1.4　地下洞室群设计研究与发展

自20世纪60年代以来，由于山岩掘进施工技术的不断发展和新奥法技术的广泛采用，水电站地下厂房洞室的设计理论日臻完善，设计方法和手段逐步改进，工程经验不断丰富，为大型地下洞室群的设计和施工奠定了良好的理论和实践基础。大型水电站地下厂房洞室群结构问题有以下主要特点。

（1）洞室纵横交错，洞室大小尺寸变化范围大。

（2）地质条件和岩体结构复杂，洞室围岩具有非均质性、不连续性和各向异性。

（3）围岩具有预应力“结构”特征，洞室开挖时引起地应力释放和应力重分布。

（4）围岩的强度和变形特征存在不确定性，岩体力学参数存在空间变异性。

（5）流体和固体的耦合效应、多场耦合作用使得问题更加复杂。

显然，水电站地下厂房洞室群是一个庞大、复杂的系统工程，而所涉及的问题却是数据有限的岩体力学问题。一直以来，地下工程的实践先于理论研究，是从实践中发展起来的交叉学科，其核心是研究围岩在洞室开挖与外界因素作用下的应力、变形、破坏、稳定性及支护加固。水工地下工程研究需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、岩土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互交叉。

以往的工程设计中，研究方法包括：①岩体力学试验；②物理模型试验；③现场量测；④围岩分类法；⑤力学计算与解析法；⑥数值模拟。这些方法在地下洞室群工程设计中仍是主要方法，并综合应用，而且各种方法本身也在实践中不断发展，使得地下工程设计研究水平不断提高。

从20世纪90年代开始，在计算机技术发展的推动下，数值模拟技术发展非常迅速，一些复杂的力学模型和边界条件都可以借助于计算机进行模拟，并朝着精细化、逼真化和大型化方向发展。

地下工程数值分析方法主要有有限单元法（FEM）、有限差分法（FDM、FLAC）、块体元法、边界元法（BEM）、离散元法（DEM）、不连续变形分析法（DDA）、无单元法（EFM）和流形元法（MEM）等。各种方法由于侧重点不同而各有特色，但所有方法所依据的力学基本方程是一致的。有限单元法，由于对非均质、各向异性和以非线性为主的岩石介质具有良好的适应性，并以其为基础，已经开发出了开放式、功能强大的应用软件，因此，成为目前岩石地下工程分析计算的主流方法；其对岩体的描述，已从单一的分区均质模型发展到可考虑软弱夹层、断层、节理裂隙、大变形、岩体移动以及弹塑性、黏弹塑性、断裂损伤等。另外，近年来，有限差分（FLAC）法在地下工程设计中得到广泛应用。该方法是由P.A.Cundall提出的一种显式时间差分解析法，并由美国ITASCA公司于1986年首次推出商品化产品。FLAC采用了显式拉格朗日算法及混合离散单元划分技术，使得该程序能精确地模拟材料的塑性流动和破坏；对静态系统模型也采用动态方程来进行求解，不需要形成刚度矩阵，不必求解大型联立方程组，占用内存小，便于微机求解较大的工程问题。FLAC程序设有静力计算模块、动力模块、流变分析模块以及热力学分析模块，模块之间可以进行耦合分析。该程序内含有多种本构模型，包括Elastic、transversely-isotropic、Drucker-Prager、Mohr-coulomb、Creep、Modified Cam-clay、Hoek-Brown等，甚至可以自定义本构模型，从而满足不同的岩土工程问题的计算；结构单元也十分丰富，可模拟各种复杂的结构。FLAC可用于各类岩土工程分析，是一种专门求解岩土力学非线性大变形问题的Lagrangian法程序。

关于围岩稳定性设计标准。影响地下洞室围岩稳定性的因素较多，很难建立统一的标准来判断其是否稳定，而常使用不同的方法来判断地下洞室围岩的稳定性。目前国内外常用的稳定分析方法有：①定性经验类比法，主要有成因历史分析法、工程类比分析法、专家系统等方法；应用这些方法进行洞室稳定分析与设计实际上是一个定性研究过程，它的结论是一种比较客观的评价标准。②安全系数法，是一种历史悠久而仍最普遍应用的定量评价方法；由于安全系数是许多因素共同作用下的一个函数，这些影响因素在具体计算中有其不同的选取标准和计算方法，以及人们对它们认识的深刻准确程度不一，因此在对安全系数取值标准上存在着一定的差异。③可靠度、稳定度或破坏概率方法，通过引进概率论、模糊论、混沌论的原理和方法来分析地下洞室围岩的稳定性，避免了安全系数法使用过程中的绝对化；只要破坏概率足够小，小到人们可以接受的程度，就认为是安全可靠的。④围岩的应力、位移、塑性区、破损区分析法，通过物理模拟、数值模拟或现场监测等方法，可以获得有关围岩特定部位的应力大小、方向及位移量、位移方向、位移速度和它们的空间分布，以及塑性区或破损区的大小与分布等；其中，岩体变形是其稳定性最明显、最直观的反映，根据允许的岩体变形及其趋势来评价岩体稳定程度是一种概念比较明确的判据，通常是利用岩体位移量不能超过工程所允许的位移量（或变形速率的大小）来判断；同时，还能以塑性区、破损区的分布来判断岩体是否稳定。⑤现场监控法，是在地下工程施工中选择一些特征部位和代表性部位进行围岩与支护结构动态监测，然后利用现场监测物理量的变化来判断岩体的稳定性。地下工程围岩的稳定性问题，其影响因素复杂、且围岩性态存在不确定性，到目前为止，还没有哪一个判据可以非常准确地判断洞室是否失稳。因此，工程技术人员必须根据施工揭示的地质情况、现场监测和数值计算的多项指标进行综合分析，最后做出恰当的判断。

地下工程设计目前还是采用半理论、半经验的设计方法，有时经验更重要。尽管岩体力学在相关学科交叉渗透下，已形成了一门新的学科，而且在分析地下洞室围岩稳定性与设计方法上也有了很大的发展和提高，但由于岩体本身几何组成、介质特性和受力的复杂性，地下洞室的稳定分析仍受控于建模的仿真度和有关计算参数的确定。①要查明围岩的结构特征及其赋存地质环境（地应力、地下水等）非常困难，至今勘察成果仍是比较粗糙；②岩体工作性态的复杂性，现有的本构关系模型都不能准确描述，而且本构关系中若干参数的确定很难精确选择；③地下洞室群施工过程中结构、介质和外载的时空动态变化难以准确掌握，也给计算分析增添了不少难度；④关于地下洞室围岩稳定评判准则至今也尚未达到完善成熟的阶段，从稳定的定义、判据的量化到分析理论、准则和方法等一系列基本问题均尚未形成明确的系统，因而围岩稳定性的评价还需进一步探讨。以上存在的问题，促使人们一方面利用一些软科学手段（如不确定分析方法、系统分析方法、全局优化方法、综合智能方法等）寻求新的路径；另一方面仍然重视试验的研究，一些大型工程均投入可观经费进行相当规模的现场试验和模型试验，以保证获得可靠的数据作为地下洞室群设计与施工的依据。

我国对水工地下洞室的研究非常重视。“六五”期间针对鲁布革水电站地下厂房的设计，设立国家科技攻关项目“水电站大型地下洞室围岩稳定和支护的研究和实践”，开展了5个子课题的研究，即：①地下洞室围岩稳定的地质研究和围岩分类；②地下洞室围岩性状的测试和研究；③地下洞室围岩稳定和支护的模型试验；④地下洞室围岩稳定和支护的有限元、边界元分析；⑤地下洞室运行期长期观测和反馈。该项目的攻关研究取得了丰硕的成果，形成了中等跨度（20m左右）地下厂房设计、监测方面成套技术，成果不仅用于鲁布革水电站工程，而且为20世纪90年代更大规模的水电站地下厂房的建设做了技术上的准备。“九五”期间针对拟建的溪洛渡和小湾水电站地下洞室群，设立了国家科技攻关项目“超大型地下洞室群合理布置及围岩稳定研究”，主要攻关内容有：①超大型地下洞室群的围岩稳定与支护方式的研究；②超大型地下洞室群合理施工顺序的研究；③高地震区超大型地下洞室群的抗震稳定性研究。研究紧密结合溪洛渡和小湾工程设计中的关键技术问题，主要进行了超大型地下洞室群合理布置研究、围岩稳定与支护方式研究、渗流控制研究、合理施工顺序研究、施工系统仿真与进度研究及抗震稳定性研究。攻关取得了大量的研究成果，为大跨度（30m级）地下厂房的设计提供了理论研究和应用基础研究。2000年，原国家电力公司针对龙滩水电站建设，设立了“巨型地下洞室群开挖及围岩稳定研究”专题，对巨型地下洞室群开挖、围岩稳定控制和支护方式等关键技术进行重点攻关，解决设计和施工中的技术难题。该专题主要研究内容包括：①龙滩水电站地下厂房区岩体力学参数研究；②围岩变形特征、主要洞室变形预测及变形监控标准建议值研究；③洞室群围岩支护参数与施工程序研究；④洞室围岩监测信息反馈系统与地质信息系统研究。专题结合当时在建的龙滩水电站之具体情况和工程需要开展研究，一方面解决龙滩水电站巨型地下洞室群开挖与稳定控制的主要技术问题；另一方面通过研究，对复杂地质条件大型地下洞室群围岩的变形特征、稳定性态有了更深、更全面的认识，同时提升了施工开挖程序、支护参数的优化以及动态反馈设计等共性技术研究水平。

随着能源领域基础设施建设的快速发展，地下空间的开发利用也发展迅速。我国西部大开发和能源建设战略的实施，在西南地区深山峡谷之中将兴建许多大型水电工程。其中，地下空间的利用既可以解决枢纽布置的空间问题，又可以充分利用水头差提高水能利用效率。地下输水发电系统成为优选方案之一。对于抽水蓄能电站，基本上都是全地下厂房方案。我国已建、在建以及拟建大型水电工程，正朝着单机大容量、厂房洞室大跨度、洞室群结构大规模的巨型化方向发展。近年来，地下储油、储气工程，也需要建造大型、巨型地下洞室群工程。对于这种地下洞室群，不仅需要解决好众多洞室在开挖过程中的洞室围岩稳定问题，更重要的是要确保地下厂房能长期安全稳定运行。因此，巨型地下洞室群的设计、施工和管理中的关键技术研究与开发，已成为当前工程界和学术界十分关注与亟待解决的重大课题。