CN111666624A - 一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法，S1、建立系统的巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系，建立巨跨地下洞室围岩稳定性评价等级及评价指标的判定标准；S2、基于可变模糊集理论建立巨跨地下洞室围岩稳定性评价模型；S3、分导洞围岩稳定性分段分块评价；S4、巨跨地下洞室围岩稳定性的预测与修正。填补了巨跨地下洞室围岩稳定性研究空白的问题，不仅解决了无支护条件下现有的围岩稳定性评价指标独立性差、未考虑洞室尺寸的问题，还解决了巨跨地下洞室在施工过程中的围岩稳定性预测与修正问题。

Description

一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法

技术领域

本发明属于地下工程安全施工领域，具体涉及一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法。

背景技术

随着我国经济的腾飞和交通基础设施建造技术的快速发展，大断面、巨断面隧道(洞室)工程进入高速发展时期，建造的隧道(洞室)的跨度存在逐渐增大的趋势。近年来，一种新的跨度超过60m的巨跨地下洞室逐步进入工程建设领域。此种巨跨地下洞室一般选址在地质条件较好的区域，开挖方式为分导洞开挖。由于洞室巨的跨度已经使跨度因素成为其围岩稳定性的决定性因素，则现有的围岩稳定性领域的研究已经不适用于巨跨地下洞室建设领域。

隧道(洞室)围岩稳定性贯穿其施工的整个过程，其影响因素一般包括：(1)地质因素，包括岩石物理力学性质、岩体结构与构造等；(2)工程因素，包括隧道断面的形状、大小，高跨比等，(3)施工因素，包括隧道施工方法和手段、支护时间和方式等。国内现有的关于隧道(洞室)围岩稳定性的研究，一部分采用数值模方法进行研究，但是计算周期长，计算难度大，无法快速知道现场的安全生产；一部分将基于地质参数进行，评价指标独立性差，并且未考虑隧道(洞室)尺寸问题，甚至存在将围岩稳定性与围岩分级相混淆的现象，存在较大的不合理性；另一部分基于监测数据对其稳定性进行评价，在不考虑隧道(洞室)尺寸的条件下，无法确定隧道(洞室)尺寸累计变形量限值，不适用于巨跨地下洞室围岩稳定性的评价工作。

发明内容

本发明目的在于提供一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法，旨在填补巨跨地下洞室围岩稳定性研究空白的问题，不仅解决了无支护条件下现有的围岩稳定性评价指标独立性差、未考虑洞室尺寸的问题，还解决了巨跨地下洞室在施工过程中的围岩稳定性预测与修正问题。

本发明采用的技术方案是，一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法，包括以下内容：

S1、建立巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系，其包括：目标层指标为巨跨地下洞室围岩稳定性A，准则层指标为岩体强度A₁、岩体裂隙A₂、地应力比值A₃、结构面产状A₄和地下水A₅，岩体裂隙A₂的指标层指标为裂隙条数A₂₁、长度比值A₂₂、裂隙宽度A₂₃,结构面产状A₄的指标层指标为结构面走向与洞轴线夹角A₄₁和结构面倾角A₄₂；

确定巨跨地下洞室围岩稳定性的评价等级和各评价指标的判定标准，具体为：将每个评价指标的取值划分为五个判定区间，各个判定区间对应相应的评价等级；

S2、确定准则层与指标层各指标的权重；

确定五个评价指标处于对应判定区间的相对隶属函数；

利用隶属度函数及指标的权重，结合S1中巨跨地下洞室围岩稳定性评价等级以及判定标准，对巨跨地下洞室围岩稳定性进行评价，得到巨跨地下洞室围岩稳定性状态值；

S3、利用分导洞关键地质参数样本评价得出洞室拱部、左右侧墙的围岩稳定性状态值；

运用分导洞拱部、左右侧墙的权重得出洞室该段的围岩稳定性状态值；

S4、利用分导洞关键地质参数推断巨跨地下洞室的关键地质参数，评价得出巨跨地下洞室围岩稳定性状态值，并根据现场施工的推进进行实时修正。

进一步的，S4中，洞室围岩稳定性，需根据洞室高跨比对其进行修正，修正方法具体为：

考虑洞室的高跨比x对围岩稳定性的作用，在这里以修正系数k和乘积的方式对隶属向量Z进行修正；

当x>0.8时，取k＝1；

当x∈(0,0.8]时，k＝0.895*x^-0.606。

进一步的，S1中，

岩石强度A₁选用岩石单轴饱和抗压强度R_C；

岩体裂隙A₂的指标层指标中，裂隙条数A₂₁和裂隙宽度A₂₃采用现场实测，长度比值A₂₂为裂隙长度与洞室被评价区域长度的比值，裂隙长度取值为所有裂隙的加权均值。

地应力比值A₃采用岩石单轴饱和抗压强度R_C与最大主应力σ_max的比值；

结构面产状A₄是指隧址区主要结构面的产状，其指标层指标结构面走向与洞轴线夹角A₄₁和结构面倾角A₄₂采用现场实测；

地下水A₅为洞库内每米洞长每分钟的出水量。

进一步的，S2中，采用乘积标度法确定各指标层指标的权重，采用乘积标度法确定各准则层指标的权重；采用集对分析法构造可变模糊集理论的相对差异函数，确定巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标处于级别区间的相对隶属函数。

进一步的，步骤S2中，巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系是一个三层指标体系，其评价过程采用两级模式进行。

本发明的有益效果是：本发明提出一种新的围岩稳定性评价方法，利用关键地质参数和洞室尺寸对其无支护条件下的围岩稳定性进行分块评价，在把分导洞施工过程中可以根据判定的地质参数预测整个巨跨地下洞室的薄弱部位，为施工决策和支护措施提供依据。填补了巨跨地下洞室围岩稳定性研究空白，解决了无支护条件下现有的围岩稳定性评价指标独立性差、未考虑洞室尺寸的问题，还实现了巨跨地下洞室在施工过程中的围岩稳定性预测与修正。

附图说明

图1为本发明实施例提供的无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法的流程图；

图2为本发明实施例提供巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

本发明提供了一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法，包括以下内容：

S1、建立巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系，其包括：目标层指标为巨跨地下洞室围岩稳定性A，准则层指标为岩体强度A₁、岩体裂隙A₂、地应力比值A₃、结构面产状A₄和地下水A₅，岩体裂隙A₂的指标层指标为裂隙条数A₂₁、长度比值A₂₂、裂隙宽度A₂₃,结构面产状A₄的指标层指标为结构面走向与洞轴线夹角A₄₁和结构面倾角A₄₂；

确定巨跨地下洞室围岩稳定性的评价等级和各评价指标的判定标准，具体为：将每个所述评价指标的取值划分为五个判定区间，各个所述判定区间对应相应的评价等级；

S2、确定准则层与指标层各指标的权重；

确定所述五个评价指标处于对应判定区间的相对隶属函数；

利用所述隶属度函数及指标的权重，结合S1中所述巨跨地下洞室围岩稳定性评价等级以及判定标准，对巨跨地下洞室围岩稳定性进行评价，得到所述巨跨地下洞室围岩稳定性状态值；

S3、利用分导洞关键地质参数样本评价得出洞室拱部、左右侧墙的围岩稳定性状态值；

运用分导洞拱部、左右侧墙的权重得出洞室该段的围岩稳定性状态值；

S4、利用分导洞关键地质参数推断巨跨地下洞室的关键地质参数，评价得出巨跨地下洞室围岩稳定性状态值，并根据现场施工的推进进行实时修正。

其中，步骤S4中，洞室围岩稳定性，需根据洞室高跨比对其进行修正，修正方法具体为：

考虑洞室的高跨比x对围岩稳定性的作用，以修正系数k和乘积的方式对隶属向量Z进行修正；

当x>0.8时，取k＝1；

当x∈(0,0.8]时，k＝0.895*x^-0.606。

其中，步骤S1中，

岩石强度A₁选用岩石单轴饱和抗压强度R_C；

岩体裂隙A₂的指标层指标中，裂隙条数A₂₁和裂隙宽度A₂₃采用现场实测，长度比值A₂₂为裂隙长度与洞室被评价区域长度的比值，裂隙长度取值为所有裂隙的加权均值；

地应力比值A₃采用岩石单轴饱和抗压强度R_C与最大主应力σ_max的比值；

结构面产状A₄是指隧址区主要结构面的产状，其指标层指标结构面走向与洞轴线夹角A₄₁和结构面倾角A₄₂采用现场实测；

地下水A₅为洞库内每米洞长每分钟的出水量。

其中，步骤S2中，采用乘积标度法确定各指标层指标的权重，采用乘积标度法确定各准则层指标的权重；采用集对分析法构造可变模糊集理论的相对差异函数，确定巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标处于级别区间的相对隶属函数。

其中，步骤S2中，巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系是一个三层指标体系，其评价过程采用两级模式进行。

实施例

一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法，按照以下内容实施：

S1、建立系统的巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系，建立巨跨地下洞室围岩稳定性评价等级及评价指标的判定标准。

1.1、在隧道(洞室)围岩稳定性现有研究的基础上，从隧道(洞室)围岩稳定性机理出发，以关键地质参数和隧道(洞室)尺寸为着力点，研究分析隧道(洞室)围岩稳定性评价指标之间的独立性，选择具有独立性的岩体强度A₁、岩体裂隙A₂、地应力比值A₃、结构面产状A₄、地下水A₅等指标作为准则层指标，选择具有独立性的裂隙条数A₂₁、长度比值A₂₂、裂隙宽度A₂₃作为岩体裂隙A₂的指标层指标，选择具有独立性的结构面走向与洞轴线夹角A₄₁和结构面倾角A₄₂作为结构面产状A₄的指标层指标，共同组建新的系统的巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系，参见图2所示。

在此体系中，岩体强度A₁选用岩石单轴饱和抗压强度R_C；裂隙条数A₂₁和裂隙宽度A₂₃采用现场实测值，长度比值A₂₂为裂隙长度与洞室被评价区域长度的比值，裂隙长度取值为所有裂隙的加权均值；地应力比值A₃选用岩石单轴饱和抗压强度R_C与最大主应力σ_max的比值；结构面走向与洞轴线夹角A₄₁和结构面倾角A₄₂采用现场实测，地下水A₅选用洞室内每米洞长每分钟的出水量(L/min.m)。

1.2、建立巨跨地下洞室围岩稳定性评价等级及评价指标的判定标准。

本发明实施例中，所述巨跨地下洞室围岩稳定性评价等级的划分，以国内围岩分级研究为基础，选择五级划分方法。

本发明实施例中，巨跨地下洞室围岩稳定性评价等级的划分为：十分稳定(I级)，稳定(Ⅱ级)，基本稳定(Ⅲ级)，局部不稳定(Ⅳ级)，不稳定(Ⅴ级)等五级，具体如下表1所示。

表1巨跨地下洞室围岩稳定性等级

本发明实施例中，结合巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标的判定标准研究现状，确定所述评价指标体系中的岩体强度，岩体裂隙的裂隙条数、长度比值、裂隙宽度，地应力比值，结构面产状的结构面走向与洞轴线夹角、结构面倾角，地下水等评价指标的判定标准，具体见表2所述。

表2巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标判定标准

S2、基于可变模糊集理论建立巨跨地下洞室围岩稳定性评价模型。

本发明实施例中，基于可变模糊集理论，用于评价巨跨地下洞室围岩稳定性的方法如下：

2.1、首先研究巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系中各评价指标权重的特点，采用乘积标度法确定各评价指标的权重。

乘积标度法是以层次分析法为基础，在诊断评标重要性的两两比较时，不先划分过多的等级，而只设置两个等级，即诊断指标M和N的重要性“相同(1:1)”或“稍微大(1.354:1)”，然后以此为基础进行递进成绩递进分析。

以岩体裂隙指标层指标裂隙条数ω₂₁、长度比值ω₂₂、裂隙宽度ω₂₃的权重判定为例进行说明。对于岩体裂隙而言，裂隙条数与长度比值重要性相同，则有ω₂₁：ω₂₂＝1:1；裂隙条数与长度比值在重要性方面比裂隙宽度相当大，则有ω₂₁：ω₂₂：ω₂₃＝1.354²:1.354²:1，归一化处理，则裂隙条数、长度比值、裂隙宽度的最优权重为ω₂₁：ω₂₂：ω₂₃＝0.393:0.393:0.214，同时，结构面产状的指标层指标结构面走向与洞轴线夹角、结构面倾角的权重比为ω₄₁：ω₄₂＝1:1；结合准则层指标的特征，确定各准则层指标的最优权重为ω₁：ω₂：ω₃：ω₄：ω₅＝0.275：0.275：0.150：0.150：0.150。

2.2、研究可变模糊集理论在巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法中的应用，采用集对分析法构造可变模糊集理论的相对差异函数，合理确定巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标处于各级判定标准区间的相对隶属函数。

可变模糊集理论中的模糊可变评价模型为：

式中：α为模型优化准则参数，p为距离参数，d_g、d_b分别为参考连续统任一点指标i特征值的相对隶属度

和

与左、右几点的广义权距离。在通常情况下，模型中的α和p可有下列4中组合：

根据已知的c(c＝4)个级别的评价标准构造标准区间矩阵I_ab和变动区间矩阵I_cd，同时依据对指标i的特征，确定指标i级别h的M矩阵，用可变模糊集理论的相对差异函数公式确定指标i级别h的相对隶属度矩阵，从而利用模糊可变评价模型中的公式得到指标i级别h的综合相对隶属度函数。

2.3、利用所述相对隶属度函数及指标的权重，结合已确定的巨跨地下洞室围岩稳定性评价等级以及各评价指标的判定标准，对巨跨地下洞室围岩稳定性进行评价，得到所述巨跨地下洞室围岩稳定性状态值。

由于巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系是一个三层指标体系，因此评价过程采用两级模式进行。

即，先从指标层出发，先选用加权平均模型(Ω×R'＝R，矩阵相乘，Ω表示权重向量，R'表示单因素评价矩阵)对准则层各指标进行一级模糊综合评价，则得到各准则层指标对评语集合V(V＝{v₁，v₂，v₃，v₄，v₅}，v₁，v₂，v₃，v₄，v₅分别表示巨跨地下洞室围岩稳定性等级I(十分稳定)，Ⅱ(稳定)，Ⅲ(基本稳定)，Ⅳ(局部不稳定)，Ⅴ(不稳定))的隶属向量R；将一级模糊综合评价结果R视为单因素评判集和相应的权重Ω'相乘(Ω'为各准则层指标对评语集合V的权重)，进行二级模糊综合评价，得到目标层对评语集合的隶属向量Z＝(z₁，z₂，z₃，z₄，z₅)。

同时，结合模糊向量单值化和巨跨地下洞室围岩稳定性评价等级表，可得到评价对象的围岩稳定性状态值，见表d所示。模糊向量单值化公式如下(分别给评语v₁，v₂，v₃，v₄，v₅赋以1、2、3、4、5)：

F为稳定性状态值，其与巨跨地下洞室围岩稳定性等级的对应关系见表3。

表3巨跨地下洞室围岩稳定性等级表

S3、分导洞围岩稳定性分段分块评价。

将分导洞按5m一段进行分段，每段按照分导洞结构分为拱部、左边墙、右边墙等三个部分，利用构建的巨跨地下洞室稳定性评价模型评价出其拱部、左边墙、右边墙等三个部分的围岩稳定性状态值。

分析拱部、左右边墙的重要性，确定拱部在重要性方面比左右边墙相当大，左右边墙在重要性方面相同，则基于乘积标度法，确定拱部、左右边墙的权重比值为γ₁：γ₂：γ₃＝1.354²：1：1，归一化后，则有拱部：左边墙：右边墙＝0.478：0.261：0.261。

结合拱部、左边墙、右边墙等三个部分的围岩稳定性状态值和其权重比值，则可以得到该段分导洞的围岩稳定性状态值。

S4、巨跨地下洞室围岩稳定性的预测与修正。

在巨跨地下洞室施工过程中，根据已开完分导洞揭示的关键地质参数可以推测整个巨跨地下洞室的关键地质参数，以推测的巨跨地下洞室关键地质参数为基础，重复步骤S2和S3可以得到巨跨地下洞室的预测的围岩稳定性状态值，确定巨跨地下洞室高风险地段和高风险部位，并随着现场施工的推进对巨跨地下洞室的关键地质参数不断进行修正，进而对巨地下洞室的围岩稳定性进行修正，实现对巨跨地下洞室围岩稳定性的预测与修正，为现场支护措施决策提供依据。

本发明是通过建立新的巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系，然后基于可变模糊集理论建立无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价模型，在巨跨地下洞室施工过程中先用于分导洞围岩稳定性的评价，再根据推测的关键地质参数用于巨跨地下洞室整体的围岩稳定性评价，并根据施工进度的推进不断修正，能保证现场施工的安全，并为现场支护措施决策提供依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法，其特征在于，包括以下内容：

S1、建立巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系，其包括：目标层指标为巨跨地下洞室围岩稳定性A，准则层指标为岩体强度A₁、岩体裂隙A₂、地应力比值A₃、结构面产状A₄和地下水A₅，岩体裂隙A₂的指标层指标为裂隙条数A₂₁、长度比值A₂₂、裂隙宽度A₂₃,结构面产状A₄的指标层指标为结构面走向与洞轴线夹角A₄₁和结构面倾角A₄₂；

确定巨跨地下洞室围岩稳定性的评价等级和各评价指标的判定标准，具体为：将每个所述评价指标的取值划分为五个判定区间，各个所述判定区间对应相应的评价等级；

S2、确定准则层与指标层各指标的权重；

确定所述五个评价指标处于对应判定区间的相对隶属函数；

利用所述隶属度函数及指标的权重，结合S1中所述巨跨地下洞室围岩稳定性评价等级以及判定标准，对巨跨地下洞室围岩稳定性进行评价，得到所述巨跨地下洞室围岩稳定性状态值；

S3、利用分导洞关键地质参数样本评价得出洞室拱部、左右侧墙的围岩稳定性状态值；

运用分导洞拱部、左右侧墙的权重得出洞室该段的围岩稳定性状态值；

S4、利用分导洞关键地质参数推断巨跨地下洞室的关键地质参数，评价得出巨跨地下洞室围岩稳定性状态值，并根据现场施工的推进进行实时修正。

2.如权利要求1所述的一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述S4中，洞室围岩稳定性，需根据洞室高跨比对其进行修正，修正方法具体为：

考虑洞室的高跨比x对围岩稳定性的作用，以修正系数k和乘积的方式对隶属向量Z进行修正；

当x>0.8时，取k＝1；

当x∈(0,0.8]时，k＝0.895*x^-0.606。

3.如权利要求1或2所述的一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述S1中，

岩石强度A₁选用岩石单轴饱和抗压强度R_C；

岩体裂隙A₂的指标层指标中，裂隙条数A₂₁和裂隙宽度A₂₃采用现场实测，长度比值A₂₂为裂隙长度与洞室被评价区域长度的比值，裂隙长度取值为所有裂隙的加权均值；

地应力比值A₃采用岩石单轴饱和抗压强度R_C与最大主应力σ_max的比值；

结构面产状A₄是指隧址区主要结构面的产状，其指标层指标结构面走向与洞轴线夹角A₄₁和结构面倾角A₄₂采用现场实测；

地下水A₅为洞库内每米洞长每分钟的出水量。

4.如权利要求3所述的一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述S2中，采用乘积标度法确定各指标层指标的权重，采用乘积标度法确定各准则层指标的权重；采用集对分析法构造可变模糊集理论的相对差异函数，确定巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标处于级别区间的相对隶属函数。

5.如权利要求1或2所述的一种无支护条件下巨跨地下洞室围岩稳定性评价方法，其特征在于，所述步骤S2中，巨跨地下洞室围岩稳定性评价指标体系是一个三层指标体系，其评价过程采用两级模式进行。

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