文摘
经验和数值设计方法是可行的和有效的设计非常重要的支持系统,对隧道稳定性分析,地下发掘。在目前的研究工作,评级(RMR)和隧道岩体质量指标(Q-system)作为描述的实证方法基于网站实时地质和岩土工程岩体的岩石样本收集的数据和物理强度性能一致性的隧道。岩体沿隧道轴分为三个岩土单位(GU-1、GU-2和GU-3)。每个岩土单元设计的支持系统。二维弹塑性有限元方法(FEM)被用于岩体行为的分析,原位和再分配压力,塑料厚度在隧道,和性能的设计支持选择RMR和Q之间的最佳支持系统支持每个岩土隧道单元。根据结果,问支持系统被发现更有效的GU-1和GU-2相比RMR GU-3支持系统和RMR支持系统相比问支持系统。
1。介绍
建模的岩体是一个非常困难的工作由于不连续性的存在,各向异性,异构的、和岩体的非弹性性质,使用经验和数值方法1,2]。复杂的性质和不同的形成使岩体实验和数值模拟的困难的材料。
挖掘项目的初始阶段,没有提供详细的数据对强度特性、变形模量、原位应力和岩体的水文3]。处理的nonavailability详细的项目数据,实证方法像岩体分类系统被认为是用于解决工程问题(4]。实证方法定义输入参数设计的地下结构,推荐的支持系统,确定输入参数的数值模拟[5]。实证方法定量的岩体分为不同的类有类似特征的easiy理解和建设地下工程结构(3]。尽管它广泛应用,实证方法不评价支持系统的性能,应力再分配,在隧道变形(6]。因此,它是非常重要的考虑这些参数在设计最佳的地下结构和支持系统。这缺乏实证方法是通过数值方法解决。
数值模拟获得了更多的关注领域的土木和岩石工程岩体的预测响应各种开挖活动(7]。数值方法是方便,成本更低,耗时少的分析再分配压力及其对岩体的行为的影响和设计结构岩体内的环境。数值方法提供精确的数学问题解决方案基于工程判断和输入参数物理和岩体的强度参数8- - - - - -12]。
在这项研究中,岩体沿隧道轴是评估使用评级(RMR)和隧道岩体质量指标(Q-system)。支持系统推荐的这两个分类系统。岩体行为的交互作用分析了两种不同的支持系统基于压力,总变形,塑性屈服厚度在隧道使用有限元方法——基于(FEM)的阶段2软件选择一个适当的支持系统的隧道,这是练习工程师的重视。
2。地质工程
Golen高尔水电项目是106兆瓦。河上的项目开发Golen高尔,环抱,开伯尔-普赫图赫瓦省、巴基斯坦。直径3.7米的隧道马蹄形状构造从摄入的水动力室。地表和地下地质样品收集从表层和次表层进行了研究。隧道地质调查后,结果表明,地表和地下地质项目一样,和引水隧洞通过花岗岩,石英云母片岩,大理石,石灰石英岩。花岗岩和变质岩石分离的不整合/ Ayun错,也非常清楚地记录下来。隧道的地质和横断面视图对齐如图1。
3所示。岩体分类
各种岩体分类系统已经开发了基于民事和采矿工程案例研究由不同的研究者,如岩体评级(RMR),隧道质量指数(Q-system),地质强度指数(GSI),新奥法隧道(NATM),岩石结构评级(RSR)、岩石质量指标RQD,等岩体的评估和分类。在这个研究中,RMR和Q系统被使用由于其灵活性的输入参数和广泛范围的选择支持系统。
最新版本的RMR1989年由Biniawski是本研究中使用5]。这个系统已经广泛的应用在采矿和土木工程领域。这个系统使用单轴抗压强度(UCS)、岩石质量指标RQD,不连续间距,不连续条件、地下水条件,面向不连续岩体作为输入参数的特征和分类。通过添加评级计算RMR这六个参数。
Q-system是1974年由Bortan挪威岩土工程研究所(进行下一代NGI)。Q-system已经广泛应用在地下挖掘和字段映射,它取决于地下开放及其几何。这个系统可能不同的值未扰动和扰动岩石14]。这个系统将岩体环境分为不同的类的基础上岩石质量指标(),联合数字(),联合粗糙度号码(),联合变更(),联合水换算系数(),减压因子()。这个系统的值表示岩体的质量和给描述对开挖岩体内环境的稳定。Q-system的最大值表明岩石质量意义稳定性好,最小值表明质量差的岩石稳定性差。Q-system的价值是通过使用下列公式计算:
RMR和Q分类系统被应用于钻孔数据和物理强度性能确定的实验室收集岩石样本沿着隧道对齐。根据获得的结果从RMR和Q系统,该岩体沿隧道轴分为三个岩土工程单位。RMR和Q分类系统给出的结果表1。
4所示。原位应力
原位应力是由直接和间接方法。直接方法、原位应力测定方法像扁千斤顶,套取岩心和undercoring,使用水力压裂。这些方法既昂贵又耗时,这些压力测定中使用的过程是困难的,结果可能会有问题(9,15,16]。直接方法,发达的实证模型用于确定垂直和水平应力。在这项研究中,由垂直压力 在哪里岩体的单位重量吗是上覆岩层的高度。
水平和垂直压力之间的比率K。然而,方便使用的理论方法来确定水平应力与垂直应力。水平应力测定,提出的以下有用的方程(17使用)。 在哪里泊松比,是岩石的热膨胀系数,其值是8×106/°C(辛格Rao,需要,2002),MPa完整岩石的杨氏模量,是岩石的热梯度(°C / m)。然而,在这项研究中采用以下简单的关系水平应力的测定:
垂直和水平压力测定使用(2)和(4为每个岩土单位)。这项研究的结果发表在表2。
5。数值方法
数值模拟在岩石和土木工程作为一个工具,便于现场工程师评估岩体行为及其对工程结构的影响和支持系统。数值模拟给出了声音理解为解决复杂工程问题有关隧道的形状,大小,我的布局,屋顶的设计支持系统一致同意和technoeconomic可行的采矿的性能结构在他们的计划生活当中的操作(18]。岩石工程是有趣的领域的数值模拟研究和创新。由于推进技术在岩石力学领域,不同的数值方法(如有限差分法(FDM)有限元方法(FEM)和边界元法(BEM)是由不同的开发人员解决地下工程有关的问题,如设计开口或结构岩体内环境,支持系统和评价其性能和应力分析。在这些连续体数值方法中,有限元法主要用于解决岩石工程问题(19]。
在有限元法中,岩体被建模为连续和不连续的离散建模连续体模型。代表的领域模型是离散成定义的元素连接在某些点称为节点。通过改变表面/边界条件、应力-应变和变形进行分析。一个适当的材料本构模型是用于定义应力-应变关系。在有限元法中,在多级模型可以很容易地生产和快速分析。它可以处理材料模型复杂性和各种类型的支持。在有限元分析中,衬垫元素通常是建模为梁单元模型并应用于岩石的支持,也就是说,钢套、喷射混凝土、混凝土(19- - - - - -21]。
在岩石工程数值模拟是质量和创新研究的热门领域22,23]。使用有限元法在解决岩石工程问题,如特征(21),设计支持评估(9,24- - - - - -26),并返回分析隧道(27]。这个方法解决复杂工程问题利用平面应变的二维(2 d)分析、轴对称二维分析和三维(3 d)分析。
6。结果和讨论
6.1。输入参数进行数值模拟
有限元软件相2被用于分析设计支持系统的隧道。输入参数,如岩体的物理和机械性能,强调(垂直和水平),岩体的变形模量和支持系统推荐的RMR和Q-system表2被用于相2软件。这个阶段2软件开发的模拟模型为每个定义岩土单元(谷)。这些模拟模型是基于以下假设:(一)支持在开挖后立即安装。(b)使用广义Hoek-Brown标准弹塑性行为模型是用来模拟模型。(c)隧道模型是二维平面应变问题进行考虑。
数值分析,采用三阶段模型确认现场地面压力。在第一阶段的模拟模型中,地应力分布检测。在下一阶段,诱导应力分布,屈服点,引起的位移进行了分析。在最后阶段,行为的建议支持系统进行了研究。
6.2。数值分析GU-1
在本节中,隧道开发使用的模拟模型输入参数表中给出2在阶段2软件。水平和垂直应力验证使用重力加载开挖前通过模拟模型。圣母应力σ1开挖前为19.36 MPa,胎侧和σ1皇冠和隧道是0 MPa和26 MPa,开挖后,分别。最大原始应力σ3之前为5.35 MPa,胎侧和σ3皇冠和隧道0.70 MPa和0.70 MPa,开挖后,分别。
在本节中,最大应力集中发育在隧道侧壁。1.84毫米的最大变形在开挖和支持之前看到皇冠和基地的隧道,如图2(一个)。塑料带的厚度(产量的50%)在胎侧皇冠和极小;但是,底部,它大约是1112毫米,如图2 (b)。
(一)
(b)
推荐的支持系统RMR和Q-system讨论表2被安装在模拟模型。对于RMR岩体和支持组件和Q支持系统在压缩。RMR支持,锚杆的最大轴向应力和最大轴向力在喷射混凝土元素是92.05 MPa和0.972 MN,分别。问支持,锚杆的最大轴向应力和最大轴向力在喷射混凝土元素是102.05 MPa和4.35 MN,分别。隧道安装后的总位移RMR和Q建议表示支持在模拟模型是支持之前,也就是说,2.30毫米的RMR支持和从2.30毫米到2.10毫米的问支持如图3。
(一)
(b)
(c)
(d)
模拟模型的比较和分析后RMR和Q支持,最大轴向应力在岩石螺栓和喷射混凝土对Q大于最大力量的RMR支持,问支持的围压应力大于RMR支持,问支持的总位移被发现减少相比RMR支持从1.84毫米到1.68毫米,而屈服区厚度降低了问支持略大于RMR支持底部的隧道,如图3。因此,问支持似乎比RMR更有效支持GU-1部分。
6.3。数值分析GU-2
模型的输入参数用于仿真阶段2软件这一部分展示在表2。水平和垂直应力验证使用重力荷载通过模拟开挖前一个模型。圣母应力σ1 11.84 MPa,开挖前胎侧和σ1皇冠和隧道0.85 MPa和4.25 MPa,开挖后,分别。圣母应力σ3开挖前2.10 MPa,胎侧和σ3皇冠和隧道0 MPa和0 MPa,开挖后,分别。最大应力集中发育在隧道侧壁。3.15毫米的最大变形在开挖和支持之前看到皇冠和基地的隧道,如图4(一)。塑料带的厚度(50%)在皇冠,轮胎,和基地大约是4638毫米,1117毫米和5468毫米。收益率元素和塑性区(50%)之前支持如图4 (b)。
(一)
(b)
推荐的支持系统RMR和Q-system讨论表2被安装在模拟模型。对于RMR岩体和支持组件和Q支持系统在压缩。σ1,σ3,收益率元素和隧道周围塑性区安装后发现需要改进的Q支持在模拟模型相比RMR支持如图5(一个)和5 (b)。RMR支持,锚杆的最大轴向应力和最大轴向力在喷射混凝土元素是193.24 MPa和5.35 MN,分别。问支持,锚杆的最大轴向应力和最大轴向力在喷射混凝土元素是119.82 MPa和3.06 MN,分别。隧道安装后的总位移RMR和Q推荐支持在模拟模型减少了从3.15毫米到2.40毫米的RMR支持和从3.15毫米到2.55毫米的情况问支持如图5。
(一)
(b)
(c)
(d)
模拟模型的比较和分析后问支持,在岩石螺栓轴向应力小于RMR支持,问支持的围压应力大于RMR支持的塑性区问比RMR改进的支持,和总位移减少大约相同RMR和Q支持。因此,问支持似乎比RMR更有效支持GU-2部分。
6.4。数值分析GU-3
模型的输入参数用于仿真阶段2软件这一部分展示在表2。水平和垂直应力验证使用重力荷载通过模拟开挖前一个模型。圣母应力σ1 11.52 MPa,开挖前和σ1皇冠和隧道侧壁是0 MPa和21 MPa,开挖后,分别。圣母应力σ3,σ3皇冠和隧道侧壁0.20 MPa和0.20 MPa,开挖后,分别。在本节中,最大应力集中发展在隧道侧壁如上所示的数字。0.990毫米的最大变形在开挖和支持之前看到皇冠和基地的隧道,如图6(一)。塑料带的厚度在皇冠大约是333毫米(50%),和极小侧壁;然而,底部大约是1001毫米。屈服区和收益率元素之前支持如图6 (b)。
(一)
(b)
推荐的支持系统RMR和Q-system讨论表2被安装在模拟模型。对于RMR岩体和支持组件和Q支持系统在压缩。RMR支持,锚杆的最大轴向应力和最大轴向力在喷射混凝土元素是34.50 MPa和8.52 MN,分别。问支持,锚杆的最大轴向应力和最大轴向力46.70 MPa和1.13 MN,分别。塑性变形的厚度是减少安装后的RMR支持比问支持如图7(一)和7 (b),分别。隧道安装后的总位移RMR和Q推荐支持在模拟模型被发现减少从0.990毫米到0.810毫米的RMR支持和不降低的情况问支持如图7。
(一)
(b)
(c)
(d)
7所示。结论
在这个研究中,经验和数值方法被用来评估岩体质量和估计所需的支持元素引水隧洞和隧道稳定性分析支持系统安装之前和之后的选择最佳的支持系统。的稳定性分析模型为每个岩土单元开发的阶段2安装后,进行了Q和RMR支持系统。问支持,总位移减少从1.84毫米到1.68毫米和3.15毫米到2.55毫米在GU-3并没有减少,分别;锚杆的最大轴向应力和最大轴向力观察作为GU-1 102.05 MPa和4.35 MN, 119.82 MPa和3.06 MN GU-2,和46.70 MPa和1.13 MN,分别GU-3;和50%的塑性区厚度最大减少GU-1基地从1112毫米到1095毫米,为GU-2皇冠从4638毫米到3716毫米,和GU-3基地从1001毫米到894毫米。RMR支持系统的总位移减少从1.84毫米到1.76毫米,从3.15毫米到2.40毫米,从0.990毫米到0.810,分别;锚杆的最大轴向应力和最大轴向力观察作为GU-1 92.05 MPa和0.972 MN, 193.24 MPa和5.35 MN GU-2,和34.50 MPa和8.52 MN,分别GU-3;和50%的塑性区厚度最大减少GU-1基地从1112毫米到1100毫米,和GU-2 GU-3,它并没有减少。基于结果的分析和比较,得出结论,问支持系统似乎有利于GU-1 GU-3 GU-2和RMR支持系统。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。