CN110781552B - 一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，包含如下步骤：步骤一：根据工程前期地质勘测资料，获得岩体原始材料参数，并建立数值计算模型；步骤二：所述的步骤一中，数值计算模型为依据与洞室轴线方向垂直的计算模型，计算得到地下洞室开挖扰动导致的卸荷影响范围的分布，确定塑性区及变形区；步骤三：计算开挖岩体塑性区的强度参数折减系数λ1及变形区的变形参数折减系数λ2；本发明可解决平面应变问题下，沿洞室轴线方向剖面的地下洞室开挖时，能够稳定、安全且准确的对洞室进行开挖。
Description
技术领域
本发明涉及地下洞室开挖稳定性评价技术领域，具体涉及一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法。
背景技术
地下洞室在开挖前，需要提前对洞室周围各参数进行测量计算，然后再进行精确的开挖工作。在地下洞室问题计算分析中，由于三维计算费时费力，且二维数值计算能准确反应重点关注剖面的变形特征，因此二位数值计算仍是主要采取的计算手段，二维计算通常采用平面应变假定将空间问题简化为平面问题。但在沿洞室轴线方向的剖面计算时，由于地下洞室的开挖，采用的平面应变假定会使模型无法施加边界条件，从而导致无法计算，从而无法对洞室进行准确开挖。
发明内容
为了克服现有不能准确确定开挖参数，使得洞室不能准确稳定开挖的问题。本发明提供一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，本发明在沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算中，既考虑了洞室开挖导致围岩扰动卸荷作用，又解决了平面应变条件下，因开挖导致沿洞轴线方向无法施加约束条件的问题，进而可以更为合理的得到因洞室开挖导致的岩体参数取值，能够稳定、安全且准确的对洞室进行开挖。
本发明采用的技术方案为：
一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，包含如下步骤：
步骤一：根据工程前期地质勘测资料，获得岩体原始材料参数，并建立数值计算模型，确定塑性区及变形区；
步骤二：计算开挖岩体塑性区的强度参数的强度折减系数λ1及变形区的变形参数的变形折减系数λ2；
λ 1=1- S1 / ( S 1 + S 2 )
其中：λ1为强度折减系数；
S1为洞室面积；
S2为塑性区面积；
λ 2=1- S1 / ( S 1 + S3 )
其中：λ2为变形折减系数；
S1为洞室面积；
S3为变形区面积；
步骤三：依据原始的洞室岩体的变形系数及强度系数，对洞室范围内岩体的计算参数进行折减；然后进行沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算；
步骤四：根据步骤三得到的洞室开挖计算的数值，进行沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖。
所述的步骤一中，数值计算模型为依据与洞室轴线方向垂直的计算模型，计算得到地下洞室开挖扰动导致的卸荷影响范围的分布，确定塑性区及变形区。
所述的步骤一中，确定塑性区及变形区，岩体应力场调整重分布，受到扰动的岩体区域即为变形区；岩体应力超过其弹性极限，进入塑性屈服阶段的岩体范围为塑性区。
所述的步骤三中，岩体原始的强度参数及变形参数分别乘以步骤二中对应的强度折减系数λ1和变形折减系数λ2，即可得到折减后的洞室岩体的强度参数与变形参数，然后进行沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算。
所述的步骤一中，岩体原始材料参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力和摩擦角。
所述的步骤三中，岩体的变形参数至少包括弹性模量和泊松比，强度参数至少包括粘聚力和内摩擦角。
本发明有益效果是：
本发明在垂直于洞室轴线方向的计算模型中，可计算得到卸荷影响范围，从而确定洞室开挖后塑性区及变形区的范围，对于不同区域的洞室开挖进行了有效的区分，保证了最后开挖时的准确性。
本发明开挖前在沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算中，既考虑了洞室开挖导致围岩扰动卸荷作用，又解决了平面应变条件下，因开挖导致沿洞轴线方向无法施加约束条件的问题，进而可以更为合理的得到因洞室开挖导致的岩体参数取值，能够稳定、安全且准确的对洞室进行开挖。本发明保证了洞室开挖的安全性及其准确性。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1是本发明适用开挖洞室的示意图。
图2是本发明洞室开挖卸荷后的塑性区范围示意图。
图3是本发明洞室开挖卸荷后的变形区范围示意图。
图中，附图标记为：1、地层岩性分界线；2、开挖洞室；3、塑性区范围；4、塑性区开挖洞室范围；5、变形区范围；6、变形区开挖洞室范围。
具体实施方式
实施例1：
为了克服现有不能准确确定开挖参数，使得洞室不能准确稳定开挖的问题。本发明提供如图1-3所示的一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，本发明在沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算中，既考虑了洞室开挖导致围岩扰动卸荷作用，又解决了平面应变条件下，因开挖导致沿洞轴线方向无法施加约束条件的问题，进而可以更为合理的得到因洞室开挖导致的岩体参数取值，能够稳定、安全且准确的对洞室进行开挖。
本发明提供一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，包含如下步骤：
步骤一：根据工程前期地质勘测资料，获得岩体原始材料参数，并建立数值计算模型，确定塑性区及变形区；
步骤二：计算开挖岩体塑性区的强度参数的强度折减系数λ1及变形区的变形参数的变形折减系数λ2；
λ 1=1- S1 / ( S 1 + S 2 )
其中：λ1为强度折减系数；
S1为洞室面积；
S2为塑性区面积；
λ 2=1- S1 / ( S 1 + S3 )
其中：λ2为变形折减系数；
S1为洞室面积；
S3为变形区面积；
步骤三：依据原始的洞室岩体的变形系数及强度系数，对洞室范围内岩体的计算参数进行折减；然后进行沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算；
步骤四：根据步骤三得到的洞室开挖计算的数值，进行沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖。
本发明根据工程前期地质勘测资料，获得岩体原始材料参数，并建立数值计算模型；依据与洞室轴线方向垂直的计算模型，计算得到地下洞室开挖扰动导致的卸荷影响范围的分布，确定塑性区及变形区，并分别计算出强度参数折减系数及变形参数折减系数，可应用于沿洞室轴线方向剖面的开挖计算；开挖参数折减分析方法，属于地下工程稳定性评价技术领域。本发明提供的一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，可解决平面应变问题下，沿洞室轴线方向剖面的地下洞室开挖的参数取值问题。本发明提供的一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，使洞室开挖计算更为合理、准确。
在沿洞室轴线方向剖面的二维计算时，由于地下洞室的开挖，采用的平面应变假定会使模型无法施加边界条件，从而导致无法计算；为克服模型无法计算，以强度折减得到洞室岩体参数来模拟由于洞室开挖导致的岩体扰动，参数降低。本发明在垂直于洞室轴线方向的计算模型中，可计算得到卸荷影响范围，从而确定洞室开挖后塑性区及变形区的范围。
本发明依据确定的塑性区及变形区的范围，计算出洞室岩体强度参数的折减系数及变形参数的折减系数，作为洞室开挖岩体参数折减的依据。本发明对洞室范围内岩体的计算参数进行折减，从而解决因开挖导致沿洞轴线方向无法施加约束条件的问题，可进行沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算。
本发明采用参数折减的方法对垂直于洞室轴线方向的计算模型的开挖参数进行取值，可以综合考虑开挖扰动等因素的影响，经济有效地得到适用于二维数值计算的合理参数取值。针对地下工程，通常采用数值计算方法，以分析洞室开挖扰动后，针对卸荷影响范围内的塑性区及变形区分别计算强度参数及变形参数的折减系数，以确定洞室的强度参数，为地下洞室开挖的稳定性分析提供参数依据。
本发明开挖前在沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算中，既考虑了洞室开挖导致围岩扰动卸荷作用，又解决了平面应变条件下，因开挖导致沿洞轴线方向无法施加约束条件的问题，进而可以更为合理的得到因洞室开挖导致的岩体参数取值，能够稳定、安全且准确的对洞室进行开挖。本发明保证了洞室开挖的安全性及其准确性。
实施例2：
基于实施例1的基础上，本发明中，所述的步骤一中，数值计算模型为依据与洞室轴线方向垂直的计算模型，计算得到地下洞室开挖扰动导致的卸荷影响范围的分布，确定塑性区及变形区。
所述的步骤一中，确定塑性区及变形区，岩体应力场调整重分布，受到扰动的岩体区域即为变形区；岩体应力超过其弹性极限，进入塑性屈服阶段的岩体范围为塑性区。
所述的步骤三中，岩体原始的强度参数及变形参数分别乘以步骤二中对应的强度折减系数λ1和变形折减系数λ2，即可得到折减后的洞室岩体的强度参数与变形参数，然后进行沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算。
所述的步骤一中，岩体原始材料参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力和摩擦角。
所述的步骤三中，岩体的变形参数至少包括弹性模量和泊松比，强度参数至少包括粘聚力和内摩擦角。
本发明根据工程前期地质勘测资料，获得岩体原始材料参数，并建立数值计算模型；依据与洞室轴线方向垂直的计算模型，图1中，地层岩性分界线1和开挖洞室2；计算得到地下洞室开挖扰动导致的卸荷影响范围的分布，确定塑性区及变形区，并分别计算出强度折减系数及变形折减系数，可应用于沿洞室轴线方向剖面的开挖计算；开挖参数折减分析方法，属于地下工程稳定性评价技术领域。
如图2中所示，塑性区范围3，塑性区开挖洞室范围4；在塑性区的范围内，进行折减后开挖。
如图3所示，变形区范围5和变形区开挖洞室范围6，在变形区的范围内，进行折减后开挖。
本发明提供的折减方法，可解决平面应变问题下，沿洞室轴线方向剖面的地下洞室开挖的参数取值问题。本发明提供的一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，使洞室开挖计算更为合理、准确。
现有在沿洞室轴线方向剖面的二维计算时，由于地下洞室的开挖，采用的平面应变假定会使模型无法施加边界条件，从而导致无法计算；为克服模型无法计算，以强度折减得到洞室岩体参数来模拟由于洞室开挖导致的岩体扰动，参数降低。本发明在垂直于洞室轴线方向的计算模型中，可计算得到卸荷影响范围，从而确定洞室开挖后塑性区及变形区的范围。
本发明依据确定的塑性区及变形区的范围，计算出洞室岩体强度参数的折减系数及变形参数的折减系数，作为洞室开挖岩体参数折减的依据。本发明对洞室范围内岩体的计算参数进行折减，从而解决因开挖导致沿洞轴线方向无法施加约束条件的问题，可进行沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算。
本发明开挖前在沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算中，既考虑了洞室开挖导致围岩扰动卸荷作用，又解决了平面应变条件下，因开挖导致沿洞轴线方向无法施加约束条件的问题，进而可以更为合理的得到因洞室开挖导致的岩体参数取值，能够稳定、安全且准确的对洞室进行开挖。本发明保证了洞室开挖的安全性及其准确性。本发明在垂直于洞室轴线方向的计算模型中，可计算得到卸荷影响范围，从而确定洞室开挖后塑性区及变形区的范围，对于不同区域的洞室开挖进行了有效的区分，保证了最后开挖时的准确性。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的方法步骤及计算模型均为本行业的公知技术和常用方法，这里不再一一叙述。
Claims (3)
1.一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤一：根据工程前期地质勘测资料，获得岩体原始材料参数，并建立数值计算模型，确定塑性区及变形区；数值计算模型为依据与洞室轴线方向垂直的计算模型，计算得到地下洞室开挖扰动导致的卸荷影响范围的分布，确定塑性区及变形区；其中，岩体应力场调整重分布，受到扰动的岩体区域即为变形区；岩体应力超过其弹性极限，进入塑性屈服阶段的岩体范围为塑性区
步骤二：计算开挖岩体塑性区的强度参数的强度折减系数λ1及变形区的变形参数的变形折减系数λ2；
λ1＝1-S1/(S 1+S 2)
其中：λ1为强度折减系数；
S1为洞室面积；
S2为塑性区面积；
λ2＝1-S1/(S 1+S3)
其中：λ2为变形折减系数；
S1为洞室面积；
S3为变形区面积；
步骤三：依据原始的洞室岩体的变形系数及强度系数，对洞室范围内岩体的计算参数进行折减；岩体原始的强度参数及变形参数分别乘以步骤二中对应的强度折减系数λ1和变形折减系数λ2，即可得到折减后的洞室岩体的强度参数与变形参数，然后进行沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖计算；
步骤四：根据步骤三得到的洞室开挖计算的数值，进行沿洞室轴线方向剖面的洞室开挖。
2.根据权利要求1所述的一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，其特征在于：所述的步骤一中，岩体原始材料参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力和摩擦角。
3.根据权利要求1所述的一种适于二维数值计算的地下洞室开挖方法，其特征在于：所述的步骤三中，岩体的变形参数至少包括弹性模量和泊松比，强度参数至少包括粘聚力和内摩擦角。
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