一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地下工程开挖围岩稳定性评价与监测预警领域，具体涉及提出一种运 用地下工程围岩应力与位移的耦合监测对围岩稳定性进行评价与预警方法。
【背景技术】
[0002] 地下工程是指伴随人类工程和生产活动而在地层中形成的地下空间工程，它主要 包括地下采矿所形成的地下洞室、城市地下空间、水电地下洞室以及隧道等。随着经济的发 展和社会的进步，特别随着地下空间的充分开发与利用，地下工程跨度与断面也越来越大， 在地下工程施工中经常会出现围岩失稳与坍塌灾害，造成工期延误和巨大的生命财产损 失。近些年来，围岩坍塌屡见不鲜。由于地下工程岩体结构的复杂性和多样性，使得人们对 围岩稳定的认识遇到了很大障碍。因此，研宄和确定适合大跨度地下工程围岩稳定性的监 测与评价方法已经成为地下工程建设领域一个迫切需要研宄的课题，也是地下工程减灾防 灾所面临的首要任务。
[0003] 目前已有的围岩稳定性分析方法较多，可以归纳为以下几种：解析法、数值分析 法、工程地质类比法、模型试验方法等。解析法在进行围岩稳定性分析时，经常采用复变函 数法进行围岩应力与变形计算，并能得出弹性解析解，由于围岩岩体的岩性、遭受的构造变 动及次生变化的不均一性，导致了岩体结构的复杂性，且不同结构类型的岩体，其岩石类 型、结构体和结构面的特征不同，岩体的工程地质性质与变形破坏机理也都不同。因此复杂 结构围岩应力与位移变化的关系比较复杂，此时常常无法满足解析法的围岩稳定性分析与 评价基本条件；数值分析方法可以分为很多种具体方法，如有限元法，DDA法，关键块体理 论法、边界元法等。该类方法在某种程度上克服了解析法的不足与局限，并在地下洞室稳定 性评价中具有较多的应用，取得了较好的效果，然而常规的有限元法由于方法本身的要求 使得在解决非连续介质时不是很理想，而且该方法计算相对比较复杂，对围岩边界条件、本 构关系要求比较严格，并受地质模型、简化的力学模型和力学参数的影响，"高精度"计算结 果难做出"高准确"的评价；工程地质类比法是大型地下洞室群围岩稳定性一种定性和半定 量评价方法，尤其在勘测资料较少的可行性研宄阶段，更能发挥其作用。然而，用地质类比 法分析围岩稳定性方法中包含参数较多，围岩岩性与结构的复杂性导致有些参数难以准确 测定，给该种方法的评价造成一定的困难，且该方法由于缺少定量的分析，只能根据定性的 理论和经验对围岩稳定性做出评价，评价结果太过经验化，尤其在一些重大地下工程或首 次涉及到复杂地质条件的地下工程时，没有成功的案例借鉴，则无法运用该方法对围岩稳 定性进行评价；模型试验方法模拟的是真实的物理实体，在基本满足相似原理条件下，能直 观反映围岩支护体系各方面的变化和影响，然而物理模型试验具有周期长，成本高的特点， 当需要多种开挖方案对比研宄时，该方法因工作量大而难以实施。
[0004] 因此，为了克服上述围岩稳定性评价方法存在的不足和局限性，本发明针对围岩 破坏机理与位移动力作用规律，提出和建立了一种基于围岩应力和位移耦合监测数据对围 岩进行稳定性评价及监测预警的方法。该方法可以在某种程度上克服上述传统围岩稳定性 评价方法存在的不足和局限，在围岩稳定性评价与监测预警领域具有重要的应用价值。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是为了克服现有传统围岩稳定性力学分析与评价方法的不足与缺陷， 提出了一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种大跨度地下工程开挖围岩稳定性监测预警方法，包括以下步骤：
[0008] 第一步：选择围岩监测断面，并布置断面监测点；
[0009] 第二步：分别安装围岩变形监测设备和应力监测设备；
[0010] 第三步：根据围岩不同稳定阶段的稳定性状况，运用围岩变形监测设备和应力监 测设备，对不同开挖阶段的相应监测点的应力与位移进行监测；
[0011] 第四步：根据实时监测数据，确定第i次开挖阶段完成后围岩相应监测点应力的 增量A 0 i与位移的增量AS i以及围岩应力与位移增量的均值；
[0012] 第五步：将地下洞室围岩第i阶段开挖后监测点位移增量均值与应力增量均值的 比值定义为围岩开挖位移动力増载率ni，以围岩开挖位移动力增载率作为围岩开挖稳定 性评价参数，对围岩稳定性进行评价与预警。
[0013] 本发明的上述方法将地下工程围岩应力与位移进行同时耦合监测与整合，将围岩 开挖位移动力増载率n i作为地下工程围岩应力与位移的耦合集成动力预测参数，并运用 该参数对地下工程围岩的变形性质及稳定性进行评价及监测预警。
[0014] 所述第一步中，围岩监测断面区分主要监测断面和辅助监测断面，在一个主监测 断面附近布设至少1个辅助监测断面；围岩监测断面应选择在地下工程围岩地质条件较 差、结构形式与受力状态比较复杂、可能产生变形破坏等具有代表性的关键部位。
[0015] 监测点选择在围岩受力及预计变形较大的顶拱部位，并在开挖前在拱顶部位及其 附近位置布置m组有代表性的监测点。
[0016] 本发明中上述围岩监测断面和监测点的选择以及位置选择，能更好的反映围岩应 力集中部位的应力与位移变化，是围岩变形破坏的代表性的关键部位，且易于监测。
[0017] 所述第二步中，围岩变形监测设备包括精密水准仪、钢尺和测粧，测粧布置于监测 点，作变形观测使用，钢尺吊挂在测粧下实现沉降距离观测，精密水准仪用于读钢尺下降高 差。具体监测步骤为在拱顶及其附近监测点处布置带钩的测粧，吊挂钢尺，后视点设置在稳 定的部位，运用精密水准仪进行观测。
[0018] 所述第二步中，应力监测设备包括钢弦式压力盒，用于监测点围岩应力监测，布置 在围岩周边位移量测的同一断面上，沿拱顶及其附近监测点处埋设钢弦式压力盒，将钢弦 式压力盒埋设在围岩与喷射混凝土之间，并保证埋设的监测设备与监测断面岩体表层紧密 结合。
[0019] 根据本发明中围岩监测断面和监测点的布置，采用围岩变形监测设备和应力监测 设备对地下工程围岩应力与位移分别进行监测。
[0020] 所述第四步中，将初始导洞开挖阶段完成时的应力与位移监测值设定为初始值 〇 \，第i次开挖阶段完成后的应力与位移监测值记为〇 p Sp确定第i次开挖阶段完成 后围岩相应监测点应力的增量△ 〇 i与位移的增量AS ,具体为：
[0021] A〇i=〇厂〇i-i
[0022] ASi= S-S^；
[0023] 其中，〇 i、别为第i次开挖阶段完成后的应力与位移监测值；〇 H、Sh分别 为第i-1次开挖阶段完成后的应力与位移监测值。
[0024] 所述第四步中，将第i次开挖阶段完成后的第j组监测点的围岩应力与位移增量 记为A 〇 A Si」，确定围岩应力与位移增量的均值具体为：
[0027] 其中，m为监测点的组数。
[0028] 所述第五步中，对开挖围岩稳定性进行监测预警的具体方法为：
[0029] 当I为一常量时，表明开挖围岩处于稳定状态；当n i增大时，则表明开挖围岩系 统偏离稳态，处于不稳定状态；当L出现突变并趋于无穷大，表明开挖围岩处于即将失稳 状态，i = 1，2,…，n-1，n〇
[0030] 判断1的突变值的具体方法为：
[0031] 1)将监测点前n-l次监测的位移动力増载率序列Ui，n2……nj作为一个总 体，并假设该总体近似服从正态分布，即X~N(u， 〇2);将11"当作样本容量为1的特殊总 体；
[0032] 2)计算出（n i，n2……nj样本的平均值〒及样本标准差s ;
[0033] 3)假设ndl：为相对稳定值，则其与（n ^ n2......n^)样本同属一总体，由nn 计算得到统计量k;
[0034] 4)将k值与查自由度为n-1的t分布表所得值进行比较，若k小于显著性水平a 下的t检验值，则判断11"为正常值，围岩处于相对稳定阶段；若k大于显著性水平a下的 t检验值，则判断11"为异常值，表明n n已开始突变，判断此开挖阶段围岩即将失稳。
[0035] 由算得到统计量k的方法为：
[0037] 其中，$和s分别为（n i，n2……n^)样本的平均值及样本标准差。
[0038] 本发明的理论依据与基本原理如下：
[0039] 1)从损伤力学的角度看，开挖围岩的破坏过程就是岩体的变形损伤演化过程。根 据弹塑性理论基本原理，材料在弹性变形阶段和近弹性变形阶段内，开挖所导致的围岩应 力〇与应变e的变化成线性关系，此阶段内应力变化量A 〇与应变变化量A e的比值为 定值，即弹性变形模量^。随着材料进入塑性不稳定变形阶段，围岩应力〇与应变e关系 则成非线性关系，此阶段围岩应力变化量△ 〇与应变变化量△ e的比值不再是一个定值， 而是一个变量，而且随着围岩应力△ 0的增大和材料塑性损伤的不断发展，其相应应变响 应的变化量A e也呈现非线性增大，因此其围岩应变变化A e与应力变化A 〇的比值将 出现非线性增大；当围岩材料达到峰值强度后，即在材料完全破坏时，其应变变化△ e与 应力变化A 〇的比值将出现突变，即无穷大。
[0040] 基于上述基本原理，本专利将围岩的位移变化AS与相应应力变化A 0的比值定 义为位移动力増载率n，即：
。以围岩位移动力增载率n作为其稳定性评价参数， 对其稳定性进行评价与预测，即当n为一常量时，表明围岩处于稳定状态；当n增大时，则 表明围岩系统偏离稳态，围岩处于不稳定发展阶段；当n出现突变并趋于无穷大，表明围 岩处于失稳状态。
[0041] 2)根据统计学t-检验法原理，本发明提出n的突变值判别方法如下：根据t-检 验法基本原理，当标准差事先未知、样本容量又较小时，需利用待检验的一组观测值本身来 估计标准差。t-检验法是将可疑测值&以外的其余测值当做一个总体，并假设该总体服从 正态分布，即X~N(u，〇 2)。将Xd当做一个样本容量为1的特殊总体。如果Xd与其余的测 值之间同属于一个总体，则它与其余的测值之间就没有显著性的差异。
[0042] 基于该原理，本专利在前n-1次监测数据正常范围基础上，提出将监测点前n-1次 监测的位移动力増载率序列（1，n 2……nnJ作为一个总体，并假设该总体近似服从正态 分布，即x~N(u，〇 2);将nni作样本容量为1的特殊总体。如果n n在正常稳定值范围 内，则它与（1，n2……ruJ样本之间不应有显著性差异；如果n n为异常突变值，则它与 (1，n2……ruJ样本之间具有显著性差异。
[0043] 本发明的有益效果是：
[0044] 本发明将地下洞室开挖围岩监测区应力变化参数