一种防治地下洞室中缓倾角错动带变形与破坏的梯式阻滑群洞

摘要

本发明涉及一种防治地下洞室中缓倾角错动带变形与破坏的梯式阻滑群洞技术，在已知垂直地下洞室轴线平面上的缓倾角错动带的参数(视倾角、粘聚力、内摩擦角)、地下洞室的宽度、垂直地下洞室轴线平面上岩体的应力张量和设定的抗滑安全系数后通过计算确定设置梯式阻滑群洞的设计参数，然后在缓倾角错动带平面内分别在地下洞室的上方和下方分别布置一组梯形结构的混凝土阻滑群洞，梯形阻滑群洞由两条主洞和与其轴线垂直联通的多条连接洞相互构成。该方法可以在地下洞室中含缓倾角错动带开挖时实现阻滑力均匀分布、较高阻滑力和整体阻滑可靠性，有效地防治大型地下工程开挖时出露洞室边墙的缓倾角错动带发生滑动变形或破坏。

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩土地下工程领域的防治技术，更具体涉及一种防治地下洞 室中缓倾角错动带变形与破坏的梯式阻滑群洞技术，它可有效地防治大型地下工 程开挖时出露在洞室边墙的缓倾角错动带发生滑动变形或破坏。

背景技术

我国大陆地壳历史上先后经历了印支期、燕山期、喜马拉雅期、新构造期等 大规模内动力构造过程，地壳岩体因强烈挤压或张拉构造而普遍发生了断裂，导 致岩层中产生大规模产状与岩层产状基本一致且力学性质较差的缓倾角错动带 地质体，给我国大型地下工程建造带来了极大安全挑战，如向家坝水电站地下厂 房缓倾角错动带、两河口电站地下主变室缓倾角层间错动带、白鹤滩水电站地下 洞室群缓倾角层间和层内错动带等。实践中发现，由于缓倾角错动带较低的力学 强度和历史上的剪切错动，地下工程开挖扰动极易导致出露在洞室边墙的错动带 岩体发生再次滑动，进而导致的工程安全问题十分突出，如洞室边墙岩体剪切错 位、上盘岩体大变形、边墙喷砼和混凝土开裂、高边墙锚杆或锚索荷载超设计值 等，严重威胁地下洞群的安全建设。可见，开展地下洞室中缓倾角错动带的阻滑 技术开发对于今后大型地下工程安全建设具有十分重要的意义，如果能够通过阻 滑技术避免缓倾角错动带的剪切滑动，将可极大地减少和避免工程事故发生，大 大节约工程建设。

然而，由于缓倾角错动带的空间延展大、历史上的多次滑动、硬一软一硬复 合结构等特点，现有涉及地下工程围岩和软弱带的加固技术都无法有效和可靠地 防治洞室开挖卸荷下出露在地下洞室边墙的缓倾角错动带滑动或破坏。这是因 为：

(1)通常的围岩加固技术(如锚杆、喷射混凝土、锚索等)只能对地下洞室 表面和锚索/锚杆安装深度范围内的岩体进行加固，而无法针对延展范围达数百 米或上公里的缓倾角错动带进行内部加固(中华人民共和国建设部，2001年7 月，“锚杆喷射混凝土支护技术规范GB 50086-2001”，原国家冶金工业局；《岩 石力学与工程学报》，2002年第7期，庄心善，“锚杆加固岩体边坡设计法分析”； 《岩石力学与工程学报》，2011年第9期，师晓权,“软弱围岩隧道超前预加固 技术试验研究”)。

(2)常规加固技术(如锚杆、喷射混凝土、锚索等)提供的阻止地下工程岩 层或软弱面剪切滑动的抗阻力十分有限，远小于缓倾角错动带上下盘滑动时的滑 动力，从而无法可靠地阻止缓倾角错动带在洞室开挖卸荷下的滑动变形或破坏。

(3)边坡治理中常用的单一或多条置换洞是一典型的单向式抗滑方法，其抗 滑洞没有能考虑具有一定厚度且延展范围大的缓倾角错动特点，也未能考虑大型 地下大型洞室开挖后形成的内部大空区和开挖卸荷过程中洞室边墙岩体变形和 应力释放的特殊性，从而其方法和经验通常也无法满足大型地下洞室中错动带的 加固要求(《水力发电》，2007年11期，周述椿，“拉西瓦水电站拱坝左坝肩抗 剪洞布置探讨”；《吉林水利》，2011年第2期，徐亮，“抗剪洞施工期边坡监测 与分析”;《四川水力发电》，2011年第4期，陈佳伟，“某水电站坝址区松动岩 体开挖加固效果初探”；《人民长江》，2012年第6期，王小毛，“三里坪水利水 电枢纽工程关键技术问题研究”)。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种防治地下洞室中缓倾角错动 带变形与破坏的梯式阻滑群洞技术，旨在克服当前地下工程中错动带的滑动变形 与破坏治理技术储备不足，实现对大型地下洞室开挖过程中缓倾角错动带变形与 破坏的防治。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种防治地下洞室中缓倾 角错动带变形与破坏的梯式阻滑群洞，

A.在含缓倾角错动带岩层中预开挖的地下洞室边墙两侧的外侧岩体内分别 开挖第一梯形结构的阻滑群洞和第二梯形结构的阻滑群洞，第一梯形结构的阻滑 群洞中第一主洞的轴线和第二主洞的轴线均位于缓倾角错动带的平面内，第一主 洞的轴线和第二主洞的轴线相互平行且与地下洞室的边墙平面平行，第一主洞与 第二主洞之间开挖两条以上的连接洞，连接洞的轴线垂直于第一主洞和第二主洞 的轴线，第二梯形结构的阻滑群洞中第三主洞的轴线和第四主洞的轴线均位于缓 倾角错动带的平面内，第三主洞的轴线和第四主洞的轴线相互平行且与地下洞室 的边墙平面平行，第三主洞与第四主洞之间开挖两条以上的连接洞，连接洞的轴 线垂直于第三主洞和第四主洞的轴线；

B.所述第一梯形结构的阻滑群洞和第二梯形结构的阻滑群洞中的第一主 洞、第二主洞、第三主洞和第四主洞的宽度B_t是在已知预开挖地下洞室的宽度 B、拟填充混凝土的抗剪强度τ_con、垂直地下洞室轴线的平面上缓倾角错动带的 视倾角β、缓倾角错动带的粘聚力C和缓倾角错动带的内摩擦角φ、垂直地下洞 室轴线的平面上岩体应力张量[σ_xx，σ_yy,τ_xy]和设定的阻滑安全系数F_s后，按(式 1)计算获得；

B_t＝(τ·F_s-f)·B/2/τ_con               (式1)

式中，

f＝(cos²β·σ_xx+sin²β·σ_yy+2sinβ·cosβ·τ_xy)tanφ+C    (式2)

τ＝sinβ·cosβ(σ_yy-σ_xx)+(cos₂β-sin²β)·τ_xy            (式3)

第一主洞、第二主洞、第三主洞和第四主洞的高度为已知缓倾角错动带的平均高 度的二倍，第一主洞、第二主洞、第三主洞和第四主洞的长度等于缓倾角错动带 在地下洞室的边墙出露的平均长度；

C.所述第一梯形结构的阻滑群洞和第二梯形结构的阻滑群洞中的第一主洞 的轴线和第四主洞的轴线到地下洞室临近直立边墙的距离为地下洞室宽度的一 倍，第二主洞的轴线和第三主洞的轴线到地下洞室的临近直立边墙的距离为地下 洞室宽度的0.3倍；

D.所述第一梯形结构的阻滑群洞和第二梯形结构的阻滑群洞中的连接洞的 断面尺寸小于或等于第一主洞、第二主洞、第三主洞和第四主洞的断面尺寸，两 条以上相邻连接洞的轴线之间的间距为地下洞室宽度的0.5倍；

E.对所述第一梯形结构的阻滑群洞中的第一主洞、第二主洞和两条以上连 接洞进行抗剪强度为τ_con的混凝土填充，对第三主洞、第四主洞和两条以上连接 洞进行抗剪强度为τ_con的混凝土填充。

由于采用了上述技术方案，本发明可以有效地防治大型地下洞室开挖过程中 错动带的滑动变形或破坏，具有如下技术效果：

(1)实现了阻滑力均匀分布：梯式阻滑群洞通过在地下洞室一倍洞宽的错动 带平面上内布置多条联通的阻滑混凝土群洞，将抵抗缓倾角错动带滑动的阻滑力 较均匀地分布在地下洞室周围岩体中，改变了单一抗滑洞导致局部应力集中的不 足，可很好地发挥了地下洞室开挖过程中阻滑群洞抵抗缓倾角错动带剪切变形与 破坏的功能。

(2)获得了高阻滑力：在拟地下洞室的周围岩体，由于梯式阻滑群洞包含了 4条主混凝土洞和多条混凝土连通洞，故其在缓倾角错动带平面上的混凝土抗剪 总面积大且相互连接，故可以提供足够高的整体抗剪强度来抵抗地下洞室开挖过 程中缓倾角错动带上下盘的滑动力。

(3)提高了整体阻滑的可靠性：梯式阻滑群洞的主洞与连接洞相互连通，整 体结构性好，避免了因个别阻滑洞混凝土破坏或质量缺陷而导致整体阻滑效果不 理想或失效，有效地提高了地下洞室边墙出露缓倾角错动带阻滑防治的可靠性。

附图说明：

图1为本发明的梯式阻滑群洞的示意图

图2为图1的A-A剖面视图

图3为图1的B-B剖面视图

具体实施方式：

下面结合附图1、附图2和附图3，对本发明一种防治地下洞室中缓倾角错 动带变形与破坏的梯式阻滑群洞技术作进一步详细描述。

本发明具体实施方式为：

(1)计算缓倾角错动带1的阻滑力f和滑动力τ，已知垂直地下洞室5轴线 平面上的缓倾角错动带1的视倾角β、缓倾角错动带1的粘聚力C和缓倾角错动 带1的内摩擦角φ，垂直地下洞室5轴线的平面上的岩体9的应力张量 [σ_xx，σ_yy，τ_xy]和设定的抗滑安全系数F_s后，依据(式4)和(式5)计算出f和τ。

f＝(cos²β·σ_xx+sin²β·σ_yy+2sinβ·cosβ·τ_xy)tanφ+C   (式4)

τ＝sinβ·cosβ(σ_yy-σ_xx)+(cos₂β-sin²β)·τ_xy           (式5)

(2)计算防止缓倾角错动带1滑动变形的阻滑群洞需提供的抗滑力F_c，已知 缓倾角错动带1在地下洞室5边墙出露的宽度B，按(式6)计算防止缓倾角错 动带1向地下洞室5滑动的两侧阻滑群洞需提供的抗滑力F_c。

F_c＝(τ·F_s-f)·B                                           (式6)

(3)确定阻滑群洞中主洞的宽度，已知填充混凝土的抗剪强度为τ_con，根据 (式7)计算第一主洞2、第二主洞4、第三主洞6和第四主洞8的宽度B_t。

B_t＝F_c/2/τ_con                                              (式7)

(4)确定阻滑群洞中主洞的高度，第一主洞2、第二主洞4、第三主洞6、第 四主洞8的高度值等于缓倾角错动带1的平均高度H_c的两倍，这样可以确保阻 滑群洞开挖完成并填充混凝土后第一主洞2、第二主洞4、第三主洞6和第四主 洞8有一定深度的混凝土嵌固在岩体9中。

(5)在含缓倾角错动带岩层中预开挖的地下洞室边墙一侧的外侧岩体9内开 挖第一梯形结构的阻滑群洞中的第一主洞2，第一主洞2的轴线位于缓倾角错动 带1的平面内，第一主洞2的断面为城门洞形或矩形，第一主洞2的轴线与地下 洞室5的边墙平面平行且第一主洞2的轴线到地下洞室5的临近边墙平面的距离 等于地下洞室5的宽度。

(6)在含缓倾角错动带岩层中预开挖的地下洞室边墙一侧的外侧岩体9内开 挖第一梯形结构的阻滑群洞中的第二主洞4，第二主洞4的轴线位于缓倾角错动 带1的平面内，第二主洞4的断面为城门洞形或矩形，第二主洞4的轴线与地下 洞室5的边墙平面平行且第二主洞4的轴线到地下洞室5的临近边墙平面的距离 等于地下洞室5的宽度B的0.3倍。

(7)在第一主洞2与第二主洞4之间开挖两条以上的连接洞3，连接洞3的 轴线垂直于第一主洞2的轴线，连接洞3的断面尺寸小于或等于第一主洞2和第 二主洞4的断面尺寸，两条以上相邻连接洞3的轴线之间的间距为地下洞室宽度 的0.5倍。

(8)在开挖完成的第一主洞2、第二主洞4和所有连接洞3内充填抗剪强度 为τ_con的混凝土。

(9)在含缓倾角错动带岩层中预开挖的地下洞室边墙另一侧的外侧岩体9内 开挖第二梯形结构的阻滑群洞中的第四主洞8，第四主洞8的断面为城门洞形或 矩形，第四主洞8的轴线位于缓倾角错动带1的平面内，第四主洞8的轴线与地 下洞室5的边墙平面平行且第四主洞8的轴线到地下洞室5的临近边墙平面的距 离等于地下洞室5的宽度。

(10)在含缓倾角错动带岩层中预开挖的地下洞室边墙另一侧的外侧岩体 9内开挖第二梯形结构的阻滑群洞中的第三主洞6，第三主洞6的断面为城门洞 形或矩形，第三主洞6的轴线位于缓倾角错动带1的平面内，第三主洞6的轴线 与地下洞室5的边墙平面平行且第三主洞6的轴线到地下洞室5的临近边墙平面 的距离等于地下洞室5的宽度B的0.3倍。

(11)在第三主洞6与第四主洞8之间开挖两条以上的连接洞7，连接洞7 的轴线垂直于第三主洞6的轴线，连接洞7的断面尺寸小于或等于第三主洞6和 第四主洞8的断面尺寸，两条以上相邻连接洞7的轴线之间的间距为地下洞室宽 度的0.5倍。

(12)在开挖完成的第三主洞6、第四主洞8和所有连接洞7内充填抗剪强 度为τ_con的混凝土。

(13)在完成第一主洞2、第二主洞4、连接洞3、第三主洞6、第四主洞8 和连接洞7的混凝土填充施工并确保混凝土强度达到规范要求后，在岩体9中进 行原拟开挖地下洞室5的开挖施工。

具体实施例：

(1)在已知垂直厂房轴线平面上的缓倾角错动带1的视倾角β＝20°、缓倾角 错动带1的粘聚力C＝0.5MPa和缓倾角错动带1的内摩擦角φ＝15.0°，设定的 抗滑安全系数F_s＝1.8和垂直地下洞室5的轴线平面上岩体9的应力张量 [σ_xx＝12.0MPa，σ_yy＝18.0MPa，τ_xy＝1.5MPa]后，根据(式8)和(式9)计算可 知f＝4.1612，τ·F_s＝5.2691。

f＝(cos²β·σ_xx+sin²β·σ_yy+2sinβ·cosβ·τ_xy)tanφ+C     (式8)

τ＝sinβ·cosβ(σ_yy-σ_xx)+(cos²β-sin²β)·τ_xy             (式9)

(2)已知地下洞室5的宽度B＝30.0m，按(式10)计算防止缓倾角错动带1 滑动需要的抗滑力F_c＝33.2376×10⁶N。

F_c＝(τ·F_s-f)·B                                             (式10)

(3)已知填充混凝土的抗剪强度为τ_con＝4.0MPa，根据式(11)计算第一主 洞2、第二主洞4、第三主洞6、第四主洞8的宽带B_t＝4.155m。

B_t＝F_c/2/τ_con                                                (式11)

(4)已知缓倾角错动带1的平均高度为1.5m，从而确定阻滑群洞中主洞的高 度为3.0m。

(5)已知缓倾角错动带1在地下洞室边墙出露的平均长度为100.0m后，在含 缓倾角错动带1岩层中预开挖的地下洞室5边墙一侧的外侧岩体9内开挖第一梯 形结构的阻滑群洞中的第一主洞2，第一主洞2的断面为城门洞形，第一主洞2 的轴线位于缓倾角错动带1的平面内，第一主洞2的轴线与地下洞室5的边墙平 面平行且第一主洞2的轴线到地下洞室5的临近边墙平面的距离等于30.0m，第 一主洞2的长度等于100.0m。

(6)在含缓倾角错动带1岩层中预开挖的地下洞室5边墙一侧的外侧岩体9 内开挖第一梯形结构的阻滑群洞中的第二主洞4，第二主洞4的断面为城门洞形， 第二主洞4的轴线位于缓倾角错动带1的平面内，第二主洞4的轴线与地下洞室 5的边墙平面平行且第二主洞4的轴线到地下洞室5的临近边墙平面的距离等于 9.0m，第二主洞4的长度等于100.0m。

(7)在第一主洞2与第二主洞4之间按中心线间距为15.0m开挖七条连接洞 3，连接洞3的轴线垂直于第一主洞2的轴线，连接洞3的断面高度为3.0m，宽 度为4.0m。

(8)在开挖完成的第一主洞2、第二主洞4和所有连接洞3内充填抗剪强度 为τ_con的混凝土。

(9)在含缓倾角错动带1岩层中预开挖的地下洞室5边墙另一侧的外侧岩体 9内开挖第二梯形结构的阻滑群洞中的第四主洞8，第四主洞8的断面为城门洞 形，第四主洞8的轴线位于缓倾角错动带1的平面内，第四主洞8的轴线与地下 洞室5的边墙平面平行且第四主洞8的轴线到地下洞室5的临近边墙平面的距离 等于30m，第四主洞8的长度等于100.0m。

(10)在含缓倾角错动带1岩层中预开挖的地下洞室5边墙另一侧的外侧 岩体9内开挖第一梯形结构的阻滑群洞中的第三主洞6，第三主洞6的断面为城 门洞形，第三主洞6的轴线位于缓倾角错动带1的平面内，第三主洞6的轴线与 地下洞室5的边墙平面平行且第三主洞6的轴线到地下洞室5的临近边墙平面的 距离等于9.0m，第三主洞6的长度等于100.0m。

(11)在第三主洞6与第四主洞8之间按中心线间距为15m开挖七条连接 洞7，连接洞7的轴线垂直于第三主洞6的轴线，连接洞7的断面高度为3.0m， 宽度为4.0m。

(12)在开挖完成的第三主洞6、第四主洞8和所有连接洞7内充填抗剪强 度为τ_con的混凝土。

(13)在完成第一主洞2、第二主洞4、连接洞3、第三主洞6、第四主洞8 和连接洞7的混凝土填充施工并确保混凝土强度达到规范要求后，在岩体9中进 行原拟开挖地下洞室5的开挖施工。