CN110595887B - 一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法，对工程区域岩质类型判别为硬岩、大跨度且浅埋地下洞室，以地下洞室顶拱上覆岩体整体安全系数和围岩扰动强度应力比DSSR、地下洞室超万m3的大型关键块体安全系数作为主要量化评价指标；长大结构面走向应与主洞室轴线呈大角度相交；采用数值方法计算得到地下洞室开挖后的围岩扰动强度应力比，量化最大水平主应力方向应与主洞室轴线方向的夹角；采用强度折减法量化地下洞室顶拱到地表之间的上覆岩体整体稳定性；采用块体理论量化地下洞室超万m3的大型关键块体稳定性。本发明比传统方法更为科学、完善、指标明确、易于实施，能够降低施工风险，提高地下洞室群的整体稳定性。

Description

一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法
技术领域
本发明涉及地下洞室成洞条件分析方法技术领域，具体地指一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法，适用于以硬脆性岩石为主的浅埋大跨度地下洞室围岩稳定性分析，提供了一种有效的定量化评估方法，从而能够获得量化的地下洞室成洞条件判断数据，有利于地下洞室围岩稳定，确保施工安全。
背景技术
随着我国社会、经济快速发展，在水电、能源、国防、城市建设等诸多领域，如水利枢纽地下电站、地下油库、地下机库、地下场馆等大跨度地下工程得到广泛应用。受场地条件制约，有相当部分的大跨度地下工程不得不布置在浅埋的硬岩环境当中。
人们对深埋洞室的研究较为深入，已经取得了很多成果，但对浅埋洞室成洞条件的研究成果却相对较少。由于浅埋洞室必须考虑地形边界以及埋深对稳定性的影响，其围岩应力情况比深埋洞室更为复杂。在浅埋地层开挖地下洞室时，首先要考虑洞顶覆盖层的厚度，即洞顶以上应留有足够厚度的新鲜岩体，以便顶拱能够自承成拱。如果洞室上覆岩体厚度不足且地应力水平不利时，顶拱易遭受破坏而不能成洞。此外，对于浅埋地下洞室，围岩中各类结构面较为发育，块体失稳也是一种常见的破坏模式，其破坏深度和体积主要受岩体结构控制。
目前相关的规程规范及工程经验，一般仅考虑地应力大小和方位、结构面产状等因素对地下洞室成洞条件的影响，对浅埋地下洞室特有的如何确定上覆岩体厚度及其安全性、工程区域地应力场空间分布、地下洞室关键块体的安全性等对成洞影响很大的因素均未考虑。常用的围岩分类及工程类比、参照规范、地质力学模型试验等评价方法在浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件的评价中多是以定性方式出现，多为单一方法或单一指标在成洞条件评价方面的应用，缺乏全面性和代表性。
针对传统地下洞室成洞条件评价存在的不足，有必要提出一种更为科学和完善的浅埋大跨度地下洞室成洞条件量化评价方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，而提出的一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法，更为科学和完善，并能够降低施工风险，提高地下洞室群的整体稳定性。
为实现上述目的，本发明所设计的一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：对工程区域进行原位地应力测试；
步骤2：在地应力测试部位钻取岩芯，对岩芯进行岩石饱和单轴压缩试验；
步骤3：判别洞室为硬岩、大跨度且浅埋的大型地下洞室则前往步骤4，否则流程结束；
步骤4：根据工程规模进行相应的工程地质勘察工作，查明工程区域内主要结构面的产状和性状。考虑工程区域内岩体主要结构面走向与主体洞室轴线呈较大角度相交，夹角一般应不小于45°。
步骤5：通过三维数值方法计算地下洞室开挖后的应力场和围岩扰动强度应力比，首先通过围岩扰动强度应力比判断地下洞室成洞条件。当围岩扰动强度应力比DSSR≥2.0时，洞室成洞条件好；当DSSR＜2.0时，洞室成洞条件差，需要调整最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角不大于35°；
步骤6：采用强度折减法计算开挖完成后地下洞室大跨度顶拱到地表之间的上覆岩体整体稳定性安全系数K1，接着采用地下洞室大跨度顶拱上覆岩体整体稳定性安全系数判断地下洞室成洞条件；当地下洞室大跨度顶拱上覆岩体整体稳定性安全系数K1不小于2.0时，地下洞室成洞条件好；否则，当K1小于2.0时，洞室成洞条件较差，需要增大地下洞室埋深；
步骤7：采用基于全空间赤平投影的块体稳定性分析方法计算地下洞室超万m3的大型关键块体安全系数，最后采用地下洞室超万m3的大型关键块体安全系数判断地下洞室成洞条件；当洞室顶拱大型块体安全系数K2不小于2.0，且边墙大型块体安全系数K3不小于1.5时，地下洞室成洞条件好；否则，地下洞室成洞条件差，需对安全系数不满足要求的块体计算所需支护力。
优选地，所述步骤3中所述判别洞室为硬岩、大跨度且浅埋的大型地下洞室，其判别标准为岩石饱和单轴抗压强度大于60MPa、主洞室开挖跨度大于20m且最大跨度主洞室顶拱上覆岩体厚度小于洞室上覆岩体自重和重度比值的2～2.5倍。
优选地，所述步骤5中采用有限元或有限差分法计算洞室开挖后的应力分布，由公式
Figure BDA0002198969810000031
得到围岩扰动强度应力比的大小及分布情况，式中，σc为单轴抗压强度，σ1为围岩扰动第1主应力，σ3为围岩扰动第3主应力。
优选地，所述步骤6中强度折减法计算开挖完成后地下洞室大跨度顶拱到地表之间的上覆岩体整体稳定性安全系数K1，所采用的强度折减法为基于
Figure BDA0002198969810000032
不等式的强度折减法，地下洞室大跨度顶拱上覆岩体整体安全系数K1是利用计算得到的岩体塑性耗散能信息熵与强度折减系数曲线上突变点或者顶拱和地表相对位移差与强度折减系数曲线上突变点获得。
优选地，所述步骤7中采用块体稳定性分析方法计算地下洞室超万m3的大型关键块体安全系数，所采用的块体稳定性分析方法为基于全空间赤平投影的块体稳定性分析方法，地下洞室大型滑移运动的关键块体安全系数K2和K3的计算公式为
Figure BDA0002198969810000041
式中的n代表块体沿结构面滑动的个数，对于单一结构面滑动模式，n＝1；对于双结构面滑动模式，n＝2；Ni表示为块体所受合力在第i个结构面法向上的分量，T表示为块体所受合力在滑动方向上的分量，Si为块体第i个滑动结构面的面积；fi和ci分别表示为块体第i个滑动结构面的摩擦系数和粘聚力。
与现有设计方法相比，本发明提出了一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法，通过原位地应力测试获得工程区域主应力值和方位；利用获得的岩石饱和单轴抗压强度进行硬岩判断；利用主洞室开挖跨度值及最大跨度主洞室顶拱上覆岩体厚度小于洞室上覆岩体自重和重度比值进行大跨度浅埋划分；对于浅埋硬岩大跨度地下洞室布置设计，考虑地下洞室顶拱稳定性、岩体结构面及地应力的影响，且以地下洞室顶拱上覆岩体整体安全系数和围岩扰动强度应力比DSSR、地下洞室超万m3的大型关键块体安全系数作为量化评价的主要指标；长大结构面走向应与主洞室轴线呈大角度相交；采用数值方法计算得到地下洞室开挖后的围岩扰动强度应力比，根据判断标准，量化最大水平主应力方向应与主洞室轴线方向的夹角；采用强度折减法量化地下洞室顶拱到地表之间的上覆岩体整体稳定性；采用块体理论量化地下洞室超万m3的大型关键块体稳定性。本发明全面考虑了影响浅埋硬岩大跨度地下洞室成洞条件的主要因素，本方法比传统方法更为科学、完善、指标明确、易于实施，能够降低施工风险，提高地下洞室群的整体稳定性。
附图说明
图1为本发明一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法的流程图。
图2为本发明中地下洞室开挖后围岩扰动强度应力比的大小及其分布情况。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法的实施步骤如下：
步骤1：在初步拟定的地下洞室布置区域内通过现场勘探平硐选取典型部位进行原位地应力测试，采用三维水压致裂法对工程区域进行原位地应力测试，本例中地应力测试方法为三维水压致裂法，获取测点主应力量值、方位角。地应力测点数量应不少于4点。
步骤2：在地应力测试部位钻取岩芯，将岩芯加工成直径和高度比为1:2的圆柱形岩样圆柱形岩样，并确保岩样的完整性和均质性。采用滚珠丝杆与液压伺服联合控制的刚性试验机进行单轴压缩试验，获得岩石饱和单轴抗压强度σc。
步骤3：根据单轴压缩试验得到的岩石饱和单轴抗压强度值对工程区域岩质类型进行划分，岩石饱和单轴抗压强度大于60MPa为硬岩。
步骤4：对主洞室开挖跨度大于20m的划分为大跨度地下洞室。
步骤5：最大跨度主洞室顶拱上覆岩体厚度小于洞室上覆岩体自重和重度比值的2～2.5倍的划分为浅埋地下洞室。
步骤6：根据工程规模进行相应的工程地质勘察工作，查明工程区域内主要结构面的产状和性状。考虑工程区域内岩体主要结构面走向与主体洞室轴线呈较大角度相交，夹角一般应不小于45°。
步骤7：对于浅埋硬岩大跨度地下洞室成洞条件量化评价，综合考虑地下洞室顶拱稳定性、岩体结构面及地应力的影响，且以地下洞室顶拱上覆岩体整体安全系数和围岩扰动强度应力比DSSR、地下洞室超万m3的大型关键块体安全系数作为量化评价的主要指标。
步骤8：根据以上步骤设计地下洞室布置方案，建立三维数值模型，采用有限元或有限差分法计算洞室开挖后的应力分布，由公式
Figure BDA0002198969810000061
可以得到围岩扰动强度应力比的大小及分布情况，式中，σ1为围岩扰动第1主应力，σ3为围岩扰动第3主应力。通过对硬岩破坏特性开展的大量岩石力学试验得到启裂强度一般统计值为0.5倍岩石单轴饱和抗压强度，故取2.0作为发生应力破坏判别值。当DSSR≥2.0时，洞室围岩稳定性较好，不需要调整最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角；当DSSR＜2.0时，洞室围岩会出现应力破坏，最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角应不大于35°。
以某工程地下厂房为工程背景，针对浅埋硬岩大跨度地下厂房主洞室成洞条件量化评价，采用三维数值分析方法，计算得到地下洞室开挖后围岩扰动强度应力比DSSR的大小及其分布情况。主厂房围岩DSSR值均大于2.0，洞室成洞条件较好，计算得到的结果与实际施工过程未出现应力破坏相吻合。根据计算结果，该工程地下厂房最大水平主应力方向不需要调整。
步骤9：依据拟定地下洞室布置方案后，建立三维数值模型，采用有限元或有限差分法模拟洞室开挖，采用基于
Figure BDA0002198969810000062
不等式的强度折减法计算开挖完成后地下洞室大跨度顶拱到地表之间围岩整体稳定性安全系数K1，利用计算得到的岩体塑性耗散能信息熵与强度折减系数曲线上突变点或者顶拱和地表相对位移差与强度折减系数曲线上突变点即为地下洞室大跨度顶拱上覆岩体整体安全系数K1，该整体安全系数应不小于2.0，对于安全系数不满足要求的需适当增大地下洞室埋深。
步骤10：采用基于全空间赤平投影的块体稳定性分析方法计算关键块体安全系数，对于超万m3的大型块体，地下洞室顶拱大型块体安全系数K2应不小于2.0，边墙大型块体安全系数K3应不小于1.5，对安全系数不满足要求的块体计算所需支护力。根据块体滑移运动模式，大型块体安全系数K2和K3的计算公式为
Figure BDA0002198969810000071
式中的n代表块体沿结构面滑动的个数，对于单一结构面滑动模式，n＝1；对于双结构面滑动模式，n＝2；Ni表示为块体所受合力在第i个结构面法向上的分量，T表示为块体所受合力在滑动方向上的分量，Si为块体第i个滑动结构面的面积；fi和ci分别表示为块体第i个滑动结构面的摩擦系数和粘聚力。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：对工程区域进行原位地应力测试；
步骤2：在地应力测试部位钻取岩芯，对岩芯进行岩石饱和单轴压缩试验；
步骤3：判别洞室为硬岩、大跨度且浅埋的大型地下洞室则前往步骤4，否则流程结束；
步骤4：考虑工程区域内岩体主要结构面走向与主体洞室轴线呈较大角度相交，夹角不小于45°；
步骤5：通过三维数值方法计算地下洞室开挖后的应力场和围岩扰动强度应力比，首先通过围岩扰动强度应力比判断地下洞室成洞条件，当围岩扰动强度应力比DSSR≥2.0时，洞室成洞条件好；当DSSR<2.0时，洞室成洞条件差，需要调整最大水平主应力方向与主洞室轴线夹角不大于35°；
步骤6：采用强度折减法计算开挖完成后地下洞室大跨度顶拱到地表之间的上覆岩体整体稳定性安全系数K1，接着采用地下洞室大跨度顶拱上覆岩体整体稳定性安全系数判断地下洞室成洞条件；当地下洞室大跨度顶拱上覆岩体整体稳定性安全系数K1不小于2.0时，地下洞室成洞条件好；否则，当K1小于2.0时，洞室成洞条件较差，需要增大地下洞室埋深；
步骤7：采用基于全空间赤平投影的块体稳定性分析方法计算地下洞室超万m3的大型关键块体安全系数，最后采用地下洞室超万m3的大型关键块体安全系数判断地下洞室成洞条件；当洞室顶拱大型块体安全系数K2不小于2.0，且边墙大型块体安全系数K3不小于1.5时，地下洞室成洞条件好；否则，地下洞室成洞条件差，需对安全系数不满足要求的块体计算所需支护力。
2.根据权利要求1所述的一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法，其特征在于：所述步骤3中判别洞室为硬岩、大跨度且浅埋的大型地下洞室，其判别标准为岩石饱和单轴抗压强度大于60MPa、主洞室开挖跨度大于20m且最大跨度主洞室顶拱上覆岩体厚度小于洞室上覆岩体自重和重度比值的2～2.5倍。
3.根据权利要求1所述的一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法，其特征在于：所述步骤5中采用有限元或有限差分法计算洞室开挖后的应力分布，由公式
Figure FDA0002710390130000021
得到围岩扰动强度应力比的大小及分布情况，式中，σc为单轴抗压强度，σ1为围岩扰动第1主应力，σ3为围岩扰动第3主应力。
4.根据权利要求1所述的一种浅埋硬岩大型地下洞室成洞条件量化评价方法，其特征在于：所述步骤7中采用块体稳定性分析方法计算地下洞室超万m3的大型关键块体安全系数，所采用的块体稳定性分析方法为基于全空间赤平投影的块体稳定性分析方法，地下洞室大型滑移运动的关键块体安全系数K2和K3的计算公式为
Figure FDA0002710390130000022
式中的n代表块体沿结构面滑动的个数，对于单一结构面滑动模式，n＝1；对于双结构面滑动模式，n＝2；Ni表示为块体所受合力在第i个结构面法向上的分量，T表示为块体所受合力在滑动方向上的分量，Si为块体第i个滑动结构面的面积；fi和ci分别表示为块体第i个滑动结构面的摩擦系数和粘聚力。
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