基于等效數(shù)值法的地下工程圍巖穩(wěn)定性評價(jià)研究＊

葉洲元

(1.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南湘潭市 411201;2.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院, 湖南湘潭 411201)

基于等效數(shù)值法的地下工程圍巖穩(wěn)定性評價(jià)研究＊

葉洲元1,2

(1.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南湘潭市 411201;2.湖南科技大學(xué)能源與安全工程學(xué)院, 湖南湘潭 411201)

基于等效數(shù)值原理并結(jié)合地下工程圍巖本身特性,對地下工程圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)。選取5個(gè)影響圍巖穩(wěn)定性的指標(biāo)進(jìn)行評價(jià),分別是圍巖質(zhì)量指標(biāo)D值、單軸抗壓強(qiáng)度Rc、巖體完整性指標(biāo)Kv、地下水滲水量W和節(jié)理狀況,并把圍巖穩(wěn)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(wěn)定性評價(jià)中,并與模糊識別法、可拓方法進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明,等效數(shù)值法用于圍巖穩(wěn)定性的評價(jià),具有識別能力強(qiáng),計(jì)算簡單高效的特點(diǎn),便于工程應(yīng)用。

圍巖;穩(wěn)定性;等效數(shù)值法;評價(jià)

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(nèi)的巖體,是圍巖穩(wěn)定性評價(jià)的研究對象[1,2]。在地下工程建設(shè)的各個(gè)階段(規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)和施工)中,地下工程圍巖穩(wěn)定性評價(jià)是地下工程設(shè)計(jì)和制定相應(yīng)工程措施的重要基礎(chǔ)工作。但是圍巖穩(wěn)定性評價(jià)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題,地下工程巖體的復(fù)雜性不僅表現(xiàn)在組成結(jié)構(gòu)及影響因素方面,而且還表現(xiàn)在各因素的影響程度因不同的巖體、受力狀態(tài)和運(yùn)營環(huán)境而異上[3]。目前,許多研究人員針對地下工程圍巖穩(wěn)定性提出了很多種評價(jià)方法,例如灰色優(yōu)化理論[1]、模糊識別[3,4]、可拓方法[2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]、距離判別方法[6]、突變級數(shù)法[7]等。這些方法各有特點(diǎn),但是由于各自方法的特點(diǎn),在工程現(xiàn)場有時(shí)很難應(yīng)用。而等效數(shù)值法不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算簡單,精確度高,工程設(shè)計(jì)人員易于掌握。因此,本文借鑒等效數(shù)值法原理,結(jié)合地下工程穩(wěn)定性評價(jià)的具體特點(diǎn)進(jìn)行了具體應(yīng)用。

1 等效數(shù)值法

1.1 圍巖穩(wěn)定性等效數(shù)值評價(jià)法的原理

等效數(shù)值法的基本原理是:將不同性質(zhì)的量綱指標(biāo)化為無因次量綱的標(biāo)準(zhǔn)形式,轉(zhuǎn)化后的指標(biāo)值為(0,1)之間的實(shí)數(shù),這些轉(zhuǎn)化后的實(shí)數(shù)被稱為“等效數(shù)值”[8,9]。

在地下工程圍巖穩(wěn)定性評價(jià)中,假設(shè)有m項(xiàng)評價(jià)指標(biāo),n個(gè)實(shí)測的圍巖樣本,h級圍巖穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn),則共有m×n×h個(gè)指標(biāo)值Fijt(i=1,2,……,m;j=1,2,……,n;t=1,2,……,h)。采用式(1)化為等效數(shù)值。

式中:ωij為第j個(gè)圍巖樣本對第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)值,采用指標(biāo)超標(biāo)法根據(jù)式(3)計(jì)算:

1.2 判別準(zhǔn)則[9]

通過計(jì)算得到圍巖各樣本對不同穩(wěn)定性等級的等效數(shù)值,之后進(jìn)行評價(jià)。采用的判別準(zhǔn)則為:對于第j個(gè)實(shí)測的圍巖樣本,如果Fjt為最大,則第j個(gè)圍巖樣本代表的圍巖穩(wěn)定性等級就判定為t級。

2 地下工程圍巖穩(wěn)定性的影響因素分析

對地下工程圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分類,首先要確定影響圍巖穩(wěn)定性的因素,尤其是影響較大的因素。本文選取了實(shí)測巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD、單軸抗壓強(qiáng)度Rc、巖體完整性指數(shù)KKv、地下水滲水量W和節(jié)理狀況等5個(gè)對圍巖穩(wěn)定性影響較大的因素,并將其作為評價(jià)的指標(biāo),采用5級分類,各指標(biāo)的分類標(biāo)準(zhǔn)列于表1。根據(jù)5項(xiàng)指標(biāo),把圍巖穩(wěn)定性等級分為5級,即穩(wěn)定(Ⅰ)、較穩(wěn)定(Ⅱ)、中等穩(wěn)定(Ⅲ)、不穩(wěn)定(Ⅳ)和極不穩(wěn)定(Ⅴ)。根據(jù)等效數(shù)值法的原理以及相關(guān)文獻(xiàn)[2,3],得到圍巖穩(wěn)定性等級指標(biāo)界限值(見表1)。

表1 圍巖穩(wěn)定性等級指標(biāo)界限值

3 工程實(shí)際應(yīng)用

大冶鐵礦位于湖北省黃石市鐵山區(qū),是武鋼集團(tuán)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(jìn)行等效數(shù)值法的具體應(yīng)用說明。5項(xiàng)圍巖的主要評價(jià)指標(biāo)值見表2,利用等效數(shù)值法對上述5項(xiàng)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

表2 大冶鐵礦圍巖穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)的實(shí)測值

以1號圍巖為例,首先將實(shí)測數(shù)據(jù)組成參考數(shù)列Fi1(i=1,2,……,5),即Fi1=(0.132,189.8,0.87,5.3,8.7),圍巖穩(wěn)定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)組成被比較數(shù)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(jù)式(1)計(jì)算得到等效數(shù)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(jù)式(3)計(jì)算得到,ωi1=(0.106,0.226,0.278,0.132,0.258)(i=1,2,……,5)。再由式(2)計(jì)算得到綜合等效數(shù)值F1t=(0.799,0.716,0.696,0.632,0.524)(t=Ⅰ,Ⅱ,……,Ⅴ)。在F1t的5個(gè)參數(shù)值中,第1個(gè)數(shù)值最大,因此1號圍巖穩(wěn)定性評定為穩(wěn)定,即為(Ⅰ)類巖石。同理,根據(jù)等效數(shù)值法計(jì)算其他4種圍巖的穩(wěn)定性等級。最后得到5種圍巖的綜合等效數(shù)值(見表3)。為了進(jìn)行比較,表3同時(shí)列出了利用模糊模式識別和可拓法的判別結(jié)果。模糊模式識別考慮各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,實(shí)質(zhì)上是假定各指標(biāo)為等權(quán)重,顯然這對于各指標(biāo)為不等權(quán)重的情況是不適合的?？赏胤椒ㄖ幸泊嬖谥鴻?quán)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(shù)值法進(jìn)行計(jì)算時(shí),可以得到唯一的結(jié)果,不受人為影響。進(jìn)行計(jì)算時(shí),可以利用excel或者matlab做成簡單的數(shù)據(jù)處理軟件,把實(shí)測數(shù)據(jù)代入后,很快就得到評判結(jié)果。計(jì)算過程簡捷高效,適合于相關(guān)工程人員的現(xiàn)場應(yīng)用。

表3 綜合等效數(shù)值

4 結(jié) 論

地下工程圍巖穩(wěn)定性的評價(jià)是一項(xiàng)很關(guān)鍵的基礎(chǔ)工作,由于圍巖介質(zhì)本身的特點(diǎn),導(dǎo)致該問題具有一定的復(fù)雜性。文中根據(jù)等效數(shù)值原理,選取了影響圍巖穩(wěn)定性的5項(xiàng)指標(biāo)作為影響因素進(jìn)行評價(jià)。按照圍巖的穩(wěn)定狀況分為5類。利用等效數(shù)值法對大冶鐵礦一地下工程的5項(xiàng)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)。研究結(jié)果表明,等效數(shù)值法應(yīng)用于圍巖穩(wěn)定性的評價(jià),具有計(jì)算簡單高效,使用方便等特點(diǎn),可以在實(shí)際工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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[7]宮鳳強(qiáng),李夕兵,高 科.地下工程圍巖穩(wěn)定性分類的突變級數(shù)法研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào),2008,39(5):1081～1087.

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

湖南省教育廳項(xiàng)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。