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1、精选优质文档-倾情为你奉上地下洞室群施工方案优化及围岩稳定性分析吴杉（中国水利水电第七工程局有限公司 四川省 成都市 ）【摘要】：本文首先介绍了动态施工力学的基本概念和原理，在此基础上简单介绍了运用动态规划优化地下洞室群施工方案，随后运用具体实例分析，发现优化施工顺序能够有效提高围岩稳定效果，这对地下洞室群施工具有重要的参考价值。【关键词】：地下洞室群；围岩稳定性；施工方案0.引言：影响地下洞室群稳定性的因素有很多，其中也存在很多的不确定因素，通过有限元分析法能够有效反映工程开挖过程中的围岩位移、破坏区分布和应力随开挖的变化规律，从而确定最合适的施工方案。1.岩体非静态建设施工力学原理针对地下
2、洞室施工所涉及到的力学的特点来看，整个施工程序能够被想象为一种非可逆、没有规律可循的演变程序，对于其最后的评价也是众说纷纭，会受到多种因素的制约，与应力路径和应力历史相关。对于小洞室群施工来说，也很少会有全断面一次成洞，大多情况下都要根据施工工期、岩体特性和碴运输洞布置情况等条件，合理选择分期开挖方案，换句话说，地下洞室群施工必然存在一个施工方案的优化问题，其目标函数应当是在保证工程安全性的前提下实现经济效益的最大化。现阶段，岩体力学已逐渐向更有前景的发展方向延伸，就是广为人知的岩体动态建设力学，其施工的要点有以下几点： 项目的稳定性不但受到外界环境的影响，而且也和项目自身的施工特点紧密相连；
3、 对比较冗杂的石块进行施工时，对周围岩石的稳定性进行讨论的过程本质是非线性的力学，应力路径和应力历史对围岩稳定性有着直接的影响；地下洞室群施工需要根据工程特点和岩体特性，采取有针对性的开挖和支护手段，保证施工全过程都做好围岩体的稳定性控制；对于复杂的地下洞室群施工，在施工开始前，需要进行动态施工力学的优化分析，尽可能的寻找优良的施工方案，为施工决策提供可靠依据；为了保证施工方案的合理性，在施工前期，需要做好围岩动态响应的观察和监测工作，并且根据监测结果适当的对施工方案进行调整和改进；施工方案的选择和优化必须保证地质监测、施工计划、建设监管以及研究项目四道工序联系密切与协调发展，确保全部的施工工
4、序拥有足够的灵活性。2.使用非静态规划优化地下洞室群施工对于地下洞室群这种岩石工程，有很多种分阶段开挖的施工方案，因此，需要采取动态规划方法科学地选择施工方案，避免出现毫无关联的工作内容，这样就能够在最短的时间内快速地找到最佳的施工工序。动态规划是一种能够快速且有效解决毛病的方法，在很多工程中都有着广泛的运用，动态规划的一个显著优点就是其可以将一个多维的最优化问题转化成多个一维的最佳化问题。动态规划方法有着其独有的特点，其能够确定出一个全局（绝对）极小值或极大值，在实际工程施工中，应用动态规划原理通常都是以级、决策、变换、状态和收益等几个关键的元素进行分析和表达的。运用动态规划法虽然在一定程度
5、上减少了施工方案优化的工作量，并且也提高了施工方案优化决策的科学性，但是具体实施过程中，在某些情况下仍旧出现工作量十分琐碎的现象。一方面是由于没有挑选合适的施工顺序，另一方面必须按照预先设计的施工工序进行施工，怎样出现有限元程序所不可或缺的信息文件。以上两个难题必须使用人工操作，工作效率非常低，在此基础上，可以应用人工智能方法，利用人工智能实现施工方案的自动排序和数据文件的自动生成，从而找到最佳的解决方案。3.工程实例分析本文以某水电站工程为背景说明不同的施工顺序对其围岩稳定性的影响。该水电站厂房系统由尾水调压室、主变室和主厂房这三个主要的洞室构成，其余的还有一些尾水隧洞、引水隧洞、母线洞和部
6、分附属洞室，整体洞室群结构比较复杂。洞室群周围遇到的断层通常都是三维走向，并且洞室群本身的三维空间结构也受到洞室开挖的影响，不同的开挖施工顺序有着不同的支护和应力调整工作量，结合本工程自身的洞室群结构特点，拟定了三种不同的施工顺序，图1是这三种施工方案的有限元对比分析图。(a)方案一(b)方案二(c)方案三图 1. 地下洞室群开挖顺序图将上下游开挖角点作为特征点，图2给出了上述三个主要洞室每级开挖后的最大变形值，从图2中不难看出，这三种施工方案都是采取的从上到下的开挖方式，因此三大洞室的特征点最大位移分布规律没有太大区别，在第二种方法中主变室以及主厂房的明显优势中最高距离折线很大程度上都不大于
7、另外两种方法，但是最大距离值差别并不大，最多不超过5mm。除了没有意义的前三级开挖，尾端调度室的三种施工工序明显特点最远距离折线保持重叠。所以，只是从洞室周围岩层形变的程度讨论和对比这三种不同的施工工序，第二种工序的形变相对其他两种来说要稍微小一点。(a) 主厂房(b)主变室(c)尾调室图 2. 洞室特征点最大位移对比图（单位：cm）三种施工方案洞室周围的应力分布规律大体相同，但是由于开挖方式不同，因此应力的集中程度也有所差别。洞室在开挖中受到强卸荷作用，洞挖区应力场变化较明显，在很多位置上都存在应力集中问题，例如边墙与开挖底面交接部分和拱顶与边墙交接部分等。应力集中现象随着开挖距离的增大也逐
8、渐减弱，有些范围的应力场分布已经变回原先的状态。洞室在开挖之后，洞壁小主应力衰减速度很快，部分浅层周围岩层也保持在预先的状态，出现了小范围的拉应力区域，随着开挖距离的不断延伸，拉应力区域遭受开挖卸荷的改变得到了发展，释放了绝大多数的压应力，应力水平相对较低。下图3所示的是三种施工方案下围岩破坏区的分布情况，分析图表能够分析出：不同的施工方法分级进行施工的过程中，主厂房洞室周围的岩层没有出现明显的由于人为破坏出现生长不良的情况，但是其余的洞室的发育情况则出现了相对明显的差别，具体体现在以下几个方面：三个主要洞室顶拱开挖之后就产生了破坏，但是各自顶拱塑性区分布受后期施工的影响相对较小；地下洞室群在
9、施工结束之后，浅表层的周围岩层存在明显深度差异的塑形开裂区以及塑形损坏区，并且其围岩破坏区发育深度随着开挖高度的增加而增大，主要以塑性破坏为主；破坏区主要存在于洞室之间相互交接部位和中下部边墙部位，尾调室上游边墙破坏略大于下游边墙，主厂房的破坏情况则相反。(a) 方案一(b)方案二(c)方案三图 3 不同开挖工序下围岩破坏区分布图表1所示的是三种施工方案的围岩破坏区体积对比，分析表中数据可以看出：三种施工方案下，第二级开挖之后，围岩塑性破坏区体积都突然减小，之后就随着开挖级数的增加而不断增大；第二种施工方案下，各级开挖过程中产生的围岩塑性破坏区和张裂破坏区体积，都比其他两种施工方案要小，比第一
10、种方法节省出20%之上的空间，相对第三种方法更是节省出了30%之上的空间，换言之，其相对其他方法来说更加适合实际应用。方案类型第1级第2级第3级第4级第5级第6级第7级第8级第9级1张裂区1.7930.1757.2865.5569.9173.7378.5882.39塑性区178.73111.08194.67235.05276.04318.45398.49440.542张裂区1.7520.9345.1953.7959.2262.2863.4563.9169.23塑性区132.1272.79134.14169.81222.01260.40315.80355.91428.873张裂区2.1334.1
11、163.7472.1575.2079.0383.3686.66塑性区206.06132.45235.76281.27297.05339.08421.39459.06表1. 围岩破坏区体积对比(102m3)表4.结论在一些工程条件和地质条件比较复杂的情况下，地下洞室群围岩稳定性及其控制在很大程度上受到工程施工方案的影响，本文通过对地下洞室群不同施工方案的有限元对比分析，得出了以下几点结论：地下洞室群在开挖之后围岩的塑性区、应力和位移分布都符合一般规律，开挖顺序对围岩稳定性有着直接的影响。在分级施工操作中，上一阶段的施工之后的断层面距离极易被下一阶段开挖所制约，这和不同次数的施工队周围岩层的干扰紧
12、密相关，所以，在保证工程施工质量的前提下，应当尽量减少开挖次数，在开挖作业中也要尽肯能地避免各个洞室之间施工相互影响。如果地下洞室群施工中需要布置多条平行的廊道或管洞，最好实行间隔开挖，等喷锚支护完成后再进行相邻洞室的开挖作业，另外，为了改善施工期间围岩稳定性，在施工辅洞前，需要预先加固主洞和辅洞交叉部位。本文中的实例表明，通过有限元对比分析，三种施工方案在位移场和应力场变形规律上差别不大，第二种方案要略微优于其他两种方案，以被破坏区域处在的位置以及发展的深度为视角，第二种方法消耗周围岩层体积的程度比其余两种方法都要小很多，所以，综上所述，第二种施工方法应该得到更加广泛的应用。【参考文献】：1朱维申，王平.动态规划原理在洞室群施工力学中的应用J.岩石力学与工程学报，1992,11(4) : 323 -331.2 丁葆琛.葡萄山公路隧道通风机房洞室群围岩稳定性分析D.重庆:重庆大学,2010.3 孙福军,曾庆利,乔志斌等.张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究J.工程地质学报,2010,18(4):566573.作者简介：吴杉（1988年05月），男，助理工程师，本科，主要从事水利水电建设相关工作。专心-专注-专业
地下洞室群施工方案优化及围岩稳定性分析
