高地应力及复杂地质条件耦合下大型地下洞室群围岩稳定思考

引言

“深海、深空、深地”已成为当前国际科学研究的前沿主题，我国日益增长的能源、资源和交通刚性需求将促使矿山开采、水电开发、隧道建设等进一步向地下深部发展，深部高应力下地下工程建设将趋于常态化。在地下工程建设过程中，洞室围岩稳定性控制是首要的科学问题，如何通过科学合理且经济可靠的开挖与支护优化方法及技术有效控制岩体的有害变形与灾害性破坏是大型地下工程建设不可回避的技术难题。解决此类问题，不仅能保障重大工程顺利建设，还可完善深部地下工程围岩稳定理论，具有重要工程价值与科学意义。

1 高地应力及复杂地质条件耦合下大型地下洞室群围岩稳定的问题

1.1 围岩破坏现象与空间分布规律

某地下洞室群工程总装机容量 2240MW，地下厂房水平埋深 270～540m ，位于“川滇巨型菱形块体”西部边界断裂带，存在 3 条Ⅱ级、62 条Ⅲ级结构面，最大水平主应力 37.57MPa，属高－极高地应力环境，开挖面临岩爆、大变形风险。

高边墙岩体卸荷松弛是典型破坏现象，如主变室下游边墙因开挖应力重分布，产生膨胀位移并出现张性裂缝，这是洞室开挖后应力释放、岩体回弹变形导致的。高边墙岩体错动多受断层影响，尾调室上游墙在 fWT-2 等斜交断层与高地应力共同作用下，产生 1～2cm 正错位移及岩体外鼓，断层破坏了岩体完整性，导致两侧岩体受力不均。高边墙混凝土开裂常见于厂房Ⅳ层开挖时，上游拱座－拱腰位置喷层开裂掉块，因开挖推进使上部围岩应力重分布，该应力集中区域混凝土喷层承压超极限。交叉口洞脸破坏表现为交叉部位岩柱单薄引发局部垮塌，形成外鼓倒悬岩体，此区域岩体多次受切割，承载能力低，在高地应力与自重作用下易失稳。

破坏现象空间分布有规律，如高边墙岩体卸荷松弛集中于边墙近临空面，下游边墙更明显；岩体错动聚焦断层影响区，如尾调室上游墙与 fWT-2 断层相交处；混凝土开裂集中在厂房上部开挖层拱座－拱腰；洞脸破坏仅出现在洞室交叉部位。

1.2 围岩破坏类型划分与致灾机理

应力控制型破坏多分布于上游拱肩、下游边墙近底板及断层周边完整岩体，表现为片帮剥落、岩体劈裂等，因高应力环境下围岩强度应力比仅 1.5-3.0，开挖后应力重分布引发局部破坏。结构面控制型破坏常见于顶拱与边墙，多组断层交叉切割形成“人字型”块体，引发顶拱塌腔、块体冒落，碎裂岩等沿结构面分布，大幅削弱岩体完整性与力学性能。复合控制型破坏在顶拱、边墙均有分布，是高地应力与密集裂隙耦合结果，洞室交叉部位因多向应力集中叠加，劈裂破坏更强烈，影响范围更广。

致灾机理包含以下几点，高应力是基础，围岩强度应力比低，开挖打破应力平衡引发集中破坏；地质结构面削弱岩体完整性，降低其稳定性；洞群效应使多洞开挖导致多向应力叠加，交叉部位破坏加剧；施工活动关键，开挖爆破扰动或支护不及时、强度不足，会加剧围岩变形破坏。

2 高地应力及复杂地质条件耦合下大型地下洞室群围岩稳定的解决方案体系构建

基于前文对高地应力与复杂地质耦合下围岩破坏现象、类型及致灾机理的深入剖析，不难发现高应力叠加结构面影响、洞群效应与施工扰动的协同作用，已成为制约大型地下洞室群安全建设的核心瓶颈。若仅停留在问题认知层面，难以应对工程中岩爆、大变形等动态风险，亟须构建一套兼具理论指导性与工程实操性的解决方案体系，为围岩稳定控制提供系统性支撑。

2.1 围岩稳定控制的核心理论框架

围岩稳定控制的核心理论框架以“地质条件适配性”与“动态响应调控”为核心，融合工程实践经验与前沿理论成果，形成多维度协同的理论体系。该框架首先建立在对高应力、复杂结构面耦合作用的精准认知基础上，明确高应力环境与密集结构面是围岩失稳的核心诱因，且洞群效应、施工扰动会进一步加剧风险，因此理论框架需优先纳入“地质－应力－施工”多因素耦合分析模型，通过三维地质建模，如工程中考虑多条断层的离散有限元模型还原真实地质力学环境，为后续控制提供理论依据。

同时，武汉岩土力学研究所提出的“裂化－抑制设计法”为框架提供了关键理论支撑，该理论指出高应力下硬岩破坏本质是内部破裂的发展与扩展，因此将开裂测试分析、减裂开挖调整、止裂支护控制作为核心逻辑链，强调从“被动承受”向“主动抑制”转变。通过开裂测试分析明确围岩破裂阈值与规律，如工程中通过监测掌握不同洞段（主厂房、主变室）的塑性区分布范围（顶拱 6.3～12.16m ，断层处达 30.5m ）；以减裂为目标优化开挖方案，避免应力集中叠加；再通过支护干预抑制破裂扩展，将围岩从被支护对象转化为承载结构。

2.2 基于问题导向的关键控制技术

基于问题导向的关键控制技术围绕工程面临的“高应力致裂、结构面失稳、洞群效应加剧”三大核心问题，形成针对性的技术体系，且各技术间相互协同、层层递进。

针对高应力引发的卸荷松弛、混凝土开裂问题，采用柔性支护优先、深层预应力加固的组合技术：顶拱及吊车梁以上部位先通过初喷 8cmC30 钢纤维混凝土、挂网钢筋形成浅层柔性支护，快速约束表层岩体卸荷回弹，再结合预应力锚杆（间排距 1.0m ）与 2000/2500kN 预应力锚索（长 25/30m ），在拱腰、拱脚等应力集中区主动施加支护抗力，提高围岩抗裂能力，如工程中该技术使顶拱喷层开裂现象显著减少；上下游高边墙则通过初喷 5cm 钢纤维混凝土+砂浆锚杆与预应力锚杆间隔布置，平衡边墙水平应力，控制最大位移（主厂房边墙最大位移 197.8mm ，实测值小于理论计算值）。

针对结构面控制型破坏，开发结构面靶向加固配合局部补强技术。对 fWT-2、F90 等关键断层，采用锚杆加密、加长与钢筋肋拱喷护结合的复合支护，增强破碎带的抗剪强度；对交叉洞室岩柱单薄问题，通过钢拱架局部补强，避免岩柱垮塌形成外鼓倒悬岩体。针对洞群效应引发的多向应力集中，创新分层分序开挖、时空效应调控技术。借鉴“分层开挖、分期支护”经验，将主厂房、主变室等大洞室分Ⅳ层开挖，每层开挖后及时支护，使地应力逐步释放；同时优化洞室开挖顺序，先开挖应力影响范围小的附属洞室，再开挖主洞室，减少群洞应力叠加，如尾调室先开挖非断层影响区，再处理上游墙断层段，避免片帮现象扩大。

结语

本文分析了高地应力及复杂地质耦合下地下洞室群围岩稳定问题，明确了破坏现象、类型的分布规律与致灾机理，构建了“理论框架+关键技术”的解决方案体系。未来可进一步结合智能监测与数值模拟技术，优化动态设计方法；同时拓展“裂化－抑制设计法”的应用场景，使其在更深部、更复杂地质条件的工程中发挥作用。

参考文献

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作者简介：刘勇军，中级工程师，本科重庆市沙坪坝区凤凰镇凤回路中国水电基础局青凤项目经理部