交叉坑道断面形状与开挖顺序优化分析.doc

豆丁网精品论文交叉坑道断面形状与开挖顺序优化分析朱金才 1,2，张松林 2，邓锋 11 武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 (430070)2 西北核技术研究所 陕西西安 (710024)email：摘 要：采用数值计算方法，模拟不同断面形状和开挖顺序条件下，交叉坑道围岩的应力与 变形。应用加权平均法对计算结果进行综合评判，提出优化方案，得到一些认识。 关键词：交叉坑道断面形状开挖顺序围岩稳定性优化中文分类号:tu91 引言相对于单坑道而言，交叉坑道在相交叉口处的围岩受力显得较为复杂。某地下工程需在 水平层状砂砾石介质中开挖交叉坑道，由于地层和坑道结构形式的特殊性，使得坑道在交叉 部位的稳定性成为该工程成败的关键。数值实验是利用数值计算技术，模拟在外界因素扰动 下，物理模型主要物理量响应的一种有效方法。与现场或实验室模型实验相比，它的最大优 点在于成本低、效率高。本文通过数值实验，提出无支护情况下，该地层介质中交叉坑道合 理断面和开挖顺序。2 水平层状砂砾石围岩稳定性评价指标地下洞室开挖会引起围岩的卸荷回弹和应力重分布，这种变化可能导致围岩发生塑性变 形和破坏。围岩变形破坏的形式和特点，除与初始地应力状态、坑道断面形状等因素有关外， 主要取决于围岩的岩性和结构1。砂砾石按地质分类属粗粒土，其强度可按无粘性土的强度 理论考虑。无粘性土破坏时服从库伦摩擦定律2，即主要的破坏形式为剪切破坏。砂砾石介 质从岩体结构来讲又属微胶结的散体结构，变形与破坏的主要形式是塑性挤出和坍塌1。对 于水平层状围岩，若洞室顶部存在拉应力，则在顶部局部区域将有可能发生拱形塌方。综上，评价水平层状砂砾石围岩稳定性好坏的主要指标应包括：剪切破坏区（即塑性屈 服区）体积、拱顶受拉区体积和围岩位移。3 不同断面形状对比分析洞室开挖后，在岩土体中形成了临空面，相当于改变了原岩体的边界条件。不同的开挖 断面对应不同的边界条件，围岩的应力与变形也必然不同。下面以 6m6m 断面为例，通过 数值实验，分析不同拱高和拱形的直墙拱形十字交叉坑道围岩的稳定性。3.1计算模型（1）几何模型 采用三维有限单元模型，根据模型的对称性，取四分之一实体为计算模型。坑道为直墙拱形断面，拱的形状分为抛物拱、圆弧拱和椭圆拱。对于特定的断面类型，拱高与跨度比是影响围岩状态的主要因素。为使计算结果具有代表性，各种拱的拱高与跨度比分别取 1/6、1/3、1/2、2/3 和 5/6，即拱高分别为 1m、2m、3m、4m 和 5m。围岩水平和垂直方向长度取 6 倍洞跨，尽量消除边界约束对洞室围岩的影响。（2）材料模型 模型材料按均质弹塑性体考虑，采用莫尔库伦屈服准则。材料模型参数按现场实测数据取值，见表 1。表 1 砂砾石物理力学参数参数容重(kn/m3)弹性模量e(gpa)泊松比内聚力c(kpa)内摩擦角()剪胀角()取值20.01.20.3156.536.010.0（3）计算荷载及约束洞室开挖过程中，主要外加荷载是初始地应力。在没有实测数据的情况下，地应力按自n重应力场考虑，即 z = i h i ， x = y = k z 。i =1边界条件均采用位移边界条件，根据计算模型特点，水平 x、y 方向均采用对称约束，模型底面受法向约束，模型顶面承受上覆岩体的自重压力。3.2计算结果及分析采用大型有限元分析软件 abaqus，对不同的断面形状进行计算。典型断面形状坑道开 挖后塑性区、受拉区和位移分布如图 1、2。图 1 围岩塑性区(左)和受拉区(右)图图 2 围岩水平(左)及竖向位移(右)云图各种形状坑道围岩的塑性区体积、拱顶受拉区体积和围岩位移值列于表 2。表 2 计算结果列表断面形状开挖体积 (m3)塑性区体积拱顶受拉区体积 (m3)水平位移 (mm)竖向位移(mm)绝对值(m3)相对值()拱顶下沉底部上鼓f=1mh=5m抛物拱289.4496.8171.712.732.027.818.8圆弧拱290.2490.7169.113.531.827.718.8椭圆拱295.1491.0166.415.532.228.419.0f=2mh=4m抛物拱273.0492.9180.55.429.826.018.3圆弧拱279.4496.1177.68.830.826.618.5椭圆拱285.1484.5169.910.131.627.118.6f=3mh=3m抛物拱258.2467.3181.00.027.025.217.9椭圆拱275.4473.5171.94.829.126.018.3f=4mh=2m抛物拱242.5465.7192.00.023.824.417.5椭圆拱265.2464.9175.30.027.825.318.0f=5mh=1m抛物拱227.1436.7192.30.022.823.117.1椭圆拱255.3457.1179.00.026.224.717.8注：1、表中 f 为拱高，h 为直墙高；2、塑性区体积相对值等于绝对体积除以开挖体积的百分比；3、水平位移为单侧直墙绝对位移值。将塑性区相对体积、拱顶受拉区体积、水平位移、拱顶下沉及底部上鼓位移值，随着拱 高和拱形变化，分别作出曲线，见图 3（a）（e）。（a）塑性区体积变化曲线（b）受拉区体积变化曲线（c）水平最大位移变化曲线（d）拱顶最大下沉量变化曲线（e）底部上鼓变化曲线图 3 各指标随拱高和拱形变化曲线由计算结果，可得到以下几点认识：（1）从塑性区分布图看，单坑道和交叉部位均存在剪切塑性区，塑性区主要分布于坑 道两侧墙，拱顶围岩只有部分区域进入塑性状态；交叉部位塑性区半径比单坑道的大。（2）从受拉单元分布与矢量图看，单坑道不出现受拉区，交叉口处的拱顶和底部均存 在受拉区，且主拉应力以水平向为主。（3）从围岩位移云图看，靠近交叉区域，坑道水平位移明显增大；交叉口处顶部和地 面竖向位移也均大于单坑道。（4）从曲线图看，同一拱高不同拱形，塑性区相对体积大小规律是：抛物拱圆弧拱 椭圆拱；拱顶受拉区体积大小规律是：椭圆拱圆弧拱抛物拱；水平及竖向绝对位移变化规 律基本与拱顶受拉区体积的变化规律相似。（5）从曲线图看，同一拱形随着拱高的增加，塑性区相对体积增大，拱顶受拉区体积 减小，水平及竖向位移均减小。3.3合理断面形状的选取按照对围岩稳定性影响程度的不同，将塑性区体积、拱顶受拉区体积和位移值进行加权 平均，通过对比加权后的综合评判值，确定最优的断面形状。为实现不同性质指标的综合评 判，先采用模糊子集法处理各单指标值，计算出单项指标评判值。再对单项指标评判值进行 加权平均，计算洞室稳定的综合评判值3。对于水平层状砂砾石围岩来讲，塑性区体积和位移过大是围岩失稳的主要因素，拱顶受拉区体积过大只引起局部坍塌。据此，将塑性区体积、拱顶受拉区体积和位移指标的权重分别取为：0.4、0.2、0.4。对于三个位移分量来讲，水 平位移和拱顶下沉量是多数规范判断围岩是否失稳的主要依据，它们的权重较大。另外，计 算出的最大水平位移值是规范临界值的 30左右，最大拱顶下沉量达到规范临界值的 75 左右，因此在判断围岩稳定时，拱顶下沉量权重应大于水平位移权重。据此，水平位移、拱 顶下沉和底部上鼓位移间的权重分别取为 0.3、0.5、0.2。围岩稳定性综合评判指标计算式 为：nf = wi fii =1（1）式中：f综合评判值；wi第 i 单项指标权重；fi第 i 单项指标评判值。将各单项指标的权重代入式（1）得：f = 0.4 f塑 + 0.2 f拉 + 0.4 (0.3 f水平 + 0.5 f顶 + 0.2 f底 )（2）按式（2）计算各种断面形状的围岩稳定性综合评判值，计算结果见表 3。从表 3 可知，当拱高大于或等于坑道半跨长度时（f3m），稳定性综合评判值明显增大， 洞室围岩稳定较好。直墙高为 2m 拱高为 4m 的椭圆形拱断面的综合评判值最大，即为相对优 化的断面形状。表 3 各断面情况下围岩稳定性评判值断面形状单项指标评判值综合评判值（f）塑性区（f 塑）拉应力区（f 拉）水平位移（f 水平）拱顶下沉（f 顶）底部上鼓（f 底）f=1mh=5m抛物拱10.042.670.761.861.765.15圆弧拱11.252.051.012.081.765.59椭圆拱12.50.500.500.500.505.30f=2mh=4m抛物拱5.978.323.565.934.926.06圆弧拱7.315.692.294.583.665.54椭圆拱10.884.681.273.443.036.37f=3mh=3m抛物拱5.7412.507.147.747.457.80椭圆拱9.958.784.465.934.927.85f=4mh=2m抛物拱0.6412.5011.229.569.976.81椭圆拱8.3812.506.127.526.828.63f=5mh=1m抛物拱0.512.5012.5012.5012.507.70椭圆拱6.6612.508.168.888.088.564 不同开挖顺序对比分析前面讨论了断面形状对交叉坑道围岩稳定性的影响，下面分析不同尺寸断面坑道相交 时，开挖顺序对交叉坑道围岩稳定性的影响。利用数值实验，分别计算 6m6m 与 3m3m、4m4m、5m5m 断面坑道交叉时的围岩状态，分析不同开挖顺序时交叉坑道围岩的稳定性。4.1计算模型采用三维有限单元模型，根据模型的对称性，取四分之一实体为计算模型。坑道断面为 直墙椭圆拱断面，大断面坑道直墙取 2m，拱高取 4m，所有小断面坑道拱高均取 2m。围岩水 平和上下方向长度取 6 倍洞跨，尽量消除边界约束的影响。材料模型、计算荷载与约束与前 面相同。4.2计算结果及分析采用大型有限元分析软件 abaqus，模拟不同开挖顺序情况下，围岩的应力与位移。开 挖后塑性区和受拉区见图 4，计算结果见表 4。图 4 围岩塑性区(左)和受拉区(右)图表 4 计算结果列表开挖顺序塑性区体积(m3)拱顶受拉区体积(m3)水平位移(mm)拱顶下沉(mm)底部上鼓(mm)3m3m与6m6m同时开挖309.71.6519.1/13.816.814.1先大后小292.61.9520.8/11.416.814.3先小后大308.11.2618.3/15.516.914.34m4m与6m6m同时开挖348.93.9722.1/18.619.815.4先大后小332.47.5823.4/16.419.615.7先小后大344.53.5820.6/20.620.215.65m5m与6m6m同时开挖422.50.024.5/23.122.516.6先大后小400.83.1526.8/20.823.117.0先小后大409.20.022.8/25.022.616.9分析计算结果得到以下认识：从塑性区分布图看，坑道交叉处塑性区明显增大；从受拉区分布与矢量图看，无论采用哪种开挖方式，若存在受拉区，均出现在交叉口处的小坑 道拱顶，主拉应力与小断面坑道纵剖面在同一平面内。4.3合理开挖顺序的确定采用前面相同的方法处理计算数据，结果见表 5。表 5 各开挖顺序时围岩稳定性评判值开挖顺序单项指标评判值综合评 判值塑性区（f 塑）拉应力区（f 拉）水平位移（f 水平）拱顶下沉（f 顶）底部上鼓（f 底）3m3m与6m6m同时开挖0.503.114.58/2.906.506.501.90先大后小6.500.500.50/6.506.500.504.82先小后大1.066.506.50/0.500.500.502.404m4m与6m6m同时开挖0.505.923.28/3.364.506.502.28先大后小6.500.500.50/6.506.500.504.82先小后大2.106.506.50/0.500.502.503.065m5m与6m6m同时开挖0.506.503.95/3.216.506.502.55先大后小6.500.500.50/6.500.500.504.46先小后大4.186.506.50/0.505.502.004.60由上表可得以下结论：分步开挖比同时开挖对围岩的稳定有利；当两坑道断面尺寸相差较大时，先大后小的开挖顺序更有利于洞室围岩的稳定；当两坑道断面尺寸相差较小 时，两种分步开挖方式的稳定性评判值相差不大，且先小后大的开挖顺序相对较优。5 结论本文通过数值实验，模拟不同断面形状和开挖顺序对交叉坑道稳定性的影响。初步得出 以下结论：（1）对直墙拱形断面交叉坑道，当拱高大于等于跨度一半时，交叉处围岩的稳定性较 好。这一结论与单直坑道的理论分析结果4相同。（2）当不同断面坑道相交时，分步开挖比同时开挖对围岩的稳定有利；且在交叉口处， 小断面坑道拱顶宜产生拉受区，施工时应加强该部位的支护。（3）无论采用哪种断面形状和开挖顺序，坑道交叉处，围岩塑性区、围岩位移值和出 现拉应力的可能性均较单坑道大。参考文献1 朱汉华,孙红月,杨建辉著.公路隧道围岩稳定与支护技术m.北京:科学出版社,2007. 2 沈珠江著.理论土力学m.中国水利水电出版社,1999.3 李艳玲等.地下洞室群施工方案的综合评价j.四川水利发电,2005.4,24(2):40-47. 4 沈明荣主编.岩体力学m.上海:同济大学出版社,1999,3.optimization o