邢萬(wàn)波，湯雪峰

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述[1-3]

我國(guó)幅員遼闊，具有復(fù)雜的地形地貌特征，青藏高原、云貴高原及中部山區(qū)、東部的近海平原構(gòu)成中國(guó)大陸地形從西向東驟降的三級(jí)臺(tái)地的特點(diǎn)，地質(zhì)條件之復(fù)雜為世界所少見；同時(shí)水力資源大半分布在西部崇山峻嶺、深山峽谷、大江大河之中，如金沙江、雅礱江、大渡河、怒江、瀾滄江、烏江、紅水河、黃河上游等。西部地區(qū)典型的地形、地質(zhì)、環(huán)境和水力條件使得在大多數(shù)情況下地下洞室群成為水電工程樞紐布置的最佳選擇。隨著西部水電開發(fā)，地下洞室群的數(shù)量、規(guī)模、地質(zhì)條件和技術(shù)難度將不斷超越，地下洞室群正朝著單機(jī)大容量、洞室大跨度、施工大規(guī)模和安全高要求的方向發(fā)展。

西部地區(qū)大多數(shù)地下洞室群圍巖表現(xiàn)出高地應(yīng)力特征，圍巖變形與破壞機(jī)理復(fù)雜，巖爆、變形、塌方、突水、地表沉陷等地質(zhì)與工程災(zāi)害事故頻發(fā)，災(zāi)害預(yù)測(cè)困難，嚴(yán)重影響工程施工組織，制約施工進(jìn)度，甚至造成重大經(jīng)濟(jì)損失，有時(shí)還會(huì)伴生不利環(huán)境影響等問題?，F(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)已經(jīng)無(wú)法滿足復(fù)雜條件下大型地下工程建設(shè)的需求，地下洞室群工程的穩(wěn)定安全問題變得十分重要與突出。

大跨度、高邊墻地下洞室群的工程地質(zhì)條件、圍巖結(jié)構(gòu)特征、開挖擾動(dòng)賦存環(huán)境等問題均是設(shè)計(jì)研究關(guān)注的重點(diǎn)問題。盡管我國(guó)已經(jīng)建成大量地下廠房洞室群，但是，由于地下工程的特殊性和復(fù)雜性，一直沒有建立起普遍適用的圍巖穩(wěn)定評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。因此，開發(fā)并系統(tǒng)集成能正確反映復(fù)雜條件下超大洞室群施工期圍巖力學(xué)響應(yīng)及變形破壞特征的反饋分析方法，建立面向施工的圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)效應(yīng)的快速評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)反饋及優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，提出個(gè)性化的地下洞室群圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是水電工程地下洞室群的設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵技術(shù)。

2 西南地區(qū)水電站地下洞室群工程特點(diǎn)

西南地區(qū)水電站地下洞室群具有如下顯著特點(diǎn)：

2.1 圍巖地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜

(1)地質(zhì)條件復(fù)雜。西南地區(qū)高山峽谷地區(qū)歷史上經(jīng)歷了地殼內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用的劇烈交織與轉(zhuǎn)化，強(qiáng)烈影響了河谷動(dòng)力學(xué)演化過程，造成深埋地下洞室群地質(zhì)構(gòu)造(斷層、層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶和節(jié)理裂隙)發(fā)育，不確定性高，地質(zhì)條件復(fù)雜；

(2)地應(yīng)力水平高。西南地區(qū)地下洞室群工程受埋深大和歷史上遭受的強(qiáng)烈地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，造成工程地應(yīng)力水平高，巖體強(qiáng)度應(yīng)力比問題突出，巖體開挖卸荷強(qiáng)烈；

(3)水文地質(zhì)條件復(fù)雜。地下水豐富，巖體裂隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育形成了西南地下洞室群工程復(fù)雜的地下水滲流裂隙通道，特別是巖溶地區(qū)，水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，帶來了地下洞室群工程施工與運(yùn)行環(huán)境的特殊性，對(duì)圍巖穩(wěn)定安全控制影響大。

2.2 洞室群規(guī)模巨大，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜

(1)西南地區(qū)水能資源豐富，單機(jī)容量大，地下洞室群工程規(guī)模巨大，“尺寸效應(yīng)”帶來的圍巖穩(wěn)定問題突出；

(2)不多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和規(guī)模的“超規(guī)范”造成可供工程類比的對(duì)象不足；

(3)主體洞室與眾多附屬洞室一起形成了規(guī)模宏大、縱橫交錯(cuò)的地下洞室群，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，相互作用效應(yīng)突出。

2.3 施工組織困難，影響因素多

(1)深埋條件下洞群施工有其特殊性，通道布置與開挖難度高，洞群體系復(fù)雜，施工組織困難。

(2)開挖和支護(hù)工程量較大，受限于施工難度和場(chǎng)地要素，建設(shè)周期較長(zhǎng)。

(3)圍巖松動(dòng)受開挖程序與開挖方式影響大，工程作用效應(yīng)復(fù)雜。

2.4 高應(yīng)力條件下圍巖開挖卸荷力學(xué)行為復(fù)雜，時(shí)效特征明顯

(1)地應(yīng)力水平高，巖體強(qiáng)度應(yīng)力比問題突出，洞周圍巖應(yīng)力演化過程復(fù)雜；

(2)高應(yīng)力條件下巖體變形破裂及破裂擴(kuò)展機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，缺乏巖體峰前破裂特性和峰后非線性特性的本構(gòu)描述，存在片幫、巖爆等高應(yīng)力巖石破壞現(xiàn)象，高應(yīng)力作用下巖體力學(xué)行為復(fù)雜。

(3)邊墻開挖變形機(jī)理復(fù)雜，時(shí)效特征明顯，穩(wěn)定控制難度大。受高地應(yīng)力和復(fù)雜工程地質(zhì)條件的制約，開挖大型地下廠房存在大變形的跡象，且變形時(shí)效特征明顯，錨索超限現(xiàn)象突出，相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)欠缺，給圍巖穩(wěn)定和地下廠房長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作帶來新的挑戰(zhàn)。

2.5 投資巨大，安全控制標(biāo)準(zhǔn)高，穩(wěn)定控制難度大

(1)裝機(jī)容量大，洞室群規(guī)模大，工程投資高。

(2)對(duì)施工管理、高效建設(shè)以及投資安全的不斷追求，要求地下洞室群工程安全控制標(biāo)準(zhǔn)越來越高。

(3)洞室群賦存環(huán)境、工程規(guī)模、巖體復(fù)雜卸荷力學(xué)行為、施工因素影響、支護(hù)機(jī)理的不明確等問題決定了地下洞室群工程穩(wěn)定控制難度大。

3 多源信息監(jiān)測(cè)及分析技術(shù)

安全監(jiān)測(cè)在地下洞室群的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行中占有重要的地位，它不但是判斷洞室安全的耳目，還是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和施工的重要手段。衡量地下工程設(shè)計(jì)與施工方法效果的好壞，支護(hù)是否起到作用，工程是否處于安全狀態(tài)，安全監(jiān)測(cè)是主要手段。

3.1監(jiān)測(cè)新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用

地下工程監(jiān)測(cè)新技術(shù)包含光纖測(cè)試技術(shù)、滑動(dòng)測(cè)微計(jì)監(jiān)測(cè)技術(shù)、微震監(jiān)測(cè)技術(shù)、激光收斂變形監(jiān)測(cè)技術(shù)、鉆孔電視技術(shù)等。在探索深埋地下巖體的破壞機(jī)制和失穩(wěn)征兆預(yù)測(cè)方面，微震監(jiān)測(cè)、聲波(AE)技術(shù)和鉆孔電視技術(shù)是較為前沿的手段。應(yīng)用新的監(jiān)測(cè)技術(shù)，揭示地下工程圍巖變形規(guī)律和預(yù)測(cè)變形發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)深入認(rèn)識(shí)地下工程巖體的破壞機(jī)理與演化特征、開展支護(hù)措施效果評(píng)價(jià)和工程穩(wěn)定安全狀況的判斷等具有重要意義。

地下工程監(jiān)測(cè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是：

(2)研發(fā)高性能智能傳感組件，建立信息自動(dòng)采集和無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)智能處理與數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、安全預(yù)警和可靠性判斷的目標(biāo)，已經(jīng)成為安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。

(3)地下工程開挖巖體損傷區(qū)一直是工程設(shè)計(jì)和安全評(píng)估方面的關(guān)鍵技術(shù)難題，應(yīng)進(jìn)一步拓展思路，開發(fā)巖體損傷檢測(cè)技術(shù)、二次應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)，突破現(xiàn)有技術(shù)困境，為工程開挖支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化和安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

3.2 多源監(jiān)測(cè)信息快速采集及處理技術(shù)

地下工程發(fā)展越來越強(qiáng)調(diào)快速技術(shù)集成，海量多源監(jiān)測(cè)信息的自動(dòng)快速采集和信息快速處理已成為困擾監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的難題。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展無(wú)疑為該技術(shù)難題的解決提供了可能。

20世紀(jì)90年代以來，地下工程施工逐步邁向信息化時(shí)代，信息化施工的核心在于施工工序和設(shè)計(jì)不再一成不變。這一時(shí)期，監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展具體表現(xiàn)在以下兩方面：一是監(jiān)測(cè)方法及儀器本身的進(jìn)步?，F(xiàn)代物理，特別是電子技術(shù)的成就，已廣泛應(yīng)用于新型監(jiān)測(cè)儀表器具中，如各種材料和不同形式的收斂計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、應(yīng)力計(jì)、壓力盒、遠(yuǎn)視沉降儀、各類孔壓計(jì)及測(cè)斜儀等的研制，優(yōu)化儀表結(jié)構(gòu)性能，提高精度和穩(wěn)定性；二是監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和內(nèi)容不斷豐富，分析方法不斷完善，巖土體豎向變形和側(cè)向位移、巖土中初始應(yīng)力及二次應(yīng)力、土體側(cè)向壓力、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、接觸面應(yīng)力、孔隙水壓力以及施工環(huán)境諸因素和對(duì)象的反應(yīng)等都能較全面地得到監(jiān)測(cè)和反饋。

地下工程施工期和運(yùn)行期的監(jiān)測(cè)信息多且雜，反饋分析和技術(shù)管理對(duì)監(jiān)測(cè)信息的快速處理與快速反應(yīng)要求越來越高，如何實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)采集，建立監(jiān)測(cè)信息管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)，高效管理海量多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，快速處理監(jiān)測(cè)信息，成為監(jiān)測(cè)信息快速采集及處理技術(shù)的核心內(nèi)容。監(jiān)測(cè)信息采集及分析處理需解決以下技術(shù)問題：

(1)深入研究監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差分析與初差處理技術(shù)，納入監(jiān)測(cè)信息庫(kù)系統(tǒng)。

(2)在監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和信息采集工作中引入和發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，克服現(xiàn)有人工采集的缺點(diǎn)和弊端，深化監(jiān)測(cè)信息采集的深度和頻度，強(qiáng)調(diào)信息采集的網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化和快速化，提升現(xiàn)有監(jiān)測(cè)信息采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源監(jiān)測(cè)信息的自動(dòng)采集。

Cathrine Hartung， Oddvar Knustad， Kjell Wardener等人認(rèn)為，碎塊狀石墨是在冷卻緩慢、成核潛能低、CE高、以及RE和微量元素偏析情況下造成的，建議從孕育效果、Sb中和RE、阻礙碳原子擴(kuò)散，以及提高冷卻速度方面著手解決。

(3)在強(qiáng)調(diào)監(jiān)測(cè)信息快速采集的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，建立和完善地下工程監(jiān)測(cè)信息庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效管理技術(shù)與機(jī)制。

(4)開發(fā)監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)處理能力，集成相關(guān)前沿的監(jiān)測(cè)信息處理技術(shù)，快速處理采集到的監(jiān)測(cè)信息，快速反應(yīng)，為監(jiān)測(cè)反饋、地下工程安全評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 基于監(jiān)測(cè)信息的圍巖安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)

地下工程監(jiān)測(cè)目的之一就是預(yù)測(cè)。在監(jiān)測(cè)信息快速采集和處理發(fā)展的基礎(chǔ)上，根據(jù)采集的監(jiān)測(cè)信息對(duì)地下工程圍巖變形、應(yīng)力、地下水等發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)判，對(duì)圍巖安全狀況做出安全評(píng)判，為安全管理、施工、設(shè)計(jì)和深化研究工作提供技術(shù)支持和二次信息。

(1)開展工程監(jiān)測(cè)信息技術(shù)總結(jié)，歸納總結(jié)地下工程圍巖變形與破壞的影響因素，運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法(統(tǒng)計(jì)方法、非線性數(shù)學(xué)方法等手段)，建立圍巖變形與應(yīng)力的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式。開展基于監(jiān)測(cè)信息的圍巖預(yù)測(cè)技術(shù)研究，深化提升預(yù)測(cè)成果的可靠性與有效性。

(2)建立基于監(jiān)測(cè)信息的圍巖安全評(píng)價(jià)體系，通過工程總結(jié)完善相關(guān)技術(shù)流程和標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成監(jiān)測(cè)信息采集終端和監(jiān)測(cè)信息庫(kù)終端，形成一個(gè)完備的基于監(jiān)測(cè)圍巖安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為解決地下工程安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)服務(wù)。

4 快速反饋分析理論與評(píng)價(jià)方法研究

監(jiān)測(cè)反饋分析常用的方法有：常規(guī)分析方法(工程類比等)、數(shù)值分析法、數(shù)學(xué)物理模型分析法。地下工程巖土反饋分析方法如圖1所示。鑒于工程設(shè)計(jì)要求精確化、正分析模型的復(fù)雜化、以及反饋設(shè)計(jì)的多元化和多水平化，傳統(tǒng)反分析方法[4](直接求逆方程反演方法、基于監(jiān)測(cè)信息的正演優(yōu)化方法、考慮先驗(yàn)信息及量測(cè)誤差的貝葉斯(Beyes)方法或卡爾曼(Calman)濾波法)正面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。而正演優(yōu)化方法以其較廣泛的適應(yīng)性，以及與數(shù)值方法較好的結(jié)合性而被較多研究者和工程人員所采用。

隨著信息科學(xué)、智能科學(xué)等新興學(xué)科的發(fā)展，越來越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到實(shí)現(xiàn)巖石力學(xué)的學(xué)科突破的關(guān)鍵在于學(xué)科間的交叉與滲透，把巖土工程學(xué)科同其它學(xué)科進(jìn)行交叉滲透是發(fā)展巖土工程學(xué)科的必由之路。在復(fù)雜的巖體工程和環(huán)境系統(tǒng)中，不確定性極強(qiáng)，以致任何單一來源的知識(shí)都難以支持可靠的決策，多源知識(shí)的綜合集成顯然是最佳的選擇。近年來，隨著計(jì)算手段、學(xué)科交叉以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，地下工程反分析出現(xiàn)了“智能化”趨勢(shì)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模擬退火算法、支持向量機(jī)等人工智能方法被引入反分析的正演優(yōu)化方法領(lǐng)域，反分析正朝著多維化、智能化和高效化的方向發(fā)展。

圖1 巖土工程反饋分析方法分類

目前看來，以智能優(yōu)化方法和表面響應(yīng)模型(RSM)相結(jié)合的正演優(yōu)化反分析方法是巖土工程反分析研究領(lǐng)域一個(gè)很重要且前沿的研究方向。總的來說，巖石力學(xué)參數(shù)的智能反演方法歸納為4個(gè)類型[5](馮夏庭，2007年)：

(1) 均勻設(shè)計(jì)(或正交設(shè)計(jì))-數(shù)值計(jì)算方法；

(2) 粒子群(或遺傳算法)-數(shù)值方法(如有限元、拉格朗日元法等)；

(3) 均勻設(shè)計(jì)(或正交設(shè)計(jì))-演化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-數(shù)值方法(如有限元、拉格朗日元法等)-遺傳算法(或粒子群)，該方法主要適合于大樣本空間的學(xué)習(xí)問題；

(4) 均勻設(shè)計(jì)(或正交設(shè)計(jì))-演化支持向量機(jī)-并行數(shù)值方法(如有限元、拉格朗日元法等)-遺傳算法(或粒子群)，該方法主要適合于小樣本空間的學(xué)習(xí)問題。

盡管地下廠房洞室群工程監(jiān)測(cè)反饋分析已經(jīng)取得大量研究成果和應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但地下工程監(jiān)測(cè)反饋分析仍然受制于以下環(huán)節(jié)，有必要結(jié)合水電站復(fù)雜地下洞室群工程實(shí)踐，進(jìn)一步開展地下洞室群施工期快速監(jiān)測(cè)與反饋分析方法研究。這些環(huán)節(jié)包括：

(1)大型洞室的“尺寸效應(yīng)”問題；

(2) 監(jiān)測(cè)反饋的及時(shí)性問題；

(3)高地應(yīng)力圍巖力學(xué)響應(yīng)的復(fù)雜性問題；

(4)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)反饋輔助技術(shù)的成熟性問題；

(5)圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)匱乏性問題。

以上問題都給準(zhǔn)確及時(shí)判斷圍巖施工期穩(wěn)定安全帶來極大困難，有必要結(jié)合水電站復(fù)雜地下洞室群工程實(shí)踐，開展地下洞室群圍巖快速監(jiān)測(cè)反饋評(píng)價(jià)體系方面的研究工作。

4.1 快速反饋分析方法研究

采用反饋分析方法進(jìn)行模型辨識(shí)與參數(shù)反演設(shè)計(jì)，最終目的是建立一個(gè)更接近現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果的理論預(yù)測(cè)模型，以便能正確反映或預(yù)測(cè)地下洞室群巖體介質(zhì)的某些力學(xué)行為，及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)、施工和管理上，從而指導(dǎo)和完善設(shè)計(jì)、優(yōu)化施工，進(jìn)行工程預(yù)報(bào)和事后檢驗(yàn)。

施工期地下工程圍巖反饋分析研究一個(gè)重要要求是反饋分析的及時(shí)性，即“快速響應(yīng)”。施工信息采集，圍巖地質(zhì)信息揭露，監(jiān)測(cè)成果及時(shí)更新，根據(jù)這些信息及時(shí)快速響應(yīng)，采用基于反饋分析方法的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定安全，預(yù)測(cè)下層開挖工程情況，對(duì)地下洞室群的安全穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估、預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)以確保施工運(yùn)行安全，預(yù)防避免各種安全失穩(wěn)事故的發(fā)生，要求反饋分析方法具備快速響應(yīng)的特征。

圍繞監(jiān)測(cè)信息，從“快速響應(yīng)”要求出發(fā)，開展快速反饋分析方法方面的研究工作：

(1)從“快速響應(yīng)”要求出發(fā)，引入并行計(jì)算技術(shù)和非線性智能優(yōu)化技術(shù)，完善監(jiān)測(cè)反饋分析過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與數(shù)值反饋分析的系統(tǒng)化、快速化和自動(dòng)化。

(2)加強(qiáng)數(shù)值分析模型和反分析力學(xué)模型的基礎(chǔ)理論研究。依托工程背景，結(jié)合現(xiàn)代力學(xué)與計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，充分考慮地下工程問題的特殊性，一方面強(qiáng)化高精度的數(shù)值計(jì)算及數(shù)學(xué)方法的研究，另一方面重視工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累與總結(jié)，以系統(tǒng)概念為指導(dǎo)，依靠原型觀測(cè)資料的驗(yàn)證與反饋，走理論分析與經(jīng)驗(yàn)分析相結(jié)合的道路，進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)值分析模型和反分析力學(xué)模型的基礎(chǔ)理論研究。

(3)未來10年內(nèi)，我國(guó)有一大批地下工程正在建設(shè)或即將開工，將反饋分析方法應(yīng)用到工程實(shí)踐中，解決工程難題，服務(wù)工程建設(shè)，在實(shí)踐中成熟和發(fā)展。

4.2 監(jiān)測(cè)反饋分析云計(jì)算平臺(tái)研究

監(jiān)測(cè)反饋分析在地下工程中扮演著極為重要的角色，但從工程應(yīng)用情況來看，盡管取得了巨大的成果和應(yīng)用實(shí)踐，但監(jiān)測(cè)反饋對(duì)地下工程的指導(dǎo)作用仍局限于“機(jī)理驗(yàn)證”，還未能有效體現(xiàn)“預(yù)測(cè)”和“優(yōu)化”的工程目的。

因此，必須從工程應(yīng)用需求出發(fā)，深入開展監(jiān)測(cè)反饋分析云計(jì)算平臺(tái)研究工作：

(1)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)上建立監(jiān)測(cè)反饋分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與數(shù)值反饋分析的數(shù)字化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、快速化和自動(dòng)化。

(2)建立監(jiān)測(cè)反饋分析的云計(jì)算平臺(tái)，運(yùn)用現(xiàn)代信息傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的及時(shí)數(shù)值反饋，根據(jù)反饋分析成果快速評(píng)價(jià)。

(3)完善圍巖穩(wěn)定相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，建立專家系統(tǒng)，納入監(jiān)測(cè)反饋分析云計(jì)算平臺(tái)，為工程服務(wù)。

4.3 監(jiān)測(cè)反饋圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前，圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要有圍巖分類及工程類比、地質(zhì)模型試驗(yàn)、參照規(guī)范、數(shù)值分析等方法。大型地下廠房開挖受施工順序、洞室群布置、地應(yīng)力條件的影響，圍巖分類及工程類比很難為實(shí)際的地下工程提供定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。現(xiàn)有研究成果多集中在圍巖穩(wěn)定評(píng)判指標(biāo)方面，以及變形、應(yīng)力、破壞現(xiàn)象等方面。李景龍[6](2008年)對(duì)地下工程圍巖穩(wěn)定性判據(jù)進(jìn)行了總結(jié)；武漢大學(xué)的肖明[7]也提出了能量耗散指標(biāo)；朱維申[8](2007年)根據(jù)已建工程系統(tǒng)地總結(jié)了高邊墻位移計(jì)算公式，給出了圍巖的穩(wěn)定性判據(jù)；付成華[9](2008年)基于突變?cè)矸治隽说叵露词覈鷰r失穩(wěn)判據(jù)。

由于賦存環(huán)境的不確定性、影響因素的復(fù)雜性、洞群結(jié)構(gòu)的體系化和計(jì)算方法的多樣性，地下洞室群圍巖穩(wěn)定性評(píng)判方法和指標(biāo)至今仍無(wú)統(tǒng)一明確的定論，目前已有的評(píng)判指標(biāo)也都存在不同的缺陷，不具備工程普適性，但人們的認(rèn)識(shí)正趨于一致：地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)判宜依據(jù)圍巖應(yīng)力、圍巖變形、圍巖松弛區(qū)或塑性區(qū)以及能量變化、塊體安全為主導(dǎo)的控制原則，從強(qiáng)度準(zhǔn)則、能量判據(jù)、臨界變形警戒值等，結(jié)合具體工程的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)數(shù)據(jù)、工程類比情況和分析計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行廣角度、全方位和多層次地綜合評(píng)判。

亟需從工程應(yīng)用角度，開展如下關(guān)鍵技術(shù)研究：

4.3.1 地下洞室群工程的系統(tǒng)總結(jié)

對(duì)水電站地下廠房洞室群工程而言，目前對(duì)單個(gè)具體工程的穩(wěn)定研究較多，而缺乏對(duì)眾多工程宏觀層面的歸納、總結(jié)和提升。地下工程技術(shù)總結(jié)與評(píng)價(jià)工作貫穿地下工程的整個(gè)設(shè)計(jì)周期，涵蓋地質(zhì)、物探、施工和監(jiān)測(cè)等多個(gè)行業(yè)，包括分析方法、測(cè)試技術(shù)、分析手段、工藝方法和成果信息等地下工程的實(shí)踐內(nèi)容，具有全面性和系統(tǒng)性。地下工程設(shè)計(jì)來源于工程實(shí)踐，是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想的集中體現(xiàn)，因此對(duì)已建地下工程開展技術(shù)總結(jié)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)已建工程橫向和縱向的系統(tǒng)性分析，分對(duì)象、分層次、分專業(yè)、分部位、分周期地歸納總結(jié)，分析工程問題，梳理技術(shù)流程，挖掘經(jīng)驗(yàn)啟示，提煉設(shè)計(jì)方法，提升設(shè)計(jì)水平，形成系統(tǒng)性的成果，并對(duì)多個(gè)項(xiàng)目聯(lián)合研究，實(shí)現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新。

4.3.2 圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

現(xiàn)有的圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)中尚無(wú)公認(rèn)的指標(biāo)，導(dǎo)致反饋分析成果難以判斷圍巖當(dāng)前穩(wěn)定安全的狀況，給工程設(shè)計(jì)和施工帶來很大困擾，亟需從指標(biāo)的代表性、全面性、易量化性、層次性角度對(duì)現(xiàn)有圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)做出評(píng)判和適應(yīng)性分析，進(jìn)而從體系概念和工程適用性角度入手，分對(duì)象、分專業(yè)、分部位地研究更易于工程控制的圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.3.3 圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究

在工程總結(jié)和指標(biāo)研究的基礎(chǔ)上，建立健全圍巖穩(wěn)定安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，以已建、在建工程驗(yàn)證為手段，結(jié)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)值分析系統(tǒng)，形成地下工程圍巖穩(wěn)定安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

4.4 監(jiān)測(cè)反饋圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)體系

大型洞室群系統(tǒng)施工期具有高度開放性、動(dòng)態(tài)性、非線性、不可逆性和不確定性，工程復(fù)雜性完全超出了現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知，需要開展反饋分析評(píng)價(jià)研究，以指導(dǎo)地下洞室群的施工和設(shè)計(jì)優(yōu)化。而利用反饋分析成果指導(dǎo)地下工程施工和設(shè)計(jì)，需要建立一套成熟實(shí)用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。然而，受限于工程問題的復(fù)雜性、現(xiàn)有技術(shù)水平和實(shí)踐認(rèn)識(shí)，現(xiàn)有研究和工程設(shè)計(jì)實(shí)踐尚未形成完整的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判別多是單一指標(biāo)的運(yùn)用，缺乏圍巖穩(wěn)定的定量評(píng)判依據(jù)；由于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)問題，數(shù)值分析成果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)尚不能對(duì)圍巖穩(wěn)定安全狀況做出明確判斷。結(jié)合工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出一套適用的評(píng)價(jià)體系具有重要現(xiàn)實(shí)意義，亟需開展關(guān)于反饋分析評(píng)價(jià)體系的研究。

地下工程圍巖穩(wěn)定監(jiān)測(cè)反饋評(píng)價(jià)體系包含方法、流程、標(biāo)準(zhǔn)、措施等，是一個(gè)超大系統(tǒng)工程，內(nèi)容涵蓋地下工程各個(gè)專業(yè)(地質(zhì)、監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)、廠房、數(shù)值中心等)，它是工程技術(shù)總結(jié)成果的升華，也是工程技術(shù)設(shè)計(jì)層面上的技術(shù)集成。

監(jiān)測(cè)反饋圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)體系研究?jī)?nèi)容包括：

(1)監(jiān)測(cè)反饋圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)體系流程建設(shè)；

(2)建立健全洞室群設(shè)計(jì)預(yù)案與處理措施系統(tǒng)；

(3)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，連接監(jiān)測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)信息處理技術(shù)、反饋分析數(shù)值技術(shù)、反饋分析評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)支護(hù)技術(shù)，進(jìn)行總體技術(shù)集成。

5 地下洞室群工程安全評(píng)價(jià)研究

5.1 地下洞室群工程安全評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

地下洞室群工程最大的特點(diǎn)就是它的賦存環(huán)境和工程本身的不確定因素太多，包括工程區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造的不確定性、圍巖產(chǎn)狀和巖性的不確定性、巖體力學(xué)參數(shù)的不確定性、地應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)成的不確定性、地下水分布的不確定性和開挖支護(hù)等施工因素的不確定性等。大型地下廠房洞室群規(guī)模大，洞室尺度和斷面形狀各異、布置復(fù)雜、縱橫交錯(cuò)，地質(zhì)環(huán)境千差萬(wàn)別，因此，每一個(gè)新的地下水電站洞室群對(duì)設(shè)計(jì)和施工都是新的挑戰(zhàn)。邊坡穩(wěn)定性分析中用一個(gè)安全系數(shù)的指標(biāo)來反映邊坡穩(wěn)定性，但是地下工程中目前還沒有一套完整、通用的圍巖穩(wěn)定性安全評(píng)價(jià)方法，這正是地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)所面臨的技術(shù)難題。

影響地下洞室圍巖穩(wěn)定的主要因素包括：巖體結(jié)構(gòu)與圍巖類別、巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)性質(zhì)、巖體應(yīng)力、地下水、洞室形狀與尺寸、洞室軸線方位和施工開挖與支護(hù)方式。主要穩(wěn)定性指標(biāo)包括圍巖類別、巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)、位移、應(yīng)力、松動(dòng)圈、塑性區(qū)、能量耗散等，因此，圍巖穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)方法應(yīng)從影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素著手，根據(jù)所獲得的地質(zhì)資料、巖石(體)試驗(yàn)成果和穩(wěn)定性指標(biāo)，對(duì)各類圍巖的穩(wěn)定性，進(jìn)行定性或定量評(píng)價(jià)，從而確定地下洞室的開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)原則，選擇充分發(fā)揮圍巖自承能力的開挖方式、支護(hù)型式和支護(hù)參數(shù)。研究實(shí)現(xiàn)對(duì)工程重大問題進(jìn)行前期決策的協(xié)調(diào)機(jī)制、決策支持方法及提高決策質(zhì)量的途徑。

但是，由于地下工程巖土問題的復(fù)雜性和不確定性，以及現(xiàn)有技術(shù)水平、手段的限制和人們認(rèn)識(shí)的局限性，國(guó)內(nèi)外至今還沒有明確、統(tǒng)一的地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法、評(píng)判準(zhǔn)則和警戒控制指標(biāo)?，F(xiàn)行規(guī)范中圍巖穩(wěn)定性是以允許收斂速率的形式給出的，當(dāng)實(shí)測(cè)的位移速率值超出此值時(shí)即視為不穩(wěn)定，對(duì)于不同的地質(zhì)情況這顯然是不合適的。在當(dāng)前的工程實(shí)踐中，通常依據(jù)所獲得的信息，采用地質(zhì)分析法、工程類比法、數(shù)值分析法、模型試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控法和反饋分析法，結(jié)合具體工程的觀測(cè)、類比、分析，加以全面的綜合評(píng)判，結(jié)合不同的工程狀況給出合理的評(píng)判準(zhǔn)則。

中國(guó)水電工程顧問集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電站地下廠房設(shè)計(jì)導(dǎo)則(Q/HYDROCHINA009)》[10]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外已建工程經(jīng)驗(yàn)和科研成果，提出了圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重點(diǎn)和控制性指標(biāo)，以定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)相結(jié)合，體現(xiàn)了目前水電站地下工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平。隨著工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科研成果的積累，《水電站地下廠房設(shè)計(jì)導(dǎo)則》還可以進(jìn)一步修改補(bǔ)充，并升級(jí)為行業(yè)規(guī)范，提出一套更為實(shí)用的地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法、評(píng)判準(zhǔn)則和警戒控制指標(biāo)，并在大型地下洞室群穩(wěn)定與安全評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用和完善，為地下洞室群圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供支撐。

地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法有待完善，從評(píng)價(jià)的快速、直觀、易于量化和可操作性方面考慮，定量評(píng)價(jià)方法所能提供的結(jié)果，往往與評(píng)價(jià)的要求有明顯的差距，特別是對(duì)變化規(guī)律不穩(wěn)定的圍巖系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。在模型的建立、識(shí)別、研究、評(píng)估、結(jié)果的判斷和修正過程中，定性分析都起著重要的作用，同時(shí)評(píng)價(jià)方法要力求標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化。在具體評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，需要進(jìn)一步研究確定地下洞室反饋分析評(píng)價(jià)體系的主控指標(biāo)、次控指標(biāo)和驗(yàn)證指標(biāo)。主控指標(biāo)宜選擇開挖位移增量、塑性區(qū)(或松弛區(qū))范圍(與洞室截面積的比值)；次控指標(biāo)宜選擇圍巖變形速率、宏觀裂縫開展情況、錨桿錨索應(yīng)力超限比率；驗(yàn)證指標(biāo)宜選擇圍巖位移收斂加速度和二次應(yīng)力的圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比。隨著研究的進(jìn)一步發(fā)展，圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度、可信度將越來越高。

5.2 地下洞室群工程安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)

5.2.1 建立地下洞室群圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)體系和分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

復(fù)雜地質(zhì)條件下的大型地下工程，一些已超出現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，成為地下工程建設(shè)面臨的具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)難題。地下工程設(shè)計(jì)是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)，離不開規(guī)程、規(guī)范的指導(dǎo)，對(duì)已建工程進(jìn)行技術(shù)總結(jié)，結(jié)合現(xiàn)有工程技術(shù)手段，推動(dòng)地下工程設(shè)計(jì)、施工、安全評(píng)價(jià)等方面的新方法與新工藝的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，完善成熟技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化過程，加快水電工程理論創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步，建立洞室群圍巖穩(wěn)定評(píng)價(jià)體系和分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

5.2.2 建立地下洞室群圍巖穩(wěn)定分析的數(shù)據(jù)庫(kù)

以地形、地質(zhì)及環(huán)境條件以及埋置深度為主要依據(jù)的地下工程，其工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)常先行于理論，科技人員對(duì)于地下工程受周圍介質(zhì)的復(fù)雜影響逐漸加深認(rèn)識(shí)以外，還有賴于系列化、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器的研制和應(yīng)用，加強(qiáng)自動(dòng)化采集、信息化處理功能，逐步掌握在不同的應(yīng)力條件下巖體變形特征。由于人類對(duì)地下工程存在風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)的局限性，亟需盡快對(duì)已建地下工程地質(zhì)-設(shè)計(jì)-施工-運(yùn)行的信息技術(shù)總結(jié)、施工開挖工藝與施工方法、圍巖松動(dòng)圈測(cè)試技術(shù)與評(píng)價(jià)方法、圍巖支護(hù)方法與技術(shù)的總結(jié)，梳理技術(shù)流程，挖掘經(jīng)驗(yàn)啟示，提煉設(shè)計(jì)方法，提升設(shè)計(jì)水平，進(jìn)而保障工程安全。

5.2.3 制定水電站地下廠房設(shè)計(jì)規(guī)范

通過總結(jié)以往地下廠房圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的寶貴技術(shù)成果，結(jié)合國(guó)際上適合我國(guó)國(guó)情的先進(jìn)評(píng)價(jià)方法，研發(fā)以定量評(píng)價(jià)為主、結(jié)合經(jīng)驗(yàn)判斷的評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)，使我國(guó)水電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提升到一個(gè)新的水平。

6 結(jié) 論

本文通過總結(jié)提煉，提出了西南地區(qū)水電站地下洞室群工程的特點(diǎn)，進(jìn)而分別對(duì)大型地下廠房洞室群多源信息監(jiān)測(cè)及分析技術(shù)領(lǐng)域、快速反饋分析理論與評(píng)價(jià)方法研究領(lǐng)域和洞室群工程安全評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并提出了這些領(lǐng)域的亟需發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。

[1] 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì).巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)科發(fā)展報(bào)告(2009-2010)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

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[9] 付成華，陳勝宏.基于突變理論的地下工程洞室圍巖失穩(wěn)判據(jù)研究[J].2008,29(1):167-172.

[10] 中國(guó)水電工程顧問集團(tuán)公司.Q/HYDROCHINA 009-2012.《水電站地下廠房設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[S].2012.