交叉坑道斷面形狀與開挖順序優(yōu)化分析.doc

豆丁網(wǎng)精品論文交叉坑道斷面形狀與開挖順序優(yōu)化分析朱金才 1,2，張松林 2，鄧鋒 11 武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 (430070)2 西北核技術(shù)研究所 陜西西安 (710024)email：摘 要：采用數(shù)值計(jì)算方法，模擬不同斷面形狀和開挖順序條件下，交叉坑道圍巖的應(yīng)力與 變形。應(yīng)用加權(quán)平均法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)判，提出優(yōu)化方案，得到一些認(rèn)識(shí)。 關(guān)鍵詞：交叉坑道斷面形狀開挖順序圍巖穩(wěn)定性優(yōu)化中文分類號(hào):tu91 引言相對(duì)于單坑道而言，交叉坑道在相交叉口處的圍巖受力顯得較為復(fù)雜。某地下工程需在 水平層狀砂礫石介質(zhì)中開挖交叉坑道，由于地層和坑道結(jié)構(gòu)形式的特殊性，使得坑道在交叉 部位的穩(wěn)定性成為該工程成敗的關(guān)鍵。數(shù)值實(shí)驗(yàn)是利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)，模擬在外界因素?cái)_動(dòng) 下，物理模型主要物理量響應(yīng)的一種有效方法。與現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室模型實(shí)驗(yàn)相比，它的最大優(yōu) 點(diǎn)在于成本低、效率高。本文通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)，提出無支護(hù)情況下，該地層介質(zhì)中交叉坑道合 理斷面和開挖順序。2 水平層狀砂礫石圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)地下洞室開挖會(huì)引起圍巖的卸荷回彈和應(yīng)力重分布，這種變化可能導(dǎo)致圍巖發(fā)生塑性變 形和破壞。圍巖變形破壞的形式和特點(diǎn)，除與初始地應(yīng)力狀態(tài)、坑道斷面形狀等因素有關(guān)外， 主要取決于圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)1。砂礫石按地質(zhì)分類屬粗粒土，其強(qiáng)度可按無粘性土的強(qiáng)度 理論考慮。無粘性土破壞時(shí)服從庫倫摩擦定律2，即主要的破壞形式為剪切破壞。砂礫石介 質(zhì)從巖體結(jié)構(gòu)來講又屬微膠結(jié)的散體結(jié)構(gòu)，變形與破壞的主要形式是塑性擠出和坍塌1。對(duì) 于水平層狀圍巖，若洞室頂部存在拉應(yīng)力，則在頂部局部區(qū)域?qū)⒂锌赡馨l(fā)生拱形塌方。綜上，評(píng)價(jià)水平層狀砂礫石圍巖穩(wěn)定性好壞的主要指標(biāo)應(yīng)包括：剪切破壞區(qū)（即塑性屈 服區(qū)）體積、拱頂受拉區(qū)體積和圍巖位移。3 不同斷面形狀對(duì)比分析洞室開挖后，在巖土體中形成了臨空面，相當(dāng)于改變了原巖體的邊界條件。不同的開挖 斷面對(duì)應(yīng)不同的邊界條件，圍巖的應(yīng)力與變形也必然不同。下面以 6m6m 斷面為例，通過 數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分析不同拱高和拱形的直墻拱形十字交叉坑道圍巖的穩(wěn)定性。3.1計(jì)算模型（1）幾何模型 采用三維有限單元模型，根據(jù)模型的對(duì)稱性，取四分之一實(shí)體為計(jì)算模型?？拥罏橹眽靶螖嗝?，拱的形狀分為拋物拱、圓弧拱和橢圓拱。對(duì)于特定的斷面類型，拱高與跨度比是影響圍巖狀態(tài)的主要因素。為使計(jì)算結(jié)果具有代表性，各種拱的拱高與跨度比分別取 1/6、1/3、1/2、2/3 和 5/6，即拱高分別為 1m、2m、3m、4m 和 5m。圍巖水平和垂直方向長度取 6 倍洞跨，盡量消除邊界約束對(duì)洞室圍巖的影響。（2）材料模型 模型材料按均質(zhì)彈塑性體考慮，采用莫爾庫倫屈服準(zhǔn)則。材料模型參數(shù)按現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)取值，見表 1。表 1 砂礫石物理力學(xué)參數(shù)參數(shù)容重(kn/m3)彈性模量e(gpa)泊松比內(nèi)聚力c(kpa)內(nèi)摩擦角()剪脹角()取值20.01.20.3156.536.010.0（3）計(jì)算荷載及約束洞室開挖過程中，主要外加荷載是初始地應(yīng)力。在沒有實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，地應(yīng)力按自n重應(yīng)力場考慮，即 z = i h i ， x = y = k z 。i =1邊界條件均采用位移邊界條件，根據(jù)計(jì)算模型特點(diǎn)，水平 x、y 方向均采用對(duì)稱約束，模型底面受法向約束，模型頂面承受上覆巖體的自重壓力。3.2計(jì)算結(jié)果及分析采用大型有限元分析軟件 abaqus，對(duì)不同的斷面形狀進(jìn)行計(jì)算。典型斷面形狀坑道開 挖后塑性區(qū)、受拉區(qū)和位移分布如圖 1、2。圖 1 圍巖塑性區(qū)(左)和受拉區(qū)(右)圖圖 2 圍巖水平(左)及豎向位移(右)云圖各種形狀坑道圍巖的塑性區(qū)體積、拱頂受拉區(qū)體積和圍巖位移值列于表 2。表 2 計(jì)算結(jié)果列表斷面形狀開挖體積 (m3)塑性區(qū)體積拱頂受拉區(qū)體積 (m3)水平位移 (mm)豎向位移(mm)絕對(duì)值(m3)相對(duì)值()拱頂下沉底部上鼓f=1mh=5m拋物拱289.4496.8171.712.732.027.818.8圓弧拱290.2490.7169.113.531.827.718.8橢圓拱295.1491.0166.415.532.228.419.0f=2mh=4m拋物拱273.0492.9180.55.429.826.018.3圓弧拱279.4496.1177.68.830.826.618.5橢圓拱285.1484.5169.910.131.627.118.6f=3mh=3m拋物拱258.2467.3181.00.027.025.217.9橢圓拱275.4473.5171.94.829.126.018.3f=4mh=2m拋物拱242.5465.7192.00.023.824.417.5橢圓拱265.2464.9175.30.027.825.318.0f=5mh=1m拋物拱227.1436.7192.30.022.823.117.1橢圓拱255.3457.1179.00.026.224.717.8注：1、表中 f 為拱高，h 為直墻高；2、塑性區(qū)體積相對(duì)值等于絕對(duì)體積除以開挖體積的百分比；3、水平位移為單側(cè)直墻絕對(duì)位移值。將塑性區(qū)相對(duì)體積、拱頂受拉區(qū)體積、水平位移、拱頂下沉及底部上鼓位移值，隨著拱 高和拱形變化，分別作出曲線，見圖 3（a）（e）。（a）塑性區(qū)體積變化曲線（b）受拉區(qū)體積變化曲線（c）水平最大位移變化曲線（d）拱頂最大下沉量變化曲線（e）底部上鼓變化曲線圖 3 各指標(biāo)隨拱高和拱形變化曲線由計(jì)算結(jié)果，可得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：（1）從塑性區(qū)分布圖看，單坑道和交叉部位均存在剪切塑性區(qū)，塑性區(qū)主要分布于坑 道兩側(cè)墻，拱頂圍巖只有部分區(qū)域進(jìn)入塑性狀態(tài)；交叉部位塑性區(qū)半徑比單坑道的大。（2）從受拉單元分布與矢量圖看，單坑道不出現(xiàn)受拉區(qū)，交叉口處的拱頂和底部均存 在受拉區(qū)，且主拉應(yīng)力以水平向?yàn)橹?。?）從圍巖位移云圖看，靠近交叉區(qū)域，坑道水平位移明顯增大；交叉口處頂部和地 面豎向位移也均大于單坑道。（4）從曲線圖看，同一拱高不同拱形，塑性區(qū)相對(duì)體積大小規(guī)律是：拋物拱圓弧拱 橢圓拱；拱頂受拉區(qū)體積大小規(guī)律是：橢圓拱圓弧拱拋物拱；水平及豎向絕對(duì)位移變化規(guī) 律基本與拱頂受拉區(qū)體積的變化規(guī)律相似。（5）從曲線圖看，同一拱形隨著拱高的增加，塑性區(qū)相對(duì)體積增大，拱頂受拉區(qū)體積 減小，水平及豎向位移均減小。3.3合理斷面形狀的選取按照對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響程度的不同，將塑性區(qū)體積、拱頂受拉區(qū)體積和位移值進(jìn)行加權(quán) 平均，通過對(duì)比加權(quán)后的綜合評(píng)判值，確定最優(yōu)的斷面形狀。為實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)指標(biāo)的綜合評(píng) 判，先采用模糊子集法處理各單指標(biāo)值，計(jì)算出單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)判值。再對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)判值進(jìn)行 加權(quán)平均，計(jì)算洞室穩(wěn)定的綜合評(píng)判值3。對(duì)于水平層狀砂礫石圍巖來講，塑性區(qū)體積和位移過大是圍巖失穩(wěn)的主要因素，拱頂受拉區(qū)體積過大只引起局部坍塌。據(jù)此，將塑性區(qū)體積、拱頂受拉區(qū)體積和位移指標(biāo)的權(quán)重分別取為：0.4、0.2、0.4。對(duì)于三個(gè)位移分量來講，水 平位移和拱頂下沉量是多數(shù)規(guī)范判斷圍巖是否失穩(wěn)的主要依據(jù)，它們的權(quán)重較大。另外，計(jì) 算出的最大水平位移值是規(guī)范臨界值的 30左右，最大拱頂下沉量達(dá)到規(guī)范臨界值的 75 左右，因此在判斷圍巖穩(wěn)定時(shí)，拱頂下沉量權(quán)重應(yīng)大于水平位移權(quán)重。據(jù)此，水平位移、拱 頂下沉和底部上鼓位移間的權(quán)重分別取為 0.3、0.5、0.2。圍巖穩(wěn)定性綜合評(píng)判指標(biāo)計(jì)算式 為：nf = wi fii =1（1）式中：f綜合評(píng)判值；wi第 i 單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重；fi第 i 單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)判值。將各單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)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頂 + 0.2 f底 )（2）按式（2）計(jì)算各種斷面形狀的圍巖穩(wěn)定性綜合評(píng)判值，計(jì)算結(jié)果見表 3。從表 3 可知，當(dāng)拱高大于或等于坑道半跨長度時(shí)（f3m），穩(wěn)定性綜合評(píng)判值明顯增大， 洞室圍巖穩(wěn)定較好。直墻高為 2m 拱高為 4m 的橢圓形拱斷面的綜合評(píng)判值最大，即為相對(duì)優(yōu) 化的斷面形狀。表 3 各斷面情況下圍巖穩(wěn)定性評(píng)判值斷面形狀單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)判值綜合評(píng)判值（f）塑性區(qū)（f 塑）拉應(yīng)力區(qū)（f 拉）水平位移（f 水平）拱頂下沉（f 頂）底部上鼓（f 底）f=1mh=5m拋物拱10.042.670.761.861.765.15圓弧拱11.252.051.012.081.765.59橢圓拱12.50.500.500.500.505.30f=2mh=4m拋物拱5.978.323.565.934.926.06圓弧拱7.315.692.294.583.665.54橢圓拱10.884.681.273.443.036.37f=3mh=3m拋物拱5.7412.507.147.747.457.80橢圓拱9.958.784.465.934.927.85f=4mh=2m拋物拱0.6412.5011.229.569.976.81橢圓拱8.3812.506.127.526.828.63f=5mh=1m拋物拱0.512.5012.5012.5012.507.70橢圓拱6.6612.508.168.888.088.564 不同開挖順序?qū)Ρ确治銮懊嬗懻摿藬嗝嫘螤顚?duì)交叉坑道圍巖穩(wěn)定性的影響，下面分析不同尺寸斷面坑道相交 時(shí)，開挖順序?qū)徊婵拥绹鷰r穩(wěn)定性的影響。利用數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分別計(jì)算 6m6m 與 3m3m、4m4m、5m5m 斷面坑道交叉時(shí)的圍巖狀態(tài)，分析不同開挖順序時(shí)交叉坑道圍巖的穩(wěn)定性。4.1計(jì)算模型采用三維有限單元模型，根據(jù)模型的對(duì)稱性，取四分之一實(shí)體為計(jì)算模型?？拥罃嗝鏋?直墻橢圓拱斷面，大斷面坑道直墻取 2m，拱高取 4m，所有小斷面坑道拱高均取 2m。圍巖水 平和上下方向長度取 6 倍洞跨，盡量消除邊界約束的影響。材料模型、計(jì)算荷載與約束與前 面相同。4.2計(jì)算結(jié)果及分析采用大型有限元分析軟件 abaqus，模擬不同開挖順序情況下，圍巖的應(yīng)力與位移。開 挖后塑性區(qū)和受拉區(qū)見圖 4，計(jì)算結(jié)果見表 4。圖 4 圍巖塑性區(qū)(左)和受拉區(qū)(右)圖表 4 計(jì)算結(jié)果列表開挖順序塑性區(qū)體積(m3)拱頂受拉區(qū)體積(m3)水平位移(mm)拱頂下沉(mm)底部上鼓(mm)3m3m與6m6m同時(shí)開挖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與6m6m同時(shí)開挖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與6m6m同時(shí)開挖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分析計(jì)算結(jié)果得到以下認(rèn)識(shí)：從塑性區(qū)分布圖看，坑道交叉處塑性區(qū)明顯增大；從受拉區(qū)分布與矢量圖看，無論采用哪種開挖方式，若存在受拉區(qū)，均出現(xiàn)在交叉口處的小坑 道拱頂，主拉應(yīng)力與小斷面坑道縱剖面在同一平面內(nèi)。4.3合理開挖順序的確定采用前面相同的方法處理計(jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)果見表 5。表 5 各開挖順序時(shí)圍巖穩(wěn)定性評(píng)判值開挖順序單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)判值綜合評(píng) 判值塑性區(qū)（f 塑）拉應(yīng)力區(qū)（f 拉）水平位移（f 水平）拱頂下沉（f 頂）底部上鼓（f 底）3m3m與6m6m同時(shí)開挖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與6m6m同時(shí)開挖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與6m6m同時(shí)開挖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由上表可得以下結(jié)論：分步開挖比同時(shí)開挖對(duì)圍巖的穩(wěn)定有利；當(dāng)兩坑道斷面尺寸相差較大時(shí)，先大后小的開挖順序更有利于洞室圍巖的穩(wěn)定；當(dāng)兩坑道斷面尺寸相差較小 時(shí)，兩種分步開挖方式的穩(wěn)定性評(píng)判值相差不大，且先小后大的開挖順序相對(duì)較優(yōu)。5 結(jié)論本文通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)，模擬不同斷面形狀和開挖順序?qū)徊婵拥婪€(wěn)定性的影響。初步得出 以下結(jié)論：（1）對(duì)直墻拱形斷面交叉坑道，當(dāng)拱高大于等于跨度一半時(shí)，交叉處圍巖的穩(wěn)定性較 好。這一結(jié)論與單直坑道的理論分析結(jié)果4相同。（2）當(dāng)不同斷面坑道相交時(shí)，分步開挖比同時(shí)開挖對(duì)圍巖的穩(wěn)定有利；且在交叉口處， 小斷面坑道拱頂宜產(chǎn)生拉受區(qū)，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)該部位的支護(hù)。（3）無論采用哪種斷面形狀和開挖順序，坑道交叉處，圍巖塑性區(qū)、圍巖位移值和出 現(xiàn)拉應(yīng)力的可能性均較單坑道大。參考文獻(xiàn)1 朱漢華,孫紅月,楊建輝著.公路隧道圍巖穩(wěn)定與支護(hù)技術(shù)m.北京:科學(xué)出版社,2007. 2 沈珠江著.理論土力學(xué)m.中國水利水電出版社,1999.3 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