1、第!卷 第“期 西 安 科 技 学 院 学 报#$%?“A“!（!(!）(“(“B()地 下 洞 室 形 状 优 化 设 计“余 学 义 ， 姚 裕 春 ， 黄 庆 享（ 西 安 科 技 学 院 能 源 科 学 与 工 程 系 ， 陕 西 西 安?“(CD）摘 要 ： 洞 室 开 挖 会 使 围 岩 周 边 产 生 应 力 集 中 ， 产 生 拉 应 力 与 压 应 力 。 围 岩 出 现 拉 应 力 对 洞 室稳 定 十 分 不 利 ， 通 常 通 过 改 变 洞 室 形 状 和 轴 比 来 消 除 围 岩 中 的 拉 应 力 。 本 文 提 出 一 种 使 洞 室 拉应 力!“E(， 而
2、压 应 力 最 小 的 确 定 洞 室 最 优 几 何 形 状 的 方 法 。关 键 词 ： 地 下 洞 室 ； 应 力 集 中 ； 形 状 优 化中 图 分 类 号 ：5F!D文 献 标 识 码 ：.(引 言在 原 岩 应 力 为 已 知 的 情 况 下 ， 巷 道 洞 室 的 二 次 应 力 场 与 洞 室 的 几 何 形 状 有 密 切 的 关 系 ， 地 下 工 程 的 洞形 选 择 对 地 下 工 程 的 稳 定 性 有 很 大 影 响 ， 这 是 在 工 程 实 践 中 被 人 们 所 认 识 到 的 。 合 理 的 洞 室 几 何 形 状 可以 改 善 地 下 工 程 的 受 力
3、 状 态 ， 最 大 限 度 地 减 少 围 岩 的 破 坏 ， 充 分 发 挥 围 岩 的 自 承 能 力 ， 以 利 于 洞 室 的 维 护 。对 于 地 下 工 程 洞 室 形 状 优 化 问 题 的 研 究 是 一 个 重 要 的 课 题 。GH$=IJ年 提 出 了 调 和 孔 的 概 念 ， 即 以 有 孔 和 无 孔 应 力 第 一 不 变 量 保 持 不 变 为 最 优 条 件 ，得 到 了 不 同 荷 载 作 用 下 的 最 优 孔 形 ，-LMN年 、“A?B年 在 此 基 础 上 提 出 了 地 下 洞 室 最 优 形 状的 确 定 问 题 ， 这 个 准 则 的 缺 点
4、 是 实 用 性 差 ， 表 现 在 对 某 些 外 荷 载 ， 调 和 孔 不 存 在 ， 或 者 所 得 的 调 和 孔 是 一 些不 实 用 的 孔 形 。FNL=“AB“年 以 孔 边 切 向 应 力 平 方 的 积 分 值 最 小 为 最 优 准 则 ， 与 上 述 方 法 一 样 ， 也 采 用 复变 函 数 方 法 ， 解 决 了 一 类 孔 形 的 优 化 问 题 。 孙 焕 纯 等 人“AB?年 又 提 出 了 孔 形 为 最 优 的 另 一 个 准 则 ， 即 认为 绝 对 值 最 大 的 切 向 应 力 降 低 至 绝 对 值 次 大 的 切 向 应 力 相 等 为 止
5、为 最 优 孔 形 。 吕 爱 钟 从 孔 边 最 大 的 切 向应 力 （ 以 压 应 力 正 ， 拉 应 力 为 负 ） 最 小 为 最 优 准 则 ， 寻 找 最 优 的 洞 室 开 挖 形 状 。 其 核 心 思 想 是 在 洞 边 不 出 现拉 应 力 的 前 提 下 进 行 洞 室 孔 形 优 化 的“。本 文 以 消 除 切 向 拉 应 力 并 使 切 向 压 应 力 最 小 为 最 优 准 则 ， 寻 找 最 优 洞 室 形 状 。“洞 室 几 何 设 计 准 则岩 石 并 非 理 想 材 料 ， 因 而 对 研 究 洞 室 施 工 过 程 或 建 成 后 的 真 实 性 态
6、的 任 何 理 论 方 法 都 加 了 很 多 限 制 。在 这 些 理 论 方 法 中 通 常 最 重 要 的 假 设 是 认 为 岩 石 为 弹 性 、 均 质 、 连 续 性 材 料 。 这 些 假 定 简 化 了 理 论 方 法 ，但 与 岩 体 的 真 实 性 能 不 相 符 。为 做 出 切 合 实 际 的 工 程 判 断 ， 洞 室 断 面 几 何 设 计 准 则 不 仅 要 考 虑 节 理 与 不 连 续 面 的 方 位 ， 而 且 要 考 虑由 弹 性 理 论 确 定 的 原 位 应 力 的 大 小 与 方 向 。 本 文 考 虑 原 位 应 力 大 小 与 方 向 的 洞
7、室 形 状 优 化 的 设 计 方 法 。消 除 切 向 拉 应 力 并 使 切 向 压 应 力 最 小 是 洞 室 设 计 所 要 考 虑 的 基 本 问 题 。 因 为 切 向 拉 应 力 会 增 加 节 理的 宽 度 或 产 生 新 的 裂 纹 ； 切 向 压 应 力 会 引 起 开 挖 边 界 的 过 度 变 形 或 剥 落 。 对 于 图“所 示 的 圆 形 洞 室 ， 其 开挖 边 界 的 切 向 应 力 表 示 为“收 稿 日 期 ：!(“(A!“作 者 简 介 ： 余 学 义 （“ACC） ， 男 ， 陕 西 定 边 人 ， 博 士 ， 教 授 ， 主 要 从 事 采 动 损
8、害 及 防 护 的 研 究(#412),1对 其 形 状 与 方 位 分 别 由 和 确 定 的 洞 室 来 说 ， 由 式 （9） 式 可 得 洞 室 周边 不 产 生 切 向 拉 应 力!“的!5最 大 比 值 。从 式 （9） 中 看 出 ， 当 给 定!5的 值 ， 有 若 干 种 满 足 无 拉 应 力 条 件的(和$的 组 合 ， 因 此 可 选 择 便 于 施 工 的 断 面 形 状 或 方 位 ， 并 且 洞 室 的压 应 力 最 小 。5计 算 实 例给 定 洞 室 最 大 主 应 力 和 最 小 主 应 力 分 别 为56?1和!6?1， 如图5所 示 ， 通 过 数 值
9、模 拟 得 出 不 同 洞 室 形 状 的 变 形 及 其 主 应 力 分 布 等值 线 图 ， 如 图7所 示 。由 图7可 以 看 出 ， 椭 圆 形 洞 室 变 形 和 应 力 均 小 于 直 墙 拱 和 圆 形 洞 室 。7结 论!） 洞 室 开 挖 会 使 围 岩 周 边 引 起 应 力 集 中 ， 产 生 拉 应 力 与 压 应 力 ， 拉 应 力 对 洞 室 稳 定 极 为 不 利 。A!第!期 余 学 义 等 地 下 洞 室 形 状 优 化 设 计万方数据!） 为 防 止 新 裂 纹 形 成 与 节 理 发 展 ， 在 设 计 时 要 考 虑 椭 圆 形 洞 室 周 边 无 拉
10、 应 力 准 则 。“） 满 足 无 拉 应 力 准 则 的 椭 圆 断 面 有 多 种!，!组 合 值 ， 可 选 择 适 合 的 组 合 。图“洞 室 受 力 图#$%;=?!9;，!（=） ：1;=?1;“#09BB=1，:80*1）21#+)/.+：G)$+*534,5+$4,43*(47,O*N*5,56343,5+$5%8(NP*-/7$)7(*43($)3437*+*O*P8-*53.),P-$5*4郑颖人;刘怀恒 地下工程围岩稳定分析 1983本文读者也读过(10条)1. 黄庆享.李冬.秦晓强.胡耀.樊树康.吕荣辉 急倾斜临界角沿空回采巷道矿压显现规律期刊论文-建井技术2005
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