CN110847969B - 一种适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法 - Google Patents

一种适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及交通、水利、水电等行业中岩体条件下的地下洞室群开挖技术领域,尤其涉及一种适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法。本发明提供一种能考虑岩体质量、洞群效应、监测时机等因素影响下地下洞室群的变形分级预警指标的确定方法,主要是以能够反映岩体质量特征和物理力学特征的地质强度指标GSI为基础,并根据监测仪器的埋设时机,埋设位置,通过数值分析手段对地下洞室群不同部位监测点分别建立三级变形预警指标并对稳定性进行评估,通过该方法确定的变形预警指标还可以根据后续的反演分析成果进行动态调整,从而实现对整个地下洞室群不同部位、各个施工阶段的变形进行分级预警。

Description

一种适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定 方法
技术领域
本发明涉及交通、水利、水电等行业中岩体条件下的地下洞室群开挖技术领域,尤其涉及一种适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法。
背景技术
当前随着我国经济的发展,随着基础设施的进一步新建,对地下洞室空间的建设需求和结构使用也提出新的要求,特别是对其规模和空间的要求越来越大,地下空间逐渐向深埋、大跨度和规模化洞室群的方向进一步发展。在地下洞室的建设中,变形监测数据的分析是保证地下结构稳定、确保安全施工的最直观和最重要的手段。岩体地下工程中,岩体力学特征和地质条件的复杂性、初始地应力场的非均一性以及洞群之间的相互干扰等均是影响地下洞室开挖变形响应的重要因素,岩体变形开挖响应很难准确的进行预测。因此,针对地下洞室群如何根据相关信息建立一个相对合理的变形分级预警指标,再根据开挖过程中实际监测变形和建立的分级变形预警指标来评估地下洞室群的稳定性,对确保洞室稳定、支护结构和施工人员设备安全显得非常重要,针对地下洞室群如何建立这一分级变形预警指标到目前为止没有一个准确的定论。
发明内容
本发明的目的在于,针对现有技术中存在的不足,提供一种能考虑岩体质量、洞群效应、监测时机等因素影响下地下洞室群的变形分级预警指标的确定方法。
为此,本发明的上述目的通过以下技术方案来实现:
一种适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法,所述适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法包括如下步骤:
(1)根据需要分析的地下洞室群的几何特征、开挖分序分层,建立该地下洞室群的三维数值分析模型;该三维数值分析模型需要考虑主要洞室群及其存在相互交叉影响的周边洞室,按照施工组织方案对各洞室进行分层分区,形成不同的开挖分步;模型边界范围需要消除边界约束条件对洞室群开挖的影响,边界距离洞室开挖面的距离一般取5倍洞室直径(宽度);并根据地质条件对围岩进行分区;
(2)根据现场地质勘探结果和/或洞室开挖状况,对不同岩性和岩体类别的地质强度指标GSI进行统计,获得地下洞室群的每一种岩性、不同岩体质量分类条件下的地质强度指标GSI的平均值GSIavr和最小值GSImin
(3)针对所采用岩体力学本构模型,根据所确定的地质强度指标GSI的平均值GSIavr和最小值GSImin,对不同岩性和不同岩体质量分类的岩体赋予不同的岩体力学参数;
(4)根据地下洞室群内监测仪器的实际布置位置在三维数值分析模型中相同位置设置变形监测点,用于记录三维数值分析模型在开挖支护仿真模拟过程中的变形变化;
(5)对地下洞室群中所有岩体均采用地质强度指标GSI对应的岩体力学参数进行开挖支护的全过程仿真计算,监测步骤(4)中这些监测点的变形或者变形分量随洞室群开挖过程的变化特征,分别获得不同开挖阶段、不同位置的三维数值分析模型内监测点的累积变形和变形增量,其中采用地质强度指标GSI的平均值GSIavr计算分析得到的累积变形为disptotalavr,变形增量为dispincavr;采用地质强度指标GSI的最小值GSImin计算分析得到的累积变形为disptotalmax,变形增量为dispincmax
(6)根据变形监测点上监测仪器的埋设时机,分别采用累积变形或者变形增量来建立分级变形预警指标。
在采用上述技术方案的同时,本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案:
作为本发明的优选技术方案:岩体力学本构模型采用Hoek-Brown弹塑性本构模型或者Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。
作为本发明的优选技术方案:步骤(5)中,具体地为:
对地下洞室群所有岩体均采用地质强度指标GSI的平均值GSIavr对应的岩体力学参数进行开挖支护的全过程仿真计算,监测步骤(4)中这些监测点的变形/变形分量随洞室群开挖过程的变化特征,可以得到模型监测点在不同开挖阶段的累积变形disptotalavr和变形增量dispincavr
对地下洞室群所有岩体均采用地质强度指标GSI的最小值GSImin对应的岩体力学参数进行开挖支护的全过程仿真计算,可以得到模型监测点在不同开挖阶段的累积变形disptotalmax和变形增量dispincmax
作为本发明的优选技术方案:当监测变形dispmon为累积变形时:
安全等级:dispmon≤disptotalavr,地下洞室群岩体变形没有超出预期,围岩稳定。
预警等级:disptotalavr<dispmon≤disptotalmax,需要密切关注围岩变形,增加观测频次,复核现有围岩稳定特征和支护结构安全裕度。
危险等级:dispmon>disptotalmax,综合地质条件和反演分析制定需要采取的加强支护措施。
作为本发明的优选技术方案:步骤(6)中:当监测变形dispmon为变形增量时:
安全等级:dispmon≤dispincavr,地下洞室群岩体变形没有超出预期,围岩稳定。
预警等级:dispincavr<dispmon≤dispincmax,需要密切关注围岩变形,增加观测频次,复核现有围岩稳定特征和支护结构安全裕度。
危险等级:dispmon>dispincmax,综合地质条件和反演分析制定需要采取的加强支护措施。
本发明提供一种能考虑岩体质量、洞群效应、监测时机等因素影响下地下洞室群的变形分级预警指标的确定方法,主要是以能够反映岩体质量特征和物理力学特征的地质强度指标GSI为基础,并根据监测仪器的埋设时机,埋设位置,通过数值分析手段对地下洞室群不同部位监测点分别建立三级变形预警指标并对稳定性进行评估,通过该方法确定的变形预警指标还可以根据后续的反演分析成果进行动态调整,从而实现对整个地下洞室群不同部位、各个施工阶段的变形进行分级预警。
附图说明
图1为地下洞室群变形分级预警指标的确定方法的流程图;
图2a为地下洞室群布置图;
图2b为图2a中典型剖面B-B的变形监测点的布置图;
图3为地下洞室群变形分级预警指标与围岩稳定状态的关系图。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
参照图1-3,步骤一:根据需要分析的地下洞室群几何特征、开挖分序分层,建立三维数值分析模型,并根据地质条件对围岩进行分区。
步骤二:根据地质勘探成果或辅助洞室揭露的地质条件,对不同岩性和岩体类别的地质强度指标GSI进行统计,获得地下洞室群可能揭露的每一种岩性、不同岩体质量分类条件下的地质强度指标GSI的平均值GSIavr和最小值GSImin。例如对于其中一种岩性有II,III,IV类三种岩体质量类别,其统计的地质强度指标GSI的平均值和最小值分别为:GSIII类-avr、GSIIII类-avr、GSIIV类-avr、CSIII类-min、CSIIII类-min和CSIIV类-min。参照图2a-2b,图2a为地下洞室群布置图,图中:A-A、B-B、C-C、D-D均为地下洞室群的典型监测断面;图2b为图2a中典型剖面B-B的变形监测点的布置图,图中:1-11为监测点,分别为B-B监测断面上1#洞室、3#洞室和5#洞室顶拱和边墙的变形监测点,在该图中,地下洞室群共分VI层开挖。
步骤三:根据采用的岩体力学本构模型,对不同岩性和不同岩体质量分类的岩体赋予不同的岩体力学参数。岩体力学变形和变形参数可以通过地质强度指标CSI采用Hoek-Brown屈服准则获得。然后根据地下洞室群区域初始地应力特征对数值模型进行应力初始化。
步骤四:根据地下洞室群内监测仪器的实际布置位置,在三维数值分析模型中相应位置设置变形监测点,用于记录三维数值分析模型在开挖支护仿真模拟过程中的变形变化。
步骤五:对地下洞室群中所有岩体均采用地质强度指标GSI的平均值CSIavr对应的岩体力学参数进行开挖支护的全过程仿真计算,监测步骤四中这些监测点的变形/变形分量随洞室群开挖过程的变化特征,可以得到模型监测点在不同开挖阶段的累积变形disptotalavr和变形增量dispincavr
对地下洞室群所有岩体均采用地质强度指标GSI的最小值CSImin对应的岩体力学参数进行开挖支护的全过程仿真计算,可以得到模型监测点在不同开挖阶段的累积变形disptotalmax和变形增量dispincmax,主要如下:
Figure GDA0002979653680000051
Figure GDA0002979653680000052
步骤六:根据监测仪器的埋设时机,可以分别采用累积变形或者变形增量来建立分级变形预警指标,具体如下表1所示,其中,dispmon为监测得到的累积变形或者变形增量,下表中,针对不同的变形分级,给出了相应的具体工程建议处理措施。
表1
Figure GDA0002979653680000053
例如,参照图3,当监测变形dispmon为累积变形时:
安全等级:dispmon≤disptotalavr,地下洞室群岩体变形没有超出预期,围岩稳定。
预警等级:disptotalavr<dispmon≤disptotalmax,需要密切关注围岩变形,增加观测频次,复核现有围岩稳定特征和支护结构安全裕度。
危险等级:dispmon>disptotalmax,综合地质条件和反演分析制定需要采取的加强支护措施。
上述具体实施方式用来解释说明本发明,仅为本发明的优选实施例,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等,都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法,其特征在于:所述适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法包括如下步骤:
(1)根据需要分析的地下洞室群的几何特征、开挖分序分层,建立该地下洞室群的三维数值分析模型,并根据地质条件对围岩进行分区;
(2)根据现场地质勘探结果和/或洞室开挖状况,对不同岩性和岩体类别的地质强度指标GSI进行统计,获得地下洞室群的每一种岩性、不同岩体质量分类条件下的地质强度指标GSI的平均值GSIavr和最小值GSImin
(3)针对所采用岩体力学本构模型,根据所确定的地质强度指标GSI的平均值GSIavr和最小值GSImin,对不同岩性和不同岩体质量分类的岩体赋予不同的岩体力学参数;
(4)根据地下洞室群内监测仪器的实际布置位置在三维数值分析模型中相同位置设置变形监测点,用于记录三维数值分析模型在开挖支护仿真模拟过程中的变形变化;
(5)对地下洞室群中所有岩体均采用地质强度指标GSI对应的岩体力学参数进行开挖支护的全过程仿真计算,监测步骤(4)中这些监测点的变形或者变形分量随洞室群开挖过程的变化特征,分别获得不同开挖阶段、不同位置的三维数值分析模型内监测点的累积变形和变形增量,其中采用地质强度指标GSI的平均值GSIavr计算分析得到的累积变形为disptotalavr,变形增量为dispincavr;采用地质强度指标GSI的最小值GSImin计算分析得到的累积变形为disptotalmax,变形增量为dispincmax
(6)根据变形监测点上监测仪器的埋设时机,分别采用累积变形或者变形增量来建立分级变形预警指标。
2.根据权利要求1所述的适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法,其特征在于:岩体力学本构模型采用Hoek-Brown弹塑性本构模型或者Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。
3.根据权利要求1所述的适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法,其特征在于:步骤(5)中,具体地为:
对地下洞室群所有岩体均采用地质强度指标GSI平均值GSIavr对应的岩体力学参数进行开挖支护的全过程仿真计算,监测步骤(4)中这些监测点的变形/变形分量随洞室群开挖过程的变化特征,可以得到模型监测点在不同开挖阶段的累积变形disptotalavr和变形增量dispincavr
对地下洞室群所有岩体均采用地质强度指标GSI的最小值GSImin对应的岩体力学参数进行开挖支护的全过程仿真计算,可以得到模型监测点在不同开挖阶段的累积变形disptotalmax和变形增量dispincmax
4.根据权利要求1所述的适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法,其特征在于:步骤(6)中:当监测变形dispmon为累积变形时:
安全等级:dispmon<disptotalavr,地下洞室群岩体变形没有超出预期,围岩稳定;
预警等级:disptotalavr<dispmon<disptotalmax,需要密切关注围岩变形,增加观测频次,复核现有围岩稳定特征和支护结构安全裕度;
危险等级:dispmon>disptotalmax,综合地质条件和反演分析制定需要采取的加强支护措施。
5.根据权利要求1所述的适用于岩体条件地下洞室群变形分级预警指标的确定方法,其特征在于:步骤(6)中:当监测变形dispmon为变形增量时:
安全等级:dispmon<dispincavr,地下洞室群岩体变形没有超出预期,围岩稳定;
预警等级:dispincavr<dispmon<dispincmax,需要密切关注围岩变形,增加观测频次,复核现有围岩稳定特征和支护结构安全裕度;
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