第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

21世纪是地下空间开发的重要时期，截至目前，世界上许多国家已经在各个领域建成200多条长度大于10km的隧道，典型的工程如1988年正式通车运行的日本青函海底隧道、1994年通车穿越英吉利海峡的英-法海底隧道、2007年建成的世界最长陆上隧道——瑞士勒其山隧道和2015年建成的位于阿尔卑斯山下的哥特哈德隧道等。目前，我国在建和已建成铁路隧道总长超过14500km，尚有超过10000km的隧道正在规划设计阶段。同时，我国蕴藏着丰富的水力水电资源，越来越多的水利水电工程项目已经建成或正在施工，如鲁布革、小浪底、三峡工程、溪洛渡、小湾、糯扎渡、水布垭和向家坝等，这些水利水电工程都包含有大量的水工隧洞等地下建筑。伴随着地下工程施工水平的不断提高，越来越多的高坝采用地下发电厂房，统计资料显示，目前已经建成超过100座的地下水力发电厂房，其中，20多座水力发电厂房装机容量超过100MW。二滩水电站已建地下厂房尺寸为280.3m×25.5m×63.9m，溪洛渡水电站地下厂房尺寸为397m×32.8m×78.2m，长江三峡右岸地下发电站厂房尺寸为311.3m×32.6m×873m。目前，我国已建或在建的长距离地下水工隧洞主要有长约11.38km的引滦入津引水隧洞、4条单隧洞长约16.67km的锦屏二级引水隧洞群、19.3km的福堂水电站引水隧洞以及长约85.3km的辽宁大伙房一期隧洞工程等。作为西部大开发的战略重地，新疆水利地下工程也发展迅速，如已建“引额济克、济乌”工程长约30km的引水隧洞、伊犁河南岸干渠35km引水隧洞以及克州布仑口-公格尔水电站长16km的引水发电隧洞等，目前在建的有精河-艾比湖调水工程41.8km长的引水隧洞、西水东引工程140km长的水工隧洞和三塘湖调水工程380km长的水工隧洞等。调水工程和水电项目开发工程一般都跨流域建设，隧洞几乎都建在高山峡谷之中。南水北调西线工程中，引水隧洞最大埋深达到1150m，四川锦屏二级水电站最大埋深达2600m，新疆布仑口-公格尔水电站地下洞室最大埋深达到1500m左右。在金属矿开采方面，目前探矿深度将达到2000～4000m，开采深度也将更深，地采向深部延伸速度达8～16m/年，深部矿山数量还将增加，未来10～15年将近600多座有色金属矿山中的2/3将转入深部开采（采深大于1000m）。因此，“多、长、大、深”成为我国地下工程发展的主要特点。

近年来，地下工程显现出许多地质灾害问题，如具有层状岩体结构的围岩出现滑移-弯曲失稳、节理岩体围岩局部或整体径向变形量大以及在坚硬完整岩体中产生的岩爆现象等都与埋深有直接关系，岩体的力学特性随着埋深的增加更具有复杂性。因此，围岩表现出的力学复杂性和对地下空间开发的制约性成为国内外学者共同关注的焦点，无论是对地下洞室的围岩质量等级划分、稳定性分析、力学参数的敏感性分析还是岩爆理论研究及预测，虽然取得了丰硕的研究成果，但是在工程实践中不可避免地存在着许多问题，譬如，围岩质量等级划分往往精确到某一类别，这与实际围岩等级具有模糊性和不确定性相矛盾；层状围岩容易出现滑移-弯曲失稳，而在地震、爆破振动以及施工机械振动等周期性荷载作用下易发生层状岩层的动力失稳；关键块体的研究鲜有将结构面迹线有限长考虑其中，也未涉及关键块体安全系数在结构面迹线有限长基础上的修正；在围岩力学参数敏感性分析中通常假定参数服从均匀分布，而参数服从其他分布的研究较少；现有岩爆预测方法考虑岩爆参数的不确定性和随机性较少，参数权重取值也未与具有丰富参考价值的已发生岩爆工程进行有效联系。本书主要以新疆布仑口-公格尔水电站地下工程为依托，从围岩质量评价、陡倾层状和块状围岩稳定性分析及岩爆预测等围岩稳定性相关问题入手，试图对围岩稳定性进行全面系统的分析，并结合工程实际，研究其开挖及衬砌工艺，这对确保工程顺利进行、有效合理地开发地下空间具有十分重要的意义，其成果可为我国水电、交通、矿山、能源储存等领域地下工程的安全建设与运营提供科学依据。