开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法与流程

本发明属于岩土工程领域，涉及一种开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法。
背景技术：
：我国经济快速发展、能源需求日益增长以及“西部大开发”战略的持续、深入实施，促使西部山区正在或即将兴建一批大型交通隧道及水电地下洞室群项目。层状岩体的广泛分布使得多数交通隧道或水电地下洞室等大型地下工程修建于此类岩体之中，相比于节理等其它结构面，层状岩体相对恒定的产状、更好的空间延续性也使其易与整个地下工程建筑物相交切，影响程度和范围更广。其中，弯曲倾倒破坏是反倾层状结构岩体中常见的破坏模式之一，也是层状岩体地下工程边墙失稳的主要诱因。对于水电地下洞室群等地下工程而言，通常开挖规模巨大，其高边墙的特征更是推动了倾倒失稳的发生，加剧了这种失稳所致的局部破坏或坍塌对工程现场的破坏性。传统的倾倒变形失稳预测方法主要是针对层状岩质边坡，目前关于地下洞室围岩倾倒变形失稳预测的方法都是照搬边坡领域的研究成果，仅仅是从几何角度出发将洞室边墙与边坡区别开来，并未考虑边坡与地下洞室围岩二次应力场的巨大差异，特别是对于具有复杂断面形式的水电地下洞室群而言，传统的预测方法更是在应用上有很大的局限性。虽然目前关于倾倒变形破坏稳定性分析的研究较多，但多数针对的是层状岩质边坡，而且具有复杂断面形式的水电地下洞室围岩二次应力场对高边墙倾倒变形失稳的影响效应也没有体现在传统的倾倒失稳预测模型之中。目前，层状岩体洞室群高边墙倾倒变形失稳预测方法仍然处于探索阶段，若能针对层状岩体地下洞室群等大型地下工程的高边墙倾倒变形失稳提出更准确的预测方法，对于提高大型层状岩体地下工程施工的安全性、减少或阻止灾害的发生将产生积极的意义。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法，以提高对层状岩体地下工程高边墙变形失稳预测的准确性，实现开挖过程中的边墙倾倒变形失稳的动态预测。为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：本发明提供的开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法，包括以下步骤：①以层状岩体地下工程中岩层具有反倾层状结构的某一高边墙的围岩作为监测区域，将esg微震监测系统所配备的传感器安装在反倾侧高边墙区域，安装的传感器至少为6支，传感器的布置方式应使传感器能在空间形成网状结构并将监测区域覆盖，将各传感器与esg微震监测系统的数据采集盒连接，然后将数据采集盒与处理数据信号的主机相连；②地下工程的开挖过程会诱导监测区域产生微震事件，在地下工程开挖过程中，通过esg微震监测系统对监测区域进行监测，测定监测区域产生的微震事件的微震数据，微震数据包括震源位置及微震发生时间；③利用flac3d软件建立包括监测区域在内的三维地下工程数值计算模型，使所述数值计算模型与实际的地下工程处于相同的坐标系中，并使岩层具有反倾层状结构的高边墙所属的洞室的轴线与数值计算模型的y轴平行，数值计算模型的x轴和z轴分别为水平和竖直方向，根据地下工程的现场分层开挖方案对开挖过程进行模拟，计算时将现场各个分层开挖阶段对应的微震数据所反映的岩体劣化信息按照实际时序嵌入数值计算模型中，计算开挖过程中的围岩变形和应力数据；④将步骤③计算过程中倾倒变形量出现异常时，数值计算模型中开挖形成的高边墙的高度记作h，将反倾侧高边墙顶部的坐标记作(x0，z0)，将反倾侧高边墙底角的坐标记作(x′0，z′0)，将倾倒变形量出现异常的区域划分为失稳风险区，失稳风险区在y轴方向由y＝y1断面延伸至y＝y2断面，从失稳风险区中选取若干断面y＝y0作为研究剖面，y1≤y0≤y2；⑤根据反倾侧高边墙的层状结构岩体的几何特点，将反倾侧高边墙视作一系列在岩体深部嵌固的悬臂式梁，假定反倾侧高边墙内存在从底角斜向上延伸的基准面，该基准面与岩层层面的法线方向平行，反倾侧高边墙位于基准面以上且位于与高边墙顶部相交的岩层以下的部分组成倾倒区；现场勘查确定岩层厚度为t，将倾倒区共划分为n个岩层，将各岩层按照从下到上的方向依次编号为岩层1,岩层2,…,岩层n，将处于失稳风险区的岩层记作岩层i；根据几何关系确定各研究剖面上的岩层i上缘的长度为li1、下缘的长度为li2，以及各研究剖面上的岩层i的上缘、下缘与高边墙界面的交点坐标(xi1，zi1)和(xi2，zi2)；⑥分别将各研究剖面上的岩层i的上缘和下缘离散成长度为l'的小段，根据各研究剖面上的岩层i的上缘、下缘与高边墙界面的交点坐标求得各研究剖面上的岩层i的上缘和下缘上各切割点的坐标，所述切割点是指长度为l'的小段的端点，提取各研究剖面上各切割点对应的围岩应力(σx,σz,τxz)；根据式(1)和(2)计算各切割点的层面法向应力σn和层面切向应力τs，式(1)和(2)中，角标x和z分别代表x轴和z轴方向，σx,σz分别代表x轴和z轴方向的正应力，τxz代表剪切应力，α为岩层倾角，0°＜α＜90°，β为岩层层面外法线与x轴的夹角；⑦对各切割点进行是否发生破坏进行判断：根据层面强度最大拉应力准则，若某切割点的层面法向应力σn为拉应力且大于层面抗拉强度则该切割点发生层面拉破坏，那么该切割点的层面法向应力σn＝0，层面切向应力τs＝0；各切割点的层面切向应力τs需要满足结构面coulomb-slip准则，即满足式(3)，式(3)中，cj和分别表示层面粘聚力和摩擦角，σn为切割点的层面法向应力，τmax为层面错动制约阻力的最大值；当某切割点的层面切向应力τs大于式(3)中层面错动制约阻力的最大值τmax时，则该切割点发生层面剪破坏，此时将层面粘聚力cj和摩擦角分别设为残余值和并使用和替换cj和代入式(3)中，计算得到新的层面错动制约阻力最大值f'，那么该切割点的层面切向应力τs＝f'；若某切割点未发生层面拉破坏和层面剪破坏，则在后续的计算中该切割点的层面法向应力σn和切向应力τs仍然使用步骤⑥中根据式(1)和(2)计算出来的值；⑧以各研究剖面上的岩层i为单位，分别通过式(4)计算各研究剖面上的岩层i的参数ci，得到一系列参数ci的值，式(4)中，τi1j和τi2j分别表示某研究剖面上的岩层i的上缘、下缘的各切割点的层面切向应力值，σi1j和σi2j分别表示某研究剖面上的岩层i的上缘、下缘的各切割点的层面法向应力值，τi1j,τi2j,σi1j,σi2j的值根据步骤⑥⑦进行确定，mi1和mi2分别表示某研究剖面上的岩层i的上缘、下缘上切割点的数量，γ表示岩层i的重度，t表示岩层厚度，j表示第j个离散点，li1和li2分别表示某研究剖面上的岩层i的上缘和下缘的长度；以各研究剖面上的岩层i为单位，根据式(5)和(6)分别计算各研究剖面上的岩层i的参数ai和bi，得到一系列参数ai和bi的值，式(5)和(6)中，e表示岩层i的弹性模量，i表示岩层i的惯性矩，li1表示某研究剖面上的岩层i的上缘的长度；；以各研究剖面上的岩层i为单位，根据式(7)分别计算各研究剖面上的岩层i的参数δ，得到一系列参数δ的值，δ＝4u3+27v2(7)式(7)中，u＝bi/2ai，v＝ci/4ai；若某研究剖面上的岩层i对应的δ＞0，则该研究剖面上的岩层i处于稳定状态，若某研究剖面上的岩层i对应的δ≤0，则该研究剖面上的岩层i处于失稳状态。上述开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法的技术方案中，步骤④在从失稳风险区中选取研究剖面时，各研究剖面之间的距离越近，研究剖面选择得越多，最终得到的倾倒失稳预测结果就越详细，可以对将发生倾倒失稳的区域进行更加精确的定位，但研究剖面之间的距离越近，后续的计算过程的工作量就越大，因此，结合工程实际需求，通常来说，各研究剖面之间的距离不超过6米即可，进一步地，各研究剖面之间的距离可以选择4～6米。上述开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法的技术方案中，步骤⑥所述分别将各研究剖面上的岩层i的上缘和下缘离散成长度为l'的小段，其中的l'≤2m，进一步地，可以选择1m≤l'≤2m。上述开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法的技术方案中，步骤④中失稳风险区的判定是一种定性的判定，这个失稳风险区的判定没有特别严格的要求，通常本领域技术人员根据工程施工经验即可定性地确定，判定出风险失稳区的作用是为后续失稳预测时从这个失稳风险区中找到更准确的可能发生倾倒失稳的区域。例如，如果围岩变形的部位距离正在施工的部位相对较远，可以认为这个围岩变形就是一种异常的倾倒变形，具体地，例如施工的部位对应高程是el800，而围岩变形发生部位是el820，那么这种围岩变形就可以认为是一种异常的倾倒变形。作为一种具体的可行的方法，步骤④可根据数值计算的位移云图的计算结果来判断倾倒变形量是否出现异常。上述开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法的技术方案中，步骤④所述的微震数据所反映的岩体劣化信息参照文献li,a.,liu,y.,dai,f.,liu,k.,wei,m.d.,2020.continuumanalysisofthestructurallycontrolleddisplacementsforlarge-scaleundergroundcavernsinbeddedrockmasses.tunn.undergr.space.technol.97,103288.公开的方法进行获取。上述开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法的技术方案中，所述的地下工程主要包括隧道以及水电地下洞室群。与现有技术相比，本发明提供的技术方案产生了以下有益的技术效果：1.本发明提供了一种开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法，该方法利用微震监测技术捕捉层状岩体地下工程开挖过程中反倾侧高边墙区域内的微震事件，并通过flac3d软件将微震数据所反映的岩体劣化信息嵌入数值计算模型之中，实现大型层状岩体地下工程开挖围岩力学响应的预测，然后采用悬臂梁理论和突变理论推导得到反倾结构岩层倾倒变形的失稳判据，并根据高边墙位移预测结果确找到处于失稳风险区具有潜在倾倒失稳风险的岩层，将处于失稳风险区研究剖面上的具有潜在倾倒失稳风险的岩层的上缘、下缘离散为众多小段，提取各小段的端点对应的应力值，代入失稳判据公式实现对反倾侧高边墙倾倒变形稳定性的预测。由于本发明的方法所使用的岩层倾倒失稳判据公式充分考虑了地下工程围岩二次应力场的影响，因而与传统的倾倒失稳预测方法相比，本发明的方法更加符合层状岩体地下工程开挖后的实际应力场分布情况，有利于提高层状岩体地下工程高边墙倾倒变形失稳的准确性，进而提高大型层状岩体地下工程施工的安全性、更有效地减少或阻止灾害的发生。2.本发明的方法是基于微震监测技术建立起来的，微震监测技术能实时连续捕捉三维空间岩体破裂有效信息，使得本发明的方法实现了对高边墙局部倾倒失稳问题的实时动态预测。3.实验表明，本发明提供的方法能准确地对层状岩体工程高边墙倾倒变形失稳的定量化预测，有效增强了微震监测技术在层状岩体地下工程实践中的预测预警作用。附图说明图1是实施例1中失稳风险区及失稳风险区附近不同剖面的位移云图(单位:m)，其中的图(a)～(d)依次为断面y＝1181m，y＝1186m，y＝1192m，y＝1197m的位移云图。图2是实施例1中主厂房第viii层开挖后岩层倾倒失稳分析示意图，其中的图(b)是(a)图虚线圈出部分的放大图。具体实施方式以下通过实施例对本发明提供的开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述
发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明保护的范围。实施例1本实施例，以开挖于层状岩体之中的某大型水电站地下厂房洞室群为例，详细说明本发明提供的开挖过程中层状岩体地下工程高边墙倾倒失稳预测方法。①该大型水电站主厂房下游侧高边墙的岩层具有反倾层状结构，因此圈定主厂房下游侧边墙围岩作为监测区域，将加拿大esg微震监测系统所配备的加速度传感器安装在主厂房下游侧岩锚梁、母线洞侧墙和底板以及尾水支洞顶部等区域，共安装12支加速度传感器，各加速度传感器的布置高程不同，在空间形成网状结构将整个监测区域覆盖，将各传感器与esg微震监测系统的数据采集盒连接，然后将数据采集盒与处理数据信号的主机相连。②地下洞室群的开挖过程会诱导监测区域产生微震事件，在地下洞室群开挖过程中，通过esg微震监测系统对监测区域进行监测，测定监测区域产生的微震事件的微震数据，微震数据包括震源位置及微震发生时间。③利用flac3d软件建立包括监测区域在内的三维地下洞室群数值计算模型，使所述数值计算模型与现场实际的地下洞室群处于相同的坐标系中，并使岩层具有反倾层状结构的高边墙(即主厂房下游侧边墙)所属的洞室的轴线与数值计算模型的y轴平行，数值计算模型的x轴和z轴分别为水平和竖直方向，根据地下洞室群的现场分层开挖方案对开挖过程进行模拟，计算时将现场各个分层开挖阶段对应的微震数据所反映的岩体劣化信息按照实际时序嵌入数值计算模型中，计算开挖过程中的围岩变形和应力数据。所述的微震数据所反映的岩体劣化信息参照文献li,a.,liu,y.,dai,f.,liu,k.,wei,m.d.,2020.continuumanalysisofthestructurallycontrolleddisplacementsforlarge-scaleundergroundcavernsinbeddedrockmasses.tunn.undergr.space.technol.97,103288.公开的方法进行获取。④当数值计算模型中主厂房第viii层开挖后形成的高边墙高度为57m时，数值计算的位移云图的计算结果表明，此时主厂房下游侧高边墙在y＝1172.5m～y＝1209.5m范围内有倾倒变形失稳的风险，即该范围虽然距离正在施工的部位较远，但却出现了围岩变形，因此根据水电工程施工经验判定该范围内出现的围岩变形属于倾倒变形，也就是倾倒变形量出现了异常。将主厂房下游侧高边墙在y＝1172.5m～y＝1209.5m范围内的区域划分为失稳风险区。数值计算模型中主厂房第viii层开挖后形成的高边墙高度为57m时，反倾侧高边墙顶部的坐标为(x0，z0)＝(332,846)，反倾侧高边墙底角的坐标为(x′0，z′0)＝(331,789)，此时岩锚梁上缘的坐标为(332,837)、下缘的坐标为(331,838)，如图2所示。从失稳风险区中选取4个断面作为研究剖面，这个4个断面分别为y＝1197m，y＝1192m，y＝1186m，y＝1181m，这4个断面的位移云图如图1所示。⑤根据反倾侧高边墙的层状结构岩体的几何特点，将反倾侧高边墙视作一系列在岩体深部嵌固的悬臂式梁，假定反倾侧高边墙内存在从底角斜向上延伸的基准面(也称作aydan基准面，如图2所示)，该基准面与岩层层面的法线方向平行，反倾侧高边墙位于基准面以上且位于与高边墙顶部相交的岩层以下的部分组成倾倒区。现场勘查确定岩层厚度t＝50cm，岩层倾角α＝80°，将倾倒区共划分为n＝21个岩层，将各岩层按照从下到上的方向依次编号为岩层1,岩层2,…,岩层21，将处于失稳风险区的岩层记作岩层i。结合图1中各个研究剖面的位移分布情况可以看出，岩锚梁以上区域为失稳风险区，处于该区域的岩层为岩层19、岩层20和岩层21，即i＝19,20,21。根据几何关系确定各研究剖面上的岩层i上缘的长度为li1、下缘的长度为li2，以及各研究剖面上的岩层i的上缘、下缘与高边墙界面的交点坐标(xi1，zi1)和(xi2，zi2)。对于同一个岩层i而言，岩层i的上缘与高边墙界面的交点坐标在x轴方向和z轴方向的值在各研究剖面上是一致的，岩层i的下缘与高边墙界面的交点坐标在x轴方向和z轴方向的值在各研究剖面上也是一致的，因此岩层i的上缘长度在各研究剖面上是一致的，岩层i的下缘长度在各研究剖面上也是一致的。各研究剖面上的岩层i的上缘长度为该各研究剖面上的岩层i的上缘与高边墙界面的交点到基准面的距离，各研究剖面上的岩层i的下缘长度为该各研究剖面上的岩层i的下缘与高边墙界面的交点到基准面的距离。层岩19～21的上缘、下缘的端点(与高边墙界面的交点)坐标及层岩19～21的上缘、下缘的长度的计算结果如表1所示。表1岩层19～21的上下缘端点及长度岩层编号上缘端点(x,z)下缘端点(x,z)上缘长度/m下缘长度/m21(332,846)(332,843.12)55.9653.1220(332,843.12)(332,840.24)53.1252.3219(332,840.24)(332,837.36)52.3251.52⑥分别将各研究剖面上的岩层i的上缘和下缘离散成长度为l'＝1m的小段，根据各研究剖面上的岩层i的上缘、下缘与高边墙界面的交点坐标求得各研究剖面上的岩层i的上缘和下缘上各切割点的坐标，所述切割点是指长度为l'的小段的端点，提取各研究剖面上各切割点对应的围岩应力(σx,σz,τxz)，即提取4个研究剖面上的层岩19～21的上缘和下缘上的各切割点所对应的围岩应力(σx,σz,τxz)。根据式(1)和(2)计算各切割点的层面法向应力σn和层面切向应力τs，式(1)和(2)中，角标x和z分别代表x轴和z轴方向，x轴和z轴分别为水平和竖直方向，σx,σz分别代表x轴和z轴方向的正应力，τxz代表剪切应力，α为岩层倾角，α＝80°，β为岩层层面外法线与x轴的夹角，β＝10°。⑦对各切割点进行是否发生破坏进行判断：根据层面强度最大拉应力准则，若某切割点的层面法向应力σn为拉应力且大于层面抗拉强度则该切割点发生层面拉破坏，那么该切割点的层面法向应力σn＝0，层面切向应力τs＝0；各切割点的层面切向应力τs需要满足结构面coulomb-slip准则，即满足式(3)，式(3)中，cj和分别表示层面粘聚力和摩擦角，σn为切割点的层面法向应力，τmax为层面错动制约阻力的最大值；cj和根据室内岩石试验来确定，cj＝0.1mpa，当某切割点的层面切向应力τs大于式(3)中层面错动制约阻力的最大值τmax时，则该切割点发生层面剪破坏，此时将层面粘聚力cj和摩擦角分别设为残余值和并使用和替换cj和代入式(3)中，和根据室内岩石试验来确定，计算得到新的层面错动制约阻力最大值f'，那么该切割点的层面切向应力τs＝f'。若某切割点未发生层面拉破坏和层面剪破坏，则在后续的计算中该切割点的层面法向应力σn和切向应力τs仍然使用步骤⑥中根据式(1)和(2)计算出来的值。⑧以各研究剖面上的岩层i为单位，分别通过式(4)计算各研究剖面上的岩层i的参数ci，得到一系列参数ci的值，即计算得到4个研究剖面对应的岩层19～21的参数ci共12个，结果如表2所示。式(4)中，τi1j和τi2j分别表示某研究剖面上的岩层i的上缘、下缘的各切割点的层面切向应力值，σi1j和σi2j分别表示某研究剖面上的岩层i的上缘、下缘的各切割点的层面法向应力值，τi1j,τi2j,σi1j,σi2j的值根据步骤⑥⑦进行确定，mi1和mi2分别表示某研究剖面上的岩层i的上缘、下缘上切割点的数量，γ表示岩层i的重度，经室内岩石实验测得γ＝27.4kn/m3，t表示岩层厚度，t＝50cm，j表示第j个离散点，li1和li2分别表示某研究剖面上的岩层i的上缘和下缘的长度(具体的取值见表1)。表2各研究剖面对应的岩层19～21的参数ci的计算结果以各研究剖面上的岩层i为单位，根据式(5)和(6)分别计算各研究剖面上的岩层i的参数ai和bi，得到一系列参数bi和bi的值。式(5)和(6)中，e表示岩层i的弹性模量，i表示岩层i的惯性矩，li1表示某研究剖面上的岩层i的上缘的长度；弹性模量由常规的室内试验测得，e＝18gpa，惯性矩根据岩层的几何参数计算得到，i＝0.01，li1的取值如表1所示。由于对于不同的研究剖面来说，某一岩层i的上缘的长度li1的取值都是相同的，因此根据式(5)和(6)计算得到的参数ai和bi的值不随研究剖面的变化而变化，只随着岩层的变化而变化，计算结果如表3所示。表3各研究剖面对应的岩层19～21的ai和bi的计算结果以各研究剖面上的岩层i为单位，根据式(7)分别计算各研究剖面上的岩层i的参数δ，得到一系列参数δ的值，若某研究剖面上的岩层i对应的δ＞0，则该研究剖面上的岩层i处于稳定状态，若某研究剖面上的岩层i对应的δ≤0，则该研究剖面上的岩层i处于失稳状态，结果如表4所示。δ＝4u3+27v2(7)式(7)中，u＝bi/2ai，v＝ci/4ai。表4各研究剖面对应的岩层19～21的δ的计算结果及岩层稳定性评估结果由表4可以看出，采用本发明的方法对本实施例中的大型水电站主厂房下游侧高边墙进行倾倒失稳预测，预测到将发生倾倒失稳的岩层有9个，结合表4的结果还可以知晓失稳风险区中的具体哪些研究剖面上的哪些岩层将发生倾倒失稳，在实际施工过程中，可根据该预测结果，通过加强支护、改进施工工艺等措施来避免高边墙倾倒失稳的发生。为了验证本发明提供的倾倒失稳预测方法对倾倒失稳预测的成功率，实际现场对主厂房第viii层开挖施工时，未采取工程措施来避免高边墙倾倒失稳的发生，结果发现这12个岩层均发生了倾倒失稳，说明采用本发明提供的倾倒失稳预测方法进行预测，倾倒失稳预测成功率达到了75％，该倾倒失稳预测成功率能满足本领域大型地下工程稳定性预测和分析的需求。当前第1页12