近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法与流程

文档序号:12748266阅读:来源:国知局

技术特征:

1.近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法,其特征在于,所述优化方法包括:

前期参数化模型分析:根据近水平软硬互层隧道围岩的特点,对上下台阶法、全断面法和单侧壁导坑法三种施工工艺进行数值模拟验证对比,得出三种施工方法各自的水平收敛值和拱顶下沉值;

生成分析文件:先建立隧道开挖模型并求解,得出上下台阶法施工后水平收敛值和拱顶下沉值,再提取需要用到的优化参数拱顶下沉值,并用优化器中的lgwrite命令将当前信息保存为分析文件;

确定目标函数及优化自变量:所述目标函数为事先设计确定,具体为Min z=|uy-u1|,式中,Min z为优化得出的最优解,uy为上下台阶法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值,u1为单侧壁导坑法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值=8.91毫米,所述优化自变量包括上台阶开挖长度参数L,上台阶开挖支护到下台阶开挖的时间间隔参数t1以及二衬时间参数t2,所述优化自变量设定的优化范围分别设为:10米<L<20米,5天<t1<20天,20天<t2<40天;

迭代优化结果:采用零阶或一阶优化算法计算优化结果,并在获得最优结果或达到预设迭代次数时停止循环计算,且所述优化结果根据以下公式获得:

z=|uy-u1|=a0+a1t1+a2t2+a3L+b1t12+b2t22+b3L2+c12t1t2+c23t2L+c13t1L

式中,z为最优解,uy为上下台阶法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值,u1为单侧壁导坑法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值=8.91毫米,a0、a1、a2、a3、b1、b2、b3、c12、c23、c13均为常数,L为上台阶开挖长度,t1为上台阶开挖支护到下台阶开挖的时间间隔,t2为二衬时间;

执行优化分析:执行ANSYS软件中的命令opexe,ANSYS软件会根据所述分析文件生成优化循环文件,所述优化循环文件中记录有每次迭代计算后的优化结果;

查看分析结果:从所述优化循环文件中查看当z=0即uy=u1=8.91毫米时,对应的优化自变量参数L、t1和t2的值及日进尺量s=L/t1的值,即为所述近水平软硬互层围岩隧道施工工艺参数最优结果。

2.根据权利要求1所述的近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法,其特征在于,所述前期参数化模型分析具体包括:

S1、获得围岩相关力学参数:采用岩石常规力学性质试验,按照《岩石物理力学性质试验规程》将所要模拟的隧道围岩加工成直径50毫米、长100毫米的圆柱型标准试件,通过单轴压缩试验、三轴压缩试验、剪切试验获得围岩相关力学参数,所述力学参数包括弹性模量、泊松比、密度、粘聚力和内摩擦角;

S2、数值模拟过程,其包括以下模拟步骤:

S21、参数定义:对围岩材料属性中包括弹性模量、泊松比、密度在内的线性参数通过ANSYS软件中的mp命令进行定义;并选用ANSYS软件自带的弹塑性本构模型,对围岩非线性分析所需的粘聚力和内摩擦角参数采用tb,creep命令进行定义,且所述岩石参数具体数值均通过步骤S1试验得到;

S22、模型建立:建立隧道开挖模型,并划分网格,模型中要包括初衬和二衬,岩石自上而下为第一砂岩、第一泥岩、第二砂岩、第二泥岩、第三砂岩、第三泥岩和第四砂岩;

S23、模拟地应力:将水平方向的边界进行约束,使得边界在水平方向位移为零;对于竖直方向,底部位移同样进行限制,也为零;顶部是自由面位移不受限制,在顶部施加重力荷载,模拟上覆岩层的自重;同时,该过程中杀死锚杆及衬砌单元,保证原岩应力下锚杆及衬砌无作用;

S24、模拟开挖到初衬:模拟地应力后,采用ekill命令杀死开挖岩体材料单元,进而模拟开挖过程,并采用ealive命令激活锚杆及衬砌材料单元,使其发挥作用,模拟初期支护过程,从而得出上下台阶法、全断面法和单侧壁导坑法三种施工方法施工后的水平收敛值和拱顶下沉值。

3.根据权利要求1所述的近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法,其特征在于,所述生成分析文件中建立隧道开挖模型并求解的方法与所述前期参数化模型分析的方法相同。

4.根据权利要求1所述的近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法,其特征在于,所述查看分析结果中当z=0即uy=u1=8.91毫米时,对应的优化自变量参数L=13.305米,t1=8.73天,t2=26.425天,s=1.524米/天。

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