考虑分区卸荷效应的地下洞室群控制性结构面参数动态反演与施工应对

In large underground cavern group construction, the dynamic mechanical response on governing structural plane of the surrounding rock, especially the key blocks, plays an important role in the deformation and stability of the underground structure, which rules the design adjustment and modification. Geological surveys show that key blocks are one of the main factors affecting the stability of Kala large underground cavern group. To this end, this project aims to 1) identify key blocks and their control structures based on the principle of engineering geological analysis; 2) divide the excavation unloading area of the surrounding rock by combining numerical simulation and monitoring data analysis; 3) realize the variational law of the mechanical characteristics of the sub-structural planes according to the spatial position of the governing structure surface and the surrounding rock unloading area, and reveal the partition unloading effect on the governing structural plane of the key block in the cavern group; 4) determine the controlling parameters of the structure surface based on the equal probability perturbation orthogonal sensitivity analysis and information entropy, and establish the combined distribution function of the controlling parameters and the monitoring data, and develop the Copula dynamic inversion method for the structural surface mechanical parameters considering partition unloading effect; 5) identify the key blocks dynamically, and determine the space-time evolution law of the stability and 6) finally develop some construction response technologies, such as the structural plane-oriented filling and reinforcement, and real-time regulating the stiffness of steel arch support. The research results are expected to effectively resolve the influence of complex geological conditions on the underground cavern group construction, and provide evidence for the dynamic safety and control of large cavern group engineering design–construction integration under complex geological conditions.

大型地下洞室群施工中，围岩尤其是关键块体的控制性结构面动态力学响应，关系到地下结构变形及稳定性评价，可导致设计方案的调整或修改。地质勘察表明，关键块体是影响卡拉大型地下洞室群稳定的主要因素之一。为此，基于工程地质分析原理，识别关键块体及其控制性结构面；综合数值模拟和监测数据分析成果，划分洞室围岩开挖卸荷区；依据控制性结构面与围岩卸荷区的空间关系，掌握结构面分区力学特性变化规律，揭示洞室群关键块体控制性结构面分区卸荷效应；基于等概率扰动正交敏感性分析和信息熵确定结构面主控参数，建立其与监测数据的联合分布函数，提出结构面分区卸荷效应力学参数Copula动态反演方法；动态识别关键块体并确定稳定性时空演化规律，研发结构面导向性充填加固优化及钢拱架支护刚度实时调整的施工应对技术。研究成果可有效化解复杂地质条件对地下洞室群施工的影响，为复杂地质条件下大型洞室群工程设计施工一体化动态安全与控制提供参考。

在大型地下洞室施工过程中，错综复杂的结构面将洞室围岩切割成大小不一、稳定系数不等的关键块体，块体的存在将会对工程整体稳定性构成潜在的威胁。施工过程中块体控制性结构面将穿越不同开挖卸荷区，其力学特性在不同卸荷区内存在显著差异。如何确定开挖过程中控制性结构面参数动态演化规律及范围，关系到地下洞室关键块体稳定性评价和支护结构的设计。因此，在地下工程围岩及块体稳定性分析中，迫切需要对控制性结构面分区卸荷效应及其参数动态演化规律这一科学问题进行研究。本项目以卡拉水电站地下厂房为研究对象，采用现场踏勘、室内试验、理论分析和数值模拟等方法，开展了关键块体及控制性结构面识别、不同应力路径下不同节理类型围岩力学特性、含结构面及块体地下洞室开挖卸荷效应、结构面分区卸荷效应力学参数动态反演方法、关键块体结构面导向性充填加固优化技术以及地下洞室开挖钢拱架支撑方法等方面的研究。主要的研究结果有：利用块体理论识别并确定了洞室内的关键块体及控制性结构面，进行了关键块体稳定性分析；通过洞室围岩试样三轴加卸载试验，分析了不同节理类型试样在加载和不同卸载应力路径下的变形与力学参数；基于相似理论开展了含块体地下洞室开挖卸荷物理模型试验，分析了开挖过程中块体及结构面的应力变形响应规律，揭示了块体和结构面动态分区卸荷效应；基于模型试验结果构建了联合分布函数，提出了结构面分区卸荷效应力学参数动态反演方法；开展了卡拉水电站地下洞室开挖数值模拟计算，对关键块体控制性结构面力学参数进行了动态分区赋值，确定了关键块体稳定性时空演化规律；研发了锚固自密实砂浆材料，研发了磁性浆液裂隙充填及锚固技术，提出了地下洞室开挖的钢拱架支撑装置及方法。研究成果对复杂地质条件下大型洞室群工程设计和施工控制具有重要的理论意义，并在水电工程、交通工程、采矿工程及核废料地质处置等工程实践中对预防关键块体失稳破坏具有积极的实际意义。