（水工结构工程专业论文）岩溶洞隙对水工隧洞围岩变形规律影响的数值模拟研究.pdf

摘要 我国是一个岩溶十分发育的国家，随着水利工程建设的迅猛发展，常常会遇 到石灰岩溶地区的有压水工隧洞工程修筑问题，由于岩溶这种不良地质现象的存 在给水工隧洞开挖和运营安全造成严重的威胁。在保证穿越岩溶发育区水工隧洞 施工的快速顺利进行和安全运营同时，如何确保围岩的稳定性是目前岩溶地区水 工隧洞施工过程中亟待解决的关键技术问题。 本文首先通过收集国内外大量文献，根据以往岩溶隧洞研究成果，分析总结 了国内外岩溶洞隙形态和空间分布特点及其引起隧洞灾害的原因和灾害类型，并 提出岩溶隧洞分析模型。在建立的分析模型基础上利用a n s y s l 0 0 有限元分析 软件，对岩溶洞隙处于城门洞型和圆形隧道拱顶上方、边墙外侧和仰拱下方三种 情况进行了数值计算。根据有限元计算结果分析得出以下结论： ( 1 ) 顶部溶洞对隧洞拱顶和拱底的竖直方向变形有一定抑制作用，使其变 形量较之无溶洞时变形量有所减小；隧洞侧墙受项部溶洞影响水平方向变形较之 无溶洞时有所增加。 ( 2 ) 底部溶洞对隧洞拱顶下沉同顶部溶洞一样具有抑制作用，圆形隧洞底 板竖向变形量小于无溶洞时变形量。城门洞型隧洞受底部溶洞洞径不同影响变形 有所不同：当溶洞洞径小于隧洞洞径时，隧洞底板受底部溶洞影响较之无溶洞时 竖直方向变形有所增加；当溶洞洞径大于隧洞洞径时，底板竖直方向位移较无溶 洞时减小。 ( 3 ) 受侧壁溶洞影响，隧洞拱项下沉，底板上鼓，以及近溶洞侧洞壁水平 变形和无溶洞相比都将增加。隧洞远离溶洞侧的侧墙水平方向变形将小于无溶洞 时的变形。 ( 4 ) 当隧洞受到内水压力作用时隧洞近溶洞侧的径向变形量较无溶洞时将 增大，而其隧洞其他地方变形量较无溶洞时略微减小。根据数值模拟结果提出了 受内水压力时隧洞近溶洞侧变形特征公式。 关键词：岩溶洞隙，水工隧洞，数值模拟，围岩，变形特征 a bs t r a c t c h i n ai saw e l ld e v e l o p e dk a r s tc o u n t r y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw a t e r c o n s e r v a n c yc o n s t r u c t i o n , o f t e ne n c o u n t e rd i s s o l v e dl i m e s t o n ea r e a so fh y d r a u l i c p r e s s u r et u n n e lc o n s t r u c t i o np r o b l e m ss u c ha sp o o rk a r s tg e o l o g i c a lp h e n o m e n aa n d t h ee x i s t e n c eo fah y d r a u l i ct u n n e le x c a v a t i o np o s eas e r i o u st h r e a tt oo p e r a t i o n a l s a f e t y t h r o u g ht h ek a r s ta r e a si ne n s u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no fh y d r a u l i ct u n n e lf a s t s m o o t ha n ds a f eo p e r a t i o na tt h es a m et i m e ，h o wt oe n s u r et h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n g r o c ki st h eh y d r a u l i ct u n n e lc o n s t r u c t i o ni nk a r s ta r e a st h a tu r g e n t l yn e e dt or e s o l v e k e yt e c h n i c a li s s u e s t h i sa r t i c l ef i r s tb yc o l l e c t i n gal a r g en u m b e ro fd o c u m e n t sa t h o m ea n da b r o a d , b a s e do np r e v i o u ss t u d i e s ，t h ek a r s tt u n n e la n a l y s i ss u m m a r i z e st h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr o c kc a v eg a pm o r p h o l o g ya n dd i s t r i b u t i o na n dt h ec a u s e o ft h ed i s a s t e rc a u s e db yt h et u n n e la n dd i s a s t e r s ，a n dt op r o p o s ek a r s tt u n n e la n a l y s i s m o d e l i nt h ea n a l y s i sm o d e le s t a b l i s h e db a s e do nt h eu s eo fa n s y s10 0f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e ，c a v e r n sa n dg a p si nt h ec i r c u l a rt u n n e lw i t hg a t ev a u l ta b o v et h e l a t e r a ls i d ew a l l sa n di n v e r t t h eb o t t o mt h r e ec o n d i t i o n sw a sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt o f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o no f t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t o po ft h ec a v eo nt h et u n n e lv a u l t , a n dt h ev e r t i c a ld e f o r m a t i o no ft h ed o m e c a ni n h i b i lt od e f o r m a t i o nw h e nc o m p a r e dt on o n - c a v i t yd e f o r m a t i o nh a sb e e n r e d u c e d ；t u n n e ls i d ew a l lb yt h ei m p a c to fh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o no ft h et o pc a v e i n c r e a s e dw h e nc o m p a r e dt on o n - c a v e ( 2 ) a tt h eb o t t o mo ft h ec a v e so nt u n n e lv a u l ts i n k i n ga st h es a m ec a v eh a s i n h i b i t o r ye f f e c t s ，c i r c u l a rt u n n e lf l o o ra m o u n to fv e r t i c a ld i s p l a c e m e n ti sl e s st h a nt h e a m o u n to fd e f o r m a t i o nw i t h o u tc a v e i n s i d eo ft h et u i l r l e l i sa tt h eb o t t o mo ft h ec a v e s d i a m e t e rv a r i e sw i t hd i f f e r e n te f f e c t s ：w h e nt h ec a v ew i t hd i a m e t e rl e s st h a nt u n n e l ， u l n n e le f f e c to nt h eb o t t o mf l o o rs u b j e c tt h a nn oc a v e sk a r s tc a v ew h e nt h e r eh a sb e e n a ni n c r e a s ei nv e r t i c a ld i r e c t i o nd e f o r m a t i o n ；w h e nt h ec a v ed i a m e t e rg r e a t e rt h a n t u n n e l ，b o t t o mv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tl e s sc a v ei sr e d u c e d ( 3 ) mi m p a c to fw a l lc a v e ，t u n n e lv a u l ts i n k , f l o o r , o nd r u m s ，a n dn e a rc a v e s i d eo ft h ew a l lc o m p a r e dt ot h el e v e lo fd i s t o r t i o na n dn o n - c a v ew i l li n c r e a s e c a v e s i d eo f t h et u n n e la w a yf r o mt h eh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o no f t h es i d ew a l l sw i l ln o tc a v e w h e nt h ed e f o r m a t i o ni sl e s st h a n ( 4 ) w h e nt h et u n n e li si nt h ew a t e rp r e s s u r ew h e nt h et u n n e ln e a rc a v es i d eo f r a d i a ld e f o r m a t i o nw h e nc o m p a r e d 州吐ln oc a v e ，a n di tw i l li n c r e a s et h et u n n e lf o rt h e r e s to ft h ed e f o r m a t i o no fas l i g h td e c r e a s ew h e nn oc a v e a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sp r e s e n t e db yt h ew a t e rp r e s s u r et u n n e ln e a rc a v es i d ed e f o r m a t i o n f o r m u l a k e yw o r d s ：k a r s tc a v e s ，h y d r a u l i ct u n n e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s u r r o u n d i n g r o c km a s s ，d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 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 表或撰写过的作品成果。对本文的研究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结果由本人承担。 学位论文作者签名：锕日期：夕口f 。年f 月r 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 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。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复 制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：锄 日期：年月t 日 指导教师签名： 日期沙l 年 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名：锹 日觌：pf 拜日lf b 日期：p 拜二月f 日 指导教师签名啡 日期：沙i 。年- 月lf 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题依据及研究意义 我国是一个岩溶十分发育的国家，碳酸盐岩地层出露面积达9 1 万k m 2 ，主要 分布在我国水能资源丰富的西南地区，随着水利工程建设的迅猛发展，常常会遇 到石灰岩溶地区的大断面有压水工隧洞工程修筑问题，由于岩溶这种不良地质现 象的存在给水工隧洞开挖和运营安全造成严重的威胁。在已建和在建的水利工程， 如洪家渡水电站、锦屏二级水电站引水隧洞、雁田隧洞、长新隧洞、乌江东风水 电站导流隧洞、乌江东风水库9 1 5 廊道、南盘江天生桥二级水电站引水发电隧洞、 猫跳河五级红林水电站引水发电隧洞、三岔河普定水电站导流洞、万家寨引黄入 晋工程6 隧、贵州马蜂洞水利工程引水隧洞、贵州双洞水电站引水隧洞、贵州平 寨坝水利工程引水隧洞等工程中均遇到了不同程度的岩溶工程地质问题，并且严 重影响了水工隧洞的快速施工和安全运营。在保证穿越岩溶发育区水工隧洞施工 的快速顺利进行和安全运营同时，如何确保围岩的稳定性是目前岩溶地区水工隧 洞施工过程中亟待解决的关键技术问题。 岩溶对水工隧洞的工程影响主要表现在水工隧洞周边变形、失稳，常常导致 水工隧洞开挖中的局部坍塌、掉块、落石；另一方面岩溶涌水也是岩溶的对水工 隧洞的主要工程影响之一，它不仅影响施工，而且直接危及人员和机械设备的安 全。虽然早在7 0 年代我国铁路建设和水利工程建设中，就遇到大量的石灰岩溶区 的隧道和水工隧洞建设工程，并且取得了一些在岩溶区修建地下洞室的成功经验， 但是对不同岩溶发育程度对围岩稳定性的影响、岩溶区水工隧洞开挖过程中围岩 的变形规律、岩溶发育段水工隧洞围岩稳定性的预测、岩溶区水工隧洞围岩稳定 的控制技术等一系列问题缺乏深入系统的研究。目前在岩溶区的水工隧洞建设中， 主要参考铁路和公路隧道建设所获得的工程经验，然而由于水工隧洞不仅断面尺 寸变化范围大，而且要受到内水压力作用，原有铁路小断面隧道建设所获得的工 程经验与实际有较大的出入，已很难适应现代水工隧洞工程技术的要求。本论文 的研究将进一步丰富和完善有压水工隧洞的设计计算理论，不仅具有重要理论意 义和学术价值，而且对于推动我国水利工程建设技术的进步将具有重大的现实意 义。 2 第一章绪论 1 2 国内外研究现状及发展 水工隧洞作为水利工程的重要组成部分，在水利工程中具有极其重要的地位 和作用。在水工隧洞建设中，围岩的稳定性是关系到水工隧洞建造的安全施工和 运营的关键技术问题；但由于地质条件千变万化，不确定因数较多，水工隧洞围 岩的稳定性往往受到岩体结构、岩体材料的物理力学性质、原始地应力、地下水 作用及时间等多种因数的影响，从而给水工隧洞围岩稳定性的研究带来了困难。 水工隧洞属于有压地下洞室研究的范畴，随着科学技术的不断发展和地下工程建 设经验的不断积累，目前在地下洞室围岩稳定性研究方面已经取得了大量的研究 成果。 1 2 1 非岩溶区地下洞室围岩变形规律研究现状 1 ) 基于力学分析方法的研究 早在十九世纪，人类就已对松散地层( 主要是土层) 围岩稳定和围岩压力理 论进行了大量的研究。n - 十世纪初，开始对坚硬岩层围岩稳定和围岩压力理论 进行研究。但在二十年代以前，主要是古典的压力理论阶段，作为代表的有海姆 ( h a i ma ) 、朗金( r a n k i n ew j m ) 和金尼克( 皿hhh ka h ) 理论。随着开 挖深度的增加，越来越多地发现，古典压力理论与实际情况有较大出入。于是又 出现了散体压力理论。这类理论认为，当隧道、水工隧洞等地下工程埋藏深度较 大时，作用在支护结构上的压力不是上覆岩层重量，而只是围岩坍落拱内松散岩 体的重量。松散压力理论的代表有太沙基( t e r z a h iz ) 和普氏( j 1p oto 皿b 牙 kohobm m ) 理论。 一 随着弹性力学理论的发展，不少学者利用弹性力学对地下硐室围岩应力和变 形进行了求解。在实际工程中，地下硐室开挖后由于卸荷作用使围岩应力重新分 布，并出现应力集中，围岩将部分进入塑性状态，但局部区域进入塑性状态并不 意味着围岩将发生坍落或失稳，因而研究围岩稳定就不能不考虑塑性问题。芬纳 ( f e n n e r ) - 塔罗勃( t a l o b r ej ) 和卡斯特奈( k a s t e rh ) 等给出了地下洞室围岩的 弹塑性应力图。随着半解析元法以有限厚条法的形式提出，林银飞、郑颖人将有 限厚条法和弹塑性分析结合在一起，提出了弹塑性有限厚条法，采用大单元内划 分小网格的方法判断塑性区范围，在弹性区及塑性区内采用统一的解析函数级数， 以修正常刚度增量法为迭代方法，推导出了塑性系数矩阵及塑性刚度矩阵。并将 其应用于地下工程三维弹塑性围岩稳定性分析中。 第一章绪论 对于深埋地下洞室，因其埋深大，围岩大都表现出强烈的流变特性，而软弱 围岩，其本身就具有明显的流变特性。因此，流变理论逐渐被引用到围岩稳定性 分析的研究中。朱素平等提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性模型进行围岩 稳定性的力学分析。日本学者西原在岩石流变试验资料的基础上，建立了能反应 岩石弹粘弹粘塑性特性的西原模型。在此基础上，同济大学孙钧通过对围岩支 护系统受力机理的充分阐述，得出了西原模型在地下硐室围岩支护系统中的有限 元解。对于层状节理分布密集的围岩，假设岩体由完整岩石和节理两部分组成， 孙钧提出了串联两个b i n g h a m 模型的力学模型。而对于含软弱断层、破碎带的围 岩，将软弱断层和整体性较好的岩石作为两类不同性态的岩体处理，假定完整岩 体为线弹性体，断层为可受压和受剪但不能受拉的粘弹塑性体，在此假定上，孙 钧提出了四元件的粘弹塑性模型进行围岩应力和稳定性分析。 1 9 5 8 年前苏联学者k a c h a n o v 在研究蠕变断裂时首先提出了损伤的概义，后经 法国学者l c m a i t r e 与c h a b o c h e ( 1 9 7 7 年) 、美国学者k r a j c i n o v a ( 1 9 8 1 年) 等人 利用连续介质力学方法，根据不可逆热力学原理，建立了“损伤力学 这一学科 后。国内外许多学者将其应用于节理岩体的力学分析中，如日本学者k a w a m o t o 及国内学者孙钧、李术才等。李术才采用损伤力学方法得到的加锚节理裂隙岩体 的本构关系及其损伤演化方程来评价此类岩体的稳定性和变形行为。 长期以来，工程界一般按二维平面应变问题来模拟地下硐室的开挖效应。但 实际上，在掘进面之后距其大约2 - - 3 倍洞径或洞跨的范围内，围岩体变形的发展 和应力重分布都将受到掘进面本身的制约。因此，工程师们越来越注重掘进面附 近范围内地下硐室三维空间效应( 包括掘进面推进时效) 的研究。我国中科院院 士孙钧及同济大学朱合华等对此作了大量的数值模拟和现场实测研究工作，认为 地下洞室掘进面的空间几何效应在洞轴纵断面方向上表现为“半圆穹 约束，在 洞室横断面方向上则表现为“环形 约束。用“位移释放系数来反映掘进面对 围岩的空间约束程度，提出了广义虚拟支撑力法，并成功地将其应用于地下洞室 围岩稳定性分析中。 2 ) 基于数值计算方法的研究 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，各种数值计算方法越来越多地被应用 到围岩稳定性的分析中，如有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法等。 有限元法是一种较早、较成熟的岩体数值分析方法，其有限元模型一般有弹 性、弹塑性、粘弹性、粘塑性、粘弹塑性等。意大利的e p e l l i 等通过三维有限元 计算，研究了深埋地下洞室中岩体各向异性和非线性对工作面应力的影响。厦门 4 第一章绪论 市政建设指挥部的李斯海和加拿大的e s o l i m a n 等应用三维弹塑性有限元法对小 净距双洞隧道围岩稳定性进行了系列计算，探讨了不同围岩及线间净距条件对围 岩稳定性的影响。武汉水利电力大学的肖明等采用三维非线性弹塑性有限元对层 状各向异性岩体中洞室围岩的稳定性进行了分析论证。为了克服有限元法在无限 域问题应用中的限制，b e t t e s s 于1 9 7 7 年提出无限单元这一单元形式后。印度的 e k u m a r 结合无限单元与有限单元，运用有限元计算程序，对围岩稳定性问题进行 了一系列的计算分析。目前广泛用于隧道施工动态模拟的3 d o 和2 d o 就是运用 有限元开发的专用软件。 边界元法是继有限差分法、有限元法之后发展起来的又数值计算方法，与 有限元法相比，它具有降一维的特性及占计算机内存小、计算时间省等优点。特 别是由于边界元法本身适用于无限域和半无限域的特点而在岩土工程中得到特有 的青睐。同济大学的朱合华等利用边界元法对软弱地层中隧道围岩稳定性及隧道 掘进面的时空效应进行了研究。l y a n g 等对用边界元法反分析岩石隧道初始地应 力场、弹性模量及泊松比等参数的步骤及计算程序进行了阐述。王志亮等就某一 实际隧洞工程，利用间接边界元法进行了初始应力场的参数反演和洞周应力分布 探讨。王鲁明等针对裂隙围岩问题，采用直接边界元分区算法，并考虑了闭合裂 隙的磨擦作用，结合岩石断裂理论，计算和研究了裂隙几何位置、裂隙长度、裂 隙面摩擦系数、双向加载侧压比等因素对裂隙围岩稳定性的影响。徐干成采用以 粘弹性边界元理论为力学计算工具、工程类比定性内容为修正依据，探讨和发展 了设计、施工和现场量测一体化的分析方法。台湾的k - j s h o u 采用模拟地下洞室 的虚拟力法和求解不连续面问题的位移不连续法两者相结合的混合模型，提出了 三维混合边界元法。 除有限元法和边界元法外，离散元法是用来计算具有不连续变形性质的节理 岩层的一种新的数值计算方法，它不受节理岩体相对微小位移的限制，即使是不 稳定的围岩，变形可以计算到围岩坍落。c h a r l e sf a i r h u r s t 等对运用离散元法和有 限元法分析节理岩层中洞室围岩稳定性进行了比较。 3 ) 基于人工智能方法的研究 岩体及其工程力学行为以及它的变形和破坏机理在主、客观两方面相当程度 上都是随机、模糊的，也就是不确定的；且由于获取信息与数据方面的限制和不 完全、不充分，它又是不确知的。因此，尽管力学仍然是求解工程问题必要和不 可或缺的手段，但它已不是唯一的手段。神经网络、遗传算法等人工智能学科的 兴起，为我们解决这类不确定和不确知的工程问题提供了强有力的理论基础。国 第一章绪论 内外不少学者正是利用这一理论基础，提出了围岩稳定性分析的新方法。如北方 交通大学的y y a n ga n dq z h a n g 利用b p 神经网络建立了一种等级分析方法，找出 了影响围岩稳定性的关键因素。胡建华等利用改进的m b p 神经网络进行围岩稳定 性的识别，建立了围岩稳定性的神经网络识别模型。安红刚、冯夏庭将遗传进化 算法与有限元相结合，对大型洞室围岩稳定性进行最优建模和获得全局最优解。 冯夏庭、马平波运用知识发现技术中的数据挖掘环节，对大量的工程实例数据进 行知识发现，找出蕴含于工程实例数据中的内在关系，进而利用这些关系可对类 似条件下的围岩稳定性作出合理的判断。 4 ) 基于围岩分类方法的研究 在实际工程的计算与设计中，因围岩分类法简单、明了而被广泛使用。围岩 稳定性分类方法主要有s t i n i 法、f r a n k l i n 法、b i e n i a w s k i 的r m r 法和b a r t o n 等人 的q 法，以及a r i l dp a l m s t r o m 于1 9 9 5 年提出的r m i ( r o c km a s si n d e x ) 法。但 此分类方法中包含参数较多，而有些参数难以准确测定，加之岩体工程力学行为 及其变形、破坏机理的不确定性和不确知性。对此情况，不少学者采用模糊数学 的方法加以处理。日本的铃木昌次等提出了采用模糊回归分析进行岩体分类的方 法，对花岗岩、粘板岩及片岩地层中地下洞室围岩分类基准式进行了推导。中国 地质大学的于震平等以渗水结果、r q d 值及r e o 为评定因子，且假定评定因子 的隶属函数为正态函数的基础上，对围岩的类别进行了模糊综合评判。铁二院莫 君政等对、类围岩的既有1 1 7 座隧道洞口的围岩分类、洞身的埋置深度及施 工安全程度等情况进行统计，求得不同洞身埋置深度对于围岩稳定性的隶属函数， 从而推导出围岩稳定性的隶属函数。据此可得新建隧道工程洞口、类围岩稳 定性作出评价。同济大学黄宏伟等采用模糊数学及层次分析法，分析了围岩稳定 性分类中的不确定因素，提出了工程类比模糊经验法。针对围岩受动压后结构的 演化，田敬学等提出了围岩稳定性动态工程分类法。 5 ) 基于反分析方法的研究 自奥地利地质学家l - 缪勒提出以充分发挥围岩自承能力为基本原理，以锚喷 支护及复合柔性衬砌为主要特征的新奥法以来，改变了过去设计与施工的一些传 统思路。它依据现场监控量测结果和信息反馈来指导施工和设计。因此，以现场 监控信息为依据，通过反演计算围岩物理力学参数来评价地下硐室围岩稳定性的 反演分析方法日趋完善。意大利的s p e l i z z a 等以一地下工程长达十年的位移和应 力量测数据为依据，对侧压系数及岩体参数进行了反分析。印度的b s i n g h 等认为 6 第一章绪论 由于隧洞围岩裂隙传播受到周围岩体约束及初始地应力对岩体的预应力作用，其 强度将会有显著的提高。并通过反分析得出了变化的强度参数及变形模量。日本 的s s a k u m i 在文献中得出了隧洞围岩位移危险警戒水平的数值，并对反分析法与 参数识别的区别进行了分析。国内郑志远等及孟维孝分别以一实际隧道工程的监 控量测数据并结合理论分析和经验判断，对隧道围岩在施工过程中的稳定性进行 分析。针对用隧道位移量测结果进行反分析中存在结果不可靠及精度问题，日本 的谷河正也等提出用三维反分析及双重反分析来克服这一缺陷。 6 ) 基于模型试验方法的研究 理论分析时，往往须对原型进行一定简化和假定，且分析中所用参数的精度 和可靠度也有限，由此导致理论分析结果与工程实际状况往往存在一定偏差。针 对理论分析中的种种缺陷和不足，国内外不少学者开展了大量的模型试验研究工 作，得出了许多有意的结论。 岩体作为一种地质材料，经历了长期的地质构造运动，在一定的地质环境中 形成一定的结构，此结构显现出多变的材料响应范围，且岩体多为层面或节理面 等弱面切割。因此，节理、破碎岩体中围岩稳定性的模型试验研究开展得也就最 多。中科院武汉岩土力学研究所的陈卫忠等开展了节理围岩变形特性和锚固效应 的模型试验研究，得到了不同初始地应力场条件下，地下工程分步开挖的围岩力 学行为的变化规律。交通部重庆公路科学研究所的黄伦海通过相似模型试验得到 了二车道隧道围岩的位移发展规律。大连理工大学朱玮等通过底面摩擦试验系统， 提出了裂碎围岩按其力学作用规律存在有四种力学介质类型的观念，并初步论述 了这四种介质类型所拥有的力学模型，为裂碎围岩的稳定性分析提供了合理的依 据。 一般地下硐室围岩岩体的各向异性性质，各国学者已作了大量的研究并取得 了一致的认识。对于深埋地下硐室，传统理论一般认为由于高地应力的作用，各 向异性岩体可作为准各向同性处理。但荷兰的s c b a n d i s 等进行了模拟高地应力 条件下的圆形洞室开挖模型试验后认为，即使在超高应力条件下，围岩的各向异 性性质还是很明显，其二次应力和变形都由岩体构造控制。 8 9 0 0 2 部队的顾金才、汪克修等就某地下硐室在平面应变条件下进行试验，给 出了在不同侧压系数下硐室的破坏形态和硐周径向、环向应变分布情况。清华大 学周小文等通过离心模型试验，对砂土中隧洞拱冠以上地层位移与隧洞内支护压 力的关系及临界支护压力进行了研究，结果表明：在砂土中开挖隧洞，由于砂土 抗剪强度的发挥，隧洞拱冠以上砂土在远小于原位上覆土压力的支护压力下仅发 第一章绪论 7 生一定的位移而不致塌落。 综上所述，鉴于隧洞围岩稳定性在工程建设中的重要性，人们对其研究在不 断地深入和完善，也取得了相当的成果，但是应当看到，岩体经过多次地质构造 作用，使其各种因数均呈现出极其复杂的特征，如何建立一种与岩体性质完全相 符的本构关系模型及破坏准则；如何在现场原位测试或者室内模型试验中较准确 地模拟与围岩形成及开挖过程相同的加卸载过程，使取得的参数应用于围岩稳定 性分析时具有较小的差异等等都是在隧洞围岩稳定性研究中有待进一步的深入研 究的问题。 1 2 2 岩溶区地下洞室围岩变形规律研究现状 早在7 0 年代，我国铁路建设中，就遇见大量岩溶地区的隧道工程建设，鉴于 当时的施工技术、试验技术及分析手段的落后，缺乏对岩溶地区的隧道围岩稳定 性的深入系统研究，在隧道施工过程主要采用工程类比法和已有经验，并结合施 工监控量测来评价围岩的稳定性和指导施工。随着西部高速公路的迅猛发展，穿 越岩溶山区的大断面隧道越来越多，而已有的小断面隧道工程经验很难适应现代隧 道工程的快速施工，工程界逐步认识到岩溶区大断面隧道围岩稳定性研究的迫切 性，但由于该问题的复杂性，大量关于岩溶区的隧道研究主要集中在隧道涌水量 的预测方面，而对围岩稳定性的研究成果相当有限，2 0 0 0 年李彪对高速公路大断 面公隧道施工中的岩溶影响作了定性的评价，认为隧道周边的溶洞使围岩的变形 增大，隧道周边位移随溶洞的尺寸增大而增大；溶洞与隧道的距离越大，隧道周 边位移越小；然而该结论并无有效的数据加以验证，因而该结论还有待进一步的 探讨。 2 0 0 3 年赵明阶等人在分析岩溶的发育特征和岩溶对大断面隧道工程的危害的 基础上，建立岩溶隧道围岩稳定性的概化模型，首次利用模型试验和数值分析对 岩溶区大断面公路隧道围岩中的不同发育程度的岩溶对围岩稳定性的影响进行了 系统深入的研究，并结合已有的工程实践经验构建岩溶区隧道围岩稳定性的控制 方法和措施；研究得出了围岩变形与溶洞距离、方位、尺寸之间的非线性关系， 并提出了岩溶区隧道围岩变形特征为全过程变形曲线的负空间效应段增长，阻尼 段变短，而正空间效应段变陡；围岩变形速率在开挖瞬间达到最大，并随溶洞的 尺寸的增大而增大，而随溶洞距离的增大而减小；开挖后的变形速率较小，与开 挖瞬间的变形速率相比，最大比值可达到5 倍。隧道与溶洞之间的岩体厚度达到1 倍的隧道直径时，溶洞对围岩的变形速率几乎没有的影响。基于变形规律，提出 了在岩溶区隧道围岩稳定性评判标准、超前支护和二次衬砌的最佳时机、溶洞坍 8第一章绪论 塌稳定性验算近似模型等。 1 2 3 岩溶区有压水工隧洞围岩变形规律研究现状 对于岩溶地区的水工隧洞工程，围岩稳定性主要除了受到岩体结构、开挖支 护加卸荷过程、溶洞、岩溶堆积物及岩溶水的影响外，在运营过程中还将受到内 水压力的作用，从而使得岩溶区水工隧洞围岩的稳定性的研究极其复杂，目前国 内外对岩溶区水工隧洞围岩变形规律缺乏系统的研究，特别是岩溶对于有压水工 隧洞围岩稳定性影响的理论与试验研究，国内基本还是一片空白。在我国水工隧 洞的设计和施工中，主要沿用铁路隧道和公路隧道取得的工程经验，对大型溶洞 采用拱桥、大口径人工挖孔桩、高压灌浆等方案，对中、小型溶洞采用混凝土或 片石混凝土回填、浇筑一定厚度的钢筋混凝土底板作板筏基础、管梁结构等方法， 对于岩溶中地下水的处理，一般采用自流排水、埋设排水管引排、水泵抽水等方 法。而对于溶洞中堆积物的处理，数量较少时，可直接清除；数量较多时，采用 注浆加固、衬砌补强等方法。然而在岩溶区修建有压水工隧洞本身就是一项系统 工程，许多关键技术有待进一步深入研究。 1 3 本文的研究内容 论文的研究借助于大型有限元软件a n s y s ，采用“地层结构模型对有压隧 洞在岩溶洞隙以及各自在有、无内水压力作用影响下的围岩变形规律进行系统深 入研究，分析石灰岩溶区岩溶洞隙的尺寸和不同位置对水工隧洞围岩的变形影响。 主要研究内容有以下几方面： ( 1 ) 岩溶区水工隧洞围岩的分析模型研究。 ( 2 ) 不同断面形式水工隧洞围岩变形受岩溶洞隙影响数值分析。 ( 3 ) 不同尺寸岩溶洞隙对水工隧洞围岩变形影响数值分析 ( 4 ) 不同位置岩溶洞隙对水工隧洞围岩变形影响数值分析 ( 5 ) 岩溶区水工隧洞围岩受内水压力变形规律研究。 第二章岩溶洞隙影响下水工隧洞围岩变形的分析模型 9 第二章岩溶洞隙影响下水工隧洞围岩变形的分析模型 2 1 水工隧洞围岩变形的基本理论 研究岩溶压力隧洞变形规律应该首先从单洞结构开始，单洞隧洞结构中圆形 断面的受力在弹性力学有完整的解析解。压力隧洞的变形主要有两个方面，一是 在施工期由于洞室的开挖引起，使洞室围岩各点的原有应力平衡状态受到破坏， 各点要产生位移调整，以达到新的平衡状态。相应地，围岩内的应力大小和主应 力方向也发生了改变。地下洞室开挖引起的围岩变形是有一定规律的，变形终止 时围岩内的应力就是重分布后的应力。二是当水工压力隧洞受到内水压力作用 时，衬砌产生径向变位压迫围岩产生变形。 2 1 1 开挖卸荷引起的隧洞围岩变形 在无溶洞影响时，隧洞开挖的力学原理为在有初始应力场的地层中开孔，受 垂直和水平地应力作用分别为p 和q 相当子弹性理论双向受压板中孔附近的应 力分布问题，只是板内的应力分布属于平面应力问题，而隧洞由于洞室的长度远 较横截而的尺寸为大，因此属于平而应变问题。将这一问题的中心思想归纳如下 【1 4 1 ： ( 1 ) 隧洞开挖以前，岩体处于自然应力的平衡状态中，这种自然应力，即 原岩应力，可通过量测求得。量测到的水平应力与垂直应力之比取为入，并称之 谓侧压力系数。 ( 2 ) 开挖隧洞后，原处于平衡状态的应力被扰动，出现应力重分布，洞室 围岩中出现一个应力变化区，在该区内产生应力集中现象，在洞壁的应力集中程 度最严重。如果洞壁应力。值小于岩体的屈服应力，洞室围岩稳定。则隧洞围岩 应力处于新的平衡状态。 ( 3 ) 如果重分布后的洞壁应力超过了屈服应力，洞壁岩石首先破坏，或出 现裂缝，或出现大的塑性变形，造成洞室周边的非弹性位移。这种现象从周边向 岩体深处扩展到某一范围，在此范围内的岩体称为非弹性变形区。在非弹性变形 区外为弹性变形区，原来围岩周边集中的高应力转移到外围弹性变形区内。 ( 4 ) 非弹性变形区内的岩石向着隧洞衬砌移动或脱落，形成围岩作用于衬 砌的压力，而衬砌必阻挡约束围岩位移或承受脱落岩石的重量。 根据弹性理论，这时围岩中的径向应力0 ，、切向应力0 。以及剪应力r ，可 1 0 第二章岩溶洞隙影响下水工隧洞围岩变形的分析模型 分别按齐尔西( k i e r s c h ) 公式进行计算： 1 ，n 仃r 2 j 【尸+ ：委( p + z f 彬：昙( p 一 0 十4 譬+ 3 爿锄秒 c ，( 1 + 3 爿础p 钟加 眩。， 其中q = 入p 式中如为洞室半径；r 为自洞室中心算起的径向距离；0 为自极轴算起的 极角；入为侧压力系数。分析简图如图2 1 。 o 图2 - 1 洞室应力分析简图 f i g u r e2 - 1s c h e m a t i cs t r e s sa n a l y s i sc h a m b e r q 在平面应变问题中，首先运用应力一应变关系，求得r 处圆巷开挖后的相 对径向位移，同时减去圆巷开挖前r 处的径向位移值，即可得到圆巷开挖后r 处的径向释放位移，其表达式为1 2 7 】： 驴一( 1 + f 1 ) r 0 2 十咖叫4 却一铷哪 眩2 ， 2 1 2 内水压力引起的隧洞围岩变形 水工隧洞除受到围岩压力以外，主要荷载是均匀内水压力。可简化为受均布 1 2 1 2 3 、j、一、2一2 爿爿每 -iil 西西d 第二章岩溶洞隙影响下水工隧洞围岩变形的分析模型11 压力的闭合圆筒问题，这样可用弹性力学方法求其解析解。设圆筒内半径为， 外半径为r l ，受内压力p 1 及外压力p o 作用，则有1 1 4 1 ： f c r ：些：二墨壁+ 鱼：墨! ：垒二型土 r羁2 一蜀2 墨2 一r 2 露2 卜等等一警掣古 眩3 ， 卜掣掣等等r 一半宰掣去 当水工压力隧洞受到内水压力作用时，衬砌产生径向变位压迫围岩，同时衬 砌也会遭到围岩的抵抗，也就是说围岩会对衬砌产生被动反作用力，这个反作用 力称为围岩抗力。围岩抗力与围岩压力不同，它不是地层岩体主动产生的，而是 隧洞衬砌受内水压力作用后，围岩约束抵抗而作用于衬砌上的被动力。围岩抗力 的大小能反映围岩的综合物理力学性质，随围岩的强度、节理、裂隙发育程度而 变，是一个宏观的力学特性参数，主要用于定量分析计算围岩承受。荷载的能力。 围岩抗力p 与径向变位u 成正比。满足文克尔( w m k l e r ) 假定：围岩径向 变位大，抗力则大；围岩径向变位小，抗力n d , 。 p = k u ( 2 4 ) 式中：p 为围岩承受的内压；u 为洞壁的径向位移；k 为围岩抗力系数。 从式( 2 4 ) 可以看出，围岩抗力系数k 的物理意义就是在单位洞壁压力作用 下的洞壁径向变位，因次为m p m 。围岩抗力系数k 可采用径向液压枕法或水压 法等现场试验方法获得。 由2 3 式可知当围岩在均布内水压力p 作用下，在洞室内壁r = r o 处的径向 变位为： ：掣舻 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式2 6 是喀列尔金公式，它是计算弹性抗力的基本公式，它指出了在围岩是 理想弹性体时，圆形有压隧洞的弹性抗力系数k 与围岩弹性模量e d 泊松比ud 之 间的关系。 第二盍岩溶洞隙影响下水工隧洞围岩变形的分析模型 2 2 岩溶洞隙影响下水工隧洞围岩变形的分析模型讨论 2 2 1 溶洞空间分布统计分析 建国以来我国在岩溶区进行了大量的水利、公路和铁路隧道的勘察、设计 和施工积累了大量的工程地质资料，特别是在近年来的岩溶区工程建设中。根 据宋站甲綦彦波等人的统计资料，我国西南地区的”n5 】岩溶隧洞施工中常见溶 洞尺度统计情况见表2 1 和图2 - 2 所示。 裹2 - 1 溶稠辟径统计表 t a b i e2 - 1 洲s p a nt a b i e s 从以上资料的统计结果来看，大部分溶洞跨度在2 肚1 40 之阃，这一范围内 的溶洞占8 6 6 ，且尤以6 0 1 4 0 之间的溶洞比例最大，约占了总数的6 78 ， 其余尺度范嗣内溶洞所占比例较小。统计中，最，j 、溶洞的尺寸不到05m ；大与 1 4o m 的溶洞占总数的1 3 6 ，晟太溶洞跨度大于7 0 r e 。既有溶洞调查统计的直 方图如图2 2 所示。 j _ 辫 器牌 i ， 蠹 雾 ，l “ 一 l 产囊e赣甄 溶洞舛进( m ) 围2 _ 2 溶渭跨度统计结果直方鲴 f i g z j r e2 - 2h i s 。c o g r a mc a v es p a nr e s u i t s 第二章岩溶洞隙影响下水工隧洞围岩变形的分析模型 1 3 2 2 2 溶洞空间形态统计分析 溶洞是可溶性岩层受水的化学和物理作用产生的裂隙和空洞。溶洞的发育必 须具有可溶性的岩石和具有能溶解岩石的水。在这两个因素中，可溶岩即可溶的 碳酸岩地层是形成岩溶溶洞的物质基础，是构成富水结构储存地下水的空间条 件，它为水流对碳酸岩进行选择性溶蚀创造了基本条件【1 2 3 鼻3 6 1 。有溶解能力的水 主要指地下水动力因素，即水的补给、排泄条件。循环水流是岩溶溶洞产生的必 要条件，水流方向是控制岩溶溶洞轴线的主导因素。溶洞发育的上述特点决定了 溶洞轴向方向整体而言无外乎两种情况，即近垂直方向和近水平方向。 根据刘之葵、刘铁雄等对四川、湖北、重庆等地岩溶隧洞资料的统计，对埋 深较浅的隧洞，此时如隧洞处十地下水垂直入渗循环带内，隧洞遇到的溶洞以近 竖向发育溶洞为主，此类溶洞受溶解水流动特点的制约，其溶洞空间形态一般均 呈柱状或面状分布，且一般在地表处均有出露迹象，在隧洞勘察中多半会避开此 影响带，因此，工程中因大的竖向溶洞导致的工程灾害相对较小，且在分析中必 须按实际情况模拟溶洞的空间形态，而溶洞的空间形态千差万别，只能具体问题 具体分析，基本无共性可言。 在地下水垂直循环带之下，近水平相溶洞发育。对西南岩溶地区铁路隧洞既 有资料的分析表明，对于近水平向发育的溶洞而言，在溶洞尺度较大( 溶洞洞径 大于1 5 m ) 时，溶洞空间形态一般近似大厅状；但在溶洞跨度较小时，溶洞一 般均近似于圆形或椭圆形。刘之葵( 2 0 0 3 ) 2 e l 、刘铁雄( 2 0 0 4 ) 1 6 1 对岩溶空间形 态的统计也表明，在溶洞洞径不大时，溶洞断面一般为圆形或似圆形。 2 2 3 岩溶洞隙影响下水工隧洞围岩变形的分析模型 根据对溶洞轴线的统计表明，溶洞空间轴线以近水平和近垂直为主，其中水 平溶洞占一半以上。对于工程中经常遇到的近水平隧洞，溶洞轴线和隧洞轴线在 空间的位置可划分为近似平行和相交两类情况。对于轴线和隧洞近似平行的溶 洞，溶洞沿轴线断面的尺寸和断面形状是分析中必