圆形洞室围岩应力分布特征（基于岩石强度应力比的35）
圆形洞室围岩应力分布特征（基于岩石强度应力比的35）引用：国家自然科学基金项目(51779129);作者简介：汤艳春(1981—) 男，教授，硕士研究生导师，博士，主要从事岩土工程方面的研究。基金：
摘 要：
为了研究35～50 m跨度的大型硬岩地下洞室围岩稳定性，分析了34例18～35 m跨度硬岩洞室的工程资料，就不同岩石强度应力比对不同跨度、不同高度下35～50 m跨度硬岩洞室围岩稳定性的影响进行数值模拟。结果表明：(1)岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度曲线可分为基本不变、缓变、陡变三个阶段，基本不变与缓变阶段的界限值为7.4～7.8 缓变与陡变阶段的界限值为4.3～4.8 随着洞室尺寸的增大，敏感度曲线界限值有所增加；(2)34例大跨度硬岩洞室的岩石强度应力比均处于基本不变或缓变阶段，敏感度曲线的三阶段划分与工程实践吻合度较高，能较好地评价硬岩洞室设计的可行性；(3)工程类比下硬岩洞室(跨度大于35 m)在岩石强度应力比大于5.0～5.7时围岩变形和塑性区深度与金沙江某硬岩洞室基本一致，具有较好的围岩稳定性。相关研究思路和成果可为大跨度硬岩洞室设计与施工提供参考。
关键词：
大跨度硬岩洞室;强度应力比;围岩稳定性;数值模拟;
作者简介：
汤艳春(1981—) 男，教授，硕士研究生导师，博士，主要从事岩土工程方面的研究。
基金：
国家自然科学基金项目(51779129);
引用：
汤艳春 朱泽民 张传庆 等. 基于岩石强度应力比的 35 ~ 50 m 跨度硬岩洞室围岩稳定性评价[ J] . 水利水电技术(中英文) 2022 53(4): 128- 137.
TANG Yanchun ZHU Zemin ZHANG Chuanqing et al. Rock strength-stress ratio-based evaluation analysis on surrounding rock stability of hard rock cavern with span of 35~ 50 m[J]. Water Resources and Hydropower Engineering 2022 53(4): 128- 137.
0 引 言
随着我国工程建设的快速发展，对地下洞室空间的建设和结构利用的要求越来越高，对高地应力、超大地下空间的需求日渐提升，深部高应力下的地下工程建设必将趋于常态化。地下工程建设过程中，岩石基本强度、地应力、围岩结构面发育特征、支护强度等是影响围岩稳定性的关键因素，此外洞室开挖尺寸、洞室间距也对围岩稳定有着重要影响。
在硬岩大型洞室围岩稳定性方面，基于锦屏一级、猴子岩水电站，杨静熙等建立了高地应力硬岩大型洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比之间的联系，揭示了围岩应力诱导型破坏随岩石强度应力比的变化规律。张勇等通过对岩石强度应力比与洞室围岩的承载能力、破坏模式、变形特征之间的关系进行研究，提出了针对大型地下洞室群布置的量化指标和相关计算公式。王俊奇等指出水平大主应力与洞轴平行或垂直时，围岩最不利位置分别位于洞室边墙、拱顶。也有研究通过对大型地下洞室支护结构的应力变化规律进行分析和预测，进而利用人工智能对其稳定性进行预估。徐全等对不同地质强度指标GSI、埋深、侧压力系数、结构面等条件下的60 m大跨度洞室的最小矢跨比进行了研究。邱治强等研究了后续洞室开挖对已建洞室围岩稳定性的影响，并验证了分层间隔施工法对于大垮度、高边墙地下洞室围岩的扰动破坏更小。硬岩洞室随着开挖的不断进行，围岩应力表现出明显的时间渐变性与转移性；变形表现出明显的高边墙效应。李志鹏等对四川猴子岩水电站地下厂房围岩及支护结构变形开裂特征进行了分析，指出主厂房围岩破坏以应力驱动型为主，本质上是高地应力和低强度应力比造成的。张顶立等通过模型试验对隧道围岩渐进破坏特征进行研究，指出隧道围岩失稳模式主要表现为上部垮落和下部滑移；针对于尾水洞与调压室围岩稳定性分析的研究同样有高边墙问题突出与顶拱应力集中明显的结论。
在洞室开挖施工前的可行性研究或初步设计阶段，地下工程的隐蔽性导致可获取的工程信息十分有限。现行规范提出了一种基于围岩分类的喷锚支护经验设计方法，适用于矿山、井巷、交通隧道、水工隧洞和各类洞室等地下工程喷锚支护的设计和施工。文献[2]规范中针对小型或中型地下工程(跨度≤20 m、高跨比H/B≤1.2)提出的支护设计建议有较好的应用效果，但对不同强度应力比下的35～50 m跨度的硬岩洞室仍然缺乏针对性的设计方法和系统的设计参数。
此外，虽然现有针对20～35 m跨度的硬岩大型洞室的研究较多，但是更大跨度硬岩洞室的研究不仅较少且多为扁平地下工程，近年多个大型硬岩地下工程实践表明，由于洞室跨度较大、岩石强度应力比较低，岩体大变形与围岩失稳灾害突出。因此亟需对35～50 m跨度的大型硬岩地下洞室围岩稳定性开展系统研究，为35～50 m跨度硬岩洞室的勘察、设计、施工等提供必要的理论支撑。为此本文整理分析了国内34个典型硬岩大型地下洞室工程资料，并就不同岩石强度应力比对不同跨度、高度的硬岩地下洞室围岩稳定性的影响开展数值模拟研究。
[2] 刘保国，徐干成.大跨度高边墙地下洞室分层间隔施工方法[J].岩土力学，2011 32(9):2759-2764.LIU Baoguo XU Gancheng.Layered interval excavation method for large span and high sidewall underground cavern[J].Rock and Soil Mechanics 2011 32(9):2759-2764.
1 国内典型水电工程设计参数分析1.1 岩石强度应力比
经过多年研究，国内外学者针对地应力分级提出了多种方案，国内工程应用较多的是基于强度应力比的国标方案，或结合使用地应力值与强度应力比的水电水利工程地下建筑物工程地质勘查技术规程(DL/T 5415—2009)(以下简称电标方案)。陈菲等在前人基础上提出了新的地应力分级方案(以下简称建议方案) 并通过国内25个大型水电工程地下厂房测试数据，验证了建议方案的合理性，该方案反映了我国水电工程实践的最新研究成果。建议方案的强度应力比定义如下
式中，δ为岩石强度应力比；UCS干燥为岩石干燥单轴抗压强度；σ1为实测最大主应力值。
岩石强度应力比分级及其对应的地应力现象如表1所列。
表2给出了国内34例典型大跨度硬岩地下洞室的基本设计参数，对其中的岩石强度应力比进行统计分析可知：(1)在国内34个典型大跨度硬岩地下洞室的基本设计参数中，实测最大主应力处于5.62(水布垭)～36.43 MPa(猴子岩)之间；(2)岩石干燥单轴抗压强度最小值为大朝山玄武岩、凝灰岩60～85 MPa(围岩等级为Ⅱ、Ⅲ类) 最大值为溪洛渡玄武岩270 MPa(围岩等级为Ⅰ、Ⅱ类)。
1.2 洞室跨度与高度
如图1所示可以看出，国内已建或在建的硬岩地下洞室跨度均在35 m以内，且跨度在30 m左右的工程数量较多。大跨度地下洞室多依据工程类比法进行设计，因此洞室高跨比具有较好的线性关系，平均高跨比为2.39。此外，跨度在30 m左右的地下洞室其高度多为60～80 m。
图1 部分国内典型大跨度硬岩地下洞室统计分析
在岩石强度应力比δ>3条件下，超大跨度洞室仍面临着块体稳定、坍塌等围岩破坏问题，因此跨度超过35 m的永久地下空间较为少见，针对35～50 m跨度硬岩洞室围岩稳定性的研究同样十分缺乏。因此岩石强度应力比处于3～11之间，洞室跨度35～50 m的硬岩大型地下洞室[见图1(b)中右侧阴影区域]如何兼顾开挖工期要求、支护设计经济合理和围岩安全稳定仍缺乏成熟的分析方法，亟需在已建或在建洞室设计方法的基础上进行更大跨度应用的扩展，对35～50 m跨度的硬岩洞室开展拓展性研究。
2 跨度35～50 m硬岩洞室围岩稳定性数值模拟方案2.1 岩石强度应力比的取值
前文1.1节对表2中34例典型大跨度硬岩地下洞室的岩石强度应力比及其有关参数实测最大主应力、岩石干燥单轴抗压强度进行了统计分析，为保证数值模拟方案的合理性且对不同岩石强度应力比下的已建或在建硬岩洞室进行数值模拟，方案中岩石强度应力比、岩石干燥单轴抗压强度的最不利取值应小于表2工程实例，而实测最大主应力最不利取值应大于表2工程实例。
在陈菲等提出的地应力分级建议方案中，岩石强度应力比定义为岩石干燥单轴抗压强度与实测最大主应力值σ1之比，因此欲确定岩石强度应力比的取值，必需同时给出岩石干燥单轴抗压强度UCS干燥、实测最大主应力值σ1的具体取值。为对35～50 m跨度硬岩洞室进行充分的数值分析，本方案以金沙江某大型硬岩洞室工程设计参数(UCS干燥=110 MPa、σ1=22 MPa)为基础，对不同实测最大主应力值、不同岩石干燥单轴抗压强度的硬岩洞室，在岩石强度应力比为3～11时进行数值分析，具体岩石强度应力比取值方案如表3所列。
表3中组1的不同实测最大主应力取值均在34例典型大跨度硬岩洞室的实测最大主应力范围内，且最不利取值36.67 MPa满足最新版H-B准则对于σ1≤4σ3的适用要求;表3中组2的不同岩石干燥单轴抗压强度取值为66～242 MPa 表2中国内34例典型硬岩洞室有32例处于该范围内，占比为94.12%。表4给出了34例典型硬岩洞室与数值模拟方案的岩石强度应力比有关参数的取值范围，可知岩石强度应力比取值方案在满足对35～50 m跨度硬岩洞室进行充分的数值分析的同时，具有较高的合理性。
2.2 洞室跨度、高度及其他参数的取值
为研究不同洞室尺寸下岩石强度应力比对硬岩洞室围岩稳定性的影响，本数值模拟方案的洞室跨度、高度取值如表5所列。当分别研究组a不同洞室跨度、组b不同洞室高度下岩石强度应力比对硬岩洞室围岩稳定性的影响时，组a洞室高度取70 m、组b洞室跨度取34 m 参数取值在与金沙江某硬岩大型洞室尺寸相近的同时，也符合表2中大部分国内典型硬岩大跨度地下洞室的设计尺寸，在满足对35～50 m跨度硬岩洞室进行充分的数值分析的同时，具有较高的合理性。张春生对金沙江某大型硬岩洞室玄武岩的力学特性进行了试验测定，本文在前者测定参数的基础上利用其洞室围岩稳定研究报告对围岩材料参数进行了参数反演，最终确定数值模拟方案围岩参数如表6所列。此外，本数值模拟方案中最大主应力方向、洞室纵轴线与最大主应力方位夹角等设计参数均参照金沙江某大型硬岩洞室工程设置。
3.1 不同跨度条件下岩石强度应力比对围岩稳定性的影响
图2、图3分别给出了不同岩石强度应力比下18～50 m跨度硬岩地下洞室拱顶测点变形、塑性区深度的计算结果，可以看出，不同跨度条件下岩石强度应力比对硬岩洞室拱顶测点变形、塑性区深度影响的敏感度曲线有着高度相似性，具体规律如下。
图2 岩石强度应力比对18～50 m跨度硬岩洞室拱顶变形影响的敏感度曲线
图3 岩石强度应力比对18～50 m跨度硬岩洞室拱顶塑性区深度影响的敏感度曲线
(1)组1(UCS干燥=110 MPa)、组2(σ1=22 MPa)条件下，随着岩石强度应力比减小，拱顶测点变形、塑性区深度均呈非线性增大，围岩稳定性与岩石强度应力比的相关性逐渐增强，因此随着岩石强度应力比减小，硬岩地下洞室应避免由于施工所诱发的高地应力现象对洞室围岩稳定性的不利影响。
(2)18～50 m跨度硬岩洞室中岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度曲线可分为基本不变、缓变、陡变三个阶段，且随着硬岩洞室跨度增大，敏感度曲线三阶段的界限值有所增加。敏感度曲线三阶段的划分依据为随着岩石强度应力比减小硬岩洞室围岩稳定性的变化规律，各阶段的特性为：在基本不变阶段，随着岩石强度应力比减小，硬岩洞室围岩稳定性基本不变， 岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度较低；在缓变阶段，随着岩石强度应力比继续减小，硬岩洞室围岩稳定性受影响程度呈非线性增长，但变化速率较小， 岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度处于中等水平；在陡变阶段，随着岩石强度应力比持续减小，硬岩洞室围岩稳定性受影响程度呈非线性增长，且变化速率较大， 岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度较高。
(3)随着岩石强度应力比的减小，洞室跨度与岩石强度应力比对硬岩大型洞室围岩稳定性产生耦合影响，不同跨度硬岩洞室拱顶测点变形、塑性区深度差值明显增大，围岩稳定性与洞室跨度的相关性逐渐增强，洞室尺寸效应也愈发明显。
3.2 不同高度条件下岩石强度应力比对围岩稳定性的影响
图4、图5分别给出了不同岩石强度应力比下40～70 m高度硬岩地下洞室拱顶测点变形、塑性区深度的计算结果，可以看出，不同高度条件下岩石强度应力比对硬岩洞室拱顶测点变形、塑性区深度影响的敏感度曲线与不同跨度条件下的曲线规律基本相似，具体规律如下。
图4 岩石强度应力比对40～70 m高度硬岩洞室拱顶变形影响的敏感度曲线
图5 岩石强度应力比对40～70 m高度硬岩洞室拱顶塑性区深度影响的敏感度曲线
(1)组1(UCS干燥=110 MPa)、组2(σ1=22 MPa)条件下，随着岩石强度应力比减小，各个高度的硬岩洞室拱顶测点变形、塑性区深度的变化趋势均与不同跨度条件下的规律相似，即岩石强度应力比对硬岩洞室围岩稳定性影响的敏感度呈非线性增长。
(2)40～70 m高度硬岩洞室中岩石强度应力比对硬岩洞室围岩稳定性影响的敏感度也可分为基本不变、缓变、陡变三个阶段，且随着硬岩洞室高度增大，敏感度曲线三阶段的界限值有所增加。
4 岩石强度应力比对围岩稳定性影响的综合评价4.1 不同跨度、高度条件下岩石强度应力比对围岩稳定性影响的综合评价
表7给出了在18～50 m跨度硬岩洞室中岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度曲线基本不变、缓变、陡变三个阶段的界限值，即洞室变形、塑性区深度随不同岩石强度应比变化的三个阶段的界限值，结合图2、图3不同岩石强度应力比下18～50 m跨度硬岩洞室拱顶测点变形、塑性区深度的计算结果可知：
(1)在18～50 m跨度硬岩洞室中，岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度曲线可分为基本不变、缓变、陡变三个阶段，综合评价可得基本不变阶段与缓变阶段的界限值为7.4～7.8 缓变阶段与陡变阶段的界限值为4.3～4.8;不同洞室跨度、高度下，岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度曲线三阶段的界限值并不相同，且随着硬岩洞室跨度、高度增大，敏感度曲线三阶段的界限值有所增加。
(2)当岩石强度应力比大于7.4～7.8 即岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度处于基本不变阶段时，对35～50 m跨度硬岩地下洞室进行工程类比法设计，18～35 m跨度已建或在建硬岩洞室具有较高的参考价值。
(3)结合图6可知，34例已建或在建的大跨度硬岩洞室的岩石强度应力比均处于敏感度曲线基本不变或缓变阶段，敏感度曲线的三阶段划分与工程实践吻合度较高，能较好地评价硬岩洞室设计的可行性，表明本文关于岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度曲线三阶段的划分及其界限值的确定具有较高的合理性。
图6 基于岩石强度应力比对围岩稳定性影响的部分 大跨度硬岩洞室统计分析
4.2 基于工程类比法的35～50 m跨度硬岩洞室围岩稳定性影响的综合评价
基于工程类比法以18～50 m跨度硬岩洞室拱顶测点变形、塑性区深度的计算结果为对象，分析不同跨度洞室的变形、塑性区深度达到金沙江某硬岩洞室同等值时岩石强度应力比如图7所示，由图7可知：
图7 不同跨度硬岩洞室变形、塑性区深度达到金沙江某 硬岩洞室同等值时岩石强度应力比取值
(1)跨度为38 m、42 m、46 m、50 m的硬岩洞室的拱顶测点变形、塑性区深度达到金沙江某硬岩洞室同等值时的岩石强度应力比最大值分别为5.2、5.4、5.5、5.7。由于较大的岩石强度应力更有利于围岩稳定，且当岩石强度应力比大于5.0～5.7时，岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度处于基本不变或缓变阶段，因此在工程类比时，跨度大于35 m的硬岩洞室在岩石强度应力比大于5.0～5.7条件下，洞室围岩变形与塑性区深度与金沙江某硬岩洞室基本一致，可在一定支护措施下获得较好的围岩稳定性。
(2)随着硬岩洞室跨度增大，洞室的拱顶测点变形、塑性区深度达到金沙江某硬岩洞室同等值时的岩石强度应力比逐渐增大，表明与岩石强度应力比处于基本不变或缓变阶段的已建或在建18～35 m跨度硬岩洞室相比，跨度大于35 m的硬岩洞室在同等岩石强度应力比下的围岩稳定性更差，因此可降低洞室高度为跨度大于35 m的硬岩洞室提供更加合理的尺寸设计。
5 结 论水电工程大型地下洞室所面临的工程难题主要为断面大，洞室尺寸效应突出；边墙高，开挖方案影响围岩稳定性；地质环境条件复杂，地应力量级大，岩体结构复杂；洞群密集交错，相互影响等。本文分析了国内34个典型大跨度硬岩地下洞室的工程资料，对不同岩石强度应力比下不同跨度、高度硬岩洞室的开挖进行了数值模拟，对35～50 m跨度硬岩洞室的围岩稳定性评价进行了拓展研究，结果如下：
(1)岩石强度应力比对围岩稳定性影响的敏感度曲线可分为基本不变、缓变、陡变三个阶段，基本不变阶段与缓变阶段的界限值为7.4～7.8 缓变阶段与陡变阶段的界限值为4.3～4.8 随着硬岩洞室跨度、高度的增大，敏感度曲线界限值有所增加。该结论可为以工程类比法设计的大跨度硬岩洞室就如何选择更为合适的类比工程提供理论依据。
(2)34例已建或在建的大跨度硬岩洞室的岩石强度应力比均处于敏感度曲线的基本不变或缓变阶段，敏感度曲线的三阶段划分与工程实践吻合度较高，能较好地反映硬岩洞室设计的可行性，为不同岩石强度应力比下的地下工程围岩稳定性研究和设计改进提供参考。
(3)跨度为38 m、42 m、46 m、50 m的硬岩洞室的拱顶测点变形、塑性区深度达到金沙江某硬岩洞室同等值时的岩石强度应力比最大值分别为5.2、5.4、5.5、5.7;在工程类比时，跨度大于35 m的硬岩洞室在岩石强度应力比大于5.0～5.7条件下，洞室围岩变形与塑性区深度与金沙江某硬岩洞室基本一致，可在一定支护措施下获得较好的围岩稳定性。
水利水电技术（中英文）
水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
