一种基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法及系统

本发明属于地下水封洞库及大型地下洞室围岩稳定控制，尤其涉及一种基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法及系统。

背景技术：

1、地下水封洞库通常埋置于地下稳定岩体中，依靠天然地下水压力形成水封条件，以保证储存介质不发生外泄。该类工程具有洞室跨度大、埋深较大、洞群交叉关系复杂、开挖步序多和运行安全要求高等特点。主洞室、工艺竖井、施工巷道、连接巷道和附属洞室在局部位置形成空间交叉结构，使围岩受到多向开挖卸荷、应力重分布和局部弱化岩体共同作用。

2、弱化带是指蚀变带、破碎带、节理密集带、软弱夹层及其组合形成的低强度围岩区域。此类弱化带通常具有完整性差、变形模量低、黏聚力小、抗剪强度低和遇水软化敏感等特征。当弱化带与主洞室轮廓发生斜交、切入或穿越时，容易导致围岩位移增大、塑性区扩展、边墙与拱肩处应力集中、支护结构受力不均以及交叉口局部失稳风险增加。

3、现有地下洞室交叉口处治方法多采用加强锚杆、增厚喷层、加密钢筋网、设置型钢支护或缩短开挖进尺等措施。上述方法能够在一定程度上提高支护强度，但通常依赖经验确定支护参数，对主洞室与弱化带之间应保留的岩体宽度缺乏定量评价；同时，常规开挖路径可能直接扰动弱化带高风险区段，导致支护结构承受不利变形和应力集中。

4、以典型地下水封洞库交叉口弱化带为例，弱化带影响区弹性模量可显著低于一般围岩区，抗剪强度亦明显降低。该差异表明，若仍采用经验性加强支护而不对预留岩柱宽度、施工路径和监测反馈进行联动优化，则难以从源头上降低弱化带对交叉口围岩稳定性的影响。

5、因此，亟需提出一种能够结合弱化带空间关系、围岩力学参数、预留岩柱宽度、多指标稳定性评价和监测反馈修正的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法及系统，以实现对交叉口围岩稳定性的定量评价、主动干预和动态闭环控制。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法，包括以下步骤：

2、获取交叉口区段的地质空间参数、围岩力学参数和开挖结构参数；

3、根据所述地质空间参数、所述围岩力学参数和所述开挖结构参数，构建包含主洞室、工艺竖井、弱化带和待优化预留岩柱的三维数值计算模型；

4、根据所述三维数值计算模型，设定多组预留岩柱宽度工况，并对各组所述预留岩柱宽度工况分别进行数值计算，获取各组所述预留岩柱宽度工况下的围岩响应指标；

5、根据所述围岩响应指标，构建综合评价函数，利用所述综合评价函数对各组所述预留岩柱宽度工况进行综合评价，以确定预留岩柱宽度；

6、根据确定的预留岩柱宽度，在所述交叉口区段保留预留岩柱，并设置侧导洞或辅助导洞，以改变施工路径；

7、在施工过程中获取监测数据，并根据所述监测数据对后续施工参数进行动态修正。

8、可选地，所述弱化带包括蚀变带、破碎带、节理密集带、软弱夹层及其组合形成的低强度围岩区域；

9、所述地质空间参数包括所述弱化带与所述主洞室的空间位置关系、所述弱化带与所述工艺竖井的空间位置关系、所述弱化带与连接洞室的空间位置关系、所述弱化带的宽度、所述弱化带的走向、所述弱化带的倾角、所述弱化带的边界至所述主洞室轮廓的距离以及所述交叉口区段的局部围岩等级。

10、可选地，所述围岩力学参数包括密度、体积模量、剪切模量、黏聚力、内摩擦角和抗拉强度；所述三维数值计算模型采用弹塑性本构模型，并将围岩划分为一般围岩区和弱化带影响区。

11、可选地，根据所述体积模量和所述剪切模量计算等效弹性模量和泊松比，并根据所述等效弹性模量和所述泊松比判断所述弱化带影响区相对于所述一般围岩区的变形参数折减程度。

12、可选地，基于mohr-coulomb强度准则，根据所述黏聚力、法向应力和所述内摩擦角计算所述一般围岩区和所述弱化带影响区的抗剪强度，并根据所述抗剪强度判断所述弱化带影响区相对于所述一般围岩区的强度折减程度。

13、可选地，所述围岩响应指标包括位移控制率，所述位移控制率为无预留岩柱工况下的围岩最大位移与当前预留岩柱宽度工况下的围岩最大位移之差，除以所述无预留岩柱工况下的围岩最大位移，再乘以百分之百。

14、可选地，所述围岩响应指标包括塑性区控制系数，所述塑性区控制系数为无预留岩柱工况下的塑性区面积或体积与当前预留岩柱宽度工况下的塑性区面积或体积之差，除以所述无预留岩柱工况下的塑性区面积或体积，再乘以百分之百。

15、可选地，所述围岩响应指标包括最大剪应力波动系数，所述最大剪应力波动系数为最大剪应力峰值与最小剪应力峰值之差，除以最大剪应力平均值，再乘以百分之百。

16、可选地，所述综合评价函数基于位移归一化评价值、塑性区归一化评价值、体积应力或应力稳定归一化评价值、最大剪应力归一化评价值和施工适应性评价值构建；各所述评价值分别通过对各组所述预留岩柱宽度工况下的相应原始围岩响应指标进行极差归一化处理得到；所述综合评价函数的值为各所述评价值与各自对应的预设权重系数的乘积之和，各所述预设权重系数之和为1。

17、本发明还提供了一种基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制系统，包括：

18、参数获取模块，用于获取交叉口区段的地质空间参数、围岩力学参数和开挖结构参数；

19、模型构建模块，用于根据所述地质空间参数、所述围岩力学参数和所述开挖结构参数，构建包含主洞室、工艺竖井、弱化带和待优化预留岩柱的三维数值计算模型；

20、工况计算模块，用于根据所述三维数值计算模型，设定多组预留岩柱宽度工况，并对各组所述预留岩柱宽度工况分别进行数值计算，获取各组所述预留岩柱宽度工况下的围岩响应指标；

21、指标评价模块，用于根据所述围岩响应指标，构建综合评价函数，利用所述综合评价函数对各组所述预留岩柱宽度工况进行综合评价，以确定预留岩柱宽度；

22、路径优化模块，用于根据所述预留岩柱宽度，在所述交叉口区段保留所述预留岩柱，并设置侧导洞或辅助导洞，以改变施工路径；

23、反馈修正模块，用于在施工过程中获取监测数据，并根据所述监测数据对后续施工参数进行动态修正。

24、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

25、第一，本发明通过多工况数值计算和综合评价函数确定预留岩柱宽度，避免单纯依赖经验选取岩柱尺寸，提高了复杂交叉口围岩稳定控制的定量化程度；第二，本发明将预留岩柱作为主洞室与弱化带之间的承载隔离单元和变形协调单元，可削弱弱化带对主洞室的直接影响，降低塑性区贯通和局部位移集中风险；第三，本发明通过侧导洞或辅助导洞改变交叉口施工路径，使主开挖扰动避开弱化带高风险区段，提高工艺竖井与主洞室交叉口施工安全性；第四，本发明通过监测反馈修正支护参数和开挖步序，能够在施工过程中及时识别围岩响应异常并采取补强措施，提高交叉口施工期和运行期稳定性。

1.一种基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法，其特征在于，

5.根据权利要求3所述的基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制方法，其特征在于，

10.一种基于预留岩柱优化的地下水封洞库交叉口围岩稳定控制系统，其特征在于，包括：