img

QQ群聊

img

官方微信

  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
高级检索

黄金科学技术, 2021, 29(2): 226-235 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2021.02.148

采选技术与矿山管理

地震动荷载下深埋巷道压力拱高度响应规律的数值模拟研究

谢学斌,, 高山, 过江, 叶永飞

中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083

Numerical Simulation Study on the Response Law of Pressure Arch Height of Deep-buried Tunnel Under Seismic Dynamic Load

XIE Xuebin,, GAO Shan, GUO Jiang, YE Yongfei

School of Resource and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China

收稿日期: 2020-08-11   修回日期: 2021-01-12   网络出版日期: 2021-05-28

Received: 2020-08-11   Revised: 2021-01-12   Online: 2021-05-28

作者简介 About authors

谢学斌(1968-),男,湖南长沙人,教授,从事采矿工程、岩土工程和安全工程方面的教学科研工作121815297@qq.com , E-mail:121815297@qq.com

摘要

为了揭示深埋直墙拱形巷道压力拱高度在单向水平地震动荷载下的响应规律,基于FLAC3D数值模拟和经典弹塑性理论,研究了围岩级别、巷道埋深、地震动荷载强度和地震动荷载作用时间对拱顶竖直方向上的围岩压力拱高度的影响规律。根据数值模拟结论,建立围岩压力拱的多元回归预测模型,并通过对比分析验证了结论的正确性。建立了压力拱高度与围岩级别、巷道埋深、地震动荷载强度和地震动荷载作用时间的相应关系式。研究结果表明,各因素影响程度大小排序为:围岩等级>动荷载强度>动荷载作用时间>巷道埋深。研究成果可为深埋巷道施工和抗震支护设计提供一定的指导。

关键词: 深埋巷道 ; 地震动荷载 ; 压力拱高度 ; 数值模拟 ; 时间序列 ; 灰色关联性分析

Abstract

With the increasing number of underground roadways built in high-intensity earthquake zones in western China,and ground motion loads will cause various earthquake damages in the roadways,this has aroused the attention of the academic community to the seismic resistance of the roadways,but there are few pressure arches in the academic community.The dynamic load response law of high altitude and its influencing factors were analyzed.Therefore,this paper studied the change law of pressure arch height under seismic dynamic load for deep horseshoe-shaped roadways.Taking the flood drainage roadway of Xiaomaliu tailing reservoir in Xichang,Sichuan Province as an example,based on FLAC3D numerical simulation orthogonal test,classic elastoplastic theory and pressure arch theory,this paper studied the influence law of the surrounding rock level,the buried depth of the roadway,the strength of the ground motion load,and the action time of the ground motion load,on the pressure arch height of surrounding rock in the vertical direction of the vault.Based on the conclusions of numerical simulation,a multiple regression prediction model of surrounding rock pressure arch and a time series prediction model of pressure arch height were established.The correlation degree of each influencing factor was studied through the correlation analysis of various factors,and the correctness of the conclusion was verified through comparative analysis.Based on this,corresponding relations between pressure arch height and surrounding rock level,roadway buried depth,ground motion load intensity,and ground motion load action time have been established,and the time effect of earthquake was considered in this paper,and the time correction of the regression model was proposed,which is more suitable for pressure arch height prediction under actual conditions.Some research results were obtained:Pressure arch height H and surface dynamic load amplitude A,dynamic load action time t,roadway buried depth h and surrounding rock grade SRC is positively correlated.And according to the analysis of MATLAB correlation degree,the order of the degree of influence of each factor is:Surrounding rock grade>dynamic load strength>dynamic load action time>roadway buried depth.Advance grouting support should be considered during construction to maintain the stability of the pressure arch.The seismic resistance of the weak surrounding rock should be considered to increase the support strength,and the pre-reinforcement treatment should be performed on the top of the roadway.The research results of the thesis have certain reference significance for the construction and support design of deep buried roadways.

Keywords: deep buried tunnel ; seismic dynamic load ; pressure arch height ; numerical simulation ; time series ; grey correlation analysis

PDF (4815KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

谢学斌, 高山, 过江, 叶永飞. 地震动荷载下深埋巷道压力拱高度响应规律的数值模拟研究[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(2): 226-235 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.02.148

XIE Xuebin, GAO Shan, GUO Jiang, YE Yongfei. Numerical Simulation Study on the Response Law of Pressure Arch Height of Deep-buried Tunnel Under Seismic Dynamic Load[J]. Gold Science and Technology, 2021, 29(2): 226-235 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.02.148

随着交通业和采矿业的发展,地下巷道的数量日益增多,建设在我国西部地区等高烈度地震区的巷道安全日益受到重视,特别是汶川地震造成巷道出现了多种震害(吉随旺等,2009),更是引起了学者们对巷道抗震问题的关注。近年来,国内地下巷道抗震设计多数采用地震系数法和拟静力法,确定动荷载下压力拱高度对于巷道抗震设计具有重要意义。

目前,确定动荷载下的压力拱高度往往采用经验统计法,具有一定的盲目性。现阶段,隧道压力拱动态响应研究常用的方法主要有现场调查法、模型试验法、理论分析法和数值模拟法。关于现场调查法,Hashash et al.(2001)基于地震受灾地下结构原始数据,得出了地下结构与动荷载之间的相互作用关系;唐垠斐(2018)基于现场调查与数值模拟,得出了山岭巷道抗震支护设计方案。关于模型试验法,Wang(2017)在振动台试验的基础上研究了浅埋偏压隧道在不同波形及加载方式下的围岩应力及围岩动态响应规律;叶飞等(2019)通过隧道振动台试验,以隧道最终状态为依据对压力拱进行分类,并研究了影响压力拱供体厚度的因素。关于理论分析法,Kong(2018)利用二维有限元法,基于水平和垂直应力分布规律定义了压力拱范围大小及影响因素;刘灯凯(2020)基于复变函数理论的保角变化方法计算了深埋矩形巷道围岩压力拱范围,并讨论了侧压力系数对压力拱范围的影响。关于数值模拟法,高峰等(2019)基于数值模拟方法,计算得到不同条件下的地下结构地震响应,对惯性力法进行了修正,并对高烈度地震区巷道进行减免震措施研究;Shang et al.(2020)通过数值模拟方法对压力拱内外边界范围进行了研究,并讨论了隧道埋深及围岩条件对压力拱范围的影响。

综上所述,目前的研究鲜有涉及地震动荷载下压力拱高度变化规律及其影响因素。实际上,地震波动荷载和围岩条件均对压力拱高度及巷道围岩应力变化具有较大影响,但采用上述研究方法难以对影响压力拱的因素进行研究。为此,本文采用数值模拟方法,建立深埋巷道模型并结合时间序列分析得出压力拱动态回归模型,为深埋巷道施工及支护设计提供参考。

1 地震动荷载作用下压力拱变化现象

压力拱现象是客观存在的,巷道开挖后形成临空面,上部岩体由于重力作用产生竖直向下的变形。如图1所示,L1处围岩向下变形至L2处,由于L2L1的长度小,因此围岩相互挤压形成高度为H的拱结构。拱结构上方岩体的自重荷载通过拱结构传递至周围岩体中,岩体最大主应力发生改变,形成应力重分布并达到自稳状态。

图1

图1   压力拱示意图

Fig.1   Schematic diagram of pressure arch


某巷道为宽6 m、高6 m的直墙拱形巷道,围岩等级为Ⅳ级,围岩采用Mohr-Coulomb理论本构模型,在动荷载振幅为0.40g(g为重力加速度)的水平EL-Centro波作用下压力拱高度变化的数值模拟对比如图2所示。

图2

图2   地震前后压力拱高对比图

Fig.2   Comparison of pressure arch height before and after earthquake


此现象说明地震将会再次扰动围岩,并改变围岩应力状态,原有压力拱会发生变化并达到新的平衡状态。本文主要就地震条件下压力拱高度的变化规律进行理论分析,从而为巷道施工设计提供指导。

2 研究方案

我国西部地区断裂带较多,地震频发,且工程地质条件复杂多样,给地下巷道施工和维护带来了一定的挑战。以小麻柳尾矿库排洪巷道为例,巷道设计时需综合考虑巷道抗震安全性和工程地质条件。鉴于此,本文采用三维有限差分软件FLAC3D与正交试验设计方法(刘瑞江等,2010)相结合进行数值模拟研究,以围岩等级、巷道埋深、地表动荷载幅值和动荷载作用时间作为考量因素,采用多元回归方法和时间序列自回归AR(p)预测模型,获得压力拱高度预测方法,为地下巷道设计提供依据。

2.1 正交试验设计

正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法,它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,这些点具备均匀分散、齐整可比的特点(彭祖昭等,2018)。为了达到综合分析的目的,本文以同种围岩的材料力学参数为依据,将围岩等级SRC划分为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级;根据排洪隧道实际埋深条件,将巷道埋深h划分为5个水平;以不同地震烈度等级对应的地表动荷载幅值A大小为依据,将地表动荷载幅值划分为5个水平,且考虑动荷载作用时间t。各因素水平取值如表1所示,不同级别围岩的物理力学参数见表2

表1   各因素水平取值

Table 1  Level values of each factor

水平巷道埋深/m围岩等级

地表动荷载幅值

/(m·s-2)

动荷载作用 时间/s
1500.10g1~30
2800.15g1~30
31100.20g1~30
4140-0.30g1~30
5170-0.40g1~30

注:g为重力加速度

新窗口打开| 下载CSV


表2   不同级别围岩的物理力学参数

Table 2  Physical and mechanical parameters of surrounding rock with different grades

材料类型

密度

/(kg·m-3

弹性模量

/GPa

黏聚力

/MPa

泊松比

内摩擦角

/(°)

Ⅲ级围岩

Ⅳ级围岩

Ⅴ级围岩

2 400

2 200

1 900

13.0

5.0

1.8

1.00

0.50

0.15

0.27

0.30

0.37

45

35

25

新窗口打开| 下载CSV


2.2 监测方案

由压力拱理论可知,压力拱的存在改变了应力的传递路线,使得压力拱区域围岩应力大小发生改变,如图3所示。

图3

图3   弹塑性围岩应力分布图

1-松动区;2,3-承载区;4-原岩应力区;r0为隧道半径;σT为切向应力;σθ为径向应力;σ0为原岩应力

Fig.3   Distribution map of elastic-plastic surrounding rock stress


根据“应力路线法”以应力路线上竖直应力与水平应力交点作为压力拱外边界(陈林杰,2016),在巷道周围选取特定路线监测应力。如图4所示,在应力路线S上每隔2 m设立监测点监测竖直方向和水平方向的应力大小,作出应力路线图,选取竖直方向与水平方向应力交点作为压力拱边界,以此得到该计算工况下的压力拱高度。

图4

图4   应力监测方案图

Fig.4   Diagram of stress monitoring scheme


2.3 数值模拟

限于篇幅,仅以计算工况SRC=Ⅴ、 A=0.40g、 t=30 s、h=80 m为例进行方法说明。按照理论估算值取100 m(长)×30 m(宽)×100 m(高)的围岩范围作为模型计算范围(图5),可降低计算时的边界效应影响。巷道为宽6 m、高6 m的直墙拱形巷道,围岩采用Mohr-Coulomb本构模型。模型边界条件为:静力计算时,模型底部采用竖向固定边界,四周采用水平固定边界,顶部采用自由边界;动力计算时,模型底部取黏性边界,四周施加自由场边界(路沙沙等,2016),阻尼设置为局部阻尼。在模型顶部根据F=ρgh'=1 900 kg/m3×9.8 N/kg×33 m=614 460 Pa施加预应力。

图5

图5   数值计算模型

Fig.5   Numerical calculation model


输入地震波的频率大小和系统的波速特性都会影响波传输的数值精度,为了准确表示通过模型的波传播,网格尺寸需满足ΔLλ(0.100~0.125)=(0.100~0.125)v/f,其中v为地震波波速,f为地震波频率。本文取网格尺寸ΔL=0.5 m,满足要求。

根据胡进军(2003)的研究成果,地震动荷载幅值将会随深度增加而有所减小,因此在考虑施加动荷载幅值时需按照式(1)进行修正:

A'=-0.22367ln h+91.1311  134.19A

在模型底面输入汶川地震波水平向加速度时程曲线,取修正后加速度幅值,如图6所示,计算时步取0.002 s,计算时长取30 s,编制fish函数每隔1 s收集应力数据并导出,其余计算工况参照表1

图6

图6   汶川地震波水平向加速度时程曲线(A=0.40g,g为重力加速度)

Fig.6   Time-history curve of horizontal acceleration of Wenchuan earthquake wave(A=0.40g,g is the acceleration of gravity)


3 数值模拟结果

限于篇幅,本文仅列出计算工况为SRC=Ⅳ、 A=0.40g、t=30 s、h=80 m的围岩应力图与应力等值线图,如图7所示。图8为对应的应力路线图,可观察到各个埋深条件下的应力路线图均有交点,在交点处围岩最大主应力由原本的竖直应力转变为水平应力,且变化趋势相似,表明成拱原理均相同,即最大主应力发生改变。其余计算结果以表的形式给出。

图7

图7   围岩应力图

Fig.7   Stress diagram of surrounding rock


图8

图8   应力路线法结果图

Fig.8   Result diagram of stress route method


以相同的方法可得到其余计算工况下的围岩压力拱高度,如表3所示。

表3   数值模拟结果

Table 3  Results of numerical simulation

地表动荷载幅值/(m·s-2巷道埋深/m压力拱高度/m
Ⅲ级围岩Ⅳ级围岩Ⅴ级围岩
0.40g503.625.747.34
803.745.997.53
1103.916.227.9
1404.156.388.26
1704.336.658.86
0.30g503.375.236.69
803.425.366.82
1103.515.547.36
1403.625.817.85
1703.755.928.51
0.20g502.744.195.62
802.824.265.78
1102.914.416.09
1403.094.566.25
1703.274.746.67
0.15g502.533.95.31
802.614.085.49
1102.734.265.57
1402.834.415.72
1703.054.555.85
0.10g502.323.714.95
802.443.875.11
1102.594.065.29
1402.654.235.31
1702.814.425.46

注:g为重力加速度

新窗口打开| 下载CSV


3.1 巷道埋深h和地表动荷载幅值A对压力拱的影响

SRC=Ⅴ时压力拱高度H在各个地表动荷载幅值条件下的数据图为例,如图9所示,其余围岩条件下图形变化趋势与图9类似,体现了压力拱对地震波的响应。由图9可以得出:

图9

图9   地表动荷载幅值对压力拱高度的影响(SRC=Ⅴ)

Fig.9   Influence of surface dynamic load amplitude on pressure arch height(SRC=Ⅴ)


(1)当动荷载作用时间t和地表动荷载幅值A相同时,随着巷道埋深h增大,巷道形成的压力拱高度逐渐增大。研究各段埋深的曲线斜率可知,随着埋深增大,压力拱增高速度加大,表明巷道埋深越深对压力拱高度的影响越显著。研究认为,随着巷道埋深的增加,围岩自重应力增大,使得围岩稳定性降低。因此,支护设计时需根据巷道埋深布设相应条件的支护强度。

(2)压力拱高度受到地表动荷载幅值A的影响。研究过程中得到在动荷载作用一定时间内,围岩应力会发生多次重分布,相同条件下地表动荷载幅值A越大则压力拱高度越高,且从曲线斜率变化来看,拱高变化趋势随着地表动荷载幅值A的增大而增大,表明地震烈度越大则压力拱高度变化越显著。因此,在施工支护时需查阅巷道所处当地地震历史记录来选取支护参数,并加强对巷道顶部范围的支护强度,以保障巷道使用安全。

3.2 围岩等级SRC对压力拱的影响

本研究仅选择A=0.15g时不同围岩条件下的压力拱高度图进行分析,如图10所示,其余工况下曲线变化趋势与图10类似。在其他条件相同的情况下,不同的围岩条件在动荷载作用下有不同的压力拱高度响应,总体上随着围岩等级SRC的增大,曲线的斜率减小,表明SRC越大则压力拱高度增长越不明显。对比各SRC曲线可知,软弱围岩具有更高的压力拱和更大的响应趋势。相比于地表动荷载幅值ASRC占据更小的影响比。

图10

图10   围岩等级对压力拱高度的影响(A=0.15g,g为重力加速度)

Fig.10   Influence of surrounding rock classification on pressure arch height(A=0.15g,g is the acceleration of gravity)


因此,施工支护结构时需针对软弱围岩抗震性增加支护强度,并对巷道顶部范围进行预加固处理,以免发生巷道顶部塌方、衬砌开裂等事故,维护巷道安全施工。

4 压力拱高度时间序列预测模型

考虑到地震动荷载在作用时间和振幅上的可变性,从分析压力拱高度在动荷载作用下的动态监测应力这一角度出发,选择时间序列分解法(徐峰,2011)来建立压力拱高度预测模型。

在具体计算工况下,压力拱高度是岩体自身发展演化规律和外界诱发因素结合的结果,压力拱高度在地震动荷载作用下的位移序列是一个随时间变化的非线性增长的非稳定时间序列,且具有一定的规律性。其中影响自身发展演化规律的因素包括围岩条件和巷道埋深,可定义为压力拱趋势项高度,外界诱发因素包括动荷载振幅,可定义为压力拱周期项高度。因此可将该时间序列模型表示为

Xt1,t2=ϕt1+ƞ(t2)

式中:Xt1,t2为压力拱高度时间序列;ϕt1)为趋势项函数;ƞt2)为周期项函数;自变量t1为围岩自稳时间;t2为水平地震动荷载作用时间。

趋势项函数ϕt1)具有一定线性规律且部分数据可由试验和数值模拟直接得到,可利用线性回归方法得到压力拱趋势项高度。

周期项函数ƞt2)为受到2个因素影响且不具有线性规律的复杂时间序列,本文选择自回归AR模型对此部分压力拱高度进行分析预测。

4.1 考虑各趋势项的多元非线性回归模型

通过数值方法得到围岩级别SRC为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级下不同正交工况(Ah)的压力拱高度数据,对多组数据进行多段线性插值以获得详细数据进行多元非线性回归(王惠文等,2007),回归模型计算公式为

(1)SRC=Ⅲ时,表示为

H=1.633-0.0127h+0.0001h2+0.001Ah+
4.603A-6.01A2R2=0.9816

(2)SRC=Ⅳ时,表示为

H=2.88-0.0047h+0.0001h2+0.0054Ah+
4.04A-4.41A2R2=0.9718

(3)SRC=Ⅴ时,表示为

H=4.968-0.0081h+0.0001h2+0.04Ah+
1.711A-4.01A2R2=0.9617

4.2 考虑时间序列的压力拱预测修正

为符合实际情况,本文将动荷载作用时间作为一个影响压力拱高度的因素,对前文所得fish函数导出的每秒压力拱高度数据进行处理,由此得到一个考虑时间效应的压力拱拱高预测模型。

压力拱高度的变化主要受到趋势项和周期项因素的影响。因此,在分析压力拱高度时间序列的过程中,即可认为总高度为趋势项高度和周期项高度的叠加。本文采用动荷载作用时间段0~30 s的压力拱高度作为时间序列原始样本,将模型在地震波作用的前20 s拱高数据作为时间序列分析初始样本,以后10 s拱高数据作为预测验证样本,以巷道埋深h=140 m、地表动荷载幅值A=0.40g和围岩等级SRC=Ⅳ为例,图11所示为动荷载累计影响的压力拱拱高时程图。

图11

图11   动荷载累计影响的压力拱拱高时程图

Fig.11   Time-history diagram of the pressure arch height which influenced by cumulative dynamic load


图11可以得出,存在与动荷载作用时间有关的周期项位移,且该部分位移数据具有随机性,故可将该随机序列视为时间序列,并用xtt=1,2,,N表示,其中t表示某一时刻。建立自回归AR(p)预测模型(谭巧巧等,2015):

    xt=β1xt-1+β2xt-2+β3xt-3++βpxt-p+at=i=1pβixt-i+at  

式中:β1,β2,···,βp为模型参数;at为随机误差且为白噪声序列。AR模型定阶和自回归参数估计可用FPE定阶准则,即最小最终预测误差准则来确定,定义为

FPEp=1+p/N1-p/Nr̂0-i=1pβ̂ir̂i

式中:p为对应阶数;N为所选时刻;r̂0k=0时的样本自协方差函数;β̂ir̂i分别为对应i阶数的最小二乘参数估计和样本自协方差函数。

具体步骤如下:

① 设定一个合适的模型阶数上限值nk,一般为N/3≤nkN/2;

② 求序列{xt}(1≤tN/2)的样本自协方差函数r̂0,r̂1,,r̂prk的计算公式为

rk=1ni=1n-kxi-x¯xi+k-x¯

③ 当1≤pnk时,依次求出最小二乘参数估计β̂1,β̂2,,β̂p,并代入计算FPEp)。

④ 取最小FPEp)对应的p作为AR模型的阶数,相应的β̂1,β̂2,,β̂p就是自回归参数的估计值。

经过模型定阶、参数估计和误差分析等计算过程,可得到自回归模型,并将所得模型与预测验证样本进行对比,如图12所示。

图12

图12   自回归模型预测验证

Fig.12   Prediction validation of autoregressive model


经计算后得出预测验证样本曲线与自回归预测曲线之间的相关系数R2=0.8884,时间序列自回归模型平均相关系数R2=0.9212,自回归预测值曲线与预测验证样本曲线能够较好地拟合,表明预测模型对时间影响下的压力拱累计影响位移具有较好的预测作用。同理,可得各计算工况下的自回归预测模型。

4.3 自回归模型验证

为验证本回归预测模型的科学性,本文将关于地震中巷道上方土体作用的研究结果(高峰等,2016)与之进行对比验证,各计算参数取值如下:围岩级别SRC=Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,巷道埋深h=50 m、100 m、150 m,地表动荷载幅值A=0.20g。所得拱高对比结果如图13所示。

图13

图13   自回归模型对比验证

Fig.13   Comparison validation of autoregressive model


图13可知,本文所得在地震荷载下的压力拱拱高回归公式与对比计算结果相近。经计算得到回归公式结果曲线与对比结果曲线的相关系数R2=0.9237,满足精度要求。因此,相比于高峰等(2016)所提出的拱高预测方案,本文在考虑地震动荷载时间效应的基础上具有更优的拟合精度,对研究地震效应下的压力拱高度预测具有更广的应用范围。

5 各影响因素关联性分析

考虑到预测模型本质上是一种受多种因素制约影响的时间序列,且各因素之间相互关联响应,前文虽然推导出趋势项和周期项对拱高的回归模型,但尚不了解各因素之间的关联度及各自变量对拱高的影响的相对强弱,为了解拱高预测模型中结果受各因素影响的相对强弱,可将预测模型视作一个随时间动态变化的灰色系统。为便于计算,将动荷载作用时间t转换为以累计影响位移m为指标的因素,运用MATLAB对此模型进行灰色关联度分析(虞晓芬等,2004)。具体计算步骤如下:

(1)确定反应预测模型特征的母序列Y以及影响预测模型的比较序列Xi,表达式如下:

Y=Yk
Xi=Xik

(2)将序列进行初值化处理和均值化处理,可得:

xik=xikxi1
xik=xikxi¯

(3)计算关联系数,公式如下:

ξik=
mini mink yk-xi(k)+ρmaxi maxk yk-xi(k)yk-xi(k)+ρmaxi maxk yk-xi(k)

ik=yk-xi(k),则有:

ξik=mini mink ik+ρmaxi maxk ikyk-xi(k)+ρmaxi maxk ik

(4)计算关联度,公式如下:

ri=1nk=1nξik

式中:k=1,2,⋯,ni=1,2,⋯,m

根据以上灰色关联度分析和计算,所得结果如表4所示。由表4可知,关联度大小排序为:围岩等级SRC>地表动荷载幅值A>动荷载作用时间t\>巷道埋深H。软弱围岩对于地震动荷载扰动具有更强烈的反应,压力拱高度增长趋势更大致使巷道顶部极易发生塌方,为了避免此种情况发生,建议采取超前注浆支护以维护压力拱稳定,增大锚杆长度以防止压力拱范围进一步发展。

表4   关联度分析结果

Table 4  Analysis results of correlation degree

因子关联度
巷道埋深H0.94
地表动荷载幅值A0.98
动荷载作用时间t0.97
围岩等级SRC0.99

新窗口打开| 下载CSV


6 结论

本文从数值模拟的角度出发,对地震荷载下直墙拱形巷道压力拱高度的影响因素进行了分析,得出了以下结论:

(1)基于数值模拟得出的压力拱拱高多元回归预测模型,比已有的方案具有更高的精度。本文考虑了地震的时间效应,在此基础上提出了回归模型的时间修正,更适用于实际情况下的压力拱高度预测。

(2)讨论了围岩等级SRC、地表动荷载幅值A、动荷载作用时间t和巷道埋深h对巷道压力拱高度的影响:压力拱高度H与地表动荷载幅值A、动荷载作用时间t、巷道埋深h以及围岩等级SRC呈正相关。随着地表动荷载幅值A和巷道埋深h增大,其对围岩应力场的影响程度增大,同时顶板压力增大,且压力拱高度增大幅度越来越大。动荷载作用时间t增大,压力拱高度与之呈近似线性增长关系。围岩等级SRC对压力拱高度的影响占比最大,随着SRC的增大,巷道的压力拱高度越高,且压力拱高度增大幅度越来越大。根据MATLAB关联度分析,影响程度大小排序为:围岩等级SRC>地表动荷载幅值A>动荷载作用时间t>巷道埋深h。上述结论对实际工程中的巷道抗震设计具有指导意义。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2021/1005-2518/1005-2518-2021-29-2-226.shtml

参考文献

Chen Linjie2016.

Research on the Deep and Shallow Burial Questions for Seismic Design of Tunnel under Earthquake

[D]. Chongqing:Chongqing Jiaotong University.

Gao FengPeng MengzhuFu Minget al.2019.

Calculation method of tunnel seismic resistance considering the action of the height of upper and lower soil columns

[J].Journal of Chongqing Jiaotong University(Natural Science ),388):39-44.

Gao FengSun ChangxinDing Qileal et2016.

Research on earthquake action of soil above the tunnel

[J].Journal of Chang 'an University (Natural Science Edition),361):77-84.

Hashash Y M AHook J JSchmidt Bal et2001.

Seismic design and analysis of underground structures

[J].Tunnelling and Underground Space Technology,164):247-293.

[本文引用: 1]

Hu Jinjun2003.

Study on Variation of the Earthquake Ground and Sub-ground Motion

[D].Harbin:Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration.

Ji SuiwangTang YongjianHu Deguial et2009.

Analysis of typical seismic damages of highways in Wenchuan earthquake-induced hazard areas in Sichuan Province

[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,286):1250-1260.

Kong X XLiu Q SZhang Q Bal et2018.

A method to estimate the pressure arch formation above underground excavation in rock mass

[J].Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research,71382-390.

[本文引用: 1]

Liu DengkaiRao JunyingNie Chongxinal et2020.

Study on the variation rule of surrouding rock pressure arch in deep-buried rectangular roadway

[J].Mining Research and Development,405):108-112.

Liu RuijiangZhang YewangWen Chongweial et2010.

Study on the design and analysis methods of orthogonal experiment

[J].Experimental Technology and Management,279):52-55.

Lu ShashaMa FenghaiLu Yanyan2016.

Impact of the seasonal rivers on the subway tunnel structures over the subway tunnels

[J].Journal of Safety and Environment,165):93-98.

Peng ZuzhaoFeng KunXiao Mingqingal et2018.

Reasonable overlying thickness of subaqueous tunnels based on pressure arch theory

[J].Rock and Soil Mechanics,397):2609-2616.

Shang BJin X GAo G Yal et2020.

Calculation of surrounding rock pressure of undercut subway station based on multi-factor affecting pressure arch theory

[J].Engineering,122):59-70.

[本文引用: 1]

Tan QiaoqiaoYang Jiyun2015.

Application of improved AR(p) prediction model in WSN

[J].Computer Engineering and Applications,5112):83-87.

Tang Yinfei2018.

Study on Seismic Dynamic Response and Aseismic Measures for Fault Fracrure Zone in Mountain Tunnels

[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University.

Wang F FJiang X LNiu J Y2017.

The large-scale shaking table model test of the shallow-bias tunnel with a small clear distance

[J].Geotechnical and Geological Engineering,351093-1110..

URL     [本文引用: 1]

Wang HuiwenMeng Jie2007.

Predictive modeling on multivariate linear regression

[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,334):500-504.

Xu FengWang YangDu Juanal et2011.

Study of displacement prediction model of landslide based on time series analysis

[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,304):746-751.

Ye FeiHan XinLiu Yanpengal et2019.

Analyze on the dynamic evolution mechanism and rule of pressure arch in tunnel

[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,151):159-167.

Yu XiaofenFu Dai2004.

Review of multi-index comprehensive evaluation method

[J].Statistics and Decision,(11):119-121.

陈林杰2016.

地震条件下隧道抗震设计深浅埋问题的研究

[D].重庆:重庆交通大学.

[本文引用: 1]

高峰彭孟竹付明2019.

考虑上下土柱作用的隧道抗震计算方法研究

[J].重庆交通大学学报(自然科学版),388):39-44.

[本文引用: 1]

高峰孙常新丁其乐2016.

地震中隧道上方土体作用问题研究

[J].长安大学学报(自然科学版),361):77-84.

[本文引用: 2]

胡进军2003.

地下地震动参数研究

[D].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所.

[本文引用: 1]

吉随旺唐永建胡德贵2009.

四川省汶川地震灾区干线公路典型震害特征分析

[J].岩石力学与工程学报,286):1250-1260.

[本文引用: 1]

刘灯凯饶军应聂崇欣2020.

深埋矩形巷道围岩压力拱变化规律研究

[J].矿业研究与开发,405):108-112.

[本文引用: 1]

刘瑞江张业旺闻崇炜2010.

正交试验设计和分析方法研究

[J].实验技术与管理,279):52-55.

[本文引用: 1]

路沙沙麻凤海路艳艳2016.

地铁隧道地震动力响应模拟试验研究

[J].安全与环境学报,165):93-98.

[本文引用: 1]

彭祖昭封坤肖明清2018.

基于压力拱理论的水下隧道合理覆岩厚度研究

[J].岩土力学,397):2609-2616.

[本文引用: 1]

谭巧巧杨吉云2015.

改进的自回归AR(p)预测模型在WSN中的应用

[J].计算机工程与应用,5112):83-87.

[本文引用: 1]

唐垠斐2018.

山岭隧道断层破碎带地震动力响应规律及抗减震措施研究

[D].成都:西南交通大学.

[本文引用: 1]

王惠文孟洁2007.

多元线性回归的预测建模方法

[J].北京航空航天大学学报,334):500-504.

[本文引用: 1]

徐峰汪洋杜娟2011.

基于时间序列分析的滑坡位移预测模型研究

[J].岩石力学与工程学报,304):746-751.

[本文引用: 1]

叶飞韩鑫刘燕鹏2019.

隧道压力拱动态演变机制及规律分析

[J].地下空间与工程学报,151):159-167.

[本文引用: 1]

虞晓芬傅玳2004.

多指标综合评价方法综述

[J].统计与决策,(11):119-121.

[本文引用: 1]

/