[发明专利]一种大型地下洞室群整体安全系数的分析方法

权利要求书

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σ_t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)，σ_t’＝σ_t/FoS，其中FoS为强度折减系数，c’、φ’和σ_t’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σ_v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σ_v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，那么就可以判断洞室整体稳定安全系数≥min[FoL_max,FoS_max]；其中：FoL_max、FoS_max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FoS_min或者超载系数FoL_min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[(FoL_min-δ),(FoS_min-δ)；其中：FoL_min和FoS_min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。