圍巖開挖
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-27
圍巖開挖的實例教程
1 引言
礦業交流群內一位工程師問了這么一個問題：在RMR分級為2類的圍巖中，開挖兩條平行巷道，巷道斷面尺寸為4m*4m, 巷道之間的距離為4m, 問放炮會不會把兩條巷道穿透？群內工程師們進行了熱烈的討論，從理論和實踐的角度提出了許多觀點。這個筆記簡要從兩條巷道之間圍巖的應力和變形討論了設置的安全距離。
2 確定巖體參數
由于沒有提供更多的巖體和施工信息，因此作為定性解釋，作了許多假設。首先假定巖體為火成巖之類的(玄武巖，流紋巖，輝長巖等)巖石，巖石的單軸抗壓強度取近似的平均值175MPa [三大類巖石的強度特性(C2)(中英文詞匯對照)]；巖石密度取0.027MN/m^3, 巷道埋深為300m, 因此垂直原巖應力為8MPa, 水平原巖應力假定為垂直原巖應力的一半4MPa[原巖應力(in-situ stresses)的估算]。
假定巖體為各向同性，按RMR為II類來考慮，為了安全起見，取其最小值RMR=60, 使用Hoek(1995)建議的關系式：GSI=RMR-5, 得GSI=55。此外，巖石參數取mi=25，擾動系數按最不利的情況來考慮(爆破質量差) D=0.8, 使用[巖體變形模量的估算---Python實現]中的代碼Hoek-Brown.py估算巖體參數，其結果如下：(1) 內摩擦角=46度；(2) 粘結力=2.53MPa; (3)巖體的單軸抗壓強度=30.36MPa; (4) 巖體的單軸抗拉強度=0.11MPa; (5) 巖體的變形模量=10584.5MPa. 這些參數值作為輸入參數進行了下面的數值模擬。
3 巷道圍巖的應力和變形
為了簡單起見，假定兩條巷道開挖同時完成，并且不考慮分步開挖和材料軟化。我們重點想了解一下巷道之間圍巖的應力分布和變形。
展開 1.作為新手，在模擬隧道方面，最開始會受《ABAQUS在巖土工程中的應用》一書上的例子的影響，在模擬時會采取隧道圍巖和襯砌分別建立PART，然后分別定義屬性，在ASSENBLY中組裝，用TIE約束圍巖和襯砌變形。采用model change 控制圍巖開挖和襯砌加入。但由于TIE約束本身的缺陷，該方法劃分網格后，節點調整后，對于大的3D模型，求解和精度都有一些問題。
2、隨著認知的增加，漸漸你會發現，其實一般隧道的模擬不是這么做的，一般是在只建立一個part，partition出襯砌和開挖塊。對于單獨襯砌建立集合和小集合后。劃分網格，在job模塊，write input，然后在inp文件中用elcopy對襯砌集合生成另一個節點號相同但是單元號不同的集合。對該集合賦予襯砌性質。最后再采用生死單元model change。
3、采用field和temperature來變化材料性質。這個方法很明了，就是只能采用的本構模型比較簡單。實際模擬不好用。inp文件下次再傳。
4、采用input方法，直接導入模型節點，和各材料的單元。可以借鑒《ABAQUS在隧道與地下工程中的應用》一書。其實該書還是不錯的。雖然很多童鞋覺得不好、但是abaqus雖然作為CAE軟件，input文件的修改和書寫還是很關鍵的能力。還是要像ANSYS一樣啃命令流呀。查閱下自帶的幫助文件。
展開 模擬考慮了具體的施工過程，即先進行圍巖的開挖，接下來進行混凝土噴層及網片的施工，再進行錨桿的安裝施工。分節段先前推進，每個節段的進深為2.4m。在FLAC3D中模擬施工開挖比較方便，只需要賦予應該開挖部分的圍巖null模型，該部分圍巖的剛度等材料屬性就被設置為極小的數值，相當于從模型中被挖去。本次模擬出于演示的目的，共有5個開挖步，每步開挖2.4m，直至開挖貫通整個模型的縱向。
開挖完每一段巷道巖體后，圍巖的應力發生釋放，圍巖產生變形。之后馬上進行錨網噴施工。混凝土噴層厚25mm，錨桿間排距800mm，錨桿長度2.5m。混凝土噴層采用liner單元模擬，錨桿采用cable單元模擬。一個開挖完畢節段內安裝的噴層和錨桿情況如下圖所示。
圖11 第一節段開挖結束后錨桿和噴層布置圖
支護結構安裝完畢后，繼續進行下一個節段的開挖。開挖后進行噴層和錨桿的支護施工。以此類推。圖12為開挖完成三個節段后的噴層和錨桿布置圖。
圖12 第三個節段噴層和錨桿布置圖
重復以上過程直至整個巷道縱深都開挖完畢。每一次開挖都回引起新的不平衡力，再不斷的迭代計算過程中，不平衡力逐漸減小直至比率達到1×10-5，計算基本達到平衡。
在代碼中一個截面的錨桿的施工被集成到一個函數中，該函數通過循環語句實現了多個單根錨桿的安裝，而每一根錨桿的安裝都包括原有連接的刪除、新連接的建立、連接屬性的設置等一些列的操作。因此代碼是高度集成和簡化的。在后面的每一節段的開挖支護施工中，只需要指定開挖截面的位置，然后調用開挖函數、錨桿支護函數就可以完成相應的任務。
開挖和支護全部完成后的錨桿和噴層支護情況如圖13所示：
從圖14中可以看出，在錨桿與噴層間具有節點連接的部位，存在明顯的相互作用，由于錨桿拉力的存在，對噴層所受的法向壓力起到了抵消作用。
展開 錨桿加固的作用是提供局部抵抗巖塊滑動及裂縫開展的剛度。錨桿借助于水泥漿或樹脂藥卷沿其長度方向提供了抗剪能力。錨桿及錨索采用cable單元進行模擬。
計算模型的邊界條件主要采用位移邊界條件：在模型底邊施加豎向位移約束，在模型左右豎向邊界面施加水平位移約束，在模型的前后豎向邊界面施加前后的水平位移約束。在FLAC3D中，位移邊界的實現是通過約束指定范圍內網格節點(gridpoint)的速度實現的。
地應力主要包括自重應力和構造應力在巖體上產生的初始應力狀態。結合淮南地區深部地應力的特點，取豎向應力和水平應力相等，數值按巖體自重應力換算而來。初始應力如圖10所示。
模擬考慮了具體的施工過程，即先進行圍巖的開挖，接下來進行混凝土噴層及網片的施工，再進行錨桿的安裝施工。分節段先前推進，每個節段的進深為2.4m。在FLAC3D中模擬施工開挖比較方便，只需要賦予應該開挖部分的圍巖null模型，該部分圍巖的剛度等材料屬性就被設置為極小的數值，相當于從模型中被挖去。本次模擬出于演示的目的，共有5個開挖步，每步開挖2.4m，直至開挖貫通整個模型的縱向。
開挖完每一段巷道巖體后，圍巖的應力發生釋放，圍巖產生變形。之后馬上進行錨網噴施工。混凝土噴層厚25mm，錨桿間排距800mm，錨桿長度2.5m。混凝土噴層采用liner單元模擬，錨桿采用cable單元模擬。一個開挖完畢節段內安裝的噴層和錨桿情況如下圖所示。
展開 IMASS是從研究自然崩落法的塊體破碎發展出來的高級應變軟化模型，IMASS模型能夠模擬圍巖的開挖損傷帶。
3 應變軟化模擬結果
使用應變軟化模型(block zone cmodel assign strain-softening)試驗《壓縮試驗模擬考慮的幾個問題(本構模型和NMD算法)》中的例子，可以看出，應力峰值之前的響應與Mohr-Coulomb模型相同，但峰值之后的應力顯現出軟化行為，累計的塑性剪切應變導致了巖石從峰值到殘余值的軟化。這個試驗也顯現出圍壓對應力的影響，即模型內部中心點的應力高于表面的應力。
4 剪切帶的生成
在顯式的動態模擬系統中，初始條件的微小變化，可能會得出不同的解，這種現象稱之為分叉現象(bifurcation)。一個彈塑性材料的剪切試驗可能是均勻的變形，也可能表現出剪切帶，其中剪切應變是局部出現而不是均勻分布的。理論上，如果一個數值模型有足夠多的單元，那么就可以產生出剪切帶。分叉過程的理論研究表明，即使材料沒有應變-軟化，只要膨脹角小于內摩擦角，就會形成剪切帶，應變軟化的材料更容易生成剪切帶。下圖所示的是上述例子運行100萬個時步產生的最大剪應變圖，可能是由于單元劃分得太大，因而生成得剪切帶還不夠明顯，這將在后續的工作中進行改進。
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（2）地下工程洞室群多、高壓隧洞洞段長且內水壓力大，埋藏深、規模較大，需充分論證圍巖穩定問題，確定隧洞圍巖開挖方法
隧道推進過程中,隧道前方和后方一定范圍內的圍巖應力狀態受開挖擾動影響而產生一定程度的應力集中。左右洞縱向開挖對拱頂部位圍巖的位移隨著工程的開挖呈現增大的趨勢，其最大值位于左右洞的頂拱部位。從三維數值模擬開挖順序的計算結果來看，三維數值模擬更真實地體現了實際工程交錯開挖對圍巖前后段的影響:當隧道開挖到某段時，在隧道縱深方向，之前開挖的30m處以外的圍巖應力和位移幾乎不受影響。</p><p>6.
模擬考慮了具體的施工過程，即先進行圍巖的開挖，接下來進行混凝土噴層及網片的施工，再進行錨桿的安裝施工。分節段先前推進，每個節段的進深為2.4m。在FLAC3D中模擬施工開挖比較方便，只需要賦予應該開挖部分的圍巖null模型，該部分圍巖的剛度等材料屬性就被設置為極小的數值，相當于從模型中被挖去。本次模擬出于演示的目的，共有5個開挖步，每步開挖2.4m，直至開挖貫通整個模型的縱向。
在水平節理化巖體中開挖的基底摩擦模型
下圖所示的是相應的數值模型，節理傾角為0與節理傾角為30°開挖圍巖破壞的情況。
IMASS是從研究自然崩落法的塊體破碎發展出來的高級應變軟化模型，IMASS模型能夠模擬圍巖的開挖損傷帶。
盡管云圖看起來更好看一些，但有時等值線圖更能清晰地顯示和表達數據，特別是一些局部數據，例如在地下開挖圍巖的應力集中區域。等值線圖是三維數據的二維表示。前兩個維度是X和Y坐標，第三維(Z)是由X,Y對應的值來表示的。等值線的相對間距表示數據表面之間的相對坡度。等值線圖可以由數據、圖像或網格文件創建，它也可以與任何其它地圖層進行疊加。
5、兩條平行巷道開挖后圍巖應力和位移分布的數值模擬
作者：
計算巖土力學
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1830215
礦業交流群內一位工程師問了這么一個問題：在RMR分級為2類的圍巖中，開挖兩條平行巷道，巷道斷面尺寸為4m*4m, 巷道之間的距離為4m, 問放炮會不會把兩條巷道穿透？
1 引言
礦業交流群內一位工程師問了這么一個問題：在RMR分級為2類的圍巖中，開挖兩條平行巷道，巷道斷面尺寸為4m*4m, 巷道之間的距離為4m, 問放炮會不會把兩條巷道穿透？群內工程師們進行了熱烈的討論，從理論和實踐的角度提出了許多觀點。這個筆記簡要從兩條巷道之間圍巖的應力和變形討論了設置的安全距離。
模型主要包括圍巖，開挖隧洞襯徹，炸藥，空氣四部分，網格在開挖隧洞區域采用20cm的基本尺寸，其余區域采用50cm的尺寸，水工隧洞單孔不同藥量爆破作用下臨近隧洞的動態響應分析以及單孔同一藥量在不同厚度含弱巖層作用下對臨近隧洞的動態響應分析模型中，炸藥單元數為256個，空氣單元數為10800個，襯徹單元數為2507個，圍巖單元數為126898個，單元總數為140461個；同一藥量的三孔在不同起爆時間和次序的爆破作用下對臨近隧洞的動態響應研究中
隧道洞內外觀測:
在每個開挖面進行，特別是在軟弱破碎圍巖條件下，開挖后由隧道工程師和地質工程師立即進行地質調查，觀察后繪制開挖工作面略圖（地質素描），填寫工作面狀態記錄表及圍巖級別判定卡。
開挖后未被支護圍巖的觀測，如節理裂隙發育程度及其方向；開挖工作面的穩定狀態，頂板有無坍塌；涌水情況：位置、水量、水壓等；底板是否有隆起現象。
