地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法

本发明涉及地下洞室安全监控，具体涉及一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法。

背景技术：

1、在地下洞室运行期间，采用监控指标判定地下洞室运行稳定性十分方便，在设计阶段或当获得足够的监测资料时，经常分析求得相应的监控指标预警阈值。拟定监控指标预警阈值的主要任务是根据已经历荷载的抵御能力，来评估和预测抵御可能发生荷载的能力，从而确定各荷载组合下监测效应量的警戒值和极值。地下洞室安全监控指标预警阈值主要是表征结构正常运行状态的限值，也即为正常状态和不正常状态之间的界限值。

2、然而即使结构在正常状态下，监测仪器所得数据并非一成不变，而是呈现某种波动，当结构处于正常工作状态时，部分监测效应量由于仪器误差、数值波动等可能短期内偏离正常值，但长期来看，监测效应量始终在正常值附近较小的范围内波动，外界因素对结构安全影响较小。因此，拟采用表征监测值正常状态的指标作为一级监控指标，也即现有技术中仅关注的监控指标，然而当一级监控指标发生预警时，并不说明地下洞室的安全达到了预警的限制，因此亟需一种在一级监控指标发生预警时，更为精确的判断地下洞室安全性的监控指标预警阈值，从而达到准确预警的效果。

技术实现思路

1、本发明提出了地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，以解决现有技术中采用一级监控指标预警不准确的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：对地下洞室监测点数据进行获取；；

4、步骤s2：建立三维模型，开展参数反演，以获得地下洞室当前状态的力学参数；

5、步骤s3：选取监测点；基于锚杆潜在破坏模式，获取锚杆的承载力极限，拟定锚杆应力监控预警阈值；根据锚索钢绞线正常工作状态受力限值，拟定锚索受力监控预警阈值；采用强度折减法，通过数值分析获得围岩稳定的临界状态，拟定围岩变形监控预警阈值。

6、优选地，所述监测点数据包括围岩变形、锚杆应力和锚索受力。

7、优选地，步骤s2包括：

8、步骤s21：获取初始地应力场；

9、步骤s22：考虑地形地貌特点、岩层力学性能、岩体结构组合特点、地质构造以及地下厂房分层施工开挖方案，建立地下洞室三维地质概化模型；

10、步骤s23：基于所述三维地质概化模型构建地下洞室三维网格模型。

11、优选地，岩体本构模型采用的是以带拉伸截止限的mohr-coulomb强度准则为屈服函数的理想弹塑性模型；不小于1米的断层采用弹塑性实体单元模拟；小于1米的断层采用非连续接触算法模拟；锚索和锚杆采用杆件单元模拟。

12、优选地，通过参数反演和数值模拟确定所述地下洞室的当前状态的力学参数。

13、优选地，所述参数反演和数值模拟的方法包括：采用均匀设计将待反演的参数，根据参数取值范围构造若干组神经网络的学习样本和测试样本；采用遗传神经网络进行参数反演；对开挖支护过程进行数值模拟，得到综合表征地下洞室当前状态的力学参数。

14、优选地，在选取监测点时，锚杆应力和锚杆受力选取操作最方便，受局部地质缺陷影响最大且目前读数最大的点作为监测点；围岩变形选取多点位移计位移增量变幅最大且局部地质缺陷影响最大的的点位。

15、优选地，拟定锚杆应力监控预警阈值的方法包括：根据锚杆的直径和长度、岩石与水泥砂浆或水泥结石体的粘结强度值、围岩与砂浆的极限粘结应力和锚杆造孔直径，计算水泥砂浆与岩石之间沿锚杆全长的握裹力合力极值；获取锚杆的抗拉强度；根据锚杆拉拔所受应力，对比抗拉强度和握裹力合力极值，选取较小的值作为锚杆应力监控预警阈值。

16、优选地，将锚索70％实际利用率作为锚索具有潜在失效风险预警值，根据所述锚索潜在失效风险预警值和锚索强度极限值相乘，得到锚索受力监控预警阈值。

17、优选地，拟定围岩变形监控预警阈值的方法包括：采用强度折减法对控制围岩变形的岩层、断层或裂隙强度参数进行折减，分析强度参数不同折减程度下围岩变形和支护受力情况，当折减系数满足以下条件时，得到围岩变形监控预警阈值：

18、1)围岩变形随折减系数增长的变化速率大于设定的变化速率阈值；

19、2)随折减系数增加，大于锚杆应力监控预警阈值的锚杆数量占比大于设定的锚杆数量占比阈值，且该占比有增长的趋势；

20、3)随折减系数增加，大于锚索受力监控数值的锚索数量占比大于设定的锚索数量占比阈值，且该占比有增长的趋势。

21、本发明的有益效果至少包括：通过进行三维建模和参数反演，准确的掌握地下洞室的岩体力学参数现状，为后续安全监控指标预警阈值的拟定提供了技术，在现有技术一级监控指标预警阈值的基础上，选取实际起作用的的锚杆应力、锚杆受力和围岩变形作为二级监控指标，确定具体地数值，对现有的地下洞室运行期安全监控预警提供了一种新的思路和可行方案。

技术特征：

1.一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，其特征在于：所述监测点数据包括围岩变形、锚杆应力和锚索受力。

3.根据权利要求1所述的一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，其特征在于：步骤s2包括：

4.根据权利要求3所述的一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，其特征在于：岩体本构模型采用的是以带拉伸截止限的mohr-coulomb强度准则为屈服函数的理想弹塑性模型；不小于1米的断层采用弹塑性实体单元模拟；小于1米的断层采用非连续接触算法模拟；锚索和锚杆采用杆件单元模拟。

5.根据权利要求1所述的一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，其特征在于：通过参数反演和数值模拟确定所述地下洞室的当前状态的力学参数。

6.根据权利要求5所述的一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，其特征在于：所述参数反演和数值模拟的方法包括：采用均匀设计将待反演的参数，根据参数取值范围构造若干组神经网络的学习样本和测试样本；采用遗传神经网络进行参数反演；对开挖支护过程进行数值模拟，得到综合表征地下洞室当前状态的力学参数。

7.根据权利要求1所述的一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，其特征在于：在选取监测点时，锚杆应力和锚杆受力选取操作最方便，受局部地质缺陷影响最大且目前读数最大的点作为监测点；围岩变形选取多点位移计位移增量变幅最大且局部地质缺陷影响最大的的点位。

8.根据权利要求1所述的一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，其特征在于：拟定锚杆应力监控预警阈值的方法包括：根据锚杆的直径和长度、岩石与水泥砂浆或水泥结石体的粘结强度值、围岩与砂浆的极限粘结应力和锚杆造孔直径，计算水泥砂浆与岩石之间沿锚杆全长的握裹力合力极值；获取锚杆的抗拉强度；根据锚杆拉拔所受应力，对比抗拉强度和握裹力合力极值，选取较小的值作为锚杆应力监控预警阈值。

9.根据权利要求1所述的一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，其特征在于：将锚索70％实际利用率作为锚索具有潜在失效风险预警值，根据所述锚索潜在失效风险预警值和锚索强度极限值相乘，得到锚索受力监控预警阈值。

10.根据权利要求1所述的一种地下洞室安全监控预警阈值的预警阈值确定方法，其特征在于：拟定围岩变形监控预警阈值的方法包括：采用强度折减法对控制围岩变形的岩层、断层或裂隙强度参数进行折减，分析强度参数不同折减程度下围岩变形和支护受力情况，当折减系数满足以下条件时，得到围岩变形监控预警阈值：

技术总结
本发明提供了一种地下洞室安全监控指标的预警阈值确定方法，包括以下步骤：步骤S1：对监测点数据进行获取；步骤S2：建立三维模型，开展参数反演，以获得地下洞室当前状态的力学参数；步骤S3：选取监测点；基于锚杆潜在破坏模式，获取锚杆的承载力极限，拟定锚杆应力监控预警阈值；根据锚索钢绞线正常工作状态受力限值，拟定锚索受力监控预警阈值；采用强度折减法，通过数值分析获得围岩稳定的临界状态，拟定围岩变形监控预警阈值。在现有技术一级监控指标的基础上，选取实际起作用的的锚杆应力、锚杆受力和围岩变形作为二级监控指标，确定具体地数值，对现有地下洞室运行期安全监控预警提供了一种新的思路和可行方案。

技术研发人员：何军,黄书岭,丁秀丽,张雨霆,刘登学,韩钢,郁培阳,张练,廖利辉
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/2