深埋地下洞室施工期硬岩应力型灾害风险动态评估方法研究

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随着地下空间的不断开发和利用,地下洞室“深、长、大”特点愈加显著,随之而来的深部岩体应力型灾害问题也异常突出,如劈裂剥落、岩爆等。从广义的风险理论角度来看,劈裂剥落、岩爆等岩体的应力型灾害是深埋地下工程施工期的典型风险事件,充满了大量不确定性,一旦发生很可能会造成人们不期望的后果损失,如人员伤亡、机械设备毁损、工程进度延误,施工成本增加等。洞室施工期间,能否事先判断该类风险事件的发生可能性?能否预先把握这类工程灾害可能造成的各类潜在损失?往往是现场工程师及施工人员极为关心的问题,这涉及到风险评估的内容,这在浅埋工程中已得到了广泛应用与研究,但目前相关研究很少涉及到深埋地下洞室工程,深埋洞室应力型灾害风险评估需充分考虑深部的孕险环境、风险源、致灾因子等所呈现的新特点,需要有相匹配的理论与技术方法去支撑,而这方面的研究目前尚未开展。  基于上述背景及研究不足,本文针对深埋地下洞室应力型灾害风险评估理论思想及典型灾害(岩爆、劈裂剥落)的风险评估技术方法进行了系统深入的研究,并在劈裂剥落灾害频发的白鹤滩水电站大跨度高边墙地下厂房以及岩爆灾害突出的锦屏Ⅱ级水电站超大埋深特长隧洞工程中进行实践与应用,具体研究成果如下:  (1)融入风险理论,对深埋硬岩地下洞室施工期应力型灾害风险的形成机理进行了分析;考虑到深埋隧道与大跨度高边墙地下洞室(群)在空间结构及施工工序上的差异性,分别提出适用于深埋隧道与大跨度高边墙地下洞室施工过程的应力型灾害风险评估的动态实施流程;借鉴国内外地下工程相关规范指南,结合深埋地下洞室的特殊性及应力型灾害发生的特征,初步确立了针对深埋洞室施工期应力型灾害的风险评估分级标准,包括风险发生可能性分级标准、风险损失等级标准、风险等级标准及相应的风险接受准则。  (2)考虑大跨度高边墙地下洞室结构的布置特点及施工工序特点,确定了基于钻孔摄像手段的大型地下洞室围岩劈裂剥落过程的观测方案的布置要点,旨在揭示复杂开挖条件下大跨度高边墙地下洞室围岩劈裂剥落演化发展过程的规律特征;并在白鹤滩大型地下厂房中进行了长达两年以上的观测实践,获得了厂房自第Ⅰ层至第Ⅳ层施工开挖期间的开挖损伤区内围岩的松弛劈裂及片帮剥落、顶拱喷层开裂渐进发展全过程,详细描述与分析了围岩渐进破坏与厂房施工开挖之间的对应关系,观测结果显示大型地下厂房围岩劈裂剥落渐进破坏发展过程不同于小型洞室,为大型地下洞室开挖支护的设计提供了新的启示。  (3)提出一种基于多指标的适用于大型地下洞室施工期的硬岩劈裂剥落(包括完整岩体的片帮剥落以及沿优势节理面的劈裂剥落两种破坏类型)风险发生可能性经验估计方法,既能反映应力、强度、岩体结构等内因(孕险环境)对于劈裂剥落破坏的控制作用,也考虑开挖、支护等工程施工因素(致灾因子)对于破坏发生的影响;在此基础上,考虑劈裂剥落破坏引起的潜在风险损失,确定了相应的风险损失及风险评价方法,最终形成大型地下洞室施工期围岩劈裂剥落的风险动态评估方法。  (4)针对深埋隧洞(道)中危害性巨大的岩爆灾害风险评估方法进行了分析研究,在前人所提出的基于微震方法的岩爆预警方法的基础上,着重于对岩爆风险评估所涉及的风险损失及风险评价方法进行研究,提出了一种半定量~定量化的隧洞岩爆风险损失估计方法,根据当前岩爆预警结果与先期岩爆损失规律,引入了全概率公式以及蒙特卡洛随机模拟获得岩爆风险损失的概率分布。在此基础上提出了一个量化的考虑岩爆风险发生可能性与潜在后果损失的岩爆风险度量指标RRI(Rockburst Risk Index),基于该指标进行岩爆风险等级划分,形成了定量化的岩爆等风险图,用以评价岩爆风险等级,指导风险决策,最终形成深埋隧洞岩爆风险的动态评估方法。  (5)运用(3)所提出的风险评估方法开展了白鹤滩水电站大型地下厂房施工期硬岩劈裂剥落破坏动态评估工作。基于调查统计手段归纳总结了地应力、岩体结构、岩体力学性质以及施工因素等对于白鹤滩地下厂房劈裂剥落破坏的控制机理,在此基础上,确立了各评价指标的隶属函数,分别构造了片帮与沿优势节理面劈裂剥落破坏的风险发生可能性经验估计公式;左、右岸厂房第Ⅰ~Ⅲ层风险评估应用效果表明,评估结果与现场实际结果具有良好的一致性,利用该方法进行片帮动态风险评估是可行的,能有效地指导施工与调控。  (6)运用(4)所提出的风险评估方法开展锦屏Ⅱ级水电站超大埋深特长隧洞累计长达11.6km的潜在岩爆风险区进行了动态风险评估(共计275岩爆案例),岩爆风险分析结果与现场实际结果的具有良好的一致性,风险评估期间,未出现较大岩爆事故,有效地降低了岩爆带来的各类后果损失。
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