[发明专利]地下洞室围岩整体稳定性的定量评估方法、装置以及设备

权利要求书

1.一种地下洞室围岩整体稳定性的定量评估方法，其特征在于，所述方法包括：

在确定目标地下洞室围岩整体稳定性的评估任务后，提取所述目标地下洞室的初始数据；

根据所述初始数据将所述目标地下洞室划分为多个相互独立的洞室单元或洞段；

按照预设的稳定性评估策略，分别对影响所述洞室单元或洞段的多个影响因素进行评分，作为所述目标地下洞室整体的稳定性评估结果；

所述根据所述初始数据将所述目标地下洞室划分为多个相互独立的洞室单元或洞段，包括：

根据所述初始数据中携带的不同位置的地质构造、岩体结构类型、岩性、初始最大主应力量值、埋深、初始最大主应力方向与洞室轴线夹角、尺寸、洞室轴线方位以及使用功能，在预设的相近判断范围，将所述目标地下洞室划分为多个相互独立的洞室单元或洞段；

所述预设的稳定性评估策略从围岩基本质量级别、围岩岩石强度、围岩局部稳定情况、围岩松弛/损伤情况、围岩初始最大主应力方向与洞室轴线组合关系、主要结构面与洞室轴线组合关系、地下水以及其他影响因素共八个方面进行评估；

所述围岩局部稳定情况具体从围岩局部变形稳定性、围岩块体稳定性、围岩塌方倾向性以及围岩岩爆倾向性共四个方面进行评估；

所述按照预设的稳定性评估策略，分别对影响所述洞室单元或所述洞段的多个影响因素进行评分，作为所述目标地下洞室整体的稳定性评估结果，包括：

按照所述预设的稳定性评估策略，分别对影响所述洞室单元或所述洞段的多个影响因素进行评分；

累加多个影响因素的评分值，并将评分累加值确认为所述洞室单元或洞段各自的稳定性评估结果，作为所述目标地下洞室整体的稳定性评估结果；

所述累加多个影响因素的评分值，并将评分累加值确认为所述洞室单元或洞段各自的稳定性评估结果，包括：

累加多个所述影响因素的评分值；

基于预设的地下洞室围岩整体稳定性级别及其评分值范围，确定评分累加值对应的目标整体稳定性级别，所述洞室单元或洞段围岩的整体稳定性级别分为稳定、基本稳定、欠稳定和不稳定共四个级别；

将所述评分累加值以及所述目标整体稳定性级别，确认为所述洞室单元或洞段各自的稳定性评估结果，作为所述目标地下洞室整体的稳定性评估结果；

所述洞室单元或洞段所涉及的界定范围，以及所述评分所涉及的打分范围，根据勘察设计阶段以及施工阶段两个不同的阶段设置有对应的范围；

在评分处理中，所述围岩基本质量级别包括：

Ⅰ级，BQ550，Ⅱ级，550≥BQ450，对应分值区间为20≥S₁≥15；Ⅲ级，450≥BQ350对应分值区间为15S₁≥10；Ⅳ级，350≥BQ250对应分值区间为10S₁≥5；V级，250≥BQ，对应分值区间为5S₁≥0；

其中，分值根据岩体基本质量指标BQ值由分值区间下限往上限线性插值；无BQ值监测数据可用时，分值根据场地围岩特征定性描述评分；所述围岩基本质量级别为Ⅰ时，分值取20；围岩为硬脆性岩体且具有脆性破坏倾向时，分值根据BQ值由分值区间上限往下限线性插值；

在评分处理中，所述围岩岩石强度包括：

R_c/σ_max≥7，对应分值区间为20≥S₂≥15；7R_c/σ_max≥4，对应分值区间为15S₂≥10；4R_c/σ_max≥2，对应分值区间为0S₂≥5；2R_c/σ_max，对应分值区间为5S₂≥0；

其中，分值根据围岩单轴抗压强度R_c与初始地应力最大主应力σ_max之比R_c/σ_max的大小由分值区间下限往上限线性插值；R_c/σ_max≥10，分值取20；R_c/σ_max≤1，分值取0；

在评分处理中，所述围岩局部稳定情况包括：

稳定，对应分值区间为20≥S₃≥15；基本稳定，对应分值区间为15S₃≥10；欠稳定，对应分值区间为10S₃≥5；不稳定，对应分值区间为5S₃≥0；

其中，同一单元或洞段单一破坏类型的围岩局部稳定性等级评分取该类型所有评分中的最低值；同一单元或洞段的围岩局部稳定性等级评分取各破坏类型中最不利类型对应的评分；

在评分处理中，所述围岩松弛/损伤情况包括：

3m≥D_r或0.15≥D_r/B，对应分值区间为10≥S₄≥8；6m≥D_r3m或0.3≥D_r/B0.15，对应分值区间为8S₄≥5；9m≥D_r6m或0.45≥D_r/B0.3，对应分值区间为5S₄≥2；D_r9m或D_r/B0.45，对应分值区间为2S₄≥0；

其中，洞室跨度B20m时采用松弛/损伤区深度D_r标准，其他选用深度-洞跨比D_r/B标准；D_r取监测/分析断面或区域最大松弛/损伤深度平均值；分值根据D_r或D_r/B值由分值区间上限往下限线性插值；D_r≥12m或D_r/B≥0.6时，分值取0；勘察设计阶段，D_r采用整合损伤评价指标的数值计算或相似物理模拟预测；施工阶段，D_r通过声波波速测试、钻孔成像或整合损伤评价指标的数值计算获得；施工对围岩的扰动程度为一般影响及以上等级时，分值取D_r或D_r/B标准评分所在区间的下限；局部稳定影响评分取局部变形稳定性或塌方倾向性评估结果时，分值取0；

在评分处理中，所述围岩初始最大主应力方向与洞室轴线组合关系包括：

20°≥γ，对应分值区间为10≥S₅≥8；45°≥γ20°，对应分值区间为8S₅≥6；70°≥γ45°，对应分值区间为6S₅≥3；γ70°，对应分值区间为3S₅≥0；

其中，分值根据γ值由分值区间上限往下限线性插值，γ是指所述围岩初始最大主应力方向与所述洞室轴线方向之间的夹角，γ为锐角；

在评分处理中，所述主要结构面与洞室轴线组合关系包括：

α≥60°，β≥70°，对应分值区间为边墙S₆＝8，拱顶S₆＝10；α≥60°，70°β≥45°，对应分值区间为边墙S₆＝6，拱顶S₆＝8；α≥60°，45°β≥20°，对应分值区间为边墙S₆＝8，拱顶S₆＝6；α≥60°，20°β，对应分值区间为边墙S₆＝10，拱顶S₆＝2，α为结构面走向与洞室轴线夹角，β为结构面倾角；

60°α≥30°，β≥70°，对应分值区间为边墙S₆＝6，拱顶S₆＝8；60°α≥30°，70°β≥45°，对应分值区间为边墙S₆＝2，拱顶S₆＝6；60°α≥30°，45°β≥20°，对应分值区间为边墙S₆＝8，拱顶S₆＝2；60°α≥30°，20°β，对应分值区间为边墙S₆＝10，拱顶S₆＝0；

30°α，β≥70°，对应分值区间为边墙S₆＝2，拱顶S₆＝6；30°α，70°β≥45°，对应分值区间为边墙S₆＝0，拱顶S₆＝2；30°α，45°β≥20°，对应分值区间为边墙S₆＝6，拱顶S₆＝0；30°α，20°β，对应分值区间为边墙S₆＝10，拱顶S₆＝0；

其中，主要结构面是指贯穿洞室、规模为Ⅱ级及以下的断层、软弱夹层、错动带、层面、长大节理或裂隙、蚀变破碎带、软弱岩脉非连续带；主要结构面同时出露在拱顶和边墙时，分值取出露在拱顶时的结构面评分和出露在边墙时的结构面评分中的最低值；存在多组主要结构面时，分值取所有结构面评分中的最低值；无影响洞室围岩稳定的主要结构面时，分值取10；

在评分处理中，所述地下水包括：

10≥Q，干燥无渗水，对应分值区间为5≥S₇≥4；25≥Q10，潮湿或点滴状出水，对应分值区间为4S₇≥3；125≥Q25，淋雨状或线流状出水，对应分值区间为3S₇≥1；Q125，涌流状出水，对应分值区间为1S₇≥0；

其中，每10m洞长出水量Q的单位为L/min·10m；分值根据Q的常用对数值由分值区间上限往下限线性插值；无Q监测数据可用时，可根据地下水出水状态描述评分；250≥Q时，分值取0；勘察设计阶段，根据场地地下水埋藏情况选择分值区间下限；

在评分处理中，所述其他影响因素包括：

无或甚微影响，对应分值区间为5≥S₈≥4；轻微影响，对应分值区间为4S₈≥3；一般影响，对应分值区间为3S₈≥1；严重影响，对应分值区间为1S₈≥0；

其中，特定工程地质条件下的不利因素，其分值取不利因素中最不利类型对应的分值；

其中，围岩局部不稳定洞段长度相对所评估洞段长度的占比超50％，地下洞室围岩整体稳定等级降一级；钻爆法对围岩扰动程度的等级参照水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范的规定；机械开挖对围岩的扰动为轻微程度；

在评估处理中，所述围岩局部稳定情况中的所述围岩局部变形稳定性包括：

稳定，对应分值区间为20≥S₃≥15，勘察设计阶段分级标准为施工阶段分级标准为连续5天内0.2mm/d≥v或d表示天；基本稳定，对应分值区间为15S₃≥10，勘察设计阶段分级标准为施工阶段分级标准为连续5天内0.5mm/d≥v0.2mm/d，或欠稳定，对应分值区间为10S₃≥5，勘察设计阶段分级标准为施工阶段分级标准为连续5天内0.5mm/dv≤1mmd或不稳定，对应分值区间为5S₃≥0，勘察设计阶段分级标准为UU_allow，施工阶段分级标准为连续5天内v1mm/d或UU_allow；

其中，U、v和U_allow分别为地下洞室关键部位测点的相对位移、变形速率和允许相对位移值；U_allow取值按岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范的规定执行；分值根据U或v值由分值区间上限往下限线性插值；连续5天内v2mm/d或U1.3U_allow时，分值取0；采用U和v的双标准进行分级时，取低分值所在标准的评估结果；

在评估处理中，所述围岩局部稳定情况中的所述围岩块体稳定性包括：

稳定，对应分值区间为20≥S₃≥15，分级标准为F_s≥F_{s_allow}；基本稳定，对应分值区间为15S₃≥10，分级标准为F_{s_allow}F_s≥0.9F_{s_allow}；欠稳定，对应分值区间为10S₃≥5，分级标准为0.9F_{s_allow}F_s1.0；不稳定，对应分值区间为5S₃≥0，分级标准为1.0F_s；

其中，分值根据块体安全系数F_s大小由分值区间下限往上限线性插值；F_s1.1F_{s_allow}时，分值取20；当潜在失稳块体体积V30m³时，分值取评分所在区间下限；块体允许安全系数F_{s_allow}按水电站地下厂房设计规范的规定取最小安全系数；

在评估处理中，所述围岩局部稳定情况中的所述围岩塌方倾向性包括：

甚微，对应分值区间为20≥S₃≥15，勘察设计阶段分级标准为1m≥H，施工阶段分级标准为1m≥H或10m³≥V；轻微，对应分值区间为15S₃≥10，勘察设计阶段分级标准为3m≥H1m，施工阶段分级标准为3m≥H1m或30m³≥V10m³；中等，对应分值区间为10S₃≥5，勘察设计阶段分级标准为6m≥H3m，施工阶段分级标准为6m≥H3m或100m³≥V30m³；强烈，对应分值区间为5S₃≥0，勘察设计阶段分级标准为H6m，施工阶段分级标准为H6m或V100m³；

其中，分值根据塌方高度H或塌方体积V的常用对数由分值区间上限往下限线性插值；H≥9m或V≥300m³时，分值取0；采用H和V的双标准进行分级时，取低分值所在标准的评估结果；

在评估处理中，所述围岩局部稳定情况中的所述围岩岩爆倾向性包括：

甚微，对应分值区间为20≥S₃≥15，勘察设计阶段分级标准为0.3≥σ_θ/R_c，施工阶段分级标准为0.3≥σ_θ/R_c≥H或0.1m≥D_f；轻微，对应分值区间为15S₃≥10，勘察设计阶段分级标准为0.5≥σ_θ/R_c0.3，施工阶段分级标准为0.5≥σ_θ/R_c0.3或0.5m≥D_f0.1m；中等，对应分值区间为10S₃≥5，勘察设计阶段分级标准为0.7≥σ_θ/R_c0.5，施工阶段分级标准为0.7≥σ_θ/R_c0.5或1m≥D_f0.5m；强烈，对应分值区间为5S₃≥0，勘察设计阶段分级标准为σ_θ/R_c0.7，施工阶段分级标准为σ_θ/R_c0.7或D_f1m；

其中，分值根据围岩切向压应力σ_θ与所述围岩单轴抗压强度R_c之比σ_θ/R_c由分值区间上限往下限线性插值，或分值根据爆坑/脆性破坏深度D_f由分值区间上限往下限线性插值；σ_θ/R_c≥0.9或D_f≥3m时，分值取0；采用σ_θ/R_c和D_f的双标准进行分级时，取低分值所在标准的评估结果；σ_θ通过地下洞室开挖的弹性数值计算结果获得；

在评分处理中，所述洞室单元或洞段各自的稳定性评估结果包括：

稳定，100≥S≥80；基本稳定80S≥60；欠稳定，60S≥30；不稳定，S30。