣场，排水洞拟采用小型梭车运至施工竖井井底后转至罐笼再提升至井口，最后转至指定渣场。故出渣困
第３１卷第１期２ ０ １ ３年１月水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３１Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２ ０ １ ３文章编号：１０００－７７０９（２０１３）０１－０１０４－ ０４基于滑动测微计的地下洞室围岩变形分析 武学毅１， 熊成林１，成 涛２（１．中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司，北京１０００３８；２．中国长江三峡集团公司，北京１０００３８ ）摘要：以呼和浩特抽水蓄能电站为例，应用滑动测微计对施工期地下洞室围岩表面和深度变形进行监测。近２０个月监测资料表明， 监测期间地下洞室处于稳定状态，围岩表面变形较大值发生于地下洞室第五、六层开挖过程中。由于围岩深度变形主要由岩体结构面张开引起，配合多点位移计进行校核验证，则可判断围岩结构面张开位置。可见开挖过程的变形监测，可实时指导施工、优化设计、保证地下洞室开挖安全。关键词：变形监测；滑动测微计；地下洞室；围岩变形；稳定性中图分类号：ＴＵ４５７ 文献标志码：Ａ 收稿日期：２０１２－０５－２５，修回日期：２０１２－０７－ ０９作者简介：武学毅（１９８４－），男，博士研究生、工程师，研究方向为工程安全监测，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｘｙ ５２１６８＠１２６．ｃｏｍ 地下洞室围岩内部变形监测分点法和线法两 种，点法监测是目前较常用的监测方法，多采用多点位移计进行监测，但其只能提供有限监测数据，难以准确刻画出岩体内部变形；线法监测是沿一条长测线进行近乎连续监测，以获取岩体内部沿钻孔方向的连续数据，可较为准确地了解岩体内 部变形，该方法在国外应用较为广泛［ １］ ，其典型监测仪器有滑动测微计、测斜仪等。滑动测微计具有可有效修正零点漂移、 精度高等特点，可有效区分桩基内力的诱发因素，全面评价桩基内力［ ［２～４ ］。国内首次采用滑动测微计监测围岩松动变形是在 水布垭电站地下厂房［ ５］ ，但目前国内应用滑动测微计监测地下洞室围岩变形的成果较少。鉴此，本文通过滑动测微计工程应用实例，与其他监测手段进行比对分析，研究了大型地下洞室施工期围岩表面和深度的变形机制。 １ 滑动测微计工作原理和方法 １．１ 工作原理 采用滑动测微计为瑞士ＳＯＬＥＸＰＥＲＴＳ公司研制的高精度位移（应变）观测仪器设备，可测量沿钻孔轴向的应变和轴向位移 的全部分布情况。滑动测微计由测头、电缆、操作杆、读数仪、标定筒和导管（含标芯）等部分组成（图１） 。其工作原理为［ ６］ ：测量导管预先埋设在岩体或混凝土的钻孔内，并与被观测体浇筑为一体。观测时，将滑动测微计测头放入导管内， 使测头与导管标芯顶紧，利用锥面—球面原理测量相邻测环（标芯）的精确距离，从而获得沿一测线（钻孔轴线）方向不同深度 图１ 滑动测微计组成示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒｓ的轴向位移或应变分布。滑动测微计测头内装有两套高精度的线圈系统（标距为１ｍ），当被测岩体（结构物）发生轴向变形时，测头内的两套线圈系统在测量位置上通过两个测环感应，产生一个与两测量环实际间距成比例的电信号，并由测读仪读出，经换算得出长度变化，该长度变化即为被测体的变形值。１．２ 计算方法 滑动测微计监测围岩内部松动变形主要优点在于精度高、可修正温度影响及零点漂移。其具体计算公式为： Ｍｓ＝ ∑ｉ＝顶 ｉ＝底 （ Ｍｉ －Ｍ０）（１）Ｍｉ＝珡Ｋｉ（ａｉ－珚Ｚｉ）（２）Ｍ０＝珡Ｋ０（ａ０－Ｚ０— ） （３ ）Ｋ＝４．７５２ ／（Ｅ２－Ｅ１）（４ ）Ｚ＝（Ｅ１＋Ｅ２）／２（５ ）式中，Ｍｓ为钻孔内各深度至孔口的轴向位移；Ｍ０ 为基准值；Ｍｉ为某深度相对轴向位移；珡Ｋ为修正后校正系数（观测前、后校正系数的算术均值） ；
**电站工程 地下洞室开挖施工技术要求
1、适用范围 本施工技术要求适用于**电站引水隧洞、调压井、压力管道斜井及上、下平段及调压井永久交通洞等地下洞室的开挖施工。 2、引用标准 （1）《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》DL/T5099-1999； （2）《水工隧洞设计规范》SL279-2002； （3）《爆破安全规程》GB6722-86； （4）《锚杆喷射砼支护技术规范》GB50086-2001； （5）《水电水利工程锚喷支护施工规范》DL/T 5181-2003； （6）《水利水电工程施工测量规范》SL52-93； （7）《水利水电基本建设工程单元工程质量等级评定标准（一）》（试行）SDJ249-88。 3、主要技术要求 3.1 各地下洞室的断面参数
表3.1各地下洞室的断面参数 3.2贯通测量的容允误差 1、施工单位应负责地下洞室贯通测量的技术设计和贯通测量。 2、贯通测量容允误差应满足表3-2的规定。 表3-2 贯通测量容允误差极限误差值 注：（1）相向开挖长度包括支洞长度在内；（2）如果通过曲线隧洞贯通时，纵向误差应提高到横向误差要求执行。（3）计算贯通误差时，可取表3-1中极限误差的一半作为面上的容许中误差，应按《DL/T5099-1999表5.0.2-2贯通中误差分配值的原则进行分配。（4）对于上下两端相向开挖的竖井，其极限贯
通误差不应大于±200 mm。 3.3 洞室开挖不应欠挖，应尽量减少超挖。平均径向超挖值，平洞不大于20cm，斜井、竖井不大于25cm。 因地质原因产生的额外超挖值，由监理工程师会同设计单位根据地质条件与施工单位商定。 3.4 不同断面或衬砌型式之间应设臵过渡段，有压隧洞过渡段的园锥角宜采用6°～15°，过渡段长度不应小于1.5倍洞径（或洞宽），并应满足设计要求。隧洞开挖过程中应尽量满足上述要求，减少衬砌工作量。 3.5 隧洞（含施工支洞）进出口位臵较低时，应按相应防洪标准（5年或10年重现期全年洪水）设臵挡水建筑物，其型式应根据地形条件、工程规模等因素选择。 4 开挖 4 .1 洞口开挖 1、洞口削坡开挖应自上而下进行。严禁上、下垂直作业。做好危石清理、坡面加固、马道开挖及排水。 2、洞口应设臵防护棚等安全设施。在不稳定和极不稳定的Ⅳ、Ⅴ类围岩中，开挖前可先将附近一定范围的山体加固或浇筑明拱，然后再开挖洞口。洞口施工宜在雨季之前完成。 4 .2 平洞开挖 1、开挖与衬砌作业顺序宜采用顺序作业方法。在Ⅳ、Ⅴ类围岩中，也可考虑采用开挖与衬砌交叉或平行作业。 2、由于洞径较小，宜优先采用全断面开挖方法，对不良地质段，为安全计，
5 地下洞室开挖 5.1 说明 5.1.1 范围 本章规定适用于本合同施工图纸所示各种类型的地下洞室开挖，其内容包括隧洞、斜井、竖井等地下工程的开挖。 本章只适用于钻爆法开挖，不适用于掘进机施工。 5.1.2 承包人的责任 (1) 承包人应全面掌握本工程地下洞室地质条件，按施工图纸、监理人指示和本技术条款规定进行地下洞室的开挖施工。其开挖工作内容包括准备工作、洞线测量、施工期排水、照明和通风、钻孔爆破、围岩监测、塌方处理、完工验收前的维护，以及将开挖石渣运至指定地区堆存和废渣处理等工作。 (2) 承包人应按本合同《通用合同条款》第13.5款(3)项、第30.2款⑷项和本技术条款第1.11节中的有关规定，做好地下工程现场的粉尘、噪声和有害气体的安全防护工作，以及定时定点进行相应的监测，并及时向监理人报告监测数据。工作场地内的有害成分含量必须符合国家劳动保护法规的有关规定。 (3) 承包人应对地下洞室开挖的施工安全负责。在开挖过程中应按施工图纸和本合同《通用合同条款》第29.2条⑴项规定，做好围岩稳定的安全保护工作，防止洞（井）口及室内塌方、掉块危及人员安全。开挖过程中，由于施工措施不当而发生山坡、洞口或洞室内塌方，引起工程量增加或工期延误，以及造成人员伤亡和财产损失，均应由承包人负责。 (4) 承包人应按监理人批准的施工措施计划和本技术条款第1.12.3条规定，在指定地点堆放石渣。 (5) 开挖过程中，承包人应按监理人指示作好施工记录及地质编录工作。 5.1.3 主要提交件 5.1.3.1 施工措施计划 在地下工程开挖前28天，承包人应根据施工图纸及本技术条款的规定，提交一份包括下述内容的施工措施计划，报送监理人审批： (1) 地下工程开挖及施工支洞布置图； (2) 开挖设备和辅助设施的配置； (3) 钻孔爆破技术和方法以及控制超挖的措施； (4) 出渣、弃渣以及渣料利用措施； (5) 洞口保护和围岩稳定的支护措施以及处理塌方的应急措施； (6) 通风和散烟、除尘及空气监测安全措施； (7) 照明设施；
1，TBM设备组成 TBM通过机械方式破岩，可以实现破岩掘进、出渣、初期支护一体化的连续作业，是隧洞工程先进的大型施工设备。 开敞式TBM主要由主机，辅助设备和后配套设备组成。 主机包括：刀盘、护盾、主梁、主轴承及驱动系统、支撑和推进系统、主机皮带机、步进机架及润滑、液压、控制、电气和高压供电系统等。主机总长24米，重620吨。 辅助设备包括：钢拱架安装器、锚杆钻机、钢筋网安装设备、超前钻机、地质勘探钻机、底部清渣机、应急喷射混凝土、二次通风除尘、激光导向、数据采集传输系统等。 后配套设施包括：连接桥、门架台车、配套皮带机、高压电缆卷筒、轨道、物流机车、注浆设备、混凝土输送泵、吊机及材料供应、喷射混凝土、冷却、供水、排水、瓦斯监测、消防、通讯、电视监视和照明系统等。 2、组装前的准备工作 （1）详细编制（TBM组装及调试施工组织设计）。TBM设备组装是一个及繁重又复杂的系统工程。为确保TBM设备组装与调试的顺利进行，在设备进场前，根据制造商的技术要求，详细编制了（TBM组装及调试施工组织设计），主要包括组装场地布置、主机各部件的组装顺序、组装技术标准和要求、关键设备组装工序及要点以及组织机构、资源配置和进度计划等。 （2）安装场地准备。硬化安装场地地面，尤其是主机安装和步进段，要具有承重620吨主机的能力。安装一组规格为43KG/M\轨距970MM的钢轨4道，长12.5米。前端安放前支撑临时支座，并供前、后各两组4排主机步进滚轮构（DDLY）行进，轨道纵、横平整度误差不大于0.15%。 （3）安装机、器具准备。关键的设备包括：80T*2门式起重机1台，跨度12米，起重高度10米；40、8吨汽车吊各1台等起重运输设备；除随机订购的各种专业工具外，还应准备现场组装所需一切工、器具及经ROBBINS确认的所需各种油品。 （4）组装人员准备。TBM设备庞大繁杂，既有笨重的钢构件，也有精密的控制设备和仪表、复杂的电气、液压等管路系统，是大型高新技术产品，必须由技术熟练的设备安装人员才能完成设备的组装和调试。为此，组织了电气、机械、液压等各工种专业人员64人的组装队伍。其中各专业技术骨干分别参加了海外和场内组装的技术培训，全员参加了现场组装的技术培训。此外，ROBBINS代表7人和外聘专家2人常驻施工现场。 2 、TBM组装顺序 TBM设备，凡处在关键线路上的部件，必须严格按照规定的程序组装，凡不在关键线路上的部件，在不影响关键线路部件组装的前提下，可以安排平行作业进行；否则将招致组装工作混乱、贻误工期，乃至造成的设备、人员事故。 TBM组装程序的关键线路是： （1）前支撑安装。前支撑即主轴承齿轮箱及护盾的组成，前支撑安装是TBM主机的首件安装，也是定位节的安装。主机其余部件安装的定位放线均以此件为基准。（2）主梁安装。主梁分3节，首先将第一节主梁前端与支撑中心套管通过法兰对接；然后安装第2节主梁下方的鞍架和撑靴系统，待其高程、水平和中心线调整定位后，再将第2节主梁吊放到鞍架顶部的滑道内，并通过法兰与第1节对接；第3步是通过法兰将第3节主梁与第2节主梁对接；最后将TBM的后支撑装入第3节主梁。 后支撑可以通过液压系统升降，是TBM主机稳定和换步的重要机构。 （3）后配套系统安装。后配套系统共有11节门架（gantry）台车及其各种辅助设备，长97米，重365T。其中最关键的是第1节门架台车，其上部为连接桥的后连接点，又系转渣皮带机的始端。该节门架台车安装完成后，才能通过连接桥将主机和后配套
第八章地下洞室围岩稳定性分析 第一节概述 1．地下洞室（underground cavity）： 指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。 2．我国古代的采矿巷道，埋深60m，距今约3000年左右（西周）。 目前，地下洞室的最大埋深已达2500m，跨度已过50m，同时还出现有群洞。 3．分类： 按作用分类：交通隧洞（道）、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房仓库、地铁等等； 按内壁有无水压力：有压洞室和无压洞室； 按断面形状为：圆形、矩形或门洞形和马蹄形洞室等； 按洞轴线与水平面间的关系分为：水平洞室、竖井和倾斜洞室三类； 按介质，土洞和岩洞。 4．地下洞室→引发的岩体力学问题过程： 地下开挖→天然应力失衡，应力重分布→洞室围岩变形和破坏→洞室的稳定性问题→初砌支护：围岩压力、围岩抗力（有内压时） （洞室的稳定性问题主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对关系） 第二节围岩重分布应力计算 1．围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体。 2．地下洞室围岩应力计算问题可归纳的三个方面： ①开挖前岩体天然应力状态（一次应力、初始应力和地应力）的确定； ②开挖后围岩重分布应力（二次应力）的计算； ③支护衬砌后围岩应力状态的改善。 3．围岩的重分布应力状态（二次应力状态）： 指经开挖后岩体在无支护条件下，岩体经应力调整后的应力状态。
一、无压洞室围岩重分布应力计算 1．弹性围岩重分布应力 坚硬致密的块状岩体，当天然应力()c v h σσσ2 1 ≤ 、，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形状态。这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可用弹性力学方法计算。重点讨论圆形洞室。 （1）圆形洞室 深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，可以用柯西求解，看作平面应变问题处理。 无限大弹性薄板，沿X 方向的外力为P ，半径为R 0的小圆孔，如图8.1所示。 任取一点M （r ,θ）按平面问题处理，不计体力。则： ……………………① 式中Φ为应力函数，它是x 和y 的函数，也是r 和θ的函数。 边界条件： ()()()()()??? ? ?? ???===>>-=??? ??--=>>+=-++=====003103131R b 0)(2sin 22sin 2)(2cos 222cos 22b r r b r r b r r b r r R b p R b p p θθτσθθσστθθσσσσσ ………………② 设满足方程①的应力函数φ为： () θ2cos ln 222F Dr cr Br r A ++++=Φ- ………………………………③ 由③代入①，并由②可得： 2 R F ,4-D ,4-c ,4B ,2204020p pR p p pR A = ===-= ???? ???????Φ ?-?Φ?=?Φ?= ?Φ ?+?Φ?=θθτσθσθθr r r r r r r r r 22 2 22 221111 图 8.1柯西课题分析示意图
编号：****/JL**XZ-0** ************工程 监理第**标段 地下洞室开挖监理实施细则 ****************有限公司*************** ********工程监理第**标段监理部 20**年**月**日
目录 1、总则 (2) 1.1编制依据 (2) 1.2适用范围 (2) 1.3负责土方工程施工监理单位员及分工 (2) 2、开工审批内容及程序 (3) 3、质量控制的内容、措施和方法 (5) 3.1施工过程监理 (5) 3.2隧洞开挖数据及地形图规格 (5) 3.3隧洞开挖监测和资料整理工作 (5) 3.4隧洞开挖施工措施计划 (6) 3.5隧洞开挖发现异常的处理 (6) 3.6工程质量检验原则 (6) 3.7工程质量检验要求 (6) 3.8地下照明和通风 (7) 3.9排水设备 (7) 3.10单元工程质量评定 (7) 4、施工质量控制 (8) 5、单元工程划分及验收 (9) 6、工程计量和结算支付 (10)
地下洞室开挖监理实施细则 1、总则 1.1编制依据 （1）***********工程施工第**标段施工合同； （2）***********工程施工第**标段招标、投标文件； （3）***********工程施工第**标段设计图纸及说明； （4）***********工程监理第**标段监理合同、监理规划； （5）《水利工程施工监理规范》（SL288-2014）； （6）《水利水电工程施工测量规范》（SL52-2015)； （7）《水利水电工程施工质量检验与评定规程》（SL176-2007） （8）《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（SL378-2007）； （9）《水利水电工程施工安全防护设施技术规范》（SL714-2015）； （10）《**************办关于做好********市内****工程安全生产工作的通知》（******[2009]**号）； （11）批复的施工组织设计及施工方案。 1.2适用范围 本细则适用于***********工程施工第**标段的地下洞室开挖工程。 1.3负责土方工程施工监理单位员及分工 1.3.1总监理工程师***负责地下洞室开挖施工监理的组织管理工作； 1.3.2监理工程师***、***负责现场地下洞室开挖施工监理的控制与管理工作，履行与地下洞室开挖工程有关的监理工程师职责，监理员***、***在监理工程师的指导下，履行与地下洞室开挖工程有关的监理员职责； 1.3.3专业监理工程师***负责现场测量监理工作。
第十章地下洞室开挖及支护 10.1地下引水发电系统开挖施工布置 10.1.1概况 龙滩水电站地下厂房系统,主要有引水系统、厂房系统和尾水系统组成.本标段主要工程有:引水洞、主副厂房(含安装间)、母线洞、主变室、尾水洞调压井、尾水洞、辅助洞室、通风洞、排水洞等构成。见下表10—1 本标段全部为地下工程，布置有近百条洞室，错综复杂，工程量巨大，施工道路少，工期要求紧，施工强度高，如何科学组织施工，有机协调施工是至关重要，必须有一个具有丰富地下工程施工经验队伍，强有力的指挥班子才能完成。 10.1.2工程地质 厂区地形整齐,山体雄厚.地层为三叠系中统板纳组(T26),由厚层砂岩、粉砂岩、泥板岩互层夹少量层凝灰岩,硅质泥质灰岩组成。以砂岩、粉砂岩为主。 厂区岩层产状345o~355o、倾向NE，∠57o~60o。对地下厂房布置影响较大的断有4组。 第一组：以层间错动为代表的顺层断层，对地下厂房影响较大的有F5、F12、F18、F22、F75。 第二组：走向30o~60o、倾向NE，∠60o~85o，有F63、F69。 第三组：走向270o~300o、倾向NE,∠70o~85o。对地下厂房影响较大的有F1、F4。 第四组：走向65o~85o、倾向NN或NE，∠75o~85o。规模较大的有F60、F89、F30。 厂区节理有8组，其中第一、第二组节理最为发育，左岸山体地应力为压应力场，最大主应力方向约为280o~330o，倾角一般小于20o，最大主应力平均值为12~13Mpa,属于中等量级，侧压力系数为：λ=1.2~1.9,一般不会产生岩爆。 围岩分类：在地下洞室区，围岩新鲜或微风化，透水性小，地下水活动微弱，地震波速5000m/s以上，围岩属质量中等或较好的层状结构岩体。洞室所在的区域绝大部分为Ⅲ类，小部分为Ⅱ类围岩，具有较好的成洞条件。 在施工中过断层和破碎带要加以注意，有必要时应采用超前支护措施，施工中要加强地质跟踪和预报工作，对第一组和第二组断层产生的次生构造将造成屋脊形的构造面，对施工安全威胁较大要加强观察，发现要及时锁定，加强支护，保证施工安全。