大型地下洞室群施工期圍巖力學(xué)參數(shù)多維動(dòng)態(tài)反演及應(yīng)用

黃 鵬，狄圣杰，劉 靜，張 瑩

(1. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065;2. 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西北院分室，西安 710065;3. 國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心，西安 710065)

馮夏庭等[6]通過進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-遺傳算法求得大型洞室群巖體待反演參數(shù)；唐春安等[7]利用數(shù)值模擬試驗(yàn)方法開展了某地下洞室力學(xué)參數(shù)反演后的支護(hù)措施優(yōu)化和開挖方案的研究；周創(chuàng)兵等[8]基于某水電工程大壩運(yùn)行變形資料，進(jìn)行了壩基力學(xué)參數(shù)反演分析研究；劉寧等[9]采用人工智能算法對某抽水蓄能電站地下廠房洞室群進(jìn)行了圍巖分級(jí)開挖力學(xué)參數(shù)反演研究。

傳統(tǒng)力學(xué)參數(shù)反演分析是將開挖影響范圍內(nèi)的圍巖參數(shù)作為靜態(tài)參數(shù)考慮的，但對于大型地下廠房洞室群，圍巖力學(xué)參數(shù)受開挖方案的影響較大。因此，需結(jié)合現(xiàn)場洞室群開挖支護(hù)進(jìn)度情況，開展巖體力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)反演，才能更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)洞室群開挖圍巖穩(wěn)定情況，保證其安全施工和穩(wěn)定運(yùn)行。

本文依托某水電站地下廠房工程，結(jié)合多點(diǎn)位移監(jiān)測和物探測試成果，將施工期圍巖參數(shù)分階段、分部位、分期次、分區(qū)域多維反演，為地下廠房洞室開挖圍巖穩(wěn)定分析提供動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù),針對某一開挖階段的反演參數(shù)進(jìn)行本階段圍巖穩(wěn)定的分析和驗(yàn)證，為下一階段開挖支護(hù)提供圍巖穩(wěn)定分析初步參數(shù)，為有效優(yōu)化地下工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

1 圍巖力學(xué)參數(shù)反演方法

構(gòu)建精細(xì)化復(fù)雜數(shù)值仿真反演模型，確定模型的真實(shí)賦存地應(yīng)力環(huán)境及待反演參數(shù)，運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)理論進(jìn)行多參數(shù)、多水平的試驗(yàn)組合，采用不同開挖階段增量位移反分析法，依托施工現(xiàn)場典型特征位置變形監(jiān)測資料，實(shí)現(xiàn)地下廠房洞室群開挖過程中圍巖力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)反演。

圍巖力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)反演流程如下：① 通過分析地形地質(zhì)勘測資料和施工現(xiàn)場監(jiān)測資料，分析影響圍巖變形較大的關(guān)鍵因素，運(yùn)用敏感性分析方法篩選出敏感性強(qiáng)的參數(shù)作為待反演參數(shù)；② 根據(jù)室內(nèi)和原位試驗(yàn)情況確定待反演參數(shù)的取值范圍；③ 運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)理論進(jìn)行多參數(shù)多水平的試驗(yàn)組合設(shè)計(jì)，得到多組特征分析樣本；④ 采用智能算法確立非線性映射網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值，形成初始及迭代樣本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練；聯(lián)合遺傳算法和梯度下降算法有效獲取逼近誤差函數(shù)極小值的參數(shù)解，結(jié)合正分析獲得多組逼近實(shí)測的新樣本，將其加入原樣本組，代入系統(tǒng)往復(fù)形成閉環(huán)系統(tǒng)，最終得到最優(yōu)參數(shù)指標(biāo)；⑤ 用反演出的最優(yōu)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)開展數(shù)值模擬計(jì)算分析，進(jìn)而預(yù)測下一階段開挖典型部位的位移響應(yīng)。巖體力學(xué)參數(shù)反分析系統(tǒng)技術(shù)框架見圖1。

圖1 巖體力學(xué)參數(shù)反分析系統(tǒng)技術(shù)框架

2 模型構(gòu)建及監(jiān)測布置

2.1 精細(xì)化反演數(shù)值模型

依托某水電站地下廠房項(xiàng)目，考慮了分階段、分部位、分期次、分區(qū)域洞室開挖支護(hù)進(jìn)行了整體模型的構(gòu)建。洞室群由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大洞室平行布置組成，廠區(qū)主要為砂巖、板巖和砂板巖互層，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，局部為Ⅳ類巖體，巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。廠址區(qū)三維精細(xì)化反演數(shù)值模型如圖2所示，洞室群開挖計(jì)算模型網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 反演數(shù)值整體模型

圖3 地下廠房洞室群精細(xì)化數(shù)值模型

2.2 初始地應(yīng)力場反演

根據(jù)前期不同鉆孔位置的地應(yīng)力勘探資料，綜合考慮巖體不同級(jí)別分界及地質(zhì)構(gòu)造對地下廠房洞室群位置初始地應(yīng)力場的影響，通過對整體模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和地應(yīng)力回歸分析，確定影響地應(yīng)力場的4種荷載模式包括：巖體自重、南北向水平構(gòu)造力、東西向水平構(gòu)造力以及水平剪切力?；貧w方程為：

(1)

公式(1)中：下標(biāo)w、u、v、τ分別是上述4種荷載因素，e代表誤差，a、b、c、d為待回歸系數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)確定的最佳色譜條件下，選取1#果酒樣品，分別加入10，50，100 mg/L標(biāo)準(zhǔn)混合溶液，平行進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3?；厥章蕿?1.6%～102.8%，相對平均偏差不大于4.4%，說明方法精密度高，準(zhǔn)確度好。

表1 不同巖體級(jí)別力學(xué)參數(shù)建議表

通過地應(yīng)力反演分析，得到地應(yīng)力測點(diǎn)的實(shí)測值與反演值的對比，選取兩個(gè)典型測點(diǎn)實(shí)測值與反演值對比見表2，各測點(diǎn)應(yīng)力分量值具有良好的匹配度，初始地應(yīng)力反演結(jié)果與實(shí)際較吻合。

表2 地應(yīng)力測點(diǎn)實(shí)測值與反演值對比 /MPa

反演所得洞室區(qū)三維應(yīng)力分布見圖4。反演得到的地應(yīng)力分布規(guī)律上和實(shí)際構(gòu)造和自重產(chǎn)生的地應(yīng)力場規(guī)律相吻合，因此判斷此初始地應(yīng)力場可作為洞室群開挖支護(hù)穩(wěn)定分析的初始條件。

圖4 初始地應(yīng)力場豎向應(yīng)力分布

2.3 監(jiān)測點(diǎn)布置

地下廠房典型監(jiān)測斷面的變形監(jiān)測布置見圖5。由于洞室初始開挖由于多點(diǎn)位移計(jì)基本均為即埋式，僅能監(jiān)測到安裝后巖體發(fā)生的位移，在這之前發(fā)生的位移不能及時(shí)監(jiān)測到，故可根據(jù)計(jì)算開挖儀器埋設(shè)時(shí)刻、后續(xù)開挖完成時(shí)刻的兩步位移增量，得到本步開挖所產(chǎn)生的變形，采用多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測不同深度處的實(shí)測值作為反演依據(jù)。

圖5 地下廠房洞室群典型斷面變形監(jiān)測布置 單位：m

3 地下廠房施工期巖體力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)反演

3.1 計(jì)算模型與開挖方案

結(jié)合地下廠房洞室群各階段的開挖支護(hù)情況，對不同區(qū)域巖體進(jìn)行分期次動(dòng)態(tài)參數(shù)反演，將反演參數(shù)帶入正分析計(jì)算模型中，研究地下洞室群開挖支護(hù)引起的位移變化，得到與監(jiān)測位移值吻合的圍巖力學(xué)參數(shù)，地下廠房洞室群各階段開挖期次見圖6。

圖6 地下廠房洞室群各階段開挖期次

本文以主廠房第Ⅵ層和第Ⅶ層開挖期次為例，進(jìn)行圍巖力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)分階段、分部位、分期次、分區(qū)域反演分析，其中分期次是指從時(shí)間軸上將洞室群開挖分為挖前階段、成頂階段、成墻階段以及貫通階段，第Ⅵ層和第Ⅶ層模型開挖如圖7所示。分析過程為：先進(jìn)行第Ⅵ層開挖支護(hù)，對本層的圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，后進(jìn)行第Ⅶ層開挖穩(wěn)定性預(yù)測和支護(hù)優(yōu)化。

圖7 地下洞室群第Ⅵ、Ⅶ層開挖模型

第Ⅶ層開挖引起的變形可以通過典型位置監(jiān)測點(diǎn)的多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測出來，多點(diǎn)位移計(jì)在第Ⅶ層開挖完成時(shí)的位移值與第Ⅵ層開挖完成時(shí)的位移值之差，即為第Ⅶ層開挖導(dǎo)致的增量位移。選取主廠房典型的多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行參數(shù)反分析如表3所示。

表3 不同開挖步主廠房典型位置監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測值

3.2 反演參數(shù)的選取

根據(jù)地下廠房洞室群圍巖分類和地下廠房圍巖及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)，對地下廠房多類巖性參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，確定了8個(gè)敏感度較大的參數(shù)：

(1) 砂板巖互層：⑤P2a-Sb+Ss、⑦P2a-Sb+Ss與⑩P2a-Ss+Sb的彈性模量E1，黏聚力c1，內(nèi)摩擦角φ1。

(2) 砂巖：⑥P2a-Ss與⑧P2a-Ss的彈性模量E2，黏聚力c2，內(nèi)摩擦角φ2。

(3) 斷層：f24、f25的等效彈性模量Ef，等效黏聚力cf，各敏感較大的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)范圍如表4所示。

表4 關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)取值范圍

在數(shù)值計(jì)算模型中考慮了洞室開挖支護(hù)導(dǎo)致的周圍巖體卸荷松弛及力學(xué)參數(shù)的變化，根據(jù)現(xiàn)場物探得到的不同區(qū)域卸荷松弛程度將圍巖劃分為強(qiáng)松動(dòng)區(qū)、弱松動(dòng)區(qū)和未松動(dòng)區(qū)，進(jìn)行分區(qū)域參數(shù)反演，圍巖參數(shù)如圖8所示，其中強(qiáng)松動(dòng)區(qū)厚度5m，弱松動(dòng)區(qū)厚度5～15m。

圖8 圍巖參數(shù)分區(qū)

3.3 反演過程與結(jié)果

根據(jù)均勻設(shè)計(jì)理論，準(zhǔn)備12組關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)的訓(xùn)練樣本，如表5所示。根據(jù)各個(gè)訓(xùn)練樣本的力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，進(jìn)而得到不同開挖階段的增量位移值。

表5 訓(xùn)練樣本參數(shù)表

將計(jì)算得到的特征點(diǎn)位移增量和對應(yīng)的訓(xùn)練樣本參數(shù)組合，利用人工智能算法進(jìn)行圍巖力學(xué)參數(shù)訓(xùn)練，進(jìn)而得到圍巖力學(xué)參數(shù)和位移增量的相關(guān)關(guān)系，最后通過輸入特征點(diǎn)實(shí)測增量位移，得到反演后的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)值，再將其作為新的樣本，進(jìn)入巖體力學(xué)參數(shù)反演分析系統(tǒng)進(jìn)行再訓(xùn)練，如此循環(huán)，不斷得到更新后的巖體力學(xué)參數(shù)，直至誤差降低到一定限度。此后增加樣本，誤差基本無變化，可結(jié)束計(jì)算。第1次迭代反演得到待反演參數(shù)的結(jié)果如表6所示；第2次迭代反演得到待反演參數(shù)的結(jié)果如表7所示；第3次迭代反演得到待反演參數(shù)的結(jié)果如表8所示。

表6 第1次迭代參數(shù)的反演結(jié)果

表7 第2次迭代參數(shù)的反演結(jié)果

表8 第3次迭代參數(shù)的反演結(jié)果 /GPa

將最終得到的反演參數(shù)代入數(shù)值分析模型中計(jì)算，提取特征點(diǎn)的位移值同實(shí)測值進(jìn)行對比如表9所示。從表中可以看出計(jì)算值與實(shí)測值相差很小，說明該反演參數(shù)是符合實(shí)際情況的，可以作為洞室群下一階段開挖圍巖穩(wěn)定性分析的初始參數(shù)。

表9 不同開挖步計(jì)算值和實(shí)測值的對比表

3.4 優(yōu)化支護(hù)方案

將符合實(shí)際情況的反演力學(xué)參數(shù)輸入數(shù)值模型中，進(jìn)行正分析計(jì)算，研究洞室群開挖支護(hù)對圍巖的擾動(dòng)情況，分析評(píng)價(jià)優(yōu)化支護(hù)方案的可行性，為動(dòng)態(tài)開挖提供合理的支護(hù)建議。原設(shè)計(jì)支護(hù)方案和取消部分預(yù)應(yīng)力錨索的優(yōu)化支護(hù)方案結(jié)果對比見圖9，優(yōu)化支護(hù)方案對圍巖拉應(yīng)力區(qū)、屈服區(qū)以及最大變形影響較小，因此優(yōu)化方案可行，如圖10所示。

圖9 原支護(hù)方案和優(yōu)化支護(hù)方案結(jié)果對比

圖10 主廠房左右側(cè)端墻第Ⅴ層以下錨固支護(hù)調(diào)整 單位：高程，m；尺寸，cm

4 結(jié) 論

(1) 綜合考慮水利水電工程地下廠房三大洞室群施工分期開挖支護(hù)進(jìn)度情況、巖體卸荷松弛程度及地質(zhì)編錄信息，搭建了洞室群施工期圍巖力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)反演技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了圍巖參數(shù)分階段、分部位、分期次、分區(qū)域多維反演的目的，反映了圍巖力學(xué)特性隨開挖支護(hù)進(jìn)程發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。

(2) 依據(jù)某地下廠房位移監(jiān)測和物探的結(jié)果，反演參數(shù)的計(jì)算位移值與實(shí)測值吻合良好，反演得到的力學(xué)參數(shù)是可以接受的，證明了該方法的合理性。將反演參數(shù)代入正分析模型中可適當(dāng)優(yōu)化支護(hù)方案，節(jié)約工程造價(jià)。

(3) 本動(dòng)態(tài)反演分析技術(shù)可以得到更加真實(shí)的圍巖力學(xué)參數(shù)，圍巖穩(wěn)定分析結(jié)果才更加可靠，進(jìn)而對圍巖開挖過程中的加固措施具有指導(dǎo)價(jià)值。