一种基于随机块体统计分析的洞室支护分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于随机块体统计分析的洞室支护分析方法及系统，涉及地质分析领域，该方法包括基于采集的结构面参数并采用下极点投影绘制得到全空间赤平投影图；根据可动性定理判断得到洞室是否存在可移动块体，以及可移动块体的形成部位和滑动模式，从而确定需支护的关键块体；基于随机模拟方法模拟生成随机的三维结构面网络，并采用几何拓扑学及块体理论，对三维结构面网络中的随机块体进行搜索，找出所有位于开挖面上的随机块体；基于统计学方法对找出的随机块体的几何特征参数进行计算，所述随机块体的几何特征参数包括体积、面积和埋深；确定随机块体的支护参数，从而确定洞室支护方案。本发明专利技术能够实现对洞室支护的有效分析和确定。的有效分析和确定。的有效分析和确定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于随机块体统计分析的洞室支护分析方法及系统


[0001]本专利技术涉及地质分析领域，具体涉及一种基于随机块体统计分析的洞室支护分析方法及系统。

技术介绍

[0002]地下洞室在开挖时，由于原始地应力平衡遭到破坏，围岩应力重新分布，使得洞室围岩发生变形破坏。洞室开挖面上的块体在自重应力及围岩应力的影响下存在脱离开挖面的风险，从而影响工程正常运行，并对施工人员的生命安全产生威胁。
[0003]为确保洞室稳定，保障工程的顺利进行及现场施工人员安全，需对围岩进行支护处理。工程岩体受结构面的影响具有很强的各向异性和非均质性，结构面的物理力学性质很大程度上控制着岩体的强度和稳定性，因此在进行围岩支护时必须要考虑结构面对洞室围岩稳定性的影响。
[0004]现有的岩体稳定性分析方法中，块体理论通过几何拓扑方法对围岩中存在的可能失稳块体进行分析，并在力学分析的基础上对围岩的块体稳定性进行研究，确定洞室围岩块体支护措施，以此确定洞室所需支护措施。但是传统块体理论需要确定结构面几何及力学参数，而实际工程岩体中发育的结构面、产状、间距等参数具有随机发育的特点，且目前的探测手段只能采集到出露点的结构面参数，岩体内部的结构面发育情况难以探测。
[0005]同时，将传统块体理论应用于洞室围岩稳定分析还存在另一方面的问题，即难以精确定位围岩中不稳定块体的位置。
[0006]可见，为当前为对洞室中不稳定块体进行支护，需要计算不稳定块体支护力以及确定锚杆参数，因此需要确定块体的面积、体积和埋深。然而，现有手段难以确定上述块体形态参数，鉴于块体大小随机的问题，传统块体理论也难以对该问题予以解决。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于随机块体统计分析的洞室支护分析方法及系统，能够实现对洞室支护的有效分析和确定。
[0008]为达到以上目的，本专利技术提供的一种基于随机块体统计分析的洞室支护分析方法，具体包括以下步骤：
[0009]基于采集的结构面参数并采用下极点投影绘制得到全空间赤平投影图，所述结构面参数包括结构面产状、长度和间距；
[0010]根据可动性定理判断得到洞室是否存在可移动块体，以及可移动块体的形成部位和滑动模式，从而确定需支护的关键块体；
[0011]基于随机模拟方法模拟生成随机的三维结构面网络，并采用几何拓扑学及块体理论，对三维结构面网络中的随机块体进行搜索，找出所有位于开挖面上的随机块体；
[0012]基于统计学方法对找出的随机块体的几何特征参数进行计算，所述随机块体的几何特征参数包括体积、面积和埋深；
[0013]基于随机块体的锚固力，以及根据随机块体的埋深计算得到的锚固长度，确定随机块体的支护参数，从而确定洞室支护方案。
[0014]在上述技术方案的基础上，
[0015]对于可移动块体的判断，具体为：根据可动性定理判断块体的可动性，表达式为：
[0016][0017]其中，JP表示节理锥，指仅仅由结构面为界的岩体半空间交集所构成的棱锥，EP表示开挖锥，指以临空面为界，岩体所在空间构成的棱锥，SP表示空间锥，指以临空面为界，非岩体空间所构成的棱锥，Φ表示空集；
[0018]对于滑动模式的判断，具体为：基于全空间赤平投影结果实现可移动块体滑动模式的判断。
[0019]在上述技术方案的基础上，所述基于全空间赤平投影结果实现可移动块体滑动模式的判断，具体过程为：
[0020]对于滑动模式为脱离岩体，当主动力合力在全空间赤平投影图上的投影点落在某个JP内，则当前JP的滑动模式为脱离岩体；
[0021]对于滑动模式为单面滑动，当块体沿结构面P
i
产生单面滑动时，则除结构面P
i
外，JP的其他结构面均与岩体脱开，则滑动方向同时其中，为结构面P
i
指向块体内部的单位法向矢量，表示主动力合力；
[0022]对于滑动模式为双面滑动，当块体沿结构面P
i
和P
j
产生双面滑动时，滑动方向沿着结构面P
i
和P
j
的交线方向，即其中，表示滑动方向，同时，且其中，表示结构面P
j
指向块体内部的单位法向矢量，表示主动力合力在结构面P
j
上的投影。
[0023]在上述技术方案的基础上，所述关键块体的判断方式为：
[0024]根据失稳模式判断出可移动块体的滑动面，然后根据以下步骤判断块体是否为关键块体：
[0025]当块体为单面滑动时，块体的单面净滑动力F的计算方式为：
[0026][0027]此时，当F＞0时，当前可单面滑动的滑块为关键块体，其中，F
i
表示主动力合力在结构面P
i
上沿切向上的分量，N
i
表示主动力合力在结构面P
i
上沿法向上的分量，表示结构面P
i
的有效摩擦角；
[0028]当块体为双面滑动时，块体的双面净滑动力F1的计算方式为：
[0029][0030]此时，当F1＞0时，当前可双面滑动的滑块为关键块体，其中，F
ij
表示主动力合力沿结构面P
i
和P
j
交线方向上的滑动力分量，W
i
表示结构面P
i
上的法向支持力，N
j
表示结构面
P
j
上的法向支持力。
[0031]在上述技术方案的基础上，所述基于随机模拟方法模拟生成随机的三维结构面网络，具体步骤包括：
[0032]基于采集的结构面参数，拟合得到结构面参数的概率密度分布函数；
[0033]根据结构面参数的概率密度分布函数，并使用生成的均匀随机数，对结构面的各参数进行Monte
‑
Carlo模拟生成，得到随机的三维结构面网络；
[0034]通过结构面与临空面的求交线运算，得到临空面上结构面迹线；
[0035]进行多次三维结构面网络的模拟生成，并统计块体的覆盖面积和覆盖率。
[0036]在上述技术方案的基础上，
[0037]所述块体的覆盖面积为块体位于开挖面上的所占范围，覆盖面积的计算方式为：基于三维结构面网络，找出开挖面上迹线所构成的块体在开挖面上出露的面积并累加，最终计算得出该开挖面上块体的覆盖面积；
[0038]所述块体的覆盖率为块体覆盖面积与块体所处临空面面积之比，所述覆盖率用于随机块体的危害性评价，且覆盖率与块体的支护方式相关。
[0039]在上述技术方案的基础上，所述锚固力的计算方式：
[0040]P
d
＝(V*r
c
‑
P
w
)*1.5
[0041]其中，P
d
表示块体所需的锚固力，V表示失稳块体体积，r
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于随机块体统计分析的洞室支护分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：基于采集的结构面参数并采用下极点投影绘制得到全空间赤平投影图，所述结构面参数包括结构面产状、长度和间距；根据可动性定理判断得到洞室是否存在可移动块体，以及可移动块体的形成部位和滑动模式，从而确定需支护的关键块体；基于随机模拟方法模拟生成随机的三维结构面网络，并采用几何拓扑学及块体理论，对三维结构面网络中的随机块体进行搜索，找出所有位于开挖面上的随机块体；基于统计学方法对找出的随机块体的几何特征参数进行计算，所述随机块体的几何特征参数包括体积、面积和埋深；基于随机块体的锚固力，以及根据随机块体的埋深计算得到的锚固长度，确定随机块体的支护参数，从而确定洞室支护方案。2.如权利要求1所述的一种基于随机块体统计分析的洞室支护分析方法，其特征在于：对于可移动块体的判断，具体为：根据可动性定理判断块体的可动性，表达式为：其中，JP表示节理锥，指仅仅由结构面为界的岩体半空间交集所构成的棱锥，EP表示开挖锥，指以临空面为界，岩体所在空间构成的棱锥，SP表示空间锥，指以临空面为界，非岩体空间所构成的棱锥，Φ表示空集；对于滑动模式的判断，具体为：基于全空间赤平投影结果实现可移动块体滑动模式的判断。3.如权利要求2所述的一种基于随机块体统计分析的洞室支护分析方法，其特征在于，所述基于全空间赤平投影结果实现可移动块体滑动模式的判断，具体过程为：对于滑动模式为脱离岩体，当主动力合力在全空间赤平投影图上的投影点落在某个JP内，则当前JP的滑动模式为脱离岩体；对于滑动模式为单面滑动，当块体沿结构面P
i
产生单面滑动时，则除结构面P
i
外，JP的其他结构面均与岩体脱开，则滑动方向同时其中，为结构面P
i
指向块体内部的单位法向矢量，表示主动力合力；对于滑动模式为双面滑动，当块体沿结构面P
i
和P
j
产生双面滑动时，滑动方向沿着结构面P
i
和P
j
的交线方向，即其中，表示滑动方向，同时，且其中，表示结构面P
j
指向块体内部的单位法向矢量，表示主动力合力在结构面P
j
上的投影。4.如权利要求1所述的一种基于随机块体统计分析的洞室支护分析方法，其特征在于，所述关键块体的判断方式为：根据失稳模式判断出可移动块体的滑动面，然后根据以下步骤判断块体是否为关键块体：
当块体为单面滑动时，块体的单面净滑动力F的计算方式为：此时，当F＞0时，当前可单面滑动的滑块为关键块体，其中，F
i
表示主动力合力在结构面P
i
上沿切向上的分量，N
i
表示主动力合力在结构面P
i
上沿法向上的分量，表示结构面P
i
的有效摩擦角；当块体为双面滑动时，块体的双面净滑动力F1的计算方式为：此时，当F1＞0时，当前可双面滑动的滑块为关键块体，其中，F
ij

【专利技术属性】
技术研发人员：张奇华，张自强，熊峰，董杉，王旭阳，林宇，方强，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：