周述达 孙海清 张彪

摘要：为解决三峡水利枢纽地下电站洞室群因埋深浅、山体单薄、块体强发育、洞室规模大、起吊重量大等特点带来的各类关键技术问题，在工程建设过程中进行了多项联合攻关，研究出“稳定拱”设计理论、“单洞型布置”、钻孔彩电技术及可视化偏录等多项创新成果，确保了工程的顺利建设，为类似工程积累了宝贵经验，具有一定工程意义和推广价值。

关键词：地下电站; 洞室稳定; 浅埋大跨度; 可视化编录; 物探检测; 稳定拱; 单洞型布置; 三峡水利枢纽

中图法分类号：TV731.6 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.008

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0042 - 07

0 引 言

三峡水利枢纽地下电站于2005年开始建设，2011年实现首台机组投产发电[1-3]。电站单机容量、装机规模、蜗壳平面尺寸、主洞室跨度及高度、起吊设备容量等评价指标均处于同期同类工程最高水平，属巨型地下厂房。针对在三峡水利枢纽地下电站建设过程中遭遇的各类关键技术问题，开展了多项联合攻关，确保了工程的顺利建设[4-5]。

1 地下电站建筑物及工程地质条件

1.1 地下电站建筑物布置

三峡水利枢纽地下电站位于三峡水利枢纽右岸白岩尖山体中，与右岸电站相毗邻。共安装6台单机容量700 MW的水轮发电机组，其主要由引水渠及进水塔、引水隧洞、排沙洞、主厂房、母线洞（井）、尾水洞及阻尼井、尾水平台及尾水渠、进厂交通洞、通风及管道洞、管线及交通廊道、地面500 kV升压站、厂外排水系统及施工支洞等建（构）筑物组成。进水塔为岸塔式结构，引水及尾水系统均为单机单洞布置，其中6条引水隧洞开挖直径均为13.5 m，单洞轴线长244.64 m，尾水隧洞采用自动调压尾水技术，不设尾水调压室，断面型式为城门洞，断面尺寸为20.00 m×12.25 m至18.00 m×26.00 m（宽×高），6条尾水隧洞总长1 555.31 m;地下厂房开挖尺寸为311.3 m×32.6 m×87.3 m（长×宽×高），主厂房下游侧布置有6条母线洞和3条母线竖井，采用“超长超高大电流封闭母线”技术将母线从67.00 m高程引至地面182.00 m高程的500 kV升压站。引水发电系统以引水洞、地下厂房、尾水洞为主体，形成由38个洞室组成的洞室群，见图1。

1.2 地下厂房洞室工程地质条件

地下电站区岩体主要为前震旦系闪云斜长花岗岩和闪长岩包裹体，其间侵入细粒花岗岩脉和伟晶岩脉等酸性岩脉。主洞室围岩以新鲜坚硬的Ⅰ， Ⅱ类岩体为主，少量為Ⅲ， Ⅳ类。区域内裂隙型断层较发育，以陡、中倾角为主，厂区岩体呈块状及次块状结构，断层、裂隙发育，岩体结构面与厂房洞室切割的大中型块体数量多达108个;主厂房岩壁梁基座位于高程90.3～86.8 m处，该部位为微新岩体，强度高，岩体较完整。厂区围岩总体质量较好，具备建设大型地下洞室群的工程地质条件。

2 地下电站工程特点及技术难点

2.1 工程特点

（1） 右岸电站运行与地下电站建设并行。1992年，三峡工程的初步设计通过了国务院三峡工程建设委员会组织的审查，并批准了“三峡坝后式电站装机26台，在右岸预留扩建6台机组的地下电站厂房”总体方案。地下电站为三峡水利枢纽工程的远景规划项目，其于2005年3月开始施工时，右岸坝后电站已投产发电。因此，合理规避地下电站施工对已运行电站的干扰是该工程的重点之一。

（2） 山体单薄。受枢纽布置及地形地质条件限制，三峡地下电站布置在长江右岸白岩尖山体平面范围500 m×450 m、地面高程为120～180 m的区域内。白岩尖山体为伸入河道的孤山，三面环水。白岩尖山脊顶高程220～243 m，山体上、下游斜坡及临江岸坡总体坡型平缓，坡角一般为15°～25°。因此，地下洞室群所依附的白岩尖山体较为单薄，山体挖空率较高。

（3） 主洞室浅埋。由于机组额定水头低、单机容量大，蜗壳平面尺寸巨大，为满足发电设备安装及必要的运行通道需求，地下厂房顶拱以上跨度需32.6 m，高度需87.3 m;而主厂房洞室上覆岩体一般埋深在50.0～75.0 m，最薄处仅为32.0 m，不足厂房跨度的1倍。

（4） 块体强发育。厂区岩体为块状及次块状结构，断层、裂隙发育，岩体结构面与厂房洞室切割的大中型块体数量多达108个，总体积达16万m3，其中9个块体体积超过1万m3，两组长大型结构面与厂房下游边墙切割形成6个大型定位块体，块体出露面积占下游边墙总面积的50%左右。工程经验表明：大高跨比大型洞室的围岩稳定受控于高边墙的稳定，而三峡水利枢纽右岸地下电站主厂房洞室下游边墙存在6个大型定位块体，是影响施工期及运行期洞周围岩稳定的关键因素。

（5） 洞室群规模大。三峡水利枢纽地下电站布置6台单机容量为70万kW的水轮发电机组，其额定水头仅85 m，蜗壳垂直水流向平面尺寸达34.105～34.429 m、顺水流向尺寸达29.448～30.449 m，机组转轮直径达9.60～10.25 m，主洞室长度为311.3 m、高度为87.3 m、跨度为32.6 m/31.0 m。引水发电系统以引水隧洞、地下厂房、尾水隧洞为主体，为共由38个洞室组成的规模巨大、纵横交错的地下厂房洞室群。从图2统计的同期国内外常规地下电站主厂房跨度发展趋势可以看出，三峡水利枢纽地下电站主厂房跨度达到在已建工程中较高水平。

（6） 起吊设备容量大。三峡水利枢纽地下电站发电机转子重达2 000 t，需2台1 200 t大桥机同时起吊，岩锚梁部位最大轮压达108 t。从图3地下电站投产发电时间与最大轮压相对关系可以看出，三峡地下电站岩锚梁最大轮压处于已发电地下电站的较高水平。

2.2 工程技术难点

三峡水利枢纽地下电站建设过程中遇到的主要技术难点可归纳为以下几方面。

2.2.1 洞室围岩地质特性及工程特性

地下厂房洞室群赋存环境的水文地质条件是洞室群规划布置、施工开挖的基础。全面清晰了解岩体地质特性是确保洞室群科学设计、安全施工运行的重要基础。提供合理可靠地质影像的大型地下厂房洞室群地质条件的可视化编录，以明确认识关键结构面起伏、结构面强度，并概化地质特征进而科学指导洞室群的布置、施工，对于复杂地质条件下洞室群围岩稳定控制具有重要意义。

地下厂房赋存于山体内部，清楚认知洞周围岩力学特性是合理开展洞室群布置和围岩稳定分析的前提。三峡水利枢纽地下厂房洞室群地质条件复杂，围岩类别较多，结构面发育。如何揭示洞室群开挖过程中复杂应力条件下洞周围岩的力学特性与破坏模式、全面认识赋存岩体的工程力学特性，是三峡水利枢纽地下电站建设的一个技术难点。

2.2.2 浅埋大跨度、高边墙地下厂房洞室稳定控制

高边墙、大跨度是地下电站的发展方向，因此，超大规模地下厂房洞室群施工及运行期的整体稳定性是工程界、科研界关注及研究的重点和难点。三峡水利枢纽地下电站主厂房岩锚梁以上跨度达32.6 m、边墙高达87.3 m，洞室群规模处于同期最高水平，加之洞室上覆岩体厚度仅为32.0 m，不足一倍洞跨，已突破现行规范中“主洞室顶部岩体厚度不宜小于洞室开挖宽度的2倍”的规定。如何保证浅埋巨型地下电站洞室群施工及运行期的整体稳定性，是该工程建设实施中需要研究的重点及难点。

2.2.3 洞室群规模优化

三峡水利枢纽地下电站为低水头、大流量机组，机组尺寸较大，主厂房洞室规模巨大。以引水洞、地下厂房、尾水洞为主体的38个洞室布置于平面范围500 m×450 m、地面高程范围在120～180 m的白岩尖山体内，山体挖空率较高，对地下洞室群整体围岩稳定非常不利。

为降低洞室群整体围岩稳定的技术风险，需探索地下厂房洞室群的空间优化布置方案，以尽量减小洞室数量、降低洞室群的整体规模、减小山体挖空率，以及合理优化主厂房内部布置、尽量减小主洞室开挖断面尺寸、降低工程技术风险。

2.2.4 洞室群大型块体快速搜索、精确定位及加固

三峡地下厂房厂区岩体主要为前震旦系闪云斜长花岗岩和闪长岩包裹体，岩体中发育有规模不等的软弱不利结构面。当洞室开挖成型后（或开挖过程中），必将导致一定的、规模大小不等的楔形块状岩体临空，成为不稳定或潜在不稳定块体，对其预测及处理不当会直接影响洞室群的施工安全及长期稳定性。因此，对洞周围岩块体的快速搜索及精确定位是该工程的研究难点，具体表现在以下3个方面：

（1） 采用何种技术手段查明洞周大型块体的空间分布及稳定性、为工程总体布置提供关键地质依据;

（2） 如何对开挖扰动后典型块体的稳定特性进行力学分析、科学模拟各种加固措施以指导围岩支护和优化支护设计，进而保障洞室工程施工安全;

（3） 如何根据主厂房分层分部开挖过程，动态追踪和修正大型块体边界条件、快速搜索并准确动态预测地下电站洞室围岩块体的分布及规模，以便及时指导支护设计。

2.2.5 大型岩锚吊车梁受拉锚杆应力控制及梁体稳定

岩锚梁浇筑时，一般洞室开挖高度不大于总高度的1/3，而在洞室下挖过程中，由于洞壁变形引起岩锚梁锚杆应力增加、且增加的应力大小无法准确估算，存在桥机投运前岩锚梁锚杆应力已接近或超过设计允许值的情况，对桥机运行造成安全隐患。传统岩锚梁设计时，受拉锚杆采用普通砂浆锚杆，具有后期無法对锚杆应力进行调节、梁体与竖向岩面间结合较差、锚杆应力超标或屈服后修复技术难度大等技术缺陷。

三峡水利枢纽地下电站发电机转子重2 000 t、最大轮压达108 t，两项指标均处于同期最高水平。采用传统的岩锚吊车梁设计理念将存在较大工程技术风险，甚至危及到后期桥机的运行及洞室群的稳定性，因此，该工程对岩锚梁设计提出了更高的要求。如何实现锚杆应力的可调节、避免锚杆应力超标、保证岩锚吊车梁在施工及运行期的稳定是该工程的研究重点之一。

2.2.6 洞室开挖施工过程控制与支护施工质量检测

地下工程地质条件变化多样。在施工开挖进程中，根据洞室围岩现场监测和测试成果进行反馈分析、动态调整与优化支护设计已成为完善和保证地下工程围岩稳定的重要方法。三峡水利枢纽地下电站建设同期的国内水电站地下洞室群开挖中真正做到全过程信息化反馈施工的很少。三峡水利枢纽地下电站洞室规模大、山体挖空率高、主洞室埋深浅、块体发育，洞室群开挖围岩稳定风险较大。因此，需要协调设计、施工、监测的多部门配合，有序安排施工、监测、反馈、设计优化的工作程序，并运用先进的洞群整体及关键块体反馈分析理论，真正实施全过程信息化施工。

支护施工质量监测是检验洞室群施工质量的有效手段。工程经验表明：由于检测技术的局限性，监控的系统性不强，有时甚至会出现误判，如在花岗岩地区，仅靠拉拔试验无法判定锚杆注浆的密实性。因此，研究开发先进的物探检测技术以监控地下电站开挖支护施工质量，是三峡水利枢纽地下电站建设关注的技术难点之一。

3 地下电站关键技术研究主要成果及创新点

3.1 主要成果

（1） 提出了硬质裂隙性岩体洞室稳定大型块体控制理论[6]，并以块体空间分布及稳定性作为大型地下厂房总体布置主要控制因素，为厂房总体布置设计提供了围岩稳定控制理论依据。

（2） 针对以往钻孔彩电技术方面存在的不足，发明了可调式钻孔电视成像仪的扶正补光装置、改善钻孔成像仪在浑水孔中观察效果的辅助装置等专利[7-8]。这些技术为改善勘察效果、更加准确分析判断结构面性状、产状、起伏特征等起到了关键作用。

（3） 研发了大型洞室仪测成像可视化地质编录新技术[9]，并应用于地下洞室施工地质编录，形成全洞室完整、高清晰的含地质线划图的各类洞室影像，为研究结构面性状及连通性、块体构成、围岩类别等提供了极为难得且永久性的地质资料。

（4） 研究完善了硬质裂隙性围岩洞室施工地质勘察思路、标准、方法。在综合分析前期勘察成果的基础上，利用大型洞室仪测成像可视化地质编录技术及通用三维岩石块体搜索与计算程序，并根据主厂房分层分部开挖过程，动态追踪和修正大型块体边界条件、及时预报较大规模随机块体，建立了一套地下工程标准化施工地质工作流程。该研究成果已编入水利水电工程施工地质勘察规程[10]。

（5） 通过进行岩石及结构面变形全过程及拉伸、拉剪及压剪等全正应力条件下的力学试验和剪切蠕变试验，揭示了复杂应力条件三峡地下电站岩体及结构面变形与强度的演化规律和蠕变时间效应特征，提出了基于变形全过程及全正应力条件试验的岩石力学特性研究方法。

（6） 提出根据“稳定拱”[11]确定洞室最小埋深的设计方法，为埋深不超过1倍洞跨的三峡水利枢纽地下电站主厂房开挖设计提供了理论基础，突破了现行规范的要求，为同类浅埋大型洞室群工程提供了工程经验和理论支撑。

（7） 研究采用“自动调压尾水洞”[12]技术，实现了竖向调压向横向调压的转变，取消了尾水调压室;采用“超长超高大电流封闭母线”技术，实现主变地面布置，取消了主变洞，提出了“单洞型布置”新技术，减少洞群规模近50%，规避了工程技术风险，确保浅埋、高挖空率下洞群围岩的整体稳定性。

（8） 为减小厂房跨度，提出对控制廠房跨度的机组蜗壳部位进行局部扩挖，形成“倒悬边墙”结构（图4），压缩了三峡地下厂房顶拱的跨度3 m，从而突破了蜗壳尺寸对厂房跨度的控制要求，降低了主厂房全断面开挖高度，规避了工程技术风险。

（9）基于应变能转移与平衡原理，对窄高型尾水管实施掏槽开挖，最大限度保留尾水管间的“原岩隔墩”（图5），有效降低了厂房全断面开挖高度、限制了边墙变形和底板回弹，改善了围岩及支护结构的应力状态，提高了洞室整体稳定性。

（10） 提出了受拉锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁设计[13-14]，克服了常规岩锚梁锚杆应力无法调节、存在应力超标、梁体岩壁结合差等突出技术问题，实现了锚杆应力的全过程控制。

（11） 提出了计算任意形状块体体积的解析方法、凹形块体角点的计算机识别方法以及不同载荷条件的块体稳定性分析方法。其中，计算任意形状的块体体积的解析方法——块体侧面有向投影柱体体积叠加法，已纳入新版《水工设计手册》基础理论卷[15]。

（12） 首次在地下厂房的关键块体稳定分析中，考虑岩体内部构造应力对关键块体切割结构面的法向挤压作用，提出了“二次应力法”关键块体分析理论[16-17]，使得工程加固设计更为经济合理。

（13） 针对多个地下厂房施工过程监测与反馈分析研究与实践，建立了以围岩变形速率、变形量级作为监控指标的地下厂房洞室围岩开挖响应期及非开挖响应期安全等级评价与控制标准，并提出了相应的动态调控对策。

（14） 建立了稳定性判别、围岩开挖卸荷过程力学行为动态仿真、支护结构精细模拟、施工期围岩动态反馈分析与调控为一体的地下洞室群围岩稳定的系统分析方法与监控体系[18-20]，为复杂条件下的大型地下厂房设计与施工提供了技术支撑和分析手段。

3.2 主要创新点

针对三峡水利枢纽地下电站实施所需解决的重大技术难点，在地质勘察、试验研究、稳定控制、设计理念等方面取得了一整套较为系统的创新成果，有效解决了地下电站洞室群建设中的关键技术难题，取得了显著的经济和社会效益。其主要创新点有：

（1） 首次提出大型地下电站主洞室“稳定拱”设计理论;研发了“倒悬边墙”结构与“二次应力法”块体加固等洞室稳定控制新技术;建立了地下厂房洞室围岩稳定的安全等级评价与控制标准;建成了国内外开挖断面尺寸最大、且最小埋深不足1倍跨度的地下厂房。

“稳定拱”设计理论在传统拱理论的基础上，区别于松散介质，对岩体介质中不同埋深、不同水平应力侧压系数下地下厂房洞室稳定性进行了系统研究，揭示了地下厂房“稳定拱”承载的力学机制，提出了“稳定拱”形成的力学条件;定义同时满足结构稳定和材料强度要求的围岩承载拱为“稳定拱”，提出了由洞室顶拱围岩的主应力分布及其矢量方向确定“稳定拱”，并根据“稳定拱”确定大型地下电站主洞室最小埋深的设计方法。

地下厂房“倒悬边墙”结构。在精细研究洞室围岩力学特性和应力分布的基础上，提出对控制厂房跨度的机组蜗壳部位边墙进行局部扩挖，形成倒悬形态，使其在满足机组布置和结构要求的同时，有效减小主厂房的整体开挖跨度，提高了洞室稳定性。

地下洞室大型块体“二次应力法”加固技术。考虑大型块体是洞室结构的有机组成部分，通过三维有限元数值分析，系统掌握厂房开挖施工过程中及开挖结束后围岩的应力状态 ，且在块体稳定计算时考虑结构面压应力的阻滑作用，简化锚固措施，解决了大型块体采用常规措施难以加固的难题，并设置专门的地应力测试孔验证了技术的可靠性。

地下厂房洞室围岩稳定安全等级评价与控制标准。针对地下厂房施工过程监测与反馈分析研究与实践，建立了以围岩变形速率、变形量级作为监控指标的地下厂房洞室围岩开挖响应期及非开挖响应期安全等级评价与控制标准;并提出了相应的动态调控对策，为地下厂房洞室稳定的有效控制、施工安全保障提供了新标准。

（2） 首次提出大型地下电站主洞室“单洞型布置”新技术，攻克了山体单薄条件布置大型地下电站的洞室稳定难题，降低了工程的技术难度，为提高大型地下电站洞室群整体稳定性开辟了新思路。

研发了自动调压尾水洞，实现了由竖向调压向横向调压的转变，取消了尾水调压室;采用超长超高大电流离相封闭母线新技术，实现主变压器布置在地面，取消了主变洞。将大型地下电站主洞室布置由传统的“三洞型”（即地下厂房、主变洞、尾水调压室）变为“单洞型”（仅地下厂房），减小了洞室群规模，降低了山体挖空率及对岩体的扰动，规避了工程技术风险，并节约工程投资，解决了单薄山体大型地下电站洞室群的整体稳定问题。

（3） 研发了重载岩锚吊车梁受拉锚杆应力全程动态可调技术，攻克了重载岩锚吊车梁结构安全技术难题。

常规岩锚梁受洞室围岩变形影响，部分受拉锚杆应力偏高甚至超过设计标准，且施工后无法调节，结构安全存在隐患。针对这一技术难题，在系统研究基础上，提出岩锚梁受拉锚杆采用后张部分预应力结构，利用螺母锁定梁体。在洞室开挖过程中和吊车梁运行条件下，综合分析应力、变形等监测成果，适时对锚杆应力进行调节，使岩锚梁受拉锚杆应力始终被控制在设计标准内;同时能够提高吊车梁的整体稳定性，使锚杆受力及梁体变形均匀，可加大锚杆间距以利于锚杆施工，并更有利于岩锚梁在高轮压、大悬臂情况下的推广。

（4） 结合三峡地下电站洞室浅埋、裂隙发育、潜在不利块体多的特点，研发了多项新技术，为裂隙性岩体的勘察、大型地下洞室开挖支护施工质量的全过程监控提供了技术保障。① 研发新设备，发展了钻孔彩电技术，为裂隙性岩体勘察提供了新手段：取得了可调式钻孔电视成像仪的扶正补光装置、改善钻孔成像仪在浑水孔中效果的辅助装置、钻孔电视探头的防雾保护装置3项专利，提高了钻孔电视的清晰度，改善了勘察效果，可更准确地分析判断结构面性状、产状及起伏特征。②  研究新方法，提出了地下洞室数字图像可视化地质编录新技术：取得了大型洞室仪测成像可视化地质编录方法、大断面地下洞室地质勘探数字图像采集和处理方法、小断面地下洞室数字图像采集和处理方法3项发明专利，实现了测量及数码技术与常规地质编录的完美结合，为获得更完整、高清、含地质线划图的各类洞室影像、便于资料的综合分析利用与永久保存提供了新方法。③ 研发物探新技术，为洞室开挖支护施工质量的全过程监控提供了技术保障：取得了全耦合干孔声波测试探头、带有快换接头的声波测井仪井内顶送杆、超磁致伸缩声波发射换能器及锚杆检测三分量传感器固定装置4项专利，推动了物探技术发展，增强了物探检测技术的实用性和应用范围，提高了地下洞室开挖支护施工质量检测监控的可靠度和精确度。

4 结 语

本文总结了三峡地下电站工程特点及难点、关键技术研究成果，这些成果解决了工程在设计、施工中存在的技术难题，保证了工程安全，缩短了工期，节约了投资，经济效益显著。经工程运行证明：该研究成果是科学有效的，在复杂条件大型地下电站建设中具有推广应用价值。

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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