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思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 摘要 地下空间的开发利用是本世纪岩体土工程发展的新趋势，许多大型水利水电 工程地处深山峡谷之中，地上空间非常有限，地下空间的利用不仅解决了枢纽布 置的空间问题，同时可以充分利用水头差提高水能的利用率。随着计算机的广泛 使用，数值方法在解决地下洞室围岩稳定问题中发挥着越来越重要的作用。数值 方法能够较好地考虑诸如介质的各向异性、非均质特性及其随时间的变化、复杂 边界条件和介质不连续性等复杂地质条件。 乌江思林水电站地下厂房主要由主厂房、母线洞及主变室构成，属于大跨度、 高边墙地下洞室群。研究地下厂房洞室群围岩的稳定性，对于支护结构设计，确 保地下厂房在运营期的安全生产具有重要意义。本文在确定了厂房区的初始应力 场和边界条件的基础上，应用a d i n a 自动动态增量非线性有限元程序对思林水电 站地下洞室群建立了平面弹塑性有限元计算模型。采用莫尔一库仑屈服准则，计 算分析了丌挖过程中所引起的应力、位移重分布情况。此外，还讨论了喷锚支护、 断层、开挖方式对围岩稳定分析结果的影响。 计算结果表明，围岩塑性破坏区主要出现在主厂房项拱和上下游边墙、主变 室上下游边墙，支护后洞室围岩塑性区的发展得到了有效抑制。 关键词：地下工程；围岩稳定；非线性有限元；数值模拟；a d i n a 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fu n d e r g r o u n ds p a c ei st h ed e v e l o p m e n t a lt r e n do fg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gf i e l di n t h i sc e n t u r y m a n yg i a n tw a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o e l e c t r i c p o w e rp r o j e c tl i e di nt h er e m o t em o u n t a i n sa n dg o r g e o v e r g r o u n ds p a c ei sv e r y l i m i t e d ，m a k i n gu s eo fu n d e r g r o u n ds p a c es o l v e dt h es p a c ep r o b l e m o fh i n g ed i s p o s a l ， a tt h es a m et i m e ，i tc o u l dt a k ef u l la d v a n t a g eo fw a t e rl e v e ld i f f e r e n c et oa d v a n c et h e u s i n ge f f i c i e n c yo fw a t e rp o w e r w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r , n u m e r i c a l a n a l y s i sf o rt h es t a b i l i t yo fu n d e r g r o u n d c a v e r nh a sp l a y e dam o r ea n dm o r ei m p o r t a n t r o l e w i t hn u m e r i c a lm e t h o d ，c o m p l i c a t e dg e o l o g i cc o n d i t i o n s ，s u c ha sm a t e r i a l s a n i s o t r o p ya n dn o n c o n t i n u i t y ，n o n u n i f o r m i t y a sw e l la sc o m p l i c a t e db o u n d a r y c o n d i t i o nc a nb ec o n s i d e r e d t h eu n d e r g r o u n dp o w e rh o u s eo fs i l i nh y d r o p o w e rs t a t i o ni sm a i n l yc o m p o s e d o fm a i nw o r k s h o p ，b u sh o l e sa n dm a i nt r a n s f o r m e rr o o m i ti sb e l o n g e dt ot h e l o n g - s p a n ，h i g h - s i d e w a l lu n d e r g r o u n dc a v e r n s s ot h er e s e a r c ho nt h es t a b i l i t yo ft h e u n d e r g r o u n dc a v e r n si sv e r yi m p o r t a n tt ot h es u p p o r ts t r u c t u r ed e s i g na n dt h es a f e t y d u r i n go p e r a t i o n t h i sp a p e rh a sg o tt h ei n i t i a ls t r e s sf i e l da n db o u n d a r yc o n d i t i o n s o nt h i sb a s i s ，t h eo v e r a l lp l a n a r e l a s t i c p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h e u n d e r g r o u n dc a v e r n sw a se s t a b l i s h e db ya d i n a ( af i n i t e e l e m e n tp r o g r a mf o r a u t o m a t i cd y n a m i ci n c r e m e n t a ln o n l i n e a ra n a l y s i s ) u s i n gt h em o h r - c o u l o m by i e l d c r i t e r i o na n dr e a s o n a b l em e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ec h a n g e s o fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td u r i n gt h ep r o c e s so fe x c a v a t i o n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e r a l s oh a sd i s c u s s e dt h ee f f e c t st ot h ea n a l y s i sr e s u l to fr o c ks t a b i l i t yb e c a u s eo fs p r a y a n c h o rs h o r i n g ，f a u l ta n dd i f f e r e n te x c a v a t i o nm e t h o d s t h er e s u l t ss h o wt h a ts u r r o u n d i n gr o c kp l a s t i cf a i l u r eo c c u r r e dm a i n l yi nt h et o p a r c h ，u p d o w n r i v e rs i d ew a l l so fm a i nw o r k s h o pa n dm a i nt r a n s f o r m e rr o o m ，t h e d e v e l o p m e n to fs u r r o u n d i n gr o c kp l a s t i cf a i l u r eh a sb e e ne f f e c t i v e l yc h e c k e da f t e rs u p p o r k e yw o r d s ：s u b t e r r a n e a ne n g i n e e r i n g ，s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k ，n o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n t ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，a d i n a 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州1 大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权贵州1 大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：e l 期： 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 第1 章绪论 1 1研究的目的和意义 能源是人类社会发展的物质基础，水力发电是人类获得能源的一个重要途 径。随着科学技术的进步，世界各国水力发电事业均得到迅猛发展，我国水力资 源丰富，可开发的水能资源为4 4 7 3 2 0 m w ，居世界首位。由于受地形和气候条件 的限制，我国的大多数水电资源都集中在高山峡谷地区，尤其是西南、西北地区， 这些地方高山峡谷，水深流急，选择地下厂房往往是最佳方案，有时是唯一选择 1 1 】。在地上空间利用有限的条件下，地下空间的利用既可以解决枢纽布置的空间 问题，又可以充分利用水头差提高水能的利用率。 随着国民经济的发展和西部大开发的全面展开，水利水电工程正在迅猛发 展，其发展趋势是不断地大型化与复杂化。继三峡工程之后，开发西部的大型、 特大型水电站与水利设施都已进入施工或前期施工阶段，如乌江的洪家渡、构皮 滩、思林，澜沧江上的小湾，金沙江上的溪洛渡、向家坝、虎跳峡以及南水北调 工程等，均是具有相当规模的地下工程。- 譬? 目前地下厂房数量多、规模大已成为水利工程中的明显趋势。目前我国己建 成的地下厂房约1 0 0 多座，其中装机容量大于i o o m w 的2 1 座。这些地下工程 的一个显著特点就是断面尺寸越来越大，大跨度、高边墙地下洞室已逐渐成为大 型水电工程地下厂房发展的主流。另一方面，构成地下厂房的洞室越来越多，不 同功能、不同断面的洞室互相交错，形成了庞大的、复杂的地下洞室群。所以如 何解决好地下洞室在丌挖过程中的围岩稳定问题，确保地下厂房能长期、安全、 稳定的运行，如何使设计和施工更加经济合理，已成为当前工程界十分关注和亟 待解决的问题。因此，地下洞室的开挖、稳定、设计等问题的研究对于提高国家 水力水电、岩土工程建设水平，推动国家的水利水电事业发展，有着非常重要的 现实意义。 1 2问题的提出 岩石是一种复杂的、各向异性的、非均质的弹塑性介质，其物理力学参数、 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 应力应变关系是比较复杂的。断层、软弱夹层等结构软弱面性质各异。岩体的这 种非均质、各向异性、裂隙性，成为了岩石力学发展缓慢的原因。 以前，判断围岩的稳定性主要采用经验方法，选择施工程序和方法，确定支 护结构类型、数量和支护时间。经验方法中荷载法是一种传统的设计方法，它首 先是根据定性描述确定围岩的类别，荷载值依据围岩类别给出，或是按简单的公 式进行计算，或间接地用隧道单位尺寸上的岩体体积来决定。荷载确定后，即可 用一般结构设计方法对支护结构进行力学分析。但是现有的经验方法都偏于保 守，其适用范围由所依据的工程实例而定。 新奥法的产生和发展引起了地下工程设计概念上的变革。围岩不仅产生荷 载，其自身也能承受荷载。以喷射混凝土、钢筋网、锚杆、钢拱架等组合形成的 支护结构作用，能对围岩提供必要的支护抗力，与围岩共同组成受力整体，维持 围岩的稳定。传统的荷载结构法支护方式与新奥法相比，后者力学概念先进，经 济合理。 近年来，计算机硬件水平不断提高，使得数值模拟技术得以迅速发展，为合 理研究地下洞室围岩稳定问题提供了可能性。许多复杂的力学模型和边界条件都 可以用计算机来进行模拟。例如，目前在进行工程研究时应用的有限单元法、有 限差分法、边界元法和加权残数法等。基于有限元法以及计算机强大的求解能力， 使得我们能够对地下洞室围岩稳定情况做出分析，并且结合现场实际情况和以往 经验做出合理的判断，从而为工程师提供有价值的参考信息【2 1 ，为工程的安全和 合理设计、施工提供理论依据。 1 3地下洞室围岩稳定的研究现状 岩土工程有其自身的特点，c f a i r h u s t 曾做过全面的总结，他认为岩土工程 的主要特点是： ( 1 ) 地质条件和地质构造的复杂性( 三维空间的非均质性、不连续性、软弱 夹层、断层、裂隙及层问错动带) ： ( 2 ) 具有预应力“结构”特征( 主要是压应力、在开挖时引起卸荷或加载) ； ( 3 ) 大小、尺寸随时间的变化范围大； ( 4 ) 岩体的强度和变形末知，“峰值后”的性质至关重要； ( 5 ) 同体的藕合效应使问题更加复杂： 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 ( 6 ) 具有可变性和不确定性。 因此，地下工程问题是一个“数据有限的岩石力学问题”。在对岩土工程研 究工作进行总结时c f a i r h u s t 认为，岩土工程的研究方法可归纳为： ( 1 ) 岩石和节理的室内试验，可以在受控的加载条件下，确定岩样和节理的 形态。其方法局限性在于岩体的刚度和强度通常较实验室试验所得的值要小的 多，如何将实验室的结果推广到原地岩体的性态，特别是大范围的各向异性的岩 体，其规律尚不清楚。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。 ( 2 ) 物理模型试验，用一定比例的小模型控制加载以模拟原型的响应，可以 考虑不连续面和三维复杂形状。但是模型的力学性质和原型的力学性质之间的相 似关系不清楚，峰值后的非弹性性态很难模拟，研究费用也不低。 ( 3 ) 现场量测和试验，可以确定原始地应力场，检查开挖的变形情况和稳定 性，找出分析中没有给出的危险结构，根据所观测到的数据以确定岩石的强度参 数。其方法的局限性在于所需费用太高，不可能做大范围、大批量的试验，反分 析的结果取决所假定的力学模型，对非线性参数其结果不是唯一的。 ( 4 ) 经验分类系统，基于大量已有实例估计岩石特性，对岩层条件、支架形 式等的影响。但是，对基本的变形和稳定性的机理一般无法确定。 ( 5 ) 数值模拟技术，近二十年，在计算机硬件不断更新的支持下，数值模拟 技术发展非常迅速，许多现实复杂的力学模型和边界条件都可以用计算机来进行 模拟。数值模拟技术有助于上述方法的进一步发展，因此具有较好的发展前途。 地下洞室的稳定问题常涉及稳定阶段、破坏阶段、破坏后阶段，常常表现为 大变形、流变、软化或突变破坏1 3 a 5 1 。对于具体实际工程，影响洞室稳定因素的 重要程度可能有所不同，所以很难建立统一的标准来判断其是否稳定，而是常使 用不同的手段来衡量地下洞室的稳定性。目前国内外常用的稳定分析方法有： ( 1 ) 定性经验类比法1 6 j ，主要有成因历史分析法、工程类比分析法、专家系 统等方法，应用这些方法进行洞室稳定分析与设计实际上是一个定性研究过程， 它的结论是一种比较客观的评判标准，同时它也为数值分析提供合适的控制判 据。 ( 2 ) 安全系数法1 7j ，安全系数法足一种历史悠久而目前仍能普遍应用的定量 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 评价方法，由于安全系数是许多因素共同作用下的函数，这些影响因素在具体计 算中有其不同的选取标准和计算方法，因此在对安全系数取值的标准上存在着一 定的差异，甚至很大。 ( 3 ) 可靠度、稳定度或破坏概率f 8 9 1 ，通过引进概率论、模糊论、混沌论的原 理和方法来分析洞室的稳定性，避免了安全系数法使用过程中的绝对化，只要破 坏概率足够小，d , n 人们可以接受的程度，就认为是安全可靠的。 ( 4 ) 岩体的位移、应力、强度、塑性区等i n l 4 l ，岩体变形是其稳定性最明显、 最直观的反映，根据允许的岩体变形来评价岩体稳定程度是一种概念比较明确、 直观的判据，通常利用岩体位移量不能超过工程所允许的位移量或残余变形不能 继续增大或塑性区不再扩大来判断岩体是否稳定。通过现场监测、物理模拟及数 值模拟等方法，可以获得有关围岩特定部位的位移量、位移速度、位移方向及应 力大小、方向及它们的空间分布、塑性区或破坏区的大小等。在工程实践中，人 们主要是通过现场监测，选择一些特殊部位进行设点监测，然后利用现场监测所 获得的一个或多个参数的值来判断岩体的稳定性。 ( 5 ) 干扰能量法1 1 5 1 6 l ，该判据的原理是基于稳定性分析的能量准则，它以研 究对象受干扰后产生的干扰能量值作为判据来考察研究对象是否稳定。 到目前为止，地下工程稳定性问题，主要的发展方向还是朝着计算精细化方 向发展，它包括计算规模超大型和弹性、塑性、粘性、开裂、破坏、破坏后软化、 突变等全过程模拟。但工程中局部化问题尤为突出，己经引起了国内外学者的广 泛兴趣，连续变形和不连续变形的交叉，局部分叉失稳，岩体界面的流变软化、 局部失稳1 1 6 j 7 】己成为岩体较为普遍的破坏形式。这些都有待于广大科技工作者进 一步去研究、解决。 1 4 围岩稳定数值模拟的研究现状 2 0 世纪7 0 年代以来，随着数学、力学理论以及计算机技术的发展，数值分 析方法在工程地质和岩土工程领域得到广泛应用，并作为解决复杂介质、复杂边 界条件下工程问题的重要工具而逐渐得以推广1 18 1 。 1 4 1 连续变形分析方法 1 有限元法( f e m 、) 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 1 9 6 6 年，b l a k ew 最先应用f e m 解决地下工程岩石力学问题。经过几十年 的发展，有限元已经成为一种相当成熟的数值分析技术，可用于求解线弹性、弹 塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，是地下工程岩体应力、应变分析最常用的方法 1 1 9 - 2 2 】。其优点是可以部分考虑地下结构岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体 的应力、变形大小和分布，并可近似地依据应力、应变规律去分析地下结构的变 形破坏机制。为了模拟岩体中存在的断层、节理、裂隙等结构面，考虑其非连续 性，可按结构面的特征采用不同的处理方法【2 3 】。有限元法的应用是否真正有效 主要取决于二个条件1 2 4 】：一是对地质条件的准确了解，如岩体深部岩性变化的 界限、断层的延展情况、节理裂隙的实际分布规律等；二是对介质物性的深入了 解，即岩体各组成部分在复杂应力及其变化的作用下的变形特性、强度特性及破 坏规律等。 2 边界元法( b e m ) 边界元法又称为边界积分方程法，由英国学者b r i b b i a 总结提出，并从2 0 世纪6 0 年代丌始在工程计算中得到应用。该法只在求解区域的边界上进行离散， 这样就把考虑问题的维数降低了一维，这也是边界元法的优点。另外，边界元法 计算精度高，应力和位移具有同样的精度。当仅需要知道物体内部个别点的解时， 有限元仍不得不剖分整个物体才能确定个别点的解，而边界元则可以在己知边界 上的解后，根据需要去求物体内部预知点的解，比有限元大大节省计算量和费用。 但边界元法的系数阵是满阵，远比有限元刚度矩阵的结构复杂。对于面体比比较 大的薄壁结构等物体，边界元法就不如有限元优越了，而且边界元法对奇异边界 难于处理【矧。另外，边界元法对变系数、非线性等问题较难适应，而且它的应 用是基于所求解的方程有无基本解，从而限制了边界元法在更广泛领域的应用。 然而，边界元法和其它数值方法( 如有限元法) 的联合使用，却为解决愈来愈广 泛的问题开辟了新的途径。 3 有限差分法 为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷，c u n d a l l 根据有限差分 法的原理，提出了f l a c 数值分析方法。该方法采用了混合离散方法、动态松弛 方法和显式差分方法，不形成刚度矩阵，适合于模拟地质材料在达到强度极限或 屈服极限时发生的破坏和塑性流动的力学行为，适合于模拟地质材料的大变形、 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 失稳、流变、支护与加固、建造及开挖等问题，同时还可以模拟渗流场和温度场 对岩土工程的影响。作为新型数值方法之一，有限差分法已与离散元法、不连续 变形分析法和半解析元法等一起成为分析岩土力学问题的强有力的工具，得到了 广泛的应用【2 舵7 】。 拉格朗日法的名字渊源于流体力学中跟踪质团运动的一种方法，实际上是连 续介质力学中对运动的物质描述方法，在非线性连续体力学中叫拖带坐标系或嵌 含坐标系方法。拉格朗日法己经有了不少商用程序，如h e m p 、t e n s o r 、f l a c 等。 1 4 2 非连续变形分析方法 1 离散单元法( d e m ) 离散单元法是1 9 7 1 年由c u n d a i l 首先提出的【2 8 1 ，特别适用于节理岩体及其 与锚杆( 索) 的应力分析【2 9 3 讲。其基本思想是岩块之间的相互作用，同时受表征位 移与力的物理方程和反映力与加速度( 速度、位移) 的运动方程的支配，通过迭代 ： 求解显示岩体的动态破坏过程。该方法以结构面切割而成的离散体为基本单元， 其几何形状取决于岩土结构中不连续面的空间位置及其产状，应用牛顿运动定律 描述各块体的运动过程，块体可以发生有限移动与转动，反映了变形和应力的不 连续性。离散单元法中一个基本假定是块体运动时动能将转化成热能而耗散掉， 因此，在计算中即使是静力问题也必须人为地引入粘性阻尼器以使系统达到平 衡，块体运动趋于稳定。与有限元等数值方法不同，在这类方法中，块体单元的 划分不同就会得出不同的、甚至是截然不同的结果。尽管如此，在结构面己将岩 体完全切割成块体状的情况下，采用该方法仍是十分有效的，如用来分析边坡及 裂隙发育地区工程的塌方和支护等。 2 块体单元法 任青文等提出的块体单元法是以块体单元的刚体位移为基本未知量，根据块 体在外力和缝面应力作用下的平衡条件、变形协调条件和缝面材料的本构关系， 采用变分原理导出块体单元的支配方程【3 1 1 。根据缝面材料不同的本构关系，可 以对结构进行弹性、弹塑性或流变分析。这种方法可以解决非连续介质问题， 比较适用于解决具有众多节理、裂隙岩体的变形、应力和稳定分析。 3 d d a 方法 思林水电站地下厂房洞窒群围岩稳定性研究 d d a 方法是继离散单元法之后，2 0 世纪8 0 年后期发展起来的一种更新的 模拟散体系统力学响应的数值分析方法。在满足弹性理论的基本方程条件下能反 映出岩体变形的不连续性，既有有限元理论基础的严密性，又有离散元法可计算 块体大位移的特点，可以模拟出岩石块体的移动、转动、张开、闭合等全过程， 是一种很有发展前途的数值计算方法。目前，二维d d a 法己经形成了比较完善 的理论体系，但是在三维情况下，由于块体之间的接触关系十分复杂，突出的问 题就是难以建立三维d d a 的接触理论。因此，三维d d a 的研究还未完善，还 未形成一套完整的可以支配诸多三维块体之间的完整的接触理论p 3 。4 1 。 4 流形方法 在以上讨论的方法中，有限元方法将岩体理想化为完全连续介质，离散单元 法将岩体抽象为完全非连续介质，这其实是走向了问题的两个极端。将连续变形 与非连续变形统一起来的方法更适合实际岩体变形分析。于是一种更新颖的数值 方法流形方法引起了广大学者的兴趣。流形方法由石根华于1 9 9 2 年提出， 它是应用流形覆盖技术建立的一种把有限元法、非连续变形分析和解析方法包含 在内的全新的统一计算方法。 1 5本文所做的主要工作 本人在查阅了大量的资料和参考书，了解当前地下洞室工程的发展情况、有 限元分析方法的基础上，结合乌江思林水电站地下厂房工程的实际情况做了以下 一些工作： ( 1 ) 通过查阅大量资料，系统的阐述了地下洞室工程围岩稳定性研究的意 义、方法、以及目前的发展现状。 ( 2 ) 阐述了洞室施工力学的基本概念和特点，针对地下工程开挖模拟，介绍 了三种常用的计算方法，比较分析了其特点和进行开挖模拟时的难点。 ( 3 ) 阐述了岩体弹塑性有限元的基本理论，介绍了围岩的屈服准则、流动法 则、硬化定律和加载与卸载准则。 ( 4 ) 运用a d i n a 有限元分析软件，建立了乌江思林水电站地下厂房的平面有 限元计算模型，计算分析了开挖过程所引起的应力、位移重分布情况。此外，还 讨沦了喷锚支护、断层、丌挖方式对幽岩稳定分析结果的影响。 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 第2 章地下洞室围岩稳定性分析的基础理论 2 1地下洞室施工力学基本理论 2 1 1 洞室施工力学的基本概念 近代工程建设发展提出设计中不但要考虑需要设计与建造的工程结构物本 身，同时也需涉及其施工与形成过程中不同阶段的中间产物及其动态与相互影响 问题。因此，施工过程中，结构物及工程介质的分析，形成了与工程建设密切相 关的新的工程力学学科分支一施工力学【3 5 l 。 土木工程施工力学是在时变力学的基础上，力学学科与土木工程等工程学科 结合的产物，研究工程施工过程中物体的力学性质，不仅研究对象的几何尺寸、 材料参数随时间而变化，而且施加在物体上的荷载大小及方向也是时间的函数 【3 6 l 。将涉及固体力学、结构力学、工程地质力学、岩土力学、流体力学、计算 力学以及结构工程、基础工程、地下工程、水工工程、海洋工程、道桥工程、环 境工程等多门学科，需要基础科学与工程科学密切配合与交叉、渗透。施工力学 研究在理论上属学科前沿，反映学科交叉；在应用上与国民经济密切相关，是工 程技术发展急待解决、体现科技与经济相结合的一个重要研究方向，其成果将会 对我国工程建设以及2 1 世纪发展产生广泛、深远影响。 2 1 2 洞室施工力学的基本原理 地下工程施工的基本目的是在各类地质体( 岩体或土体) 中修筑为各种目的 服务的、长期稳定的洞室结构体系。从结构角度讲，这个结构体系是由周围地质 体和各种支护结构构成的，即涧室结构体系= 周围地质体+ 支护结构。它的形成 则是通过一定的施工过程或一定的力学过程来实现的。 新奥地利隧道设计施工法( 简称新奥法) 是r a b c e w i c z 在总结地下洞室建造 实践经验基础上创立的，是一种设计、施工、监测相结合的科学的洞室建造方法， 它的理论基础是最大限度地发挥围岩的自承作用。至今，新奥法在世界各国的隧 洞和地下工程建设中获得了极为迅速的发展，在铁路、公路、水工隧洞及地下工 程中获得了广泛的应用。其基本原则主要有： 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 ( 1 ) 围岩是地下工程承载体系的重要组成部分，所以在施工中尽可能保护 围岩的原有强度，避免围岩出现不利的单轴和双轴应力状态。 ( 2 ) 为了充分发挥围岩的结构作用，应允许有限制的围岩变形。一方面允 许变形能达到在支护结构周围的围岩中形成承载环的量级；同时必须限制它，使 围岩体不产生过渡松弛而丧失或降低承载能力。为此，在施工中必须进行现场量 测，以实现对围岩的变形控制。 ( 3 ) 为了提高安全度或设置防水层，一般采用复合式衬砌，即初期支护和 二次支护，二次支护要适时，即不要太早也不要太晚。 ( 4 ) 支护结构在施工中需设置仰拱形成封闭结构，使其充分发挥作用是施 工中的一个重要环节。此外，洞室形状要尽可能圆顺，避免拐点以减少应力集中。 如不能做到时，要采取相应措施以减小应力集中。 新奥法着重从施工措施的角度总结了现代地下工程的设计施工方法，却未 能从更广泛、更深刻的角度阐明其内在的原因。实际上，洞室从开始开挖施工到 工程结束都有一段时间过程，开挖将使地下岩土体内部原有的物理力学平衡发生 变化，通过施工中岩土内部的物理力学诸因素的重新调整与转化，达到施工完毕 后的新的平衡状态和稳定状态。施工过程是一个时间和空间都不断变化的过程， 而最终状态( 最终解) 不是唯一的，而是与开挖过程密切相关，或是与应力路径 或应力历史相关，显然就有一个过程的优化问题，对于复杂地质条件下的超浅埋 暗挖隧道工程更是如此。因此，地下洞室施工力学基本原理可以总结为以下几个 主要方面【3 7 1 ： 1 地下工程的施工受到自然因素不确定性的影响，要全面而正确地认识各 种因素的影响，不仅要研究自然因素( 如地下水、初始地应力、岩土体的物理力 学特性等) ，还需要研究人为的工程因素。 2 地下工程施工期和竣工后的运营期，围岩的稳定性及其经济效益、社会 效益不仅和其最终状态有关，而且和达到施工最终状态所采取的丌挖途径和方法 有关，这是因为洞室施工中围岩的边界在时空域中是不断变化的，围岩处于复杂 的反复加、卸载过程。从力学角度讲，这是一个非线性过程，不仅与最终状念有 关，而且和应力路径或应力历史有关。 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 3 为了解洞室结构的稳定性以及施工对环境的影响、施工支护效果，应在 施工前对工程进行动态施工力学优化分析，针对不同的开挖顺序，以围岩稳定或 地表沉降作为优化目标，寻求最优或几个较优的施工方案，供设计或施工单位决 策。 4 对于复杂地质条件下的地下工程，要特别注意施工过程的设计和控制， 科学地遵循围岩的动态响应规律，使人为的开挖和支护因素对围岩的损伤程度尽 量小，在经济性、合理性的前提下，因地制宜地运用开挖和支护手段，把有害的 影响及隐患控制在较低的限度内。 5 根据优化施工方案，确定施工时要不断深化和修正原有认识，做好围岩 动态响应的观测及监测工作，将观测及监测结果与原来的预计情况进行对比( 这 是因为理论预测基于经典力学或连续介质力学的范畴，不能考虑岩土体介质在开 挖中所表现出的全部特性) ，以判断现有施工方案的合理性，必要时应及时调整 现有的施工及支护方案，保证后续工程的安全及经济性。 6 要强调勘察、设计、施工、科研四个环节紧密结合，互相渗透。根据实 际出现的新情况和新问题不断修正原有的认识和调整原有的施工方案，要有允许 随时修改原有施工方案和方法的灵活性，使之符合实际情况。 2 1 3 地下洞室施工的力学效应 ( 1 ) 时问效应【3 8 】 若材料具有粘性，这些含有时间因素的问题将和几何、物性、边界的时变 发生耦联，产生施工力学“时间效应 ，即同一结构，不同施工顺序控制过程， 其最终力学状态不同。 ( 2 ) 路径效应 若材料具有物理非线性或考虑几何非线性、边界非线性( 如接触问题) ，则 这些问题含有的路径因素将与几何、物性、边界的时变发生耦联，产生施工力学 “路径效应”。即同一结构，不同施工顺序控制过程，其最终力学状态不同。 ( 3 ) 耦合效应 若所研究问题涉及多个物理场，如应力场、温度场、渗流场等，这些场之问 思林水电站地下厂房洞室群嗣岩稳定性研究 存在相互作用，产生施工力学“耦合效应”，其分析结果与非耦合分析不同。 2 2洞室开挖模拟基本方法 地下洞时开挖时，初始应力场可以假定为重力场，当用有限单元法模拟在自 重作用下地下工程的开挖时，一般采用反转应力释放法1 3 9 】和空单元法进行计算。 2 2 1 反转应力释放法 洞室开挖前围岩处于初始应力状态 仃) o ，与之相适应的初始位移场为仁) o ， 开挖边界上的各点均处于一定的初始应力状态。洞室开挖后，因其周边上的径向 应力盯，和剪切力f 都为零，开挖使这些边界的应力“解除 ( 卸荷) ，从而引起围 岩变形和应力场的变化，对上述过程的模拟通常采用的是邓肯( j m d u n c a n ) 等 人提出的“反转应力释放法”，即把这种沿开挖作用面上的初始地应力反向后转 换成等价的“释放载荷 。通常的作法是根据已知的初始应力，求得沿预计开挖 的洞室边界上各节点的应力，一般假定各节点间应力呈线性分布，反转洞室边界 上各节点的应力方向( 并改变其符号) ，即可求出洞周边界上的释放载荷，然后 施加于开挖作用面进行有限元分析，将由此得到的位移作为由于工程丌挖卸荷产 生的围岩位移，将得到的应力场与初始地应力场叠加即为开挖后的应力场，这种 方法的关键是释放载荷的确定。 对于释放载荷的确定，常用的方法是根据预计边界两侧单元的初始应力， 通过插值求得各边界节点上的应力，然后假定两相邻边界节点之间应力变化为线 性分布，从而按静力等效原则计算各节点的等效节点荷载，具体计算方法如下。 对于具有已知初始应力场的洞室开挖，沿开挖线上各点的初始应力 吼 为 已知，在离散化的情况下，可假定沿丌挖边界上两相邻节点之白j 初始应力呈线性 变化。则对于任一边界点i ，开挖所引起等效释放荷载( 等效节点力) 为： = 石1l 2 。i ( 岛+ 也) + + l b 2 + 一一h + 2 弓( 口，+ 口：) + i + 1 口：+ 叫i - 1 口， p ，i = 岳2 彰( a l + a 2 ) + q i + 1 乜：+ q i - i 口1 + 2 t ；( h i + 6 ：) + 哆1 如+ 砖1 岛 式中：f ，f 一1 ，f + 1 一沿开挖边界上的节点号； ( 2 1 ) 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 a 1t 薯一l 一玉，a 2 一一而+ 1 ，6 1 ；咒一咒一1 ，如= 咒+ 1 一m 。 如果x 、y 坐标轴与主应力轴重合，则有b = 0 ，式( 2 - 1 ) 可简化为： = 氧砭( 柏：) + t k + 1 轨】 岛i 一否1 【2 0 i y ( a l + a 2 ) + q i + 1 口：+ q i - 1 口。】 ( 2 2 ) 若初始应力场为均匀应力场，即节点f 、f 一1 、f + 1 等各点应力相等，则式 ( 2 1 ) 可简化为： 。1 一万 吼。( 岛+ 也) + 。a + 口z ) 】 p ；封1q 。a + a 2 ) + 。( 饥+ 也) 式中：仃舻q o 、。初始地应力。 若x 、y 坐标与应力主轴重合，式( 2 3 ) 可简化为： 一氧q 。( 饥+ 也) 】 p ；一芝1h ( 口：) 】 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 考虑到存在初始应力场 ) 的情况，丌挖后的实际应力场应为初始应力场 与丌挖释放应力场 q ) 的叠加，即 仃) = ) + 吒) 。当采用多次丌挖时( 假定 为n 步) ，计算中第一次丌挖后洞周的释放荷载则足按初始地应力求得的，第二 次开挖后洞周的释放荷载则是根据第一次开挖后的围岩应力场求得的，往后各步 依次类推，每一次开挖形成一次载荷工况。 与初始应力相对应的位移在早期的地质历史过程中己完成，对工程分析不 具有实际意义，模型最终位移足各次丌挖后引起的位移总合，即： “) 一u 1 ) + 比2 ) + + “。) ( 2 - 5 ) 模型最终的应力场是初始应力场与丌挖引起应力场叠加的结果，即： 口】= + 盯1 ) + o r 2 + + 吼) ( 2 - 6 ) 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 2 2 2 空单元法 空单元法的开挖效果是通过被挖掉单元的“空单元化”，即在保证求解方程 不出现病态的情况下，将挖掉单元的刚度矩阵乘以一个很小的比例因子，使其刚 度贡献变得很小( 可忽略不计) ，同时将其质量、载荷等效值置零来实现的，故 称为空单元法。 在重力场作用下，运用空单元法模拟开挖过程时，所求的应力场为该步开 挖后围岩的实际应力场，所求得的位移场需减去初始位移场才为该步开挖后围岩 的实际位移场。 2 2 3 混合法 反转应力释放法是一种经典的方法，其力学概念清晰，乐于为人们所接受。 但是反转应力释放法在初始应力场求解过程中，具有人为假定的局限性。而空单 元法是与计算机软、硬件高速发展紧密相关的一种方法，该方法的局限性表现为 在求解位移场时需要与初始位移场进行叠加运算，这在一定程度上降低了分析问 题的效率。如果有一种方法能够避免反转应力释放法的局限性以及空单元法的不 便性，这样对实际工程问题的分析将会趋于更加合理和高效。混合法属于不规范 的提法，这里可以理解为将反转应力释放法和空单元法有紧密联系的一种方法。 混合法的基本原理是先对有限元模型进行加载计算分析一次，以形成相应 的初始应力场。然后把计算所得的初始应力场再读入到有限元模型中，在读入的 过程中可以进行一定的技术处理，将其位移场置零，然后进行施工过程的开挖模 拟，开挖过程中所求得的位移场和应力场即为实际的位移场和应力场。 2 。2 。4 方法的比较 在平面问题分析中，运用反转应力释放法模拟开挖过程，可通过控制开挖 载荷的释放，近似地考虑掌子面支护的空间效应，而其它两种方法比较难于实现。 当初始应力场在某些区域本身不足弹性介质或己进入塑性变形时，采用空 单元法来模拟开挖过程似乎更加合理，而其它两种方法处理这种仞始应力场则有 一定的局限性。 对于被挖掉单元的处理，就反转应力释放法而言，理想的方法是从整体有 限元分析模型中易4 除被丌挖尊元，并重新划分网格，对节点、单元进行编号。这 种方法工作量大，且不易于计算机实现，般较少采用。常用的方法仍然是把挖 思林水电站地下厂房洞室群嗣岩稳定性研究 去的单元进行空单元化处理，这样可不改变整个模型的单元网格结构，从而不须 重新形成总体刚度矩阵。 因此，上述二种分析方法各有特点和利弊，且相互有联系。 2 2 5 开挖模拟难点分析 对于开挖过程的模拟来说，与其说难点在于开挖方法的选择上，不如说 是空单元化的实现上。这里顺便指出，在开挖过程中，譬如二次衬砌的模拟常常 是通过空单元位置上单元的复出及材料的改性来实现的，难点在于已经空单元化 的单元在变形的过程中，其构形是不断变化的。当相应处的单元需要复出且改性 时，其构形应与之相协调，这个问题的合理解决对开挖效果模拟的影响甚大。此 外，在进行空单元化处理时，总体刚度矩阵如果因为开挖而发生突变时，常常会 给数值上的稳定性带来较大的困难。因此，在模拟开挖时，如何从技术上去考虑 空单元时的刚度衰减，是值得关注的。 在对开挖效果进行模拟时，无论是自己编程还是采用商业软件，问题的难 点仍然是对空单元化技术的处理上。 2 2 6 应力释放率 采用平面有限元法来模拟地下工程的开挖问题时，常通过应力释放率来近 似考虑掌子面支撑的空间效应。关于应力释放率如何考虑和计算，国内外有关这 方面的文献比较多，简单介绍如下： 地下洞室的挖掘是指人工除去原来存在的地层，挖掘区域与未被挖掘区域 间的分界线称为挖掘断面。在挖掘前，挖掘断面上的应力处于平衡状态( 如图 2 1 ) 。 思林水电站地下厂房洞室群围岩稳定性研究 图2 - 1 挖掘过程示意 f i g 2 - 1t h eh i n to fe x c a v a t i o np r o c e s s 从力学角度讲，开挖就是将最领域除去，这相当于在分析对象中施加外力 尸l 。所以，p 1 也被称为挖掘相当外力，除去恐的过程称为应力释放。在进行挖 掘操作时，挖掘面上的初始应力尸2 不是立即消除，而是被渐渐地释放掉，释放 后的应力与原来初期应力的比率被称为应力释放率。 在理论上，作为物体的分析域被除去的瞬间，挖掘断面变成自由面，p 2 将 不存在，因此释放率通常应为1 0 0 。但是，挖掘断面周围变形状态及应力、应 变状态在掌子面还没有足够延伸的情况下保持不稳定，即被考察处将受到掌子面 支撑的影响，离掌子面越远所受的影响越小。为了能用平面有限元法来考虑掌子 面支撑空间效应，可以通过应力释放率来近似模拟。采用应力释放率应该慎重， 释放率的调整必须具有充足的工程、理论或经验上的依据。 在实际操作中，一般对挖掘对象设置相同的应力释放率，在某一挖掘对象 的应力释放率达到了1 0 0 时，方可进行下一步的丌挖( 图2 2 所示) 。 思林水电站地下厂房洞室群同岩稳定性研究 纵 断 面 横 断 面 襻臀零 豳豳豳 最初释放5 0 应力再释放2 5 应力释放最后2 5 应力 图2 - 2 洞室开挖应力释放过程示意图 f i g 2 2t h eh i n to fs t r e s sr e l e a s ep r o c e s s 2 3洞室支护或预加固措施模拟 地下工程支护或加固措施的有限元模拟，对于平面问题常采用线单元或面单 元进行模拟；对于空间问题常采用面单元或体单元进行模拟；对于作用机理相对 明确的支护或加固措施可以直接进行模拟；对于作用机理尚不明确或为了降低问 题实现的难度，主要从其总体力学效果方面来进行等效模拟。当某一施工工况需 要支护或加固时，对于线单元( 平面或三维分析中) 或面单元( 三维分析中) 模 拟的支护主要是通过恢复其材料属性或几何属性来实现，不过这些属性在此之前 都被空单元化，许多软件( 如a n s y s ，m a r c ，a d i n a , a b a q u s ，f l a g 等) 把 这两个过程分别称之为或变相地称之为单元“生 与“死 ；对于用面单元( 平 面分析中) 或体单元( 三维分析中) 模拟的支护或加固是通过重新赋予材料属性 来实现，但更多的场合足这些单元需要先处于“生”状态。 对于支护措施，本文主要考虑锚杆、网喷混凝土两种支护方式，如何在有限 元分析中合理地反映这些措施的作用机理或效果，是影响分析结果合理性的关键 因素之一。 2 。3 。1 锚杆支