CN114251121B - 一种大型地下洞室群整体安全系数的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大型地下洞室群整体安全系数的分析方法，适用于石油存储、能源、交通、水利、水电等技术领域的大型地下洞室群，尤其是具有明显洞群三维效应的岩体中的地下工程，主要包括：（1）洞室群开挖支护全过程的三维数值仿真；以及（2）基于超载法和强度折减法的数值分析以及洞室群围岩稳定定量评价指标；本发明通过数值仿真得到的最大剪切应变增量、变形收敛特征、支护结构应变特征等多指标来综合判断洞室群整体稳定安全系数。通过该方法可以获得洞室群不同建筑部位的稳定特征差异、具体安全系数的大小、支护结构的安全度。

Description

一种大型地下洞室群整体安全系数的分析方法
技术领域
本发明涉及一种大型地下洞室群整体安全系数的分析方法，适用于石油存储、能源、交通、水利、水电等技术领域的大型地下洞室群，尤其是具有明显洞群三维效应的岩体中的地下工程。
背景技术
大型地下洞室群围岩稳定分析和支护设计是地下工程建设过程中的重要内容，围岩稳定分析一般从影响围岩稳定性的主要因素入手：地应力，岩体质量和地质构造等。根据室内或者现场试验成果，采用地质分析方法、工程类比方法、数值分析方法、模型试验方法、现场监控法和反馈分析法等对围岩稳定和支护安全进行定性或者定量的评价，从而确定地下洞室的设计原则和开挖支护方式。
相关设计要求和规范都只给出了地下洞室群整体围岩稳定分析的内容以及围岩稳定性评价的重点或者控制性指标，如岩柱塑性区不贯通、松弛区深度不大于洞室跨度的0.5-0.6倍、洞周容许收敛应变等。对于局部稳定如块体稳定可以明确的给出安全系数，而对于整体稳定安全系数标准尚无明确的规范规定，也尚未有成熟的方法来进行定量评价。
为此，亟需提供一种大型地下洞室群整体安全系数的分析方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种大型地下洞室群整体安全系数的分析方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种大型地下洞室群整体安全系数的分析方法，其特征在于：所述大型地下洞室群整体安全系数的分析方法包括如下步骤：
S1、根据设计所需的开挖施工步骤和支护加固方案，采用有限元/有限差分/离散元数值分析方法，建立反映地下洞室群几何特征、地质结构和岩体质量特征、初始地应力场特征和开挖支护特征的三维数值模型，以对地下洞室群整个开挖支护过程进行全过程仿真分析；岩体力学参数、结构面力学参数和本构模型需要根据室内试验或者现场试验、前期支洞开挖响应反演分析来综合确定，模型边界为位移约束边界或者应力边界，初始地应力场特征根据区域地应力、实测地应力反演分析确定，洞室群按照施工方案进行分部、分序开挖和支护进行仿真，其中支护结构包含预应力锚索，每一个开挖施工步骤都需要计算至力学平衡；
S2、在完成地下厂房洞室群开挖、支护全过程仿真计算平衡后，对模型中所有单元节点的变形和速率重置为零，以进行强度折减和超载分析安全系数；
S3、当采用强度折减法求解安全系数时：模型边界条件与步骤S1相同，在步骤S2的基础上，将岩体本构模型调整为不考虑峰后力学特性的本构；将岩体强度指标以及结构面强度指标：粘结力c，摩擦角φ，抗拉强度σt同步进行折减，强度折减梯度增量可以根据安全系数求解精度需要设定；每次岩体或结构面的强度在折减以后为：c’＝c/FoS,φ’＝arctan(tanφ/FoS)，σt’＝σt/FoS，其中FoS为强度折减系数，c’、φ’和σt’分别为强度折减后的粘结力、摩擦角和抗拉强度；力学模型中的其他力学参数如变形模量，节理刚度等保持不变，每一次强度折减后都计算至力学平衡；
S4、当采用超载法求解安全系数时：三维洞室群模型上部边界需要采用应力边界，其他边界为位移约束边界，在步骤S2的基础上，岩体和结构面的本构模型和力学参数均维持不变，可以考虑岩体峰后力学特性；通过将模型上部的应力边界上的应力大小σv进行逐级放大，与此同时将模型中的重力加速度g也等比例逐级放大，边界应力σv和重力加速度g的放大系数或者超载系数FoL的增量可以根据安全系数求解精度需要设定，每一次超载后都计算至力学平衡，该处的力学平衡的收敛标准与步骤S3中强度折减法求解安全系数时保持一致；
S5、采用强度折减法和超载法求解安全系数过程中，在地下洞室群不同部位、不同高程的典型位置布设监测点，监测典型位置的变形/速率随强度折减/超载过程中的变化特征；
S6、通过详细考察典型监测点的变形/速率收敛特征、最大剪切应变增量是否形成贯通带，以及锚索的伸长率是否超过规范规定值或者现场原位试验成果值，这三个主要指标来综合判断洞室群整体稳定安全系数；
S7、地下洞室群当采用超载法和强度折减法时的数值模拟分析结果均表明：①监测点速率绝大部分都能收敛；②最大剪切应变没有形成贯通；③绝大部分锚索的总伸长率小于规范规定值或者现场原位试验成果值，那么就可以判断洞室整体稳定安全系数≥min[FoLmax,FoSmax,]；其中：FoLmax、FoSmax分别为满足上述三个条件的超载系数和强度折减系数的最大值；
S8、在步骤S7的分析结果基础上，洞室群的局部位置：a)个别点变形速率在折减系数FoSmin或者超载系数FoLmin情况下开始出现不收敛；b)相应位置的锚索总伸长率开始大于规范规定值或者现场原位试验成果值；若同时满足上述a、b两个条件说明该洞室群局部位置的安全度相对差一些，局部稳定安全系数＝min[FoLmin-δ,FoSmin-δ]；其中：FoLmin、FoSmin分别为满足上述两个条件下的超载系数或者强度折减系数的最小值；δ为强度折减梯度增量或者超载系数的增量。
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：步骤S1中：岩体可采用Mohr-Coulomb本构模型或者Hoek-Brown本构模型或者Ubiquitous-joints本构模型等，断层和节理采用Coulomb-slip库仑滑动模型或者Continuous-yielding节理模型，岩体和结构面本构模型均可以考虑峰后特性，如应变软化或强化。
作为本发明的优选技术方案：步骤S3中：力学平衡的收敛标准为不平衡力的比率或者分析程序中一般默认的收敛设置。
作为本发明的优选技术方案：步骤S7中：监测点速率绝大部分都能收敛为监测点速率90％以上都能收敛。
作为本发明的优选技术方案：步骤S7中：最大剪切应变没有形成贯通包括：岩柱中的最大剪应变没有贯通，单一洞室的边墙或顶拱没有形成贯通的剪应变带，且剪切应变增量根据岩性特征确定，不超过表征岩体峰后特征的极限塑性应变。
作为本发明的优选技术方案：步骤S7中：绝大部分锚索的总伸长率小于规范规定值或者现场原位试验成果值为90％以上锚索的总伸长率小于规范规定值或者现场原位试验成果值。
本发明提供一种基于超载法和强度折减法计算和评价地下洞室群整体安全系数的分析方法，主要包括：(1)洞室群开挖支护全过程的三维数值仿真；以及(2)基于超载法和强度折减法的数值分析以及洞室群围岩稳定定量评价指标；本发明通过数值仿真得到的最大剪切应变增量、变形收敛特征、支护结构应变特征等多指标来综合判断洞室群整体稳定安全系数。通过该方法可以获得洞室群不同建筑部位的稳定特征差异、具体安全系数的大小、支护结构的安全度。
附图说明
图1为本发明所提供的地下洞室群三维数值模型的图示。
图2为锚索支护的图示。
图3为超载法中应力边界条件的图示。
图4为典型监测点的布置图示。
图5为典型监测点变形速率随强度折减系数(超载系数)变化曲线图。
图6为最大剪切应变形成贯通带的图示。
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。
图1-5中：1-地下洞室a；2-地下洞室b；3-地下洞室c；4-地下洞室d；5-地下洞室e；6-数值模型边界；7-开挖分层界线；8-锚索支护；9-应力边界σv；10-重力加速度g；11-典型监测点；12-最大剪切应变增量贯通带；13-监测点变形速率曲线。
S1、采用通用商业有限元/有限差分/离散元数值分析软件，建立反映地下洞室群几何特征、地质结构和岩体质量特征、初始地应力场特征和开挖支护特征的三维数值模型，如图1所示，图1为本发明所提供的地下洞室群三维数值模型的图示。岩体或结构面力学参数和本构模型需要根据室内试验或者现场试验、前期支洞开挖响应反演分析等来综合确定，如岩体可采用Mohr-Coulomb本构模型，Hoek-Brown本构模型，Ubiquitous-joints本构模型等，断层和节理采用Coulomb-slip库仑滑动模型，Continuous-yielding节理模型等，岩体和结构面本构模型均可以考虑峰后特性，如应变软化或强化。模型边界可以是位移约束边界或者应力边界，初始地应力场特征根据区域地应力、实测地应力反演分析确定，洞室群按照施工方案进行分部、分序开挖和支护进行仿真，其中支护结构可以包含预应力锚索等，如图2所示，图2中为采用锚索支护的支护结构的图示。
S2、在完成地下厂房洞室群开挖、支护全过程仿真计算平衡后，对模型中所有单元节点的变形和速率重置为零，以进行强度折减和超载计算安全系数。
S3、当采用强度折减法求解安全系数时：模型边界条件与步骤S1相同，在步骤S2的基础上，将岩体本构模型调整为不考虑峰后力学特性的本构。将岩体强度指标以及结构面强度指标：粘结力c、摩擦角φ和抗拉强度σt同步进行折减，强度折减梯度增量可以根据安全系数求解精度需要设定为δ＝0.02、0.05、0.10等。每次岩体或结构面的强度在折减以后为：c’＝c/FoS，φ’＝arctan(tanφ/FoS)，σt’＝σt/FoS，其中FoS为强度折减系数，c’、φ’和σt’分别为强度折减后的粘结力，摩擦角和抗拉强度。力学模型中的其他力学参数如变形模量，节理刚度等保持不变，每一次强度折减后都计算至力学平衡，力学平衡的收敛标准可以是不平衡力的比率或者分析程序一般默认的收敛设置。
S4、当采用超载法求解安全系数时：三维洞室群模型上部边界需要采用应力边界，其他边界为位移约束边界。在步骤S2的基础上，岩体和结构面的本构模型和力学参数均维持不变，可以考虑岩体峰后力学特性。通过将模型上部的应力边界上的应力大小σv进行逐级放大，与此同时将模型中的重力加速度g也等比例逐级放大，边界应力σv和重力加速度g的放大系数(超载系数)增量可以根据安全系数求解精度需要设定为δ＝0.02、0.05、0.10等，每一次超载后都计算至力学平衡，力学平衡的收敛标准与步骤S3中强度折减法求解安全系数时保持一致。如图3所示，图3为超载法中应力边界条件的图示。
S5、采用强度折减法和超载法求解安全系数过程中，在地下洞室群不同部位、不同高程的典型位置布设监测点，如图4所示，图4为典型监测点的布置图示，图中小黑点即为典型监测点，监测典型位置的变形/速率随强度折减/超载过程中的变化特征，如图5所示，图5为典型监测点变形速率随强度折减系数(超载系数)变化曲线图，其中纵坐标为监测点变形速率，横坐标分别为强度折减系数和超载系数，在每一个强度折减系数增量梯度或超载系数变化梯度δ下计算迭代步数相同，基于相同的收敛判断准则若变形速率收敛，即表征围岩稳定，若曲线呈现不收敛，则表征围岩失稳。
S6、通过详细考察典型监测点的变形/速率收敛特征，最大剪切应变增量是否形成贯通带，锚索的伸长率是否超过规范规定值或现场原位试验成果值等主要三个指标来综合判断洞室群整体稳定安全系数。如图6所示，图6为最大剪切应变形成贯通带的图示。
S7、地下洞室群当采用超载法和强度折减法时的数值模拟分析结果均表明：①监测点速率绝大部分(90％级以上)都能收敛；②最大剪切应变没有形成贯通(岩柱中的最大剪应变没有贯通，单一洞室的边墙或顶拱没有形成贯通的剪应变带，剪切应变增量根据岩性特征确定，一般不超过表征岩体峰后特征的极限塑性应变)；③绝大部分锚索(90％以上))总伸长率小于规范规定值或现场原位试验成果值，那么就可以判断洞室整体稳定安全系数≥min[FoLmax,FoSmax]。
S8、在步骤S7的分析结果基础上，洞室群的局部位置：a)个别点变形速率在折减系数FoSmin或者超载系数FoLmin情况下开始出现不收敛；b)相应位置的锚索总伸长率开始大于规范规定值或现场原位试验成果值，例如：3.5％；若同时满足上述a、b两个条件说明该洞室群局部位置的安全度相对差一些，局部稳定安全系数＝min[FoLmin-δ,FoSmin-δ]；其中：FoLmin、FoSmin为同时满足上述a、b两个条件下超载系数或者强度折减系数的最小值；δ为强度折减梯度增量或者超载系数的增量。
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，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大型地下洞室群整体安全系数的分析方法，其特征在于：所述大型地下洞室群整体安全系数的分析方法包括如下步骤：
S1、根据设计所需的开挖施工步骤和支护加固方案，采用有限元/有限差分/离散元数值分析方法，建立反映地下洞室群几何特征、地质结构和岩体质量特征、初始地应力场特征和开挖支护特征的三维数值模型，以对地下洞室群整个开挖支护过程进行全过程仿真分析；岩体力学参数、结构面力学参数和本构模型需要根据室内试验或者现场试验、前期支洞开挖响应反演分析来综合确定，模型边界为位移约束边界或者应力边界，初始地应力场特征根据区域地应力、实测地应力反演分析确定，洞室群按照施工方案进行分部、分序开挖和支护进行仿真，其中支护结构包含预应力锚索，每一个开挖施工步骤都需要计算至力学平衡；
S2、在完成地下厂房洞室群开挖、支护全过程仿真计算平衡后，对模型中所有单元节点的变形和速率重置为零，以进行强度折减和超载分析安全系数；
S3、当采用强度折减法求解安全系数时：模型边界条件与步骤S1相同，在步骤S2的基础上，将岩体本构模型调整为不考虑峰后力学特性的本构；将岩体强度指标以及结构面强度指标：粘结力c，摩擦角φ，抗拉强度σt同步进行折减，强度折减梯度增量根据安全系数求解精度需要设定；每次岩体或结构面的强度在折减以后为：c’＝c/FoS,φ’＝arctan(tanφ/FoS)，σt’＝σt/FoS，其中FoS为强度折减系数，c’、φ’和σt’分别为强度折减后的粘结力、摩擦角和抗拉强度；力学模型中的其他力学参数如变形模量，节理刚度等保持不变，每一次强度折减后都计算至力学平衡；
S4、当采用超载法求解安全系数时：三维洞室群模型上部边界需要采用应力边界，其他边界为位移约束边界，在步骤S2的基础上，岩体和结构面的本构模型和力学参数均维持不变，考虑岩体峰后力学特性；通过将模型上部的应力边界上的应力大小σv进行逐级放大，与此同时将模型中的重力加速度g也等比例逐级放大，边界应力σv和重力加速度g的放大系数或者超载系数FoL的增量根据安全系数求解精度需要设定，每一次超载后都计算至力学平衡，该处的力学平衡的收敛标准与步骤S3中强度折减法求解安全系数时保持一致；
S5、采用强度折减法和超载法求解安全系数过程中，在地下洞室群不同部位、不同高程的典型位置布设监测点，监测典型位置的变形/速率随强度折减/超载过程中的变化特征；
S6、通过详细考察步骤S3和S4中强度折减法和超载法计算成果中典型监测点的变形/速率收敛特征、最大剪切应变增量是否形成贯通带，以及锚索的伸长率是否超过规范规定值或现场原位试验成果值，这三个主要指标来综合判断洞室群整体稳定安全系数；
S7、地下洞室群当采用超载法和强度折减法时的数值模拟分析结果均表明：①监测点速率绝大部分都能收敛；②最大剪切应变没有形成贯通；③绝大部分锚索的总伸长率小于规范规定或现场原位试验成果，那么判断洞室整体稳定安全系数≥min[FoLmax,FoSmax]；其中：FoLmax、FoSmax分别为采用超载法或强度折减法计算时，能满足上述三个条件的超载系数FoL或者强度折减系数FoS的最大值；
S8、在步骤S7的分析结果基础上，洞室群的局部位置：a)个别点变形速率在折减系数FoSmin或者超载系数FoLmin情况下开始出现不收敛；b)相应位置的锚索总伸长率开始大于规范规定值或者现场原位试验成果值；若同时满足上述a、b两个条件说明该洞室群局部位置的安全度相对差一些，局部稳定安全系数＝min[(FoLmin-δ),(FoSmin-δ)；其中：FoLmin和FoSmin为超载系数FoS或者强度折减系数FoL的最小值；δ为强度折减梯度增量或者超载系数的增量。
2.根据权利要求1所述的大型地下洞室群整体安全系数的分析方法，其特征在于：步骤S1中：岩体可采用Mohr-Coulomb本构模型或者Hoek-Brown本构模型或者Ubiquitous-joints本构模型等，断层和节理采用Coulomb-slip库仑滑动模型或者Continuous-yielding节理模型。
3.根据权利要求1所述的大型地下洞室群整体安全系数的分析方法，其特征在于：步骤S3中：力学平衡的收敛标准为不平衡力的比率或者分析程序中一般默认的收敛设置。
4.根据权利要求1所述的大型地下洞室群整体安全系数的分析方法，其特征在于：步骤S7中：监测点速率绝大部分都能收敛为监测点速率90％以上都能收敛。
5.根据权利要求1所述的大型地下洞室群整体安全系数的分析方法，其特征在于：步骤S7中：最大剪切应变没有形成贯通包括：岩柱中的最大剪应变没有贯通，单一洞室的边墙或顶拱没有形成贯通的剪应变带，且剪切应变增量根据岩性特征确定，不超过表征岩体峰后特征的极限塑性应变。
6.根据权利要求1所述的大型地下洞室群整体安全系数的分析方法，其特征在于：步骤S7中：绝大部分锚索的总伸长率小于规范规定值或现场原位试验成果值为90％以上锚索的总伸长率小于规范规定值或者现场原位试验成果值。
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