考虑结构面产状的层状岩体引水隧洞围岩精细化评分探讨.pdf
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1、引用格式:张坤,梁庆国,王尚,等.考虑结构面产状的层状岩体引水隧洞围岩精细化评分探讨J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):198.ZHANG Kun,LIANG Qingguo,WANG Shang,et al.Fine scoring for surrounding rock of water-diversion tunnel in layered rock mass considering occurrence of structural planeJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):198.收稿日期:2022-07-20;修回日期:2022-
2、12-21基金项目:国家自然科学基金(51968041);青海省科技计划项目(2020-SF-138)第一作者简介:张坤(1997),男,安徽淮南人,兰州交通大学土木工程专业在读硕士,研究方向为岩土与隧道工程。E-mail:1351604343 。通信作者:梁庆国,E-mail:lqg_39 。考虑结构面产状的层状岩体引水隧洞围岩精细化评分探讨张 坤1,梁庆国1,王 尚1,许 桐1,周彩贵2(1.兰州交通大学土木工程学院,甘肃 兰州 730070;2.西北水利水电工程有限责任公司,陕西 西安 710100)摘要:为了解层状岩体结构面产状对围岩评分的影响,在总结国内外相关规范及研究成果的基础上,
3、综合考虑围岩结构面产状分布,对层状岩体引水隧洞围岩评分进行精细化分析,重点考虑隧洞开挖方向和岩体结构面倾向、倾角对隧洞围岩稳定性的影响。首先,采用有限元软件 Midas GTS 对 21 种工况进行数值模拟,对模型拱顶、边墙、底板处的位移、围岩压力、最大剪应力、最大主应力和最小主应力计算结果进行综合分析;然后,采用层次分析法(AHP)进行指标权重计算;最后,运用隶属度函数对各指标构建模糊矩阵,用得出的模糊矩阵乘以 AHP 法所得权重,得出结构面产状评分结果。研究表明:当结构面走向与开挖方向夹角为 0时,随着结构面倾角的增加,拱顶和底板评分大幅增加。关键词:层状岩体;引水隧洞;结构面产状;精细化
4、评分;AHP 法;模糊物元理论DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.023中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0198-08F Fi in ne e S Sc co or ri in ng g f fo or r S Su ur rr ro ou un nd di in ng g R Ro oc ck k o of f WWa at te er r-D Di iv ve er rs si io on n T Tu un nn ne el l i in n L La ay ye er re ed d R Ro o
5、c ck k MMa as ss s C Co on ns si id de er ri in ng g O Oc cc cu ur rr re en nc ce e o of f S St tr ru uc ct tu ur ra al l P Pl la an ne eZHANG Kun1,LIANG Qingguo1,*,WANG Shang1,XU Tong1,ZHOU Caigui2(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,Gansu,China;2.Northwest Wate
6、r Conservancy and Hydropower Engineering Co.,Ltd.,Xian 710100,Shaanxi,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To investigate the influence of occurrence of layered rock mass on the surrounding rock scroing,relevant specifications and research results in China and abroad are summarized,fine scroing is conduct
7、ed on the surrounding rock of water-diversion tunnels in layered rock mass considering the structural occurrence distribution of surrounding rocks,and the influence of tunnel excavation direction,the inclination and dip angle of the rock structural plane on the stability of the surrounding rock of t
8、he tunnel are analyzed.First,the finite element software Midas GTS is used to simulate 21 working conditions,and the displacement,surrounding rock pressure,maximum shear stress,maximum and minimum principal stresses at the crown,sidewall and bottom plate of the model are comprehensively analyzed.Sec
9、ond,the membership function is used to construct a fuzzy matrix for each index,and the fuzzy matrix obtained is multiplied by the weight obtained by AHP method to output a more precise evaluation result of structural plane occurrence.The results show that when the angle between the structural plane
10、and the excavation direction of the tunnel is 0,the scores of crown and bottom plate increase greatly with the increase of the dip angle of the rock mass.K Ke ey yw wo or rd ds s:layered rock mass;water-diversion tunnel;occurrence of structural plane;fine scoring;analytic hierarchy process method;fu
11、zzy matter-element theory增刊 1 张 坤,等:考虑结构面产状的层状岩体引水隧洞围岩精细化评分探讨0 引言在隧道开挖过程中,往往会遇到各种各样复杂的地质环境1,其中,层状岩体是隧道工程中较为常见的复杂地质构造体2。由于层状岩体中存在各种软弱结构面,致使岩体在不同方向上的力学行为与稳定性有所不同。因此,对层状岩体隧洞围岩进行精细化分级对层状岩体的力学性质理论研究具有重要意义。国外学者针对围岩分级问题进行了大量的研究,先后提出了多个广泛应用的分级方法。例如:最早由太沙基(Terzaghi)提出的围岩压力拱高度分级方法,将隧道围岩分为 9 级3;还有著名的 Q 分级4、RMR
12、 分级5和 GSI 分级6等方法。Hoseinie 等7提出了以岩体单轴抗压强度、结晶颗粒大小、节理间距等为指标的RDI 分级指标体系,将围岩分为 5 级。国内学者对围岩分级也进行了大量研究。李苍松等8以现行规范中水工隧洞围岩分级方法为基础,参考秦岭隧道 TBM 施工围岩分级方法,提出 TBM 施工水工隧洞的围岩分级方法。郑颖人等9以轨道交通隧道围岩分级为基础提升分级的标准,确定岩体基本质量指标 BQ 值和围岩自稳能力量化指标,提出较为合理的围岩物理力学参数。姚军等10以围岩分级指标为主线,系统梳理和总结了自 20 世纪初至今国内外隧道围岩分级典型方法的产生及发展历程。尹红梅等11分析了目前主
13、要的围岩分级方法(Terzaghi 围岩分级法、RQD 分级法、RMR 分级法以及 Q 系统分级法等)和分级指标。围岩分级的指标选择和参数取值对分级结果有决定性影响。通过总结国内外岩石工程力学参数取值研究现状可知,目前主要采用以下 5 种方法对岩体力学参数进行取值12:1)试验法,是岩体力学参数取值最常用的方法13;2)经验法,优点在于简便、快捷、经济,在工程实践中占主要地位;3)数值分析方法,由于试验法受样本量的限制而无法评价其精度,因而越来越多的学者逐渐开始注重数值分析方法14;4)反分析法,利用现场测得的数值反推出岩体力学参数,其中包括位移反分析、应力反分析、混合反分析等方法;5)人工神
14、经网络法,目前已取得了一定的研究成果15-17。NB/T 103912020水工隧洞设计规范提出以岩石强度、岩体完整程度、地下水、结构面与结构物空间位置关系、结构面状态为指标进行围岩分级的方法。GB 504872008水利水电工程地质勘察规范提出采用 HC 法对岩体进行分级。不同工程岩体分级方法所考虑的分级因素对比如表 1 所示。表 1 不同工程岩体分级方法所考虑的分级因素对比Table 1 Comparison of classification factors considered by different engineering rock mass classification meth
15、ods分级方法年份分级因素Terzaghi 分级1946坚硬程度、完整性、风化程度、膨胀性Lauffer 分级1958自稳时间和有效跨度RQD 分级1967完整性RMR 分级1976 岩块强度、RQD、节理间距、节理条件、地下水条件、节理产状GSI 分级1994岩体结构;结构面条件BQ 分级1994基本质量:岩石坚硬程度、岩体完整程度 工程质量:基本质量+地下水+软弱结构面产状+地应力+(地表水)HC 法分级2008 围岩稳定性、岩体结构类型、强度、完整性、结构面状态、地下水、结构面产状 综上所述,层状岩体中结构面的存在使得岩体的强度和变形出现各向异性,对岩体工程性质有着较大的影响。现阶段关于
16、铁路和公路隧道围岩分级的研究较多,但对层状岩体引水隧洞围岩分级的研究较少。一方面,相对于层状岩体的厚度和分布,引水隧洞的尺寸较小,岩层厚度和结构面产状对其的影响要大于跨度或高度数十米的铁路和公路隧道;另一方面,在同样的岩层中,因引水隧洞断面较小,其围岩稳定性相对较好,因而相关研究也相对较少。同时,虽然层状岩体结构划分在相关规范中已有明确规定,但各个规范之间存在差别且适用性不强等问题导致实际应用较混乱。例如:GB 504872008水利 水 电 工 程 地 质 勘 察 规 范、GB/T 502182014工程岩体分级标准、GB 500212001岩土工程勘察规范、NB/T 103362019 中
17、小型水利水电工程地质勘察规范中针对层状岩体结构的划分存在差异。岩体的工程地质性质不仅取决于岩石本身,还与岩体结构等一系列因素有关18。划分岩体结构对于岩体工程地质评价有很重要的影响。所以本文主要研究开挖方向与结构面走向的夹角及结构面倾角对围岩分级中结构面产状评分的影响,以求提供更加精细化的结构面产状评分,为类似工程围991隧道建设(中英文)第 43 卷岩分级和研究提供参考。另外,考虑到结构面产状对围岩分级的影响,开展精细化的分级评分方法研究,提高围岩分级的精细化程度,不仅可以提高设计的准确性、合理性和施工安全性,也可有效控制成本。因此,考虑结构面产状的围岩精细化评分研究具有重要意义。本文首先通
18、过有限元软件进行数值模拟,对计算结果进行综合分析;然后利用层次分析法确定各指标的权重值;其次运用隶属度函数对各指标构建模糊矩阵;通过模糊矩阵和层次分析法所得权重,最终得到详细的水工隧洞主要结构面产状精细化评分表。1 工程背景 引大济湟工程穿越区域层状岩体分布十分广泛,岩性为黏土岩、砂质黏土岩、砂砾岩、泥质砂岩互层,呈薄层状中厚层状结构。隧洞围岩以、类为主,占比达 62%。隧洞断面设计为城门洞形洞,顶圆弧半径为 173 cm,角度 120。隧洞开挖衬砌断面尺寸为4.12 m4.13 m,二次衬砌施作后成型断面尺寸为3.00 m3.17 m,如图 1 所示。现场结构面走向与开挖方向平行的不同倾角岩
19、体如图 2 所示。图 1 隧洞横断面图(单位:cm)Fig.1 Cross-section of tunnel(unit:cm)2 工况设计及模型建立开挖方向与结构面走向和结构面倾角的关系如图3 所示。按照 NB/T 103912020水工隧洞设计规范围岩分级标准,将开挖方向与结构面走向的夹角分成 030、30 60、60 90 3 档,并分别在每个档次下设置 7 种结构面倾角,倾角在 0 90分段取值,共设计 21 种工况,如表 2 所示。隧洞围岩主要由岩体及软弱结构面 2 部分组成,结构面物理力学参数如表 3 所示。(a)32#隧洞桩号 55+683.2 处掌子面(b)37#隧洞桩号 64
20、+870 处掌子面图 2 呈一定倾角的层状岩体隧洞Fig.2 Layered surrounding rock tunnel with a certain dip angle 为开挖方向与结构面走向的夹角;为结构面倾角。图 3 开挖方向与结构面走向和结构面倾角的关系Fig.3 Schematic of relationship between structural plane direction and angle表 2 工况设计Table 2 Working condition design结构面走向与开挖方向夹角/()结构面倾角/()0015304560759045015304560759
21、0900153045607590表 3 结构面物理力学参数Table 3 Physico-mechanical parameters of structural plane法向刚度 kn/(MPa/m)切向刚度 ks/(MPa/m)黏聚力 c/MPa内摩擦角/()2 3001 8000.0423002增刊 1 张 坤,等:考虑结构面产状的层状岩体引水隧洞围岩精细化评分探讨 数值建模中隧洞计算边界一般不小于 35 倍洞径,所以隧洞上下左右各取 3.5 倍洞径。为了方便建模,建模时取相同岩层厚度 0.8 m,岩层面间距取10 cm。模型高 32.2 m、宽 32 m、厚 8 m,隧洞埋深120.5
22、 m。在模型顶部施加 1.915 MPa 竖直向下的均布力来模拟剩余的隧洞顶部土体。计划每循环进尺0.91.1 m,为了方便建模,取循环进尺 1.0 m。采用全断面开挖模式,开挖与初期支护同时进行,待开挖和初期支护完成后再施作二次衬砌。模型的左右边界施加了 X 方向的水平约束,前后边界施加 Y 方向的约束,下边界施加 Z 方向的竖向约束,而上边界为自由边界。建模时采用 Mohr-Coulomb 屈服准则,以实体单元来模拟层状岩体,以接触单元来模拟结构面。结构面走向与开挖方向夹角为 0时的岩体有限元模型如图 4 所示。图 4 结构面走向与开挖方向夹角为 0时的岩体有限元模型Fig.4 Finit
23、e element model of 0 included angle between structural plane strike and excavation direction3 考虑结构面产状的围岩稳定性综合分析3.1 目标及思路 综合分析法是指运用多指标、多因素的结果来反映研究对象总体的一般特征和数量关系的研究方法。选择模糊综合模型对研究对象进行评价,并在评价过程中利用 AHP 法确定各要素及指标因子的权重值,使评价结果更加客观、高效、科学。对影响围岩稳定性的各项指标进行综合分析,得出各指标的综合评分。首先,对位移、围岩压应力、最大剪应力、最大主应力和最小主应力指标通过矩阵进行权重
24、划分,确认各指标的权重值;其次,对各项指标进行归一化,消除量纲差异导致的影响;最后,利用归一化指标与各指标的权重值进行矩阵相乘并求和,进而计算出各工况下的综合得分。3.2 利用层次分析法确定各指标的权重值 采用 AHP 法进行指标权重确定时,定性与定量相结合,采用层次结构模型,通用性良好19-20。首先建立递阶层次结构,其次构建判断矩阵。比较第 i 个元素与第 j 个元素相对上一层某个因素的重要性,使用相对权重来描述。比较尺度如表 4所示。表 4 比较尺度Table 4 Comparative scale尺度含义aij=1元素 i 与元素 j 对上一层因素的影响相同aij=3元素 i 比元素
25、j 影响稍强aij=5元素 i 比元素 j 影响强aij=7元素 i 比元素 j 影响明显强aij=9元素 i 比元素 j 影响绝对地强aij=2n n=1、2、3、4,元素 i 与 j 的强度介于 aij=2n-1 与aij=2n+1 之间 首先,对位移、围岩压应力、最大剪应力、最大主应力和最小主应力指标构建的判断矩阵为 A,如式(1)所示。A=11234111230.511120.330.51110.250.330.511。(1)然后,进行权重计算,采用简便的几何平均近似法计算,对其进行 MATLAB 编程,得到计算结果为 W,如式(2)所示。102隧道建设(中英文)第 43 卷W=0.3
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