1.5 主要技术问题
龙滩水电站引水发电系统布置在左岸山体内。该区域大型断裂构造总体较少，但外侧（靠河岸）有F1、F4两条中等规模的顺河向断层，内侧有F63、F69两条大断层沿55°～65°方向斜插山里。主要大洞室只宜布置在两组断层之间的较完整岩体区域，布置范围很小。洞室群围岩为陡倾角层状结构岩体，地质条件复杂；洞室群规模巨大，结构上纵横交错、上下层叠，但要求布局紧凑、错落有致，对地下洞室群工程的勘察、设计、施工提出了巨大挑战。在该地下洞室群工程建设前期和施工过程中，对以下技术问题进行了深入研究。
1.5.1 洞室群围岩工程地质勘察
查明地下洞室群布置区域的地质条件，是确保工程设计合理、安全可靠的前提。在可行性研究阶段，采用地质测绘、钻探、洞探、井探、槽探及物探等方法综合查明洞室群区域的地形地貌、地层岩性、地质构造、物理地质现象、水文地质条件；开展了大量现场（岩体）试验和室内（岩石）试验，研究了围岩物理力学特性；采用钻孔全应力解除法、钻孔水压致裂法、声发射凯塞效应法进行了岩体初始地应力量测；开挖了地下厂房模型试验洞，开展了围岩变形量测及位移反分析。
在招标设计和施工前期，系统地研究了地下洞室群陡倾角层状结构围岩的物理力学性质及参数。充分收集整理以往大量岩石力学试验成果，采用分类统计分析，研究岩石物理力学性质指标；综合分析岩体力学试验值与分析计算值、工程地质建议值和初步设计采用值，提出各类围岩的力学参数指标，为洞室群围岩变形与稳定分析提供了较可靠的依据。开展了岩体流变试验，并利用原有的试验资料、模型洞变形观测资料，研究洞室群围岩流变特性与长期强度；开展了流变模型辨识及参数拟合，并以此分析了洞室群围岩的变形时效特征与长期稳定性。采用岩石直接拉伸试验研究地下洞室群主要岩性的拉伸变形特性和极限拉伸强度，为建立岩体张应变准则提供了依据。利用主要洞室顶层开挖后的变形量测结果进行反演分析，进一步研究洞室群围岩初始地应力场量值、方向和侧压力系数分布规律。
在施工过程中，开展了全程施工地质勘察研究。通过地质编录和观测，获得许多直观的地质资料，检验、修正了前期地质勘察的成果；补充论证了洞室群围岩主要工程地质问题，为动态设计提供了依据；适时分析预测不良地质现象，保障了施工安全。
1.5.2 洞室群的布置
龙滩水电站发电厂房的布置研究比较过多种方案，包括地面厂房、地下厂房及其组合方案。1992年12月，最终确定为左岸全地下厂房方案。因此，需要在左岸山体内开挖一个庞大的地下洞室群结构。对于地下厂房的设计，地下洞室群的合理布置成了首要问题。设计布置主要困难包括：①受区域地质构造限制，能布置发电厂房系统的范围很小；②主洞室布置区为陡倾层状裂隙岩体，围岩稳定条件复杂。
工程设计中，充分分析了地下厂房布置区地质构造、岩体结构特征、岩体性质及地应力场条件；研究了输水系统、尾水系统的水力条件；考虑主要洞室的功能和相互关系，结合施工条件、机电设备安装、运行管理和环境生态要求等因素，采用技术经济综合比选法确定洞室群整体布置方案。布置设计着重对主厂房选址、主厂房纵轴线方位的确定、主要洞室的排列及其合理洞室间距、主洞室体形、引水洞线路布置、尾水出口位置选择等问题进行了研究。最终方案确保了主厂房轴线与地应力最大主应力方向夹角较小、与岩层走向交角较大，避开或减小了大型断裂构造对主洞室的影响，有利于围岩稳定；引水、尾水系统布置顺畅，水头损失较小；主要洞室排列合理，主、辅洞室结合有利于加快地下工程的施工进度和改善施工期的通风条件，经济效益明显。针对洞室群布置方案，采用Q系统分类、RMR分类、水电工程围岩工程地质分类和工程岩体分级等方法，对洞室群围岩进行了分类及岩体质量评价研究。研究表明，地下洞室群大部分洞段处于Ⅱ类、Ⅲ类围岩内，围岩地质条件能满足大型地下洞室群成洞后围岩整体稳定要求。
1.5.3 洞室群开挖施工程序
龙滩水电站地下厂房系统计划工期为42个月，这就要求采用“多层次、多工序”同时施工，或称为分期分块组合开挖方式。在洞室群开挖过程中，多个工作面同时作业，开挖扰动作用（爆破震动、应力释放）对围岩的影响较大；严重时，可能会大大降低围岩的自稳能力。实际上，复杂洞室群开挖施工对围岩是一个非线性加载过程。要想在控制围岩稳定与加快施工进度之间达到平衡，需要对洞室群开挖施工程序进行优化。优化目标是最大限度减小开挖扰动对围岩的损伤。
招标设计阶段，针对龙滩水电站地下洞室群开挖，设计中考虑洞室群整体施工组织和相应的施工支洞布置，按施工条件可行、施工进度可控的要求，提出了开挖程序；招标中，施工单位为加快施工进度，提出了主厂房上、下开挖中间拉通的变更方案。为进一步优化洞室群开挖施工程序，专题研究中，结合龙滩水电站巨型地下洞室群的空间分布特征，另外设计了3个开挖方案。从实际施工条件看，这5个方案都是可行的。施工开挖方案优化的基本思路是：按照岩体动态施工过程力学原理，采用数值分析模拟洞室群的5种开挖方案，分析各方案的围岩变形特征、应力分布特征和围岩塑性区或破损区分布特征，比较优选最佳开挖方案。
研究认为：对于龙滩工程这样的中等地应力地区的陡倾角层状岩体，在保障主厂房自上而下正常开挖时，采取三大洞室分层错开开挖方案，即不在同一高程同时开挖，可有效地避免相邻洞室一起开挖时因围岩内应力叠加使得岩柱内的塑性区增大的危险，从而提高地下洞室群在施工过程中的稳定性。
1.5.4 围岩变形破坏特征
洞室群围岩变形破坏特征包括变形破坏模式与变形规律，它与岩体结构、岩石及结构面性质、所处洞室群部位、荷载作用方式等因素有关。围岩变形破坏特征是工程设计、施工和后期运行管理中应该掌握的重要内容，也是判断围岩稳定性的重要依据。龙滩水电站地下厂房洞室群围岩为陡倾层状结构岩体，复杂地质条件与复杂的洞室群结构叠加，使得围岩变形破坏模式呈多样性、变形分布不均一性。这种洞室群围岩变形特征在已建和在建工程中比较少见。
在工程设计中，先后采用工程地质分析、数值模拟方法对围岩变形破坏特征进行了分析预测；施工过程中，开展了施工地质观测、围岩变形量测和反馈分析。专题研究针对陡倾角层状围岩、高边墙、大跨度、多洞室交叉的工程特点，结合断层、裂隙及软弱夹层等不利组合对洞周围岩变形的影响，分析了主要洞室顶拱、边墙、底板和洞室交叉部位的变形特征，为控制围岩稳定、优化支护参数提供了依据。
研究表明，龙滩水电站地下洞室群主洞室围岩存在以下6种变形破坏模式。
（1）边墙岩体顺层滑移拉裂。
（2）边墙岩体沿断层滑移拉开。
（3）边墙岩体倾倒张裂。
（4）岩体劈理面压裂。
（5）拱顶岩体剪切拉伸变形。
（6）洞室底板回弹张裂。
由于变形模式的多样性，使得洞室围岩变形分布具有明显的非对称性、不均匀性和突变性特征。洞室上游侧顶拱与下游侧顶拱变形不一致；上游侧边墙与下游变形更是差异明显，主洞室上游侧边墙围岩的变形表现为朝洞内顺层滑移，下游侧边墙则具有错动倾倒变形的特点。围岩变形的突变性主要表现为岩体结构面的影响效应，在断层和层面出露位置均可能发生变形突变。洞室围岩变形由开挖卸荷引起，但陡倾角层状围岩变形规律明显受岩体结构控制，且呈现为复杂的分布特征。
1.5.5 围岩稳定分析
洞室群围岩稳定性主要有两类问题：一类是由岩体结构面和开挖面组合关系控制的局部块体稳定问题；另一类是由岩体强度和洞室群结构控制整体稳定问题。龙滩水电站地下洞室群围岩中，层面、层间错动和节理等陡倾角软弱结构面较发育，使得洞室群围岩稳定性问题较为复杂。不稳定块体数量多、分布广，特别是高边墙和洞室交叉口的块体失稳概率大。主厂房、主变室、调压井之间的岩墙以及调压井之间的岩柱相对于洞室高度较为单薄，洞室群结构稳定性较差。
在工程设计阶段，采用工程地质分析法（围岩分类）、力学计算方法、数值分析方法对洞室群围岩稳定性进行了分析评价，预判了潜在不稳定块体；分析了洞室群开挖过程中围岩应力、变形状态；为控制围岩稳定措施的拟定以及支护加固参数的设计提供了依据。在施工过程中，利用安全监测资料和施工地质编录，对围岩稳定性进行了分析和预报，为保证施工安全和优化围岩支护设计提供了依据。
专题研究结合龙滩水电站地下洞室群结构特征和工程地质条件，分析了洞室群围岩稳定性的主要地质问题；采用块体理论、刚体平衡法和数值仿真分析方法，研究了陡倾角层状结构围岩的局部稳定性和整体稳定性。采用赤平解析法研究了岩体结构面和洞壁组成的可能失稳块体的稳定性，分析洞室群围岩中可动块体的基本特征，提出了相对不稳定可动块体的加固建议。根据数值仿真计算结果，采用围岩应力状态、塑性区、拉损（损伤）区、点安全系数等物理量进行了综合分析，评价了洞室群围岩的稳定状态，给出了施工程序和支护参数优化建议。结合围岩流变特性分析，采用黏弹塑性有限元方法，预测了围岩的长期变形，分析了围岩的长期稳定性。
1.5.6 围岩支护措施
可行性研究阶段，确定了地下洞室群围岩支护采用“利用围岩为承载主体、充分发挥围岩的自承能力”的设计原则，洞室以锚喷支护为主、电缆竖井以及过水洞室采用混凝土衬砌的支护方案。锚喷支护采用系统锚杆与随机锚杆相结合；系统锚杆的布置根据围岩稳定性工程地质分析、数值分析结果，采用经验类比法进行设计；随机锚杆根据现场开挖揭露的地质情况和分析结果动态设计。
专题研究中，重点对围岩支护形式、支护参数和支护时机进行了研究。在陡倾层状岩体地下洞室群稳定性研究成果的基础上，通过对岩体锚固机理研究，结合洞室群围岩的变形破坏形式，提出了相应的围岩支护加固对策。从拉应力区、塑性区及拉损破坏区的范围扩展情况来看，主厂房和主变室之间的岩墙以及主变室与调压井之间的岩墙使用对穿锚索是必要的，同时对受断层影响较大的高边墙应采用长锚索加固；主厂房顶拱由于跨度较大，采用预应力锚杆来增加围岩的整体性和自承载能力，防止随机块体的失稳；对于主厂房高边墙，根据上下游边墙变形分布调整了锚固深度。通过锚杆（索）支护效果评价方法研究，分析了锚杆支护参数对洞室群围岩加固效果的影响，提出了相应的优化建议，包括锚杆的布置、预应力施加值。根据围岩应力重分布特征和变形时效研究结果，滞后支护可以明显降低锚杆（索）应力，提出了理论上的最佳支护时机；并且考虑施工进度、施工程序与布置，建议系统锚杆滞后7～15d是比较适宜的。针对龙滩地下厂房洞室群围岩支护锚杆应力超标问题，结合层状岩体的结构特征，开展了裂隙岩体中锚杆受力状态的物理试验和数值分析。揭示了支护锚杆应力超标的机理：岩体裂缝的张开与错动产生的拉应力是锚杆应力超标的直接原因。评价了锚杆应力超标对洞室围岩稳定性的影响，给出了相应的处理措施。
1.5.7 动态设计技术
地下工程围岩稳定性不但与地层岩性、岩体结构、地质环境等诸多自然因素有关，还受施工方法、加固措施以及运营方式等影响。由于地质条件和影响因素的复杂性，使得地下工程设计条件和设计参数存在着不确定性。对于地下工程设计，特别是复杂条件地下洞室群工程，其设计和施工方案往往会随着有关信息的不断获取与认识的深入需要调整，以期达到最佳效果。动态设计就是根据不断获得的信息和设计条件变化而修正完善设计方案与优化设计参数。在新奥法（new Austrian tunnelling method）和挪威法（Norwegian method of tunneling）中，就非常重视通过监控量测来指导设计与施工，即信息化设计施工。实践表明，动态设计不仅是地下工程设计施工过程中应坚持的基本原则，而且是一种行之有效的方法。
龙滩水电站地下洞室群设计施工过程一直秉持动态设计理念，强调根据补充勘察、施工地质、工程监测及施工检测等获得的信息，优化设计、指导施工。同时，专题研究中，根据动态设计的需要开发了相关信息系统，进一步提升了动态设计水平。龙滩水电站地下洞室群围岩监测信息反馈分析系统，建立了综合监测信息数据库，实现了对监测信息及其相关设计施工信息进行合理组织和有效管理，为监测信息反馈分析提供了完善的数据支持；研究开发了监测信息可视化分析工具，形象化显示监测物理量与施工进度、时间过程、空间位置的关系；针对地下洞室群施工安全控制的需要，建立了各类实用的监控模型，可及时提供统计预测分析。
龙滩水电站洞室群地质信息系统，以当时国际上先进的地理信息系统软件ArcGIS为开发平台，建立了地下洞室群地质、地形与工程设计等图文信息和监测仪器布设信息数据库，实现了地质信息的显示、编辑、修改、查询与更新；开发了龙滩水电站地下洞室群三维地质仿真模型，数据可自动更新、信息可选择性显示，可生成钻孔柱状图和任意切取地质剖面；嵌入了洞室围岩分类、块体赤平投影、节理玫瑰花图和极点密度图与等值线等分析工具，使得施工地质信息能方便快捷处理。
龙滩水电站地下洞室群工程主要技术问题研究为工程优化设计、快速施工以及保障工程质量与安全等方面提供了有力支撑。特别是成功地解决了地下厂房顶拱大跨度（30.7m）施工安全、高直立岩墙（74.5m）开挖稳定及世界最大的岩壁吊车梁（荷载1050kN/m）施工质量等三大地下工程难题；地下洞室群月开挖量突破16万m3，月平均开挖量10万m3以上，多次刷新洞挖世界纪录，创造了无重大安全、质量事故和零死亡的施工奇迹；工程质量单元合格率100%，优良率92.2%；地下厂房开挖工期较计划工期提前10个月，带来了明显的经济效益和社会效益。