高应力下硬岩地下工程的稳定性 智能分析与动态优化

第27卷第7期岩石力学与工程学报V ol.27 No.7 2008年7月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July，2008

高应力下硬岩地下工程的稳定性

智能分析与动态优化

冯夏庭，江权，苏国韶

(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071)

摘要：针对高应力下地下工程变形破坏的特点，提出高应力下地下工程稳定性的综合集成智能分析与动态设计优

化的新思路，即以工程区域地应力、地质构造特征、高应力下的应力路径改变的岩石(体)变形破坏机制以及与之

相对应的模型识别、基于新评价指标(局部能量释放率、破坏接近度)的确定性与不确定性方法结合的围岩稳定性

分析、考虑多方面的开挖与全局支护优化、基于现场最新监测和开挖揭示的工程地质信息的动态反馈分析等为主

线，给出高应力地区三维地应力场特征识别的新方法、高应力下硬岩本构模型识别的新方法、地下工程安全性评

价新方法以及动态反馈智能分析与优化设计方法。该新思路和新方法成功地进行了拉西瓦水电站和锦屏II级水电

站地下厂房稳定性的动态反馈分析和设计优化。

关键词：地下工程；稳定性智能分析；动态优化；隧道；硬岩；高应力

中图分类号：TU 91 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)07–1341–12

INTEGRATED INTELLIGENT STABILITY ANALYSIS AND DYNAMIC OPTIMIZATION OF UNDERGROUND ENGINEERING IN HARD ROCK

WITH HIGH GEOSTRESS

FENG Xiating，JIANG Quan，SU Guoshao

(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of

Sciences，Wuhan，Hubei430071，China)

Abstract：According to key features of deformation and failure of surrounding rocks at high geostress，the way for stability analysis and design optimization of underground engineering in hard rock with high geostress is proposed. It includes recognition of geological conditions and geostress in the studied zones，the mechanism of deformation and failure of surrounding rocks due to change of stress paths induced by excavation under high geostress condition，new constitutive model corresponding to the damage degree of surrounding rocks，new indexes including local energy release rate and failure approach index，global optimization of excavation procedure and support schemes，and dynamic feedback analysis and design optimization based on the monitoring information. Some new methods have been proposed to carry out these tasks mentioned above. They have been used to some typical engineerings such as the underground powerhouses of Jinping II Hydropower Station and Laxiwa Hydropower Station.

Key words：underground engineering；intelligent stability analysis；dynamic optimization；tunnel；hard rock；high stress

收稿日期：2007–10–08；修回日期：2008–02–28

基金项目：国家自然科学基金雅砻江联合基金项目(50539090)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412708)

作者简介：冯夏庭(1964–)，男，博士，1986年毕业于东北工学院采矿工程专业，现任研究员、博士生导师，主要从事岩石力学智能分析方法及其应

• 1342 • 岩石力学与工程学报 2008年

1 引言

西部地区的高山峡谷以及采深的增加使得具有高应力特征的地下工程安全问题日益突出。例如，锦屏II级水电站引水隧道最大埋深2 525 m，其围岩主要为坚硬脆性岩体，具备了储存高能量的条件。高应力的作用使得地下工程围岩压力显现剧烈，岩爆危险性增加，巷(隧)道变形速度加快、持续时间长，例如，1999年5月18日7：05和7：25，红透山铜矿井下－647中段(距地表约900 m)充填法盘区斜坡道的帮壁与其连接的上水平平巷的帮壁等连续发生两次岩爆和岩崩，有大量岩石崩落，片落的长度为80 m，崩落的最大岩片厚度为0.6～0.7 m，地面有明显的震感。一些水利水电工程和隧道(如我国的二滩水电站、天生桥水电站的引水隧洞以及日本、美国、加拿大和俄罗斯的隧道等)都发生过岩爆和岩崩。

关于岩爆预测与分析方面的研究，国内外许多学者[1～7]已从强度、刚度、能量、稳定、断裂、损伤、分形和突变等方面开展了卓有成效的工作，提出了各种判据、分析与预测方法。然而，由于实际问题的复杂性、开采深度的增加以及工程规模的增大，许多问题有待于进一步深入地研究。“数据有限”和“变形破坏机制理解不清”已形成“参数给不准和模型给不准”的“瓶颈”问题。高应力下硬岩地下工程的变形破坏过程、稳定性分析及其控制方法研究已成为岩石力学学科的国际前沿研究难点。为此，需要进一步采用工程地质学、岩石力学、智能科学、计算数学、力学与工程科学的交叉，提出高效的高应力下地下工程变形破坏过程及其调控的智能分析和优化方法。

高应力下地下工程的地质灾害的孕育与发生是个非线性演化过程，不同的开挖顺序、方式与控制措施具有不同的力学效应。这需要提出高效的优化算法以寻找出全局优化的解。目前，对开挖顺序的选择主要是对凭经验选择的几种方案中找一个比较好的，或是运用动态规划方法的优化[8～11]，有必要采用与岩体特性相对应的本构模型以及全局优化的方法，以更好解决高应力下岩体开挖与加固过程的全局优化问题。

高应力下节理岩体的变形破坏过程，受到复杂的地质构造、开挖与加固作用影响，具有不确定性与高度非线性，其分析与计算是大规模、多尺度、高病态的三维力学问题。几十万甚至上百万单元的三维并行智能精细非线性计算是非常需要的。不仅如此，实施并行计算，可以提高模型的结构和其参数的一同识别和开挖加固过程全局优化的计算速度和精度。本文简要地阐述了上述几个方面的最新研究进展。

2 研究思路

针对高应力作用下地下工程的变形破坏特点，首先通过各种有效手段，充分了解高应力硬岩地下工程结构的主要特征、工程地质特征(断层、节理、岩性)、三维地应力场特征和工程岩体的变形破坏特征和机制。通过模拟开挖引起的应力路径变化和高围压下的节理岩石破坏过程的常规三轴、真三轴试验，并进行声发射监测，揭示因应力路径的改变以及因能量的集中和释放速率诱发破裂的机制与规律。

根据所掌握的这些典型特征选择合适的分析方法，包括人工智能方法(如专家系统、神经网络、支持向量机等)、经验方法(如工程类比和围岩分类等)、基于合理判别指标的数值分析方法(有限元方法等)，进行围岩在开挖过程中的岩爆风险估计、局部稳定性和整体稳定性评价等。为解决高应力下节理岩体本构关系的合理识别问题，以上述试验所获得的数据为基础，引入新的损伤参量，提出基于自学习本构模型的结构和参数一同识别的新方法：遗传规划–禁忌搜索算法。现场变形监测、松动圈或开挖损伤区监测的结果可以用于围岩的力学参数反演和模型识别。人工智能分析方法所需要的知识可以通过人工抽取、基于工程实例的数据挖掘等获取。

采用最优区域分解算法与负载动态平衡算法，建立高效率的考虑高应力、非均质、地质结构、开挖与加固等效应的高应力下地下工程稳定性的并行精细仿真算法，研究高应力下地下工程的变形破坏机制。提出新的评价指标，如局部能量释放率和破坏接近度等，用来判别围岩的稳定性。

研究新的优化的指标和方法，提出高应力下地下工程的开挖(采)顺序与支护措施全局空间最优搜索的智能分析方法以及可能出现的破坏模式预报和自适应调控方法，进行地下工程的开挖支护和防治对策全局优化，包括台阶高度、开挖顺序、支护时机与参数、洞间距等。

研究根据施工期新揭示的地质信息、监测变形