（地质工程专业论文）洞室群围岩稳定性数值模拟分析.pdf

f 【k 吧 j 版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 。从 学位论文作者签名：耋飓霞蔻 签字日期：卅。年7 月f 。e l 导师签名：麦叶宝导师签名：m t 签字日期：矽，。年7 月乒日 j so f u n d e r g r o u n dc a v e r n ss u r r o u n d i n gr o c km a s s 作者姓名：魏巍 导师姓名：刘莹陈祥 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 7 2 1 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：地质工程研究方向：工程地质 北京交通大学 2 0 1 0 年7 月 一 i j 致谢 本论文的工作是在我的导师刘莹副教授和陈祥副教授的悉心指导下完成的， 两位老师渊博的专业知识，严谨的治学态度和科学的工作方法促使我在学习过程 中不断进步，让我终身受益。在此衷心感谢两位老师两年年来对我学习、生活和 工作的关心和指导! 经过硕士研究生阶段的学习与科研，开阔了视野，专业基础理论水平有了明 显的提高，培养和锻炼了从事科研工作的能力，为自己以后的工作奠定了良好的 基础。在此，向北京交通大学土木建筑工程学院的所有老师致以最诚挚的谢意。 感谢那些在研究生期间和我互帮互助并结下兄弟般情意的同学，他们是张建 旭、王亚奇、王成亮、柏青和秦宏宇等硕士研究生。他们营造了一个积极向上、 朝气蓬勃的学习氛围，他们的无私帮助是我顺利完成论文的保证。 另外也感谢我的父母与女友，是他们给了我信心与勇气，是他们给了我力量 和欢乐，他们是我永远前进的动力。 相处是短暂的，记忆是刻骨铭心的，岁月无情，时光流逝，在这即将分离的 时刻，我无以言表，谨向帮助过我而又无法一一感谢的人致以最诚挚的问候。 最后，衷心感谢在百忙之中评审我的论文和参加我的论文答辩的各位专家、 教授，您的建议将使我受益匪浅。 魏巍 2 0 1 0 6 1 0 力、位移变化的研究及监控就显得十分重要，岩体的应力应变将直接影响施工人 员的安全和整个洞室群的稳定性。 地下储油库在国外已经发展很多年，技术相对比较成熟。我国地下储油工程 仅在3 0 年前开始起步，目前已建和在建的总共有四座。在我国东南沿海，广泛分 布的花岗岩、熔结凝灰岩等地质构造，岩石坚硬，是稳定的岩石区域，为地下储 油库的建设提供了极为有利的条件。 本为为某地下储油库的建设为工程背景，应用f l a c 3 d 数值模拟软件，分别对 开挖过程中洞室群静力的应力和应变和爆破过程中的速度、应力、位移的响应进 行分析，确定其围岩的稳定性。取得的主要成果为： ( 1 ) 地下水封石油储备库开挖方法的分析及优化，通过对i 级和i i 级围岩应 力场及位移场的分布，关键点处应力、应变的变化进行对比分析，对开挖方案进 行评价。 ( 2 ) 采用简化三角形冲击荷载模拟洞室开挖爆破时粉碎区的冲击荷载对相邻 洞室的影响，通过数值模拟分析出相邻洞室不同位置节点处的速度响应，位移响 应和应力响应。 ( 3 ) 综合分析静应力和动荷载共同作用下，洞室危险破坏点的应力情况，预 测可能发生的不稳定情况 关键词：大型洞室群，f l a c 3 d 模拟，动力分析，稳定性分析 c h i n a t h e r ei sal o to fh a r dg r a n i t ea n di g n i m b r i t ei nt h es o u t h e a s to f c h i n a , i t sv e r y c o n v i n c et ob u i l tl a r g e - s c a l eu n d e r g r o u n do i ls t o r a g ec a v e r n s b a s eo no n eu n d e r g r o u n dw a t e r - s e a l e do i ls t o r a g ec a v e r n s ，t h ed i s t r i b u t i o np r o b l e m o fs t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n t f i e l do fs t a t i cf o r c ea n dr e s p o n d o fv e l o c i t y , d i s p l a c 蹦l e i l ta n ds t r e s s o nt h eb l a s t i n gs e i s m i cw a v eb yt h em e t h o do fn u m e r i c a l s i l l l u l a t i o ns o f f w a r ef l a c 3 d s o m er e s e a r c hr e s u l t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w e d ： ( 1 ) a n a l y s i sa n do p t i m i z et h em e t h o do fe x c a v a t i o nu n d e r g r o u n dw a t e r - s e a l e d o i l s t o r a g ec a v e n l s ，b ym e a n so fs u r r o u n d i n gr o c ko f ia n di ic l a s ss t r e s sf i e l d ，d i s p l a c e f i e l d ，a n dt h ec h a n g eo fs t r e s sa n dd i s p l a c ei nk e y - p o i n tt o e s t i m a t ea n do p t i m i z et h e m e t h o do fe x c a v a t i o n ( 2 ) u s es i m p l i f yt r i a n g l ei m p a c tl o a dt o s i m u l a t et h ei m p a c tl o a do fc r u s ha r e a w h e nb l a s t i n g , t h e na n a l y s i st h ea f f e c t i o nb yb l a s t i n g d i s t r i b u t i o n so fp a r t i c l ev d o e i t y r e s p o n d ，d i s p l a c e m e n tr e s p o n d a n ds t r e s sr e s p o n di ns u r r o u n d i n gr o c k ( 3 ) c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so nt h es t a t i c s t r e s sa n dd y n a m i cl o a d ，f i n do u tt h e i n s t a b i l i t yp o i n t s ，a n dp r e d i c tf a i l u r em o d e k e y w o r d s ：l a r g ec a v e r ng r o u p ，f l a c 3 ds i m u l a t i o n ，s t a t i ca n a l y s i s ，d y n a m i c a n a l y s i s ，s t a b i l i t ya n a l y s i s v 1 2 4 爆破数值计算方法的研究进展9 1 3 研究内容及方法1 1 1 3 1 研究的主要内容1 1 1 3 2 研究的技术路线1 1 第二章软件介绍及模型的建立1 3 2 1f l a c 3 d 介绍及计算原理l3 2 1 1 软件简介1 3 2 1 2f l a c 3 d 计算原理1 4 2 2 计算模型的建立1 4 2 3 岩体本构及参数。1 6 2 3 1 岩体的本构关系1 6 2 3 2 岩体物理力学参数。1 7 2 3 3 模型的初始条件与边界条件。1 7 第三章地下洞室开挖过程围岩稳定性数值分析1 9 3 1 洞室开挖顺序1 9 3 2 开挖前的地应力场1 9 3 3i 级围岩的开挖2 l 3 3 1 第一个洞室开挖2 1 3 3 2 第二个洞室开挖3 3 3 3 3 第三个洞室开挖3 7 3 4h 级围岩的开挖模拟4 2 3 4 1 第一个洞室开挖4 2 3 4 2 第二个洞室开挖4 7 3 4 3 第三个洞室开挖5l 3 5 本章小结5 6 第四章爆破对相邻洞室的影响5 9 4 1 岩石爆破作用分析5 9 4 1 1 爆破机理5 9 4 1 2 爆破应力波传播特征及衰减规律6 0 4 2 爆破地震效应6l 4 2 1 地震波类型及特性6 2 4 2 2 爆破震动安全判定依据6 4 4 2 3 爆破波作用下洞室围岩稳定的条件6 6 4 3f l a c 3 d 动力计算参数设置6 7 4 3 1 动力时间步和动态多步6 7 4 3 2 动力荷载和边界条件6 8 4 3 3 力学阻尼的选择7 0 4 3 4 模型的建立及本构参数7 2 4 4 影响的模拟分析7 3 4 4 1 振动速度的响应分析7 3 4 4 2 应力的响应分析8 0 4 4 3 位移的响应分析8 2 4 5 综合静力动力分析围岩安全性进行评价8 3 第五章结论与展望8 5 5 1 主要结论8 5 5 2 研究展望8 5 参考文献8 7 作者简历9 l 独创性声明9 3 学位论文数据集9 5 使岩体强度削弱，且多呈趋势性的定向排列，使岩体强度具有明显的各向异性。 大部分情况下，岩体较岩石易于变形和破坏，其强度明显低于岩块的强度。形成 这种区别的主要原因在于岩体中存在各种不同类型，不同规模的结构面，并受到 自重应力、构造应力和地下水等各种地质环境因素的影响。 岩体的力学性质除受岩块力学性质的影响外，还受岩体结构和环境因素的影 响和控制。因此，岩体的力学性质通常不能根据实验室小岩石试件试验的结果来 预测，而必须通过原位岩体力学试验来测定。这类试验有承压板载荷试验、水压 洞室试验、钻孔变形试验、原位岩体单轴抗压强度试验、原位直剪试验以及原位 三轴压缩试验等。进行原位岩体力学性质试验时要注意试验岩体的代表性、比例 尺效应以及试验方法的选择。 由于洞室开挖过程大多使用爆破开挖，而爆破震动引起岩体初始地应力重新 分布，对控制大型岩体地下洞室稳定性的难度远大于一些小型的岩体地下洞室。 地下结构的地震响应分析，由于受周围无限岩土介质的动力相互作用影响而变得 十分复杂，其响应特点与地面结构有明显的差别。由于动力计算的数据采集困难， 而且计算规模相对于静力要大很多，不确定性因素又复杂，所以用传统方法对地 下大规模洞室群的动力计算分析非常比较困难。但随着计算机模拟技术的发展， 各种计算模拟软件的开发，对地下洞室的模拟越来越便利和快捷，其模拟的仿真 效果也越来越好。 1 1 研究背景及意义 近几十年来，随着世界经济发展，能源问题的同益突出，建立必要的石油储 备体系不仅是保障国家社会经济的安全，也是应对突发事件的必要手段，更可以 有效平抑油价，稳定供求关系【2 】。中国作为一个石油消费大国，2 0 0 9 年净进1 2 量 达到2 亿吨，国内石油对外依存度已经逼近5 0 ，建立国家石油战略储备是非常 必要的。 石油储备从储存设施和形式上可以分为陆上储罐、地下储罐、地下洞库等。 由于地下水封洞库存储相对于其他存储方式具有占地少、投资少、损耗少、污染 小、运营管理费用低、安全性能高、装卸速度快等优点，这种储油方式已被越来 越多的国家采用，美国、日本、德国、芬兰、瑞典、法国等国都已建成并投入运 营【2 j 。第二次世界大战后，瑞典的h e d h o l m 利用由人工挖成或者天然的岩洞储油， 这种岩洞即为地下水封储油岩体洞室。目前所建成的地下储油库基本都采用大型 多洞室储油库【3 】。 目前，在世界范围内已建造了6 0 多处地下水封岩洞储油库，主要分布在斯堪 地纳维亚半岛、韩国、日本、德国、法国和沙特等【4 】。1 9 7 3 年瑞典及很多国家， 由于低廉的石油价格，激励了石油的消耗。1 9 7 3 年以后，由于石油危机的因素， 瑞典所有的原油及其产品均靠进口，为了预防石油进口的干扰和在低价时增加原 油进e l ，瑞典制定了国家级建设储备油库的规划方案。仅有8 0 0 万人口的瑞典在 几年内建设了几百万m 3 的石油储库。1 9 8 8 年在斯堪地纳维亚已有2 0 0 多座地下原 油、石油产品及重燃料油库在使用。如在斯堪地纳维亚半岛伯诺夫约登的国家原 油库总库容2 6 0 1 0 4 l n 3 ，洞库断面6 0 0 m 2 ，宽2 0 m ，高3 0 m ，长5 5 0 m ，由几个洞 室组成，总长度4 3 3 0 m 。 在亚洲，目前韩国建有4 座地下洞库，总库容1 8 3 0 x1 0 4 m 3 ，其中1 1 7 5 1 0 4 m 3 已投入使用，6 6 5 1 0 4 m 3 正在建设；日本建有3 座地下洞库，总库容约为5 0 0 1 0 4 m 3 ；新加坡计划建设l 座约4 0 0 x1 0 4 m 3 的大型地下石油库，用来储存包括原 油在内的各种石油产品；沙特阿拉伯计划在5 个地方建设地下岩洞石油储油库， 其中利雅得地下石油库已投入运行，其容积约为2 0 0 x1 0 4 m 3 。经过几十年的不断 努力，尤其是开挖技术以及对岩石性质认识的提高，使得地下储存石油技术出现 了新的突破，促进了地下石油储存水平的提高，在人造岩洞、废弃矿井、冻土层 和地质条件不好的岩层中也可以储存石油，因而提高了地下储存石油的经济性和 适应性【4 】。 我国于2 0 世纪7 0 年代开始研究、建造地下水封储油库，当时主要是出于战 备考虑，带有试验性质。曾先后在浙江象山和山东黄岛成功地建成了l 座4 1 0 4 m 3 成品油库和1 座1 5 1 0 4 m 3 的原油库。后来，由于大型浮顶罐的广泛应用，加之当 时所建库单洞室容积小，价格市场化程度低，投资较地上罐高，未能充分显示出 地下储油库所具有的优势，该技术在我国长期没有得到进一步的应用和发展。随 到2 0 世纪末2 1 世纪初，由于我国大量进口液化石油气，该储存方式才在我国东 南沿海地区重新得以应用，目前我国已在汕头和宁波建成两座地下液化石油气洞 库，其中汕头的库容为2 0 1 0 4 m 3 ，宁波库为5 0 1 0 4 m 3 ，积累了丰富的建造地下 水封石洞储油库的经验。 近两年来，随着我国石油进口量不断增加，在沿海地区有建立大型石油储备 库的需求，同时在广东、福建、山东、浙江等沿海地区广泛分布的花岗岩、熔结 2 凝灰岩等地质构造，岩石坚硬，是稳定岩性区域，为建造大型地下水封储油库提 供了极为有利的条件【5 】。 大型复杂地下洞室群的开挖，势必引起洞室群围岩变形场和应力场的调整， 过大的变形和应力集中都会造成围岩的破坏，对洞室的稳定性产生影响【6 】。地下洞 室群开挖的另一个难点就是相邻洞室及交叉洞室的爆破。爆破施工在完成地下洞 室岩体开挖的同时，不可避免地会对周围环境产生不利影响。爆破产生的震动效 应、空气冲击波、噪声、飞石和炮烟等已经成为了“爆破公害”，尤其是爆破震 动效应，一直是人们关注的焦点【7 。 爆破震动作用对邻近地下洞室的稳定性会造成很大影响，主要是导致地下洞 室岩石力学性质的劣化，尤其对有构造带通过或节理裂隙较发育的岩石影响更大。 爆破震动作用会使围岩原有裂隙张开与扩展，新裂隙的产生，岩体声波速度的降 低，渗透系数的增大，进而可能引起地表、地下建筑物或构筑物的破裂、倒塌隧 洞冒顶、片帮等灾掣引。在工程实践中由于爆破震动效应引起的地下隧洞问题甚至 工程事故也时有发生。 因此，对洞室群开挖过程的数值模拟计算一直是工程地质学分析方法中的一 个重要组成部分，特别是近十年来，随着计算机技术和数值计算方法的飞跃性发 展，从二维到三维，从静态到动态，计算精确度、可靠度的不断提高，加之大量 工程实例的验证，使数值模拟计算方法己日益成为岩体稳定性评价中不可或缺的 重要方法“数值试验”的提出，标志着数值模拟技术在岩体研究中的又一新的发 展方向。一般水封油库的洞室规模都比较大，且洞室数量比较多，建设地下水封 储油洞库的地质条件、设计和施工的复杂性，建设的安全性和经济性就显得尤为 重要。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地下洞室围岩稳定性研究方法 地下洞室围岩稳定性分析方法大致可以归纳为工程地质类比法、岩体结构分 析法、岩体稳定性力学分析法和模拟试验法等【9 10 1 。其中模拟试验法包括物理模 拟和数值模拟，随着计算技术的发展和计算机的广泛使用，数值模拟方法在研究 地下洞室围岩应力及变形和破坏的发展，进而定量地评价围岩稳定性方面具有十 分明显的优越性，已日益成为解决地下工程设计和施工问题的最有力的工具 ( 1 ) s 1 2 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己建工程，开展资料的综合分析和对比，从而判断工程 区岩体的稳定性，取得相应的资料进行稳定计算由大型工程事例中总结出来的各 类围岩分类标准，如普遍使用的r q d 分类( d e e r1 9 6 9 ) 、r m r 分类( t b i e n i a w s k i 4 8 1 ， 1 9 7 3 ) 、q 系统分类( b a r t o n ，1 9 7 4 ) 、z 系统分类( 谷德振【4 9 1 ，1 9 7 9 ) 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。这些分类系统可以对不同类型围岩 直接定量地给出其山岩压力值以及支护衬砌的形式和厚度，对于一般性工程建筑 实现地下工程( 结构) 设计标准化起到了重要的作用，也是工程地质工作者的基本方 法之一。 ( 2 ) 岩体结构分析法 岩体结构分析法是在岩体结构及其特性研究的基础上，考虑工程力作用方向， 以及结构面与开挖临空面之间的空间组合关系，借助于赤平极射投影分析法、实 体比例投影分析法和块体坐标投影法进行图解分析，从而判断岩体的稳定性。随 着工程实践的不断深入，该方法己较为成熟【1 0 1 。早在1 9 7 6 年，王思敬等就开始对 此方法在工程中的应用加以研究。在此基础上，刘竹华、杨志法【5 0 】( 1 9 8 0 ，1 9 8 3 ) 等进一步作了较为系统的研究，积累了大量的工程实践经验，并开发出相应的稳 定性分析软件。 ( 3 ) 岩体力学分析法 岩体力学分析法是根据岩体不同的结构和力学特性，通过对地质原型的高度 概括和抽象，提出不同的力学计算模型，采用不同的理论和方法进行计算。概括 的说，对于块体、组合块体主要采用极限平衡法，对其它岩体可采用应力分析法。 目前各种新的应力计算方法不断涌现，其中尤其以映射函数求解较多于学馥【5 l 】等 ( 1 9 8 3 ) 用复变函数进行围岩应力变形计算，并得出了弹性解析解。阮怀宁【5 2 ( 1 9 9 3 ) 采用弹塑性分析方法，导出了各向异性洞室围岩山岩压力公式和有压隧洞覆盖层 厚度公式。朱大勇等( 2 0 0 0 ) 先后在映射函数求解洞室围岩应力方面作了探索，提出 了一些新的求解途径和方法。许德庆、罗小青( 2 0 0 6 ) 用复变函数保形变换方法，推 导直壁半圆拱洞室周边应力公式，判定洞室稳定性，运用该应力表达式求解，简 便迅速，对实际工程有很大的指导意义。 ( 4 ) 物理模拟法 物理模拟法是根据相似性原理和量纲分析原理，通过模型或模拟试验的手段 来研究围岩中的应力应变状态，进而研究其稳定性。常用的方法主要包括模型试 验、离心试验和光测弹性法。其中模型试验是广泛应用的方法，它能较好地模拟 岩体及工程的实际情况，还能模拟多种支护结构的有效性。8 0 年代，国内许多学 者做了大量相关的实验研究，积累了大量第一手资料和丰富的经验。谷兆琪教授 等( 1 9 8 1 ) 进行了层状砂岩地下洞室稳定性的研究，朱维申、冯光北等( 1 9 8 3 ，1 9 8 4 ) 4 研究了单排裂隙岩体模型的抗剪强度，杨淑清教授等( 19 8 6 ) 对鲁布格水电站地下厂 房喷锚支护的效果进行了试验研究，俞裕泰教授( 1 9 8 4 ) 、杨奇( 1 9 8 5 ) 研究了分期开 挖对稳定性的影响，陈霞龄等( 1 9 9 4 ) 通过平面应变和三维两种破坏模型对地下洞室 的稳定性进行了研究。赵震英等( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 采用模型试验的手段，对洞群开挖全 过程围岩的应力和位移分布进行了深入研究，讨论了围岩破坏过程以及安全度等 问题。赖跃强、姜小兰( 1 9 9 8 ) 采用地质力学模型平面应变试验技术，模拟彭水枢纽 地下厂房洞室围岩的构造特点和力学性能，分析研究了主厂房、调压小井在开挖 过程中的围岩应力、洞周位移、断层对洞室的影响及洞室变形破坏机理等。孙世 国等( 2 0 0 0 ) 作了开挖对岩体稳态扰动与滑移机制的模拟试验。陈陆望等( 2 0 0 9 ) 结合 了数值模拟与物理模拟来研究地下洞室围岩岩爆破坏。 ( 5 ) 数值模拟法 数值模拟方法主要是采用弹塑性力学理论和数值计算方法，从研究岩体的应 力和位移场的角度，分析评价岩体在一定的环境条件下的稳定性状况。就目前的 数值计算而言，从分析原理、基本思路和适用条件等方面有可分为如下三种：。 有限单元法( f e m ) 以弹塑性力学为理论基础，通过求解弹塑性力学方程( 物 理方程、几何方程、平衡方程) ，计算岩土体在一定的环境条件( 自重、荷载等) 下 的应力场和变形场，然后根据岩土体的破坏准则，判断岩体在各个相应部位应力 的作用下所处的状态，圈定可能发生破坏( 拉张破坏、塑性破坏等) 的部位和区域， 并据此对整个洞室的稳定性状况做出半定量的评价【1 1 1 。由于这种方法是基于小变 形和连续介质的假设，因此只适用于分析模拟洞室发展演化的早期阶段在应力场 作用下发生的拉张或压缩变形，而不能计算岩体沿某些结构面所发生的滑动变形 ( 大变形) 。 在早期的数值模拟的研究中，大量的研究成果均采用有限元分析方法， a n n a m a r i ac i v i d i n ，e c t ( 1 9 9 1 ) ，e c k a l k a n i ，e c t ( 1 9 9 5 ) ，m h i s a t a k e ，e c t ( 1 9 9 9 ) ， t e a s k i u ，e c t ( 2 0 0 3 ) ，j c s m a l l ，e r e ( 2 0 0 6 ) ，s k c h o i ，e r e ( 2 0 0 8 ) 等人的研究，标 志着近二十年国际上在这方面的研究水平。随后，在国内也涌现出了大量相关的 研究成果，其中较为突出的研究者有，王泳嘉( 1 9 8 6 ) 、黄润秋( 1 9 9 1 ) 、黄运飞( 1 9 9 4 ) 、 张志娟( 2 0 0 7 ) 、康金桥( 2 0 0 9 ) 等。 离散单元法( d e m l 该方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( 即离散 介质假设) ，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、转动等大变形，因此该方法主要适用于模拟 边坡发展演化的晚期阶段( 即边坡经历长时间的发展演化，己接近散体破坏) 的变化 5 破坏过程1 9 】。 在该方法的研究中，c u n d a u 是国际上较有影响的先驱者，并与1 9 8 5 年成功地 开发出了相应的二维计算程序u d e c ( u n i v e r s a ld i s t i n c te l e m e n tc o d e ) 现已经广泛 应用于岩土领域和矿山工程中，三维计算程序3 d e c ，也已经开发完成，并投入使 用之中；在国内，王泳嘉教授做了大量的研究工作，对岩体特别是地下洞室围岩 的变形与破坏进行了全过程的模拟研究，开发出了应用软件。在此基础上，邢纪 波( 1 9 9 1 ) 、陶连金( 1 9 9 8 ) 等也相继开展了对地下采空区顶板稳定性的研究，有效地 模拟了岩体变形与破坏的全过程。孟令森( 2 0 0 7 ) 等模拟挤压条件下盐上褶皱和 推覆带构造的形成、演化过程，通过四组对比实验的比较分析，详细研究了岩性 强弱和推覆速度对盐岩相关挤压构造演化的控制作用。冷先伦( 2 0 0 9 ) 等应用遍 布机理模型来研究大型地下水工建筑物洞室稳定性，并与摩尔库伦模型进行对比 研究。 拉格朗同差分分析 f l a c 是连续介质快速拉格朗日差分分析方法( f a s tl a g r a n g i 柚a n a l y s i so f c o n t i n u a ) 的英文缩写，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该方法最早由w i l l k i n s 用于固体力学，后来由美国i t a s c a c o n s u l t i n gg r o u pl n c 把此方法率先应用于岩土体的工程力学计算中，并开发出应用 软件，于1 9 8 6 年推出了二维f l a c 第一版( f l a c v i o ) ，随后相继推出了升级版的 二维f l a c 程序。由于f l a c 方法在计算中使用了“混合离散化 ( m i x e da n dc u n d a l l ) 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，是目前世界上公认的较为合理的计算方法 专一【1 2 】，oo 在二维f l a c 分析方法的工程运用方面，黄润秋、许强( 1 9 9 5 ) 应用该数值方法 分析了某水电工程引水洞进水口丌挖边坡在不同条件下的变形破坏特征。同时， 他们还对该工程的锚索加固处理方案进行了数值模拟分析。实践表明，显式拉格 朗同分析在边坡的稳定性评价方面比常规稳定性评价方法具有更大的优越性，随 后郝玉龙( 1 9 9 6 ) 、梁海波( 1 9 9 6 ) 、陈叶青( 1 9 9 8 ) 、张二海( 1 9 9 8 ) 。分别运用f l a c 分析 方法对变形位移、岩体加固等方面进行了分析和运用，对研究材料的动态力学性 能具有重要作用并揭示了应用中应注意的几个问题。陈文胜、冯夏庭( 1 9 9 9 ) 依照 f l a c 的基本原理，建立起与f l a c 方法平行的一种连续介质的岩土力学松弛计算 分析方法一静态松弛快速拉格朗同，即连续介质的静态松弛快速拉格朗日分析方 法s - f l a c 提出了分配法，为s - f l a c 的实施提供了简捷算法，推导了其相应公式， 阐述了其实施步骤。 随着数值模拟技术的发展，i t a s c ac o n s u l t i n gg r o u pl n e 又相继开发出了三维 6 f l a c 程序( f l a c 3 d ) ，目前三维f l a c 程序已升级到3 0 钣( f l a c 3 d v 3 o ) 迄今为止， f l a c 3 d 在国内工程中的运用已经较为常见。谢和平等( 1 9 9 9 ) 运用f l a c 3 d v l 0 对矿 山开采沉陷进行了预测，发现f l a c 能真实模拟现场的地质条件，弥补一般经典 方法的不足。寇晓东、周维垣等( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) ，运用f l a c 3 d v 2 0 分别对小湾拱坝 和三峡船闸高边坡的稳定性进行了分析，成功地模拟了岩体的三维力学行为。 在地下洞室的局部稳定性研究方面，基于非连续变形理论，b i n l i n 和h o e k 等 研制开发了地下洞室块体稳定性分析软件u n w e d g e ，在已知洞室尺寸和性状的条件 下，选取三组典型结构面作为构成四面体的边界条件，搜索出给定的结构面在洞 室各个不同部位所能组合成的块体，并计算块体的大小和稳定性系数；王渭明( 2 0 0 0 ) 在结构面的计算机模拟基础上，判定地下洞室中“危石 的存在及稳定性，并建 立了“危石预测的贝叶斯模型。许强，黄润秋等( 1 9 9 8 ) 运用块体理论、矢量分析、 排列组合、空间解析几何及计算机技术，创造性地提出了复杂形状块体的几何建 模方法“切割法 ，并研制开发了块体稳定性分析系统软件( s a s w ) 。 同时，一些新的理论和方法也被引进，在评价地下洞室围岩的稳定性方面发 挥着越来越大的作用。石根华与g o o d m a n 等发展了块体系统不连续分析法，该方 法成功地解决了不连续介质在空间上的稳定性计算问题，成为地下洞室稳定性评 价的重要基础理论。秦四清和张淖元( 1 9 9 3 ) 、黄润秋和许强( 1 9 9 7 ) 把非线性科学引 入岩体稳定性的评价中，从一个全新的思路成功解决了一些疑难问题；凌建明等 ( 1 9 9 9 ) 把岩体损伤理论运用于地下洞室围岩稳定性的分析中，提出了损伤力学分析 方法；李仲奎，戴荣( 2 0 0 4 ) 在模仿大型地下洞室群的初始地应力中提出了全新 的应力边界法，被称为s b 法来快速准确模拟初始地应力的情况；杨为民，陈卫 忠( 2 0 0 5 ) 用f l a c 法分析巨型地下洞室的稳定性；伍法权，晏长根( 2 0 0 8 ) 对 复杂地质条件下，大型洞室群的变形稳定性进行分析。近年来随着模拟技术的积 累和成熟，使得模拟研究的问题不断细化，覆盖面也越来越广。 1 2 2 群洞效应 随着各种建设的发展，地下洞室的规模越来越大、空间布置越来越复杂【9 】。形 成上下重叠、纵横交错、洞室岩墙间隔薄、交叉部位多的复杂情况。规模庞大、 构成复杂、布置紧凑的洞室群开挖时，不同洞室彼此之间必然产生强烈的相互作 用，这种相互作用就是群洞效应。群洞效应的强烈程度及影响范围将在很大程度 上决定着地下洞室群的整体稳定性和建设、维护成本。因此，群洞效应是大型地 下洞室群稳定性评价中的一个相当重要的课题。 目前对群洞的研究主要反映在：洞室群开挖的顺序优化、洞室群合理间距的 7 确定和数学力学分析三个方面 洞室群的丌挖顺序优化研究方面，中国科学院武汉岩土力学演技所的朱维 申研究员及其领导的研究集体坐了较为系统的研究工作：提出了岩体动态施工力 学的基本原理，将动态规划原理和人工智能理论应用与大型地下洞室群的开挖顺 学研究，编制出相应的分析软件，实现了洞室群开挖的顺序优化的程序化、智能 化。但软件的适用性有局限，还有一些研究人员进行过类似的研究，主要是针对 具体工程进行几种施工方案的对比分析，确定出较为合理的比选方案【1 3 】。 通常情况下地下洞室群所处的地质环境都比较复杂，这就使得确定地下洞 室群的合理间距变得非常困难。这方面国内的主要成果有：水力水电系统对国内 已建的1 8 个地下洞室群的资料进行统计和分析，得出结论并建议两洞室间的岩体 厚度一般不宜小于相邻洞室平均开挖宽度的l 1 5 倍【6 5 1 。另外，蒋峰【6 3 】等根据国 内外大中型地下洞室群的资料，统计得出相邻洞室之间的岩柱厚度l 与相邻洞室 的最大开挖跨度b 和高度h 有如下关系：l b = 0 6 0 1 8 0 ，其中，约5 0 的电站 l b 值为1 0 0 1 5 0 ；l ，h = o 3 5 o 8 0 。他们用有限元计算溪落渡主变室与厂房间岩 柱厚度分别为4 5 m 和3 5 m 两个方案的围岩稳定性。计算表明：3 5 m 的方案由于主 变室和厂房相距较近，与4 5 m 方案相比，洞室围岩位移加大，边墙最大位移由3 9 m m 增大到4 1 m m ；围岩应力扰动范围明显增大，应力偏张量增加2 4 m p a ；厂房和主 变室间的岩柱破坏体积加大，破坏区趋于贯通。王思敬【6 2 】等运用有限元法模拟研 究了洞室间距不同时，新开挖的洞室对已有洞的影响。杨万斌t 6 4 1 等用优化理论计 算确定洞室间距。 在国外，日本电力中央研究所的技术人员从岩体变形角度考虑，认为泊桑比 在0 4 5 以上的围岩区域为松弛区，松弛区的岩体力学指标低，所以不能在松弛区 内开挖洞室。因为，从力学意义上讲，开挖即相当于外力的作用，己经处于松弛 状态的岩体再加外力作用，必然会导致洞室围岩失稳，由此认为相临两洞室的岩 墙厚度应大于松弛区；加拿大霍克( e h o c k ) 在研究矿山地下开采的实践经验认为， 洞室间距与洞室间的矿柱形状有关，矿柱的宽度必须大于高度；英国、挪威的水 电地下洞室的建设经验认为，在一般情况下，洞室间距可与洞室的高度一样。其 他国家根据地下洞室建成的经验，认为在良好的地质条件区内，相邻洞室间的岩 墙厚度可以等于洞室的最大跨度。根据对国内外4 3 座水电站地下洞室群间距跨度 比的统计结果，从中看出，问距跨度比大于1 的洞室群占8 5 以上。 数学力学分析法将地下洞室群简化为平面上的多连通域问题，运用数学力 学原理求解。这方面主要的成果有：应用s c h w a r z 交替法求解两任意布置形势下、 任意形状孔洞的弹性解，双孔圆形洞室的复变函数解，任意多孔的应力分布解。 1 2 3 爆破地震效应研究的发展 关于爆破地震效应的研究，国外起步较早。早在1 9 2 7 年，美国就开始研究矿 山和采石场爆破振动对建( 构) 筑物的影响，但研究工作仅局限于对破坏现象的统计 分析和经验总结。n - 十世纪中期，随着地下核试验的开展和核防护工程的修建 以及工业爆破工程的广泛应用，以t h o e n e n ，w i n d e s ，e r a n d e l l ，d u v a l l ，f o g e l s o n ， e d w a r d s ，n o a h w o o d ，d e v i n e ，a t t w e l l ，l a n g e f o r s 和萨道夫斯基等为代表的美国、 英国、加拿大、德国、瑞典和前苏联等国家相继对工程爆破的地震效应问题进行 了研究和分析，研究包括爆破地震波的衰减规律、影响爆破振动强度的因素、爆 破振动的破坏准则，并对不同的建筑物制定了一系列区域性的破坏标准。我国对 爆破地震效应进行研究是在天然地震研究的基础上于二十世纪五十年代开始的。 中国科学院力学研究所、铁道科学研究院、水利水电科学研究院、长江科学研究 院、长沙矿山研究院、长沙矿冶研究院、北京有色冶金设计研究总院和中国矿业 大学、北京科技大学等科研院所，结合国家科研攻关项目及大型岩土工程的爆破 实践，重点对爆破地震波的传播规律和破坏作用机理进行了一系列理论和试验研 究工作，并在爆破地震对边坡稳定的影响、不同装药条件下爆破地震波的传播规 律、洞室爆破的地震效应与安全设计规范、爆破振动安全判据的建立，以及城市 控制爆破工程的地震效应等研究方面都取得了一定的进展。这些都为爆破振动效 应的预测和预报及控制技术研究工作的进一步开展奠定了坚实的基础。 进入二十世纪八十年代以后，随着电子计算机计算速度的提高和计算方法的 不断完善，以及实验和测试手段的改进，应用数值模拟来研究爆破地震波的传播 规律和结构响应成为主要的研究方法。 1 2 4 爆破数值计算方法的研究进展 在爆破动荷载作用下，结构往往会产生大变形而表现出三重非线性：几何非线 性、边界非线性、材料非线性，而天然岩体本身就是一种十分复杂的结构体，其 不均匀性使研究爆破地震波作用下的岩体问题变得更为复杂因此要从数学分析上 完全解决这一问题是非常困难的。在这种情况下，借助计算机的数值计算方法就 显得格外重要。爆破过程的数值计算，一般是归结为求解物体运动的动力学平衡 微分方程问题，为了进行数值计算，就需要把连续的微分方程组离散化，成为求 出有限个点的解的离散方程组，然后进行计算机求解。 最常用的离散方法有两类：一类是先建立控制方程，然后用网格覆盖时间和空 间，以有限差分法为代表：另一类是先将连续的空间目标分解成有限个小单元， 组成离散化模型，然后对离散化模型求近似的数值解，这类方法以有限元法为代 9 表。 有限元方法是以变分原理为基础，将由偏微分方程描述的连续函数所在的空 间区域( 即结构) 划分成有限个小区域( 单元) ，未知函数在小区域内的变化规律由选 定的函数来刻画( 形函数) 使得整个场域( 结构) 上的未知函数被离散化，由此构成了 一个近似的数学物理模型，来描述由原微分方程所控制的运动。传统的有限元方 法可以进行爆破数值模拟计算，但是由于其建立在爆炸应力波的简化模型之上， 蠕变、渗流和温度五种计算模型，并可进行多模型的混合分析。 f l a c 中动力学选项将其分析能力扩展到多学科、大范围内的动力学问题，其 在地震工程、地震学和矿业的岩爆中已得到广泛的应用。在边坡和地下洞室的震 动动力分析方面，f l a c 软件也有一定的应用。陈占军等，采用f l a c 3 d 模拟了该 岩石边坡在爆破荷载作用下的动态响应，分析了爆破结束后边坡体内位移场、应 力场、速度场以及塑性区的分布情况；刘春玲【1 4 1 ( 2 0 0 4 ) 等利用f l a c 3 d 对边坡在天 然地震作用下的响应情况进行了分析；闫长斌【1 5 , 1 6 】采用f l a c 3 d 对地下洞室群的隔 板在爆破地震波作用下的响应规律进行了研究；马行东【1 7 , 1 8 】( 2 0 0 6 ) ，则用f l a c 3 d 对动荷载作用下地下岩体洞室应力特征的影响因素进行了分析，分析了洞室埋深， 地应力状态对地下岩体洞室应力特征的影响；李仲奎【1 9 】( 2 0 0 6 ) ，论述了f l a c 分 析中的初始应力场生成及其在大型地下洞室群计算中的应用。 天然地震波和爆破地震波对结构体的作用机理存在很大的差异，但是两者基 本的表达要素是一样的，况且爆破地震波在爆破远区也可以近似为平面波的形式， f l a c 3 d 软件在处理岩土问题时可以参照f l a c 3 d 做天然地震的方法做爆破地震波 影响的数值模拟。 1 3 研究内容及方法 1 3 1 研究的主要内容 主要以地下水封油库工程为研究背景，用相关的理论及数值模拟分析软件来 初步分析，得出相应的结论。本文的主要研究内容为： ( 1 ) 进行主洞室群的围岩稳定性分析，确定不同开挖阶段对地应力及围岩位 移的影响。 ( 2 ) 对比分析i 级和i i 级围岩开挖过程中，在不同开挖阶段应力、应变的区 别。 ( 3 ) 用f l a c 3 d 分析相邻洞室爆破施工对既有洞室的动力响应，研究其稳定 性。 ( 4 ) 结合静力分析和动力分析两个方面对整个洞室群进行稳定性评价。 1 3 2 研究的技术路线 随垄照盛缝墨坌列 f l a c 3 d 软件在地下洞室开挖这方面具有很强的优势，在模拟非线性动力响应 方面也十分优秀。 首先，在未考虑爆破荷载的作用下，对每个洞室分三步开挖，分析每个开挖 过程中的应力、位移和塑性区的分布，并对比其它洞室开挖后，对相邻洞室的影 响。 其次，在静力分析的基础上，考虑爆破开挖过程对相邻洞室的影响，分析相 邻洞室在动荷载作用下速度、应力及位移的响应情况。 最后，结合静荷载和动荷载共同分析洞室围岩的稳定性。 1 2 大型洞室群围岩的稳定性，对于工程的设计和施工都是至关重要的。对于这 种具有特殊用途、特殊结构、处于复杂的地质环境中的地下工程，确定其围岩的 应力从分布状态、位移变化、变形持续时间的长短及洞室群上方地表的沉降程度 等，都是十分困难和复杂的。由于地下储油洞室的特殊性，对洞室围岩要求较高， 所以基本都在i 、i i 级的岩体内开挖。本文将应用大型有限差分数值软件f l a c 3 d 对其既有施工方法进行模拟，查看