（岩土工程专业论文）岩石地下洞室与边坡的相互影响研究.pdf

摘要 地下洞室包括各类天然形成的地下空区( 溶洞等) 、矿山生产过程 中形成的地下采空区以及各类人工开挖形成的洞室( 如人防洞、隧道 等) 。地下洞室与边坡的相互影响问题是随着工程建设的开展而出现 的。根据地下洞室与边坡存在的先后顺序将地下洞室与边坡的关系分 为两种情况，第一种情况是地下洞室先于边坡存在，如地下开采转为 露天开采条件下矿山的地下采空区与露天开挖的边坡；另一种情况是 边坡先于地下洞室存在，如山区隧道开挖形成的洞口边坡与隧道。地 下洞室与边坡的相互影响问题一般可以分为两个方面来研究：一方面 是地下洞室的存在对边坡稳定的影响；另一方面是边坡施工对地下洞 室稳定性的影响。另外，根据地下洞室与边坡的相对空间位置还会带 来另外一个十分重要的问题，即地下洞室项板的安全厚度问题。顶板 的安全厚度关系到地下洞室的安全与正常运营，甚至关系边坡的稳 定。本文结合湖南省自然科学基金资助项目“g f r p 锚杆加固岩质边坡 基本理论与设计方法研究 ( 0 7 j j 6 0 8 4 ) 与高等学校博士点学科专项 基金项目“复杂岩体边坡最危险滑动面的滑移线分条自动搜索研究 ( 2 0 0 6 0 5 3 3 0 71 ) 以及贵州宏福实业开发有限总公司“瓮福磷矿穿岩洞 矿段地下转露天开采中地下采空区对露天开采的影响研究”等研究课 题，对地下洞室与边坡之间的相互影响以及顶板安全厚度进行了深入 的研究。主要研究内容与结论如下： 建立了边坡下伏地下岩石洞室深埋与浅埋的计算模型，应用弹性 力学理论与相同映射函数的复变函数解法推导了边坡下伏浅埋圆形 洞室的应力解析解，将深埋洞室视为一个双向受压无限板板孔应力集 中问题，得到了边坡下伏深埋圆形洞室的应力解析解，对于复杂形状 洞室，采用c h r i s t o f f e l s c h w a r z 积分确定映射函数或采用近似方法和 数值方法来研究。 采取弹塑性有限元与强度折减方法，利用自编的有限元程序对瓮 福磷矿穿岩洞矿段地下采空区与露天边坡的相互影响进行了研究，模 拟露天边坡开挖过程对边坡与地下采空区的影响，得到了各部开挖过 程中边坡与采空区的应力、应变与塑性区分布以及边坡的安全系数。 对工程上常用来估算地下洞室顶板安全厚度的简支梁与固支梁 模型进行了改进，应用结构稳定理论，考虑地下洞室水平应力对安全 顶板厚度的影响，分别建立集中力与均布荷载作用下改进的简支梁与 固支梁模型。对改进的梁模型考虑岩石本构关系的影响，将岩石视为 理想弹塑性材料，建立了改进梁模型的广义弯矩一曲率一轴力关系，并 采取假设挠曲线的近似解法得到了最大承载力的广义弯矩一轴力一侧 向均布荷载的相关方程。运用裂隙张量理论，将岩体中的裂隙看作初 始损伤，对含随机分布裂隙的顶板岩体进行了分析，推求了裂隙岩体 的等效变形模量和等效泊松比，研究裂隙密度对地下洞室顶板厚度的 影响。 应用突变理论建立了地下球形洞室与地下巷道式洞室顶板的突 变模型，得到地下洞室顶板失稳破坏的必要条件与充分条件。经过分 析可知，地下洞室顶板安全厚度与岩石弹性模量、泊松比、洞室跨度、 自重以及板顶荷载与板端水平应力有关。 将顶板上车辆荷载视为简谐荷载，研究在车辆简谐荷载作用下顶 板的动力响应，得到了在匀速移动的车辆简谐荷载下，考虑基本振型 时，共振发生在q ：q 。，动力放大因子将取决于车辆移动的速度。在 一般阻尼情况下，动力放大因子取决于阻尼比直的大小，匀速移动车 辆荷载作用下动力响应只有固定于跨中的车辆荷载作用下的动力响 应的一半。建立了车队荷载作用下，地下洞室项板失稳的突变理论模 型，得到了项板失稳破坏的充要条件。将地下洞室顶板视为单向厚板 或矩形厚板，在车辆荷载作用下进行了动力学分析，分析了不同边界 条件的影响，得到了在车辆振动荷载作用下顶板的动力放大系数。 采用f l a c 3 d 软件与强度折减理论对地下采空区的顶板厚度与稳 ，定性进行了分析，并且研究了地下采空区的采高与跨度对项板厚度的 影响。针对瓮福磷矿穿岩洞矿段地下转露天开采中的地下采空区与露 天边坡，采用s u r p a c 软件建立了地下采空区的三维地质模型，编 制了模型与f l a c 3 d 的接口程序，将三维模型导入f l a c 3 d 计算程序， 在边坡与空区设置监测点，研究分析地下采空区与露天边坡之间的相 互影响。 本文立足于学科前沿，运用最新数学计算方法和手段，对地下洞 室与边坡的相互影响进行了深入研究，具有较高的理论和应用价值。 关键词地下洞室，边坡，顶板厚度，稳定性分析，车辆动力分析， 数值计算 a b s t r a c t u n d e r g r o u n dc a v e r ni n c l u d et h en a t u r a lu n d e r g r o u n dv a c a n ta r e a s ( f o re x a m p l e ，k a r s tc a v e ) ，u n d e r g r o u n dm i n e da r e af o r m e di nt h em i n e p r o d u c t i o np r o g r e s sa n da r t i f i c i a lc a v e r nb e c a u s eo fm a n u a le x c a v a t i o n ( f o re x a m p l e a i rd e f e n s ec a v ea n dt u n n e l ) t h er e s e a r c ho fi n f l u e n c e b e t w e e n u n d e r g r o u n dc a v e r n a n d s l o p ea p p e a r sa l o n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt o t h ef o r m e d s e q u e n c eo ft h eu n d e r g r o u n dc a v e r na n ds l o p e ，t h er e l a t i o n s h i po ft h e m c a nb ed i v i d e di n t ot w oc o n d i t i o n s t h ef i r s tc o n d i t i o ni st h a tt h e u n d e r g r o u n dc a v e r nh a de x i s t e db e f o r et h es l o p ee x c a v a t i o n s u c ha st h e m i n e du n d e r g r o u n da r e au n d e rt h ee x c a v a t i o ns l o p ei nt h ec a s eo f u n d e r g r o u n dm i n i n gc o n v e r t e dt os u r f a c em i n i n g t h es e c o n dc o n d i t i o n i st h es l o p eh a de x is t e db e f o r et h eu n d e r g r o u n dc a v e r nf o r m e d s u c ha s t h et u n n e le x c a v a t i o ni nm o u n t a i n o u sa r e a s t h er e s e a r c ho fi n t e r a c t i o n b e t w e e nt h eu n d e r g r o u n dc a v e r na n ds l o p ec a nb ed i v i d e di n t ot w o a s p e c t s t h eo n ea s p e c ti st h ei n f l u e n c eo fu n d e r g r o u n dc a v e r no ns l o p e ， t h eo t h e ra s p e c ti st h ee f f e c to fs l o p ee x c a v a t i o no nu n d e r g r o u n dc a v e r n i na d d i t i o n t h eo t h e ri m p o r t a n tp r o b l e mw h i c hi sr e s u l tf r o mt h er e l a t i v e t e r t i a r yl o c a t i o no fu n d e r g r o u n dc a v e r na n ds l o p ei st h es a f e t yr o o f t h i c k n e s so fu n d e r g r o u n dc a v e r n t h es a f e t yr o o ft h i c k n e s sr e l a t e st ot h e s a f e t ya n dn o r m a lo p e r a t i o no fu n d e r g r o u n dc a v e r na n de v e nd e t e r m i n e s t h es t a b i l i t yo fs l o p e i nt h i sp a p e lt h ea u t h o rs t u d i e dd e e p l yt h ei n t e r a c t b e t w e e nt h eu n d e r g r o u n dc a v e r na n ds l o p ea n dt h es a f e t yr o o ft h i c k n e s s c o m b i n i n gw i t ht h et h r e ep r o j e c t s ：t h ep r o j e c ts u p p o r t e db yh u n a n p r o v i n c i a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a “( 0 7 j j 6 0 8 4 ) d o c t o r a l s u b j e c ts p e c i a lf u n do fu n i v e r s i t yi nc h i n a ( 2 0 0 6 0 5 3 3 0 7 l 、la n dt h e p r o je c ts u p p o r t e db yh o n g f uc o m p a n yo fg u i z h o up r o v i n c e t h e i n f l u e n c er e s e a r c h o fu n d e r g r o u n dm i n e da r e ao ns u r f a c em i n i n go f w r e n f up h o s p h a t em i n e t h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t h ec a l c u l a t i o nm o d e l sw e r eb u i l tw h i c hw e r ea p p l i e dt ot h e a n a l y s i so fd e e p b u r i e da n ds h a l l o w - b u r i e dr o c kc a v e r nu n d e rt h es l o p e t h er o u n ds h a l l o w - b u r i e dc a v e r n ss t r e s sa n a l y t i cs o l u t i o nw a sd e r i v e d b ye l a s t i c i t yt h e o r ya n dc o m p l e xf u n c t i o nm e t h o d ，t h ed e e p b u r i e d c a v e r nw a sr e g a r d e da sas t r e s sc o n c e n t r a t i o np r o b l e mo fb i a x i a l c o m p r e s s i o ni n f i n i t ep l a t ep o l ea n dt h ea n a l y t i cs o l u t i o no fs t r e s sw a s i i i g o t t e n f o rc o m p l e xs h a p er o c kc a v e r n ，t h ec h r i s t o f f e l - s c h w a r zi n t e g r a l ， a p p r o x i m a t em e t h o do rn u m e r i c a lm e t h o dw e r eu s e dt oa n a l y z et h e s t r e s sa n ds t r a i n t h ei n t e r a c tb e t w e e nt h eu n d e r g r o u n dm i n e da r e aa n dt h es l o p ei n w e n f up h o s p h a t em i n ew a sr e s e a r c h e da n da n a l y z e db ye l a s t o 。p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o do fl o w i n gm a t e r i a l ss t r e n g t hs a f e t yf a c t o ru s i n g m yo w n t w o d i m e n s i o n a lf e mp r o g r a m t h ee f f e c to ft h eu n d e r g r o u n d m i n e da r e aa n dt h eo p e np i ts l o p ew a ss i m u l a t e di nt h es l o p ee x c a v a t i o n p r o c e s sa n dt h es t r e s s ，t h es t r a i n ，t h ed i s t r i b u t i o no fp l a s t i cz o n ea n dt h e s a f e t yf a c t o ro ft h eu n d e r g r o u n da r e aa n dt h es l o p ew e r eg o t t e nb y a n a l y s i s t h em o d e lo f s i m p l ys u p p o r t e db e a ma n dt h em o d e lo f c l a m p e d c l a m p e db e a mw h i c ha r eo r e na p p l i e dt oe s t i m a t et h es a f e t y r o o ft h i c k n e s so ft h eu n d e r g r o u n dc a v e r nw e r ei m p r o v e db yc o n s i d e r i n g t h ei n f l u e n c eo fh o r i z o n t a ls t r e s so fb e a me n do ns a f e t yr o o ft h i c k n e s s t h ei m p r o v e db e a mm o d e l sw e r eb u i l to nt h ec o n d i t i o no fc o n c e n t r a t e d f o r c ea n du n i f o i t nl o a da c t i n go nt h eb e a mb ys t r u c t u r a ls t a b i l i t yt h e o r y t h er o c kw a sl o o k e do na sp e r f e c t l ye l a s t i c p l a s t i cm a t e r i a la n dt h e r e l a t i o n s h i p o ft h e g e n e r a l i z e d m o m e n t c u r v a t u r e a x i a lf o r c ew a s e s t a b l i s h e da n dt h e e q u a t i o n o ft h e g e n e r a l i z e d m o m e n t a x i a l f o r c e 。l a t e r a lu n i f o r ml o a dw a sb u i l tt h r o u g ht h ea p p r o x i m a t es o l u t i o n m e t h o di nw h i c ht h eb e a md e f l e c t i o nc u r v ew a sa s s u m e d f o rf r a c t u r e d r o c km a s s t h ef r a c t u r eo f r o c kw a sr e g a r d e da si n i t i a ld a m a g e t h er o o f r o c km a s sw i t hr a n d o md is t r i b u t i o nf r a c t u r ew a sr e s e a r c h e d ，t h e e q u i v a l e n td e f o r m a t i o nm o d u l ea n dt h ep o i s s o nr a t i oo ff r a c t u r er o c k m a s sw e r ed e d u c e da n dt h ee f f e c to ff r a c t u r ed e n s i t yo nt h er o o f t h i c k n e s sw a sa n a l y z e d t h ec a t a s t r o p h em o d e l so fu n d e r g r o u n ds p h e f i c a lc a v i t ya n dt u n n e l w e r ee s t a b l i s h e dw i t hc a t a s t r o p h e t h e o r ya n dt h en e c e s s a r y a n d s u 伍c i e n tc o n d i t i o no fr o o ff a i l u r ew a sd e r i v e d t h ea n a l y s i ss h o w st h a t t h eu n d e r g r o u n dc a v e r nr o o ft h i c k n e s si sr e l a t e dt or o c ke l a s t i cm o d u l a r , p o i s s o nr a t i o ，c a v e r ns p a n ，r o o fd e a dw e i g h t ，t h el o a da c t i n go nt h er o o f a n dh o r i z o n t a ls t r e s so f r o o fe n d t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fr o o fo nw h i c hv e h i c l el o a da c tw a s r e s e a r c h e dr e g a r d i n gt h ev e h i c l el o a da sh a r m o n i cl o a d t h ec o n c l u s i o n s s h o wt h er e s o n a n c eh a p p e n sw h e n 国l = q 。a n dt h ed y n a m i ca m p l i f c a t i o n f a c t o rd e p e n d so nt h ev e h i c l ev e l o c i t y t h ev i b r a t i o nr e s p o n s ei sl a r g e r w h i l et h ed r i v i n gv e l o c i t yi ss l o w e rw h e nt h ev e h i c l ed r i v e so nt h er o o f i v w i t ht h es a m ev e l o c i t yo n l yc o n s i d e r i n gt h em o d e l sb a s i cv i b r a t i o nt y p e o nt h ec o n d i t i o no fg e n e r a ld a m p i n g ，t h ed y n a m i ca m p l i f i c a t i o nf a c t o r d e p e n d so nd a m p i n gr a t i o ( 卣) a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s ew h e nt h e v e h i c l ed r i v eo nt h er o o f w i t ht h es a m ev e l o c i t yi so n l yh a l fd y n a m i c r e s p o n s ew h e nt h ev e h i c l ei sf i x e dt ot h er o o fm i d s p a n t h ec a t a s t r o p h e t h e o r ym o d e lo fr o o ff a i l u r ew a sb u i l tw h e nt h ev e h i c l ep l a t o o na c t so n t h er o o fa n dt h en e c e s s a r ya n ds u f f i c i e n tc o n d i t i o no ft h er o o ff a i l u r e w a sd e f t v e d i no r d e rt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fc a l c u l a t i o nm o d e l t h e r o o fw a sl o o k e do na su n i d i r e c t i o n a l l yo rr e c t a n g u l a rt h i c kp l a t em o d e l a n dt h er o o fd y n a m i cr e s p o n s ew a sc a l c u l a t e d ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n t b o u n d a r yc o n d i t i o n sw a sa n a l y z e da n dt h ed y n a m i ca m p l i f i c a t i o nf a c t o r w a sg o t t e nw i t ht h ev e h i c l ev i b r a t i o nl o a d t h eu n d e r g r o u n dm i n e da r e a sr o o fs a f e t yt h i c k n e s sa n di t ss t a b i l i t y w e r ea n a l y z e db yu s i n gf l a c 川m e t h o da n dl o w i n gm a t e r i a l ss t r e n g t h s a f e t yf a c t o rm e t h o d t h ei n f l u e n c eo ft h eu n d e r g r o u n dc a v e r n sm i n i n g h e i g h ta n di t ss p a no nt h es l o p e ss t a b i l i t yw a sc a l c u l a t e d t a k i n gt h e u n d e r g r o u n dm i n e da r e aa n ds u r f a c i n gs l o p ei nt h ew e n f um i n ef o r e x a m p l e t h e3 dg e o l o g i c a lm o d e lo ft h eu n d e r g r o u n dm i n e da r e aw a s e s t a b l i s h e dw i t hs u r p a cs o f t w a r e t h ei n t e r f a c ep r o g r a mo ft h em o d e l t of l a c j uw a sw r i t t e na n dt h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sm o n i t o r i n g p o i n t sw e r es e ti n t h eu n d e r g r o u n dm i n e da r e aa n dt h es l o p e ，t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e mt h eu n d e r g r o u n dm i n e da r e aa n do p e np i ts l o p ew a s r e s e a r c h e dw i t hi n t r o d u c e d3 d g e o l o g i c a l m o d e li n t of l a c c a l c u l a t i o np r o g r a m s t o o da tt h ef r o n to fs c i e n c e r e s e a r c h t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n u n d e r g r o u n dc a v e r na n dt h es l o p ei ss t u d i e di nt h ea u t h o r sd i s s e r t a t i o n u s i n gn e w l yn u m e r i c a lm e t h o d sa n dm e a n si nt h ec o u r s eo fr e s e a r c h w o r k i ts h o w sa h i g ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s u n d e r g r o u n dc a v e r n ，s l o p e ，r o o ft h i c k n e s s ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ， v e h i c l ed y n a m i ca n a l y s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 嗍一砂尹 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名 嗍趟年卫月产日 博： ：学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 地下洞室包括各类天然形成的地下空区( 溶洞等) 、矿山生产过程中形成的 地下采空区以及人工开挖形成的各类洞室( 如人防洞、隧道等) 。地下洞室与边 坡的相互影响问题是随着工程建设的丌展而出现的，比如：矿山由地下转为露 天丌采，以前修筑的大量地下洞室及回采巷道等地下采空区与露天矿边坡开挖 之间的相互影响问题；又比如在路桥工程、水利工程等领域的边坡中，地下洞 室( 如隧道、溶洞等) 的存在与开挖造成边坡地表的塌陷与边坡失稳，而边坡的 开挖与扰动又影响地下洞室的稳定等等【m 】。地下洞室与边坡的相互影响问题可 以分为两个方面来研究：一方面是地下洞室的存在对边坡稳定的影响；另一方 面是边坡施工对地下洞室稳定性的影响。 影响地下洞室与边坡稳定的因素很多，概括地说，主要可分为内在因素和 外部因素。其中内在因素包括地下洞室周围与组成边坡的岩土体的地层岩性、 地质构造、岩体结构等。这些因素的影响是长期而缓慢的，是洞室与边坡变形 破坏的先决条件。它们决定了洞室与边坡变形的形式和规模，对地下洞室与边 坡的稳定性起着控制作用。而外部因素则包括风化作用、水文地质、振动、边 坡形态、人类的工程作用以及气象条件、植物生长等等【 8 1 。这些因素对地下洞 室与边坡变形和破坏的影响比较明显和迅速，它们通过内在因素对洞室与边坡 的稳定性起着破坏作用。根据地下洞室与边坡存在的先后顺序将地下洞室与边 坡的关系分为以下两种情况。 l 、地下洞室先于边坡存在。地下洞室可能是天然形成的溶洞，也可以是人 工丌挖形成的地下采空区。在边坡丌挖前，地下洞室已经形成，经过相当长的 一段时间，岩体达到稳定，地下空区的变形也基本趋于稳定。这时，如果进行 边坡开挖，工程扰动必将改变地下洞室周围的应力状念，对洞室的稳定产生影 响。反过来，在进行边坡稳定性分析时，也必须考虑地下洞室的形态、规模及 空间位置等因素对边坡稳定性的影响。在我国许多露天矿中，大量非法开采所 形成的采空塌陷区对露天矿边坡的稳定性造成严重的影m 有的甚至干扰了矿 山的正常生产秩序，如：甘肃白银有色金属公司的厂坝铅锌矿为国内罕见的高 陡边坡【9 】，1 9 9 6 年，由于地下采空区的影响发生过特大掉铲埋钻事故，造成了 博+ 学位论文第一章绪论 巨大的经济损失；1 9 9 7 年8 月，中铝河南公司夹沟铝矿【l o 】，采场西部3 0 0 米水 平( 采矿阶段) 下部矿区突然塌陷，f 在作业的一辆剥土车掉进采空区内，1 9 9 9 年9 月，局部边坡由3 2 0 米3 0 0 米水平出现滑坡，边坡完整性遭到破坏，给生 产带来很大的影响和损失；另一方面，许多五、六十年代建成的地下矿，如江 西铜业公司银山铅锌矿【l l 】、洛阳栾川钼业集团矿山公司三道庄矿团1 2 彤】、福建 省上杭县紫金山金矿【1 4 。16 1 、甘肃省玛曲县格尔珂金矿【1 7 】等，由地下开采转为露 天开采，原来修筑的大量地下洞室及回采巷道在露天矿边坡开挖过程中产生了 局部塌陷。 2 、边坡先于地下洞室存在。已经存在的边坡由于地下洞室的开挖，开挖区 周围岩土体的应力将会重新分布，开挖区的应力释放与变形必将对边坡稳定产 生影响，反过来，边坡的形态、特征以及与地下洞室之间的相对位置也必将影 响地下洞室的稳定性。山区公路浅埋隧道开口段的施工是这种类型的地下洞室 影响边坡稳定性的典型实例。近年来，随着国家基建重心向西部转移，在铁路 和公路建设中都出现了较大比重的山区隧道。隧道的增多对铁路和公路工程的 施工增加了很多的困难，特别是隧道进口段往往是地质条件最为复杂的地段， 大都为浅埋，容易塌方，而且仰坡开挖又破坏了山体原有平衡，往往会造成边 坡的不稳定。1 9 9 9 年4 6 月，龙岩漳龙高速公路乌石山隧道右线进口在施工中 了发生了山体滑坡。2 0 0 3 年3 月，当时正在建设中的国家重点工程徽杭高速公 路的竹岭隧道西洞口在施工过程中发生滑坡。2 0 0 4 年1 月，万丌高速公路南山 隧道施工中，隧道口处在一个古滑坡体上，由于丌挖路基的扰动和频繁降水， 沉睡了数万年的滑坡体在隧道进洞时被“激活”了，边坡挖一点塌一点，坡顶也 出现了大面积开裂。2 0 0 4 年8 月，襄十高速公路徐家湾隧道口突发山体滑坡， 造成交通堵塞5 个小时。 此外，根据地下洞室与边坡的相对空间位置还会带来另外一个十分重要的 问题，即地下洞室顶板的安全厚度问题。顶板的安全厚度关系到地下洞室的安 全与j 下常运营，甚至关系边坡的稳定。在我国，许多露天矿的大量非法开采形 成了错综复杂的采空塌陷区，在生产过程中，随着边坡的剥离，地下采空区与 边坡面地表逐步接近，地下采空区顶板的厚度逐步减小，一旦顶板厚度小于最 小安全厚度，在机械荷载、岩土体自重及地下水等的作用下，就会在边坡面上 形成塌陷，对生产造成严重的影响，甚至干扰矿山的正常生产秩序。另外，在 路桥、水利等其它工程领域的边坡开挖中，也会因为一些非人为因素形成的地 下洞室( 如溶洞等) 而造成边坡面台阶的塌陷及其它安全事故。对于这些工程 来说，合理的确定地下洞室顶板的安全厚度具有十分重要的意义，既可以保证 洞室的安全，又可以确保边坡坡面台阶甚至整个边坡的稳定。 2 博十学侮论文 第一章绪论 目前，国内外单独对地下洞室稳定与边坡稳定性的研究很多，产生了许多 的新理论、新方法，得到了很多有意义的成果。但将两者结合起来考虑地下洞 室与边坡之间的相互影响，目前研究较少。本文结合湖南省自然科学基金资助 项目“g f r p 锚杆加固岩质边坡基本理论与设计方法研究( 0 7 j j 6 0 8 4 ) 与高等 学校博士点学科专项基金项目“复杂岩体边坡最危险滑动面的滑移线分条自动 搜索研究”( 2 0 0 6 0 5 3 3 0 7 1 ) 以及贵州宏福实业开发有限总公司“瓮福磷矿穿岩洞 矿段地下转露天开采中地下采空区对露天开采的影响研究”等研究课题，对地 下洞室与边坡之间的相互影响以及顶板安全厚度进行研究。 1 2 国内外研究现状与进展 1 2 1 地下洞室稳定性研究现状 地下洞室的稳定性分析主要包括洞室的整体稳定性分析和洞室局部块体的 稳定性分析。进行整体稳定性评价的方法主要有工程地质类比法、岩体结构分 析法、岩体稳定性力学分析法和模拟试验法，其中模拟试验法包括物理模拟和 数值模拟。局部块体的稳定性分析主要研究各种类型的结构面相互切割形成的 可能失稳块体，其评价方法主要有赤平投影块体稳定性分析、块体稳定的坐标 投影方法和块体结构的矢量解析法和基于关键块体的稳定性分析【l8 1 。 ( 1 ) 工程地质类比法 工程地质类比法是根据拟建地下洞室的工程地质条件、岩体特性和动态观 测资料结合具有类似条件的已建工程，丌展资料的综合分析和对比，从而定性 的判断工程区岩体的稳定性。如目前普遍使用的r q d 分类，r m r 分类【l 弘2 0 1 ，q 系统分类【2 1 之2 1 z 系统分类【2 3 】等，都是工程地质类比法在地下洞室稳定性评价的 具体应用。 ( 2 ) 解析法 应用解析法求解洞室围岩稳定性问题时，通常采用弹性与弹塑性两种方法， 将围岩体视为各向同性的连续介质，按平面应变考虑。针对圆形洞室，洞室围 岩弹性、弹塑性状态下围岩形成的二次应力大小、围岩周边位移以及围岩塑性 区变化范围等已有相应的计算公式【2 4 彩】。对于其它形状( 如矩形、马蹄形等) 洞室，可通过复变函数法求取近似解。钱伯勤推导出单孔无限域应力函数的通 式，王润引2 6 。2 7 1 提出了一种保角映射法并编制了相应的微机程序，范广勤等【2 8 】 应用三个绝对收敛级数相乘法求解非圆形洞室的外域映射函数，吕爱钟【2 9 】提出 了应用最优化技术求解任意截面形状巷道映射函数的新方法，朱大勇等【3 0 。3 1 】， 3 博十学位论文第一章绪论 提出了一种新的可以求解任意形状洞室映射函数的计算方法，并将其用于复杂 形状洞室围岩应力的弹性解析分析。刘保国、杜学东【3 2 】用解析方法分析推演了 圆形隧洞围岩与支护结构之间相互作用的时效规律，房营光、孙钧【3 3 】采用解析 法研究地面荷载下浅埋圆形隧道围岩的粘弹性应力和变形问题。梁建文等【3 4 弓5 】 研究了平面s v 波入射地下洞室动力响应解析解。于学馥 3 6 】运用连续介质理论 和简单的力学计算，分析巷道的稳定性，建立了轴比的概念，从轴比的变化中 认识围岩稳定的规律。 ( 3 ) 数值模拟法 数值分析方法是解决岩土体工程问题的有效工具之一【3 7 1 。常用的数值方法 有：有限差分法( f l a c ，f d m ) 、有限元( f e m ) 、块体元法、界面元法、随机有 限元法、边界元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 、不连续变形分析法( d d a ) 、无单 元法( e f m ) 、流形元法等，这些方法在地下洞室和边坡稳定分析中取得较好的 应用效果。 有限单元法的迅速发展使得对岩体结构的考虑已经从单一的模式发展为可 考虑软弱央层、错动带、节理裂隙，大变形、岩体移动以及弹塑性、粘弹塑性、 断裂损伤、流变等。在国外很多学者在这方面作出了很大的贡献，如a n n a m a r i a c i v i d i n i 、e c k a l k a n i 、m h i s a t a k e 、t e s a k i u 、j c s m a l l 、s k c h o i 。随后， 在国内也涌现出了大量相关的研究成果【3 卯。 离散单元法假定岩体是由大量裂隙分割开的岩块沿各裂隙面“堆砌 而成， 然后运用牛顿第二定律计算组成边坡的各“岩块 在自重和外荷载作用下随时 间而变化的加速度、速度和位移，其基本假设是岩体为离散介质和岩体可以沿 节理裂隙等结构面产生滑动和转动。c u n d a l lp a 【4 6 】和h a r tr 是国际上较有影响 的先驱者，并成功地丌发出了相应的二维和三维计算程序；在国内，裴觉民， c f a i r h u r s 4 7 】用离散元方法对块状岩体中的地下洞室进行了稳定性分析；周晓青 等【4 8 】与金峰等【4 9 】利用离散元与边界元耦合模型对地下洞室群静、动力响应进行 了研究；王涛等【5 0 。5 1 】利用三维离散元方法以及3 d e c 与3 d g i s 研究了地下洞室 群围岩的稳定性。 f l a c 是连续介质快速拉格朗同差分分析方法( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so f c o n t i n u a ) ，主要用于模拟由岩土体及其它材料组成的结构体在达到屈服极限后 的变形破坏行为。f l a c 方法在计算中使用了“混合离散化”技术，使用全过 程动力运动方程，采用“显式差分求解方法，在某种程度上克服了有限元和 离散元不能统一的矛盾。近些年来，f l a c 软件被介绍到国内，在岩土工程中 得到了广泛应用，解决了许多实际问题，在地下洞室的稳定性研究方面也取得 了很多成果。盛谦【5 2 埏；用显式有限差分法的基本原理与求解方法，给出地下洞 4 博士学位论文第一章绪论 室与边坡稳定分析的两个工程应用实例，梁海波等【5 3 】介绍了f l a c 在我国水电 工程中的应用实例，李仲奎【5 4 1 、杨典森【5 5 】运用f l a c 3 d 对地下洞室群进行了分 析，李海波【5 6 】用f l a c 3 d 初步分析了地震荷载作用下埋深、洞室形状、地应 力特征对地下岩体洞室位移特征的影响，陈帅宇【5 7 1 、张练【5 8 1 、曾静5 9 1 、朱维申 6 0 1 采用f l a c 方法研究了地下厂房的稳定性。 流形方法是由石根华等人于近年发展的一种新的数值分析方法。这种方法 以拓扑学中的拓扑流形和微分流形为基础，在每一个覆盖上建立独立的位移函 数，将所有的独立覆盖函数加权求和，即可得到总体的位移函数，然后根据总 势能最小原则，建立可以用于处理包括非连续和连续介质的耦合问题、小变形、 大位移、大变形的位移求解格式。它是一种具有一般形式的通用数值方法。董 志宏等 6 1 - 6 2 】将数值流形方法应用到地下洞室的稳定性研究与锚固支护的模拟当 中，取得了较好的效果。 另一种较常用的数值分析方法是边界单元法