《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Modeling anisotropic rocks by 3D reconstruction method and LayerDFN model: A case study in the Yuan’an underground research cavern
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准确表征层状节理岩体的各向异性特性对于地下洞室的安全与经济设计和施工至关重要。本研究提出了一种集成LayerDFN模型与三维重构的高效建模方法，用于地下洞室中层状节理岩体（或各向异性岩体）的建模。首先，引入了一种新型等效离散裂隙网络模型——LayerDFN，以
准确表征层状节理岩体的各向异性特性对于地下洞室的安全与经济设计和施工至关重要。本研究提出了一种集成LayerDFN模型与三维重构的高效建模方法，用于地下洞室中层状节理岩体（或各向异性岩体）的建模。首先，引入了一种新型等效离散裂隙网络模型——LayerDFN，以高效描述层状节理岩体，并提供了一种适用于工程尺度密集节理的简易二阶裂缝张量计算方法。进一步，开发了一种三维重构方法，该方法集成了结构面的半自动识别和真实的洞室轮廓建模方法，适用于密集各向异性岩体。最后，基于室内和现场试验结果、现场地质素描以及地下试验洞（URC）开挖期间的监测数据，通过位移反分析确定了一组LayerDFN模型所需的泥岩参数，该组参数可用于预测开挖响应并优化地下厂房洞室支护设计。现场监测与模拟结果获得的位移和破坏特征表明，在缓倾角层状节理岩体中开挖地下厂房洞室时，应特别关注拱顶区域。
在层状节理岩体中开挖地下洞室时，岩体的各向异性变形与破坏特征显著影响工程安全。现有隐式模型难以兼顾原生各向异性面与次生节理的耦合损伤效应，且传统建模方法难以快速获取密集结构面产状并构建复杂真实洞室轮廓。针对上述问题，研究人员以中国湖北远安抽水蓄能电站地下厂房为原型，按10:1比例缩尺开挖了一个地下试验洞（URC，尺寸2.7 m×5 m×16 m，埋深435~470 m，岩性以泥岩为主），提出了一种集成LayerDFN模型与三维重构的高效建模框架。该框架包含四个部分：力学模型、结构面识别、真实洞室建模和稳定性分析。首先，基于Jaeger弱面理论，将层状节理岩体分解为岩块、原生各向异性面和次生节理三类构成要素，采用应变叠加原理建立全局柔度矩阵，并引入二阶裂缝张量描述次生节理对变形的弱化效应、二阶损伤张量描述其对强度的损伤效应。其次，利用TOPOCON GLS-2000三维激光扫描仪获取URC开挖面的点云数据，通过CloudCompare和DSE软件进行去噪、半自动结构面识别与产状统计，结合人工测量确定各组结构面的间距与直径。然后，基于点云数据在Rhinoceros环境中利用Cockroach插件和RANSAC、ICP算法重建真实洞室轮廓，并通过Griddle插件生成包含塑性区和开挖区的FLAC3D有限差分网格模型，模型共包含1,013,296个单元和171,406个节点。最后，结合室内单轴压缩试验、现场直剪试验和开挖监测数据，通过位移反分析确定泥岩的力学参数，并采用该组参数模拟URC开挖全过程，分析围岩位移、应力场和塑性区分布特征。
根据实验室单轴压缩试验，不同層理倾角β（0°、30°、45°、60°、90°）的泥岩试件均经历孔隙裂隙压密、弹性变形、微裂纹发展至屈服和峰后破坏四个阶段。单轴抗压强度（UCS）随β呈U形变化：β为0°~30°及接近90°时UCS最大，β约为60°时最小；弹性模量随β增大呈非线性降低趋势。破坏模式方面，β=0°时为压剪破坏，β=30°~60°时为剪切破坏，β=90°时为拉伸破坏，表现出显著的各向异性特征。现场直剪试验得到次生结构面的峰值抗剪强度参数为f′=0.8（φ′=38.5°）、c′=0.06 MPa，剪切应力-位移曲线呈理想弹塑性特征。
通过数值反演确定了岩块、原生各向异性面和次生节理的关键参数（表3），模拟位移与Shape Accel Arrays及多点位移计实测值总体吻合良好，验证了参数合理性。稳定性分析结果表明：URC围岩变形呈现明显的各向异性，拱顶和底板区域的变形范围和量值远大于两侧边墙。无支护条件下，距洞壁0~0.5 m范围内拱顶和底板变形量为0.1~0.18 m，而边墙变形仅0.01~0.03 m；0.5~2 m范围内拱顶和底板变形约0.01~0.1 m，边墙小于0.008 m。主应力场调整范围约为洞跨的2倍，应力集中区（σ?=17~20 MPa）主要位于左拱肩和右边墙，拉应力（0.1~1 MPa）分布于左拱肩和右边墙。塑性区方面，拱顶和底板以节理相关破坏为主，塑性区深度1~1.5 m；边墙以岩块屈服破坏为主，塑性区深度小于0.5 m。
现场监测与数值模拟均表明，在缓倾角薄层状节理岩体中开挖地下厂房洞室，拱顶区域是稳定性控制的重点，容易出现弯折塌落和超挖形成平拱。因此，工程设计中应对拱顶采取加强支护措施。
本文提出了一种综合框架，用于模拟地下洞室节理岩体的力学行为，克服了传统方法在表征密集层状节理岩体各向异性方面的不足。通过将LayerDFN模型与三维点云重构技术集成，实现了从结构面识别、真实洞室建模到稳定性分析的全流程高效建模。该框架可为类似工程的开挖响应预测和支护优化设计提供参考，并有望在数字孪生实时数据更新领域发挥作用。但当前研究仍存在两个主要局限：一是基于三维点云的半自动识别方法尚无法精确提取结构面的间距和直径；二是输入的几何参数多遵循概率分布，需收集更广泛的结构面数据集并进行概率分布函数敏感性分析，以提高模型表征真实岩体行为的准确性和可靠性。
