武汉理工大学李新平教授团队：深埋特大地下洞室群岩体动力特性与开挖施工关键技术

随着我国经济的飞速增长，水电、交通、能源、矿山等行业均在向深部地下工程拓展，尤其是西南地区的大型水电工程建设，往往涉及大规模的深埋地下洞室群开挖。引水隧洞、主厂房、主变室、尾水闸门室、尾水调压井、母线洞、出线竖井、尾水隧洞等组成的洞室群，是地下式水电站的核心关键工程。目前，全世界已经有超过400座地下式水电站投入运行。在蕴含巨大水能资源的我国西南地区，装机容量高于100万kW 的巨型水电站均受限于陡峻的地形条件而设计为地下式发电厂房；地下洞室群具有复杂的空间结构和断面形状，开挖施工通常采用钻孔爆破方法。

进入21世纪以来，随着国家能源结构调整和水电资源开发不断深入，水电站埋深洞室群的规模也在不断刷新纪录。金沙江上游装机容量世界排名前十的白鹤滩水电站、溪洛渡水电站、乌东德水电站，在地下洞室单体最大跨度、高度、长度以及地下洞室群的开挖总长度、总方量等方面均处于世界领先水平，甚至世界首位，且包含岩锚梁、穹顶等开挖工艺复杂、质量要求严苛的高难度特殊部位，其总体开挖技术难度不言而喻。

大规模的深部岩体开挖，必然面临高地应力、高地温、高渗透压和强开挖扰动，即“三高一扰动”问题；大断面、长隧洞、高埋深的地下洞室群设计也难以避开节理裂隙岩体、断层破碎带等不良地质条件，更增大了爆破开挖施工的技术难度。炮孔炸药爆炸后对开挖部位近区的冲击破坏与中远区的振动作用，加深了围岩损伤程度，增大了变形量级，提高了失稳风险，极易出现围岩超欠挖、损伤圈过大、劈裂、片帮、环向拉裂、岩层错动、挤压片状碎裂等多种施工质量问题，甚至诱发塌方、岩爆等施工地质灾害，导致人员伤亡、设备损坏和工程停滞。

因此，亟须在充分认识水电站深埋地下洞室群爆破施工的损伤、变形与稳定机理的前提下，建立科学可靠的评估方法，构建以爆破振动安全判据和爆破开挖方法为主体的控制技术体系。

作为一名科研工作者，我非常荣幸能伴随我国水电事业的飞速发展开展长期系统的研究与应用工作，同时也非常荣幸能借《 》一书将十多年来在水电站深埋地下洞室群爆破施工方面的研究成果分享给读者。

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深埋特大地下洞室群岩体动力特性与开挖施工关键技术

李新平 等著

北京：科学出版社，2025. 6

(岩石力学与工程研究著作丛书)

作者团队基于白鹤滩水电站、溪洛渡水电站、乌东德水电站等特大型水电站深埋地下洞室群施工期间开展的研究工作，总结了岩体动静组合力学特性、洞室群爆破振动传播衰减规律、爆破安全精量化控制标准、岩体累积损伤与动力灾变特性、精量化爆破开挖施工工艺等方面的相关研究成果。具体包括以下研究内容：

一

通过对深埋大理岩试样开展不同围压下的加卸载试验，研究深部大理岩加卸载过程中的强度特征、变形特性及破坏形态，揭示深部裂隙的扩展规律，结合断裂力学理论推导裂隙岩体裂纹扩展的应力条件公式。结合裂隙饱和试样的渗流加卸载试验，建立渗透率与应力环境之间的演化方程，形成裂隙岩体渗流-应力-损伤耦合模型。

二

采用拉压真三轴仪对裂隙试样开展不同地应力条件下的常规三轴压缩试验和三轴拉压加载方式下的弹性波传播特性试验，研究了不同加载方式下深部裂隙岩体中弹性波波速、波幅的变化规律，揭示深部裂隙岩体的宏观损伤演化规律，建立基于宏观裂隙和细观裂隙耦合的深部裂隙岩体损伤本构模型。

三

考虑不同地应力、差应力以及节理角度和数量的影响，通过室内模型试验研究高地应力下节理岩体中爆炸应力波的传播规律，理论推导出地应力下应力波在节理岩体传播的波动方程，为深部地下工程在强动力扰动作用下的安全性评价提供一种新的思路和方法。

四

通过现场爆破振动测试和爆破振动数值模拟相结合的方法研究爆破振动对近距离、大断面地下洞室群的安全影响，揭示不同开挖区域下地下洞室群的邻洞放大效应、竖井以及高边墙的高程放大效应，为评价深部地下洞室群在爆破作用下的稳定性和安全控制提供决策依据。

五

基于自定义的损伤判别指标量构建动力损伤本构模型，同时体现压剪应力作用的影响。通过与现场实测数据进行比较，证明改进的动力损伤本构模型计算结果较为可靠。研究深部岩体开挖和动静力组合作用下围岩的损伤破坏特性，建立爆破开挖过程中爆炸荷载与围岩静载的动静力组合作用所诱发的围岩动力损伤破坏机理。

六

通过理论分析和数值模拟验证洞室边墙围岩块体受到爆破扰动时超低摩擦现象的存在，研究水平地应力、爆破扰动块体尺度与超低摩擦效应的量化关系。基于岩体松动效应的室内模拟试验与数值方法结合研究爆炸荷载和瞬态卸荷作用下结构面的张开现象和松动效应，并且由浅部问题向深部问题过渡，分析研究高地应力条件下爆炸荷载和开挖荷载引起的岩体松动效应，确定主要影响因素。研究结果在乌东德水电站工程的爆破损伤评估中得到了很好的验证和应用。

七

基于现场试验和数值模拟对地下工程的关键部分爆破控制展开研究，揭示了V形切槽光面爆破及预裂爆破的空孔效应以及成缝机理，结合时序控制理论，建立深部地下工程的关键部位(如岩锚梁)的精量化爆破控制方法。

该系列研究成果在三大世界级水电站的成功应用，确保了施工过程的优质高效与安全稳定，产生了巨大的经济效益和显著的社会效益，在深埋地下工程洞室群施工领域起到重要的引领和示范作用。

本书相关研究工作得到国家自然科学基金面上项目“深部裂隙岩体的加卸载力学特性与多场耦合模型研究”(50974100)、“深部高地应力下岩体动力特性与爆炸应力波传播规律研究”(51274157)、“强动力扰动下深部岩体断裂滑移型岩爆的产生机理与破坏效应”(51774222)、“深地下洞室群开挖诱发的节理岩体松动变形演化机理”(51779197)，青年科学基金项目“深埋地下厂房开挖瞬态卸荷诱发围岩位移突变机理”(51309183)、“含水充填节理的动力特性及其对剪切波传播影响研究”(51609183)，以及湖北省自然科学基金重点项目“中深部难动用矿产资源开采破坏作用机理及稳定性研究”(2015CFA136)的资助，试验研究工作得到山东科技大学、中国科学院武汉岩土力学研究所、总参工程兵科研三所、武汉大学等科研院校的大力支持，成果应用得益于中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司领导与现场技术人员的鼎力合作，在此表示感谢！

本文摘编自《深埋特大地下洞室群岩体动力特性与开挖施工关键技术》（李新平等著. 北京：科学出版社，2025. 6）一书“前言”“第1章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。

岩石力学与工程研究著作丛书

岩石力学与工程研究著作丛书涉及近年来我国围绕岩石力学学科的国际前沿、国家重大工程建设中所遇到的工程技术难题的攻克等方面所取得的主要创新性研究成果，包括深部及其复杂条件下的岩体力学的室内、原位实验方法和技术，考虑复杂条件与过程(如高应力、高渗透压、高应变速率、温度-水流-应力-化学耦合)的岩体力学特性、变形破裂过程规律及其数学模型、分析方法与理论，地质超前预报方法与技术，工程地质灾害预测预报与防治措施，断续节理岩体的加固止裂机理与设计方法，灾害环境下重大工程的安全性，岩石工程实时监测技术与应用，岩石工程施工过程仿真、动态反馈分析与设计优化，典型与特殊岩石工程(海底隧道、深埋长隧洞、高陡边坡、膨胀岩工程等)超规范的设计与实践实例，等等。

（本文编辑：刘四旦）

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