本發(fā)明屬于地下洞室工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)及其施工工藝。

背景技術(shù)：

隨著西部水利工程、水電工程和交通工程的發(fā)展，將修建越來越多的地下工程。在西部特殊的地質(zhì)和地形條件下，高地應(yīng)力問題常常困擾著地下工程的設(shè)計(jì)和開挖支護(hù)施工，并可能影響到地下洞室圍巖的長期穩(wěn)定性。高地應(yīng)力、大跨度、復(fù)雜地下洞室群的布置設(shè)計(jì)是當(dāng)前水電工程和地下工程研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

如在地下廠房洞室群的布置結(jié)構(gòu)中，常規(guī)的設(shè)置方式是：地下廠房主體洞室建筑的軸線方位，應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)功能和總體布置要求的前提下，結(jié)合巖石強(qiáng)度應(yīng)力比、地應(yīng)力方位、圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征等綜合確定，并按照與其最大主應(yīng)力方位呈較小夾角、與巖體主要結(jié)構(gòu)面走向呈較大夾角的原則進(jìn)行布置；以此盡量避免巖體內(nèi)應(yīng)力對(duì)洞室群建筑的影響。但是上述技術(shù)的缺點(diǎn)為：當(dāng)最大主應(yīng)力和巖體主要結(jié)構(gòu)面成較小夾角時(shí)，主體洞室很難滿足“其軸線與最大主應(yīng)力方位呈較小夾角、與巖體主要結(jié)構(gòu)面走向呈較大夾角”的要求。另外，根據(jù)現(xiàn)有的地下廠房布置技術(shù)，要求在巖石強(qiáng)度應(yīng)力比小于2.5的極高地應(yīng)力區(qū)不應(yīng)布置地下廠房，因?yàn)榇祟惖刭|(zhì)條件的地應(yīng)力過大，因此容易出現(xiàn)巖體破壞現(xiàn)象；如果強(qiáng)制在此類地質(zhì)條件下布置地下洞室群，則必須提供足夠強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，否則存在較大的安全隱患。因此現(xiàn)有技術(shù)限制了地下廠房洞室群的適用范圍。然而，隨著此類工程不斷向我國西部等以高山峽谷地區(qū)為主的區(qū)域推進(jìn)，因其地形陡峭，在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下，基本上都是高地應(yīng)力區(qū)，因此急需一種可以適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種可以在高地應(yīng)力條件下設(shè)置地下洞室群的適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)及其施工工藝。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)，包括洞室群主體建筑，所述洞室群主體建筑設(shè)置于高地應(yīng)力的巖體內(nèi)，所述高地應(yīng)力巖體的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比小于4，還包括應(yīng)力解除洞，所述應(yīng)力解除洞至少設(shè)置在洞室群主體建筑上方的巖體內(nèi)。

進(jìn)一步的是：所述應(yīng)力解除洞設(shè)置有多個(gè)，多個(gè)應(yīng)力解除洞彼此平行的間隔設(shè)置。

進(jìn)一步的是：在垂直于應(yīng)力解除洞軸線的方向上，所述多個(gè)應(yīng)力解除洞呈拱形分布。

進(jìn)一步的是：在呈拱形分布的多個(gè)應(yīng)力解除洞中，分別位于拱形兩側(cè)的部分應(yīng)力解除洞呈豎直形分布于洞室群主體建筑側(cè)方的巖體內(nèi)。

進(jìn)一步的是：所述洞室群主體建筑為地下水電站廠房，包括主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室；所述應(yīng)力解除洞設(shè)置在主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室三者上方的巖體內(nèi)或者所述應(yīng)力解除洞設(shè)置在主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室三者上方、上游側(cè)和下游側(cè)的巖體內(nèi)。

進(jìn)一步的是：所述主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室的軸線相互平行，所述應(yīng)力解除洞的軸線與主廠房的軸線平行，并且應(yīng)力解除洞的長度大于主廠房、主變室和尾水調(diào)壓室三者長度的最大值。

進(jìn)一步的是：在相鄰的兩個(gè)應(yīng)力解除洞之間設(shè)置有連通該兩個(gè)應(yīng)力解除洞的應(yīng)力解除孔。

進(jìn)一步的是：所述應(yīng)力解除孔的軸線與應(yīng)力解除洞的軸線垂直；在相鄰的兩個(gè)應(yīng)力解除洞之間設(shè)置有多個(gè)所述的應(yīng)力解除孔，并且多個(gè)所述應(yīng)力解除孔彼此平行的間隔設(shè)置。

進(jìn)一步的是：所述應(yīng)力解除洞的寬度為2m-3m、高度為2.5m-3.5m；相鄰兩個(gè)的兩個(gè)應(yīng)力解除洞之間的距離為20m-40m；所述應(yīng)力解除孔的直徑為59mm-130mm，相鄰兩個(gè)應(yīng)力解除孔之間的距離為1m～3m。

另外，本發(fā)明還提供一種適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)的施工工藝，采用上述適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)，包括如下步驟：

A、在開挖洞室群主體建筑之前，先開挖應(yīng)力解除洞，并對(duì)應(yīng)力解除洞進(jìn)行支護(hù)；

B、待應(yīng)力解除洞開挖完成后，再鉆設(shè)應(yīng)力解除孔；

C、待應(yīng)力解除孔施工完成后，再進(jìn)行洞室群主體建筑的開挖工作。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)力解除洞，這樣可在一定程度上對(duì)巖體的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行破壞；進(jìn)而解除或者削弱巖體的地應(yīng)力；可將洞室群主體建筑進(jìn)行有效的隔離，使其受到巖體內(nèi)應(yīng)力的影響更小；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在高地應(yīng)力的條件下也可進(jìn)行地下洞室群的布置；使得地下洞室群的適用范圍更廣，尤其適用于我國西部地區(qū)的地下洞室工程項(xiàng)目。

附圖說明

圖1為以地下廠房洞室群為例的地下洞室群結(jié)構(gòu)的主視圖；

圖2為圖1中局部區(qū)域A的放大示意圖；

圖3為圖1的俯視圖；

圖中標(biāo)記為：洞室群主體建筑1、應(yīng)力解除洞2、主廠房3、主變室4、尾水調(diào)壓室5、應(yīng)力解除孔6、壓力管道7、母線洞8、尾水連接管9、尾水隧洞10。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。需要說明的是，本發(fā)明所述的適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)及其施工工藝，其中所述的高地應(yīng)力，指的是布置于地下的洞室群主體建筑所在區(qū)域的巖體的地應(yīng)力較高，導(dǎo)致在此類高地應(yīng)力的巖體內(nèi)不宜設(shè)置地下洞室群，如在巖石強(qiáng)度應(yīng)力比小于2.5的情況下一般不建議設(shè)置地下洞室群；或者當(dāng)在此類高地應(yīng)力的巖體內(nèi)設(shè)置洞室群時(shí)，則需要提供較大的支護(hù)強(qiáng)度，以保障洞室群的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如在巖石強(qiáng)度應(yīng)力比介于2.5至4的巖體內(nèi)設(shè)置洞室群時(shí)，需要提供較強(qiáng)的支護(hù)強(qiáng)度，因此相應(yīng)的支護(hù)機(jī)構(gòu)的成本較高。上述所述的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比，具體是指巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度和最大地應(yīng)力的比值；該比值可通過對(duì)巖體相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行常規(guī)的測試即可獲得。在本發(fā)明中所指的高地應(yīng)力條件可以通過巖石強(qiáng)度應(yīng)力比確定，并且當(dāng)巖石強(qiáng)度應(yīng)力比較小時(shí)，如小于4時(shí)，即可認(rèn)為滿足本發(fā)明中所述的高地應(yīng)力條件。

如圖1至圖3中所示，本發(fā)明所述的適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)，包括洞室群主體建筑1，所述洞室群主體建筑1設(shè)置于高地應(yīng)力的巖體內(nèi)，所述高地應(yīng)力巖體的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比小于4，還包括應(yīng)力解除洞2，所述應(yīng)力解除洞2至少設(shè)置在洞室群主體建筑1上方的巖體內(nèi)。

其中，應(yīng)力解除洞2是用于破壞巖體內(nèi)部應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明通過至少在洞室群主體建筑1的上方設(shè)置應(yīng)力解除洞2，這樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)該部分巖體的應(yīng)力解除或者削弱，進(jìn)而可降低相應(yīng)的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比，使得位于應(yīng)力解除洞2下方的洞室群主體建筑1受到的地應(yīng)力影響更??；并可提高洞室群主體建筑1的穩(wěn)定性。

一般來說，可將應(yīng)力解除洞2設(shè)置有多個(gè)，多個(gè)應(yīng)力解除洞2彼此平行的間隔設(shè)置，例如附圖3中所示，將多個(gè)應(yīng)力解除洞2成排的設(shè)置。更具體的，可參照附圖1中所示，可進(jìn)一步在垂直于應(yīng)力解除洞2軸線的方向上，設(shè)置所述多個(gè)應(yīng)力解除洞2呈拱形分布，這樣設(shè)置的好處的更便于洞室群主體建筑1上部巖體的應(yīng)力傳遞。

另外，本發(fā)明中所述的應(yīng)力解除洞2除了可以設(shè)置在洞室群主體建筑1上方的巖體內(nèi)，還可以設(shè)置在洞室群主體建筑1四周側(cè)方的巖體內(nèi)，甚至理論上也可設(shè)置在洞室群主體建筑1下方的巖體內(nèi)。一般來說，優(yōu)選在洞室群主體建筑1的上方以及其中兩側(cè)方位上設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)力解除洞2；例如附圖1中所示，在呈拱形分布的多個(gè)應(yīng)力解除洞2中，分別位于拱形兩側(cè)的部分應(yīng)力解除洞2呈豎直形分布于洞室群主體建筑1側(cè)方的巖體內(nèi)；這樣的好處是可以使得所有的應(yīng)力解除洞2彼此平行設(shè)置以便進(jìn)行施工。

另外，本發(fā)明所述的洞室群主體建筑1，一般是一類設(shè)置有至少一個(gè)地下洞室的建筑結(jié)構(gòu)，例如可以是一些大型的地下水電站廠房或者一下大型的地下避難洞室群等。其中當(dāng)本發(fā)明中所述的洞室群主體建筑1為地下水電站廠房時(shí)，即將本發(fā)明所述的地下洞室群結(jié)構(gòu)用于地下水電站產(chǎn)房的工程中時(shí)，如圖1和圖3中所示：其洞室群主體建筑1通常包括主廠房3、主變室4和尾水調(diào)壓室5等三大主體洞室；當(dāng)然，通常還會(huì)設(shè)置一些如壓力管道7、母線洞8、尾水連接管9和尾水隧洞10等附屬結(jié)構(gòu)，但是考慮到相應(yīng)的附屬結(jié)構(gòu)一般相對(duì)較小，因此可將所述應(yīng)力解除洞2設(shè)置在主廠房3、主變室4和尾水調(diào)壓室5三者上方的巖體內(nèi)或者所述應(yīng)力解除洞2設(shè)置在主廠房3、主變室4和尾水調(diào)壓室5三者上方、上游側(cè)和下游側(cè)的巖體內(nèi)即可；而對(duì)于部分附屬結(jié)構(gòu)，如壓力管道7和尾水隧洞10等則可以不必完全落入應(yīng)力解除洞2所對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)。

更優(yōu)選的，如上述將本發(fā)明用于地下水電站廠房時(shí)，一般情況下，所述主廠房3、主變室4和尾水調(diào)壓室5的軸線相互平行，相應(yīng)的也可將所述應(yīng)力解除洞2的軸線與主廠房3的軸線平行設(shè)置，并且設(shè)置應(yīng)力解除洞2的長度大于主廠房3、主變室4和尾水調(diào)壓室5三者長度的最大值。這樣應(yīng)力解除洞2即可完全覆蓋在主廠房3、主變室4和尾水調(diào)壓室5三者整體的上方；當(dāng)然，也可進(jìn)一步在地下水電站廠房整體的上游側(cè)和下游側(cè)設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)力解除洞2結(jié)構(gòu)，以起到對(duì)地應(yīng)力的解除或者削弱作用。

另外，本發(fā)明還可進(jìn)一步在相鄰的兩個(gè)應(yīng)力解除洞2之間設(shè)置有連通該兩個(gè)應(yīng)力解除洞2的應(yīng)力解除孔6。應(yīng)力解除孔6是用于解除或者削弱在相鄰兩個(gè)應(yīng)力解除洞2之間的沿體的內(nèi)應(yīng)力；這樣可進(jìn)一步提高對(duì)巖體內(nèi)應(yīng)力的解除或削弱效果?？蓞⒄崭綀D3中所示，其中為了保持附圖整體的整潔性，圖3中僅畫出了位于左側(cè)的部分應(yīng)力解除孔6，而隱藏了右側(cè)部分的應(yīng)力解除孔6。在附圖3中，既是將所述應(yīng)力解除孔6的軸線與應(yīng)力解除洞2的軸線垂直；在相鄰的兩個(gè)應(yīng)力解除洞2之間設(shè)置有多個(gè)所述的應(yīng)力解除孔6，并且多個(gè)所述應(yīng)力解除孔6彼此平行的間隔設(shè)置。

一般來說，應(yīng)力解除洞2的大小應(yīng)當(dāng)能滿足作業(yè)人員和相應(yīng)的施工設(shè)備能順利通過，因此，一般將所述應(yīng)力解除洞2的寬度設(shè)置為2m-3m、高度設(shè)置為2.5m-3.5m；另外，相鄰兩個(gè)的兩個(gè)應(yīng)力解除洞2之間的距離并沒有嚴(yán)格限制，一般設(shè)置為20m-40m即可；并且，一般情況下，位于洞室群主體建筑1上方的應(yīng)力解除洞2間距可以適當(dāng)大于位于側(cè)方的應(yīng)力解除洞2的間距。而對(duì)于應(yīng)力解除孔6，一般將其直徑設(shè)置為59mm-130mm，同時(shí)將相鄰兩個(gè)應(yīng)力解除孔6之間的距離設(shè)置為1m～3m即可。

另外，本發(fā)明中上述設(shè)置的應(yīng)力解除孔6和應(yīng)力解除洞2，除了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)巖體的應(yīng)力解除或者削弱外，還可通過適當(dāng)?shù)奶幚?，?shí)現(xiàn)防滲排水作用；例如在應(yīng)力解除洞2內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的混凝土排水溝結(jié)構(gòu)，同時(shí)將應(yīng)力解除孔6與其混凝土排水溝對(duì)應(yīng)設(shè)置，這樣當(dāng)有滲水時(shí)，滲水可從應(yīng)力解除孔6排入到相應(yīng)的混凝土排水溝內(nèi)，然后由混凝土排水溝排出。

另外，本發(fā)明所述的適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)的施工工藝，其既是實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明所述的適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)的施工工藝，包括如下步驟：

A、在開挖洞室群主體建筑1之前，先開挖應(yīng)力解除洞2，并對(duì)應(yīng)力解除洞2進(jìn)行支護(hù)；其中支護(hù)是為了保證應(yīng)力解除洞2自身的穩(wěn)定性和安全性；其支護(hù)方式和支護(hù)強(qiáng)度一般可根據(jù)具體情況選取即可；

B、待應(yīng)力解除洞2開挖完成后，再鉆設(shè)應(yīng)力解除孔6；一般來說，應(yīng)力解除洞2的大小需要滿足作業(yè)人員和相應(yīng)的施工設(shè)備能順利通過，以便作業(yè)人員在應(yīng)力解除洞2內(nèi)進(jìn)行應(yīng)力解除孔6的鉆設(shè)施工；當(dāng)然，在進(jìn)行應(yīng)力解除孔6的鉆設(shè)施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證應(yīng)力解除洞2具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。

C、待應(yīng)力解除孔6施工完成后，再進(jìn)行洞室群主體建筑1的開挖工作。當(dāng)然，在進(jìn)行洞室群主體建筑1的開挖工作之前，應(yīng)當(dāng)確保整個(gè)應(yīng)力解除洞2及應(yīng)力解除孔6的施工已經(jīng)完成，并且整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到一定的穩(wěn)定性；這樣才能保證進(jìn)行洞室群主體建筑1開挖的安全性。

最后，通過采用本發(fā)明所述的適用于高地應(yīng)力條件下的地下洞室群結(jié)構(gòu)及其施工工藝，相對(duì)于現(xiàn)有的地下洞室機(jī)構(gòu)以及其施工工藝而言，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢：

1)對(duì)于地下洞室群主體建筑1的布置，可不再重點(diǎn)考慮地應(yīng)力的影響，僅需考慮洞室結(jié)構(gòu)功能、總體布置要求和巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等因素即可；因此增加了地下洞室布置的靈活性。

2)增大了地下洞室群的適應(yīng)范圍，例如可在巖石強(qiáng)度應(yīng)力比小于2.5的區(qū)域內(nèi)設(shè)置地下洞室群結(jié)構(gòu)的水電站廠房。

3)由于對(duì)巖體的內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行了解除或者削弱，因此可減少高地應(yīng)力條件下地下洞室群主體建筑部分的圍巖支護(hù)強(qiáng)度。

4)通過適當(dāng)處理，還可利用應(yīng)力解除洞2和應(yīng)力解除孔6實(shí)現(xiàn)防滲排水目的，因此，可降低施工期得風(fēng)險(xiǎn)，確保了圍巖開挖支護(hù)質(zhì)量。

5)通過減少主體建筑部分的圍巖支護(hù)強(qiáng)度，降低施工期的風(fēng)險(xiǎn)，總體上節(jié)約了工程投資，節(jié)省了工期。