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1、第21卷第4期1996年 8月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYAug119963小浪底地下洞室群施工顺序优化分析李术才 朱维申 陈卫忠(中国科学院武汉岩土力学研究所) 摘要 应用作者近年来在岩体动态施工力学方面的研究成果,从岩体稳定角度出发,考虑现场施工的约束条件,采用将人工智能语言与有限元程序结合起来的智能化系统,对小浪底水利工程地下厂房洞室群施工顺序做了优化分析,克服了以前动态规划每级计算中只考虑开挖1个分块的缺陷,在众多可能方案中,得到6种优化方案1经比较,每种方案都比原方案围岩稳定性有较大提高,对实
2、际工程具有参考价值1关键词 岩体动态施工力学 施工顺序 约束条件 破损区面积 优化中图分类号 TU457大型岩体工程施工期及运行期的稳定安全不仅和该工程的最终状态相关,还与如何达到该状态所经[1]过的途径和采用的方法有关1像小浪底这样的大型地下洞室群的施工,不可能全断面1次成洞,而需要根据出碴运输洞的布置、岩体特性及施工工期等条件,选择合理的分期开挖方案1因为开挖是造成围岩应力重分布及洞室稳定性的基本原因,所以,就洞室稳定性而言,不同的分期开挖方案就有优劣之分1因此,大型地下洞室群按照某种求定的施工步骤,分期、分块开挖,能够达
3、到最佳的终结状况,使工程施工既经济又安全11 厂房区地质构造概况小浪底水利枢纽工程的地下厂房上覆岩体厚度70～100m,厂房区尚未发现规模较大的断层,地下水埋藏较深,岩石透水性较弱1厂房区所在深度内水平方向残余构造应力最大值在3MPa左右,垂直方向地应力大小基本上等于自33重应力1围岩为三叠系刘家沟组和和尚沟组陆相沉积及碎屑岩和粘土岩类1文中采用卓家寿文反映地层及洞室群相对关系的平剖面1洞室围岩从上至下分7个分层,各分层岩体的力学参数如表11表1 洞室群围岩各分层岩体力学参数Table1Mechanicalparameters
4、ofrockmassofagroupofchambers地 层 符 号参数23213224521522523T1T1T1T1T1T1T1EöGPa1115012175121001315091501217510150L0122012101220120012401210122CöMPa1100111711001150018311251100Uö(°)35353535353535 注:E——围岩的弹性模量;L——岩体的泊松比;C——岩体粘结力;U——岩体的摩擦角1收稿日期:19962032163国家自然科学基资助项目
5、33卓家寿1黄河小浪底水利枢纽地下厂房平面概化地质模型与仿真数值分析1河海大学,1992煤 炭 学 报Vol121No14394煤 炭 学 报1996年第21卷2 施工顺序优化方法[1～3]作者近年来提出了“岩体动态施工力学”这样一个新的研究方向及其原理,即(1)工程岩体的稳定不仅与自然因素有关,还与人为的工程因素密切相关1(2)复杂岩体的施工,对围岩是一个非线性的力学过程,其稳定性是与应力路经及历史相关的1施工前要进行动态施工力学的优化分析,寻求几个较优方案,以供决策1(3)根据岩体及工程特点,要有针对性地运用开
6、挖和支护手段,把有害的影响及隐患控制在较低范围内1(4)做好施工期间围岩动态响应的观察和监测,用以判断施工方案的合理性,并及时调整1(5)强调勘察、设计、施工、科研各环节紧密结合、互相渗透,允许调整施工方案1根据该原理可对大型工程的洞室群分部开挖顺序的优化问题运用动态规划方法进行1该方法可以避免人为因素影响的任意性,以科学的方法用最快的速度找出优化方案1大型地下洞室群分部开挖顺序的寻优问题,实际上是一个多阶段决策问题1该分析过程必须解决如下3个问题:①施工顺序的排序问题;②根据一定的排序形成有限元程序所需的数据文件;③在众多方
7、案中选择最优方案1通过采用人工智能语言TurboProlog与用Fortran语言写成的有限元程序结合起来的智能化系统,整个洞室群施工优化过程可以按如下流程实现:方案自动排序数据文件自动生成分部开挖有限元计算自动决策最优方案3 施工约束条件及有限元计算有关问题洞室群开挖分块如图1所示1311 开挖假定(1)每个洞室按自上而下的顺序开挖,但尾闸室的下部右侧尾水洞部分,可考虑有通道进入1(2)每个洞室每次至多开挖1个分块1312 施工约束条件(1)开挖b2前,必须首先开控b1和c11(2)开挖a4前,w通道必须形成1313 初始地
8、应力和锚喷参数图1 厂房洞室群开挖分块水平方向初始地应力取为Rh=310MPa;Fig11Excavationofworkshopchambersinblocks图中数字的单位:m垂直方向地应力Rv根据自重应力求算,岩石平333均密度取2161×10kgöm,洞群平均埋深为8
