武漢理工大學李新平教授團隊：深埋特大地下洞室群巖體動力特性與開挖施工關鍵技術

隨著我國經濟的飛速增長，水電、交通、能源、礦山等行業均在向深部地下工程拓展，尤其是西南地區的大型水電工程建設，往往涉及大規模的深埋地下洞室群開挖。引水隧洞、主廠房、主變室、尾水閘門室、尾水調壓井、母線洞、出線豎井、尾水隧洞等組成的洞室群，是地下式水電站的核心關鍵工程。目前，全世界已經有超過400座地下式水電站投入運行。在蘊含巨大水能資源的我國西南地區，裝機容量高于100萬kW 的巨型水電站均受限于陡峻的地形條件而設計為地下式發電廠房；地下洞室群具有復雜的空間結構和斷面形狀，開挖施工通常采用鉆孔爆破方法。

進入21世紀以來，隨著國家能源結構調整和水電資源開發不斷深入，水電站埋深洞室群的規模也在不斷刷新紀錄。金沙江上游裝機容量世界排名前十的白鶴灘水電站、溪洛渡水電站、烏東德水電站，在地下洞室單體最大跨度、高度、長度以及地下洞室群的開挖總長度、總方量等方面均處于世界領先水平，甚至世界首位，且包含巖錨梁、穹頂等開挖工藝復雜、質量要求嚴苛的高難度特殊部位，其總體開挖技術難度不言而喻。

大規模的深部巖體開挖，必然面臨高地應力、高地溫、高滲透壓和強開挖擾動，即“三高一擾動”問題；大斷面、長隧洞、高埋深的地下洞室群設計也難以避開節理裂隙巖體、斷層破碎帶等不良地質條件，更增大了爆破開挖施工的技術難度。炮孔炸藥爆炸后對開挖部位近區的沖擊破壞與中遠區的振動作用，加深了圍巖損傷程度，增大了變形量級，提高了失穩風險，極易出現圍巖超欠挖、損傷圈過大、劈裂、片幫、環向拉裂、巖層錯動、擠壓片狀碎裂等多種施工質量問題，甚至誘發塌方、巖爆等施工地質災害，導致人員傷亡、設備損壞和工程停滯。

因此，亟須在充分認識水電站深埋地下洞室群爆破施工的損傷、變形與穩定機理的前提下，建立科學可靠的評估方法，構建以爆破振動安全判據和爆破開挖方法為主體的控制技術體系。

作為一名科研工作者，我非常榮幸能伴隨我國水電事業的飛速發展開展長期系統的研究與應用工作，同時也非常榮幸能借《 》一書將十多年來在水電站深埋地下洞室群爆破施工方面的研究成果分享給讀者。

?左右滑動查看更多

Slide for more photos

深埋特大地下洞室群巖體動力特性與開挖施工關鍵技術

李新平 等著

北京：科學出版社，2025. 6

(巖石力學與工程研究著作叢書)

作者團隊基于白鶴灘水電站、溪洛渡水電站、烏東德水電站等特大型水電站深埋地下洞室群施工期間開展的研究工作，總結了巖體動靜組合力學特性、洞室群爆破振動傳播衰減規律、爆破安全精量化控制標準、巖體累積損傷與動力災變特性、精量化爆破開挖施工工藝等方面的相關研究成果。具體包括以下研究內容：

一

通過對深埋大理巖試樣開展不同圍壓下的加卸載試驗，研究深部大理巖加卸載過程中的強度特征、變形特性及破壞形態，揭示深部裂隙的擴展規律，結合斷裂力學理論推導裂隙巖體裂紋擴展的應力條件公式。結合裂隙飽和試樣的滲流加卸載試驗，建立滲透率與應力環境之間的演化方程，形成裂隙巖體滲流-應力-損傷耦合模型。

二

采用拉壓真三軸儀對裂隙試樣開展不同地應力條件下的常規三軸壓縮試驗和三軸拉壓加載方式下的彈性波傳播特性試驗，研究了不同加載方式下深部裂隙巖體中彈性波波速、波幅的變化規律，揭示深部裂隙巖體的宏觀損傷演化規律，建立基于宏觀裂隙和細觀裂隙耦合的深部裂隙巖體損傷本構模型。

三

考慮不同地應力、差應力以及節理角度和數量的影響，通過室內模型試驗研究高地應力下節理巖體中爆炸應力波的傳播規律，理論推導出地應力下應力波在節理巖體傳播的波動方程，為深部地下工程在強動力擾動作用下的安全性評價提供一種新的思路和方法。

四

通過現場爆破振動測試和爆破振動數值模擬相結合的方法研究爆破振動對近距離、大斷面地下洞室群的安全影響，揭示不同開挖區域下地下洞室群的鄰洞放大效應、豎井以及高邊墻的高程放大效應，為評價深部地下洞室群在爆破作用下的穩定性和安全控制提供決策依據。

五

基于自定義的損傷判別指標量構建動力損傷本構模型，同時體現壓剪應力作用的影響。通過與現場實測數據進行比較，證明改進的動力損傷本構模型計算結果較為可靠。研究深部巖體開挖和動靜力組合作用下圍巖的損傷破壞特性，建立爆破開挖過程中爆炸荷載與圍巖靜載的動靜力組合作用所誘發的圍巖動力損傷破壞機理。

六

通過理論分析和數值模擬驗證洞室邊墻圍巖塊體受到爆破擾動時超低摩擦現象的存在，研究水平地應力、爆破擾動塊體尺度與超低摩擦效應的量化關系?；趲r體松動效應的室內模擬試驗與數值方法結合研究爆炸荷載和瞬態卸荷作用下結構面的張開現象和松動效應，并且由淺部問題向深部問題過渡，分析研究高地應力條件下爆炸荷載和開挖荷載引起的巖體松動效應，確定主要影響因素。研究結果在烏東德水電站工程的爆破損傷評估中得到了很好的驗證和應用。

七

基于現場試驗和數值模擬對地下工程的關鍵部分爆破控制展開研究，揭示了V形切槽光面爆破及預裂爆破的空孔效應以及成縫機理，結合時序控制理論，建立深部地下工程的關鍵部位(如巖錨梁)的精量化爆破控制方法。

該系列研究成果在三大世界級水電站的成功應用，確保了施工過程的優質高效與安全穩定，產生了巨大的經濟效益和顯著的社會效益，在深埋地下工程洞室群施工領域起到重要的引領和示范作用。

本書相關研究工作得到國家自然科學基金面上項目“深部裂隙巖體的加卸載力學特性與多場耦合模型研究”(50974100)、“深部高地應力下巖體動力特性與爆炸應力波傳播規律研究”(51274157)、“強動力擾動下深部巖體斷裂滑移型巖爆的產生機理與破壞效應”(51774222)、“深地下洞室群開挖誘發的節理巖體松動變形演化機理”(51779197)，青年科學基金項目“深埋地下廠房開挖瞬態卸荷誘發圍巖位移突變機理”(51309183)、“含水充填節理的動力特性及其對剪切波傳播影響研究”(51609183)，以及湖北省自然科學基金重點項目“中深部難動用礦產資源開采破壞作用機理及穩定性研究”(2015CFA136)的資助，試驗研究工作得到山東科技大學、中國科學院武漢巖土力學研究所、總參工程兵科研三所、武漢大學等科研院校的大力支持，成果應用得益于中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司領導與現場技術人員的鼎力合作，在此表示感謝！

本文摘編自《深埋特大地下洞室群巖體動力特性與開挖施工關鍵技術》（李新平等著. 北京：科學出版社，2025. 6）一書“前言”“第1章 緒論”，有刪減修改，標題為編者所加。

巖石力學與工程研究著作叢書

巖石力學與工程研究著作叢書涉及近年來我國圍繞巖石力學學科的國際前沿、國家重大工程建設中所遇到的工程技術難題的攻克等方面所取得的主要創新性研究成果，包括深部及其復雜條件下的巖體力學的室內、原位實驗方法和技術，考慮復雜條件與過程(如高應力、高滲透壓、高應變速率、溫度-水流-應力-化學耦合)的巖體力學特性、變形破裂過程規律及其數學模型、分析方法與理論，地質超前預報方法與技術，工程地質災害預測預報與防治措施，斷續節理巖體的加固止裂機理與設計方法，災害環境下重大工程的安全性，巖石工程實時監測技術與應用，巖石工程施工過程仿真、動態反饋分析與設計優化，典型與特殊巖石工程(海底隧道、深埋長隧洞、高陡邊坡、膨脹巖工程等)超規范的設計與實踐實例，等等。

（本文編輯：劉四旦）

專業品質 學術價值

原創好讀 科學品位

一起閱讀科學