本發(fā)明涉及水利水電工程領域，尤其涉及一種高地應力條件下大型洞室軸線選擇方法。
背景技術：
地下洞室設計包括洞室功能設計、布置設計以及開挖支護設計，在滿足功能要求的前提下，洞室布置設計和開挖支護設計的首要目標是確保洞室圍巖穩(wěn)定。圍巖穩(wěn)定靠兩種途徑來維系：一是巖體自穩(wěn)能力，二是支護措施，因此洞室布置設計和開挖支護設計的核心思想就是充分發(fā)揮巖體自穩(wěn)能力，以減少支護措施的使用，從而達到經濟且安全的目的。洞室軸線選擇屬于洞室布置設計的內容，其目的就是在滿足功能的前提下，調整洞室軸線，讓洞周巖體自穩(wěn)能力更好。
工程區(qū)任意一點的地應力狀態(tài)可由六個獨立的地應力分量表示，即三個正應力分量及三個剪應力分量，當三個正應力分量為主應力時，三個剪應力分量為0，工程區(qū)的地應力實際上是一個空間地應力場，如何選擇洞室軸線使得地應力對洞室圍巖的影響最小，這個問題一直沒有很好的解決。現(xiàn)行設計規(guī)范《水電站廠房設計規(guī)范NB/T 35011-2013》中洞室軸線選擇在7.1.3條第2款中給出了建議：高地應力地區(qū)，洞室縱軸線走向與地應力的最大主應力水平投影方向呈較小夾角。這條建議只考慮了最大主應力，沒有考慮地應力的其他分量，顯然不能充分反映地應力的影響。在過去的工程實踐中，較少遇到水電站廠區(qū)地應力水平高的情況，且最大主應力傾角普遍較小，此時最大主應力對洞室圍巖水平方向的穩(wěn)定性起控制性作用，采用最大主應力的水平投影方向確定洞室軸線是可行的。但隨著我國西部高山峽谷地區(qū)的水電開發(fā)，近幾年建設的高地應力條件下的地下洞室越來越多，受地質構造和地形影響，存在最大主應力傾角較大的情況，例如猴子巖水電站地下廠房區(qū)域實測最大主應力為36.43MPa，傾角44.5°，這種情況下最大主應力對水平方向的影響力降低，洞室圍巖水平方向的穩(wěn)定性由各地應力分量綜合決定，采用最大主應力水平投影方向確定洞室軸線則不合理。
技術實現(xiàn)要素：
為克服現(xiàn)有設計建議在高地應力條件下采用最大主應力水平投影方向作為洞室軸線的參照標準所帶來的局限性，本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種新的、具有普適意義的高地應力條件下大型洞室軸線選擇方法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：高地應力條件下大型洞室軸線選擇方法，包括以下步驟：
A、根據(jù)需要開挖地下洞室的規(guī)模進行工程地質勘察，獲取洞室區(qū)地應力實測資料和巖體主要結構面特性；
B、按照地應力大小將巖體分為三個等級，分別為低地應力、中地應力和高地應力；
C、在低地應力條件下，根據(jù)巖體結構面來確定洞室軸線；中地應力條件下，以巖體結構面為主，地應力為輔來確定洞室軸線；高地應力條件下，以地應力為主，巖體結構面為輔確定洞室軸線；
D、在高應力條件下，以最大水平應力作為洞室軸線選擇的參照標準，使洞室軸線與最大水平應力方向呈小角度布置。
進一步的是，步驟A中所勘察的巖體結構面特性包括斷層產狀、優(yōu)勢節(jié)理裂隙產狀情況。
進一步的是，對工程區(qū)進行地應力水平分級時采用巖石強度應力比來劃分，參照GB50287-2006《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》中巖體初始地應力分級方式，巖石強度應力比小于4考慮為高地應力。
進一步的是，步驟C中在高地應力條件下輔助考慮巖體結構面時，主要考慮地質斷層和優(yōu)勢節(jié)理裂隙，原則上以洞室軸線與斷層走向呈大角度，與優(yōu)勢節(jié)理裂隙走向呈大角度布置。
進一步的是，步驟D中的最大水平應力通過以下步驟進行計算：
假設正應力以壓為正、拉為負，剪應力以順時針旋轉為正、逆時針為負，局部坐標系定義為：X軸正方向為廠房軸線方向，Y軸正方向垂直于X向并指向上游，Z軸正方向豎直向上，定義洞室的三個典型剖面：橫剖面(YOZ平面)、縱剖面(ZOX平面)、平剖面(XOY平面)，典型剖面上的最大、最小應力可以由三個主應力及主應力方向換算得到，換算過程如下：
其中σ1、σ2、σ3分別為第一主應力、第二主應力和第三主應力，li、mi、ni(i＝1,2,3)為主應力方向與OXYZ坐標系各軸夾角的三角函數(shù)，以li為例：
其中α為σ1的走向，δ為NOE平面(即XOY平面)上N向順時針轉向Y軸正向的角度，β為σ1的傾角(定義仰角為正)，mi、ni的表達式與li相同，各角度的含義對應各主應力的方位；
在平剖面上(XOY平面)，最大水平應力σH和最小水平應力σh的表達式如下：
X軸順時針轉到最大水平應力σH的角度θ按下式計算：
按上述步驟確定最大水平應力大小和方向，高地應力條件下洞室軸線與最大水平應力方向呈小角度。
本發(fā)明的有益效果是：通過理論計算、綜合分析和試驗驗證，在高地應力條件下，采用最大水平應力方向作為參照標準來確定洞室軸線能夠使洞周巖體的自穩(wěn)能力更強，從而可大幅降低設計風險，減少支護措施，以達到經濟安全的目的。
具體實施方式
以下通過實施例對本發(fā)明作進一步描述。
高地應力條件下大型洞室軸線選擇方法，包括以下步驟：
A、根據(jù)需要開挖地下洞室的規(guī)模進行工程地質勘察，獲取洞室區(qū)地應力實測資料和巖體主要結構面特性；
B、按照地應力大小將巖體分為三個等級，分別為低地應力、中地應力和高地應力；
C、在低地應力條件下，根據(jù)巖體結構面來確定洞室軸線；中地應力條件下，以巖體結構面為主，地應力為輔來確定洞室軸線；高應力條件下，以地應力為主，巖體結構面為輔確定洞室軸線；
D、在高應力條件下，以最大水平應力作為洞室軸線選擇的參照標準，使洞室軸線與最大水平應力方向呈小角度布置。
工程區(qū)任意一點的地應力狀態(tài)具有六個獨立的分量，即三個正應力及三個剪應力分量，當三個正應力分量為主應力時，三個剪應力分量為0，工程區(qū)的地應力實際上是一個空間地應力場，如何選擇洞室軸線使得地應力對洞室圍巖的影響最小，這個問題一直沒有很好的解決。比如現(xiàn)行規(guī)范《水電站廠房設計規(guī)范NB/T 35011-2013》中建議高地應力地區(qū)，洞室軸線與最大主應力水平投影方向呈小夾角，這條建議只考慮了地應力的最大主應力，沒有考慮地應力的其他分量，顯然不能充分反映地應力的影響。經過理論分析和試驗驗證，發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)行參照標準相比，以最大水平應力作為洞室軸線選擇的參照標準，使洞室軸線與最大水平應力方向呈小角度布置能夠使周圍巖體的自穩(wěn)能力更強。
本發(fā)明主要是確定在高地應力條件下洞室軸線的選擇，低地應力和中地應力條件暫不考慮，所謂高地應力指的是巖石強度應力比小于4的情況。
在高地應力條件下輔助考慮巖體結構面時，主要考慮地質斷層和優(yōu)勢節(jié)理裂隙，原則上以洞室軸線與斷層走向呈大角度，與優(yōu)勢節(jié)理裂隙走向呈大角度。斷層產狀和節(jié)理裂隙產狀在巖體穩(wěn)定性中所占比重較大，因此在確定洞室軸線的參照標準后，還需要綜合考慮一下這兩個因素，以便找到使周圍巖體的自穩(wěn)能力最強的布置方式。
在對巖體中某一點的實測地應力進行計算，采用如下公式：
假設正應力以壓為正、拉為負，剪應力以順時針旋轉為正、逆時針為負，局部坐標系定義為：X軸正方向為廠房軸線方向，Y軸正方向垂直于X向并指向上游，Z軸正方向豎直向上，定義洞室的三個典型剖面：橫剖面(YOZ平面)、縱剖面(ZOX平面)、平剖面(XOY平面)，典型剖面上的最大、最小應力可以由三個主應力及主應力方向換算得到，換算過程如下：
其中σ1、σ2、σ3分別為第一主應力、第二主應力和第三主應力，li、mi、ni(i＝1,2,3)為主應力方向與OXYZ坐標系各軸夾角的三角函數(shù)，以li為例：
其中α為σ1的走向，δ為NOE平面(即XOY平面)上N向順時針轉向Y軸正向的角度，β為σ1的傾角(定義仰角為正)，mi、ni的表達式與li相同，各角度的含義對應各主應力的方位；
在平剖面上(XOY平面)，最大水平應力σH和最小水平應力σh的表達式如下：
X軸順時針轉到最大水平應力σH的角度θ按下式計算：
按上述過程確定最大水平應力的大小和方向。橫剖面、縱剖面上的最大、最小應力的計算方法與平剖面上相同，需要注意的是各平面上坐標軸方向應滿足右手法則。
實施例：
為了驗證在高地應力條件下采用最大水平應力方向作為洞室軸線參照標準比采用最大主應力水平投影方向作為參照標準所得到的洞周巖體的自穩(wěn)能力更強，特設計兩個試驗方案進行對比。
兩個方案采用相同的地應力場(見表1)，地質條件相同，均采用含拉應力截斷的摩爾庫倫本構模型，巖體物理力學參數(shù)相同(見表2)，洞室尺寸相同，邊界條件相同。方案一以最大主應力σ1水平投影方向為洞室軸線方向(NW40.7°)，方案二以最大水平應力σH方向為洞室軸線方向(NW24.1°)。計算過程采用特定網(wǎng)格模型進行有限元分析。
表1洞室區(qū)地應力場
表2計算采用的巖體物理力學參數(shù)
試驗結果：方案一最大洞周位移為0.59251m，方案二最大洞周位移為0.58699m；方案一洞周塑性區(qū)體積為91692m3，方案二洞周塑性區(qū)體積為89376m3。綜上可知，方案二的洞周最大位移小于方案一，洞周塑性區(qū)體積也小于方案一，方案二的洞周巖體自穩(wěn)能力更強，說明方案二確定的洞室軸線更優(yōu)。