锦屏洞群动态2009-9-18

大型地下洞室群稳定性的

动态反馈分析与调控方法中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点室验室2009.9.18冯夏庭江权向天兵周辉汇报提纲大型地下厂房大型硐室群动态闭环反馈分析与调控方法岩体力学模型与参数智能识别方法工程区域地应力非线性辨识开挖过程中的围岩力学行为预测与动态反馈锦屏厂房围岩力学参数动态识别基于强度折减原理的洞群整体安全系数估计变形管理标准分区自适应调控结论1、大型地下厂房锦屏II地下厂房工程规模主厂房尺寸为352.4m×28.30m×72.20m主变洞尺寸为374.60m×19.80m×31.40m，位于主厂房下游45m处工程地质条件陡倾岩层小夹角高倾角断层厂房轴线与最大主应力方向大夹角河谷应力场不利断层和地应力V型河谷陡倾小夹角岩层特点：工程尺寸大分层分步开挖穿越的地质条件复杂，不易事先准确掌握超过现有规范和工程经验需要动态的稳定性分析与优化设计！断层结构面结构面2、硐室群动态闭环反馈分析与调控方法施工前的每步开挖的稳定性分析与设计优化地球物理勘探硐现场测试室内实验地质条件地应力岩石力学模型岩石力学参数智能方法并行计算动态反馈分析当前层当前层开挖后地应力场的复核：变形模式、典型破坏型式和位置力学参数反演下层地质条件的复核稳定性状态判别加固调整下步开挖的围岩稳定性预测与支护措施建议施工期动态反馈分析与设计优化变形管理等级岩体劣化模型3、岩体力学模型与参数识别方法弹性模型（BieniawskiZT，1969）屈服或开挖后岩体力学参数劣化特性E1>E2E2E1粘聚力内摩擦角大理岩峰后循环加卸载试验开挖后围岩损伤从周边到深部不一样基于岩体劣化是细观裂纹扩展的认识，认为E、C、φ都是等效塑性应变的函数；故岩体屈服后可依据下式动态更新力学参数，使得E、C、φ随等效塑性应变进行动态调整屈服面变化参数演化实测松动圈计算松动圈实测波速曲线计算模量曲线锦屏二级地下厂房第一层开挖后模拟结果与实测对比

验证基于多元信息的参数识别方法多元工程测试信息力学参数敏感性分析岩体参数智能识别围岩监测变形、锚杆应力、声波测试的松动圈等效参数可靠性检验高度非线性与全局搜索把握关键参数，减小反演工作量变形、EDZ的计算值与实测值对比实测地应力4、工程区域地应力非线性反演应力及解除法测量值大于水压致裂法测量值实测地应力特点厂房区域一般位置地应力

σ1:约-11～-22MPaσ2:约-7～-20MPaσ3:约-6～-14MPa随埋深而增大的趋势；最大主应力方位角为N120～160oE，与区域最大主应力NWW方向一致；实测竖直应力值明显大于自重应力值，说明岩体内残留较大的构造应力。厂址区域地应力场历史过程古～中生代以来经受印支、燕山，特别是喜马拉雅运动，使得区域存在较大的构造应力；自新生代以来，雅砻江河流侵蚀作用形成现今“V”型河谷，使得河谷区域的水平构造应力得到了一定程度的释放。

如何考虑这种构造历史过程？非线性反演——地层剥蚀过程模拟+进化神经网络

+弹塑性计算地层剥蚀原理——河流强烈的侵蚀作用，其造成的地表剥蚀卸荷效应对地应力场的分布具有明显的影响，采用数值计算，分层开挖模拟这种剥蚀效应人工神经网络技术——建立地应力反演中复杂边界条件与测点应力之间的非线性映射关系理想弹塑性计算——反映构造的先后历史过程考虑的因素：河谷地貌、12条断层、3大类岩性模型范围：X向860m，Y向800m； 共含有12.9万单元，2.4万节点

参与反演测点：7个(测试数据技术审查后选定)锦屏二级厂区地应力反演计算区域实测地应力：选取距离厂房区域近，数据较一致的水压致裂法值网格模型边界条件xx挤压×10-2myy挤压×10-2mxy挤压×10-3myx挤压×10-3m重力修正系数数值4.321.841.711.231.01＋权重？权重？权重？X向挤压Y向挤压水平剪切实测地应力与回归结果对比最大主应力中间主应力最小主应力8#机组最大主应力8#机组中间主应力8#机组最小主应力非线性反演获得的厂区地应力特征最大主应力约-14～-17MPa，与厂房轴线呈大夹角；最小主应力约-5～-8MPa，近竖直方向主应力值/MPa方位角/O倾角/O最大主应力-14～-17N110~130E35~50中间主应力-10～-11N20~40E20～30最小主应力-5～-8N20~40E40~55厂址区域总体上处于河谷特征应力场的应力集中到应力平稳带之间的过渡带区域，表明现今应力场仍旧受河谷应力场和远古构造应力场共同影响，岩体中残留一定的X向水平构造应力厂房第4#机组竖直中轴线侧压系数洞室下游侧拱剪切挤压破坏：厂址区域最大主应力走向近似垂直雅砻江，与主厂房洞轴线夹角较大，且倾角在35～50

之间

初步验证1s上游边墙下游边墙1s厂房第一层开挖后施工过程中的复核第三层开挖后最大主应力厂房第3层开挖后，下游拱座喷砼外鼓厂房第6层开挖后，边墙中部围岩变形最大计算测量计算最大应力值－喷砼开裂外鼓的应力值的一致性计算变形模式与实测变形规律的一致性计算观察复核依据，主厂房开挖后的(计算时地质条件基本反映)1）围岩破坏模式2）围岩变形模式在原有地应力反演基础上，基于正交设计原理进行比选优化边界条件xx挤压×10-2myy挤压×10-2mxy挤压×10-3myx挤压×10-3m重力修正系数数值范围3～51～31～31～30.9～1.3上次识别值 4.32 1.84 1.710 1.23 1.01本次识别值＋

9％

＋

5％

最大主应力：增加1-2MPa地应力校准后结果对比1)重分布应力场集中值提高3-5MPa2)变形模式与现场实测值更为吻合1-1监测断面3-3监测断面厂区多个洞室围岩破坏验证了地应力的正确性σ1σ1σ1数值计算可以通过变形、应力、塑性区分析等定性地评价洞群的稳定性，但仍旧无法定量地给出洞群的整体安全裕度采用强度折减原理以洞室间等效塑性应变贯通作为判断洞室群整体失稳的临界标准通过折减计算搜索安全系数5、施工过程中围岩力学行为动态反馈预测5.1大型洞群整体安全系数估计安全系数的折减过程计算：屈服后塑性应变区逐渐扩展大面积贯通F=1.25F=1.23F=1.25F=1.58无支护条件厂址区围岩及结构面物理力学参数建议值(设计院)

围岩类别岩

性抗压强度（MPa）变形模量(103MPa)弹性模量(103MPa)泊松比抗剪断强度(岩/岩)干湿水平垂直水平垂直f’(MPa)C’Ⅱ条带状云母大理岩(T2y4)85～9055～6213.0～15.010.0～12.020～2515～200.211.30～1.351.10~1.20中厚层大理岩(T2y5-

(1))90～9580～8514.0～16.012.0～13.022～3520～300.21Ⅲ条带状云母大理岩(T2y4)70～8550～608.0～11.07.0～10.09～168～150.23~0.260.90～1.200.70～1.00中厚层大理岩(T2y5-

(1))80～9065～808.0～11.06.0～10.012～179～150.23~0.26Ⅳ裂隙发育带或断层其影响带45～5540～450.6～1.50.4～1.01.0～1.51～20.350.70～0.800.40～0.505.2锦屏厂房围岩力学参数动态识别5.2锦屏厂房围岩力学参数动态识别厂房系统监测断面多点位移计布置在洞室开挖过程中，每开挖一层就进行一次参数智能反演参与反演的信息包括监测变形、声波测试的松动圈厚度

蓝色多点位移计是通过事先开挖好的排水廊道预埋；紫色是当前层开后埋设松动圈测试结果准三维模型+三维模型：可根据最新揭露地质条件调整网格模型GA-ANN进化神经网络方法：全局空间寻优含一个机组的准三维模型三维模型网格模型动态参数反演结果洞群开挖前变形较大主要集中在上游边墙和母线洞下方预测EDZ：一般位置2～3m，破碎带部位达到4m左右变形模量（开挖前估计值）厂房主体工程分8层开挖72m第一层开挖后计算变形与实测变形对比围岩变形模量动态演化监测点1-1断面计算变形与实测变形对比第二层开挖后

监测点1-1断面不同位置上反演的围岩变形模量不同位置上反演的围岩变形模量第三层开挖后计算变形与实测变形对比监测点1-1断面计算变形与实测变形对比第四层开挖后监测点1-1断面不同位置上反演的围岩变形模量第五、六层开挖后该部位变形具有收敛趋势多断面反演出的参数具有一致化趋势1-1断面第六、七层开挖后该部位变形具有收敛趋势多断面反演出的参数具有一致化趋势多期动态参数反演能把握洞群基本变形规律与变形量级，虽然现场复杂因素影响监测值和计算值的准确性松动圈（EDZ）对比1-1测试断面实测松动圈计算塑性区国内外同类工程围岩变形统计分析数值仿真模拟推定围岩理论变形值不同岩石的室内试验确定围岩的极限应变变形量变形速率按安全、预警、危险三档给出区间值现场应用反馈与修正监测数据分析现场调研分析初步估计动态调整5.3变形管理标准变形与变形速率特征Mcf0+000-1Mcf0+108.5-1正常的变形速率波动范围<0.3mm/d具有潜在不稳定因素下，局部超过0.5mm/d目前的实践经验：验证厂房喷砼开裂2008年4月29日，厂房厂右0+000下游拱座多点位移计Mcf0+000-4监测到围岩变形约14.99mm（第一层开挖监测到2.5mm变形），即超出了厂房下游边墙围岩稳定管理标准的“预警”等级12mm。随后的现场踏勘发现，5月8日，该拱座喷射混凝土出现一条长约8-10m的水平裂缝开挖分期主厂房管理变形管理值安全等级预警等级危险等级变形增量(mm)变形速度(mm/d)变形增量(mm)变形速度(mm/d)变形增量(mm)变形速度(mm/d)28.00.112.00.2520.0（）0.4变形20.14mm多次锚索加强支护14.99mm主变室开裂主变室第二层开挖完后第三层下游侧导洞开挖过程中，主变室1-1监测断面多点位移计Mzb0+000-3在9月下旬监测到围岩变形约17.18mm（2008年9月15日），其变形增量超出主变室下游边墙围岩变形“预警值15mm”2008年9月26日，现场人员发现主变室厂右0+017区域下游侧拱发生延伸长度约4m左右的喷砼开裂主变室开挖分期主变室管理变形管理值安全等级预警等级危险等级变形增量/mm变形速率/mm.d-1变形增量/mm变形速率/mm.d-1变形增量/mm变形速率/mm.d-1310.00.315.00.525.00.717.18mm5.4局部稳定性问题的分区自适应调控块体稳定性问题分析流程，左侧非块体稳定性问题分析流程，右侧Mcf0+263多点位移计起监测到围岩发生了明显的变形突变，最大变形从原来的12.76mm（2月24日）增大到20.89mm（2月28日），变形速率在1.1-3.4mm/d1、厂右263调控局部稳定性问题处理厂房第二层上游边墙围岩变形管理等级其变形量和变形速率都超出了此前制定的厂房第二层开挖围岩稳定管理标准的“预警”级别大大超出了中国国家规范《锚杆喷射混凝土支护技术规范》中关于洞室稳定的判别标准之一“收敛速度小于0.2mm/d”超出早年傅冰骏教授对鲁布革地下厂房单层开挖允许变形量不超过20mm的研究结论厂右0+263区域边墙地质素描将开挖、反馈分析和工程调控的时间点映射到围岩监测变形时程曲线后可见，多点位移计Mcf0+263-1的监测变形时间曲线的波动过程正好反映了这种开挖与工程调控对围岩的影响和作用效果

①第二层开挖时变形突增②第一次反馈分析与工程调控③第三层上半层开挖支护④第二次反馈分析与工程调控⑤第三层下半层开挖支护⑥围岩变形趋于收敛开挖与时间变形曲线对应关系围岩变形较大部位位于上游侧，边墙变形约24mm左右上游边墙围岩塑性区厚度约3m左右，下游边墙围岩塑性区约2m左右上游边墙围岩中最大主应力方向近似竖直，最小主应力方向近似水平这种不利应力状态的劈剪作用易导致表层围岩屈服出现大变形，也易使得走向近似平行厂房洞轴线的陡倾结构面趋于张开1）第二层开挖后围岩力学状态分析变形云图主应力矢量表层松弛岩体力学参数反演立即停止厂右0+263安装间部位的开挖施工，并加强该断面围岩变形监测频率；立即进行EL1345高程以上的系统锚杆支护和预应力锚索支护施工，即EL1350高程以上间距4.5×4.5m的1750kN预应力锚索施工和间距1.5×1.5m的6/9m锚杆施工2）工程调控措施（2008年3月4日）新的问题停工后监测变形趋于平稳开挖后变形马上又增长受偏压初始地应力控制，安装间开挖完成后，上游边墙应力松弛相对较明显边墙EL1334以上围岩最大主应力方向近似竖直，最小主应力方向近似水平，而这种不利应力方向的劈裂作用易使得走向近似平行厂房洞轴线的陡倾结构面趋于张开，是安装间上游边墙大变形的本征原因最大主应力云图3）第三层开挖后的围岩力学行为预测第三层开挖过程中，整个洞室围岩变形增量较大的区域主要是上游边墙EL1345岩锚梁部位，第三层开挖最大变形增量可能达33mm左右安装间上游边墙塑性区厚度最大达3-4m；而下游边墙塑性区约1.5-2.5m，这表明在偏压初始主应力主导下，安装间开挖对上游边墙围岩变形和破坏影响相对较剧烈

从安装间第三层开挖围岩劣化后的变形模量分布来看，上游边墙岩锚梁部位围岩劣化相对较严重，这也是厂房第三层开挖与支护设计应给予重视的关键部位变形增量塑性区围岩劣化3）第三层开挖后的围岩力学行为预测4）厂房第三层开挖工程调控措施建议由于围岩松弛变形较明显的深度约距洞壁表面4m左右范围内，故锚杆的长度可以考虑为4-5m+锚固端长度分析表明围岩大变形的深度范围约4m左右，安装间第三层开挖过程中上游边墙围岩劣化相对较严重，还将发生较大的变形可考虑采用锚杆或采用预应力锚杆加固，抑制围岩层面开裂和进一步劣化预应力锚杆加强支护锚索吨位调整在最终加固方案中，该部位采用了长度为9m的预应力中空注浆锚杆进行了补强加固5)工程实际效果进一步力学参数反演表明，加固后围岩等效参数得到一定程度提高（变形模量提高了15.5%，初始粘聚力提高了8.8%）从该部位多点位移计Mc