周述達(dá) 孫海清 張彪

摘要：為解決三峽水利樞紐地下電站洞室群因埋深淺、山體單薄、塊體強(qiáng)發(fā)育、洞室規(guī)模大、起吊重量大等特點(diǎn)帶來的各類關(guān)鍵技術(shù)問題，在工程建設(shè)過程中進(jìn)行了多項(xiàng)聯(lián)合攻關(guān)，研究出“穩(wěn)定拱”設(shè)計(jì)理論、“單洞型布置”、鉆孔彩電技術(shù)及可視化偏錄等多項(xiàng)創(chuàng)新成果，確保了工程的順利建設(shè)，為類似工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有一定工程意義和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地下電站; 洞室穩(wěn)定; 淺埋大跨度; 可視化編錄; 物探檢測; 穩(wěn)定拱; 單洞型布置; 三峽水利樞紐

中圖法分類號(hào)：TV731.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.008

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）06 - 0042 - 07

0 引 言

三峽水利樞紐地下電站于2005年開始建設(shè)，2011年實(shí)現(xiàn)首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電[1-3]。電站單機(jī)容量、裝機(jī)規(guī)模、蝸殼平面尺寸、主洞室跨度及高度、起吊設(shè)備容量等評價(jià)指標(biāo)均處于同期同類工程最高水平，屬巨型地下廠房。針對在三峽水利樞紐地下電站建設(shè)過程中遭遇的各類關(guān)鍵技術(shù)問題，開展了多項(xiàng)聯(lián)合攻關(guān)，確保了工程的順利建設(shè)[4-5]。

1 地下電站建筑物及工程地質(zhì)條件

1.1 地下電站建筑物布置

三峽水利樞紐地下電站位于三峽水利樞紐右岸白巖尖山體中，與右岸電站相毗鄰。共安裝6臺(tái)單機(jī)容量700 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，其主要由引水渠及進(jìn)水塔、引水隧洞、排沙洞、主廠房、母線洞（井）、尾水洞及阻尼井、尾水平臺(tái)及尾水渠、進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)及管道洞、管線及交通廊道、地面500 kV升壓站、廠外排水系統(tǒng)及施工支洞等建（構(gòu)）筑物組成。進(jìn)水塔為岸塔式結(jié)構(gòu)，引水及尾水系統(tǒng)均為單機(jī)單洞布置，其中6條引水隧洞開挖直徑均為13.5 m，單洞軸線長244.64 m，尾水隧洞采用自動(dòng)調(diào)壓尾水技術(shù)，不設(shè)尾水調(diào)壓室，斷面型式為城門洞，斷面尺寸為20.00 m×12.25 m至18.00 m×26.00 m（寬×高），6條尾水隧洞總長1 555.31 m;地下廠房開挖尺寸為311.3 m×32.6 m×87.3 m（長×寬×高），主廠房下游側(cè)布置有6條母線洞和3條母線豎井，采用“超長超高大電流封閉母線”技術(shù)將母線從67.00 m高程引至地面182.00 m高程的500 kV升壓站。引水發(fā)電系統(tǒng)以引水洞、地下廠房、尾水洞為主體，形成由38個(gè)洞室組成的洞室群，見圖1。

1.2 地下廠房洞室工程地質(zhì)條件

地下電站區(qū)巖體主要為前震旦系閃云斜長花崗巖和閃長巖包裹體，其間侵入細(xì)?；◢弾r脈和偉晶巖脈等酸性巖脈。主洞室圍巖以新鮮堅(jiān)硬的Ⅰ， Ⅱ類巖體為主，少量為Ⅲ， Ⅳ類。區(qū)域內(nèi)裂隙型斷層較發(fā)育，以陡、中傾角為主，廠區(qū)巖體呈塊狀及次塊狀結(jié)構(gòu)，斷層、裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)面與廠房洞室切割的大中型塊體數(shù)量多達(dá)108個(gè);主廠房巖壁梁基座位于高程90.3～86.8 m處，該部位為微新巖體，強(qiáng)度高，巖體較完整。廠區(qū)圍巖總體質(zhì)量較好，具備建設(shè)大型地下洞室群的工程地質(zhì)條件。

2 地下電站工程特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

2.1 工程特點(diǎn)

（1） 右岸電站運(yùn)行與地下電站建設(shè)并行。1992年，三峽工程的初步設(shè)計(jì)通過了國務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會(huì)組織的審查，并批準(zhǔn)了“三峽壩后式電站裝機(jī)26臺(tái)，在右岸預(yù)留擴(kuò)建6臺(tái)機(jī)組的地下電站廠房”總體方案。地下電站為三峽水利樞紐工程的遠(yuǎn)景規(guī)劃項(xiàng)目，其于2005年3月開始施工時(shí)，右岸壩后電站已投產(chǎn)發(fā)電。因此，合理規(guī)避地下電站施工對已運(yùn)行電站的干擾是該工程的重點(diǎn)之一。

（2） 山體單薄。受樞紐布置及地形地質(zhì)條件限制，三峽地下電站布置在長江右岸白巖尖山體平面范圍500 m×450 m、地面高程為120～180 m的區(qū)域內(nèi)。白巖尖山體為伸入河道的孤山，三面環(huán)水。白巖尖山脊頂高程220～243 m，山體上、下游斜坡及臨江岸坡總體坡型平緩，坡角一般為15°～25°。因此，地下洞室群所依附的白巖尖山體較為單薄，山體挖空率較高。

（3） 主洞室淺埋。由于機(jī)組額定水頭低、單機(jī)容量大，蝸殼平面尺寸巨大，為滿足發(fā)電設(shè)備安裝及必要的運(yùn)行通道需求，地下廠房頂拱以上跨度需32.6 m，高度需87.3 m;而主廠房洞室上覆巖體一般埋深在50.0～75.0 m，最薄處僅為32.0 m，不足廠房跨度的1倍。

（4） 塊體強(qiáng)發(fā)育。廠區(qū)巖體為塊狀及次塊狀結(jié)構(gòu)，斷層、裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)面與廠房洞室切割的大中型塊體數(shù)量多達(dá)108個(gè)，總體積達(dá)16萬m3，其中9個(gè)塊體體積超過1萬m3，兩組長大型結(jié)構(gòu)面與廠房下游邊墻切割形成6個(gè)大型定位塊體，塊體出露面積占下游邊墻總面積的50%左右。工程經(jīng)驗(yàn)表明：大高跨比大型洞室的圍巖穩(wěn)定受控于高邊墻的穩(wěn)定，而三峽水利樞紐右岸地下電站主廠房洞室下游邊墻存在6個(gè)大型定位塊體，是影響施工期及運(yùn)行期洞周圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

（5） 洞室群規(guī)模大。三峽水利樞紐地下電站布置6臺(tái)單機(jī)容量為70萬kW的水輪發(fā)電機(jī)組，其額定水頭僅85 m，蝸殼垂直水流向平面尺寸達(dá)34.105～34.429 m、順?biāo)飨虺叽邕_(dá)29.448～30.449 m，機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)9.60～10.25 m，主洞室長度為311.3 m、高度為87.3 m、跨度為32.6 m/31.0 m。引水發(fā)電系統(tǒng)以引水隧洞、地下廠房、尾水隧洞為主體，為共由38個(gè)洞室組成的規(guī)模巨大、縱橫交錯(cuò)的地下廠房洞室群。從圖2統(tǒng)計(jì)的同期國內(nèi)外常規(guī)地下電站主廠房跨度發(fā)展趨勢可以看出，三峽水利樞紐地下電站主廠房跨度達(dá)到在已建工程中較高水平。

（6） 起吊設(shè)備容量大。三峽水利樞紐地下電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重達(dá)2 000 t，需2臺(tái)1 200 t大橋機(jī)同時(shí)起吊，巖錨梁部位最大輪壓達(dá)108 t。從圖3地下電站投產(chǎn)發(fā)電時(shí)間與最大輪壓相對關(guān)系可以看出，三峽地下電站巖錨梁最大輪壓處于已發(fā)電地下電站的較高水平。

2.2 工程技術(shù)難點(diǎn)

三峽水利樞紐地下電站建設(shè)過程中遇到的主要技術(shù)難點(diǎn)可歸納為以下幾方面。

2.2.1 洞室圍巖地質(zhì)特性及工程特性

地下廠房洞室群賦存環(huán)境的水文地質(zhì)條件是洞室群規(guī)劃布置、施工開挖的基礎(chǔ)。全面清晰了解巖體地質(zhì)特性是確保洞室群科學(xué)設(shè)計(jì)、安全施工運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。提供合理可靠地質(zhì)影像的大型地下廠房洞室群地質(zhì)條件的可視化編錄，以明確認(rèn)識(shí)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)面起伏、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度，并概化地質(zhì)特征進(jìn)而科學(xué)指導(dǎo)洞室群的布置、施工，對于復(fù)雜地質(zhì)條件下洞室群圍巖穩(wěn)定控制具有重要意義。

地下廠房賦存于山體內(nèi)部，清楚認(rèn)知洞周圍巖力學(xué)特性是合理開展洞室群布置和圍巖穩(wěn)定分析的前提。三峽水利樞紐地下廠房洞室群地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖類別較多，結(jié)構(gòu)面發(fā)育。如何揭示洞室群開挖過程中復(fù)雜應(yīng)力條件下洞周圍巖的力學(xué)特性與破壞模式、全面認(rèn)識(shí)賦存巖體的工程力學(xué)特性，是三峽水利樞紐地下電站建設(shè)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

2.2.2 淺埋大跨度、高邊墻地下廠房洞室穩(wěn)定控制

高邊墻、大跨度是地下電站的發(fā)展方向，因此，超大規(guī)模地下廠房洞室群施工及運(yùn)行期的整體穩(wěn)定性是工程界、科研界關(guān)注及研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。三峽水利樞紐地下電站主廠房巖錨梁以上跨度達(dá)32.6 m、邊墻高達(dá)87.3 m，洞室群規(guī)模處于同期最高水平，加之洞室上覆巖體厚度僅為32.0 m，不足一倍洞跨，已突破現(xiàn)行規(guī)范中“主洞室頂部巖體厚度不宜小于洞室開挖寬度的2倍”的規(guī)定。如何保證淺埋巨型地下電站洞室群施工及運(yùn)行期的整體穩(wěn)定性，是該工程建設(shè)實(shí)施中需要研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

2.2.3 洞室群規(guī)模優(yōu)化

三峽水利樞紐地下電站為低水頭、大流量機(jī)組，機(jī)組尺寸較大，主廠房洞室規(guī)模巨大。以引水洞、地下廠房、尾水洞為主體的38個(gè)洞室布置于平面范圍500 m×450 m、地面高程范圍在120～180 m的白巖尖山體內(nèi)，山體挖空率較高，對地下洞室群整體圍巖穩(wěn)定非常不利。

為降低洞室群整體圍巖穩(wěn)定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，需探索地下廠房洞室群的空間優(yōu)化布置方案，以盡量減小洞室數(shù)量、降低洞室群的整體規(guī)模、減小山體挖空率，以及合理優(yōu)化主廠房內(nèi)部布置、盡量減小主洞室開挖斷面尺寸、降低工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.4 洞室群大型塊體快速搜索、精確定位及加固

三峽地下廠房廠區(qū)巖體主要為前震旦系閃云斜長花崗巖和閃長巖包裹體，巖體中發(fā)育有規(guī)模不等的軟弱不利結(jié)構(gòu)面。當(dāng)洞室開挖成型后（或開挖過程中），必將導(dǎo)致一定的、規(guī)模大小不等的楔形塊狀巖體臨空，成為不穩(wěn)定或潛在不穩(wěn)定塊體，對其預(yù)測及處理不當(dāng)會(huì)直接影響洞室群的施工安全及長期穩(wěn)定性。因此，對洞周圍巖塊體的快速搜索及精確定位是該工程的研究難點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1） 采用何種技術(shù)手段查明洞周大型塊體的空間分布及穩(wěn)定性、為工程總體布置提供關(guān)鍵地質(zhì)依據(jù);

（2） 如何對開挖擾動(dòng)后典型塊體的穩(wěn)定特性進(jìn)行力學(xué)分析、科學(xué)模擬各種加固措施以指導(dǎo)圍巖支護(hù)和優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而保障洞室工程施工安全;

（3） 如何根據(jù)主廠房分層分部開挖過程，動(dòng)態(tài)追蹤和修正大型塊體邊界條件、快速搜索并準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)預(yù)測地下電站洞室圍巖塊體的分布及規(guī)模，以便及時(shí)指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)。

2.2.5 大型巖錨吊車梁受拉錨桿應(yīng)力控制及梁體穩(wěn)定

巖錨梁澆筑時(shí)，一般洞室開挖高度不大于總高度的1/3，而在洞室下挖過程中，由于洞壁變形引起巖錨梁錨桿應(yīng)力增加、且增加的應(yīng)力大小無法準(zhǔn)確估算，存在橋機(jī)投運(yùn)前巖錨梁錨桿應(yīng)力已接近或超過設(shè)計(jì)允許值的情況，對橋機(jī)運(yùn)行造成安全隱患。傳統(tǒng)巖錨梁設(shè)計(jì)時(shí)，受拉錨桿采用普通砂漿錨桿，具有后期無法對錨桿應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)、梁體與豎向巖面間結(jié)合較差、錨桿應(yīng)力超標(biāo)或屈服后修復(fù)技術(shù)難度大等技術(shù)缺陷。

三峽水利樞紐地下電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重2 000 t、最大輪壓達(dá)108 t，兩項(xiàng)指標(biāo)均處于同期最高水平。采用傳統(tǒng)的巖錨吊車梁設(shè)計(jì)理念將存在較大工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，甚至危及到后期橋機(jī)的運(yùn)行及洞室群的穩(wěn)定性，因此，該工程對巖錨梁設(shè)計(jì)提出了更高的要求。如何實(shí)現(xiàn)錨桿應(yīng)力的可調(diào)節(jié)、避免錨桿應(yīng)力超標(biāo)、保證巖錨吊車梁在施工及運(yùn)行期的穩(wěn)定是該工程的研究重點(diǎn)之一。

2.2.6 洞室開挖施工過程控制與支護(hù)施工質(zhì)量檢測

地下工程地質(zhì)條件變化多樣。在施工開挖進(jìn)程中，根據(jù)洞室圍巖現(xiàn)場監(jiān)測和測試成果進(jìn)行反饋分析、動(dòng)態(tài)調(diào)整與優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)已成為完善和保證地下工程圍巖穩(wěn)定的重要方法。三峽水利樞紐地下電站建設(shè)同期的國內(nèi)水電站地下洞室群開挖中真正做到全過程信息化反饋施工的很少。三峽水利樞紐地下電站洞室規(guī)模大、山體挖空率高、主洞室埋深淺、塊體發(fā)育，洞室群開挖圍巖穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，需要協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測的多部門配合，有序安排施工、監(jiān)測、反饋、設(shè)計(jì)優(yōu)化的工作程序，并運(yùn)用先進(jìn)的洞群整體及關(guān)鍵塊體反饋分析理論，真正實(shí)施全過程信息化施工。

支護(hù)施工質(zhì)量監(jiān)測是檢驗(yàn)洞室群施工質(zhì)量的有效手段。工程經(jīng)驗(yàn)表明：由于檢測技術(shù)的局限性，監(jiān)控的系統(tǒng)性不強(qiáng)，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)誤判，如在花崗巖地區(qū)，僅靠拉拔試驗(yàn)無法判定錨桿注漿的密實(shí)性。因此，研究開發(fā)先進(jìn)的物探檢測技術(shù)以監(jiān)控地下電站開挖支護(hù)施工質(zhì)量，是三峽水利樞紐地下電站建設(shè)關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)之一。

3 地下電站關(guān)鍵技術(shù)研究主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 主要成果

（1） 提出了硬質(zhì)裂隙性巖體洞室穩(wěn)定大型塊體控制理論[6]，并以塊體空間分布及穩(wěn)定性作為大型地下廠房總體布置主要控制因素，為廠房總體布置設(shè)計(jì)提供了圍巖穩(wěn)定控制理論依據(jù)。

（2） 針對以往鉆孔彩電技術(shù)方面存在的不足，發(fā)明了可調(diào)式鉆孔電視成像儀的扶正補(bǔ)光裝置、改善鉆孔成像儀在渾水孔中觀察效果的輔助裝置等專利[7-8]。這些技術(shù)為改善勘察效果、更加準(zhǔn)確分析判斷結(jié)構(gòu)面性狀、產(chǎn)狀、起伏特征等起到了關(guān)鍵作用。

（3） 研發(fā)了大型洞室儀測成像可視化地質(zhì)編錄新技術(shù)[9]，并應(yīng)用于地下洞室施工地質(zhì)編錄，形成全洞室完整、高清晰的含地質(zhì)線劃圖的各類洞室影像，為研究結(jié)構(gòu)面性狀及連通性、塊體構(gòu)成、圍巖類別等提供了極為難得且永久性的地質(zhì)資料。

（4） 研究完善了硬質(zhì)裂隙性圍巖洞室施工地質(zhì)勘察思路、標(biāo)準(zhǔn)、方法。在綜合分析前期勘察成果的基礎(chǔ)上，利用大型洞室儀測成像可視化地質(zhì)編錄技術(shù)及通用三維巖石塊體搜索與計(jì)算程序，并根據(jù)主廠房分層分部開挖過程，動(dòng)態(tài)追蹤和修正大型塊體邊界條件、及時(shí)預(yù)報(bào)較大規(guī)模隨機(jī)塊體，建立了一套地下工程標(biāo)準(zhǔn)化施工地質(zhì)工作流程。該研究成果已編入水利水電工程施工地質(zhì)勘察規(guī)程[10]。

（5） 通過進(jìn)行巖石及結(jié)構(gòu)面變形全過程及拉伸、拉剪及壓剪等全正應(yīng)力條件下的力學(xué)試驗(yàn)和剪切蠕變試驗(yàn)，揭示了復(fù)雜應(yīng)力條件三峽地下電站巖體及結(jié)構(gòu)面變形與強(qiáng)度的演化規(guī)律和蠕變時(shí)間效應(yīng)特征，提出了基于變形全過程及全正應(yīng)力條件試驗(yàn)的巖石力學(xué)特性研究方法。

（6） 提出根據(jù)“穩(wěn)定拱”[11]確定洞室最小埋深的設(shè)計(jì)方法，為埋深不超過1倍洞跨的三峽水利樞紐地下電站主廠房開挖設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，突破了現(xiàn)行規(guī)范的要求，為同類淺埋大型洞室群工程提供了工程經(jīng)驗(yàn)和理論支撐。

（7） 研究采用“自動(dòng)調(diào)壓尾水洞”[12]技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了豎向調(diào)壓向橫向調(diào)壓的轉(zhuǎn)變，取消了尾水調(diào)壓室;采用“超長超高大電流封閉母線”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主變地面布置，取消了主變洞，提出了“單洞型布置”新技術(shù)，減少洞群規(guī)模近50%，規(guī)避了工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，確保淺埋、高挖空率下洞群圍巖的整體穩(wěn)定性。

（8） 為減小廠房跨度，提出對控制廠房跨度的機(jī)組蝸殼部位進(jìn)行局部擴(kuò)挖，形成“倒懸邊墻”結(jié)構(gòu)（圖4），壓縮了三峽地下廠房頂拱的跨度3 m，從而突破了蝸殼尺寸對廠房跨度的控制要求，降低了主廠房全斷面開挖高度，規(guī)避了工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

（9）基于應(yīng)變能轉(zhuǎn)移與平衡原理，對窄高型尾水管實(shí)施掏槽開挖，最大限度保留尾水管間的“原巖隔墩”（圖5），有效降低了廠房全斷面開挖高度、限制了邊墻變形和底板回彈，改善了圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，提高了洞室整體穩(wěn)定性。

（10） 提出了受拉錨桿應(yīng)力可全過程調(diào)節(jié)的巖錨吊車梁設(shè)計(jì)[13-14]，克服了常規(guī)巖錨梁錨桿應(yīng)力無法調(diào)節(jié)、存在應(yīng)力超標(biāo)、梁體巖壁結(jié)合差等突出技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了錨桿應(yīng)力的全過程控制。

（11） 提出了計(jì)算任意形狀塊體體積的解析方法、凹形塊體角點(diǎn)的計(jì)算機(jī)識(shí)別方法以及不同載荷條件的塊體穩(wěn)定性分析方法。其中，計(jì)算任意形狀的塊體體積的解析方法——塊體側(cè)面有向投影柱體體積疊加法，已納入新版《水工設(shè)計(jì)手冊》基礎(chǔ)理論卷[15]。

（12） 首次在地下廠房的關(guān)鍵塊體穩(wěn)定分析中，考慮巖體內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力對關(guān)鍵塊體切割結(jié)構(gòu)面的法向擠壓作用，提出了“二次應(yīng)力法”關(guān)鍵塊體分析理論[16-17]，使得工程加固設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理。

（13） 針對多個(gè)地下廠房施工過程監(jiān)測與反饋分析研究與實(shí)踐，建立了以圍巖變形速率、變形量級(jí)作為監(jiān)控指標(biāo)的地下廠房洞室圍巖開挖響應(yīng)期及非開挖響應(yīng)期安全等級(jí)評價(jià)與控制標(biāo)準(zhǔn)，并提出了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控對策。

（14） 建立了穩(wěn)定性判別、圍巖開挖卸荷過程力學(xué)行為動(dòng)態(tài)仿真、支護(hù)結(jié)構(gòu)精細(xì)模擬、施工期圍巖動(dòng)態(tài)反饋分析與調(diào)控為一體的地下洞室群圍巖穩(wěn)定的系統(tǒng)分析方法與監(jiān)控體系[18-20]，為復(fù)雜條件下的大型地下廠房設(shè)計(jì)與施工提供了技術(shù)支撐和分析手段。

3.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

針對三峽水利樞紐地下電站實(shí)施所需解決的重大技術(shù)難點(diǎn)，在地質(zhì)勘察、試驗(yàn)研究、穩(wěn)定控制、設(shè)計(jì)理念等方面取得了一整套較為系統(tǒng)的創(chuàng)新成果，有效解決了地下電站洞室群建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)難題，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：

（1） 首次提出大型地下電站主洞室“穩(wěn)定拱”設(shè)計(jì)理論;研發(fā)了“倒懸邊墻”結(jié)構(gòu)與“二次應(yīng)力法”塊體加固等洞室穩(wěn)定控制新技術(shù);建立了地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定的安全等級(jí)評價(jià)與控制標(biāo)準(zhǔn);建成了國內(nèi)外開挖斷面尺寸最大、且最小埋深不足1倍跨度的地下廠房。

“穩(wěn)定拱”設(shè)計(jì)理論在傳統(tǒng)拱理論的基礎(chǔ)上，區(qū)別于松散介質(zhì)，對巖體介質(zhì)中不同埋深、不同水平應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)下地下廠房洞室穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，揭示了地下廠房“穩(wěn)定拱”承載的力學(xué)機(jī)制，提出了“穩(wěn)定拱”形成的力學(xué)條件;定義同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和材料強(qiáng)度要求的圍巖承載拱為“穩(wěn)定拱”，提出了由洞室頂拱圍巖的主應(yīng)力分布及其矢量方向確定“穩(wěn)定拱”，并根據(jù)“穩(wěn)定拱”確定大型地下電站主洞室最小埋深的設(shè)計(jì)方法。

地下廠房“倒懸邊墻”結(jié)構(gòu)。在精細(xì)研究洞室圍巖力學(xué)特性和應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，提出對控制廠房跨度的機(jī)組蝸殼部位邊墻進(jìn)行局部擴(kuò)挖，形成倒懸形態(tài)，使其在滿足機(jī)組布置和結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)，有效減小主廠房的整體開挖跨度，提高了洞室穩(wěn)定性。

地下洞室大型塊體“二次應(yīng)力法”加固技術(shù)?？紤]大型塊體是洞室結(jié)構(gòu)的有機(jī)組成部分，通過三維有限元數(shù)值分析，系統(tǒng)掌握廠房開挖施工過程中及開挖結(jié)束后圍巖的應(yīng)力狀態(tài) ，且在塊體穩(wěn)定計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)面壓應(yīng)力的阻滑作用，簡化錨固措施，解決了大型塊體采用常規(guī)措施難以加固的難題，并設(shè)置專門的地應(yīng)力測試孔驗(yàn)證了技術(shù)的可靠性。

地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定安全等級(jí)評價(jià)與控制標(biāo)準(zhǔn)。針對地下廠房施工過程監(jiān)測與反饋分析研究與實(shí)踐，建立了以圍巖變形速率、變形量級(jí)作為監(jiān)控指標(biāo)的地下廠房洞室圍巖開挖響應(yīng)期及非開挖響應(yīng)期安全等級(jí)評價(jià)與控制標(biāo)準(zhǔn);并提出了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控對策，為地下廠房洞室穩(wěn)定的有效控制、施工安全保障提供了新標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 首次提出大型地下電站主洞室“單洞型布置”新技術(shù)，攻克了山體單薄條件布置大型地下電站的洞室穩(wěn)定難題，降低了工程的技術(shù)難度，為提高大型地下電站洞室群整體穩(wěn)定性開辟了新思路。

研發(fā)了自動(dòng)調(diào)壓尾水洞，實(shí)現(xiàn)了由豎向調(diào)壓向橫向調(diào)壓的轉(zhuǎn)變，取消了尾水調(diào)壓室;采用超長超高大電流離相封閉母線新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主變壓器布置在地面，取消了主變洞。將大型地下電站主洞室布置由傳統(tǒng)的“三洞型”（即地下廠房、主變洞、尾水調(diào)壓室）變?yōu)椤皢味葱汀保▋H地下廠房），減小了洞室群規(guī)模，降低了山體挖空率及對巖體的擾動(dòng)，規(guī)避了工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并節(jié)約工程投資，解決了單薄山體大型地下電站洞室群的整體穩(wěn)定問題。

（3） 研發(fā)了重載巖錨吊車梁受拉錨桿應(yīng)力全程動(dòng)態(tài)可調(diào)技術(shù)，攻克了重載巖錨吊車梁結(jié)構(gòu)安全技術(shù)難題。

常規(guī)巖錨梁受洞室圍巖變形影響，部分受拉錨桿應(yīng)力偏高甚至超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且施工后無法調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)安全存在隱患。針對這一技術(shù)難題，在系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上，提出巖錨梁受拉錨桿采用后張部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，利用螺母鎖定梁體。在洞室開挖過程中和吊車梁運(yùn)行條件下，綜合分析應(yīng)力、變形等監(jiān)測成果，適時(shí)對錨桿應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使巖錨梁受拉錨桿應(yīng)力始終被控制在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi);同時(shí)能夠提高吊車梁的整體穩(wěn)定性，使錨桿受力及梁體變形均勻，可加大錨桿間距以利于錨桿施工，并更有利于巖錨梁在高輪壓、大懸臂情況下的推廣。

（4） 結(jié)合三峽地下電站洞室淺埋、裂隙發(fā)育、潛在不利塊體多的特點(diǎn)，研發(fā)了多項(xiàng)新技術(shù)，為裂隙性巖體的勘察、大型地下洞室開挖支護(hù)施工質(zhì)量的全過程監(jiān)控提供了技術(shù)保障。① 研發(fā)新設(shè)備，發(fā)展了鉆孔彩電技術(shù)，為裂隙性巖體勘察提供了新手段：取得了可調(diào)式鉆孔電視成像儀的扶正補(bǔ)光裝置、改善鉆孔成像儀在渾水孔中效果的輔助裝置、鉆孔電視探頭的防霧保護(hù)裝置3項(xiàng)專利，提高了鉆孔電視的清晰度，改善了勘察效果，可更準(zhǔn)確地分析判斷結(jié)構(gòu)面性狀、產(chǎn)狀及起伏特征。②? 研究新方法，提出了地下洞室數(shù)字圖像可視化地質(zhì)編錄新技術(shù)：取得了大型洞室儀測成像可視化地質(zhì)編錄方法、大斷面地下洞室地質(zhì)勘探數(shù)字圖像采集和處理方法、小斷面地下洞室數(shù)字圖像采集和處理方法3項(xiàng)發(fā)明專利，實(shí)現(xiàn)了測量及數(shù)碼技術(shù)與常規(guī)地質(zhì)編錄的完美結(jié)合，為獲得更完整、高清、含地質(zhì)線劃圖的各類洞室影像、便于資料的綜合分析利用與永久保存提供了新方法。③ 研發(fā)物探新技術(shù)，為洞室開挖支護(hù)施工質(zhì)量的全過程監(jiān)控提供了技術(shù)保障：取得了全耦合干孔聲波測試探頭、帶有快換接頭的聲波測井儀井內(nèi)頂送桿、超磁致伸縮聲波發(fā)射換能器及錨桿檢測三分量傳感器固定裝置4項(xiàng)專利，推動(dòng)了物探技術(shù)發(fā)展，增強(qiáng)了物探檢測技術(shù)的實(shí)用性和應(yīng)用范圍，提高了地下洞室開挖支護(hù)施工質(zhì)量檢測監(jiān)控的可靠度和精確度。

4 結(jié) 語

本文總結(jié)了三峽地下電站工程特點(diǎn)及難點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)研究成果，這些成果解決了工程在設(shè)計(jì)、施工中存在的技術(shù)難題，保證了工程安全，縮短了工期，節(jié)約了投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。經(jīng)工程運(yùn)行證明：該研究成果是科學(xué)有效的，在復(fù)雜條件大型地下電站建設(shè)中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Study on key technologies of layout and cavern stability of

Three Gorges underground power station

ZHOU Shuda1， SUN Haiqing2， ZHANG Biao2

（1. CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China; 2. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract：In order to solve all kinds of key technical problems caused by the characteristics of shallow burial depth， thin mountain body， strong block development， large cavern scale and large lifting weight in the cavern group construction of the Three Gorges underground power station， a number of joint tackling key problems were carried out in the process of project construction， a number of innovative achievements were proposed， such as "stable arc" design， single hole layout， drilling colour television technology and visual catalog， which ensured the smooth construction of the project， accumulated valuable experience for similar projects， and had important engineering significance and popularization value.

Key words： underground power station; cavern stability; shallow buried and large span; visual catalog; geophysical detection; stable arch; single hole layout; Three Gorges Project