大型地下洞室群穩定性的

動態反饋分析與調控方法中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點室驗室2009.9.18馮夏庭江權向天兵周輝匯報提綱大型地下廠房大型硐室群動態閉環反饋分析與調控方法巖體力學模型與參數智能識別方法工程區域地應力非線性辨識開挖過程中的圍巖力學行為預測與動態反饋錦屏廠房圍巖力學參數動態識別基于強度折減原理的洞群整體安全系數估計變形管理標準分區自適應調控結論1、大型地下廠房錦屏II地下廠房工程規模主廠房尺寸為352.4m×28.30m×72.20m主變洞尺寸為374.60m×19.80m×31.40m，位于主廠房下游45m處工程地質條件陡傾巖層小夾角高傾角斷層廠房軸線與最大主應力方向大夾角河谷應力場不利斷層和地應力V型河谷陡傾小夾角巖層特點：工程尺寸大分層分步開挖穿越的地質條件復雜，不易事先準確掌握超過現有規范和工程經驗需要動態的穩定性分析與優化設計！斷層結構面結構面2、硐室群動態閉環反饋分析與調控方法施工前的每步開挖的穩定性分析與設計優化地球物理勘探硐現場測試室內實驗地質條件地應力巖石力學模型巖石力學參數智能方法并行計算動態反饋分析當前層當前層開挖后地應力場的復核：變形模式、典型破壞型式和位置力學參數反演下層地質條件的復核穩定性狀態判別加固調整下步開挖的圍巖穩定性預測與支護措施建議施工期動態反饋分析與設計優化變形管理等級巖體劣化模型3、巖體力學模型與參數識別方法彈性模型（BieniawskiZT，1969）屈服或開挖后巖體力學參數劣化特性E1>E2E2E1粘聚力內摩擦角大理巖峰后循環加卸載試驗開挖后圍巖損傷從周邊到深部不一樣基于巖體劣化是細觀裂紋擴展的認識，認為E、C、φ都是等效塑性應變的函數；故巖體屈服后可依據下式動態更新力學參數，使得E、C、φ隨等效塑性應變進行動態調整屈服面變化參數演化實測松動圈計算松動圈實測波速曲線計算模量曲線錦屏二級地下廠房第一層開挖后模擬結果與實測對比

驗證基于多元信息的參數識別方法多元工程測試信息力學參數敏感性分析巖體參數智能識別圍巖監測變形、錨桿應力、聲波測試的松動圈等效參數可靠性檢驗高度非線性與全局搜索把握關鍵參數，減小反演工作量變形、EDZ的計算值與實測值對比實測地應力4、工程區域地應力非線性反演應力及解除法測量值大于水壓致裂法測量值實測地應力特點廠房區域一般位置地應力

σ1:約-11～-22MPaσ2:約-7～-20MPaσ3:約-6～-14MPa隨埋深而增大的趨勢；最大主應力方位角為N120～160oE，與區域最大主應力NWW方向一致；實測豎直應力值明顯大于自重應力值，說明巖體內殘留較大的構造應力。廠址區域地應力場歷史過程古～中生代以來經受印支、燕山，特別是喜馬拉雅運動，使得區域存在較大的構造應力；自新生代以來，雅礱江河流侵蝕作用形成現今“V”型河谷，使得河谷區域的水平構造應力得到了一定程度的釋放。

如何考慮這種構造歷史過程？非線性反演——地層剝蝕過程模擬+進化神經網絡

+彈塑性計算地層剝蝕原理——河流強烈的侵蝕作用，其造成的地表剝蝕卸荷效應對地應力場的分布具有明顯的影響，采用數值計算，分層開挖模擬這種剝蝕效應人工神經網絡技術——建立地應力反演中復雜邊界條件與測點應力之間的非線性映射關系理想彈塑性計算——反映構造的先后歷史過程考慮的因素：河谷地貌、12條斷層、3大類巖性模型范圍：X向860m，Y向800m； 共含有12.9萬單元，2.4萬節點

參與反演測點：7個(測試數據技術審查后選定)錦屏二級廠區地應力反演計算區域實測地應力：選取距離廠房區域近，數據較一致的水壓致裂法值網格模型邊界條件xx擠壓×10-2myy擠壓×10-2mxy擠壓×10-3myx擠壓×10-3m重力修正系數數值4.321.841.711.231.01＋權重？權重？權重？X向擠壓Y向擠壓水平剪切實測地應力與回歸結果對比最大主應力中間主應力最小主應力8#機組最大主應力8#機組中間主應力8#機組最小主應力非線性反演獲得的廠區地應力特征最大主應力約-14～-17MPa，與廠房軸線呈大夾角；最小主應力約-5～-8MPa，近豎直方向主應力值/MPa方位角/O傾角/O最大主應力-14～-17N110~130E35~50中間主應力-10～-11N20~40E20～30最小主應力-5～-8N20~40E40~55廠址區域總體上處于河谷特征應力場的應力集中到應力平穩帶之間的過渡帶區域，表明現今應力場仍舊受河谷應力場和遠古構造應力場共同影響，巖體中殘留一定的X向水平構造應力廠房第4#機組豎直中軸線側壓系數洞室下游側拱剪切擠壓破壞：廠址區域最大主應力走向近似垂直雅礱江，與主廠房洞軸線夾角較大，且傾角在35～50

之間

初步驗證1s上游邊墻下游邊墻1s廠房第一層開挖后施工過程中的復核第三層開挖后最大主應力廠房第3層開挖后，下游拱座噴砼外鼓廠房第6層開挖后，邊墻中部圍巖變形最大計算測量計算最大應力值－噴砼開裂外鼓的應力值的一致性計算變形模式與實測變形規律的一致性計算觀察復核依據，主廠房開挖后的(計算時地質條件基本反映)1）圍巖破壞模式2）圍巖變形模式在原有地應力反演基礎上，基于正交設計原理進行比選優化邊界條件xx擠壓×10-2myy擠壓×10-2mxy擠壓×10-3myx擠壓×10-3m重力修正系數數值范圍3～51～31～31～30.9～1.3上次識別值 4.32 1.84 1.710 1.23 1.01本次識別值＋

9％

＋

5％

最大主應力：增加1-2MPa地應力校準后結果對比1)重分布應力場集中值提高3-5MPa2)變形模式與現場實測值更為吻合1-1監測斷面3-3監測斷面廠區多個洞室圍巖破壞驗證了地應力的正確性σ1σ1σ1數值計算可以通過變形、應力、塑性區分析等定性地評價洞群的穩定性，但仍舊無法定量地給出洞群的整體安全裕度采用強度折減原理以洞室間等效塑性應變貫通作為判斷洞室群整體失穩的臨界標準通過折減計算搜索安全系數5、施工過程中圍巖力學行為動態反饋預測5.1大型洞群整體安全系數估計安全系數的折減過程計算：屈服后塑性應變區逐漸擴展大面積貫通F=1.25F=1.23F=1.25F=1.58無支護條件廠址區圍巖及結構面物理力學參數建議值(設計院)

圍巖類別巖

性抗壓強度（MPa）變形模量(103MPa)彈性模量(103MPa)泊松比抗剪斷強度(巖/巖)干濕水平垂直水平垂直f’(MPa)C’Ⅱ條帶狀云母大理巖(T2y4)85～9055～6213.0～15.010.0～12.020～2515～200.211.30～1.351.10~1.20中厚層大理巖(T2y5-

(1))90～9580～8514.0～16.012.0～13.022～3520～300.21Ⅲ條帶狀云母大理巖(T2y4)70～8550～608.0～11.07.0～10.09～168～150.23~0.260.90～1.200.70～1.00中厚層大理巖(T2y5-

(1))80～9065～808.0～11.06.0～10.012～179～150.23~0.26Ⅳ裂隙發育帶或斷層其影響帶45～5540～450.6～1.50.4～1.01.0～1.51～20.350.70～0.800.40～0.505.2錦屏廠房圍巖力學參數動態識別5.2錦屏廠房圍巖力學參數動態識別廠房系統監測斷面多點位移計布置在洞室開挖過程中，每開挖一層就進行一次參數智能反演參與反演的信息包括監測變形、聲波測試的松動圈厚度

藍色多點位移計是通過事先開挖好的排水廊道預埋；紫色是當前層開后埋設松動圈測試結果準三維模型+三維模型：可根據最新揭露地質條件調整網格模型GA-ANN進化神經網絡方法：全局空間尋優含一個機組的準三維模型三維模型網格模型動態參數反演結果洞群開挖前變形較大主要集中在上游邊墻和母線洞下方預測EDZ：一般位置2～3m，破碎帶部位達到4m左右變形模量（開挖前估計值）廠房主體工程分8層開挖72m第一層開挖后計算變形與實測變形對比圍巖變形模量動態演化監測點1-1斷面計算變形與實測變形對比第二層開挖后

監測點1-1斷面不同位置上反演的圍巖變形模量不同位置上反演的圍巖變形模量第三層開挖后計算變形與實測變形對比監測點1-1斷面計算變形與實測變形對比第四層開挖后監測點1-1斷面不同位置上反演的圍巖變形模量第五、六層開挖后該部位變形具有收斂趨勢多斷面反演出的參數具有一致化趨勢1-1斷面第六、七層開挖后該部位變形具有收斂趨勢多斷面反演出的參數具有一致化趨勢多期動態參數反演能把握洞群基本變形規律與變形量級，雖然現場復雜因素影響監測值和計算值的準確性松動圈（EDZ）對比1-1測試斷面實測松動圈計算塑性區國內外同類工程圍巖變形統計分析數值仿真模擬推定圍巖理論變形值不同巖石的室內試驗確定圍巖的極限應變變形量變形速率按安全、預警、危險三檔給出區間值現場應用反饋與修正監測數據分析現場調研分析初步估計動態調整5.3變形管理標準變形與變形速率特征Mcf0+000-1Mcf0+108.5-1正常的變形速率波動范圍<0.3mm/d具有潛在不穩定因素下，局部超過0.5mm/d目前的實踐經驗：驗證廠房噴砼開裂2008年4月29日，廠房廠右0+000下游拱座多點位移計Mcf0+000-4監測到圍巖變形約14.99mm（第一層開挖監測到2.5mm變形），即超出了廠房下游邊墻圍巖穩定管理標準的“預警”等級12mm。隨后的現場踏勘發現，5月8日，該拱座噴射混凝土出現一條長約8-10m的水平裂縫開挖分期主廠房管理變形管理值安全等級預警等級危險等級變形增量(mm)變形速度(mm/d)變形增量(mm)變形速度(mm/d)變形增量(mm)變形速度(mm/d)28.00.112.00.2520.0（）0.4變形20.14mm多次錨索加強支護14.99mm主變室開裂主變室第二層開挖完后第三層下游側導洞開挖過程中，主變室1-1監測斷面多點位移計Mzb0+000-3在9月下旬監測到圍巖變形約17.18mm（2008年9月15日），其變形增量超出主變室下游邊墻圍巖變形“預警值15mm”2008年9月26日，現場人員發現主變室廠右0+017區域下游側拱發生延伸長度約4m左右的噴砼開裂主變室開挖分期主變室管理變形管理值安全等級預警等級危險等級變形增量/mm變形速率/mm.d-1變形增量/mm變形速率/mm.d-1變形增量/mm變形速率/mm.d-1310.00.315.00.525.00.717.18mm5.4局部穩定性問題的分區自適應調控塊體穩定性問題分析流程，左側非塊體穩定性問題分析流程，右側Mcf0+263多點位移計起監測到圍巖發生了明顯的變形突變，最大變形從原來的12.76mm（2月24日）增大到20.89mm（2月28日），變形速率在1.1-3.4mm/d1、廠右263調控局部穩定性問題處理廠房第二層上游邊墻圍巖變形管理等級其變形量和變形速率都超出了此前制定的廠房第二層開挖圍巖穩定管理標準的“預警”級別大大超出了中國國家規范《錨桿噴射混凝土支護技術規范》中關于洞室穩定的判別標準之一“收斂速度小于0.2mm/d”超出早年傅冰駿教授對魯布革地下廠房單層開挖允許變形量不超過20mm的研究結論廠右0+263區域邊墻地質素描將開挖、反饋分析和工程調控的時間點映射到圍巖監測變形時程曲線后可見，多點位移計Mcf0+263-1的監測變形時間曲線的波動過程正好反映了這種開挖與工程調控對圍巖的影響和作用效果

①第二層開挖時變形突增②第一次反饋分析與工程調控③第三層上半層開挖支護④第二次反饋分析與工程調控⑤第三層下半層開挖支護⑥圍巖變形趨于收斂開挖與時間變形曲線對應關系圍巖變形較大部位位于上游側，邊墻變形約24mm左右上游邊墻圍巖塑性區厚度約3m左右，下游邊墻圍巖塑性區約2m左右上游邊墻圍巖中最大主應力方向近似豎直，最小主應力方向近似水平這種不利應力狀態的劈剪作用易導致表層圍巖屈服出現大變形，也易使得走向近似平行廠房洞軸線的陡傾結構面趨于張開1）第二層開挖后圍巖力學狀態分析變形云圖主應力矢量表層松弛巖體力學參數反演立即停止廠右0+263安裝間部位的開挖施工，并加強該斷面圍巖變形監測頻率；立即進行EL1345高程以上的系統錨桿支護和預應力錨索支護施工，即EL1350高程以上間距4.5×4.5m的1750kN預應力錨索施工和間距1.5×1.5m的6/9m錨桿施工2）工程調控措施（2008年3月4日）新的問題停工后監測變形趨于平穩開挖后變形馬上又增長受偏壓初始地應力控制，安裝間開挖完成后，上游邊墻應力松弛相對較明顯邊墻EL1334以上圍巖最大主應力方向近似豎直，最小主應力方向近似水平，而這種不利應力方向的劈裂作用易使得走向近似平行廠房洞軸線的陡傾結構面趨于張開，是安裝間上游邊墻大變形的本征原因最大主應力云圖3）第三層開挖后的圍巖力學行為預測第三層開挖過程中，整個洞室圍巖變形增量較大的區域主要是上游邊墻EL1345巖錨梁部位，第三層開挖最大變形增量可能達33mm左右安裝間上游邊墻塑性區厚度最大達3-4m；而下游邊墻塑性區約1.5-2.5m，這表明在偏壓初始主應力主導下，安裝間開挖對上游邊墻圍巖變形和破壞影響相對較劇烈

從安裝間第三層開挖圍巖劣化后的變形模量分布來看，上游邊墻巖錨梁部位圍巖劣化相對較嚴重，這也是廠房第三層開挖與支護設計應給予重視的關鍵部位變形增量塑性區圍巖劣化3）第三層開挖后的圍巖力學行為預測4）廠房第三層開挖工程調控措施建議由于圍巖松弛變形較明顯的深度約距洞壁表面4m左右范圍內，故錨桿的長度可以考慮為4-5m+錨固端長度分析表明圍巖大變形的深度范圍約4m左右，安裝間第三層開挖過程中上游邊墻圍巖劣化相對較嚴重，還將發生較大的變形可考慮采用錨桿或采用預應力錨桿加固，抑制圍巖層面開裂和進一步劣化預應力錨桿加強支護錨索噸位調整在最終加固方案中，該部位采用了長度為9m的預應力中空注漿錨桿進行了補強加固5)工程實際效果進一步力學參數反演表明，加固后圍巖等效參數得到一定程度提高（變形模量提高了15.5%，初始粘聚力提高了8.8%）從該部位多點位移計Mc