广东2007上半年会计从业资格考试真题.pdf

隧道 地下工程 收稿日期 2010 09 23 大相岭隧道岩爆数值模拟预测研究 李建军 1 张志强 2 1 中铁十二局集团第三工程有限公司 太原 030024 2 西南交通大学土木工程学院 成都 610031 摘 要 从大相岭隧道实测原始地应力入手 对不同的地应力场具有针对性地建立二维 三维数值模型 来进行岩爆 时空效应的数值模拟研究 二维模型通过采用不同地应力释放率 来考虑岩爆发生的时间效应 且确定出岩爆易发 生的隧道部位及最大地应力沿洞周分布规律和范围 同时采用三维模型 探明了大相岭隧道在两种不同特征地应力 场中开挖时最大地应力的分布规律 并得出了最大主应力分布范围与开挖进尺及支护的关系 具有一定的实际意义 关键词 大相岭隧道 岩爆预测 时空效应 数值模拟 中图分类号 U455 41 文献标识码 A 文章编号 1009 4539 2011 01 0038 06 On Numerical Si mulation Forecast ofRock Burst in Daxiangling Tunnel Li Jianjun1 Zhang Zhiqiang2 1 China Railway 12thBureau Group Co L td T aiyuan 030024 China 2 Civ ilEngineering College Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China Abstract From the surveyed initial goestress in Dax iangling Tunne land by establishing two di mensional and three di mensional numericalmodels for different geostress fields respectively this paper carries out numerical si mulation studies on space ti me effects of rock burst The t wo di mensionalmodel considers the ti me effects of rock burst by adopting release rates ofdifferent geostresses and deter m ines the tunnelpartswhich are fragile to rock burst aswellas the distribution la ws and areas of themaxi mum geostress around the tunne l M eanwhile the three di mensionalmodel is adopted to detect the distribution la ws of the maxi mum geostress during the excavation of the geostress fields of these two different features in Daxiangling Tunne land gets the relationship between the distribution area of themaxi mum geostress and the drilling foo t age and the supports which are of practical significance Key words daxiangling tunne lrock burst forecast space ti me effect numerical si mulation 1 工程概况 交通部科技示范工程 雅 安 泸 州 高速公 路大相岭隧道地处高海拔的高地应力区域 设计为分 离式双洞单车道 左线 K53 804 K63 750 长 9 946 m 进口高程约为 1 526 54 m 出口高程为 1 540 41m 右 线 YK53 773 YK63 780 长 10 007m 进口高 程为 1 525 88 m 出口 高程 为 1 540 21m 隧道穿越段最大埋深约 1 660m 属于 深埋特长越岭公路隧道 隧址区属构造剥蚀高中山 区 地面切割强烈 山势陡峻 岩性主要为中生代红 色砂泥岩 古生界元古届的火山碎屑岩碳酸盐岩及岩 浆岩构成 根据地勘资料将地应力场分为两种类型 型 最大主应力以水平主应力为主 型 最大主应力 以构造应力与重力的共同作用 隧道全线分布各不相 同 高地应力深埋岩体受高围压作用 开挖会引起洞 周应力重新分布 开挖过程中或开挖完毕后产生诸如 爆裂松脱 剥落 弹射甚至抛掷等现象而造成的巨大 危害 对洞内施工人员及设备的安全性构成威胁 因 此 对大相岭隧道施工阶段的岩爆活动进行研究预测 就有重要的工程意义 2 隧址区地应力场特征 在施工图阶段 选取隧址区具有代表性的三个 38 铁道建筑技术 RA IL WAY CONSTRUCTI ON TECHNOLOGY 2011 1 隧道 地下工程 原始地应力测试点 SKZ2 SKZ3 SKZ4采用水压致 裂法进行了主应力测试 测试结果如图 1所示 图 1 SKZ2 SKZ3 SKZ4地应力值随深度变化 SZK2孔由于埋深较浅 三向主应力关系基本 为 SH Sh SV 最大主应力以水平主应力为主 并 有随深度线形增加的趋势 表明该孔附近以构造 应力作用为主 在此将其令为 型 SZK3孔和 SZK4孔埋深均超过了 1 000 m 三向主应力关系基 本为 SHU Sv Sh 地应力表现为以构造应力与重 力的联合作用为主 也具有随深度线形增加的趋 势 在此将其令为 型 根据以上隧道地应力场分 析并结合围岩分级区段划分 将隧道全线岩爆区段 划分为如下三个区段 区段 1 K56 220 K56 778 型 区段 2 K59 045 K61 700 型 区段 3 K61 787 K62 570 型 3 考虑时间效应的岩爆预测 隧道岩爆活动一般是在隧道开挖 后最初的几小时之内发生频繁 随后 则逐渐减小 在隧道最大埋深位置附 近 岩爆持续时间较长 最长时间可持 续数周或数月左右 根据已有工程经 验显示 有些岩爆段虽已经施作完初 期喷锚支护 但随着时间推移 岩爆有 继续发展的趋势 文献中将隧道岩爆 活动阶段划分为岩爆严重期 岩爆延 续期 岩爆基本稳定期 表明岩爆的发 生具有一定的时间效应 在大相岭隧道岩爆预测 研究中 考虑开挖后洞周应力逐渐调整这一实际情 况 计算中采用了不同的释放系数来加以模拟 并 据此来分析在应力释放的不同阶段岩爆发生的可 能性及范围的变化 3 1 计算模型及部分内力云图 SKZ4最大主应力及 SKZ2 SKZ4能量 如图 2 图 9所示 表 1 SKZ2 SKZ3 SKZ4钻孔揭示的隧道开挖出地应力及岩石力学参数 RH MPaRh M PaRv MPa Q M PaR g cm 3 Rc MPaRt MPa E MPaL 100 kJ m 3 有岩爆发生 3 3 不同判据岩爆预测结果分析 1 从表 2可看出 SKZ2 SKZ3 SKZ4在不 同应力释放率情况下 各种不同应力判据略有不 同 为此在考虑各种因素的前提下对其作出了综 合评判 2 从表 3岩性判据 陆家佑判据 弹性能密度 指标 显示 SKZ2 SKZ3 SKZ4区段所对应的围岩岩 满足发生岩爆的岩性条件 40 铁道建筑技术 RA IL WAY CONSTRUCTI ON TECHNOLOGY 2011 1 隧道 地下工程 表 2 SKZ2 SKZ3 SKZ4钻孔处洞段岩爆的各种应力判据预测结果 卢森判据陶振宇判据 Rc R1判据 综合评判 SKZ2SKZ3SKZ4SKZ2SKZ3SKZ4SKZ2SKZ3SKZ4SKZ2SKZ3SKZ4 洞周应力释放 20 ovoovoovoovo 洞周应力释放 40 ovovvvovoovo 洞周应力释放 60 ovovvvvvvvvv 洞周应力释放 80 vvvvvvvvvvvv 洞周应力释放 100 vvvvvvvvvvvv 注 o 中等岩爆 v强岩爆 表 3 SKZ2 SKZ3 SKZ4钻孔处洞段岩爆的 原始地应力 岩性 能量判据预测结果 Barton判据 陆家佑判据 Ks 应力释放 20 弹性能 密度指标 弹性 应变能 SKZ2o0 092rt SKZ3v0 135 7ror SKZ4o0 086 7rvr 注 o 中等岩爆 v强岩爆 r 发生岩爆 t 弱岩爆 不发生岩爆 3 强度判据 Russenes判据等 显示 SKZ2 SKZ3 SKZ4区段隧道开挖后洞周应力重分布后 最 大切向主应力的量级达到了产生强岩爆的水平 4 以上三种判据分别从岩爆发生的内在因素 和外部影响两方面肯定了 SKZ2段有发生弱 中等 的可能性 SKZ3 SKZ4区段发生中等 强烈岩爆的 可能性 5 能量判据 弹性应变能 所得的结果是有岩 爆发生 是因为弹性应变能指标的取值一直存在很 大差异 对于不同岩性 不同地应力情况 都有很大 的离散性 因此 在此暂时不把能量判据作为主要 判别标准 待进入现场预测阶段 对其进行修正后 再进行判断 6 比较 SZK2 SZK3 SZK4三个钻孔发生岩爆 的程度 可以得出 SZK2最弱 如果采取控制措施得 当 甚至可能不发生 钻孔 SZK3 SZK4相当 当相 对而言 钻孔 SZK4略高 4 考虑空间效应的岩爆预测 为了更准确地预测岩爆发生的规模和范围 运 用 FLAC3D进行三维计算 模拟现实施工中隧道施 工进尺与支护时机对岩爆发生的影响 以及岩爆的 发生与施工进尺之间存在的空间相关性 见图 10 图 16 图 10 FLAC3D模型 图 11 施加初始应力场后的模型 41 铁道建筑技术 RA IL W AY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2011 1 隧道 地下工程 图 12 SK2第一步开挖纵剖面最大主应力云图 图 13 SK3第一步开挖纵剖面最大主应力云图 图 14 SK2第一步开挖纵断面最大主应力云图 图 15 SK3第一步开挖纵断面最大主应力云图 图 16 SK2 SK3随掘进开挖时最大主应力图 4 1 隧道纵向应力变化规律 1 通过第一步开挖对比 图 12 图 15 可以 看出 SZK2洞周的最大主应力最大值出现在洞壁拱 顶部位 SZK3洞周最大应力并没有出现在洞壁上 而是出现在洞壁后一定深度的范围内 且在拱顶及 边墙后应力值的量级都很高 2 SZK2 SZK3段洞周最大主应力在隧道开挖 3m 以外开始明显增大 量级逐渐达到产生岩爆的 等级 开挖 6m 时 洞周最大主应力就达到了发生 强烈岩爆的量级 按卢森判据判定均发生岩爆 3 SZK2 SZK3段洞周最大主应力随着开挖进 尺的不断增加 应力值也不断增大 如图 16所示 最终分别稳定在 42MPa和 55MPa 4 在距掌子面大约 30 m 两倍洞径 的范围 内 洞周最大主应力趋于稳定 应力值也达到最大 此范围内产生岩爆的风险极大 4 2 隧道横断面内应力变化规律 分别对 SZK2 SZK3段隧道模型中 Y 坐标为 39m 支护段后 2m 和 38m 支护段后 2m 的断面 设置观察点进行分析 观察随着开挖的进行 洞周 42 铁道建筑技术 RA IL WAY CONSTRUCTI ON TECHNOLOGY 2011 1 隧道 地下工程 最大主应力在平面内的分布变化 由图 17可知 SZK2段拱顶部位的洞周最大主 应力随着开挖进尺的不断增加 应力值不断增大 能够产生岩爆的范围也在不断的增大 而 SZK3段 在拱顶及边墙后一定深度的洞周最大主应力均随 着开挖进尺的不断增加 应力值不断增大 达到岩 爆级别的应力值分布范围由最初的拱顶部位逐渐 扩展到边墙 且深度上也有明显的增加 但 SZK2 SZK3段均在第九步开挖以后 及距离掌子面 2倍洞 径以外应力值和分布范围都区域稳定 图 17 SZK2 SZK3最大主应力变化规律 5 结论 1 在二维计算中分析考虑了应力释放时 岩 爆强度和岩爆发生的范围都有随着开挖时间的增 长而逐渐增大的趋势 同时 可以看出对于大相岭 隧道 SZK2区段岩爆可能发生在拱顶 SZK3区段岩 爆在拱顶 边墙都有可能发生 2 SZK2区段最大切向应力位置临近周壁 且 随着应力释放率的增加 应力值增大 影响范围逐 渐向壁后延伸 而 SZK3 SZK4区段最大洞周切向 应力在洞壁后一定深度出现 随着释放率的增加 应力值不断增大 影响范围逐渐增大 3 还可以看出对于各区段 隧道开挖后应力 释放达到