一种利用主洞与副洞围岩扰动贡献的地下洞室布局优化方法

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：An optimization approach for underground cavern layouts utilizing the surrounding rock disturbance contribution of primary and secondary caverns

　　

提出了一种基于洞室扰动的布局优化方法。
基于体积比和扰动贡献的新型布局优化思路。
扰动指标整合了塑性破坏体积和能量演化。
提出了结构面避让原则以降低失稳风险。
复杂的稳定性判断被转化为量化决策。

**引言**

水利水电工程由于高山深谷的地形限制，常采用地下厂房布局。根据洞室尺寸，地下洞室群包括主洞室（如主厂房洞室、主变压器洞室、尾水调压室）和次洞室（如电缆廊道、引水隧洞、尾水隧洞）。这些洞室群具有交叉贯通、布局密集和开挖量大等特点（Liu等，2024；Mao等，2024）。主洞室和次洞室的开挖会诱发围岩变形和应力重分布，且局部响应和洞室间的相互作用随空间布局而变化。因此，必须在满足设备布置、施工和电站运行管理要求的前提下，对多种可行布局方案的围岩稳定性进行比较，以选择一种能够减少围岩大变形和失稳的方案（Qian和Lin，2016）。

地下洞室群围岩稳定性与地质应力、岩体质量等级、结构面等工程地质因素密切相关（Chen等，2024；Ma等，2020；Wang等，2020；Zhao等，2022；Hosseini等，2024）。具体而言，初始地质应力场的大小决定了岩体中能量积累的程度，而其方向则控制了开挖边界沿应力集中的空间分布。这些特征对围岩中的能量演化、塑性区扩展以及灾害发生的频率有强烈影响（Gu等，2023；Niu等，2024；Liu等，2025）。岩体质量和完整性影响围岩变形、塑性区深度和开挖诱发的损伤程度（Guo等，2024；Zhao等，2025）。结构面、裂隙和主要节理组的产状、延展性和剪切强度，以及层状岩体中的层理方向和各向异性，强烈影响开挖后的局部应力重分布以及变形和破坏模式。这些因素可能诱发局部破坏和延迟失稳，包括剪切滑移、剪切蠕变、拉伸裂缝和块体失稳（Shen等，2023；Zhang和Shi，2024；Liu等，2025；Yang等，2025b；Yang等，2026）。这些研究进一步表明，围岩稳定性受多种工程地质因素控制。因此，布局设计应考虑地质应力和结构面等控制条件，并关注关键部位不良的开挖诱发响应。

在布局设计参数中，洞室截面形状和埋深通常首先根据设备要求和围岩的基本承载能力确定，对此已建立了相对成熟的决策框架（Park等，2014；Xu等，2015；Song等，2016；Luo等，2019；Li等，2022）。因此，当前研究主要集中于优化洞室轴线方向和间距。关于轴线方向，对白石岩地下洞室群的研究表明，洞室轴线与最大主应力方向之间的夹角，以及结构面与洞室的不利交汇，导致了围岩大变形和过度损伤（Shi等，2022）。对双江口地下洞室的研究表明，优化洞室轴线方向可以减少应力状态对围岩稳定性的影响（He等，2022；Liu等，2024）。关于洞室间距，先前的研究利用理论分析和数值模拟比较了不同间距下岩柱中的应力集中和塑性区发展，并提出了相应的间距建议（Zhao和Ma，2009；Zeng等，2023；Sheng等，2024）。此外，参数化建模、机器学习和智能优化方法已应用于生成和比较替代轴线方向或间距方案，提高了方案分析的效率（Li等，2022；Li等，2024）。这些研究为选择布局参数提供了依据，但优选方案的确定需要进一步使用围岩响应指标进行评估。

围岩稳定性评估为比较布局方案提供了重要依据。先前的研究通常使用围岩位移、主应力和塑性区分布来表征开挖后变形、应力重分布和潜在破坏区的程度（Sharan，2003；Park等，2008）。塑性破坏深度和开挖诱发松弛区的范围也被用于评估对围岩的扰动程度（Li等，2017；Heidarzadeh等，2021）。从能量演化角度看，岩体中应变能的积累、耗散和释放是围岩变形和破坏的根本原因。因此，应变能密度和局部能量释放率等指标也被广泛用于评估围岩稳定性以及开挖过程中的扰动程度（Chen等，2024；Xin等，2024；Yang等，2024）。这些指标从不同角度描述了围岩的响应状态和演化，为比较不同布局方案的全局稳定性和局部不良响应提供了依据。

然而，在密集交叉的地下洞室群中，局部围岩响应同时受到主洞室和次洞室开挖诱发的卸载和应力重分布的影响。现有的围岩响应指标本身无法直接表征主洞室和次洞室在这些部位的相对扰动贡献。基于这些指标的评价方法也缺乏比较和选择洞室轴线方向和间距的明确依据。因此，本研究专注于量化主洞室和次洞室的局部扰动贡献，并开发一种考虑全局稳定性和局部扰动贡献平衡的布局方案比较和选择方法。

基于上述考虑，本研究提出了一种基于主洞室和次洞室围岩扰动贡献（SRDC）的地下洞室群布局优化方法。该方法通过量化主洞室和次洞室开挖对围岩易破坏、高风险区域的塑性破坏体积和能量演化方面的扰动贡献，指导布局优化。首先，使用具有代表性III级围岩的数值模型分析不同地质应力大小和主应力倾角下的围岩响应，并识别易破坏、高风险区域的分布模式。其次，提出了监测块划分方法和SRDC评价指标，以支持对候选布局方案的全局稳定性和局部扰动贡献进行评估。然后，考虑结构面的剪切强度及其与洞室的交汇，提出了结构面避让原则。最后，通过已建成的TB水电站和处于规划阶段的GX水电站的案例研究，为所提方法的工程合理性和适用性提供了支持。

**SRDC方法的基本概念**

地下洞室群通常自上而下分层开挖，次洞室在相应主洞室边墙之前开挖。主洞室和次洞室在开挖体积和其对相邻围岩的扰动效应方面存在差异。主洞室开挖可诱发广泛的应力重分布、塑性区扩展和能量演化，导致计划开挖区域出现应力集中、卸载松弛或局部损伤。

**潜在布局方案集的设计过程与研究**

如图2所示，SRDC方法主要包括四个步骤：确定潜在布局方案、布置监测块、数值模拟和响应监测、以及综合评估和方案优化。为对应此工作流程，本节依次描述该过程中涉及的关键技术组成部分，包括候选布局方案、高风险区评估、监测块布置原则、全局稳定性和局部……

**工程验证**

为说明SRDC方法的可靠性和可行性，本节首先分析了已建成的TB水电站，该电站位于中等地质应力条件下，包含两个主要主洞室。此外，还引入了处于高地质应力区域并包含三个主要主洞室（包括尾水调压室）的GX水电站，以进一步检验该方法对更复杂洞室系统和更高……的适用性。

**讨论**

为了解决传统全局稳定性指标在地下洞室布局优化过程中可能掩盖局部高风险区不良响应的问题，本研究提出了基于围岩扰动贡献的SRDC方法。塑性破坏和能量演化是与岩体不可逆损伤演化相关的根本机制（Miao等，2024）。通过量化塑性破坏体积和能量演化响应，SRDC方法评估……

**结论**

本研究提出了一种基于主洞室和次洞室围岩扰动贡献（SRDC）的精细化量化设计方法，以解决复杂地质条件下地下洞室布局优化中协调全局稳定性和局部安全性的难题。主要结论如下：

（1）建立了不同地质应力条件下围岩高风险区的评估表。结果表明，……

**作者贡献声明**

Yao Wang（王尧）：撰写—原稿、验证、方法论。Fanjie Yang（杨凡杰）：软件、项目管理、概念构思。Hui Zhou（周辉）：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、概念构思。Feifei Jiang（蒋飞飞）：验证、方法论。Li Yang（杨丽）：可视化、资源。Long Wang（王龙）：撰写—原稿、监督、数据管理。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

**致谢**

本工作得到了国家自然科学基金（批准号U23B20147，52304156）、贵州省重大科技合同项目（批准号[2024]008号）以及中国华能集团科技项目（批准号HNKJ22-H109，HNKJ23-H24）的支持。

Yao Wang | Fanjie Yang | Hui Zhou | Feifei Jiang | Li Yang | Long Wang