大型地下洞室群的卸荷岩体开挖与支护研究

摘要

随着我国经济建设的快速发展和基础设施的大量兴建，特别是西部大开发战略工程的实施，在水利水电工程、铁路交通、石油天然气等众多的西部工程建设中，岩体力学与工程学科也将面临严峻挑战。在西部高山峡谷地带修建大型地下洞室，必然要进行大规模开挖施工而建造，并且开挖形成大量卸荷围岩体，这些岩体的开挖与支护问题成为设计与建设以及安全运行中的主要问题之一，其工程处理措施方式的选择对工程的造价和工程岩体稳定也有着重要的影响。针对这些大型岩体变形控制及保证地下洞室的稳定等技术难题，迫切需要开展开挖卸荷岩体的变形机理相关的支护研究。2011年，在国家能源局发布的《国家能源科技“十二五”规划》中，把研究“超大型地下洞室群开挖与支护”作为关键技术科技研究项目，因此本文具有一定的前瞻性。 本论文针对水布垭电站地下厂房工程围岩稳定的关键技术问题，通过对厂区围岩的地质特征和工程特性、主厂房围岩稳定性与软岩处理措施和厂房的安全监测与动态反馈优化等方面的研究，取得以下主要研究成果: (1)利用了“工程组合岩体”分级方法，解决了水布垭工程层状复杂岩体质量级别划分问题，也为岩体质量分级提供了一条新的思路。通过厂区构造变形研究，确定了厂区地质特征及工程岩体概化特征。 (2)通过试验研究，将地下厂房围岩分为较均质的坚硬岩体、中厚层、厚层的较坚硬岩体、薄层状软硬相间的复合岩体和剪切带软岩等4种类型，并获得了上述4类岩体的变形模量和抗剪强度参数。同时获得了厂区软岩岩层的性状特点和破坏形态，并取得了各种软弱层面的抗剪强度参数。 (3)根据地层、岩性条件，结合电站运行要求和数值分析成果，通过研究，确定了对控制地下厂房围岩稳定的边墙中上部软岩(P1q3)，采用圈梁式超前软岩封闭支撑体结构进行处理，确保了厂房上部围岩的刚度与完整性，保证了软岩上下层岩体之间力的传递，防止软岩压缩挤出变形;同时，利用封闭圈梁对软岩形成围压，基本保持软岩岩层的原始受力状态，维持软岩的承载能力，以达到充分利用软岩的目的。对控制地下厂房围岩稳定的边墙下部软岩岩层（p1q3、马鞍煤层及黄龙剪切带），采取保留软岩支撑隔墩处理，发挥隔墩对地下厂房上下游边墙的支撑作用，限制厂房边墙变形，并达到了有效降低厂房全断面开挖高度和限制下部软岩回弹变形的目的。 (4)对厂房上部及下部软岩不同处理方式及洞室围岩不同支护方案，进行了二维及三维数值模拟研究，验证并优化了软岩处理方案及洞室围岩支护参数。 (5)通过对地下厂房工程各部位监测的重点、难点分析，确定了施工期临时监测设施及永久监测设施的布置，提出了施工过程中的控制原则。动态进行了地下厂房施工期稳定评价、预测与反馈优化研究，提出了厂房开挖程序、支护参数及软岩处理的优化建议。 (6)根据实际揭露的地质条件，结合安全监测和反馈优化研究成果，对地下厂房的施工程序、开挖方式、支护参数进行了动态优化，完整实现了动态设计及信息施工。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1选题的背景和意义

1．2 国内外同类工程技术现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．2．3典型的国内外工程实例

1．3研究方案

1．3．1研究目标及意义

1．3．2研究内容

1．3．3 拟采用的研究方法和技术路线

2厂房围岩地质条件分析

2．1 工程概述

2．2基于区域的地质特性与岩溶规律研究

2．2．1 基于区域的地质特性研究

2．2．2构造发育规律研究

2．2．3场区岩溶发育规律

2．3地质特点及软岩分布研究

2．3．1 地质特点研究

2．3．2厂区软岩分布研究

2．4工程岩体地质特征概化研究

2．4．1岩体结构模式概化

2．4．2岩石(体)物理力学特征概化研究

2．4．3 围岩工程特性的概化

2．5岩体质量分级研究

2．5．1 国标分级

2．5．2“工程组合岩体”质量分级方法

2．6本章小结

3开挖岩体卸荷分析的基本方法

3．1 综述

3．2基于Mohr-Coulomb准则的加、卸荷准则

3．3卸荷岩体的本构关系

3．4岩石加卸荷应力应变路径对比分析

3．5岩体加卸荷力学参数分析

3．6开挖卸荷过程的有限元模拟

3．6．1 开挖边界释放荷载计算

3．6．2岩体开挖卸荷模拟

3．7本章小结

4厂区围岩力学参数研究

4．1 岩体宏观力学参数的数值模拟

4．1．1层状岩体变形试验成果

4．1．2数值模拟试验

4．2岩体变形特性的洞室开挖试验研究

4．2．1试验洞开挖变形测试

4．2．2测试成果分析

4．2．3试验洞围岩位移反分析

4．2．4综合分析

4．3围岩力学参数取值

4．3．1岩石力学试验研究成果

4．3．2岩体力学参数影响因素分析

4．3．3岩体力学参数取值

4．4主要研究成果及结论

5 地下厂房工程布置及洞室结构研究

5．1地下厂房布置

5．1．1 地质条件

5．1．2地下厂房布置

5．2地下厂房洞室结构及加固支护措施研究

5．2．1 地下厂房断面型式选择

5．2．2上部软岩处理措施论证

5．2．3下部软岩处理措施论证

5．2．4锚喷支护措施选择

5．3 吊车梁结构型式研究

5．3．1 吊车梁结构型式简述

5．3．2水布垭地下厂房吊车梁结构型式研究

5．4本章小结

6厂房围岩稳定性与软岩处理措施研究

6．1 地下厂房围岩稳定性二维弹塑性分析

6．1．1 概述

6．1．2计算条件

6．1．3计算方案

6．1．4计算结果与分析

6．1．5 主要结论

6．2地下厂房围岩稳定性三维弹塑性分析

6．2．1 概述

6．2．2地质概化模型与计算条件

6．2．3 开挖支护与软岩置换模拟

6．2．4计算结果与分析

6．2．5主要研究结论

6．3．1 上部软岩处理措施效果的数值模拟分析

6．3．2上部软岩措施效果的地质力学模型试验分析

6．4 主厂房下部软岩(P1ma、C2h等)处理措施效果分析

6．4．1 下部软岩处理措施效果的数值模拟分析

6．4．2 下部软岩处理方案的反馈优化研究

6．5小结

7地下洞室施工技术研究

7．1 地下厂房施工特点

7．2施工总体规划优化研究

7．2．1 主厂房系统施工通道布置

7．2．2施工通风规划

7．3 开挖及支护中的施工技术

7．3．1 软岩置换体施工

7．3．2主厂房开挖爆破

7．3．3 竖井、斜井反井法施工

7．4本章小结

8安全监测与动态反馈优化

8．1监测系统方案研究

8．1．1施工期监测

8．1．2永久监测

8．2 主厂房上部开挖期动态反馈分析

8．2．1 第3层施工结束时的动态反馈分析

8．2．2第6层施工结束时的动态反馈分析

8．3主厂房下部软岩处理方案反馈分析

8．3．1 槽挖方案与全断面开挖方案

8．3．2几种槽挖支护方式的对比

8．3．3 下部软岩处理方案综合评价

8．4主厂房动态优化设计

8．5关键部位监测成果与分析

8．5．1 围岩变形

8．5．2锚索应力

8．5．3主要结论

8．6本章小结

9结论与展望

9．1 主要研究成果及结论

9．2今后研究的方向

参考文献

附录

致谢