[发明专利]一种大型地下洞室群整体安全系数的分析方法

说明书

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。

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；