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地下洞室是处于复杂地质条件下的建筑工程，它受天然形成的地质状态和人工开挖操作影响很大。随着我国水电工程建设的蓬勃发展，出现了大量的地下洞室工程。在水能资源开发力度持续加大以及大型水电工程不断兴建的情况下，地下洞室的发展趋势呈现出：地下洞室断面尺寸越来越大、埋深也越来越深；洞室群规模越来越大、空间布置越来越复杂，洞室群间的相互影响大大增加。因此，对地下洞室工程的稳定性提出了更高的要求。同时，由于影响地下洞室岩体稳定性的各种地质条件的复杂性和难以预测性，使得地下洞室围岩稳定性成为当今地下工程建设中的一个主要问题。研究地下洞室群的岩体稳定性对指导其设计与施工具有重要的理论与工程应用价值。
大岗山地下厂房洞室属大型地下洞室群建筑物，是大岗山水电站施工过程中的关键环节。而大岗山区域地质构造背景复杂，岩体完整性较差，局部出露辉绿岩脉，构造型式以沿脉岩发育的挤压破碎带、断层和节理裂隙为特征。如何保障大岗山水电站地下洞室这种结构复杂的大型地下工程的安全施工和顺利投产，并尽量使地下工程的建设经济而合理，研究大岗山水电站地下洞室群岩体结构特征、进行工程岩体质量评价和分类、评价围岩应力重分布特征、研究围岩位移场状态、讨论洞室群之间的相互影响关系(群洞效应)、评价地下洞室围岩整体稳定性，进而确定经济合理的施工、支撑、衬砌方式等，是现在亟待深入研究并妥善解决的重要课题，在地下工程设计和施工阶段具有举足轻重的作用。
在此背景下，结合本人参与的国家电力公司成都勘测设计研究院委托中国地质大学(武汉)的研究课题“大岗山水电站地下厂房洞室施工地质及围岩稳定性研究”，以大岗山水电站地下洞室群为例，结合前人工作的成果，在对施工地质勘察原始资料整理和分析的基础上，详细研究了地下洞室群围岩的岩体结构特征；针对大岗山地区广泛发育辉绿岩脉以及由岩脉伴生的断层的地质特点，对现有围岩分类方案进行了细化和补充修正，提出了适用于大岗山地区及类似地区的围岩分类指标计算体系；基于地下洞室群的群洞效应，运用解析法研究了相邻洞室开挖后的应力及位移状态，探讨了相邻洞室相对大小和间距对围岩应力场、位移场分布的影响；最后，应用数值模拟技术，模拟了地下厂房洞室群分步开挖的应力、位移特征，评价围岩洞室群整体稳定性。论文的主要研究内容及研究方法如下：
(1)大岗山水电站地下洞室群围岩岩体结构特征研究
通过对大岗山水电站已有勘察资料的搜集、整理和施工地质阶段工程现场的勘察、测量以及原始地质资料的统计分析，对大岗山水电站地下洞室群区的岩体结构特征进行分析研究。主要包括辉绿岩脉建造、几何特征研究；断层结构面特征研究；裂隙结构面特征研究三个方面。
(2)大岗山水电站地下洞室群围岩分类研究
运用常用的围岩分类方法，即RMR分类、Q系统分类、HC分类和BQ分类，对大岗山水电站地下洞室群围岩进行平行分类，并对分类结果进行相关性分析，最后得出围岩的综合分类。根据综合分类结果和现场工程地质条件的吻合度情况，结合该地区广泛发育的、影响围岩稳定的辉绿岩脉及岩脉伴生断层的特点，本论文选择国标《工程岩体分级标准》(BQ分类)作为参照方案，对主要软弱结构面产状影响修正系数K2进行了细化和补充，增加了辉绿岩脉影响修正系数K4，提出了适合该工程的围岩分类计算指标[BO]dgs的计算公式，用以确定工程岩体的类别，并建立可视化计算程序，以便快速、方便的进行围岩分类。
(3)大岗山水电站地下洞室群围岩应力、位移场解析法研究
在求解群洞效应(本论文研究“双洞室效应”)问题的Volterra级数理论、复变函数方法、Schwarz交替法等理论研究的基础上，采用MATLAB7.1软件，编制计算机程序，对大岗山水电站地下厂房的“主厂房-主变室”双洞模型进行应力、位移的解析计算，得出其应力、应变规律，并将计算结果与单洞室条件下的求解结果进行比较分析。同时，基于双洞室理论计算方法，讨论相邻洞室的间距、相对半径大小对洞室群稳定的影响，通过计算，确定双洞情况下的最佳间距和最优半径比。
(4)大岗山水电站地下洞室群开挖数值模拟研究
运用ANSYS程序建立地下洞室群复杂的空间布置模型，并将模型导入FLAC3D中，再运用FLAC3D三维有限差分法技术模拟地下洞室群在不同开挖方案下的分步开挖过程，分析每步开挖后围岩的应力重分布特征及变形破坏趋势，进行群洞效应的影响分析。根据不同开挖顺序下地下洞室群围岩应力-应变特征和塑性区变化情况，确定大岗山地下洞室群的最优开挖顺序和方案，为设计、施工提供理论依据。
本论文通过系统的分析研究，得出的主要结论包括：
(1)工程区基性脉岩具有多期贯入特征，在大岗山水电站地下洞室群区辉绿岩脉中蚀变作用较为普遍，但普遍蚀变强度不大。辉绿岩脉与围岩接触关系主要为裂隙式接触。辉绿岩脉沿NWW向最发育，其次为NNE向和NNW向；大岗山水电站地下洞室群区Ⅲ级断层结构面一般都是沿岩脉发育，一般发育在岩脉的上下界面处或岩脉内部，构成围岩不稳定边界。Ⅲ级断层结构面规模不大，延伸长度一般在100～150m之间，宽度在10～50cm之间。Ⅲ级结构面以岩屑夹泥型结构面为主，沿NWW向最发育，其次为NNW向和NNE向；大岗山地下洞室群区Ⅳ级结构面宽度在1～10cm之间，延伸长度一般在20～80m之间。Ⅳ级结构面与Ⅲ级结构面不同，岩块岩屑型结构面所占比例最大，沿NWW向最发育，其次为NNE向和NNW向；地下洞室群区Ⅴ级裂隙结构面平均间距大多数分布在0.1～0.6m之间，裂隙的延伸长度主要为1.0～3.0m，裂隙连通率一般在0.2～0.8之间。Ⅴ级结构面在地下洞室群区有五组优势方位，其中以N70～88°W/SW∠70～85°、N10～20°E/NW∠65～75°为主，同时发育缓倾角结构面。地下厂房区无区域断裂切割，构造型式以沿脉岩发育的挤压破碎带、断层和节理裂隙为特征。
(2)通过运用RMR系统分类、Q系统分类、HC分类和BQ分类方法对大岗山水电站地下洞室群区的围岩进行平行分类，并对以上四种分类结果进行相关性分析，最终得出大岗山岩体质量综合类别，即：地下洞室群区围岩类别以Ⅱ类为主，占总段数的58％；Ⅲ类围岩占24％；Ⅳ类围岩占18％；未见Ⅰ类、Ⅴ类围岩。由于分类结果和实际围岩类别差异较大，本论文在BQ分类的基础上，对BQ分类体系中的主要软弱结构面产状影响修正系数K2进行进一步细化，提出了主要软弱结构面产状影响修正系数K2；同时考虑地下洞室群区辉绿岩脉发育的特点，增加了岩脉影响修正系数K4，提出大岗山水电站地下洞室群区工程岩体质量分类标准[BQ]dgs，[BQ]dgs值和现场实际类别吻合率达73％，大岗山水电站地下洞室群区围岩以Ⅲ类围岩为主，几条较破碎的岩脉为V类围岩。本论文还基于[BQ]dgs计算公式建立了可视化程序——“大岗山水电站地下洞室群围岩分类系统”。
(3)双洞模型下，对于主厂房而言，其围岩应力状态与单洞室条件下明显不同，由于受到相邻洞室的影响，应力大小与两个洞室的大小、间距等因素有关。对于主交室而言，由于受到主厂房的影响，洞壁应力值较大，且随着极坐标角度的变化，应力变化幅度较大，主要原因是主厂房半径大于两倍的主变室半径，且两洞室相距较近，两个洞室之间的相互影响强烈。而随着极坐标半径的增加，主厂房和主交室的径向位移有增加趋势，这是两个洞室引起的位移相互叠加的效果。
(4)FLAC3D有限差分数值分析结果表明：在洞室开挖过程中，水平向应力主要集中在洞室拱顶、有岩脉切割洞室处，以及连接洞侧壁处；竖直向应力主要集中在洞室拱顶及洞室下端的角点处，沿岩脉易发生不稳定滑移或崩塌现象。在洞室开挖过程中，水平向最大位移出现在三大洞室左右侧壁处，左右侧壁位移方向相反；竖直向最大位移主要出现在三大洞室的拱顶，以及连接洞上侧壁处。
对比拟定的三种开挖顺序方案，分步开挖完成后，相比较而言，若按方案一施工，洞室周边围岩应力、位移虽然较小，但是其第1步开挖仅开挖主厂房顶部，从施工工期角度考虑，耗时较长；方案二与方案三中，洞壁周边应力、位移分布相差不大，但是，由于方案三中第1步主厂房、主变室、尾调室顶部同时开挖，导致三大洞室之间岩墙中的应力、位移较方案二偏大，从安全、工期等角度综合考虑，应力分布和位移变化情况显示，方案二最优。再者，方案二的洞室群围岩中塑性区面积及塑性区体积相对较小，故开挖方案二略优于方案一和方案三。方案二毛洞开挖完成后，洞周围岩位移、围岩应力扰动范围和破坏区范围以及应力集中程度均较小，应力状态较优，且具有一定的超载安全储备，能够满足地下厂房洞室群围岩整体稳定要求。
(1)将岩脉作为围岩分类的影响因素之一，根据大岗山地下洞室群围岩中岩脉的发育特征，考虑将岩脉作为一种结构面，并对其进行强度修正、产状修正和与围岩接触关系的修正，提出辉绿岩脉影响修正系数K4；同时，对主要软弱结构面产状影响修正系数K2进行了细化和补充，建立了适合本工程的围岩分类计算指标[BQ]dgs。
(2)基于Volterra级数理论、复变函数方法、Schwarz交替法，提出了大岗山水电站地下洞室群的双洞计算模型，对双洞室的群洞效应进行了计算分析，得出了双洞相互影响的作用规律；研究了双洞模型中两洞室间距、相对半径大小对围岩稳定的影响，确定了双洞模型中两洞室的最佳间距和最佳相对半径大小，为地下洞室群的群洞效应研究提供了理论依据。