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。
1 国内典型水电工程设计参数分析[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.
1.1 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。
