基于等效數值法的地下工程圍巖穩定性評價研究＊

葉洲元

(1.煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室, 湖南湘潭市 411201;2.湖南科技大學能源與安全工程學院, 湖南湘潭 411201)

基于等效數值法的地下工程圍巖穩定性評價研究＊

葉洲元1,2

(1.煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室, 湖南湘潭市 411201;2.湖南科技大學能源與安全工程學院, 湖南湘潭 411201)

基于等效數值原理并結合地下工程圍巖本身特性,對地下工程圍巖穩定性進行了評價。選取5個影響圍巖穩定性的指標進行評價,分別是圍巖質量指標D值、單軸抗壓強度Rc、巖體完整性指標Kv、地下水滲水量W和節理狀況,并把圍巖穩定性等級分為5級。將該方法用于大冶鐵礦一地下工程圍巖的穩定性評價中,并與模糊識別法、可拓方法進行了比較。研究結果表明,等效數值法用于圍巖穩定性的評價,具有識別能力強,計算簡單高效的特點,便于工程應用。

圍巖;穩定性;等效數值法;評價

0 引 言

地下工程圍巖是指地下工程周圍受開挖影響范圍內的巖體,是圍巖穩定性評價的研究對象[1,2]。在地下工程建設的各個階段(規劃、勘察、設計和施工)中,地下工程圍巖穩定性評價是地下工程設計和制定相應工程措施的重要基礎工作。但是圍巖穩定性評價是一個比較復雜的問題,地下工程巖體的復雜性不僅表現在組成結構及影響因素方面,而且還表現在各因素的影響程度因不同的巖體、受力狀態和運營環境而異上[3]。目前,許多研究人員針對地下工程圍巖穩定性提出了很多種評價方法,例如灰色優化理論[1]、模糊識別[3,4]、可拓方法[2]、神經網絡[5]、距離判別方法[6]、突變級數法[7]等。這些方法各有特點,但是由于各自方法的特點,在工程現場有時很難應用。而等效數值法不需要建立復雜的數學模型,計算簡單,精確度高,工程設計人員易于掌握。因此,本文借鑒等效數值法原理,結合地下工程穩定性評價的具體特點進行了具體應用。

1 等效數值法

1.1 圍巖穩定性等效數值評價法的原理

等效數值法的基本原理是:將不同性質的量綱指標化為無因次量綱的標準形式,轉化后的指標值為(0,1)之間的實數,這些轉化后的實數被稱為“等效數值”[8,9]。

在地下工程圍巖穩定性評價中,假設有m項評價指標,n個實測的圍巖樣本,h級圍巖穩定性分級標準,則共有m×n×h個指標值Fijt(i=1,2,……,m;j=1,2,……,n;t=1,2,……,h)。采用式(1)化為等效數值。

式中:ωij為第j個圍巖樣本對第i個評價指標的權值,采用指標超標法根據式(3)計算:

1.2 判別準則[9]

通過計算得到圍巖各樣本對不同穩定性等級的等效數值,之后進行評價。采用的判別準則為:對于第j個實測的圍巖樣本,如果Fjt為最大,則第j個圍巖樣本代表的圍巖穩定性等級就判定為t級。

2 地下工程圍巖穩定性的影響因素分析

對地下工程圍巖穩定性進行分類,首先要確定影響圍巖穩定性的因素,尤其是影響較大的因素。本文選取了實測巖體質量指標RQD、單軸抗壓強度Rc、巖體完整性指數KKv、地下水滲水量W和節理狀況等5個對圍巖穩定性影響較大的因素,并將其作為評價的指標,采用5級分類,各指標的分類標準列于表1。根據5項指標,把圍巖穩定性等級分為5級,即穩定(Ⅰ)、較穩定(Ⅱ)、中等穩定(Ⅲ)、不穩定(Ⅳ)和極不穩定(Ⅴ)。根據等效數值法的原理以及相關文獻[2,3],得到圍巖穩定性等級指標界限值(見表1)。

表1 圍巖穩定性等級指標界限值

3 工程實際應用

大冶鐵礦位于湖北省黃石市鐵山區,是武鋼集團公司重要的礦石基地,賦存有6大礦體。筆者利用大冶鐵礦所建的一地下工程中的圍巖進行等效數值法的具體應用說明。5項圍巖的主要評價指標值見表2,利用等效數值法對上述5項圍巖的穩定性進行評價。

表2 大冶鐵礦圍巖穩定性評價指標的實測值

以1號圍巖為例,首先將實測數據組成參考數列Fi1(i=1,2,……,5),即Fi1=(0.132,189.8,0.87,5.3,8.7),圍巖穩定性評價標準組成被比較數列Fit(i=1,2,……,5;t=Ⅰ,Ⅱ,……,Ⅴ),即FiⅠ=(0.05,250,0.875,2.5,9.5),FiⅡ=(0.175,150,0.625,7.5,8.0),FiⅢ=(0.325,75,0.425,17.5,5.5),FiⅣ=(0.050,37.5,0.225,75,6.0),FiⅤ=(0.800,12.5,0.075,184.5,1.0)。然后根據式(1)計算得到等效數值(t=Ⅰ,Ⅱ,……,Ⅴ),即=(0.379,0.806,0.994,0.472,0.922),=(0.803,0.790,0.79118,0.773,0.920),=(0.627,0.395,0.488,0.589,0.632),=(0.576,0.198,0.259,0.518,0.345),=(0.545,0.066,0.086,0.507,0.115)。根據式(3)計算得到,ωi1=(0.106,0.226,0.278,0.132,0.258)(i=1,2,……,5)。再由式(2)計算得到綜合等效數值F1t=(0.799,0.716,0.696,0.632,0.524)(t=Ⅰ,Ⅱ,……,Ⅴ)。在F1t的5個參數值中,第1個數值最大,因此1號圍巖穩定性評定為穩定,即為(Ⅰ)類巖石。同理,根據等效數值法計算其他4種圍巖的穩定性等級。最后得到5種圍巖的綜合等效數值(見表3)。為了進行比較,表3同時列出了利用模糊模式識別和可拓法的判別結果。模糊模式識別考慮各評價指標的權重,實質上是假定各指標為等權重,顯然這對于各指標為不等權重的情況是不適合的。可拓方法中也存在著權重的確定問題,因此有一定的人為影響。和上述兩種方法相比較,等效數值法進行計算時,可以得到唯一的結果,不受人為影響。進行計算時,可以利用excel或者matlab做成簡單的數據處理軟件,把實測數據代入后,很快就得到評判結果。計算過程簡捷高效,適合于相關工程人員的現場應用。

表3 綜合等效數值

4 結 論

地下工程圍巖穩定性的評價是一項很關鍵的基礎工作,由于圍巖介質本身的特點,導致該問題具有一定的復雜性。文中根據等效數值原理,選取了影響圍巖穩定性的5項指標作為影響因素進行評價。按照圍巖的穩定狀況分為5類。利用等效數值法對大冶鐵礦一地下工程的5項圍巖穩定性進行了評價。研究結果表明,等效數值法應用于圍巖穩定性的評價,具有計算簡單高效,使用方便等特點,可以在實際工程中進行推廣應用。

[1]馮玉國.灰色優化理論模型在地下工程圍巖穩定性分類中的應用[J].巖土工程學報,1996,18(3):62～66.

[2]連建發,慎乃齊,張杰坤.基于可拓方法的地下工程圍巖評價研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(9):1450～1453.

[3]許傳華,任青文.地下工程圍巖穩定性的模糊綜合評判法[J].巖石力學與工程學報,2004,23(11):1852～1855.

[4]彭振華.錦州天橋LPG洞庫場地巖體質量評價研究[D].北京:中國地質大學,2002.

[5]楊朝暉,劉浩吾.地下工程圍巖穩定性分類的人工神經網絡模型[J].四川聯合大學學報,1999,3(4):66～72.

[6]宮鳳強,李夕兵.距離判別分析法在巖體質量等級分類中的應用[J].巖石力學與工程學報,2007,26(1):190～194.

[7]宮鳳強,李夕兵,高 科.地下工程圍巖穩定性分類的突變級數法研究[J].中南大學學報,2008,39(5):1081～1087.

[8]李明山.等效數值法在地下水環境質量評價中的應用[J].工程勘察,1998,(6):36～38.

[9]張曉煒,楊 濤,鞏 安.路基膨脹土脹縮等級的等效數值評判法[J].公路,2000,(10):65～66.

湖南省教育廳項目(06C320).

2010-02-06)

葉洲元(1977-),男,湖北蘄春人,博士研究生,講師,主要從事礦山工程與爆破等研究,Email:yezhouyuan@126.com。