（岩土工程专业论文）地下大型储备库洞室断面形状优化及合理间距研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着我国能源问题同益突出，建立国家战略石油储备的需求同益迫切。各 种储油方式中，地下水封储油库是一种较好的储油形式。但如何对此类大规模的 洞室群进行设计、优化，保证其开挖的围岩稳定性，是一个亟待解决的问题。 本文具体工作如下： ( 1 )采用有限元分析软件a n s y s 的优化功能对大型地下储备库洞室进行 了弹塑性反分析，借助于a p d l 实现洞室断面形状的参数化，以此生成 优化循环文件，使用零阶优化方法和随机搜索工具，对洞室的形状进行了 优化，找出了在特定地质条件下的优化后的断面，较原断面有更好的围岩 稳定性。 ( 2 ) 指出了直墙拱形断面和五心拱断面中各设计变量对以拱顶沉降为目标 函数的影响程度，为今后的类似优化问题提供了参考。 ( 3 ) 分别对各种断面形状的不同问距进行计算，找到了不同断面形状的合 理间距。 ( 4 ) 最后本文以黄岛地下水封石油库为实例，对其原设计进行全过程优化， 达到了预期效果，具有较好的工程应用前景。 关键词：地下洞室；断面：间距；优化 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ep r o b l e mo fe n e r g ys a f e t yi nc h i n ab e c o m e sv e r yp r o m i n e n t , e s t a b l i s h i n gas t r a t e g i co i lr e s e r v ei so n eo ft h em o s te s s e n t i a ld e m e n t s u n d e r g r o u n d w a t e r - s e a l e dm i n e ds t o r a g ec a v c r l l si sab e t t e rf o r mo fo i ls t o r a g e b u tt h ed e s i g na n d o p t i m i z a t i o no ft h e s ek i n d so fl a r g e - s c a l eu n d e r g r o u n dc a v e l ng r o u pa r ep r o b l e m st ob e s o l v e d t h ew o r ko f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) o p t i m i z a t i o nf u n c t i o n so fc o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) s o f t w a r e a n s y si s e m p l o y e dt oc a r r yo u te l a s t o p l a s t i c e m u l a t i o nb a c k - a n a l y s i so f l a r g e - s c a l eu n d e r g r o u n dc a v e t ng r o u p d e v e l o pt h es h a p eo fc r o s ss e c t i o no fa n u n d e r g r o u n ds t o r a g ec a v e r nt oa c h i e v ep a r a m e t e rw i t ha p d ll a n g u a g e b yt h i sw a y a n a l y s i sf i l ew e r eo b t a i n e d w i t l ls u bp r o b l e ma p p r o x i m a t i o nm e t h o da n dt o o l so f r a n d o ms e a r c ht h ec r o s ss e c t i o n so fl a r g eu n d e r g r o u n ds t o r a g ec a v e r nw e r e o p t i m i z e d f i n do u tt h eo p t i m a lc r o s ss e c t i o n su n d e rs p e c i a lg e o l o g i e a lc o n d i t i o n s t h er e s u l ts h o w st h a ta f t e ro p t i m i z a t i o n t h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ki s r e m a r k a b l yi n c r e a s e d ( 2 ) f i n do u tt h ei n f l u e n c ed e g r e eo fe v e r yd e s i g nv a r i a b l e sf o rt h ec r o s ss e c t i o n s o p t i m a ld e s i g nw i t hc l o w ns e t t l e m e n ta so b j e c t i v ef u n c t i o ni nt h es t r a i i g i nw a l la r c h c r o s ss e c t i o n sa n df i v e - c e n t e r e da r c hg l o s ss e c t i o n s i tp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h e d e s i g na n do p t i m i z a t i o no f s i m i l a re n g i n e e r i n g ( 3 ) d i f f e r e n to fd i s t a n c eb e t w e e ne v e r yc r o s ss e c t i o n sa r cr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d c o r r e s p o n d i n g l yi nd e t a i l f i n do u ta p p r o p r i a t ed i s t a n c eo fd i f f e r e n ts h a p eo fc r o s s s e c t i o n ( 4 ) n eh u a n g o a ou n d e r g r o u n dw a t e r - s e a l e dm i n e ds t o r a g ec a v g m q sw a st a k e na sa n e x a m p l et os h o wt h ev a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h e s eo p t i m u md e s i g nm e t h o d rw a s p r o v e dt h a t t h ed e s i g nr e s e a r c h e dt h ei d e a le f f e c t i th a sb e t t e rp r o s p e c t si n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dc a v e r n ；c r o s ss e c t i o n s ；d i s t a n c e ；o p t i m i z a t i o n c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：易础 签字日期：上口才 年7 乙月n 日 名 期 签 r 师 字 导 签 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘保国教授的悉心指导下完成的，刘保国教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 刘保国老师对我的关心和指导。 刘保国教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向刘保国老师表示衷心的谢意。 刘保国教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，北京交通大学硕0 5 1 班的各位同学对我论文 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 中国作为一个石油进口大国，目前净进口量超过了我国石油消费量的3 0 ， 预计2 0 2 0 年达到5 0 以上，建立必要的国家石油战略储备是非常必要的。 石油储备从储存设施形式上可以分为陆上储罐、海上储罐、地下储罐、地下 洞库等。由于地下洞库存储相对于其他存储方式具有占地少、投资小、损耗少、 污染小、运营管理费用低、安全性能高、装卸速度快等优点，美国、同本、德国、 芬兰、瑞典、荷兰、法国等国已广泛采用地下油库储备石油。 地下大型储备库的建设是地下石油储备中的重要工作，洞室轴线选定后，围 岩的介质和初始地应力场的边界条件是客观存在不能改变的，设计中只能不断的 调整洞室断面的几何形态及合理间距以改善围岩的应力分布和稳定性。对不同荷 载边界条件的多种洞室断面的围岩应力分布用弹性理论进行详细的计算分析，从 中获得应力均匀分布最理想的断面形式和合理间距。应用这些规律指导设计、施 工，在地下工程建设中占有重要位置【”。 由于弹性理论解有其严格的设定条件，为当今工程应用带来困难。另外地下 大型储库规模大，围岩多为非均质体；初始地应力场分布复杂且应力值较高；围 岩中出现塑性区不可避免等都为设计施工带来困难。现代计算技术和力学理论发 展为我们求解这些复杂的工程问题提供了条件。 工程设计中的方案不是唯一确定的，而是许多可能方案供选择，这就提出了 优化问题。 地下大型储备库优化问题主要涉及以下几个方面，一是洞室断面形态的优化； 二是楣邻洞室开挖后，相互之间带来的影响，即洞室之间的f 日j 距优化，而断面形 态与间距两者调整变化之中又存在着相互依赖的因果关系，因此，分析中需统一 考虑，才能达到对洞室群的优化目标。 1 1 国内外研究现状 1 1 1国内外地下大型储备库洞室的修建概况 目前，在世界范围内已建造了6 0 多处地下水封岩洞储油库，主要分布在斯堪 地纳维亚半岛、韩国、同本、德国、法国和沙特等。【2 】 1 9 7 3 年瑞典及很多国家，由于石油价格低廉，激励了石油的消耗。1 9 7 3 年以 后。由于石油危机的因素。瑞典所有的原油及其产品均靠进口。为了预防石油进 北京交通人学硕士学位论文 口的干扰和在低价时增加原油进口。瑞典制定了国家级建设储备油库的规划方案。 仅有8 0 0 万人口的瑞典在几年内建设了几百万立方米的石油储库。 1 9 8 8 年在斯塔迪那维亚已有2 0 0 多座地下原油、石油产品及重燃料油库在使 用。如在斯堪的那维亚半岛伯诺夫约登的国家原油库总库容2 6 0 x1 0 4 m 3 洞库断面 6 0 0 m 2 ，宽2 0 m ，高3 0 m ，长5 5 0 8 5 0 m ，由几个洞室组成总长度4 3 3 0 m 。 在亚洲，目前韩国建有四个地下洞库，总库容1 8 3 0 x1 0 4 m 3 ，其中1 1 7 5 x1 0 4 m 3 已投入使用，6 6 5 x1 0 4 m 3 正在建设；日本建有3 座地下洞库总库容约为5 0 0 x 1 0 4 m 3 ；新加坡计划建设一座约4 0 0 x1 0 4 m 3 的大型地下石油库，用来储存包括原 油在内的各种石油产品；沙特阿拉伯计划在5 个地方建设地下岩洞石油储油库， 其中利雅得地下石油库已投入运行，其容积约为2 0 0 1 0 4 m 3 。 经过几十年的不断努力，尤其是开挖技术以及对岩石性质认识的提高，使得 地下储存石油技术出现了新的突破，促进了地下石油储存水平的提高，在人造岩 洞、废弃矿井、冻土层和地质条件不好的岩层中也可以储存石油，因而提高了地 下储存石油的经济性和适应性。 我国于二十世纪七十年代开始研究、建造地下水封储油库，当时主要是出于 战备考虑，带有试验性质。曾先后在浙江象山和山东黄岛成功地建成了一个4 1 0 4 m 3 成品油库和一个1 5 1 0 4 m 3 的原油库。后来，由于大型浮顶罐的广泛应用， 加之当时所建库单洞室容积小，价格市场化程度低，投资较地上罐商，未能充分 显示出地下储油库所具有的优势，该技术在我国长期没有得到迸一步的应用和发 展。 直到上世纪末本世纪初，由于我国大量进口液化石油气，该储存方式才在我 国东南沿海地区重新得以应用，目前我国已在汕头和宁波建成两个地下液化石油 气洞库，其中汕头的库容为2 0 x1 0 4 m 3 ，宁波库容为5 0 x1 0 4 m 3 。积累了丰富的 建造地下水封石洞油库的经验。【3 】 近两年来，随着我国石油进口量不断增加，在沿海地区有建立大型石油储备 库的需求，同时在广东、福建、山东、浙江等沿海地区广泛分布的花岗岩、熔结 凝灰岩等地质构造，岩石坚硬，是稳定岩性区域，为建造大型地下水封油库提供 了极为有利的条件。 1 1 2当前地下洞室设计现状 目前，洞室设计研究的重点是根据工程地质条件、围岩特性、水文地质条件 及开挖施工方案，对围岩稳定性进行分析评定，合理选用加固措施。在确定围岩 的加固措施时，往往进行必要的计算，并结合工程类比和经验判断而定洞室设计 2 绪论 过程中，以下几方面的工作是必须进行的： ( 1 ) 进行工程地质和水文地质条件的调查，进行初始应力场和渗流场的调查和 估算。 根据地质条件的复杂程度、洞室的安全级别和不同的设计阶段，按相应的规 范的要求，逐步详细地提供洞室所在地段的基本地质资料。 ( 2 ) 进行洞室布置和断面形状及尺寸设计 综合考虑地形、地质、施工、运行、周围建筑物、枢纽总布置以及对周围生 态环境影响等各种因素，通过可能方案的技术经济指标的比较选定设计方案。其 中，最为重要的是洞轴线方向的选择。 ( 3 ) 确定合理的旌工顺序和方法 合理选择施工顺序和开挖方法，提高洞室围岩的稳定性。该工作对大型洞室 尤为重要，常常需要用数值计算手段，分析比较不同方案对围岩稳定性的影响。 ( 4 ) 对围岩进行加固设计 对围岩进行评价和分类，用经验类方法初拟加固设计技术参数和加固方案， 对于重要工程或有特殊问题的工程，再用分析类方法对围岩的稳定进行分析、评 判，在此基础上对加固方案进行修正。 ( 5 ) 施工监控与反馈设计 在施工中及时掌握该地段的实际地质情况，对地质条件复杂的洞段，可视需 要在旌工中采用导洞、超前钴等手段探明地质情况。近年来，还特别重视施工过 程的监控和反馈工作，通过对洞室位移( 表面收敛位移和岩体深部位移) 的观测，借 助反分析得到岩体的物理力学参数，进而对下一步的洞室位移进行预报，并对围 岩的稳定性重新评判，为修改设计、指导施工提供依据。 国际隧道协会( i t a ) 在广泛搜集和汇总了各会员国家目前采用的地下结构设计 方法后，总结得出下列四种设计方法( 或模型) ： ( 1 ) 经验设计法 主要是参照过去类似工程的实践经验，用经验类比法进行设计的方法。该方 法较多地用于地质条件、洞型比较熟悉，洞室跨度不大，规模较小的工程，或与 其它设计方法共同用于更复杂的地下工程设计中，是目前地下洞室设计的主导方 法。 ( 2 ) 实用设计方法 以现场量测和实验室试验为主的设计方法。例如以洞周位移量测为根据的收 敛限制法。该方法的计算原理是按弹一塑一粘性理论等推导出公式后，在以洞周 位移为横坐标、支护反力为纵坐标的坐标平面内，绘制出表示地层受力变形特征 的洞周收敛线。该方法在大跨度地下洞室、特殊洞型地下洞室和软岩地下洞室的 3 北京交通人学硕+ 学位论文 设计中应用较多。 由于现场测试结果的真实性好，可以更确切地估计围岩和衬砌的稳定性和安 全性，并对围岩的安全进行监控，加之，现场测试技术的快速发展，实用设计法 在地下洞室设计中占有愈来愈重要的位置。 ( 3 ) 作用与反作用模型 该模型将围岩视为弹性地基梁，考虑衬砌结构与地层的相互作用。例如圆形 隧洞衬砌按弹性地基上的圆环计算衬砌内力，沿隧洞周边地层的约束抗力用弹簧 表示，其反力可根据计算确定。 ( 4 ) 连续介质模型 认为衬砌与地层一起构成受力变形的整体，用连续介质力学原理来计算衬砌 和围岩应力变形的计算方法。连续介质模型包括解析解法和数值解法。只有少数 工程情况可以用解析法求得各种封闭解和近似解，大多数问题都需要借助数值解 法。 各种设计方法( 或模型) 各有其比较适用的场合，也存在各自的局限性。在大型 洞室中，工程设计人员往往要进行多种设计方法的技术经济比较，以做出较为经 济合理的设计。 1 i 3地下洞室的计算方法 地下洞室的计算方法，按照衬砌与围岩相互作用的方式不同，可以分为两大 类：荷载结构法和地层结构法。 ( 1 ) 荷载结构法 荷载结构法认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载，其计 算内容是衬砌的内力和变形。这里的“结构”仅仅指衬砌，而荷载主要指由于洞 室开挖后，由松动岩土自重所产生的作用于该结构上的地层压力，这样衬砌的内 力计算就可以用结构力学的方法进行。 荷载结构法由于在是否考虑地层对结构产生的弹性抗力约束作用，如何考虑 该弹性抗力作用上的假设不同，涌现出许多计算方法。它们按照对弹性抗力的假 设不同可以分为三类： 1 ) 不考虑弹性抗力的弹性结构法 由于不考虑地层对结构产生的弹性抗力，该类方法与地面上结构的分析方法 完全相同，可以用结构力学的力法或位移法计算。该类方法计算简单，但成果与 实际相差较大。 2 1 假定抗力法 4 绪论 该类方法将地层对结构产生的弹性抗力以某种假设形式来考虑。其中较为合 理的是将弹性抗力假设为与结构变形相一致的形式，如“朱拉波夫法”将拱形结 构受到的水平抗力线假设成与变形曲线相似的镰刀形。该类方法的缺陷是对抗力 ( 曲) 线的假设任意性较大。 3 ) 弹性地基梁法 该方法将洞室边墙看作弹性地基梁来计算。在对地层变形规律的描述上有两 类理论，如果假设弹性地基上一点处施加的外力仅引起本点的变形，不会引起其 它处所的变形，就称其为局部变形理论：如果不仅考虑弹性地基上一点处的外力对 本点变形的影响，还考虑对其它处所变形的影响，就称其为共同变形理论。为了 使计算简化，大多数弹性地基梁法都是基于局部变形理论，例如，“文克尔假设” 就属于局部变形理论。 弹性地基梁法可以用结构力学的经典方法求得解析解，也可以用矩阵位移法 或矩阵力法求得数值解，还可以用边值数值法求解。后者建立了衬砌边值问题的 微分方程，并用差分法进行数值求解。由于衬砌所受的弹性抗力与衬砌变形有关， 而该变形是无法预知的，所以需要假定初始条件后迭代计算，每次迭代后，再修 改弹性抗力值，即可以得到符合精度要求的数值解。 荷载结构法的缺陷是只考虑衬砌的受力变形与安全情况，无法了解地层的应 力变形和稳定性。 ( 2 ) 地层结构法 地层结构法认为地下结构周围的地层不仅能对衬砌结构产生荷载，而且其自 身也能承受荷载，它与衬砌一起成为共同受力的整体，地下结构是否安全可靠， 首先取决于周围地层的稳定性。在地层结构法中的“结构”是包括地层、衬砌和 其它支护体( 锚索、锚杆等) 在内的组合结构。 地层结构法的理论解主要是按连续介质力学理论来计算的。目前，已有均质 无限大地层中圆形洞室的弹性解、弹塑性解、粘弹性解、粘弹塑性解，对于一些 规则的非圆形洞室( 如椭圆形、直墙顶拱型) ，也可以用复变函数求得理论解。但对 于其它复杂情形( 例如，非均质地层、不规则洞型) ，只能用数值法来求解。 数值解法的一类是基于连续介质力学理论的有限单元法、有限差分法、边界 单元法、加权残数法等，其中有限元法发展最快、应用最广泛。 为了更加真实地反映岩体中存在的节理、裂隙和结构面等岩体不连续问题， 学者们提出了将不连续面单独离散为特殊单元，再与其它连续岩体单元一起进行 分析的方法。如目前常用的g o o d m a n 无厚度节理单元、有厚度夹层单元、模拟多 节理的等效连续体模型、裂隙岩体的损伤一断裂模型等。 5 北京交通人学硕+ 学位论文 1 1 4结构优化的现状与发展 ( 1 ) 结构优化的发展过程 人们在结构设计中，总是希望在给定的条件下得到在技术经济上尽量符合理 想的设计方案。为了达到这一目的，传统的办法是采用重复设计法、弹塑性设计 法、重量强度设计法和直接设计法等。其中应用最广泛的是重复设计法。该方法 的设计程序：首先凭借经验和判断拟出初始方案，包括总体布置、结构尺寸和施工 工艺等，然后进行结构分析，最后，根据结构分析的结果检验该方案是否可行， 必要时进行几次修改。在这种设计程序中，结构分析只起到一种校核安全性的作 用。显然这种设计方法存在不少问题，一是反复设计过程繁复冗长、效率很低， 二是最终方案一般不是理想的可行方案，其技术经济合理性受设计者的经验和判 断力的影响很大，受初始方案的影响很大。 近年来，计算智能正深刻影响着结构优化设计领域。作为人工智能和认知科 学领域的最新发展，计算智能一出现就受到包括结构优化设计领域在内的科技界、 企业界、政府决策机构的高度重视。目前，计算智能在结构优化设计方面已有一 些成功的应用，并在形状和拓扑优化、布局优化、多目标优化、离散变量和混合 变量优化等方面显示出智能方法的优势。但目前，这些研究基本还处于理论层次 上，离真正的实际工程应用还有一定的距离。 ( 2 ) 正交实验设计：州 在工程地质与水文地质条件相同的情况下，建造地下储油岩洞仍存在设计优 化问题。在进行地下储油岩洞的设计时，首先遇到的问题是如何布局，不同走向 可使释放初始地应力对岩洞围岩产生不同的力学效应，布局合理可以使岩洞处于 长期稳定，布局不合理围岩有可能处于危险的应力与位移分布状态之中。其次， 各洞之间相互影响，间距太小，会产生较大的塑性破坏区，不仅造成支护费用增 加，建造成本提高，而且岩洞的密封性没有保证；间距过大，占用空间大，需要的 稳定岩层区域大，而实际工程现场稳定岩层区往往十分有限，需要在地层条件允 许的区域完成岩洞群的整体布置。另外，岩洞断面的形状尺寸、施工方案和开挖 方式等，对岩洞群的稳定性和可靠性均具有不同程度的重要影响。全面考虑这些 因素，进行不同组合方案的数值模拟试验，不仅需要做大量的计算和分析，同时， 过多的计算方案和分析结果可能产生不同结果或相互矛盾的结论，既费时费工。 唯一性又差。因此，采用正交试验设计方法，以岩洞群走向、相邻岩洞的间距、 岩洞断面尺寸比例( 岩洞跨度) 及不同施工步序为正交数值模拟试验因素，并以数值 模拟试验中的塑性区总面积( 包括受拉区的面积) 和位移分量的最大值作为试验评 价指标，通过正交数值模拟试验的直观分析，进行给定岩层物理力学参数条件下 6 绪论 的最优设计参数比选，探讨利用正交试验设计方法进行数值模拟试验的可行性， 为工程现场提供可以参考的有用信息。 在选取的地下储油岩洞库址区域，根据工程地质、水文地质条件，可确定洞 库的最佳埋深h 。而洞轴的合理走向主要取决于当地的地质构造和主应力方向等 条件，洞轴方向既要与主要结构面的走向大角度相交，又要与大主应力方向平行， 通常两者并不一致。因此，同时考虑两个因素，选择较佳的布置方位就显得十分 重要。与此同时，洞库群中相邻岩洞间的最佳日j 距、最佳断面形状s 与尺寸比例 r ，洞轴的最佳走向、最佳施工方案c o n 等，可以通过考虑工程、施工、围岩的 力学行为等进行综合确定。因此，根据现场的基本资料，考虑以上因素，利用正 交试验设计方法，设计数值模拟试验，从而选取岩洞群的最佳设计参数组合。 实现过程1 ：确定因素及水平 确定洞室群走向角度、断面形状参数、洞室| 日j 距、施工方案等为因素， 每个因素可以取n 个变化水平 实现过程2 ：选择实验评价指标 试验指标定义为塑性区面积( 包括拉破坏区面积) 和最大位移值，分别为： 上 y ，= 4 ( 1 1 ) j = l u m = m a x ( u i ，u 2 ，u )( 1 2 ) 式中y 当前数值模拟试验中塑性区总面积( 包括受拉区的面积) ； 4 第z 个处于塑性状态或受拉破坏的单元面积； m 处于塑性状态或受拉破坏单元的总数； c ，m 当前试验中位移分量的最大值； 一位移分量的总数。 由式上式可知，数值模拟试验指标值越小，储油岩洞的安全系数就越大。 实验过程3 ：数值模拟实验方案【5 l 根据所选择的计算模型、因素水平和试验评价指标，由正交表选取的一般方 法，即正交表中的水平数应与每个因素水平数相等，正交表中的因素数应大于或 等于实际因素数，在满足这两个条件的前提下，尽可能选用试验次数较小的正交 表。 实验过程4 ：数值实验及结果分析 按照正交试验方案及因素水平进行数值模拟试验。在每一数值模拟方案执行 过程中，考虑给定旌工工程因素的变化，持续模拟岩洞库的施工全过程，且每次 数值试验的具体过程与一般数值模拟过程相同，所获试验指标值的结果列表迸行 正交试验表的直观分析。 7 北京交通人学硕十学位论文 计算各因素不同水平的试验指标和( 即水平和) b ：、指标均值( 即水于均值) 彩， 及各因素的水平均值的极差r j ： 月 彰= 既。，n蟛= 彤l ( 1 3 ) = j r = m a x ( k ) 一r a i n ( k )( 1 4 ) f = n s s = l水平数： ，= l ，实际因素数； a ，( 七)第_ ，个因素中第k 实验号所对应的水平号； y 。第k 实验号所对应的实验指标值； l k r o n e c ：k e r 符号； 珂实验次数( 方案数) 评定因素重要性顺序。依照各因素指标均值的极差大小排出重要性顺序，极 差越大，该因素越重要。【6 】 选出最优因素( 参数) 组合方案。根据试验指标的要求( 指标低者为优) ，从每个 因素的彰中找出最优点( 最低点) 的水平。将各因素的最优水平组合起来，就是对应 于该试验指标的最优因素组合方案。由正交设计的直观分析，通过计算各因素不 同水平的试验指标均值k ：及各因素的指标均值的极差r ，评定因素重要性顺序， 找出每个因素的最优点水平，将各因素的最优水平组合起来，得到对于该试验指 标的最优因素组合方案。 ( 3 ) 灰色局势决策法 洞室群优化结果对围岩稳定性程度的两个最主要的影响指标是开挖前后压力 比值和塑性区总面积。压力比值过大会形成岩爆，塑性区面积过大会造成围岩的 失稳。而通常情况下，压力比值和塑性区面积均比较离散，所以不能用单一的指 标对洞室群进行优化；而且，洞室群断面形状和洞室间间距的细微变化，对优化 结果带来的影响很小。所以，不能简单的用目前常用的围岩损伤度、耗散能、塑 性区面积等评判洞室群的不同布局、开挖方式和支护措施对地下洞室群围岩稳定 性的影响程度的方法来优选断面和间距，而应采取灰色局势决策理论，把多目标 问题规一化，综合评判，计算出不同初始条件下的局势效果测度值，达到优化设 计的目的。 灰色局势决策构成如下： 事件：洞室拱顶开挖记为4 对策：单心圆记为6 1 ，三心圆记为6 2 ，椭圆记为6 3 目标：目标1 为塑性区，目标2 为压力比值 局势：s = 【西m 】，【口，b 2 ，【4 ，b 3 文中的压力比值是指开挖结束后围岩最大主压应力值与初始最大主压应力值 8 绪论 的比值。 局势效果测度值的卞要计算过程如下： 首先求出每个局势下的白化值哦的上限效果测度露，然后计算出局势综 合目标效果测度值咯，即 喏= 鑫 ( 1 5 ) 若采用平均法，则第七个目标的盯局势综合目标效果测度值为： 彤 强= 2 ( 1 ，6 ) 若采用权数法，则第七个目标的驴局势综合目标效果测度值为： 彤瓯 吩2 2 ( 1 7 ) 式中 疋为权数，且瓦= i ( i 8 ) ( 4 ) 目标函数法 设计变量 在优化过程中需不断地变化设计变量以改变洞室的形态和洞室间距。设计变 量的选取：圆形隧洞取其半径；椭圆形隧道取其长、短半轴；拱形断面取边墙高、 跨度和拱高；洞室间距取两洞圆心或跨度平分线之距，这些变量都服务于相同的 追求目标，可统一地记为 x = 【x 。，置，置x i 1 式中z 为设计变量的分量；珂为设计分量的总个数 目标函数 7 1 取各洞室围岩破坏的总面积为目标函数，可写为 ( 功= s ( 1 9 ) 式中足为第j | 个破坏单元的面积；p 为破坏单元的总个数。 上述的设计变量组中包含着改变洞形和洞间距两方面的变量分量，无论洞形 或洞闻距的变化都影响到围岩的位移场和应力场，决定着破坏区的大小，与目标 函数厂( 曲关系密切。在优化分析的过程中，随着设计变量的变化值，( 刁也在变化， 当目标函数f ( x ) 达到极小值时，可得到合理的断面几何形态和洞间距。选用破坏 区面积，( x ) 作为目标函数，对判断围岩的稳定，或对非均质岩体求解的优劣判别， 或对洞间距的优化判别都比选用其它物理量( 如位移或应力) 优。 9 北京交通大学硕十学位论文 约束条件 以工程所要求的断面面积、形状，及有时还需满足的水位对标高的特定要求 等为约束条件，且为正值，记为 不等式约束条件& o ) 2 0 ，_ ，1 , 2 z( 1 9 ) 等式约束条件t ( 功，r = 1 , 2 ，埘( 1 9 ) 综上所述，可将优化数学模型写为： 最小化目标函数 m i l l 厂( x e e ” ( 1 9 ) 满足约束条件 s j 苫( 工) 0 , h ( x ) = 0( 1 9 ) 上式表示在, 维设计空间，满足约束条件，求目标函数的极小值 优化计算流程见下图 图1 1 优化计算流程图 选用破坏区作为目标函数厂 b 2 ，是一个尖三心拱，即有：三心拱顶部拱的半径r 1 三心拱两边侧拱的半径r 。 在圆心o t 、0 2 连线的下部边墙，是由两条半径为r 3 的圆弧，这里r 2 r 3 如， 当r 3 = r 2 时，整个边墙为曲率相同的一段圆弧，当r 3 - - ，0 0 时，下部边墙成为铅锤直 墙。 底部仰拱与顶拱圆心同为0 1 确定半径r 4 使得o 。、0 2 连线上部净高与下部净高 的比为1 3 。 图4 1 5 优化目标细部 在实际工程中，对于五心圆拱形断面，独立的设计变量只有三个：洞室上部 三心拱底端宽度h 、上部三心拱的高度h ，和r 3 ，这里为优化过程方便，同时为了 使优化过程中洞室各部分变形协调，不致出现畸形尺寸产生优化过程的不收敛， 取q = r 3 r 2 ，( 1 d = 1 o b 图5 9d = 1 o b 围岩的塑性区图 5 2 地f 储备库洞室合理间距优化设计研究 图5 1 0d = 1 o b 围岩的y 方向位移图 图5 1 1d = 1 o b 围岩的x 方向位移图 由以上d = 1 o b 间距的数值模拟可见，塑性区主要出现在两洞室之间的岩体内， 虽未实现联通而产生整体破坏，但塑性区的范围很接近，基本接近即将整体破坏 的临界状态；和直墙拱形断面相似2 5 m m 的底板隆起和1 9 m m 的最大拱顶沉降比 单洞开挖时略大；而水平收敛虽然较单洞开挖也有一定程度的增大，但不如直墙 拱形断面洞室形状的洞群开挖与单洞开挖水平收敛的增量明显，这主要是由于竖 直方向平行排列的两个单洞的洞壁采用弧形，客观上形成了竖直方向布置的“拱”， 有效的抵抗了围岩水平方向的作用力。 北京交通人学硕士学位论文 d = 1 2 b 图5 1 2d = 1 2 b 围岩的塑性区图 图5 1 3d = 1 2 b 围岩的y 方向位移图 地卜 储备库洞室合理间距优化设计研究 图5 1 4d = 1 2 b 围岩的x 方向位移圈 由于血心拱断面相邻洞室问距在d = 1 0 b 时的塑性区图可见，两洞室中部塑性 区间隔很小，基本接近洞室间距的最小值；当d = 1 0 b 时的塑性区图可见，两洞室 间的塑性区距离有所加大，整个围岩处于稳定状态。最大底板隆起、最大拱顶沉 降、最大水平收敛等数据与与之静计算类似小于d = 1 o b 时的相应值，而大于单洞 开挖的相应值。 5 3本章小结 总结以上计算结果，有如下规律： 洞室间最小安全自j 距的确定主要以各洞室间岩体是否产生塑性区的联通或整 体破坏为依据，同时，由于最大底板隆起、最大拱顶沉降、最大水平收敛等数 据均较单洞开挖时有不同程度的增大，所以也是需要考虑的因素。 洞室群形成的开挖效应，不同于单洞室，但也不是若干单洞开挖效应的简单叠 加，整体开挖情况需要经过数值模拟方法确定，单对于竖直方向平行排列的洞 室布局，一般水平方向相对于单洞开挖的开挖效应增量比竖直方向要大。 对于不同的断面形状，洞室问的最小安全间距也不一样，一般来说，五心圆拱 断面可以适应的最小间距比直墙拱形要小。 6 工程应用 山东省是全国石油高消费和石油消费高增长的主要地区之一，该地区进口石 油加工相对集中，进口原油加工量到2 0 1 0 年将达到2 l o o 力吨，同时省内及周边 输油管网发达，有青岛石化厂，齐鲁石化公司、济南炼油厂、沧州炼油厂、石家 庄炼油厂、天津石化公司等炼油企业，同时在黄岛有我国重要的石油港一黄岛油 港码头，所以黄岛有修建地下水封油库的有利条件。 国家石油储备黄岛地下水封油库拟建在青岛市黄岛区辛安镇韩家村北面的山 体下，拟建规模为3 0 0 x 1 0 4 m 3 ，在2 0 1 0 年i i 完成。 6 1工程区域概况 6 1 1地理及交通状况 黄岛地下水封石油库拟选库址区位于山东省青岛市黄岛区，库址区隶属山东 省青岛市黄岛区辛安街道办事处。黄岛区亦为青岛市经济技术开发区，现有面积 2 7 4 1 平方公里，人口4 0 万，全区辖辛安、黄岛、柳花泊、薛家岛、长江路、红 石崖6 个街道办事处，1 4 0 个行政村。 库址区交通十分便利，其北、东、南三面有环胶州湾高速公路通过，库址区 内各个村庄均有简易公路相通，可通行拖拉机、卡车，区内山体南北侧采石业发 达，环山体周围均有土路相通。 6 1 2气象水文条件 拟选库址区位于胶东半岛西南沿海青岛市黄岛区西部底山丘陵区，为华北暖 温带季风型大陆气候，受海洋环境影响及调节，具有明显的海洋性气候特点，空 气湿润，气候温和，四季分明，具春迟、夏凉、秋爽、冬长的特征。 多年平均降水量介于7 1 1 2 7 9 8 6 m m ，年内各季分配不均匀，年季闻降水量 变化悬殊，枯水年持续时间较长。区域河流较发育，其中规模较大的河流有大沽 河、胶河、王戈庄河、洋河漕汶河、岛耳河等。拟选库址区内基本没有河流，仅 在拟选库址区南侧发育殷家河及区北侧发育龙河。拟选库址区发育较多的近南北 向、北东向、北西向冲沟，且切割较深，雨水汇集沟中，形成小型季节性河流。 北京交通人学硕士学位论文 6 1 3地质概述 ( 1 ) 构造特征 工程区域位于华北板块与扬子板块结合带之胶南一威海造山带，主要发育韧 性剪切带及脆性断裂构造，折皱构造不甚明显。区域内较大构造体系为牟( 平) 一即( 墨) 断裂带，库址区位于该断裂带南缘，受牟( 平) 一即( 墨) 断裂带影 响，工程区域内发育较多小规模的断裂，库址区位于这些断裂所包围的范围内。 这些断裂中，距库址区最近的断裂有北冬走向的老君塔山断裂、孙家沟断裂及近 东西向前马连沟断裂。 老君塔山断裂：为右旋张扭性，走向约3 8 0 ，近直立，立断面阶步显示其力学 性质为右旋张扭性，规模较大，断裂带长约1 0 5 k m 宽约5 0 m ，由碎裂岩、石英脉 等组成； 孙家沟断裂：由碎裂岩及断层泥组成的破碎带构成，延伸约6 5 k m ，宽仅3 m ， 主断面产状1 4 5 0 针对直墙拱形洞室和五心拱洞室的优化设计后的断面形状均提高了围岩的自 撑能力，提高了围岩的稳定性，推荐使用优化后的断面。 对比直墙拱形洞室和五心拱洞室两种基本的断面形状，后者的围岩受力状态更 为合理，围岩内部位移较小，在施工技术成熟的情况下，地下洞室的断面形状 应尽量采用后者。 6 7 7 1主要结论 7 结论与讨论 地下洞室群的稳定性与其开挖断面形状和间距密切相关，在原始地应力作用 下，不同的洞室群歼挖形状和间距，将产生不同的应力场。合理的断面形状可以 改善地下洞室群的受力状态，充分发挥围岩的自撑能力，以利于地下工程的维护： 若开挖形状不当在围岩中将产生非常大的集中应力，从而造成围岩破坏，洞室群 失稳。【4 5 】 地下储备库洞室群断面及自j 距的确定及优化，可采用的方法较多，而有限元 法相对于其他方法具有适用范围广，易于实现等特点，目i j 被广泛采用。本文以 大型地下石油储备库洞室为背景，运用大型有限元软件a n s y s 对地下洞室中常见 的直墙拱形和五心拱断面及间距进行优化设计，深入、细致地研究了地下洞室群 的优化过程。得出如下结论： ( 1 ) 在一般的情况下，地下洞室群的设计、优化需综合考虑围岩的地质条件、 仞始地应力情况、洞室的走向、各洞室的断面形状、布置间距等因素。 ( 2 ) 对于实际工程中常见的两种断面，直墙拱形具有结构简单，便于施工等优 点但围岩的受力状念没有五心拱断面合理，会产生较大的竖向和横向位移， 五心圆拱断面具有更好的受力特点和更广泛的适用性，对于具体工程可根 据数值模拟方法判断采用何种断面 ( 3 ) 在直墙拱型断面中，顶部三心拱的形状对洞室的开挖效应影响最大，洞室 跨度其次，洞室直墙高度的影响最小，所以，对于直墙拱形断面的优化， 可以主要以优化顶部的三心拱为重点。 ( 4 ) 在五心拱断面中，洞室的高度、宽度和洞室拱顶、边墙的弧度是相关的， 洞室的高度与洞室的拱项沉降和底板隆起密切相关；洞室的宽度与洞室的 净空收敛较密切。虽然洞室上部的三心拱对洞室的开挖效应影响最大，但 边墙的弧度和下部边墙的高度等因素，在设计优化中也必须考虑。 ( 5 ) 洞室问距的设计由于只有一个未知变量，可以通过对不同间距的洞室进行 试算的方法确定，随围岩类别不同，一般取为l 2 倍的洞径。 7 2 讨论 北京交通人学硕士学位论文 本文虽对地下储备库洞室的优化进行了深入、细致的研究，但依然存在不足之处 以待今后研究： ( 1 ) 对围岩稳定性的评价选择了拱顶下沉一个目标函数，是单目标优化问题，而 实际工程中往往需要综合考虑拱顶沉降、净空收敛、塑性区面积等因素，是 多目标优化问题，以后的研究中应综合考虑上述各种因素。 ( 2 ) 对地下储备库洞室的优化数值模拟时未考虑地下水和水封条件对模型的影 响，亦未考虑储备库运营期间的循环荷载状况，今后的研究中如时间容许， 应尽量予以考虑。 ( 3 ) 洞室的建模中优化变量的选取数量和取值范围，在今后的研究中可以考虑适 当增加，以期获得洞室断面形状的更大的变化范围和适应性。 ( 4 ) 在对实际工程的优化时，最好有详细的地勘资料，以便于地应力场的反演， 在优化过程中的地应力条件与实际情况越是接近，优化效果会越显著。 参考文献