地下洞室群施工方案优化及围岩稳定性

1、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 四川省 成都市 610000【摘要】：本文首先介绍了动态施工力学的根本概念和原理，在此根底上简洁介绍了运用动态规划优化地下洞室群施工方案，随后运用详细实例分析，发觉优化施工依次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许多，其中也存在许多的不确定因素，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更规律，从而确定最相宜的施工方案。针对地下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

2、象为一种非可逆, 没有规律可循的演化程序，对于其最终的评价也是众说纷纭，会受到多种因素的制约，和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，大多状况下都要依据施工工期, 岩体特性和碴运输洞布置状况等条件，合理选择分期开挖方案，换句话说，地下洞室群施工必定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平安性的前提下实现经济效益的最大化。现阶段，岩体力学已渐渐向更有前景的开展方向延长，就是广为人知的岩体动态建立力学，其施工的要点有以下几点： 工程的稳定性不但受到外界环境的影响，而且也和工程自身的施工特点严密相连； 比照拟冗杂的石块进展施工时，对四周岩石的稳定性进

3、展探讨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干脆的影响；地下洞室群施工须要依据工程特点和岩体特性，实行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限制；对于困难的地下洞室群施工，在施工开场前，须要进展动态施工力学的优化分析，尽可能的找寻优良的施工方案，为施工决策供应牢靠依据；为了保证施工方案的合理性，在施工前期，须要做好围岩动态响应的视察和监测工作，并且依据监测结果适当的对施工方案进展调整和改良；施工方案的选择和优化必需保证地质监测, 施工方案, 建立监管以及探讨工程四道工序联系亲密和协调开展，确保全部的施工工序拥有足够的敏捷性。对于地下洞室群这种岩石工程

4、，有许多种分阶段开挖的施工方案，因此，须要实行动态规划方法科学地选择施工方案，防止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正确的施工工序。动态规划是一种能够快速且有效解决毛病的方法，在许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正确化问题。动态规划方法有着其独有的特点，其能够确定出一个全局肯定微小值或极大值，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展分析和表达的。运用动态规划法虽然在肯定程度上削减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，但是详细

5、实施过程中，在某些状况下照旧出现工作量特别琐碎的现象。一方面是由于没有选择相宜的施工依次，另一方面必需依据预先设计的施工工序进展施工，怎样出现有限元程序所不行或缺的信息文件。以上两个难题必需运用人工操作，工作效率特别低，在此根底上，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，从而找到最正确的解决方案。本文以某水电站工程为背景说明不同的施工依次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, 母线洞和局部附属洞室，整体洞室群构造比拟困难。洞室群四周遇到的断层通常都是三维走向，并且洞室群

6、本身的三维空间构造也受到洞室开挖的影响，不同的开挖施工依次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构造特点，拟定了三种不同的施工依次，图1是这三种施工方案的有限元比照分析图。(a)方案一(b)方案二(c)方案三图 1. 地下洞室群开挖依次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实行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分，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另外两种方法，但是最大距离值差异并不大，最多不超过5mm。除了没有意义的前三级开挖，

7、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，只是从洞室四周岩层形变的程度探讨和比照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略微小一点。主厂房(b)主变室(c)尾调室图 2. 洞室特征点最大位移比照图单位：cm三种施工方案洞室四周的应力分布规律大体一样，但是由于开挖方式不同，因此应力的集中程度也有所差异。洞室在开挖中受到强卸荷作用，洞挖区应力场变更较明显，在许多位置上都存在应力集中问题，例如边墙和开挖底面交接局部和拱顶和边墙交接局部等。应力集中现象随着开挖距离的增大也渐渐减弱，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，局部浅

8、层四周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长，拉应力区域遭遇开挖卸荷的变更得到了开展，释放了绝大多数的压应力，应力水平相对较低。下列图3所示的是三种施工方案下围岩破坏区的分布状况，分析图表能够分析出：不同的施工方法分级进展施工的过程中，主厂房洞室四周的岩层没有出现明显的由于人为破坏出现生长不良的状况，但是其余的洞室的发育状况那么出现了相对明显的差异，详细表达在以下几个方面：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；地下洞室群在施工完毕之后，浅表层的四周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

9、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，主厂房的破坏状况那么相反。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比照，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，比第一种方法节约出20%之上的空间，相对第三种方法更是节约出了30%之上的空间，换言之，其相对其他方法来

10、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张裂区塑性区2张裂区塑性区3张裂区塑性区表1. 围岩破坏区体积比照(102m3)表在一些工程条件和地质条件比拟困难的状况下，地下洞室群围岩稳定性及其限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比照分析，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，开挖依次对围岩稳定性有着干脆的影响。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四周岩层的干扰严密相关，所以，在保证工程施工质量的前提下，应当

11、尽量削减开挖次数，在开挖作业中也要尽肯能地防止各个洞室之间施工相互影响。假如地下洞室群施工中须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展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，须要预先加固主洞和辅洞穿插部位。本文中的实例说明，通过有限元比照分析，三种施工方案在位移场和应力场变形规律上差异不大，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开展的深度为视角，第二种方法消耗四周岩层体积的程度比其余两种方法都要小许多，所以，综上所述，第二种施工方法应当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.岩石力学和工