高应力条件下地下洞室群开挖扰动效应与协同优化研究

引言

随着我国能源、交通工程向深部地层拓展，高应力条件下地下洞室群开挖工程日益增多。当前研究一般是聚焦单一洞室开挖效应，对洞室群交叉、相邻部位的耦合扰动机制分析不足，且优化方案缺乏开挖和支护协同设计。本研究以西南某深埋水电站洞室群为对象，通过数值模拟与现场监测，揭示高应力洞室群开挖扰动规律，提出协同优化方案，为类似工程提供参考。

1 工程背景与研究方法

1.1 工程背景

研究对象为西南某水电站地下洞室群，埋深580～650m，地层以花岗岩为主，饱和单轴抗压强度85～105MPa，地应力测试显示，最大主应力 σ_{¹=28～32MPa} ，最小主应力 ，应力比值3.0～4.0，属于典型高应力地层。洞室群由主厂房、副厂房、母线洞及尾水洞组成，洞室间距8～12m，存在多处交叉。

1.2 研究方法

1.2.1 数值模拟方法

采用 FLAC³D 软件构建洞室群三维计算模型，尺寸 300mx200mx180m，模型网格划分采用 tetrahedral 单元，总单元数约120 万个，边界条件设置为底部固定位移，四周施加均布地应力， σ_1=30MPa ， σ_²=15MPa3 ＝9MPa，顶部模拟上覆岩层自重，按埋深600m 计算，容重26kN/m³，围岩本构模型选用弹塑性模型，u ϕ_⋅-42^∘参数通过室内试验确定：弹性模量E=35GPa，泊松比 =0.25，黏聚力 c=3.5MPa，内摩擦角 °，抗拉强度 t =2.8MPa[1]。开挖模拟采用分步开挖方式，按工程实际施工顺序，先开挖母线洞、尾水洞、副厂房、主厂房，每次开挖进尺 3m，开挖完成后延迟 0.5～1.0 倍洞径长度，约12.5～25m 施加支护，锚杆参数为长度4.5m，直径 25mm，间距 1.2mx1.2m，弹性模量 210GPa，喷射混凝土参数：厚度 25cm，弹性模量 28GPa，抗压强度 25MPa。

1.2.2 现场监测方案

在洞室群关键部位主厂房顶拱、母线洞与主厂房交叉段、尾水洞边墙布设监测点，监测内容包括：应力监测。采用振弦式应力计，精度±0.1MPa，监测围岩内部应力变化，每24h 采集 1 次数据；位移监测。采用全站仪精度±2mm 与多点位移计精度±0.1mm，监测洞周表面位移及深部位移，表面位移每3d 测1 次，深部位移每7d 测1 次。3、损伤监测。采用声波测试仪分辨率0.1 μs ，测试围岩纵波速度变化，损伤区判定标准为纵波速度降低率 ⩾15% ，每开挖5m 测试1 次。

2 高应力洞室群开挖扰动效应分析

2.1 应力重分布规律

首先，数值模拟结果。以主厂房与母线洞交叉段为例。原始应力状态下，围岩应力均匀分布，首次开挖母线洞后，洞周出现应力释放区，应力降至10～15MPa 与应力集中区，集中于洞室拱肩，应力25～28MPa，集中系数2.3～2.5，开挖主厂房后，交叉部位应力进一步叠加，最大应力达 85～90MPa，集中系数升至2.8～3.2，远超花岗岩抗压强度下限，存在岩爆风险，而洞室顶拱、底板出现应力松弛，应力降至8～12MPa，容易引发围岩剥落；其次，现场监测验证。主厂房拱肩监测点S1 在开挖完成后 7d 应力达88.6MPa，集中系数3.1，与数值模拟结果85～90MPa 吻合度达 95%以上，母线洞边墙监测点 S3 应力 26.3MPa，集中系数2.4，与模拟值 25～28MPa 一致，验证了数值模型的可靠性[2]。

2.2 围岩位移演化特征

（一）位移时空分布。洞室群位移主要集中于主厂房顶拱与交叉段，主厂房顶拱最大位移 19.8mm，开挖完成后15d 稳定，母线洞与主厂房交叉段最大位移22.3mm，稳定时间20d，尾水洞边墙位移较小。位移演化分为三个阶段，分别是快速增长期，开挖后0～7d，位移占总位移 60%～70% ；缓慢增长期，7～15d，位移占比 20%～25% ；稳定期，15d 后，位移变化量 <0.5mm/d 。（二）深部位移特征。主厂房顶拱深部位移随深度增加呈递减趋势，0～1.5m深度位移 18～20mm（损伤区），1.5～3.0m 深度位移 5～8mm（弹性区），3.0m 以深位移 <2mm （原始应力区），说明开挖扰动导致的位移影响深度约 3.0m，与损伤区深度一致。

2.3 围岩损伤特征

开挖前围岩纵波速度 Vp=5200～5400m/s ；开挖后，洞周 0～2.5m 范围内 Vp 降至 4300～4500m/s，降低率15%～20%（损伤区），2.5～3.0m 范围内 Vp=4800 ～5000m/s，降低率 5%～8%（轻微损伤区），3.0m 以深 Vp 基本不变，无损伤区。损伤区主要分布在主厂房拱肩、交叉段边墙，深度 2.5～3.0m，与位移影响深度匹配。

3、开挖与支护协同优化方案

3.1 开挖顺序优化

方案优化后调整为“尾水洞→副厂房→母线洞分左、右两段→主厂房分上、下两层，其中母线洞左段开挖完成并支护稳定后，再开挖右段，主厂房先开挖上层，支护稳定后开挖下层，避免上下层同时扰动。

3.2 支护时机与参数优化

将原方案“开挖完成后 10～12d 支护调整为“开挖后 5～7d，位移快速增长期结束前，此时位移仅占总位移60%～70% ，可有效抑制后续位移。交叉段、主厂房拱肩等高危区，锚杆长度从4.5m 增至6.0m，间距从1.2mx1.2m加密至1.0mx1.0m，喷射混凝土厚度从 25cm 增至30cm，同时增设锚索，长度 10m，预紧力 150kN，增强深部围岩约束。

3.3 优化效果验证

优化后数值模拟结果显示，交叉段最大应力降至58～62MPa，应力集中系数1.8～2.2，较优化前降低 25%-30% ；主厂房顶拱最大位移8～10mm，交叉段位移9～11mm，较优化前减少 40%45% ；损伤区深度缩减至1.2～1.5m，较优化前减少 40%～50% ，扰动效应显著减弱。优化方案在工程中应用后，与模拟结果一致，且施工期间未发生岩爆、大变形等灾害，验证了方案的安全性与有效性。为进一步量化协同优化方案的长期效果，对监测数据进行了为期6 个月的持续跟踪。结果显示，优化后各关键监测点的位移速率始终稳定在 0.05mm/d 以下，远低于优化前0.3 mm/d 的峰值，且未出现任何回弹或突变，表明围岩处于稳定状态。在交叉段，优化后的最大应力值在开挖后7 天达到峰值60.2MPa，随后缓慢下降并在30 天后稳定在58.5MPa 左右，应力集中系数稳定在 2.1，较优化前的峰值（88.6MPa，系数3.1）降低了约 32% 。声波测试数据表明，开挖扰动影响范围由原来的3.0m 缩减至 1.4m，损伤区纵波速度降低率≥ =15% ，深度控制在 1.5 m 以内，且支护结构与围岩形成了良好的承载体系。现场施工记录显示，优化方案实施后，交叉段及主厂房拱肩等高危区域的施工效率提升了约 15% ，单位洞室开挖成本降低了 8% ，实现了安全与效益的双赢。

4 结语

综上，在高应力地下洞室群开挖中，交叉部位应力集中最显著，位移与损伤区最大，是工程安全控制的关键部位。提出的分序开挖和支护时机协同以及参数优化方案，可使应力集中系数降低，位移减少，损伤区深度缩减，为高应力洞室群安全开挖提供可行路径。后续研究可以引入微震监测与实时反演分析，构建数字孪生体实现动态优化，以应对复杂地质条件下的不确定性，进一步提升工程安全性与经济性。

参考文献：

[1]江浩，姚华彦，李仁杰，等.某大型地下厂房洞室的分层开挖方案对比研究[J].安徽建筑， 2024， 31（11）：134-136.

[2]丁宝晶，孙俊明.青海某抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩稳定性及支护效果研究[J].大坝与安全，2024（2）：57-63.