CN114087020B - 一种基于岩体和支护结构双重安全的地下洞室稳定评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于岩体和支护结构双重安全的地下洞室稳定评价方法，主要是结合围岩松弛深度、围岩变形、锚索荷载、锚杆应力建立了多指标的岩体和支护结构双重安全控制标准，并结合监测数据、数值反演分析、现场测试成果等，分别建立了“安全、预警、危险”三等级预警标准体系各项指标具体标准，通过该方法确定的安全预警控制指标还可以根据整个工程建设过程进行动态调整更新，从而实现对整个地下工程分阶段、分部位、全过程进行分级预警。
Description
技术领域
本发明涉及交通、水利、水电、核电、核废料存储等行业岩体条件下的地下洞室稳定评价技术领域，具体指地下洞室围岩稳定和支护结构受力安全的量化评价方法。
背景技术
我国在新能源、水电、城市建设、国防安全等诸多领域将迎来新一轮的工程建设期，水电站地下洞室、二氧化碳地下封存、核废料地下存储、国防机库、地下油库等地下空间资源的开发和利用将越来越普遍。
根据不同的建设需求，地下洞室所处的地质环境复杂，逐渐向深埋、大跨度、规模化、安全建设高要求的方向进一步发展。在地下洞室的建设施工期以及长期运行过程中，确保围岩稳定以及支护结构受力双重安全是工程建筑物全生命周期安全管控必须重点关注的问题之一。
因此，针对地下洞室群如何根据相关信息建立一个既能反映围岩稳定状态，又能反映支护系统安全裕度的分级预警系统以及建立相应的详细评价指标显得非常重要，到目前为止地下洞室围岩稳定的分级预警系统主要从变形、变形速率等围岩自身响应的少数几个指标，没有反映如围岩松弛深度、锚杆应力、锚索荷载等其他因素影响地下洞室整体安全的指标。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术中存在的不足，提供一种基于岩体和支护结构双重安全的地下洞室稳定评价方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于岩体和支护结构双重安全的地下洞室稳定评价方法，其特征在于：所述基于岩体和支护结构双重安全的地下洞室稳定评价方法包括：
通过围岩监测数据、支护结构受力监测数据和建立的分级预警指标对地下工程建设全生命周期下的围岩和支护结构进行分级预警，同时对岩体稳定和支护结构安全进行评估，具体地，包括如下步骤：
S1、根据需要分析的地下洞室几何特征、开挖分序分层、支护设计方案，建立地下洞室的三维分析数值基本模型；
S2、根据地质勘探的具体地质条件，包括岩体质量、地质构造、初始地应力特征，并结合室内试验、现场试验确定地下洞室地层信息、结构面信息、岩体力学参数以及相应的本构模型；
S3、根据实测地应力成果的合理解译、宏观地应力场格局判别和反演分析来综合确定地下洞室工程区的初始地应力场特征，包括应力大小和方向；
S4、根据监测设计布置以及监测仪器安装时机，在三维数值模型中不同位置的监测仪器设置不同的监测指标：围岩变形、松弛深度、锚索荷载、锚杆应力，全过程监测各项指标在在开挖支护过程中的变化特征；
S5、结合现场实施的有限点位的监测数据，对地下洞室整个开挖、支护全过程进行仿真模拟和反演分析，可以获得不同施工阶段、不同位置的围岩变形、松弛深度、锚索荷载、锚杆应力；
S6、综合统计开挖过程中现场监测仪器所获得的监测数据和数值反演分析模型中的所有数据：
围岩变形采用累积变形；
变形速率剔除开挖爆破时的影响，采用开挖后4-7天内的平均变形速率；
松弛深度采用现场声波测试的松动圈深度；
锚索荷载采用锚索测力计实测荷载；
锚杆应力采用锚杆应力计实测应力，一根锚杆若有多个传感器，采用其中读数最大的传感器测值；
锚索荷载、锚杆应力超限比例根据数值反演分析结果统计；
建立岩体和支护结构双重安全的控制指标以及分级预警体系，针对不同的变形分级，也给出具体的建议工程处理措施。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以单独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：所述步骤S2中，岩体本构模型可以根据力学试验成果采用理想弹塑性、弹-脆性、弹-延-脆性。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S2中，岩体力学参数和结构面力学参数由室内试验、现场试验和反演分析综合确定。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S6中：
(1)实测地下洞室围岩监测变形/洞室等效开挖半径<1％；
(2)实测4-7天内的围岩变形速率<0.2mm/d；
(3)实测围岩松弛圈深度小于该位置处的锚杆长度；
(4)实测锚索荷载受力80％都小于设计值的0.8倍；
(5)如果数值反演分析模型中有部分锚索荷载超过设计值，超设计值的锚索数量占同类型锚索数量小于5％；
(6)实测锚杆应力80％都小于设计值的0.8倍；
(7)如果数值反演分析模型中有部分锚杆应力超过设计值，超设计值的锚杆数量占同类型锚杆数量小于5％；
以上(1)～(7)项均满足，则岩体和支护结构整体安全稳定，可正常施工，不需要进行额外补强加固。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S6中：
(1)实测地下洞室群围岩监测变形/洞室等效开挖半径>1％但是<2％；
(2)实测4-7天内的围岩变形速率大于0.2mm/d但是小于1mm/d；
(3)实测围岩松弛圈深度小于该位置处的锚杆长度；
(4)实测锚索荷载受力70％都小于设计值的0.8倍；
(5)如果数值反演分析模型中有部分锚索荷载超过设计值，超设计值的锚索数量占同类型锚索数量超过5％但小于10％；
(6)实测锚杆应力80％都小于设计值的0.8倍；
(7)如果数值反演分析模型中有部分锚杆应力超过设计值，超设计值的锚杆数量占同类型锚杆数量大于5％但是小于10％；
以上(1)～(7)中，如果有3项满足，岩体和支护结构基本安全稳定，建议减缓开挖速度，加密监测，复核现有围岩稳定特征和支护结构安全裕度，视现场情况对变形、支护受力较大位置进行加强支护。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S6中：
(1)实测地下洞室群围岩监测变形/洞室等效开挖半径>2％；
(2)实测4-7天内的围岩变形速率>1mm/d；
(3)实测围岩松弛圈深度>该位置处的锚杆长度；
(4)实测锚索荷载受力60％都小于设计值的0.8倍；
(5)如果数值反演分析模型中有部分锚索荷载超过设计值，超设计值的锚索数量占同类型锚索数量超过>10％；
(6)实测锚杆应力60％都小于设计值的0.8倍；
(7)如果数值反演分析模型中有部分锚杆应力超过设计值，超设计值的锚杆数量占同类型锚杆数量大于>10％；
以上(1)～(7)中，如果有两项满足，岩体和支护结构存在安全稳定风险，停止开挖，开展分析研究，并及时对潜在失稳岩体进行针对性补强加固，必要时紧急避险。
本发明提供一种基于岩体和支护结构双重安全的地下洞室稳定评价方法，适用于不同埋深条件下的硬脆性岩体条件下的地下洞室稳定特征及支护结构安全度评价，能够有效合理的定量化评估，从而能够获得围岩状态和支护结构受力状态的量化评价数据，有利于地下洞室围岩和支护结构双重安全，确保工程建设的全生命周期的安全。本发明所提供的方法主要是结合围岩松弛深度、围岩变形、锚索荷载、锚杆应力建立了多指标的岩体和支护结构双重安全控制标准，并结合监测数据、数值反演分析、现场测试成果等，分别建立了“安全、预警、危险”三等级预警标准体系各项指标具体标准，通过该方法确定的安全预警控制指标还可以根据整个工程建设过程进行动态调整更新，从而实现对整个地下工程分阶段、分部位、全过程进行分级预警。
附图说明
图1为地下洞开挖支护及典型监测布置示意图。
图2为地下洞室岩体与支护结构双重安全分级预警指标确定方法。
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。
S1、根据需要分析的地下洞室几何特征、开挖分序分层、支护设计方案，建立三维数值分析模型。
图1为地下洞开挖支护及典型监测布置示意图，图中示意洞室分5层进行分序开挖；1-11#为围岩变形监测点；
洞室支护包含系统支护锚杆和系统支护锚索，其中洞室边、顶拱不同位置均布置有声波测试孔(用于监测围岩松弛深度)、监测锚索(通过测力计监测锚索荷载)、监测锚杆(通过锚杆应力计监测锚杆应力)。
S2、根据地质勘探、室内试验、现场试验确定地下洞室地层信息、结构面信息、岩体力学参数以及相应的本构模型。
S3、根据地应力测试成果、宏观地应力分析等反演分析地下洞室工程区的初始地应力场特征，包括应力大小和方向。
S4、根据监测设计布置以及监测仪器安装时机，在三维数值模型新监测仪器埋设安装位置设置围岩变形、松弛深度、锚索荷载、锚杆应力监测点。
S5、结合现场实施的有限点位监测数据，对地下洞室整个开挖、支护全过程进行仿真模拟和反演分析，可以获得不同施工阶段、不同位置的围岩变形、松弛深度、锚索荷载、锚杆应力。
S6、综合统计开挖过程中现场监测仪器所获得的监测数据和数值反演分析模型中的所有数据：围岩变形采用累积变形；变形速率剔除开挖爆破时的影响，采用开挖后4-7天内的平均变形速率；松弛深度采用现场声波测试的松动圈深度；锚索荷载采用锚索测力计实测荷载；锚杆应力采用锚杆应力计实测应力(一根锚杆若有多个传感器，采用其中读数最大的传感器测值)，锚索荷载、锚杆应力超限比例根据数值反演分析结果统计，参照表1所示：
表1岩体和支护结构双重安全控制标准
安全等级：
(1)实测地下洞室围岩监测变形/洞室等效开挖半径<1％；
(2)实测4-7天内的围岩变形速率<0.2mm/d；
(3)实测围岩松弛圈深度小于该位置处的锚杆长度；
(4)实测锚索荷载受力80％都小于设计值的0.8倍；
(5)如果数值反演分析模型中有部分锚索荷载超过设计值，超设计值的锚索数量占同类型锚索数量小于5％；
(6)实测锚杆应力80％都小于设计值的0.8倍；
(7)如果数值反演分析模型中有部分锚杆应力超过设计值，超设计值的锚杆数量占同类型锚杆数量小于5％；
以上(1)～(7)项均满足，则岩体和支护结构整体安全稳定，可正常施工，不需要进行额外补强加固；
预警等级：
(1)实测地下洞室群围岩监测变形/洞室等效开挖半径>1％但是<2％；
(2)实测4-7天内的围岩变形速率大于0.2mm/d但是小于1mm/d；
(3)实测围岩松弛圈深度小于该位置处的锚杆长度；
(4)实测锚索荷载受力70％都小于设计值的0.8倍；
(5)如果数值反演分析模型中有部分锚索荷载超过设计值，超设计值的锚索数量占同类型锚索数量超过5％但小于10％；
(6)实测锚杆应力80％都小于设计值的0.8倍；
(7)如果数值反演分析模型中有部分锚杆应力超过设计值，超设计值的锚杆数量占同类型锚杆数量大于5％但是小于10％；
以上(1)～(7)中，如果有3项满足，岩体和支护结构基本安全稳定，建议减缓开挖速度，加密监测，复核现有围岩稳定特征和支护结构安全裕度，视现场情况对变形、支护受力较大位置进行加强支护；
危险等级：
(1)实测地下洞室群围岩监测变形/洞室等效开挖半径>2％；
(2)实测4-7天内的围岩变形速率>1mm/d；
(3)实测围岩松弛圈深度>该位置处的锚杆长度；
(4)实测锚索荷载受力60％都小于设计值的0.8倍；
(5)如果数值反演分析模型中有部分锚索荷载超过设计值，超设计值的锚索数量占同类型锚索数量超过>10％；
(6)实测锚杆应力60％都小于设计值的0.8倍；
(7)如果数值反演分析模型中有部分锚杆应力超过设计值，超设计值的锚杆数量占同类型锚杆数量大于>10％；
以上(1)～(7)中，如果有两项满足，岩体和支护结构存在安全稳定风险，停止开挖，开展分析研究，并及时对潜在失稳岩体进行针对性补强加固，必要时紧急避险。
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 (3)
1.一种基于岩体和支护结构双重安全的地下洞室稳定评价方法，其特征在于：所述基于岩体和支护结构双重安全的地下洞室稳定评价方法包括：
通过围岩监测数据、支护结构受力监测数据和建立的分级预警指标对地下工程建设全生命周期下的围岩和支护结构进行分级预警，同时对岩体稳定和支护结构安全进行评估，具体地，包括如下步骤：
S1、根据需要分析的地下洞室几何特征、开挖分序分层、支护设计方案，建立地下洞室的三维分析数值基本模型；
S2、根据地质勘探的具体地质条件，包括岩体质量、地质构造、初始地应力特征，并结合室内试验、现场试验确定地下洞室地层信息、结构面信息、岩体力学参数以及相应的本构模型；
S3、根据实测地应力成果的合理解译、宏观地应力场格局判别和反演分析来综合确定地下洞室工程区的初始地应力场特征，包括应力大小和方向；
S4、根据监测设计布置以及监测仪器安装时机，在三维数值模型中不同位置的监测仪器设置不同的监测指标：围岩变形、松弛深度、锚索荷载、锚杆应力，全过程监测各项指标在在开挖支护过程中的变化特征；
S5、结合现场实施的有限点位的监测数据，对地下洞室整个开挖、支护全过程进行仿真模拟和反演分析，可以获得不同施工阶段、不同位置的围岩变形、松弛深度、锚索荷载、锚杆应力；
S6、综合统计开挖过程中现场监测仪器所获得的监测数据和数值反演分析模型中的所有数据：
围岩变形采用累积变形；
变形速率剔除开挖爆破时的影响，采用开挖后4-7天内的平均变形速率；
松弛深度采用现场声波测试的松动圈深度；
锚索荷载采用锚索测力计实测荷载；
锚杆应力采用锚杆应力计实测应力，一根锚杆若有多个传感器，采用其中读数最大的传感器测值；
锚索荷载、锚杆应力超限比例根据数值反演分析结果统计；
建立岩体和支护结构双重安全的控制指标以及分级预警体系，针对不同的变形分级，也给出具体的建议工程处理措施，具体如下：
安全等级：
(1)实测地下洞室围岩监测变形/洞室等效开挖半径<1％；
(2)实测4-7天内的围岩变形速率<0.2mm/d；
(3)实测围岩松弛圈深度小于该位置处的锚杆长度；
(4)实测锚索荷载受力80％都小于设计值的0.8倍；
(5)如果数值反演分析模型中有部分锚索荷载超过设计值，超设计值的锚索数量占同类型锚索数量小于5％；
(6)实测锚杆应力80％都小于设计值的0.8倍；
(7)如果数值反演分析模型中有部分锚杆应力超过设计值，超设计值的锚杆数量占同类型锚杆数量小于5％；
以上(1)～(7)项均满足，则岩体和支护结构整体安全稳定，可正常施工，不需要进行额外补强加固；
预警等级：
(1)实测地下洞室群围岩监测变形/洞室等效开挖半径>1％但是<2％；
(2)实测4-7天内的围岩变形速率大于0.2mm/d但是小于1mm/d；
(3)实测围岩松弛圈深度小于该位置处的锚杆长度；
(4)实测锚索荷载受力70％都小于设计值的0.8倍；
(5)如果数值反演分析模型中有部分锚索荷载超过设计值，超设计值的锚索数量占同类型锚索数量超过5％但小于10％；
(6)实测锚杆应力80％都小于设计值的0.8倍；
(7)如果数值反演分析模型中有部分锚杆应力超过设计值，超设计值的锚杆数量占同类型锚杆数量大于5％但是小于10％；
以上(1)～(7)中，如果有3项满足，岩体和支护结构基本安全稳定，建议减缓开挖速度，加密监测，复核现有围岩稳定特征和支护结构安全裕度，视现场情况对变形、支护受力较大位置进行加强支护；
危险等级：
(1)实测地下洞室群围岩监测变形/洞室等效开挖半径>2％；
(2)实测4-7天内的围岩变形速率>1mm/d；
(3)实测围岩松弛圈深度>该位置处的锚杆长度；
(4)实测锚索荷载受力60％都小于设计值的0.8倍；
(5)如果数值反演分析模型中有部分锚索荷载超过设计值，超设计值的锚索数量占同类型锚索数量超过>10％；
(6)实测锚杆应力60％都小于设计值的0.8倍；
(7)如果数值反演分析模型中有部分锚杆应力超过设计值，超设计值的锚杆数量占同类型锚杆数量大于>10％；
以上(1)～(7)中，如果有两项满足，岩体和支护结构存在安全稳定风险，停止开挖，开展分析研究，并及时对潜在失稳岩体进行针对性补强加固，必要时紧急避险。
2.根据权利要求1所述的基于岩体和支护结构双重安全的地下洞室稳定评价方法，其特征在于：所述步骤S2中，岩体本构模型可以根据力学试验成果采用理想弹塑性、弹-脆性、弹-延-脆性。
3.根据权利要求1所述的基于岩体和支护结构双重安全的地下洞室稳定评价方法，其特征在于：所述步骤S2中，岩体力学参数和结构面力学参数由室内试验、现场试验和反演分析综合确定。
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