（岩土工程专业论文）岩体隧道锚固作用的数值模拟分析与工程应用.pdf

擒要 锚杆支护在岩体地下隧道的施工加固中得到了广泛的应用，但目前岩体 隧道的支护设计大多采用工程类比法及半理论、半经验的方法，因此存在许 多理论和机理方面的研究工作。本文拟对岩体隧道的锚固效应进行数值模拟 计算和分析研究工作。以往的数值模拟计算往往未对隧道围岩的旆工扰动损 伤程度作定量化处理，即在计算中忽略了旋工扰动损伤对围岩力学性质的影 响。围岩松动圈的厚度虽然有人测定过，但松动圈的力学参数的折减程度则 较少被定量化，并在计算分析中用于定量化地考虑施工过程对隧道围岩力学 性质的影响，因此这种施工扰动经常在计算分析中被忽略不计。本文首先从 岩体地下隧道的常用施工方法一新奥法入手，分析了岩石隧道围岩的主要力 学特点及锚杆在岩体地下隧道中的加固机理。然后推导了围岩松动圈的各种 力学参数，分析确定了松动圈的各项力学指标的折减变化情况。在算例中按 是否考虑松动圈力学参数变化两种情况，分别计算了岩体隧道在不同载荷下 锚杆施工前后的力学状况与锚固效果。计算结果表明了考虑松动圈力学参数 的变化不仅对评介围岩的稳定性是必要的，而且从另一个侧面说明了岩体隧 道旌工中控制爆破是至关重要的。同时本文还利用算例对比分析了锚杆对隧 道围岩稳定的影响，分析了锚杆对岩体隧道稳定和变形所起的作用，以及隧 道松动圈经锚杆加固后的力学性能改善情况。最后本文按是否考虑松动圈力 学参数变化两种情况对工程实例进行了应力变形的计算分析，并对支护参数 进行了一定程度的优化，从数值分析的角度对新奥法锚固机理进行分析和研 究。 关键词地下隧道，锚杆支护，锚固效应，爆破松动圈，数值模拟 a b s t r a c t a n c h o r i n gs u p p o r ti sw i d e l yu s e df o rt h ec o n s t r u c t i o ni nt h eu n d e r g r o u n d t u n n e l i nt h ep r e s e n tt h em e t h o d su s e dt od e s i g nt h er o c kt u n n e lw e r ea l m o s tt h e e n g i n e e r i n ga n a l o g i s m ，t h es e m i t h e o r t i ca n dt h es e m i e m p i r i c a lm e t h o d t h e r e a r em a n yw o r k st od of o ra l l c h o r i n gt h e o r ya n da n c b o r i n gm e c h a n i c s i nt h i s w e r kt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h ea n c h o r e de f f e c to ft h er o c kt u n n e la n da l s o t h et h e o r ys t u d yi sd o n e i nt h ep r e v i o u sn u m e r i c a ls i m u l a t i n gc o m p u t a t i o n ，c o n s t r u c t i o nd i s t u r bd a m a g e l e v e t ot h et u n n e ie n c l o s i n gr o c k u dn o tb eq u a n t i t a t i v e l yv a l u e d 而a j s 沁 s a yi n t h ec o m p u t a t i o nt h ee f f e c to ft h ec o n s t m c t i o nd i s t u r bd a m a g et o m e c h a n i c a lp a r a m e t e ro ft h ee n c l o s i n gr o c kw a sn o tc o n s i d e r e d t h et h i c k n e s so f t h ee n c l o s i n gl o o s el o o pw a sm e a s u r e db e f o r e ，h o w e v e r , t h er e d u c t i o nd e g r e eo f l o o s i n gl o o pm e c h a n i c a lp a r a m e t e r ss e l d o mq u a n t i t a t i v e l yd e t e r m i n e d ，s ot h e c o n s t r u c t i o nd i s t u r bw a si g n o r e du s u a l l yi nt h ec o m p u t a t i o na n a l y s i s i n t h i sw e r k ，t h r o u 曲t h em a j o rc o n s t r u c t i o nm e t h o d n a mf o r u n d e r g r o u n dr o c kt u n n e l ，r o c kt u n n e le n c l o s i n gr o c km a j o rm e c h a n i c a lf e a t u r e s a n du n d e r g r o u n dt u n n e ia n c h o r i n gm e c h a n i c sa r ea n a l y z e d t h e ne n c l o s i n gr o c k l o o s i n gl o o pd i f f e r e n tm e c h a n i c a lp a r a m e t e ri sd e d u c e d a n a l y z e da n d d e t e r m i n e dt h el o o s i n gl o o p sr e d u c t i o no fd i f f e r e n tm e c h a n i c a lt e r m s i nt h ec a s e s t u d y , c o n s i d e r i n gt h a tt h el o o s i n gl o o pm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ec h a n g e do rn o t ， t h em e c h a n i c a lc o n d i t i o na n da n c h o d n ge f f e c ta r ei n d i v i d u a l l yc o m p u t e df o r r o c kt u n n e li nd i f f e r e n t1 0 a dc o n d i t i o n sb e f o r ea n da f t e ra n c h o r i n gc o n s t r u c t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tc o n s i d e r a t i o no ft h ec h a n g eo fl o o pm e c h a n i c a l p a r a m e t e r i sn o to n l yn e c e s s a r yt oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo fe n c l o s i n gr o c k ，i nt h e o t h e rh a n dt h ec o n t r o l l e db l a s t i n gi sv i t a li nt h er o c kt u n n e lc o n s t r u c t i o n i nt h e s a m et i m e ，b yu s i n gt h ec a s ec o n t r a s tm e t h o d ，t h ee f f e c to fa n c h o r i n gt ot h e s t a b i l i t yo fr o c kt u n n e ii sa n a l y z e d a n dt h ei m p r o v e m e n to ft h et u n n e li o o s i n g l o o pm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa f t e ra n c h o r e di sa n a l y z e d f i n a l l yt h et w oc o n d i t i o n s t h a tc o n s i d e r e di ft h e r ei sc h a n g ef o rt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e ro fl o o s i n gl o o p t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o na r ec o m p u t e da n da n a l y z e d t os o m ee x t e n tt h e s u p p o r t i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d i nt h en u m e r i c a la n a l y s i s ，n a ma n c h o r i n g m e c h a n i c sa r ea n a l y z e da n ds t u d i e d k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dt u n n e l ，a n c h o r i n gs u p p o r t ，a n c h 0 6 n ge f f e c t ，b l a s t i n gl o o s el o o p ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的理论意义和工程意义 岩体在自然形成过程中由于地壳的形成而赋存应力，又经历多次地质 构造运动，使得岩体在各种物理力学效应的显现和传播上都显示出复杂的非 连续性、非均匀性及各向异性。反复的地质构造运动和复杂的地壳应力场破 坏了岩体的完整性和连续性，在岩体中产生许多裂隙、节理和断层，对沉积 岩和由沉积岩变成的变质岩，还有层理和层面。岩体就是由许多这样的结构 面和被其切割的岩块组成的岩体结构。其力学性能则是由岩石材料和各种裂 隙的力学效应的综合反映，岩体中的裂隙和节理有连续的，也有非连续的。 而非连续裂隙在某种适当的条件下，如长期风化、温度或应力变化，又有可 能变成连续贯通的。另外，工程范围内的裂隙岩体由于受到荷载的作用而应 力场发生改变，也会造成岩体中各种裂纹的形成、扩展或汇合，从而对岩体 的力学性质产生很大影响，导致岩体材料性能的逐渐劣化直到最后破坏。大 量工程实践表明：岩石边坡和大型洞室开挖等工程的失稳破坏都与其内部节 理或裂隙扩展贯通有关。：亡程：实践中人们不得不采取加固岩体的措施来保证 工程的可靠和安全运行，锚杆是岩土工程的主要加固构件之一。 岩土工程锚固技术( a n c h o r i n gt e c h n i q u e si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) 是岩土工程领域的一个重要分支。随着人们对岩土工程研究和认识的逐步加 深，锚杆加固技术在岩土工程中的应用也越来越广泛。1 9 1 2 年美国首先在 阿伯斯莱森( a b e r s c h l e s i n ) 的费来顿( f r e i e d e n s ) 煤矿使用锚杆来支护顶 板。1 9 1 5 年又将锚杆用于加固金属矿山围岩。1 9 1 8 年西伯利安矿山使用锚 索支护，1 9 3 4 年阿尔及利亚的舍尔法重力坝加高工程使用预应力锚杆( 索) 加固坝体及坝基。发展到现在，人们已经开发出各种类型的岩锚6 0 0 余种。 我国岩石锚杆起源于5 0 年代后期，当时京西矿务局安滩煤矿、河北龙烟铁 矿等单位使用了楔缝式锚杆支护矿山巷道。进入6 0 年代，我国开始在矿山 武汉理工大学硕士学位论文 巷道及边坡整治工程中大量应用普通砂浆锚杆与喷射砼支护。仅据中国煤炭 和冶金矿山井巷工程使用锚杆的不完全统计，自1 9 5 8 年至1 9 9 2 年的3 4 年 中，累计使用的锚杆( 索) 量长达3 x 1 0 4 k m 以上，年使用量超过1 7 0 0 k m 。 近年来我国扩大基础设施建设规模，大量的锚杆( 索) 被应用到深基坑、高 边坡及隧洞的加固处理上。 岩石锚杆加固支护技术从控制论观点看是一种主动控制措施，比修筑衬 砌支护或削坡减载等被动控制措麓构思新颖，思想先进，它充分挖掘岩体的 自身潜力，利用岩体进行加固或改进，使一定范围的岩体成为工程结构不可 分割的一部分，从而大大减少工程结构形体，保证结构的稳定和安全。据统 计，以锚杆( 索) 支护取代传统的纯砼衬砌支护，加快支护进度约3 4 倍， 节约劳动力5 0 以上，省略大量模用木材和钢材，并节省砼用量4 0 ，降 低支护成本达4 5 。 虽然锚固技术成功应用到工程实践已经近一个世纪，但对于岩土锚固 理论还并没有完全研究清楚。其设计理论和计算方法都不够完善，还不能在 设计阶段采取合理的、科学的设计方法和锚固效果评价方法。大多数锚固工 程的设计仍采用工程类比或半理论、半经验的方法，这些理论和方法也都存 在着某些缺陷和不足之处。事实上，岩土锚固理论方面的研究已经远远落后 于工程实践。正如陈宗基教授所苦：“新舆法尽管已经获得了许多成功，然 其基础，即物理的过程还需进一步的澄清。在开挖复杂的隧道中考虑用喷浆、 钢丝网、锚杆和锚柱技术往往是有效补救措施，有些情况并没有根据此法的 基本原理事先进行分析，但也获得了成功，然而在其它条件下却又没有明确 的结果。况且有些在技术和经济上收效甚微，这就清楚地表明，迄今还没有 完全掌握此法的基本原理。”出现这种状况的根本原因在于：一方面是岩土 介质本身的复杂性和多样性，其真实的本构关系是随着其形成的地质年代、 分布区域、构造特征及其在具体工程中的空间位置、环境因素等多种条件而 变化的；另一方面是由于人们对锚固理论方面的研究部署还不够深入，还有 许多相关的作用原理没有完全清楚。 在这样的工程需求及理论背景下，较多地从不同的角度对岩土工程中的 应力和应变状况进行计算、分析、对比不仅可以为岩土工程理论的发展积累 2 武汉理工大学硕士学位论文 一定的数值分析依据，还可对指导实际的工程设计或施工提供参考。岩土工 程中的计算机数值模拟是1 9 6 2 年以来引入的。虽然由于岩体内在情况的极 度复杂性，当前最好的分析和数值方法在描述岩石变形的数量方面存在较大 的偏差，但我们可以从数值分析中得到具有内在不确定性和多变性的岩体力 学性质的定性的结论，即得到了对物理过程的总的了解。这种了解的价值对 岩土工程的设计而言是至关重要的。一旦内在的机理清楚了，工程师就可根 据预计条件的变化来进行设计，本文也正是出于这样的目的，拟在全长加固 锚杆的数值计算上做一些工作。本文从数值计算入手，推导出了岩体隧道松 动圈的力学参数，计算了岩体隧道在锚固前后的应力应变状况。给出了隧道 松动圈经不同长度的锚杆加固后的力学性能改善情况。最后本文对工程实例 进行了应力应变计算分析，并对支护参数进行了一定程度的优化，从数值分 析的角度对新奥法进行了一部分阐述。 1 2 课题研究现状及国内外文献综述 岩体的锚固技术包括两方面的内容：岩体未加固状态下的稳定性判断 及加固后的整体效果评估。但由于现实中的岩体是一种天然固体材料，经过 漫长的地质作用，岩体内存在许多节理和裂隙，这些地质结构面的存在，不 仅使岩体表现出不连续性，同时，它们在某些方向成组的出现，又使岩体性 质表现出各向异性。由于岩体结构的极度复杂性，锚杆支护技术目前仍只停 留在一种半经验的水平。本世纪7 0 8 0 年代，世界各国虽然都制定了自己的 锚杆施工技术规范，但是也把锚杆试验( 基本试验、适应性试验和验收试验) 摆在十分重要的位置，缺乏锚杆设计中的数值计算理论。锚杆设计中的参数 确定往往是根据经验公式得到的，计算起到的作用很小，谈不上作为设计的 主要依据。这种理论上的不成熟和锚杆使用需求量的日益增长是很不协调 的，如何进行反映客观实际的数值分析计算是国内外学者们共同思考的一个 难题。工程数值分析中一个重要的问题是如何建立反映岩体性态的本构模型 及选取相应的参数。 几十年来，我国学者在锚固技术方面做了大量的研究工作，取得了很 武汉理工大学硕士学位论文 大的进展。我国成功进行了长江三峡永久船闸的陡边坡加固、长江链子崖危 岩加固、云南漫湾电站左岸边坡加固等重大治理工程。对锚固技术在工程中 的实际应用起到了巨大的推动作用。 范秋雁、朱维申根据岩石和固岩的蠕变机理及软岩流变控制原则，建 立起了一个软岩最优计算方法，求出了轮岩支护的两个重要参数最小支 护力和围岩最大允许变形，最优支护可以达到新奥法提出的既安全又经济的 最佳支护状态。李宁、陈飞熊、赵彦辉“1 应用引进的大型岩土工程软件，对 群锚的加固机理与加固效果以及影响因素进行了系统的数值试验研究，对岩 体变形模量、砂浆强度、岩体c 、f 值、预应力吨位、锚杆( 索) 间距等重 要参数对锚固效果的影响作了分析，建立力学模型如下：( 1 ) 考虑锚索体的 柔度时用杆单元模拟自由段锚索体；( 2 ) 考虑锚索与砂浆结合体的抗剪、抗 弯刚度与强度时。用梁柱单元模拟锚固段锚索体；( 3 ) 用具有拉力不同弹性 模量的锚索单元模拟锚索在复杂应力状态下的性态；( 4 ) 对众多的系统锚索 ( 杆) 体。用等效集中力法模拟。邹志军、汪志林”1 通过模型试验，研究了 锚杆在不同岩体中的工作机理，考察了锚杆在不同弹性常数岩体中的锚固效 应，分析得出布锚对岩体力学性质即强度、变形及e 、c 、f 等的影响规律。 张永兴“1 在岩石边坡稳定性分析中根据分析方法的侧重点分别建立相应的 模型： 针对三维相似模型建立地质概化模型； 针对块体稳定分析建立块体一类层模型： 针对数值模型建立等效连续模型。 刘小兵、韩玉华”1 建立了支护位移与结构冈度之间的关系，并采用优 化手段不断调整结构刚度求出了合理的支护参数。 目前隧道设计还没有统一的模式。在国际隧道学会归纳的隧道结构设 计模型的基础上，从中国地下工程实际出发，我国目前隧道支护设计主要采 取以下四种模式： a 、荷载一结构设计模式 这种模式是假定已知地压荷载和地层对结构变形的约束力( 前者在浅 埋松散岩土荷载条件下为已知，后者均为假定) 的条件下，按弹性地基上杼 4 武汉理工大学硕士学位论文 件系统的结构力学原理进行衬砌内力计算，这种设计方法的概念与地面结构 设计相近，容易理解，计算也比较简单，受力明确，容易被设计人员接受， 具有一定的实用性。这个方法在一个相当长的时间内是我国中、小隧道及浅 埋隧道的主要设计方法。但经过长期实践发现，这种设计模式不能反映实际 情况，致使支护结构很厚，材料浪费很大。 b 、信息化设计模式 2 0 世纪6 0 7 0 年代，隧道支护设计原则己逐渐被新奥法取代，逐渐演 变出信息化模式，其特点是：隧道开挖后，把围岩和支护系统力学形态的变 化动态作为判定围岩稳定的依据，把施工监测所获得的信息加以处理并与工 程类比相结合，建立些必要的判断准则，据此利用量测结果进行现场反馈、 修改支护设计。这种设计、施工、现场量测为一体，并通过量测信息反馈进 行安全施工决策和支护系统设计的方法就是信息化设计方法。目前我国公 路隧道设计规范规定衬砌结构设计通过工程类比和结构设计算综合分析确 定。 c 、连续介质模型一岩石力学解析法和数值法 解析法难以适应隧道工程复杂的地质条件，目前应用较少。常用的数 值计算方法主要是岩石力学有限元法，其次是边界元法。 d 、典型类比分析法 典型类比分析法是当代新奥法隧道工程支护设计的一种新技术，是在 中国新奥法隧道工程实践经验基础上对信息化设计技术的应用和发展。在隧 道，于挖前，应用此法对围岩的变形特性与破坏形态作出定量分析和预测，在 施工中利用围岩量测数据进行位移反分析，修正设计，应用变形速率比值判 别法对围岩稳定性支护效果作出定量判别。 由于地质条件的千变万化，上述各种方法各有适用的场合和局限性， 因此重要隧道在进行支护结构设计时应对多种设计方法进行比较，经验方法 和理论方法综合应用。专家指出，对隧道支护这类尚不能完全弄清的复杂问 题来说，将经验与理论相结合，即半经验半理论的方法是科学的。地下结构 设计不能完全依赖计算，在目前的情况下很大程度上仍需依据经验和实测， 这是当今隧道工程支护设计最基本的指导思想和原则。 5 武汉理工大学硕士学位论文 国外在岩石锚固技术的研究方面起步较早。且进展较快，目前已利用 岩石锚固技术在岩石覆盖层厚度仅2 5 5 0 m 的条件下建成了跨度达6 1 m ，高 2 4 m 的地下体育馆。c f a i r h u s t 。1 采用计算机数值模拟，运用有限差分法开 发了“颗粒流”的数值程序，讨论了岩石锚固工程中包括连续介质和非连续介 质的二维和三维的各种情况。e b r o c h ，a m m y r r a n g ，g s t j e m “”对g i f v i k 奥林匹克山洞体育馆的支护系统进行了测量，并对测量成果进行了研究，得 出围岩锚固中长锚杆仅承受很低的荷载，大部分载荷由短锚杆承担。 岩土工程中常用的分析计算方法包括以下几个方面：1 、经典的、封闭 式的分析，可以提供对力学变形的无量纲变量之间关系的总的内在了解，但 限于对简单几何形状( 主要是二维) 的解。2 、岩样和节理的实验室试验： 可以在受控的加载条件下对岩样和节理( 以及其它不连续面) 确定其性态。 岩样的完全加载变形性态和岩体的原地性态在定性上是一致的。但岩体的刚 度和强度通常是实验室所得的值偏大很多，原地的性态往往为各种尺度上的 不连续性质的非均质扰动所控制。( 3 ) 相似模型：可按结构比例控制加载以 研究变形响应，可考虑不连续面和三维复杂形状。但建模和仪器费用高，模 型的力学性质和原型的力学性质之间的对比关系不详细。峰值后的非弹性性 态很难模拟。( 4 ) 野外量测和试验：采用野外量测取得岩体原位参数，根据 观测到的应力变形反分析以得到现场的变形强度数值，但结果取决于所假定 的岩体变形响应模型。( 5 ) 经验分析系统：根据大量实践经验估计岩体特性、 岩层条件和支护型式，设计中广泛采用，但基本的变形和稳定性的机理一般 无法确定，或忽略了重要的变量( 如地应力) ，难于在系统所包括的经验数 据的范围之外进行外推。 1 3 本文的研究方法和内容 虽然由于岩体内在情况的极度复杂性，当前最好的分析和数值方法在 描述岩石变形的数量方面存在较大的偏差，但我们可以从数值分析中得到具 有内在不确定性和多变性的岩体力学性质的定性的结论，即得到了对物理过 程的总的了解。这种了解的价值对岩土工程的设计而言是至关重要的。一旦 6 武汉理工大学硕士学位论文 内在的机理清楚了，工程师就可根据预计条件的变化来进行设计，本文也正 是出于这样的目的，拟对岩体隧道的锚固效应进行数值模拟计算和分析研究 工作。 以往的数值模拟计算往往未对隧道围岩的施工扰动损伤程度作定量化 处理，即在计算中忽略了施工扰动损伤对围岩力学性质的影响。围岩松动圈 的厚度虽然有人测定过，但松动圈的力学参数的折减程度则较少被定量化， 并在计算分析中用于定量化地考虑施工过程对隧道围岩力学性质的影响，因 此这种施工扰动经常在计算分析中被忽略不计。本文首先从岩体地下隧道的 常用施工方法一新奥法入手，分析了岩石隧道围岩的主要力学特点及锚杆在 岩体地下隧道中的加固机理。然后推导了围岩松动圈的各种力学参数，分析 确定了松动圈的各项力学指标的折减变化情况。以假设的工程算例为对象， 引进大型数值计算软件m a r c ，采用有限元的方法，按是否考虑松动圈力 学参数交化两种情况，分别计算了岩体隧道在不同载荷下锚杆施工前后的力 学状况与锚固效果。计算结果表明了考虑松动圈力学参数的变化不仅对评介 围岩的稳定性是必要的，而且从另个侧面说明了岩体隧道施工中控制爆破 是至关重要的。同时本文还利用算例对比分析了锚杆对隧道围岩稳定的影 响，分析了锚杆对岩体隧道稳定和变形所起的作用，以及隧道松动圈经锚杆 加固后的力学性能改善情况。摄后本文按是否考虑松动圈力学参数变化两种 情况对工程实例进行了应力变形的计算分析，并对支护参数进行了定程度 的优化，从数值分析的角度对薪奥法锚固机理进行分析和研究。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章岩体隧道的锚杆加固机理 2 1 隧道围岩的主要力学特点 2 1 1 地应力的存在使岩体能形成一个自承体系 地层中是有地应力的，并且绝大多数情况下都是压应力，因此岩体之 间是相互咬合挤紧的，这样虽经开挖扰动，也还能形成一个自承的体系。地 应力主要包括自重应力和构造应力。自重应力一般比较明确，与埋藏深度h 成正比。垂直向应力s ，= y h ，其中t 为岩体容重。构造应力与地层构造有 关，或水平向受到挤压，或受到摺屈，因此比较复杂。地层不断受到自然侵 蚀，地表被切割，并受到断层破碎带以及其它弱面的影响，因此地层中的应 力是各种作用效果的最后反应。 地应力的主应力，可以是铅垂与水平的，但也可以是倾斜的。铅垂应 力与水平应力的关系如下： sh = l s ， ( 2 1 ) 式中九为水平地应力s 。与铅垂地应力s ，之比，h 为地层覆盖厚度，以 r r l 计，s 、s ，以m p a 计。埋藏在5 0 0 m 以内，九为0 5 3 5 ；埋藏在2 0 0 0 m 以上时，凡为0 3 5 1 2 5 ；埋藏极深时，地应力呈静水压分布，即九= 1 0 。 2 1 2 隧道施工对围岩力学指标的影晌 在大多数情况下，隧道开挖成形均采用钻爆手段，即以钻机在施工掌 子面上造孔，再以不同的参数装药对岩体实施爆破。这样的施工过程不仅改 变了围岩的理论应力分布，而且还必然对定范围内的围岩产生一定程度的 扰动和损伤，这种损伤程度直接反映在围岩力学指标的降低上。国内外学者 在降低爆破对隧道围岩的扰动方面做了大量的研究，提出了较成熟的钻爆参 武汉理工大学硕士学位论文 数，基本上将旌工对围岩的扰动降低到了较低的水平。 成形后的隧道围岩分为三个应力区，即爆破松动圈、原岩应力区及位 于它们之间的应力升高区( 承载圈) 。岩石松动圈的厚度可通过声波法测试 ”，并视围岩情况而变化，从几十厘米至一百多厘米不等。根据声波在围岩 中的变化情况，也可以计算出松动圈岩体的各项平均力学参数，一般较原状 围岩降低4 0 6 0 不等。 2 1 3 隧道围岩“残余强度”的作用 岩石在其存在的历史过程中就可能反复受过加载和卸载作用，在地下 洞室旌工过程中，漏壁径向应力变为零，而切内应力捉# 增大，发生了应力集 中。这样，在某些部位和方向上加载，在另外一些方向和部位卸载，加载、 卸载均会引起岩体变形。加载、卸载超过一定数值会使岩体变坏。 图2 1 为岩石在刚性压缩试验机上得出的应力s 与应变e 关系曲线。图 中o a 及a b 段，岩石是接近弹性的卸载后没有多大的残余应变。在b c 段岩石的变形模量产生了变化，在这段上如果卸载，则会有残余应变e 产 生。应力达到c 点后，承载力大为降低，应变急剧加大，口这一段就是破 坏后的应力应变关系。在a 如果卸载，再加载，则应力应变关系将沿懿好 i h j 线变化。当应力达到j 点附近后应变增大很快，而岩石强度保持在一 个很低的数值上，称之为残余强度。 0 fh 图2 1 岩石的全应力应变过程曲线 9 武汉理工大学硕士学位论文 当岩石处于三向受力状态，应力应变关系更为复杂。图2 2 为剐性机上 三轴试验结果。 o ；1 5 0 喇 r 目 0 0 2 2 0 0 0 ，- ? 。 ：n 卜一 j i 图2 - 2 应力一应变曲线图 图2 - 3 强度开始下降与松弛后的强度包线 这个例子，试件是圆柱形的，因此侧压应力s ：= s 。当侧压不断增大 时，试件的强度也是相应增加的，破坏点抬高了，破坏之后，残余强度也抬 高了。从莫尔圆上也可以知道，当试件所受侧向压力增高时，其强度也会增 加。当试件超过极限强度后，岩体松弛，其粘聚力c 、内摩擦角、l ，显然降低 了，可用莫尔圆及强度包络线来代表上述关系，如图2 3 。 廖 咎 ， 岁 | ，7 ， | ， 一 一一 彭 二一一 2 圈2 4 单轴抗压强度与凝聚力的关系图2 - 5 围岩强度、内摩擦角与塑性区的关系 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 从图2 1 、2 - 2 、2 3 可以看出： f n 岩石承受超过其强度的应力后，不是完全崩溃了，而是还能有一点 残余强度。如果此时它的轮廓还能保持( 尚未依次崩解) ，它还能承受一定荷 载。因此隧道开挖后及时做上支护，虽然只能提供0 1 1 o m p a 的抗力( 这 相对于几十乃至上百兆帕的地应力来说是很小的) ，但是就是这一点抗力能 保持围岩的轮廓，能支承住其外围岩体压力。如果没有这一点支护抗力，围 岩可能继续松弛，强度继续降低，导致洞室逐渐形成坍塌。 ( 2 ) 从图2 2 、2 3 可看到，岩石三向受压时，其强度可以提高不少。因 此，新奥法要求及早封闭开挖后的自由面，尽可能使岩体处于三向受压状态， 这样不但能保护围岩不继续松驰，同时也能提高它的强度。 这里应该指出的是，0 1 1 o m p a 的支护抗力对于提高完整岩体的强度 来说，其作用不甚显著。但对软弱岩体，对于松驰后强度大为降低的岩体来 说，o 1 1 o m p a 侧压力所增加的强度就比较重要了。当岩体中值较大时， 其强度增加的幅度就更大。但目前还不能很好的测出岩体破坏松弛后中、c 值及强度降低的全过程，因此无法从数字上准确计算支护和围岩的相互作 用。 f 3 】从上述各图中可以看到，围岩松驰破坏时必然伴随着变形大幅度增 加，因此，新奥法要求随时监测洞室位移。洞室位移不再增长，趋于稳定， 意味着达到了新的平衡。相反，就要采取措施控制其变形的发展。所以，新 奥法虽然事先不能精确预测各种状况下的变形，但在施工过程中通过不断观 测、修正，仍然可以保证安全施工。 2 1 4 隧道洞室开挖后围岩应力重分配和洞壁位移的发展 根据岩石的莫尔一库仑破坏准则，单轴抗压强度q 。与c 之问可有下列关 系，如图2 - 4 。 武汉理丁：大学硕士学位论文 0 6 0 5 。0 4 、0 3 a 0 2 0 1 o 0 q “2 。2 5 。 淤、 i 、 一瓠 i 、 j 译 土一 、 、 除 、 一零 媳 k雩 12 3 4567 r p 凡 图2 - 6 地应力、支护抗力与塑性区的关系图2 - 9 圆洞支护 山三角形a o b 及a d e 的扣似关系，可以推导m ”鬻籼错吼 c z z ， 令 。1 + s i n 庐 。 1 一s i n 击 p， 2 s i n 。 1 一s i n 击 1 + s i n 庐 ；一12 s i n # ( 2 。3 ) 将上式代入洞周应力、变位及塑性半径的公式中并加以整理，可以得 到下列关系式： 塑性区内： 驴卜划一南 沼a ， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 6 。t f ( p + 毒一。) ( r 。) 。毒q 二u i c z s ， 耻风砖糕 蓦 ) 再 c z s ， 洞壁位移为： “；铷庐卜告胩“训舷格】再， 上面公式中符号意义： r 。一塑性区半径 r ，一洞室原有半径 p 。一地应力强度 r 一所求6 ，、6 。处的半径 p j 一洞内壁的变形压力，亦即岩体无自重时的支护抗力 根据式( 6 ) ，若p 。= 0 ，以p 。吼为纵坐标，可以画出图2 - 4 。 该图表示围岩强度、内摩擦角与塑性区范围的关系。 由附图案中可知，当围岩单轴抗压强度为两倍的应力p 。，即p 。q 。= 0 5 时，r 。r 。，= 1 ，无塑性区。 当j | ，。，q 。大于( ) 5 之后，随p 。q 。的增大，洞周塑性区范围也增大。当 围岩内摩擦角妒大于3 0 。以上时，塑性区范围增加得很小，而当围岩妒小于 或等于2 0 0 以后，塑性区范围增加极快。塑性区范围越大，代表形变压力、 松弛压力都加大，洞室的稳定性较差，施工越是困难。在埋深大的粘土质围 岩中，或是构造弱面很多、弱面中有软弱夹泥和有空隙水的围岩中，值都 较小，稳定性较差。相反，对于砂质围岩，或围岩虽有一些弱面，但弱面抗 剪强度较高的岩体来说，洞室的稳定性是较好的。 13 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 突出地说明围岩值对稳定性的重要意义，这也就是说明要尽可 能不过分破坏闱岩，使庐值降低。最好能加固围岩，提高庐值，对洞室稳定 是有利的。 同样根据式( 2 6 ) ，假定吼p 。2 0 2 5 ，n p ，p 。为纵坐标，以r 。r 为 横坐标，可以画出图2 5 。该图表示地应力、支护抗力和围岩塑性范围的关 二： | 舭 q ，e：0 0 0 1 口：04 5 ，s j i _ 1 、 一 一弋 弋 一、 r 1 。 、 、 q j 珂 、 、：= 、 = 3 0 = 4 5 uu 0 2u 0 40 0 60 0 8u ，1 0u 1 20 1 40 1 6 u r o 图2 7 围岩强度比、内摩擦角与洞室周边相对位移的关系 系。 图2 - 6 中也一样说明妒值的重要性，但图2 - 6 上纵坐标为a p 。地应 力p 。的变化范围足很大f i 勺，而支护抗力p ，是较小的，p 一般只有0 1 1 0 m p a ，很难超过2 0m p a ，因此，见p 。很少超过0 1 。从图中可以看到， 要再增加p ；值来大幅度减少塑性区是不可能的。围岩的稳定性主要依靠围 岩的“自承”能力，支护只能起辅助作用，这也是对新奥法概念的一个重要说 明。 以传统方法设计隧道支护结构，将衬砌做得很厚，以求提高p ，值。但 在施工过程中却没有注意防止对围岩的过分破坏松驰，而降低了毋值，这是 没有抓住主要矛盾。 根据( 2 7 ) 式假定吼e = o 0 0 5 ，泊松比u = o 4 5 ，p ；= o ，n q 。p 。 1 4 0 8 6 4 l 0 o 0 武汉理丁：大学硕士学位论文 为纵坐标，以洞室周边相对位移u r 。为横坐标，可以求得一组曲线，代表 围岩强度比、内摩擦角毋和洞内边缘相对位移的关系，如图2 7 。 1 0 o 8 0 6 0 2 | 鋈 一 七一 、 、 弋 蓬受 y n 慕 j 、j | 、一_ _ 一i l 、 i 孓 一二 、 、 l j 一 、k 0o 0 5o 1 00 1 5 t l r o 图2 - 8 相对支护抗力与洞边相对位移的关系 先假定不同的洞内壁支护抗力吼吼值，并假定围岩0 = 3 0 。，q 。e = o ，0 0 5 ，1 ) = 0 4 5 ，则可求得不同围岩强度比吼时，支护抗力与洞内边 相对位移的关系，虚线代表弹性变形情况下的洞内壁相对位移。 进一步揭示了q 。、p 。、庐、p 。等参数和洞室变位u 的关系。 当毋= oo 时，应对式( 2 - 7 ) 取极限值，式( 2 7 ) 改变为： 2 舢 t ，三竺舭i 一 ( 2 8 ) 从图2 - 8 中看到吼p l ， 4 。隧道沿线为基岩裂隙水，岩体透水性微弱， 地下水不活跃，洞壁一般干燥。隧道沿线岩体新鲜较完整，嵌合紧密，岩体 多呈块状次块状结构，围岩稳定性较好，以i i i 一类围岩为主。隧道存在的 主要工程地质问题为： a 、缓倾角层问、层内错动带对隧道顶拱围岩稳定性的影响。由于岩体 武汉理工大学硕士学位论文 中存在随机分布的错动带，产状平缓，当在顶拱出露且埋深较浅时，容易形 成塌顶和局部楔形、三角形不稳定块体，对隧道顶拱局部围岩稳定影响较大。 b 、由于岩体中基体裂隙延伸比较短小，一般同一部位只发育1 2 组， 基体裂隙组合形成大规模不稳定块体的可能性较小，但仍有可能发生由于基 体裂隙组合形成的局部掉块现象。 4 2 溪洛渡公路隧洞数值计算 4 2 1 隧道的岩体物理力学特性 根据区域电站可行性研究阶段勘探试验资料，隧道岩体物理力学特性 见表4 1 。 表4 一l 隧道围岩物理力学指标表 波速弹性模量泊松密度 岩性 c ( m p a ) f ( v p ，v ；m s ) ( g p a ) 比 ( g c m 3 ) 风化、强卸荷茁武 4 0 0 0 2 8 6 5 4 50 32 6 1 40 8 i 实测数据： 围岩松动圈厚度：h = 0 8 i n 松动圈内波速最小值：v 2 。= 1 9 0 0m s 松动圈力学参数计算： 弹性模量最小值：e 。= e ( v jv 。) 2 = 1 0 1g p a 内聚力最小值：c 。= c ( v 2 jv 。) 2 = 0 3 2m p a 泊松比u ：0 ，3 表4 。2 隧道松动圈围岩物理力学指标表 最小纵波波最小弹性 岩性速模量 泊松密度 比v ( g m 3 ) c ( m p a ) f ( m s )( c p a ) 风化扰动砂岩 1 9 0 01 0 1o 32 6o 3 20 8 武汉理工人学硕士学位论文 4 2 2 有限元分析模型 图4 1 公路隧洞有限元单元划分 图4 2 公路隧洞拱顶锚杆布置图 4 2 3 数值计算结果与分析 武汉理工大学硕士学位论文 图4 - 3 考虑松动圈时的围岩环向应力图 图4 - 4 考虑松动圈时的围岩径向应力图 图4 5 考虑松动圈时的围岩径向位移图 武汉理工大学硕士学位论文 一t ：2 ，童：h 一 一j = 一 1 0 0 e + 0 6 50 0 e + 0 5 曩曩_ _ _ 气，之，、 00 0 e + 0 0一一葶了、_ 乏主一： 一0 _ 一4 5 0 io 瓜0 0 2 0 03 o o 一4 (0 9 0 一5 0 0 e + 0 5 _ 曩一 “ _ l3 5 h l8 0 1 0 0 e + 0 6 、j 一1 5 0 e + 0 6 ，。：毫 图4 - 6 考虑松动圈时的锚杆轴向向应力图 图4 7 不考虑松动圈时的围岩环向应力图 2 0 0 e + 0 5 1 0 0 e + 0 5 0 0 0 r + 0 0 一i 0 0 e + 0 8 2 0 0 e 十0 5 3 0 0 e + 0 5 4 0 0 e + 0 5 5 0 0 e + 0 5 6 0 0 e 十0 5 7 0 0 e + 0 5 图4 - 8 不考虑松动圈时的围岩径向应力图 武汉理工大学硕士学位论文 图4 9 不考虑松动圈时的围岩径向位移图 1 o o e + 0 6 8 o o e + 0 5 6 o o e + 0 5 4 o o e + 0 5 2 o o e + 0 5 0 o o e + 0 0 2 o o e 十胡 4 0 0 e + 0 5 。j 曩，- 。 ，二：| 二一气? ， - 一0 1 卜4 5 7 、。 9 0 、 1 3 5 i 。 一1 8 0 l 吐一 1n n9o 0 - - rn n 4i 图4 - 1 0 不考虑松动圈时的锚杆轴向向应力图 在公路隧洞锚杆支护的数值模拟分析中，本文主要考虑了爆破施工松动 圈存在与否的影响，从计算结果可以看出： ( 1 ) 由于公路隧洞偏压的情况，因此隧洞在锚杆加固后，除洞予顶部环 向应力和径向应力出现拉应力之外，洞子的其它方位都出现了压应力，最大 环向拉应力1 1 m p a ，对于玄武岩而言，这在允许的抗拉强度范围内。 ( 2 ) 锚杆中的轴向应力沿轴长并非完全受拉，不考虑松动圈时的锚杆轴 向应力在顶部完全受压，而4 5 、1 3 5 方位部分受拉，部分受压；在0 、1 8 0 方位全部受拉：考虑松动圈时的锚杆轴向应力则是9 0 、1 3 5 方位全部受压： 在0 。、1 8 0 方位部分受拉，部分受压；4 5 。方位全部受拉。锚杆最大轴应力 武汉理工大学硕士学位论文 在允许范围内。 ( 3 ) 围岩变形很小。最大位移变形在6 m 之内，并且由于偏压，洞室 1 8 0 方位的位移朝围岩内部移动，但移动值很小。 ( 4 ) 由于围岩质量较好以及地应力较小，围岩支护系统处于安全稳定状 态，是否考虑爆破施工松动圈存在对应力和位移的分布和大小影响不是很 大。 武汉理工大学硕士学位论文 5 1 结论 第五章结论与展望 由于岩体内在情况的极度复杂性，虽然分析和数值方法在描述岩石变 形的数量方面存在较大的偏差，但我们可以从数值分析中得到具有内在不确 定性和多变性的岩体力学性质的定性的结论，即得到了对物理过程的总的了 解。这种了解的价值对岩土工程的设计而言是至关重要的。一旦内在的机理 清楚了，工程师就可报据预计条件的变化来进行设计。本文正是出于这样的 目的，对岩体隧道的锚固效应进行了数值模拟计算和分析研究，取得了如下 研究成果。 ( 1 ) 松动圈模型的洞室表面径向位移要明显大一些，载荷越大，两者 的差值越大，这是由于围岩松动岩性劣化所引起的，这与实际情况是相符的。 ( 2 ) 弹性加载情况下，松动圈模型的环向应力峰