CN113153348B - 一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，S1：探明地层岩性与地质构造的几何边界，确定岩体类别与力学参数，地应力测量并回归初始应力场，从而拟定若干个可行的地下洞室群宏观布置方案；S2：采用三维离散元方法对步骤S1的各个方案进行开挖支护过程的计算分析，并由内置FISH语言编程提取各种计算指标；S3：通过不同布置方案的开挖能量释放率水平、围岩高应力集中体积、连续介质大变形体积、结构面控制型块体方量以及塑性区体积这5项反映围岩稳定问题程度的计算指标对比，建立适应工程特点的优胜劣汰评价体系，实现多因素制约条件下布置方案优选。
Description
技术领域
本发明涉及水电、水利等地下空间工程领域，具体涉及一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法。
背景技术
我国西部水电工程规模越来越大，其地下厂房跨度达20～35m量级、圆筒形尾水调压室直径达40～50m量级，然而，由于西部地区岩石圈动力环境特殊，具备断裂活动强、地震烈度高、地应力水平高和地质构造发育等特征，使得宏大的工程规模与地质条件复杂性之间的矛盾突出，表现出了岩石力学问题多样性和复杂性，尤其以高地应力导致的脆性岩体岩爆、破裂和大变形问题最为复杂且难以防治。
地下洞室群布置方案是决定工程整体施工难度和经济投资的重要因素，也是代价最低的工程风险控制措施。但由于大型地下洞室群围岩稳定问题复杂且影响因素众多，不能通过简单的工程类比和经验评判方法进行布置方案比较，因此，需要一种能够考虑多指标体系的定量分析方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，该方法的优越之处在于能够通过不同布置方案的开挖能量释放率水平、围岩高应力集中体积、连续介质大变形体积、结构面控制型块体方量以及塑性区体积这5项反映围岩稳定问题程度的计算指标对比，建立适应工程特点的优胜劣汰评价体系，实现多因素制约条件下布置方案优选。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：探明地层岩性与地质构造的几何边界，确定岩体类别与力学参数，地应力测量并回归初始应力场，从而拟定若干个可行的地下洞室群宏观布置方案；
S2：采用三维离散元方法对步骤S1的各个方案进行开挖支护过程的数值计算分析，并且进行两两对比，通过三维离散元中“set energy on”命令进行开挖能量释放率指标的自动统计；
S3：在三维离散元方法中基于FISH语言开发的二次程序，获取各个方案中的应力集中大于岩体启裂强度的体积、围岩大变形体积、结构面控制型安全裕度较小的块体方量以及塑性区的指标；
S4：通过步骤S2、步骤S3的计算分析就两种布置对比方案的各项计算指标绘制成百分比堆积条形图，单项指标以相对较小占优势，并对单项指标按照不及相对优劣线或绝对优劣线进行评分，对单项指标小于绝对优劣线的记高分标记，对单项指标小于相对优劣线并大于绝对优劣线的记低分标记，对单项指标大于相对优劣线的不进行计分标记；
S5：基于两种方案的总分进行优胜劣汰评价，筛选出高分的方案作为优选方案，并将优选方案的指标与其他方案的指标再进行比较，重复步骤S2、步骤S3和步骤S4，通过多个方案进行两两对比，最终得出最优布置方案。
进一步的：所述步骤S2中的开挖能量释放率指标的具体计算方法是：
开挖能量释放率指标＝Umb/Vm
其中：
Umb指的是开挖岩体内能量；
Vm指的是开挖体积。
进一步的：所述步骤S3中的应力集中大于岩体启裂强度的体积的具体计算方法是：
δ1-δ3>0.4UCS
其中：
δ1指的是最大主应力；
δ3指的是最小主应力；
0.4UCS指的是0.4倍岩石单轴抗压强度。
进一步地：所述步骤S3中的围岩大变形体积的具体计算方法是：
δ/r0>1％
其中：
δ指的是计算位移；
r0指的是洞室半径；
进一步的：所述步骤S3中的结构面控制型安全裕度较小的块体方量的具体计算方法是：
FoS<1.5
其中：
FoS指的是计算安全系数；
1.5指的是规范要求的安全系数标准，可按具体规范调整。
进一步的：所述步骤S3中的塑性区的具体计算方法是：
Vp＝∑z_state(i)
其中：
Vp指的是塑性单元体积总和；
z_state(i)指的是塑性单元(i≠0)体积；
i指的是单元屈服状态指针，0代表弹性状态，1、2、4、8等代表塑性状态。
进一步地：根据工程需求，选定开挖能量释放率、应力集中大于岩体启裂强度的体积、围岩大变形体积、结构面控制型安全裕度较小的块体方量以及塑性区这五项指标中的重要指标，并在步骤S4评分中加重该指标在评分中的分值权重。
进一步地：所述在步骤S5得出最优布置方案之后，还包括对所述最优布置方案进行局部优化的方法，针对最优布置方案存在的某些指标劣势项，根据数值模型查找和分析局部围岩稳定问题的分布范围及影响，采用三维离散元方法中的等值面“IsoSurface”技术圈定空间分布范围，从而进一步开展局部优化设计，并制定针对性的加强支护措施。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明充分考虑地层岩性、地质构造、初始应力水平等先决条件和工程方案的布置需要，在系统分析大型地下洞室群面临着脆性岩体应力型破坏、结构面控制型大变形等围岩稳定问题的基础上，提供了一种高地应力条件下地下洞室群布置优化方法，用于主动降低洞室群产生岩爆、破裂破坏和大变形等围岩稳定问题的总体风险，提升工程安全性和技术经济性。
附图说明
图1是本发明涉及的不同布置方案示意图；
图2是本发明部分计算指标及分布示意图；
图3是本发明方案比较体系示意图。
附图中的标记为：1-地下厂房，2-主变室，3-长廊式尾调室，4-圆筒式尾调室，5-最大主应力方向，6-地质构造，7-高应力集中区，8-大变形区，9-考察指标，10-方案一计算值，11-方案二计算值，12-相对优劣线，13-绝对优劣线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
如图1-图3所示，本发明提供的一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，包括以下步骤：
S1：在地下工程区域采用现场平洞和钻孔勘探等手段探明地层岩性与地质构造6的几何边界，应用岩体质量评价和试验方法确定岩体类别与力学参数，采用水压致裂或应力解除法进行地应力测量，通过回归分析确定初始最大地应力方向5和量级，并且依据围岩高应力破坏现象等进行反演论证，在地质模型基础(含地质信息的CAD模型)上，考虑主要洞室轴线、间距和体形等因素，拟定如图1所示的若干可行宏观布置方案，如方案一为地下厂房1+主变室2+长廊式尾调室3，方案二为地下厂房1+主变室2+圆筒式尾调室4；
S2：采用三维离散元方法对步骤S1的各个方案进行开挖支护过程的数值计算分析，确定高应力集中区7和大变形区8的分布范围，同时，通过三维离散元中“set energyon”命令进行开挖能量释放率的自动统计；
S3：在三维离散元方法中基于FISH语言开发的二次程序，获取对比方案中的应力集中大于岩体启裂强度的体积、围岩大变形体积、结构面控制型安全裕度较小的块体方量以及塑性区的指标；
S4：通过步骤S2、步骤S3的计算分析就两种布置对比方案的各项计算指9标绘制成百分比堆积条形图，两个方案相同的计算指标累加为100％，各自的占比绘制出条形图，两个方案的单项指标(方案一计算值10和方案二计算值11)以相对较小占优势，并对单项指标按照不及两侧的相对优劣线12或绝对优劣线13进行评分，对单项指标小于绝对优劣线的记高分标记，对单项指标小于相对优劣线并大于绝对优劣线的记低分标记，对单项指标大于相对优劣线的不进行计分标记；低分标记和高分标记可分别记1分和3分，不进行计分标记为0分；最后基于两种方案的总分进行优胜劣汰评价，从而实现高应力和结构面等多因素制约条件下指标量化和综合评价的洞室布置方案优选；
如图3中左侧方案代表图1所示的圆筒式尾调室4布置方案为方案一，其开挖能量释放率A和超启裂强度应力集中B的计算值大于左侧的相对优势线，不计分；围岩大变形体积指标C、较小安全裕度块体方量指标D和塑性区体积指标E的计算值都相对较小，小于相对优劣线并大于绝对优劣线的则分别得1分，故总分为3分；而图3中右侧方案代表图1所示的长廊式尾调室3布置方案，为方案二，其5项指标都超出右侧的相对优劣线12，总分为0分，因此，推荐方案一作为优选方案。
S5：基于两种方案的总分进行优胜劣汰评价，筛选出高分的方案作为优选方案，并将优选方案的指标与其他方案的指标再进行比较，重复步骤S2、步骤S3和步骤S4，通过多个方案进行两两对比，最终得出最优布置方案；
S6：对所述最优布置方案进行局部优化的方法，针对最优布置方案存在的某些超劣势线指标的薄弱环节，可以开展洞室位置、体形、间距等局部优化设计，采用三维离散元方法中的等值面“IsoSurface”技术圈定空间分布范围，从而进一步开展局部优化设计，并对不可避免的局部问题制定针对性的加强支护措施。其中，等值面“IsoSurface”技术是指直接可以应用的三维离散元方法计算结果显示技术，比如选定应力为30MPa、40MPa等不同等值面，根据“IsoSurface”显示结果可以看出30MPa的等值面分布区域大于40MPa等值面，这样圈定空间分布范围大小即可做对比。
所述步骤S2中的开挖能量释放率指标的具体计算方法是：
开挖能量释放率指标＝Umb/Vm
其中：
Umb指的是开挖岩体内能量；
Vm指的是开挖体积。
所述步骤S3中的超启裂强度应力集中大于岩体启裂强度的体积的具体计算方法是：
δ1-δ3>0.4UCS
其中：
δ1指的是最大主应力；
δ3指的是最小主应力；
0.4UCS指的是0.4倍岩石单轴抗压强度。
所述步骤S3中的围岩大变形体积的具体计算方法是：
δ/r0>1％
其中：
δ指的是计算位移；
r0指的是洞室半径。
所述步骤S3中的结构面控制型安全裕度较小的块体方量的具体计算方法是：
FoS<1.5
其中：
FoS指的是计算安全系数；
1.5指的是规范要求的安全系数标准，可按具体规范调整。
所述步骤S3中的塑性区的具体计算方法是：
Vp＝∑z_state(i)
其中：
Vp指的是塑性单元体积总和；
z_state(i)指的是塑性单元(i≠0)体积；
i指的是单元屈服状态指针，0代表弹性状态，1、2、4、8等代表塑性状态。
根据工程需求，选定开挖能量释放率、应力集中大于岩体启裂强度的体积、围岩大变形体积、结构面控制型安全裕度较小的块体方量以及塑性区这五项指标中的重要指标，并在步骤S4评分中加重该指标在评分中的分值权重。比如，高应力问题，选定开挖能量释放率、应力集中大于岩体启裂强度的体积这两项分值权重加大，即可根据需要权重分值“乘以2”。
通过三维离散元出图查看洞室群间岩柱塑性区贯通特征、采用内置FISH语言编程统计总体塑性区体积，可以论证洞室间距的合理性；通过三维离散元中三维空间等值面“IsoSurface”技术圈定大变形区8域分布、采用内置FISH语言编程统计围岩大变形(计算位移δ/洞室半径r0>1％)体积和结构面控制型块体安全裕度较小(FoS<1.5)的方量，说明围岩的稳定性分区特征，如图2所示，有利于规避大型断层6等地质缺陷的不利影响。
所述三维离散元方法是一种数值计算方法，与常规的有限元计算方法类似，可以计算出变形、应力等结果，三维离散元方可以用来计算更为复杂受结构面切割的岩体在给定条件下如何运动；三维离散元方法适用于连续和非连续介质力学计算，能够同时考虑复杂地质条件下的高应力和结构面控制型大变形等围岩稳定问题。计算数值结果具体包括位移δ、最大主应力δ1、最小主应力δ3、塑性单元z_state(i)。
所述开挖能量释放率、超启裂强度应力集中、围岩大变形、块体安全系数以及塑性区五项考察指标9的分析计算方法，在定性或者经验分析基础上，采用三维离散元方法，考虑多项地质因素进行不同轴线、不同间距和不同体形组合方案的围岩稳定分析。
以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：探明地层岩性与地质构造的几何边界，确定岩体类别与力学参数，地应力测量并回归初始应力场，从而拟定若干个可行的地下洞室群宏观布置方案；
S2：采用三维离散元方法对步骤S1的各个方案进行开挖支护过程的数值计算分析，并且进行两两对比，其中，开挖能量释放率指标能够通过三维离散元中“set energy on”命令进行自动统计；
S3：在三维离散元方法中基于FISH语言开发的二次程序，获取各个方案中的应力集中大于岩体启裂强度的体积、围岩大变形体积、结构面控制型安全裕度较小的块体方量以及塑性区的指标；
S4：通过步骤S2、步骤S3的计算分析就两种布置对比方案的各项计算指标绘制成百分比堆积条形图，单项指标以相对较小占优势，并对单项指标按照不及相对优劣线或绝对优劣线进行评分，对单项指标小于绝对优劣线的记高分标记，对单项指标小于相对优劣线并大于绝对优劣线的记低分标记，对单项指标大于相对优劣线的不进行计分标记；
S5：基于两种方案的总分进行优胜劣汰评价，筛选出高分的方案作为优选方案，并将优选方案的指标与其他方案的指标再进行比较，重复步骤S2、步骤S3和步骤S4，通过多个方案进行两两对比，最终得出最优布置方案。
2.根据权利要求1所述的一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，其特征在于：所述步骤S2中的开挖能量释放率指标的具体计算方法是：
开挖能量释放率指标＝Umb/Vm
其中：
Umb指的是开挖岩体内能量；
Vm指的是开挖体积。
3.根据权利要求1所述的一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，其特征在于：所述步骤S3中的应力集中大于岩体启裂强度的体积的具体计算方法是：
δ1-δ3>0.4UCS
其中：
δ1指的是最大主应力；
δ3指的是最小主应力；
0.4UCS指的是0.4倍岩石单轴抗压强度。
4.根据权利要求1所述的一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，其特征在于：所述步骤S3中的围岩大变形体积的具体计算方法是：
δ/r0>1％
其中：
δ指的是计算位移；
r0指的是洞室半径。
5.根据权利要求1所述的一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，其特征在于：所述步骤S3中的结构面控制型安全裕度较小的块体方量的具体计算方法是：
FoS<1.5
其中：
FoS指的是计算安全系数；
1.5指的是规范要求的安全系数标准。
6.根据权利要求1所述的一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，其特征在于：所述步骤S3中的塑性区的具体计算方法是：
Vp＝∑z_state(i)
其中：
Vp指的是塑性单元体积总和；
z_state(i)指的是塑性单元体积，i≠0；
i指的是单元屈服状态指针，0代表弹性状态，1、2、4、8代表塑性状态。
7.根据权利要求1所述的一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，其特征在于：根据工程需求，选定开挖能量释放率、应力集中大于岩体启裂强度的体积、围岩大变形体积、结构面控制型安全裕度较小的块体方量以及塑性区这五项指标中的重要指标，并在步骤S4评分中加重该指标在评分中的分值权重。
8.根据权利要求1所述的一种高地应力条件下地下洞室群布置方案比选方法，其特征在于：在步骤S5得出最优布置方案之后，还包括对所述最优布置方案进行局部优化的方法，针对最优布置方案存在的某些指标劣势项，根据数值模型查找和分析局部围岩稳定问题的分布范围及影响，采用三维离散元方法中的等值面“IsoSurface”技术圈定空间分布范围，从而进一步开展局部优化设计，并制定针对性的加强支护措施。
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| 高应力条件下巨型地下洞室穹顶施工方案比较;孟国涛、吕慷、陈益民、李军、倪绍虎;《科技通报》;第33卷(第1期);第205-211页 * |
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