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

黃 鵬，狄圣杰，劉 靜，張 瑩

(1. 中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065;2. 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室西北院分室，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)值模擬試驗方法開展了某地下洞室力學(xué)參數(shù)反演后的支護措施優(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行變形資料，進行了壩基力學(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行了圍巖分級開挖力學(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)場洞室群開挖支護進度情況，開展巖體力學(xué)參數(shù)的動態(tài)反演，才能更加準(zhǔn)確地評價洞室群開挖圍巖穩(wěn)定情況，保證其安全施工和穩(wěn)定運行。

本文依托某水電站地下廠房工程，結(jié)合多點位移監(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)定分析提供動態(tài)力學(xué)參數(shù),針對某一開挖階段的反演參數(shù)進行本階段圍巖穩(wěn)定的分析和驗證，為下一階段開挖支護提供圍巖穩(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，確定模型的真實賦存地應(yīng)力環(huán)境及待反演參數(shù)，運用均勻設(shè)計理論進行多參數(shù)、多水平的試驗組合，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，實現(xiàn)地下廠房洞室群開挖過程中圍巖力學(xué)參數(shù)的實時反演。

圍巖力學(xué)參數(shù)動態(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，運用敏感性分析方法篩選出敏感性強的參數(shù)作為待反演參數(shù)；② 根據(jù)室內(nèi)和原位試驗情況確定待反演參數(shù)的取值范圍；③ 運用均勻設(shè)計理論進行多參數(shù)多水平的試驗組合設(shè)計，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)值模擬計算分析，進而預(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目，考慮了分階段、分部位、分期次、分區(qū)域洞室開挖支護進行了整體模型的構(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，通過對整體模型進行數(shù)值計算和地應(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。回歸方程為：

(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)。

在實驗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，平行進行6次實驗，實驗結(jié)果見表3。回收率為81.6%～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)力測點的實測值與反演值的對比，選取兩個典型測點實測值與反演值對比見表2，各測點應(yīng)力分量值具有良好的匹配度，初始地應(yīng)力反演結(jié)果與實際較吻合。

表2 地應(yīng)力測點實測值與反演值對比 /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位移計基本均為即埋式，僅能監(jiān)測到安裝后巖體發(fā)生的位移，在這之前發(fā)生的位移不能及時監(jiān)測到，故可根據(jù)計算開挖儀器埋設(shè)時刻、后續(xù)開挖完成時刻的兩步位移增量，得到本步開挖所產(chǎn)生的變形，采用多點位移計監(jiān)測不同深度處的實測值作為反演依據(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)動態(tài)反演

3.1 計算模型與開挖方案

結(jié)合地下廠房洞室群各階段的開挖支護情況，對不同區(qū)域巖體進行分期次動態(tài)參數(shù)反演，將反演參數(shù)帶入正分析計算模型中，研究地下洞室群開挖支護引起的位移變化，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，進行圍巖力學(xué)參數(shù)動態(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：先進行第Ⅵ層開挖支護，對本層的圍巖力學(xué)參數(shù)進行反演和穩(wěn)定性評價，后進行第Ⅶ層開挖穩(wěn)定性預(yù)測和支護優(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)測點的多點位移計實測出來，多點位移計在第Ⅶ層開挖完成時的位移值與第Ⅵ層開挖完成時的位移值之差，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位移計進行參數(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)測點實測值

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)進行敏感性分析，確定了8個敏感度較大的參數(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)值計算模型中考慮了洞室開挖支護導(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松動區(qū)、弱松動區(qū)和未松動區(qū)，進行分區(qū)域參數(shù)反演，圍巖參數(shù)如圖8所示，其中強松動區(qū)厚度5m，弱松動區(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)各個訓(xùn)練樣本的力學(xué)參數(shù)，進行數(shù)值計算分析，進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

將計算得到的特征點位移增量和對應(yīng)的訓(xùn)練樣本參數(shù)組合，利用人工智能算法進行圍巖力學(xué)參數(shù)訓(xùn)練，進而得到圍巖力學(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實測增量位移，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，進入巖體力學(xué)參數(shù)反演分析系統(tǒng)進行再訓(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)值分析模型中計算，提取特征點的位移值同實測值進行對比如表9所示。從表中可以看出計算值與實測值相差很小，說明該反演參數(shù)是符合實際情況的，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 不同開挖步計算值和實測值的對比表

3.4 優(yōu)化支護方案

將符合實際情況的反演力學(xué)參數(shù)輸入數(shù)值模型中，進行正分析計算，研究洞室群開挖支護對圍巖的擾動情況，分析評價優(yōu)化支護方案的可行性，為動態(tài)開挖提供合理的支護建議。原設(shè)計支護方案和取消部分預(yù)應(yīng)力錨索的優(yōu)化支護方案結(jié)果對比見圖9，優(yōu)化支護方案對圍巖拉應(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 原支護方案和優(yōu)化支護方案結(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進度情況、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)動態(tài)反演技術(shù)體系，實現(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)特性隨開挖支護進程發(fā)生動態(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)的計算位移值與實測值吻合良好，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)化支護方案，節(jié)約工程造價。

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