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1、地下洞室群施工方案優化及圍巖穩定性分析吳杉（中國水利水電第七工程局有限公司 四川省 成都市 610000)【摘要】：本文首先介紹了動態施工力學的基本概念和原理，在此基礎上簡單介紹了運用動態規劃優化地下洞室群施工方案,隨后運用具體實例分析，發現優化施工順序能夠有效提高圍巖穩定效果，這對地下洞室群施工具有重要的參考價值。【關鍵詞】:地下洞室群；圍巖穩定性；施工方案0。引言:影響地下洞室群穩定性的因素有很多，其中也存在很多的不確定因素,通過有限元分析法能夠有效反映工程開挖過程中的圍巖位移、破壞區分布和應力隨開挖的變化規律,從而確定最合適的施工方案.1。巖體非靜態建設施工力學原理針對地下洞室施工所涉及2、到的力學的特點來看，整個施工程序能夠被想象為一種非可逆、沒有規律可循的演變程序，對于其最后的評價也是眾說紛紜，會受到多種因素的制約,與應力路徑和應力歷史相關。對于小洞室群施工來說，也很少會有全斷面一次成洞，大多情況下都要根據施工工期、巖體特性和碴運輸洞布置情況等條件，合理選擇分期開挖方案，換句話說，地下洞室群施工必然存在一個施工方案的優化問題，其目標函數應當是在保證工程安全性的前提下實現經濟效益的最大化.現階段，巖體力學已逐漸向更有前景的發展方向延伸,就是廣為人知的巖體動態建設力學,其施工的要點有以下幾點： 項目的穩定性不但受到外界環境的影響，而且也和項目自身的施工特點緊密相連； 對比較冗雜的3、石塊進行施工時，對周圍巖石的穩定性進行討論的過程本質是非線性的力學，應力路徑和應力歷史對圍巖穩定性有著直接的影響；地下洞室群施工需要根據工程特點和巖體特性，采取有針對性的開挖和支護手段，保證施工全過程都做好圍巖體的穩定性控制；對于復雜的地下洞室群施工,在施工開始前，需要進行動態施工力學的優化分析，盡可能的尋找優良的施工方案，為施工決策提供可靠依據；為了保證施工方案的合理性，在施工前期，需要做好圍巖動態響應的觀察和監測工作，并且根據監測結果適當的對施工方案進行調整和改進;施工方案的選擇和優化必須保證地質監測、施工計劃、建設監管以及研究項目四道工序聯系密切與協調發展，確保全部的施工工序擁有足夠的靈4、活性。2。使用非靜態規劃優化地下洞室群施工對于地下洞室群這種巖石工程，有很多種分階段開挖的施工方案，因此，需要采取動態規劃方法科學地選擇施工方案，避免出現毫無關聯的工作內容，這樣就能夠在最短的時間內快速地找到最佳的施工工序。動態規劃是一種能夠快速且有效解決毛病的方法，在很多工程中都有著廣泛的運用，動態規劃的一個顯著優點就是其可以將一個多維的最優化問題轉化成多個一維的最佳化問題.動態規劃方法有著其獨有的特點，其能夠確定出一個全局（絕對）極小值或極大值,在實際工程施工中，應用動態規劃原理通常都是以級、決策、變換、狀態和收益等幾個關鍵的元素進行分析和表達的.運用動態規劃法雖然在一定程度上減少了施工方5、案優化的工作量，并且也提高了施工方案優化決策的科學性，但是具體實施過程中,在某些情況下仍舊出現工作量十分瑣碎的現象。一方面是由于沒有挑選合適的施工順序，另一方面必須按照預先設計的施工工序進行施工,怎樣出現有限元程序所不可或缺的信息文件。以上兩個難題必須使用人工操作，工作效率非常低，在此基礎上，可以應用人工智能方法，利用人工智能實現施工方案的自動排序和數據文件的自動生成,從而找到最佳的解決方案。3。工程實例分析本文以某水電站工程為背景說明不同的施工順序對其圍巖穩定性的影響.該水電站廠房系統由尾水調壓室、主變室和主廠房這三個主要的洞室構成，其余的還有一些尾水隧洞、引水隧洞、母線洞和部分附屬洞室,整6、體洞室群結構比較復雜。洞室群周圍遇到的斷層通常都是三維走向，并且洞室群本身的三維空間結構也受到洞室開挖的影響，不同的開挖施工順序有著不同的支護和應力調整工作量，結合本工程自身的洞室群結構特點，擬定了三種不同的施工順序，圖1是這三種施工方案的有限元對比分析圖。（a)方案一（b)方案二(c）方案三圖 1。 地下洞室群開挖順序圖將上下游開挖角點作為特征點，圖2給出了上述三個主要洞室每級開挖后的最大變形值,從圖2中不難看出,這三種施工方案都是采取的從上到下的開挖方式,因此三大洞室的特征點最大位移分布規律沒有太大區別,在第二種方法中主變室以及主廠房的明顯優勢中最高距離折線很大程度上都不大于另外兩種方法，7、但是最大距離值差別并不大，最多不超過5mm。除了沒有意義的前三級開挖，尾端調度室的三種施工工序明顯特點最遠距離折線保持重疊.所以,只是從洞室周圍巖層形變的程度討論和對比這三種不同的施工工序，第二種工序的形變相對其他兩種來說要稍微小一點。(a) 主廠房(b)主變室（c）尾調室圖 2. 洞室特征點最大位移對比圖（單位:cm）三種施工方案洞室周圍的應力分布規律大體相同，但是由于開挖方式不同，因此應力的集中程度也有所差別。洞室在開挖中受到強卸荷作用，洞挖區應力場變化較明顯，在很多位置上都存在應力集中問題，例如邊墻與開挖底面交接部分和拱頂與邊墻交接部分等。應力集中現象隨著開挖距離的增大也逐漸減弱，有些范8、圍的應力場分布已經變回原先的狀態.洞室在開挖之后，洞壁小主應力衰減速度很快，部分淺層周圍巖層也保持在預先的狀態，出現了小范圍的拉應力區域，隨著開挖距離的不斷延伸,拉應力區域遭受開挖卸荷的改變得到了發展，釋放了絕大多數的壓應力，應力水平相對較低.下圖3所示的是三種施工方案下圍巖破壞區的分布情況，分析圖表能夠分析出：不同的施工方法分級進行施工的過程中，主廠房洞室周圍的巖層沒有出現明顯的由于人為破壞出現生長不良的情況，但是其余的洞室的發育情況則出現了相對明顯的差別，具體體現在以下幾個方面：三個主要洞室頂拱開挖之后就產生了破壞，但是各自頂拱塑性區分布受后期施工的影響相對較小；地下洞室群在施工結束之后,9、淺表層的周圍巖層存在明顯深度差異的塑形開裂區以及塑形損壞區，并且其圍巖破壞區發育深度隨著開挖高度的增加而增大，主要以塑性破壞為主；破壞區主要存在于洞室之間相互交接部位和中下部邊墻部位，尾調室上游邊墻破壞略大于下游邊墻，主廠房的破壞情況則相反。(a) 方案一（b)方案二(c)方案三圖 3 不同開挖工序下圍巖破壞區分布圖表1所示的是三種施工方案的圍巖破壞區體積對比,分析表中數據可以看出：三種施工方案下,第二級開挖之后，圍巖塑性破壞區體積都突然減小，之后就隨著開挖級數的增加而不斷增大；第二種施工方案下，各級開挖過程中產生的圍巖塑性破壞區和張裂破壞區體積,都比其他兩種施工方案要小，比第一種方法節省出210、0之上的空間,相對第三種方法更是節省出了30之上的空間,換言之，其相對其他方法來說更加適合實際應用。方案類型第1級第2級第3級第4級第5級第6級第7級第8級第9級1張裂區1。7930。1757。2865.5569。9173.7378。5882。39塑性區178。73111.08194.67235。05276。04318.45398。49440.542張裂區1。7520。9345.1953。7959.2262。2863.4563。9169.23塑性區132。1272.79134。14169.81222。01260.40315.80355.91428.873張裂區2。1334.1163。7472.11、1575.2079.0383。3686。66塑性區206.06132.45235.76281.27297.05339。08421。39459.06表1. 圍巖破壞區體積對比（102m3)表4.結論在一些工程條件和地質條件比較復雜的情況下，地下洞室群圍巖穩定性及其控制在很大程度上受到工程施工方案的影響，本文通過對地下洞室群不同施工方案的有限元對比分析，得出了以下幾點結論：地下洞室群在開挖之后圍巖的塑性區、應力和位移分布都符合一般規律，開挖順序對圍巖穩定性有著直接的影響。在分級施工操作中，上一階段的施工之后的斷層面距離極易被下一階段開挖所制約，這和不同次數的施工隊周圍巖層的干擾緊密相關，所以，在保12、證工程施工質量的前提下，應當盡量減少開挖次數,在開挖作業中也要盡肯能地避免各個洞室之間施工相互影響。如果地下洞室群施工中需要布置多條平行的廊道或管洞，最好實行間隔開挖，等噴錨支護完成后再進行相鄰洞室的開挖作業，另外，為了改善施工期間圍巖穩定性，在施工輔洞前，需要預先加固主洞和輔洞交叉部位。本文中的實例表明，通過有限元對比分析，三種施工方案在位移場和應力場變形規律上差別不大，第二種方案要略微優于其他兩種方案，以被破壞區域處在的位置以及發展的深度為視角，第二種方法消耗周圍巖層體積的程度比其余兩種方法都要小很多，所以，綜上所述，第二種施工方法應該得到更加廣泛的應用.【參考文獻】:1朱維申，王平.動態規劃原理在洞室群施工力學中的應用J。巖石力學與工程學報，1992，11（4） ： 323 331。2 丁葆琛.葡萄山公路隧道通風機房洞室群圍巖穩定性分析D.重慶：重慶大學，20XX。3 孫福軍，曾慶利,喬志斌等。張集線舊堡隧道工程地質條件和巖體結構特征研究J.工程地質學報，20XX,18（4）：566573。作者簡介：吳杉(1988年05月）,男,助理工程師，本科，主要從事水利水電建設相關工作。