CN104989456A - 一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，包括：选择围岩监测断面，并布置断面监测点；分别安装围岩变形监测设备和应力监测设备；根据围岩不同稳定阶段的稳定性状况，运用围岩变形监测设备和应力监测设备，对不同开挖阶段的相应监测点的应力与位移进行监测；确定围岩开挖位移动力増载率η_i，以围岩开挖位移动力增载率作为围岩开挖稳定性评价参数，对围岩稳定性进行评价与预警。本发明有益效果：将地下洞室开挖围岩监测区应力变化参数及其相应的位移响应参数进行了有机耦合，该参数能够反映围岩稳定性随开挖施工的动态变化规律，可对未来开挖围岩变形发展规律与稳定性演化趋势进行分析与预测。

Description

一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法

技术领域

本发明涉及地下工程开挖围岩稳定性评价与监测预警领域，具体涉及提出一种运用地下工程围岩应力与位移的耦合监测对围岩稳定性进行评价与预警方法。

背景技术

地下工程是指伴随人类工程和生产活动而在地层中形成的地下空间工程，它主要包括地下采矿所形成的地下洞室、城市地下空间、水电地下洞室以及隧道等。随着经济的发展和社会的进步，特别随着地下空间的充分开发与利用，地下工程跨度与断面也越来越大，在地下工程施工中经常会出现围岩失稳与坍塌灾害，造成工期延误和巨大的生命财产损失。近些年来，围岩坍塌屡见不鲜。由于地下工程岩体结构的复杂性和多样性，使得人们对围岩稳定的认识遇到了很大障碍。因此，研究和确定适合大跨度地下工程围岩稳定性的监测与评价方法已经成为地下工程建设领域一个迫切需要研究的课题，也是地下工程减灾防灾所面临的首要任务。

目前已有的围岩稳定性分析方法较多，可以归纳为以下几种:解析法、数值分析法、工程地质类比法、模型试验方法等。解析法在进行围岩稳定性分析时，经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算，并能得出弹性解析解，由于围岩岩体的岩性、遭受的构造变动及次生变化的不均一性，导致了岩体结构的复杂性，且不同结构类型的岩体，其岩石类型、结构体和结构面的特征不同，岩体的工程地质性质与变形破坏机理也都不同。因此复杂结构围岩应力与位移变化的关系比较复杂，此时常常无法满足解析法的围岩稳定性分析与评价基本条件；数值分析方法可以分为很多种具体方法，如有限元法，DDA法，关键块体理论法、边界元法等。该类方法在某种程度上克服了解析法的不足与局限，并在地下洞室稳定性评价中具有较多的应用，取得了较好的效果，然而常规的有限元法由于方法本身的要求使得在解决非连续介质时不是很理想，而且该方法计算相对比较复杂，对围岩边界条件、本构关系要求比较严格，并受地质模型、简化的力学模型和力学参数的影响,“高精度”计算结果难做出“高准确”的评价；工程地质类比法是大型地下洞室群围岩稳定性一种定性和半定量评价方法，尤其在勘测资料较少的可行性研究阶段，更能发挥其作用。然而，用地质类比法分析围岩稳定性方法中包含参数较多，围岩岩性与结构的复杂性导致有些参数难以准确测定，给该种方法的评价造成一定的困难，且该方法由于缺少定量的分析，只能根据定性的理论和经验对围岩稳定性做出评价，评价结果太过经验化，尤其在一些重大地下工程或首次涉及到复杂地质条件的地下工程时，没有成功的案例借鉴，则无法运用该方法对围岩稳定性进行评价；模型试验方法模拟的是真实的物理实体，在基本满足相似原理条件下，能直观反映围岩支护体系各方面的变化和影响，然而物理模型试验具有周期长，成本高的特点，当需要多种开挖方案对比研究时，该方法因工作量大而难以实施。

因此，为了克服上述围岩稳定性评价方法存在的不足和局限性，本发明针对围岩破坏机理与位移动力作用规律，提出和建立了一种基于围岩应力和位移耦合监测数据对围岩进行稳定性评价及监测预警的方法。该方法可以在某种程度上克服上述传统围岩稳定性评价方法存在的不足和局限，在围岩稳定性评价与监测预警领域具有重要的应用价值。

发明内容

本发明目的是为了克服现有传统围岩稳定性力学分析与评价方法的不足与缺陷，提出了一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，包括以下步骤：

第一步：选择围岩监测断面，并布置断面监测点；

第二步：分别安装围岩变形监测设备和应力监测设备；

第三步：根据围岩不同稳定阶段的稳定性状况，运用围岩变形监测设备和应力监测设备，对不同开挖阶段的相应监测点的应力与位移进行监测；

第四步：根据实时监测数据，确定第i次开挖阶段完成后围岩相应监测点应力的增量Δσ_i与位移的增量ΔS_i以及围岩应力与位移增量的均值；

第五步：将地下洞室围岩第i阶段开挖后监测点位移增量均值与应力增量均值的比值定义为围岩开挖位移动力増载率η_i，以围岩开挖位移动力增载率作为围岩开挖稳定性评价参数，对围岩稳定性进行评价与预警。

本发明的上述方法将地下工程围岩应力与位移进行同时耦合监测与整合，将围岩开挖位移动力増载率η_i作为地下工程围岩应力与位移的耦合集成动力预测参数，并运用该参数对地下工程围岩的变形性质及稳定性进行评价及监测预警。

所述第一步中，围岩监测断面区分主要监测断面和辅助监测断面，在一个主监测断面附近布设至少1个辅助监测断面；围岩监测断面应选择在地下工程围岩地质条件较差、结构形式与受力状态比较复杂、可能产生变形破坏等具有代表性的关键部位。

监测点选择在围岩受力及预计变形较大的顶拱部位，并在开挖前在拱顶部位及其附近位置布置m组有代表性的监测点。

本发明中上述围岩监测断面和监测点的选择以及位置选择，能更好的反映围岩应力集中部位的应力与位移变化，是围岩变形破坏的代表性的关键部位，且易于监测。

所述第二步中，围岩变形监测设备包括精密水准仪、钢尺和测桩，测桩布置于监测点，作变形观测使用，钢尺吊挂在测桩下实现沉降距离观测，精密水准仪用于读钢尺下降高差。具体监测步骤为在拱顶及其附近监测点处布置带钩的测桩，吊挂钢尺，后视点设置在稳定的部位，运用精密水准仪进行观测。

所述第二步中，应力监测设备包括钢弦式压力盒，用于监测点围岩应力监测，布置在围岩周边位移量测的同一断面上，沿拱顶及其附近监测点处埋设钢弦式压力盒，将钢弦式压力盒埋设在围岩与喷射混凝土之间，并保证埋设的监测设备与监测断面岩体表层紧密结合。

根据本发明中围岩监测断面和监测点的布置，采用围岩变形监测设备和应力监测设备对地下工程围岩应力与位移分别进行监测。

所述第四步中，将初始导洞开挖阶段完成时的应力与位移监测值设定为初始值σ₀、S₀，第i次开挖阶段完成后的应力与位移监测值记为σ_i、S_i，确定第i次开挖阶段完成后围岩相应监测点应力的增量Δσ_i与位移的增量ΔS_i具体为：

Δσ_i＝σ_i-σ_i-1

ΔS_i＝S_i-S_i-1；

其中，σ_i、S_i分别为第i次开挖阶段完成后的应力与位移监测值；σ_i-1、S_i-1分别为第i-1次开挖阶段完成后的应力与位移监测值。

所述第四步中，将第i次开挖阶段完成后的第j组监测点的围岩应力与位移增量记为Δσ_ij、ΔS_ij，确定围岩应力与位移增量的均值具体为：

其中，m为监测点的组数。

所述第五步中，对开挖围岩稳定性进行监测预警的具体方法为：

当η_i为一常量时，表明开挖围岩处于稳定状态；当η_i增大时，则表明开挖围岩系统偏离稳态，处于不稳定状态；当η_i出现突变并趋于无穷大，表明开挖围岩处于即将失稳状态，i＝1,2,...,n-1,n。

判断η_i的突变值的具体方法为：

1)将监测点前n-1次监测的位移动力増载率序列(η₁，η₂……η_n-1)作为一个总体，并假设该总体近似服从正态分布，即X～N(u,σ²)；将η_n当作样本容量为1的特殊总体；

2)计算出(η₁，η₂……η_n-1)样本的平均值及样本标准差S；

3)假设η_n值为相对稳定值，则其与(η₁，η₂……η_n-1)样本同属一总体，由η_n计算得到统计量k；

4)将k值与查自由度为n-1的t分布表所得值进行比较，若k小于显著性水平α下的t检验值，则判断η_n为正常值，围岩处于相对稳定阶段；若k大于显著性水平α下的t检验值，则判断η_n为异常值，表明η_n已开始突变，判断此开挖阶段围岩即将失稳。

由η_n计算得到统计量k的方法为：

其中，和S分别为(η₁，η₂……η_n-1)样本的平均值及样本标准差。

本发明的理论依据与基本原理如下：

1)从损伤力学的角度看，开挖围岩的破坏过程就是岩体的变形损伤演化过程。根据弹塑性理论基本原理，材料在弹性变形阶段和近弹性变形阶段内，开挖所导致的围岩应力σ与应变ε的变化成线性关系，此阶段内应力变化量Δσ与应变变化量Δε的比值为定值，即弹性变形模量E₀。随着材料进入塑性不稳定变形阶段，围岩应力σ与应变ε关系则成非线性关系，此阶段围岩应力变化量Δσ与应变变化量Δε的比值不再是一个定值，而是一个变量，而且随着围岩应力Δσ的增大和材料塑性损伤的不断发展，其相应应变响应的变化量Δε也呈现非线性增大，因此其围岩应变变化Δε与应力变化Δσ的比值将出现非线性增大；当围岩材料达到峰值强度后，即在材料完全破坏时，其应变变化Δε与应力变化Δσ的比值将出现突变，即无穷大。

基于上述基本原理，本专利将围岩的位移变化ΔS与相应应力变化Δσ的比值定义为位移动力増载率η，即：以围岩位移动力增载率η作为其稳定性评价参数，对其稳定性进行评价与预测，即当η为一常量时，表明围岩处于稳定状态；当η增大时，则表明围岩系统偏离稳态，围岩处于不稳定发展阶段；当η出现突变并趋于无穷大，表明围岩处于失稳状态。

2)根据统计学t-检验法原理，本发明提出η的突变值判别方法如下：根据t-检验法基本原理，当标准差事先未知、样本容量又较小时，需利用待检验的一组观测值本身来估计标准差。t-检验法是将可疑测值X_d以外的其余测值当做一个总体，并假设该总体服从正态分布，即X～N(u，σ²)。将X_d当做一个样本容量为1的特殊总体。如果X_d与其余的测值之间同属于一个总体，则它与其余的测值之间就没有显著性的差异。

基于该原理，本专利在前n-1次监测数据正常范围基础上，提出将监测点前n-1次监测的位移动力増载率序列(η₁，η₂……η_n-1)作为一个总体，并假设该总体近似服从正态分布，即X～N(u,σ²)；将η_n当作样本容量为1的特殊总体。如果η_n在正常稳定值范围内，则它与(η₁，η₂……η_n-1)样本之间不应有显著性差异；如果η_n为异常突变值，则它与(η₁，η₂……η_n-1)样本之间具有显著性差异。

本发明的有益效果是：

本发明将地下洞室开挖围岩监测区应力变化参数及其相应的位移响应参数进行了有机耦合，该参数是一种动态的可实施实时监测的稳定性监测预警与评价参数；且该参数能够反映围岩稳定性随开挖施工的动态变化规律，运用该参数可对未来开挖围岩变形发展规律与稳定性演化趋势进行分析与预测。同时，该参数又有统一失稳与监测预警判据，能够通过监测为地下工程开挖围岩稳定性的预测预报和防治提供有效的科学依据。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为监测点布置示意图；

图3为位移监测设备布置示意图；

图4为应力监测设备布置示意图；

其中，1，2，3......n分别代表第i次开挖阶段。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

本实施例以某金属矿山巷道围岩为例对本发明内容进行详细说明，该金属矿山巷道围岩的地质情况已经查明，具备此发明应用条件。

应当理解，本发明所涉及的重点在于对地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法的改进，对其中的围岩变形监测设备和应力监测设备，比如精密水准仪、钢尺、测桩和钢弦式压力盒等，在满足设备运行可靠性的情况下，本领域技术人员应知其具体的安装方法和使用方法，因此，本申请中仅对围岩变形监测设备和应力监测设备的具体设置位置进行限定，本申请中对其做的其他简要说明，本领域技术人员根据相关技术容易确知。

如图1所示，一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，包括以下步骤：

第一步：围岩监测断面及监测点的布置

围岩监测断面应选择在地下工程围岩地质条件较差、结构形式与受力状态比较复杂、可能产生变形破坏等具有代表性的关键部位；并且区分主要监测断面和辅助监测断面，在一个主监测断面附近布设2个辅助监测断面；监测点选择在围岩受力及预计变形较大的顶拱及其附近部位，并在开挖前在拱顶部位布置3组有代表性的监测点，每组位移监测点布置在应力监测点的邻近位置。其断面监测点布置见图2。

第二步：监测仪器的选择与布置

监测设备选用钢弦式压力盒，精密水准仪、钢尺及测桩。其中，围岩变形监测设备包括精密水准仪、钢尺和测桩，测桩布置于监测点，作变形观测使用，钢尺吊挂在测桩下实现沉降距离观测，精密水准仪用于读钢尺下降高差。如图3所示，在拱顶及其附近监测点处布置带钩的测桩，吊挂钢尺，后视点设置在稳定的部位，运用精密水准仪进行观测。

如图4所示，应力监测设备包括钢弦式压力盒，用于监测点围岩应力监测，布置在围岩周边位移量测的同一断面上，沿拱顶及其附近监测点处埋设钢弦式压力盒，将钢弦式压力盒埋设在围岩与喷射混凝土之间，并保证埋设的监测设备与监测断面岩体表层紧密结合。

第三步：围岩应力与位移增量的实时监测及监测数据处理

1)围岩应力与位移增量的实时监测

在大跨度地下工程开挖的过程中，地下洞室围岩稳定性状况将随着断面的变化而发生变化。根据围岩不同稳定阶段的稳定性状况，并运用围岩应力与位移监测设备，对不同开挖阶段的相应监测点的应力(σ)与位移(S)进行监测，并记录监测数据。将初始导洞开挖阶段完成时的应力与位移监测值设定为初始值σ₀、S₀,随后第i次开挖阶段完成后的应力与位移监测值记为σ_i、S_i，监测值记录于表1并根据相应实时监测数据，按式(1)、(2)确定第i次开挖阶段完成后围岩相应监测点应力的增量Δσ_i与位移的增量ΔS_i,记录数据于表2。

Δσ_i＝σ_i-σ_i-1     (1)

ΔS_i＝S_i-S_i-1       (2)

表1 各组监测点位移与应力实时监测数据表

2)围岩应力与位移增量均值的确定

将第i次开挖阶段完成后的第j组监测点的围岩应力与位移增量记为Δσ_ij、ΔS_ij,根据式(3)、(4)确定围岩应力与位移增量的均值，记录于表2：

表2 各组监测点位移与应力增量值及平均值计算表

第四步：围岩开挖位移动力增载率参数的确定

根据公式(5)计算监测点各开挖阶段完成后的位移动力増载率η，记录在表3：

表3：各开挖阶段完成后的位移动力増载率η

η1	η2	η3	η4	η5	η6	η7	η8
								0.86	1.36	1.67	2.13	2.39	2.88	3.25	5.02

第五步：开挖围岩稳定性评价与监测预警判据的确定

根据弹塑性力学基本原理及数理统计理论,建立围岩稳定性判据:

1)将监测点前7次监测的位移动力増载率序列(η₁，η₂……η₇)作为一个总体，并假设该总体近似服从正态分布，即X～N(u,σ²)；将η₈当作样本容量为1的特殊总体。

2)根据公式(6)及公式(7)计算出(η₁，η₂……η₇)样本的平均值及样本标准差S＝0.84。

把η₈代入式(5)计算得到统计量k:

3)查t分布表，得到自由度n＝7时显著性水平α＝0.05下的t检验值为1.895，k>1.895，判断η₈为异常值，表明η₈已开始突变，第8次开挖阶段完成后围岩失稳即将发生。此时应及时预警并采取支护措施加强围岩支护。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步：选择围岩监测断面，并布置断面监测点；

第二步：分别安装围岩变形监测设备和应力监测设备；

第三步：根据围岩不同稳定阶段的稳定性状况，运用围岩变形监测设备和应力监测设备，对不同开挖阶段的相应监测点的应力与位移进行监测；

第四步：根据实时监测数据，确定第i次开挖阶段完成后围岩相应监测点应力的增量Δσ_i与位移的增量ΔS_i以及围岩应力与位移增量的均值；

第五步：将地下洞室围岩第i阶段开挖后监测点位移增量均值与应力增量均值的比值定义为围岩开挖位移动力増载率η_i，以围岩开挖位移动力增载率作为围岩开挖稳定性评价参数，对围岩稳定性进行评价与预警。

2.如权利要求1所述的一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，其特征是，所述第一步中，围岩监测断面区分主要监测断面和辅助监测断面，在一个主监测断面附近布设至少1个辅助监测断面；

监测点选择在围岩受力及预计变形较大的顶拱部位，并在开挖前在拱顶部位及其附近位置布置m组有代表性的监测点。

3.如权利要求1所述的一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，其特征是，所述第二步中，围岩变形监测设备包括精密水准仪、钢尺和测桩，在拱顶及其附近监测点处布置带钩的测桩，吊挂钢尺，后视点设置在稳定的部位，运用精密水准仪进行观测。

4.如权利要求1所述的一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，其特征是，所述第二步中，应力监测设备包括钢弦式压力盒，布置在围岩周边位移量测的同一断面上，沿拱顶及其附近监测点处埋设钢弦式压力盒，将钢弦式压力盒埋设在围岩与喷射混凝土之间，并保证埋设的监测设备与监测断面岩体表层紧密结合。

5.如权利要求1所述的一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，其特征是，所述第四步中，将初始导洞开挖阶段完成时的应力与位移监测值设定为初始值σ₀、S₀，第i次开挖阶段完成后的应力与位移监测值记为σ_i、S_i，确定第i次开挖阶段完成后围岩相应监测点应力的增量Δσ_i与位移的增量ΔS_i具体为：

Δσ_i＝σ_i-σ_i-1

ΔS_i＝S_i-S_i-1；

其中，σ_i、S_i分别为第i次开挖阶段完成后的应力与位移监测值；σ_i-1、S_i-1分别为第i-1次开挖阶段完成后的应力与位移监测值。

6.如权利要求1所述的一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，其特征是，所述第四步中，将第i次开挖阶段完成后的第j个监测点的围岩应力与位移增量记为Δσ_ij、ΔS_ij，确定围岩应力与位移增量的均值具体为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_i=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\Δ\σ}}_{ij}}{m}$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{S}}_i=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\ΔS}}_{ij}}{m};$

其中，m为监测点的组数。

7.如权利要求1所述的一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，其特征是，所述第五步中，对开挖围岩稳定性进行监测预警的具体方法为：

当η_i为一常量时，表明开挖围岩处于稳定状态；当η_i增大时，则表明开挖围岩系统偏离稳态，处于不稳定状态；当η_i出现突变并趋于无穷大，表明开挖围岩处于即将失稳状态，i＝1,2,...,n-1,n。

8.如权利要求7所述的一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，其特征是，判断η_i的突变值的具体方法为：

1)将监测点前n-1次监测的位移动力増载率序列(η₁，η₂……η_n-1)作为一个总体，并假设该总体近似服从正态分布，即X～N(u,σ²)；将η_n当作样本容量为1的特殊总体；

2)计算出(η₁，η₂……η_n-1)样本的平均值及样本标准差S；

3)假设η_n值为相对稳定值，则其与(η₁，η₂……η_n-1)样本同属一总体，由η_n计算得到统计量k；

4)将k值与查自由度为n-1的t分布表所得值进行比较，若k小于显著性水平α下的t检验值，则判断η_n为正常值，围岩处于相对稳定阶段；若k大于显著性水平α下的t检验值，则判断η_n为异常值，表明η_n已开始突变，判断此开挖阶段围岩即将失稳。

9.如权利要求8所述的一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，其特征是，由η_n计算得到统计量k的方法为：

$k=\frac{\left|{\mathrm{\η}}_n-\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}\right|}{S}$

其中，和S分别为(η₁，η₂……η_n-1)样本的平均值及样本标准差。