地下洞室群围岩稳定性动态风险分析及系统研发

地下洞室群围岩稳定性动态风险分析及系统研发

张超,张社荣,崔溦,王超

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072)

摘要：地下洞室群围岩稳定性风险研究尚处于起步阶段，为快速准确地对施工期地下洞室群围岩稳定性风险进行动态跟踪分析，基于层次分析法和模糊综合评价法，形成监测数据、巡视检查、数值模拟三维一体的评价体系，并考虑评价指标、评价标准的动态性确定地下洞室群围岩发生事故可能性等级。根据不同围岩破坏形式，提出适用于地下洞室群围岩稳定的损失估算方法，引入当量法概念，确定地下洞室群围岩稳定损失等级。结合地下洞室群围岩发生事故可能性等级和预估的地下洞室群围岩稳定性损失等级，经风险矩阵最终确定地下洞室群围岩稳定性风险等级。采用C#.Net、SQL SERVER和Python混合编程技术，研发一套能确定地下洞室群围岩稳定性动态风险的系统。该系统应用于国内某在建大型水电站的地下洞室群，能准确确定影响地下洞室群围岩稳定性的关键因素和危险区域，实时指导施工过程，规避可能存在的风险，保证地下洞室群施工安全。

关键词：地下洞室群； 围岩； 层次分析法； 模糊综合评价； 当量法； 动态风险分析； 系统开发

中图分类号：TU923

文献标志码：A

文章编号：1009-640X(2015)03-0073-08

Abstract：Risk research on stability of the surrounding rock of the underground carven group is still in its initial period. In order to make a dynamic tracing of risk analysis of stability of the surrounding rock in the process of construction of the underground carven group rapidly and accurately, an evaluation system is composed of the observed data and patrol inspection data and numerical simulation data based on an analytic hierarchy process method and a fuzzy comprehensive evaluation method. Dynamic evaluation content and a dynamic criterion are also considered at the same time to determine the level of the probability of an accident of the surrounding rock of the underground carven group. The estimation methods of the loss which is suitable for the surrounding rock of the underground carven group are put forward based on different forms of destruction of the surrounding rock, and the concept of an equivalent law is also introduced to determine the level of the loss of the surrounding rock of the underground carven group if the accident happens. Finally, the risk level of the surrounding rock of the underground carven group is determined by risk matrix and both the level of probability of the accident of the surrounding rock of the underground carven group and the level of the loss of the surrounding rock of the underground carven group. A dynamic risk calculation system for stability of the surrounding rock of the underground carven group is developed by using microsoft visual C#.Net technology and SQL server 2008 database and Python language. The system is used to analyse risks in an underground carven group of a hydropower station project in China during its construction and it could find key factors acting on stability of the surrounding rock and accurately determing the danger zone of the surrounding rock. The progress of the construction of the underground carven group is real-time guided and the risk which may exist is also avoided so that the safety and reliability of construction of the underground cavern group can be ensured.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.012

收稿日期：2014-09-30

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51179120)；博士点基金项目(20130032110045)

作者简介：王哲学(1989—)， 男， 河北承德人， 硕士研究生， 主要从事土动力学与海洋岩土工程研究。

随着大型水电站工程的兴建，地下洞室群逐渐成为水电站厂房布置的首选，但其施工难度大大超过一般地下工程，围岩稳定性问题日益突出。江权等[1]从认识论的角度提出数值仿真技术服务于地下工程实践的PFP分析方法，并通过三维有限差分数值方法模拟了拉西瓦水电站地下洞室群全开挖过程，从整体上揭示了地下洞室群分期开挖时围岩变形场、应力场、塑性区、能量释放率的时间演化过程与空间分布特征[2]；冯小磊等[3]基于变形、应力监测数据对溪洛渡水电站左岸地下洞室安全进行了分析；李景龙[4]提出了地下洞室群风险评价的一般方法并研发风险分析系统。但综合考虑监测数据、巡视检查、数值模拟三方面对地下洞室群围岩稳定性发生事故可能性等级的研究尚无先例。因此,提出基于层次分析法、模糊综合评价法确定围岩发生事故可能性等级，并结合当量法对地下洞室群围岩稳定性风险进行动态分析。

1风险含义与计算

1.1风险含义

为研究地下洞室群围岩稳定性动态风险，首先需要研究风险的含义，但无论是地下洞室群还是其他工程项目，由于所要研究的工程问题十分复杂，学术界至今对风险的含义仍然存在一定分歧，不同专家对风险含义的表达不尽相同，但均包括事故发生的概率和造成损失的大小这两个基本要素，仅两要素之间函数关系不同，即

(1)

式中:R为风险;P为事故发生的概率;C为事故发生的损失。

目前较为常用函数关系是风险矩阵的方法[5]，根据发生事故的概率等级和预估造成的损失等级最终确定洞室围岩稳定性风险等级。

1.2概率等级的确定

1.2.1层次分析法层次分析法[6](AHP，Analytic Hierarchy Process)为通过邀请水利行业内的专家对建立的地下洞室群围岩稳定性评价体系中同一层次不同评价指标的相对重要程度逐一进行比较，最终确定各个指标的权重。层次分析法步骤简述如下：

(1)分析影响地下洞室围岩稳定性各评价指标之间的相互逻辑关系，构建符合理论知识的评价体系。

(2)在整个评价体系中，从最底层开始至顶层逐层对各评价指标进行两两比较，判断两者对于其上一层次评价指标的相对重要性，根据1-9及其倒数标度法构成判断矩阵。

(3)依据判断矩阵求解最大特征根及其相对应的特征向量。为保证已建判断矩阵满足评价要求，还需对最大特征根进行一致性检验。

(4)得出各层评价指标的权重。

1.2.2模糊综合评价法模糊综合评价法[7-8](FSEM, Fuzzy Synthetic Evaluation Model)是一种能够将定性评价转化成定量评价的数学方法，该方法计算步骤简述如下：

(1)设定影响各个洞室围岩稳定评价指标的评价等级以及各个等级对应的评价标准。

(2)选择适当的模糊分布函数计算评价体系中当前层评价指标对应不同评价等级的隶属度，并根据隶属度向量组成模糊矩阵。

(3)利用AHP计算出来的当前层评价指标的权重以及模糊矩阵，求解其上一层次评价指标对应不同评价等级的隶属度。根据最大隶属度原则，确定各个洞室发生事故概率等级的最终结果。

1.3损失等级的确定

施工期地下洞室群可能发生各种不同破坏模式的安全事故，如塌方、岩爆、脆性开裂等，这些事故可能导致施工人员当场死亡或受伤、施工材料损坏、施工机械损坏、工期延长以及其他巨额经济损失。因此，需要施工现场工程技术人员根据实际情况对可能出现的事故进行预判，并对地下洞室群围岩发生破坏的损失进行定量计算。将损失划分为人员损失、直接经济损失、间接经济损失、环境和社会影响损失。针对不同破坏模式提出了不同的适应于地下洞室群围岩破坏的损失计算公式及参数取值,为节省篇幅,仅以塌方为例进行详述。

人员损失按照预估的塌方区域面积、工作面的人数、非工作面人数进行计算，计算如下：

nd=α(f 1p 1A 1+f 2p 2(S-A 1))/S　(2)

nh=β(f1p1A1+f2p2(S-A1))/S

(3)

nw=γ(f1p1A1+f2p2(S-A1))/S

(4)

式中：nd,nh和nw分别为死亡人数、重伤人数和轻伤人数；f1和f2分别为工作面和非工作面风险系数；p1和p2为工作面和非工作面人数；A1为工作面面积；S为该层已开挖的总面积；α，β，γ为受伤程度系数，三者总和为1。

工作面和非工作面的风险系数取值见表1[9-10]，权重为：

0.2(塌方面积)，0.2(救援时间),0.2(人员对危险认知水平)，0.2(应急预案的充分性)，0.1(发生事故时的天气)，0.1(发生事故的时间)。

直接经济损失计算式如下：

(5)

式中：DC为直接经济损失；BP为机械买入价格；q机械折旧率；t为机械使用时间；CP为机械当前评估价格；BM为材料买入总价；p为材料损失率。

间接经济损失计算式如下：

INDC=TC+EC+MC+OC

(6)

式中:INDC为间接经济损失;TC为工期费用；EC为应急费用；MC为修复费用；OC为其它费用。

社会影响损失与环境影响损失共分为4个不同层次：轻微、一般、严重、非常严重。

针对地下洞室群施工中人员损失、直接经济损失、间接经济损失、环境和社会影响损失的计量方式不统一的问题，为实现损失结果量化归一，拟采用当量法[11]确定损失等级。

根据《工程建设重大事故报告和调查程序规定》和《中华人民共和国国家赔偿法》有关规定，系统提供一套默认当量参数。但考虑到事故损失受事故大小不同、地下洞室群规模不同、各地方经济水平不同等因素的影响，本系统提供当量的自定义设置功能。此处以默认参数进行分析，1个后果当量等同于以下任意一种后果损失：一是1人死亡或10人重伤或50人轻伤；二是直接经济损失和间接经济损失总和为300万元。

环境影响损失和社会影响损失当量值分别是：2(轻微的)，5(一般的)，13(严重的)和18(非常严重的)。

总当量计算式如下：

(7)

图1　地下洞室群围岩稳定性风险评价整体思路 Fig.1 Overall thought for risk analysis of stability of surrounding rock of underground carven group

当DL>20，13

2地下洞室群围岩稳定性动态风险评价方法

2.1地下洞室群围岩稳定性风险评价整体思路

基于层次分析法和模糊综合评价法，形成监测数据、巡视检查、数值模拟三维一体的评价体系，并考虑评价体系、评价标准的动态性，对地下洞室群围岩发生事故的可能性等级进行评价。将地下洞室群围岩发生事故的损失划分为人员损失、直接经济损失、间接经济损失、环境社会影响损失，采用当量法进行计算和评价，综合考虑发生事故的可能性等级及可能造成的损失等级,由1.1节风险矩阵法确定单一洞室的风险等级,计算全部洞室围岩稳定性风险等级后,采用百分制方法，先由专家确定各类风险等级对应的评分值，然后由式(8)计算风险等级值Q，判断Q所在区间对应的风险等级即为地下洞室群围岩稳定性最终风险等级。整体评价思路如图1所示。

(8)

式中：Q为地下洞室群围岩稳定风险量化处理值；a为层次分析法确定的对应洞室的权重；N为各个等级的评分值，为简化计算取对应等级区间的中值。

2.2评价体系及评价标准

上文提到了地下洞室群围岩稳定性风险评价整体思路，为确定地下洞室群围岩稳定性动态风险，需先根据模糊综合评价法和层次分析法确定发生危险的可能性等级[12],其评价体系如图2所示，该评价体系充分考虑了随着各个洞室的开挖，监测仪器的类型、数量不断增加的情况以及针对地下洞室群分层开挖的特点进行数值模拟。

图2　模糊综合评价层次体系 Fig.2 Hierarchy system of fuzzy comprehensive evaluation

图3　位移-折减系数关系曲线 Fig.3 Relation curve of displacement and reduction coefficients

评价标准根据工程实际情况，常采用经验法、数理统计方法以及数值模拟方法动态拟定。为节省篇幅,这里仅介绍通过数值模拟方法对地下洞室围岩变形发生事故可能性等级的标准进行动态拟定。

强度折减法评价依据主要有3个，分别是数值计算不收敛、特征点突变以及塑性区贯通，本文采用特征点突变作为评价标准确定的依据。

首先，在地下洞室群数值仿真模型上映射工程最新的地质信息以及开挖支护进度信息。利用当前施工步的监测数据对地下洞室群围岩力学参数(如弹模)进行反演。然后针对地下洞室群施工过程中每个开挖状态，采用摩尔库伦准则，通过不断折减凝聚力、内摩擦角进行数值仿真计算，获得当前计算开挖状态下(与实际开挖状态相一致)各个位移监测点的位移-折减系数的相关关系曲线，如图3所示。大量数值模拟结果表明,地下洞室顶拱及边墙处位移折减后均产生类似曲线。

由图3可知，围岩变形大小随着参数不断折减共分为3个不同的变化阶段，分别是匀速变形阶段、加速变形阶段以及破坏阶段。图中A点是匀速变形阶段与加速变形阶段的分界点，对应系统中不可能发生事故等级的最大值以及很少发生事故等级的最小值；B点为很少发生事故等级的最大值，同时也是可能发生事故等级的最小值；C点是数值计算最后能够收敛的点，说明超出该点后，围岩稳定性已经发生破坏，故C点为可能发生事故等级的最大值以及非常可能发生等级的最小值。

2.3数值模拟结果的存储与提取

系统数值模拟信息管理模块利用Python语言对Abaqus软件进行二次开发，用户无需掌握Abaqus软件操作便可对地下洞室群三维模型进行有限元计算，计算结果保存至数据库。数据库主要包含4个表，分别是建筑物坐标范围表(包括建筑物名称、位置、三维坐标范围)、节点表(包括节点编号和节点三维坐标)、单元表(包括单元编号、单元的节点编号、单元所属分组、单元体积)以及结果表(包括开挖日期、节点编号、位移应力等)。

进行模糊综合评价时，需调用数据库中数值模拟的计算结果。由于篇幅所限，这里仅以主副厂房某典型断面顶拱处z向最大位移为例进行说明。首先，在建筑物坐标范围表中找出该典型断面顶拱三维坐标范围，考虑到顶拱附近围岩的作用，该空间范围适当扩大；然后，在节点表中找到满足上述空间范围的节点编号；最后，在结果表中找到当前开挖日期下，满足条件的节点编号的z向位移最大值。

2.4地下洞室群围岩稳定性风险评价

地下洞室群围岩稳定性风险评价具体步骤如下：

(1)根据最新的洞室开挖进度信息、支护信息、监测仪器安装信息、不良地质信息建立(或更新)用于数值模拟计算的地下洞室群三维大尺度精细化模型，同时建立(或更新)地下洞室群围岩稳定性评价体系,主要是增加评价模型中的监测断面、监测仪器以及需要进行数值模拟重点分析的典型剖面。

(2)通过系统监测信息管理模块录入各监测点最新监测数据；经巡视检查信息管理模块录入各个洞室最新巡视检查数据；根据最新模型通过开发Abaqus程序进行三维数值计算，将计算结果存入数据库。

(3)依据最新评价体系，采用层次分析法确定各层指标的主观权重。

(4)对新增的评价指标和上次评价结果与实际不符的评价指标的标准进行评定,如没有新增和与实际不符的评价指标则跳过此步。

(5)调用监测数据、巡视检查数据、数值模拟数据以及各个评价指标的评价标准，采用层次分析法和模糊综合评价法对评价体系中各个评价指标从下到上逐一评价，不仅获得最终单一洞室发生危险的可能性等级，亦可获得各层评价指标发生危险的可能性等级。

(6)由各个洞室的损失等级，得出单一洞室的风险等级。由式(8)确定地下洞室群围岩稳定性风险等级。

3系统开发与工程应用

依据上述评价方法，以Visual Studio 2010为编程平台、C#.Net为编程语言、SQL Server 2008为数据库平台开发地下洞室群围岩稳定性动态风险分析系统。

以国内某在建水电站地下洞室群为例，进行地下洞室群围岩稳定性动态风险分析。截止2014年6月30日，该地下洞室群主副厂房开挖至第3层(共10层)且支护完成，主变室开挖至第2层(共5层)，但支护尚未全部完成，尾水闸门室开挖至第3层(共4层)且支护完成，尾水调压井开挖至第1层(共5层)且支护完成，大部分区域工程开挖后立刻埋设了监测仪器。本次分析选取最新监测数据(2014年6月27日)，最新巡视检查数据(2014年6月30日)，根据最新开挖、支护情况，利用Python语言对Abaqus软件进行二次开发，计算当前洞室围岩位移、应力等信息，所有数据均通过系统保存至数据库。

3.1更新评价体系及权重

图4　更新评价体系与录入标准 Fig.4 Updated evaluation system and entry standard

主副厂房高程1 493.5 m处新增多点位移计10套、锚杆应力计 10套，因此，需对原有模型评价体系及相关评价指标权重进行更新(如图4)。首先在系统中录入新增仪器的测点编号，系统将会自动生成新的评价体系。然后选择专家，由专家根据1-9及其倒数标度法进行两两指标评判构成判断矩阵，系统能够自动根据判断矩阵计算各评价指标的相关权重。以厂房工程B-B断面(0+025 m)顶拱处为例，C5-CF-B-M-01-00和C5-CF-B-M-01-01权重各为0.25，其余3个测点权重约为0.17，这是因为前两个测点距离开挖面较近，而开挖表面存在四类凝灰岩，需要重点给予关注，这也表明专家拟定的权重具有较强的可靠性。此外，对于巡视检查各评价指标标准可通过此模块进行批量录入。

图5　基于数值仿真的评价标准的拟定 Fig.5 Fitted evaluation criteria based on a method of numerical simulation

3.2数值仿真评价指标的确定

利用前文阐述的数值仿真方法进行评价标准的拟定，如图5所示，首先在数值仿真模型中映射好进度、支护等信息，选取2014年6月30日作为评价时间，读取数据库中主副厂房C5-CF-A-M-01-01测点对应的相对位移值为20.03 mm，然后，进行有限元参数折减计算，计算完毕后单击“绘图分析”按钮即可得出该测点相对位移安全等级的标准，结果为绿色等级与蓝色等级的临界值21.05 mm，蓝色等级与黄色等级的临界值23 mm,黄色等级与红色等级的临界值29 mm。

图6　风险分析结果 Fig.6 Analysis results of risk

3.3动态风险评估

基于以上方法研发地下洞室群动态风险评估系统，截至2014年6月30日，对获取的地下洞室群围岩监测数据、巡视检查数据、数值模拟数据进行综合分析，分析结果如图6。

图6中左半部分窗体的树形视图以不同颜色表示各评价因素发生事故概率等级，双击节点，可查看数据、曲线等详细信息，见右下角窗体。同时，系统给出单一洞室和地下洞室群发生事故的概率等级(取4种可能性中概率最大者，本次分析均为“不可能”)和各个洞室的风险等级。分析表明，地下洞室群围岩稳定性整体处于绿色无风险的稳定状态，这与当前地下洞室群开挖至此的实际情况相符。

4结语

(1)将风险概念引入施工期地下洞室群围岩稳定性评价中，提出了一套基于监测数据、巡视检查、数值模拟三维一体的评价体系，确定围岩发生事故可能性等级，同时结合当量法的概念研发了地下洞室群围岩稳定性动态风险分析系统。

(2)针对施工期地下洞室群，提出一套较为合适的损失等级评价方法，由于该方面理论研究基本处于空白阶段，因此后期还需进一步完善。

(3)以国内某在建水电站施工期地下洞室群为例进行分析，分析结果与实际状况吻合，表明该评价方法是合理的；系统能够找出影响地下洞室群围岩稳定的危险区域(本次分析中测点C5-CF-B-M-01-01和C5-CF-B-M-01-02以及厂房底板处于很少发生事故等级，相对于其他评价结果为不可能发生事故等级的需重点进行关注)和不安全因素(变形稍大)，表明该系统是一个良好的辅助分析工具。

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Dynamic risk analysis and system development for stability of surrounding rock of underground carven group

ZHANG Chao, ZHANG She-rong, CUI Wei, WANG Chao

(StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Key words： underground carven group; surrounding rock; analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation; an equivalent method; dynamic risk analysis; system research and development

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E-mail: wangzhexue0117@126.com通信作者：王建华(tdwjh@tju.edu.cn)