（水工结构工程专业论文）大型地下洞室渐变段施工期围岩稳定的动态数值分析.pdf

a b s t r a c t a st h es t a b i l i t yp r o b l e mo fs u r r o u n d i n gr o c kd u r i n gt h ee x c a v a t i n gp r o c e s so f t h e l a r g ea n dc o m p l e xu n d e r g r o u n dc a v e r ni sc o n n e c t e dw i t ht h ec o n s t r u c t i o nc o s ta n d m a n a g e m e n tb e n e f i to f t h ew h o l ep o w e rs t a t i o np r o j e c t ，i ti sa l w a y sac o n c e r nf o rt h e a c a d e m i ca n de n g i n e e rc i r c l e s t r a n s i t i o ns e c t i o ni s a tt h ee n t r y ( o re x i t ) o f u n d e r g r o u n dc a v e r n s ，w i t hl a r g ee x c a v a t i o ns e c t i o na n dt h i no v e r b u r d e n d e s i g na n d c o n s t r u c t i o no ft r a n s i t i o ns e c t i o ni sc o m p l i c a t e db e c a u s ei t sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r s a n dn oc o d e st of o l l o w t h es a f e t yo ft h et r a n s i t i o ns e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nt h e t u n n e lc o n s t r u c t i o np r o c e s s t h e r e f o r e ，e n s u r i n gs t a b i l i t ya n ds a f e t yo ft r a n s i t i o n s e c t i o ni nt h ee x c a v a t i n gp r o c e s si sas i g n i f i c a n ts u b j e c t i nt h i sp a p e r ，as y s t e m a t i c a ls t u d yi sm a d eo nt h ee x a m p l eo f2 ”d i v e r s i o nt u n n e l e n t r yt r a n s i t i o ns e c t i o no fn u o z h a d uh y d r o p o w e rs t a t i o n f i r s t t h e3 dm o d e lo f t h e p r o j e c tf i e l di sb u i l ta c c o r d i n g t ot h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dd e s i g ns c h e m e s e c o n d ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i si sm a d eo nt h ew h o l ec o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h e t r a n s i o ns e c t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h es t a b i l i t y o fs u r r o u n d i n gr o c ki s e v a l u a t e d t h i r d ，as t u d yi sm a d eb ys e n s i t i v i t ya n a l y s i so nt h ei n f l u e n c et h a tf i e l d g e o t e c h n i c a lp a r a m e t e r v a r i a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ki nd i f f e r e n tl o c a t i o n sh a sc a u s e d t ot h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c k a tl a s t , a ne v a l u a t i o ni sm a d eo nt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ff l a t t e n i n ge x c a v a t i o nt e c h n i q u e ap r e l i m i n a r y d i s c u s s i o ni sc a r r i e do nt h ea p p l i c a t i o no ff l a t t e n i n ge x c a v a t i o nt e c h n i q u et od i f f e r e n t c l a s s e so fs u r r o u n d i n gr o c k , w h e r e a st h ee c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t so ft h e t e c h n i q u e k e y w o r d s ：h y d r a u l i cs t r u c t u r e ，s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k ，t r a n s i t i o ns e c t i o n ， f l a t t e n i n ge x c a v a t i o n ，n u m e r i c a la n a l y s i s 独创性声明 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和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 秒素 签字日期：沙分年口占月护f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂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，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) 学位论文作者签名： 弘璃 签字日期：7 c r o 多年0 参月d 岁日 导师签名 签字日期卅年名月j 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题目的及研究意义 第一章绪论 大型复杂地下洞室在开挖过程中的围岩稳定问题关系到整个水电站工程的 建设成本和运营效益，一直为理论界和工程界所关注。随着水利水电工程建设的 飞速发展，我国已建、在建和设计中的许多大型水电工程中，都有大型地下洞室 结构，如：二滩、小湾、小浪底、溪洛渡、向家坝、龙滩、大朝山和三峡后期电 站等。大型地下洞室埋深变化大、穿越地层复杂多变、布置密集，而渐变段由于 位于地下洞室进口段( 或出口段) ，开挖断面的跨度和高度较大，侧面及上部覆 盖相对较薄，地下洞室进口渐变段的设计与施工是一个受众多因素影响的复杂过 程，无规范可循，工程类比少，所以它的安全稳定性在隧洞施工过程中显得尤为 重要。因此，研究地下洞室渐变段在施工期的围岩稳定性，保证其在施工和运行 期有足够的安全性，是一个极其重要的课题。 由于地质体内本身存在着复杂的非稳定应力场( 初始地应力) ，在一定的地 质环境中开挖地下洞室，势必会引起该地质体在洞周一定范围内发生应力状态和 能量的重新调整分布。同时由于地质体是非线性材料，因此在开挖过程中，随着 应力调整和围岩不断变形，地质体本身的材料特性发生变化，在重分布应力达到 地质体极限强度时，会产生裂缝或剪切滑移，在自重作用下产生塌落，造成围岩 失稳。因此地下洞室围岩稳定问题实质上是研究地质体由于地下洞室开挖而引起 的应力重分布问题【2 j 1 3 j 1 4 j 。 一般情况下，在查明岩体结构特征和地应力条件的基础上，根据岩体的强度 和变形特点就可以判别围岩的稳定性。但是，由于地质条件和围岩受力机理的复 杂性以及施工过程的多样性，利用解析法进行地下洞室围岩稳定的分析和计算几 乎是不可能的。随着计算机技术的发展，数值分析方法已日益成为研究地下洞室 围岩稳定的有力工具。洞室周围岩体应力场、变形场的变化不仅取决于围岩力学 特性、结构面特征、初始应力场，同时洞室的形态和施工方案也是很重要的因素， 采用数值分析方法模拟洞室的开挖支护，可以较真实地反应这一物理过程。 本文以在建的某水电站导流隧洞进口渐变段为研究背景，针对该渐变段进口 特大矩形断面的特点，通过对其所采用开挖支护技术及施工过程的数值仿真分 析，了解渐变段在采用进口平顶开挖技术结合联合支护方案下的围岩稳定性，为 天津大学硕士学位论文第一章绪论 确保大型地下洞室的施工安全和长期稳定运行提供理论依据。同时也对平项开挖 技术在不同地质条件下的应用进行了初步探讨，为今后的大断面渐变段工程施工 设计提供一定参考，在确保洞室安全与稳定的同时提高施工效率，创造更大的社 会经济效益。 1 2 研究现状及发展趋势 1 2 1 隧洞支护结构理论的发展与现状 隧洞支护结构理论的发展至今已有百余年的历史，它与岩土力学的发展有着 密切的关系。土力学的发展促使着松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，而 岩石力学的发展促使围岩压力和隧洞支护结构理论的进一步飞跃。随着新型支护 结构的出现，岩土力学、测试仪器及计算机技术和数值分析方法的发展，隧洞支 护结构理论正在逐渐形成一门完善的学科。 隧洞支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在支护结构上的荷剃5 1 。 因此，支护结构理论的发展离不开围岩压力理论的发展，从这方面，支护结构理 论的发展大概可分为三个阶段。 2 0 世纪2 0 年代以前，主要是古典的压力理论阶段。这类理论认为，作用在 支护结构上的压力主要是其上覆岩层的重量珂。可以作为代表的有海姆、朗肯 和金尼克理论。他们的不同之处在于对地层水平压力的侧压力系数有不同的理 解。海姆认为侧压力系数为l ，郎肯根据松散体理论认为是辔2 ( 4 5 0 一矽2 ) ，金尼 克根据弹性理论认为是( 1 一t ) ，其中，y ，伊，h 分别是岩体的容重、泊松比、 内摩擦角和隧洞埋深。由于当时地下工程埋藏深度不大，因而这些理论一度被认 为是正确的。 随着开挖深度的增加，逐渐发现古典压力理论不符合实际情况，于是出现了 散体压力理论。散体压力理论认为当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动岩体的重量。可以作为 代表的有太沙基和普氏理论。他们的共同点是认为坍落拱的高度与地下工程跨度 和围岩性质有关，不同之处在于前者认为坍落拱是矩形，后者认为是抛物形。普 氏理论把复杂的岩体之间的联系用一个似摩擦系数描写，显然过于粗糙，在工程 实践中也常常出现失败的情况，但由于这个方法比较简单，直到现在普氏理论仍 在应用着。散体压力理论是基于当时的支护型式和施工水平发展出来的，由于当 时的开挖和支护所需的时间较长，支护和围岩不能及时紧密相贴，致使围岩最终 往往有一部分破坏、坍落，但是当时没有认识到围岩的坍落并不是形成围岩压力 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的唯一来源，也不是所有的隧洞都存在坍落拱，更没有认识到可以通过稳定围岩 以充分发挥围岩的自承作用问题【6 】。此外，这类理论也没有能科学地确定坍落拱 的高度及其形成过程。 2 0 世纪5 0 年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑 性及粘弹性解法逐渐出现。如史密德( h s c h m i d ) 和温德耳斯( r w i n d e l s ) 按 连续介质力学方法计算圆形衬砌的弹性解；徐干成、郑颖人等利用弹性力学获得 了在非均压地层压力作用下围岩与支护共同作用的线弹性解；塔罗勃( j t a i o b r e ) 和卡斯特奈( h k a s t n e r ) 得出了圆形洞室的弹塑性解；塞拉塔( s s e r a t a ) 、柯蒂 斯和樱井春辅采用岩土介质的各种流变模型获得了圆形隧道的粘弹性解1 7 j 。同 时，锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一整套新奥法的兴起， 终于形成了以岩石力学原理为基础的、考虑支护与围岩共同作用的隧洞工程现代 支护理论。 现代支护理论与传统的支护理论之间的区别主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 对围岩和围岩压力的认识方面：传统支护理论认为围岩压力由洞室坍 落的围岩“松散压力 造成，而现代支护理论则认为围岩具有自承能力，围岩作 用于支护上的压力不是松散压力，而是阻止围岩变形的形变压力。 ( 2 ) 在围岩和支护间的相对关系上：传统支护理论把围岩和支护分开考虑， 围岩当作荷载，支护作为承载结构，属于“荷载一结构”体系，现代支护理论则 将围岩和支护作为一个统一体，二者组成“围岩一支护 体系共同参与工作。 ( 3 ) 在支护功能和作用原理上：传统支护只是为了承受荷载，现代支护则 是为了及时稳定和加固围岩。 ( 4 ) 在设计和计算方法上：传统支护主要是确定作用在支护上的荷载，现 代支护设计中的作用荷载是岩体地应力，围岩和支护共同承载。 ( 5 ) 在支护形式和工艺上：锚喷支护的施工方式简单，不需模板，无需回 填，在围岩松动之前能及时加固围岩。 现代支护理论的形成与发展，首先是由于锚喷支护等现代支护结构的大量使 用，给人们积累了丰富的经验，新奥法( n e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ) 是典 型的代表。尤其是现场监控量测的应用，至2 0 世纪8 0 年代又将现场监控量测与 理论分析结合起来，发展成为一种适应地下工程热点的和当前技术水平的新的设 计方法一现场监控设计方法( 也称信息化设计方法) 。其次是由于岩石力学理 论的发展，2 0 世纪6 0 年代中期和7 0 年代末期，以有限元和边界元法为基础的 数值解法开始运用到隧洞工程中来。2 0 世纪7 0 年代后期，在解析方面，国内外 学者对轴对称问题获得了比较完善的解答，提出了锚喷支护的一些计算与设计方 法，在国外则称为收敛一约束法或特征曲线法。有限元、边界元及离散元法等数 天津大学硕士学位论文第一章绪论 值解法迅速发展，模拟围岩弹塑性、粘弹塑性及岩体节理面等大型程序已经很多， 这些理论都是以支护与围岩共同作用和需得知地应力及施工条件为前提的，比较 能符合隧洞的力学原理。然而，这些计算参数还难以准确获得，如原岩应力、岩 体力学参数及施工因素等。另外，对岩土材料的本构模型与围岩的破坏失稳准则 人们还认识不足。因此，目前根据共同作用所得的计算结果，一般也只作为设计 参考依据。 目前，工程中主要使用的工程类比法，也正在向着定量化、精确化和科学化 方向发展。 隧洞支护结构理论的另一类内容，是岩体中由于节理裂隙切割而形成的不稳 定块体失稳，一般应用工程地质和力学计算相结合的分析方法，即岩石块体极限 平衡分析法。这种方法主要是在工程地质的基础上，根据极限平衡理论，研究块 体的形状和大小及其坍落条件，以确定支护的参数。 与此同时，在隧洞支护结构设计中应用可靠性理论，推行概率极限状态设计 研究方面也取得了重要进展。采用动态可靠度分析法，即利用现场监测信息，从 反馈信息的数据推测地下工程稳定的可靠度，从而对支护结构进行优化设计，是 改善隧洞支护结构设计的合理途径。考虑个主要影响因素及准则本身的随机性， 可将判别方法引入可靠度范畴。在计算分析方法研究方面，随机有限元、随机块 体理论和随机边界元法等一系列新的隧洞支护结构理论分析方法近年来都有了 交大的发展。 隧洞支护结构理论正在不断发展，各种设计方法都需要不断提高和完善，尤 其是能较好地反映隧洞受力特点的现场监控设计方法，更迫切需要在近期内形成 比较完善的量测体系与计算体系。从发展趋势看，新奥法开创的理论一经验一量 测三者相结合的“信息化设计”体现了隧洞支护结构设计理论的发展方向。 1 2 2 大型地下洞室的研究现状及发展趋势 地下洞室的理论研究仍然落后于工程实践，尽管岩石力学在其相关学科交叉 渗透下，业已形成了一门新的学科，而且在分析地下洞室围岩的稳定性和优化设 计的理论、方法方面也有了很大的发展和提高，但由于岩石本身几何组成、介质 特性和受力的异常复杂性，地下洞室的分析仍受控于建模的仿真度和有关参数以 及岩体初始状态确定的精度【9 1 。对于地下洞室岩体结构而言，存在问题更多，其 主要外载环境( 地应力与渗透压力) 的确定至今仍是相当粗糙的，尽管可以通过 实测信息反演推求，但其准确度仍然不尽人意。其次，岩土工作性态的复杂性， 依靠现有科技手段尚不足以充分揭示，这是由于岩体不能仅作为一种纯粹“材料” 看待，它尚有“结构”的特征，即使可简化为材料看待，所拟合的本构关系也依 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 赖于本构式中若干参数的确定，而这些参数要精确选定也绝非易事。再者，地下 洞室施工过程中结构、介质和外载的时空动态变化也给计算分析增添了不少难 度，而且还提出了许多因素( 如洞型、加固参数、施工顺序等) 的优化新课题， 此类问题的优化往往又是多目标多约束的极值难题。最后，关于地下洞室围岩稳 定评判准则至今也尚未达到完善成熟的阶段，从稳定的定义、量化的判据到分析 的理论、准则和方法等一系列基本问题均尚未形成明确的系统，因而围岩稳定性 的定量评价还在进一步探讨中。以上存在问题的提出，促使人们一方面利用一些 软科学手段( 如不确定分析方法、系统分析方法、全局优化方法、综合智能方法 等) 寻求新的蹊径；另一方面仍然重视实验的研究，一些大型工程均投入可观经 费进行相当规模的现场试验和模型试验，以保证获得可靠的数据作为地下洞室群 设计与施工的依据。 地下洞室的围岩稳定依生产领域及使用要求的不同，可能有不完全相同的概 念。一般来讲，围岩不稳定是指其妨碍了生产安全使用的围岩破坏或过大变形现 象。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。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：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 较客观的评价标准，同时它也为数值分析提供合适的控制判据。2 安全系数法： 安全系数法是一种历史悠久而目前仍最普遍应用的定量评价方法，由于安全系数 是许多因素共同作用下的一个函数，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，以及人们对它们认识的深刻准确程度等，因此在对安全系数取 值的标准上存在一定的差异，甚至很大。3 可靠度、稳定度或破坏概率：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，小到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：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有关参数来评价岩体稳定程度是一 种概念比较明确、直观的判据，通常是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，选择一些特征部位进行设点监测，然 后利用现场监测所获得的上述一个或多个参数的值来判断岩体的稳定性。5 干扰 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 能量：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，地下工程的稳定 性问题，主要的发展方向还是朝着计算精细化方向发展，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。工程中的局 部化问题尤为突出，已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、局部失稳已成为岩体较为普遍的 破坏形式。这些都有待于进一步的研究、解决。 在地下洞室群施工开挖顺序研究方面，目前国内外均已大量进行，但多数限 于平面分析，较难反映超大型地下洞室群的三维特征和进行定量化分析。如何将 施工开挖顺序由平面分析到三维非线性分析，并与施工组织优化相配合，使施工 力学分析与施工系统工程紧密结合，并进行定量化评估，是施工开挖顺序研究的 发展趋势。 1 3 本文研究内容 在系统研究学习了地下洞室围岩稳定的基本理论和方法的基础上，结合糯扎 渡水电站的工程实例，以采用平顶开挖技术的2 4 导流隧洞进口渐变段为研究背 景，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 根据渐变段工程地质条件和设计方案，密切结合工程拟定的开挖施工 程序，建立能反映支护结构与围岩相互作用及施工动态过程的地下洞室围岩稳定 分析的整体三维模型，模拟了超前支护、一次支护及衬砌对渐变段施工过程中围 岩稳定性的影响。 ( 2 ) 采用连续介质快速拉格朗日元法( f l a c 3 d ) ，选取恰当的本构模型分别 模拟围岩及不同的支护结构，按照工程拟定的施工程序对2 4 导流隧洞进口渐变段 开挖及支护全过程进行三维弹塑性仿真计算，总结洞周围岩在施工期的应力、位 移、塑性区分布以及支护结构上的受力情况，评价洞室开挖后的围岩稳定性。 ( 3 ) 针对洞室所处地质模型中不同部位( 洞室上部、中部、下部) 的围岩 参数进行敏度分析，评价各部位围岩参数的变化对洞室变形、应力及塑性区分布 的影响。 ，( 4 ) 评价本文研究对象糯扎渡2 “导流洞进1 3 渐变段所采用的平顶开挖技术， 鉴于该技术所带来的经济、社会效益，本文在此工程成功实践的基础上根据洞室 围岩参数敏度分析结果针对平顶开挖技术在不同类别围岩中的适用性进行了初 步探讨。 6 天津大学硕士学位论文第二章地下洞室围岩稳定分析及弹塑性理论 第二章地下洞室围岩稳定分析及弹塑性理论 2 1 围岩稳定分析 2 1 1 围岩稳定性评价 地下工程围岩稳定性一直是岩体工程的一个重要研究内容，而围岩稳定性评 价结果的正确与否直接关系到地下工程的成败【1 0 】f l l 】【1 2 】1 1 3 】。当前地下结构工程规 模日益巨大，表现在地下工程深埋且体积庞大，地质条件复杂等，洞周围岩的稳 定性问题尤为突出。从目前国内外有关围岩稳定性判据的规范中可以看出，大多 数规范是以定性的方式给出的，部分是以定量指标给出的，一般也是根据经验和 统计资料得出的。其中，围岩强度判据、围岩极限应变判据以及围岩向洞内收敛 位移位移和“收敛比三种基本判据【l5 】是目前工程界比较常规的判别方法。但随 着非线性科学理论的发展，各种新兴的失稳判据也相继被提出。 ( 1 ) 围岩强度判据1 1 4 j 该判据在地下结构围岩稳定性数值分析中得到了广泛应用，主要是以强度破 坏理论为基础的，如比较常用的d r u c k e r - p r a g e r 和m o h r - c o u l o m b 准则，即在低 约束压力的条件下，当岩体内某些斜截面的剪应力值超过破坏理论规定的滑动限 界范围时，岩体就发生剪切屈服破坏。因此，如果将数值分析结果绘制成图线， 根据围岩在洞室开挖后的主应力分布和塑性区分布，按照以往设计、施工的经验， 就可以定性地判断围岩的受力状态和破坏机理。但是由于强度破坏理论规定的滑 动限界范围一般很难确定，故这一判据在工程中的应用也不是很普遍，只能作为 稳定判据的参考。 ( 2 ) 围岩极限应变判据 极限应变是岩体处于破坏极限时的应变，一般由岩石的单轴压缩试验得到， 许多试验证明，室内试验和原位试验结果几乎一致，也就是可以通过室内试件的 试验求得原位岩体的极限应变值。 采用岩石单轴抗压强度吼和初始弹性模量e ，来定义极限应变 知2 詈 ( 2 - 1 ) 对于岩石，晶一般在0 1 1 0 的范围变动( 下限值为硬岩，上限值为软 岩) 。岩石的极限应变虽然容易确定，但是隧道围岩的应变值和极限应变值如何 天津大学硕士学位论文第二章地下洞室围岩稳定分析及弹塑性理论 确定却是一件很困难的事，因此围岩极限应变判据在工程中也难以实施。 ( 3 ) 围岩向洞内收敛位移和“收敛比 判据 根据施工现场的量测，可以确定围岩向洞内的最大收敛位移，以此作为围岩 失稳的判据。目前有许多国家在这方面取得了一定的成果。而我国学者引入了“收 敛比的概念，利用这一参数，能够较全面地反映围岩应变形态和锚喷支护效果， 而且又易于测定，所以可作为围岩稳定的另一判据。所谓“收敛比就是洞室内 收敛位移和洞室开挖宽度之比。 而所谓的收敛率就是指在给定时间内的收敛位移，一般认为： 当收敛率叠( m m d ) 一o 时，位移呈减速收敛趋势，最终趋于稳定； 当收敛率舌( m m d ) = 常数时，而位移收敛比满足要求，需施加支护； 当收敛率毒( m m d ) 0 时，位移呈加速收敛趋势，这种情况只允许开挖面 通过时短暂出现，否则围岩将急速失稳。 ( 4 ) 基于突变理论的判据 闫长斌等人【l6 】在分析隧道开挖引起围岩扰动和损伤的基础上，运用突变理论 建立了深埋硬岩隧道失稳的尖点突变模型，推导了失稳的力学判据条件。 围岩发生失稳的充要条件是： 4 g 一1 ) 3 + 9 g 一f 1 ) 2 = 0( 2 2 ) i k 。 l 热七。= 南鲁 ，f ：4 ：z o 、一么一b k ，其中，力：3 a e m 2 ， m a , 彳2 而硕万1 - n 磊司，b = - 3 a m , 肌2 等，肛f f 矿_ _ 。c f 。 其它物理量：e 一弹性模量；一泊松比；灭一塑性区半径；口一隧道开挖半 径；o r ”s d 一分别为岩石应力一应变关系曲线的峰值应力及对应的应变； 1 9 f 、b f 一岩石应力一应变关系曲线中，峰值后曲线拐点处的应力及对应的应变。 此失稳判据基于势能原理，从岩体参数特性及所受载荷出发，考虑围岩中弹 性区和塑性区的刚度比。在工程应用时，首先通过试验得到岩石的应变一应变曲 线，以及一些相关的岩体力学参数，然后通过声波测试塑性区半径，从而判断围 岩的稳定性。 ( 5 ) 熵突变判断准则 许传华等人【1 。7 】认为，当岩体进行开挖时，其系统的熵值是发生变化的，这时 天津大学硕士学位论文第二章地下洞室围岩稳定分析及弹塑性理论 可用某一连续的函数s = 妖f ) 来表示这种变化，其中t 为加载时标，将函数进行能够 泰勒级数展开，取至4 次项，则有： s = 口，f 7 ( 2 3 ) 式中，口，= 等，为熵函数展开呈泰勒级数的系数。 i = 10 t 最终围岩突发失稳的充要判据为： a = 8 , u 3 + 2 7 v 2 ( 2 4 ) 其中，：一( 2 一善，侈：丑一彳a 2 ( 3 一兰；。当0 时，围岩发生突变， 。 a 4 8 口j a 4 2 口j8 口； 即围岩产生失稳。 根据岩体失稳时对应熵值的变化情况，提出了岩体破坏失稳的熵突变判断准 则，但由于熵值突变理论的研究目前处在初步阶段，所以如何更合理地通过非线 性理论来考虑围岩的失稳将是亦或各学者需要努力的地方。 除了上述常用的方法外，其它一些理论与方法也在围岩稳定分析中得到应 用。冯玉国从信息论角度出发。将地下工程围岩看作一个灰色系统，用灰色关联 方法进行地下工程围岩稳定性分类；反分析等方法也被应用于围岩的稳定性分 析；模糊数学和神经网络结合的模糊神经网络方法也已被应用于围岩的稳定性分 类中。 即使目前提出了许多新的判据，但都还存在着一定的缺陷。地下洞室的围岩 稳定评判准则到目前为止也尚未完全成熟，有待于进一步深入。同时，从稳定的 定义、量化的判据到分析的理论、准则和方法等一系列基本问题都还没有形成明 确的系统。再者，在具体工程中，不同的失稳判据得到的稳定安全度一般也是不 相同的，因此如何建立一个既具有理论基础、又可得到唯一解的失稳判据是今后 需要解决的问题，这还需有关学者进一步的研究。 评价隧道围岩稳定性是一个相当复杂的问题，故在具体的工程实践中，一般 应综合分析地质、地应力、埋深及现场观测资料等，结合工程类比和数值计算确 定围岩稳定性判据。 2 1 2 围岩稳定性分析方法 目前分析围岩稳定的方法很多，主要有如下几类： ( 1 ) 工程地质法 应用工程地质法时先进行工程地质调查，获取岩体的强度、变形、初始应力 9 天津大学硕士学位论文 第二章地下洞室围岩稳定分析及弹塑性理论 等物理力学参数，再根据围岩稳定性的控制因素( 软弱面、应力及岩体强度) ， 运用赤平极限投影法，定出可能不稳定的结构体，结合地应力条件，综合比选洞 轴线的方案，并用块体极限平衡理论确定围岩的稳定性，然后按照围岩稳定性分 类法( 围岩分析法) ，对围岩稳定性进行判断及支护设计。围岩稳定性分类的方 法主要【1 8 】【1 9 】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19 9 5 年提出的r m i ( r o c km i s si n d e x ) 法。围岩稳定性 分类方法中包含参数较多，而有些参数难以准确测定。其岩体工程力学行为及其 变形、破坏机理带有不确定性和不确知性。随着大型地下工程建设的迅速发展， 国内外把围岩分类作为地下工程技术基础研究的重要课题之一。新的围岩分类方 法从定性到定量、从单一指标向复合型指标发展，应用模糊数学理论、灰色系统 理论、神经网络等理论，使围岩分类更趋科学化、合理化。我国学者李世辉【2 0 j 提 出了典型类比分析法隧道位移反分析技术，并编制了反分析程序( b m p 9 0 ) 。 ( 2 ) 解析法 在进行围岩稳定性分析时，经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算， 并能得出弹性解析解。解析方法多用于圆形隧道的求解，当洞室是非圆形时，就 需要通过保角变换将单位圆外域映射到洞室外域，而洞室的映射函数是问题的求 解关键1 2 。解析法具有精度高，分析速度快和易于进行规律性研究等优点。但解 析法分析围岩应力和变形目前多限于深埋地下工程，对于受地表边界和地面荷载 影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困难。 ( 3 ) 模型试验方法 地下工程围岩稳定性问题的研究始终与模型试验相伴随，模型与实际工程问 题的相似性是模型试验解决问题的关键。理论分析时，往往需对原型进行一定简 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，得出了许多有益的结论。比如一般隧洞 围岩岩体的各向异性性质，各国学者已作了大量的研究并对此取得了一致的认 识。对于深埋隧洞，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，但荷兰学者s c b a n d i s l 2 2j 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。模型试验方法多用于重要的难以用 现场试验方法解决的复杂工程。 ( 4 ) 数值分析方法 在围岩稳定性的数学分析方法中，解析法只能适用于那些边界条件较为简单 及介质特性不太复杂的情况。多数的实际工程在特定条件下只能用数值法求解， 1 0 天津大学硕士学位论文第二章地下洞室围岩稳定分析及弹塑性理论 目前常用的数值计算方法有：有限元法【2 3 】【2 4 】； ) d d a 方法一块体系统不连 续变形分析( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 1 2 5 】【2 6 】；离散单元法【2 7 】【2 8 】；块 体单元法【2 9 】；( 亘) f l a c l 3 0 】f 3 l 】：边界元法；块体一弹簧元分析方法【3 2 】。 ( 5 ) 不确定性方法 影响地下洞室围岩稳定性因素主要为地层岩性及产状、构造结构面组合形 态、地应力状态以及地下水的赋存情况等，这些因素具有很大的不确定性，表现 为随机性和模糊性，因此对于地下结构岩体分析可采用模糊数学和可靠度方法进 行研究。可靠性理论自应用于岩土工程以来，在许多领域获得了较大的发展，并 被引入地下洞室稳定分析中【3 3 】【川。可靠性理论根据不同的岩石破坏判据建立极 限状态方程，采用概率论方法求得地下结构工程的破坏概率，进而分析其稳定可 靠性。地下工程及稳定性的界限是不清楚的，具有相当的模糊性，故可应用模糊 数学理论进行研究。该理论现主要应用于地下工程围岩的稳定性分类中，而且日 益受到重视。 ( 6 ) 反演分析法i 巧j 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，可通过反演分析计算围岩物理力学参数来评价隧道围岩稳定 性，该法日益受到重视。 除了上述常用的方法外，其它一些理论和方法也用在围岩稳定分析中，地下 工程围岩开裂和破坏主要由于结构面的断裂和连通，因此有人采用断裂和损伤力 学方法来评价节理裂隙岩体稳定性和变形行为，正在兴起的各种数值计算方法之 间的耦合、块体理论的引用和发展、系统论与控制论的引入等方法。 围岩稳定性研究虽已取得重大进步，但针对围岩岩体本构关系的非线形，性 状的非连续、非均质性、边界条件的不确定性以及应力条件在空间、时间上的多 变性、各国学者还在不断探索各种不同的研究方法与手段，以期能更准确和真实 地反映围岩的稳定性。任何一种分析方法都不是万能的、唯一的、排它的方法， 而把多种方法融合起来，取长补短，是未来发展的一种趋势。 2 2 现代支护结构原理 随着岩石力学的发展和锚喷支护的应用，逐渐形成了以岩石力学理论为基础 的，支护与围岩共同作用的现代支护结构原理，应用这一原理就能充分发挥围岩 的自承力，从而获得极大经济效果。当前国际上广泛流行的新奥地利隧道设计施 天津大学硕士学位论文第二章地下洞室围岩稳定分析及弹塑性理论 工方法，就是基于现代支护结构原理基础之上的。归纳起来，现代支护结构原理 包含的主要内容有以下几方面p 6 j ： ( 1 ) 现代支护结构原理是建立在围岩与支护共同作用的基础上，即把围岩 与支护看成是有两种材料组成的复合体。按一般结构观点，亦即把围岩通过岩石 支承环作用使之成为结构的一部分。显然，这完全不同于传统支护结构的观点， 认为围岩只产生荷载而不能承载，支护只是被动地承受已知荷载而起不到稳定围 岩和改变围岩压力的作用。 ( 2 ) 充分发挥围岩自承能力是现代支护结构原理的一个基本观点，并由此 降低围岩压力以改善支护的受力性能。 发挥围岩的自承能力，一方面不能让围岩进入松动状态，以保持围岩的自承 力；另一方面允许围岩进入一定程度的塑性，以使围岩自承力得以最大限度的发 挥。当围岩洞壁位移接近允许变形值, 。时，围岩压力就达到最小值。围岩刚 进入塑性时能发挥最大自承力这一点可由图2 1 加以说明。无论是岩石的应力应 变曲线( 见图2 1 ( a ) ) 还是岩体节理面的摩擦力与位移的关系曲线( 见图2 1 ( b ) ) 都具有同样的规律，即起初随着应变或位移的增大，岩石或岩体的强度逐渐获得 发挥，而进入塑性后，又随着应变或位移的增大，强度逐渐丧失。可见，围岩刚 进入塑性时，发挥的自承力最大。 分 茕 剧 叮m a 应变8 p 畏 蜓 韫 位移u ( a )( b ) 图2 - 1 岩石应力一应变和摩擦力一位移曲线 c a ) 岩石单轴压缩试验的应力应变关系( b ) 岩体节理面位移与摩擦力的关系 i 一弹性区；i i 一强度下降区；一松动区 按上所述，现代支护结构原理一方面要求采用快速支护，紧跟作业面支护， 预先支护等手段限制围岩进入松动；另一方面却要求采用分次支护，柔性支护， 调节仰拱施作时间等手段允许围岩进入一定程度的塑性，以充分发挥围岩的自承 能力。 ( 3 ) 现代支护原理的另一个支护原则是尽量发挥支护材料本身的承载力。 天津大学硕士学位论文 第二章地下洞室围岩稳定分析及弹塑性理论 采用柔性薄型支护，分次支护或封闭支护，亦即深入到围岩内部进行加固的锚杆 支护，都具有充分发挥材料承载力的效用。喷层柔性大且与围岩紧密粘结，因此 喷层主要是受压或剪破坏，它比受挠破坏的传统支护更能发挥混凝土承载能力。 我国铁道科学院铁建所曾进行过模拟试验，表明双层混凝土支护比同厚度单层支 护承载力高，一般能提高2 0 - 3 0 。所以分次喷层方法，也能起到提高承载 力作用。 ( 4 ) 根据地下工程的特点和当前技术水平，现代支护原理主张凭借现场监 控测试手段，指导设计和施工，并由此确定最佳的支护结构形式、参数和最佳的 施工方法与施工时机。因此，现场监控量测和监控设计是现代支护原理中的一项 重要内容。 ( 5 ) 现代支护原理要求按岩体的不同地质、力学特征，选用不同的支护方 式，力学模型和相应的计算方法以及不同的施工方法。如稳定地层、松散软弱地 层、塑性流变地层、膨胀地层都应当分别采用不同的设计原则和施工方法。而对 于作用在支护结构上的变形地压、松动地压及不稳定块体的荷载等亦都应当采用 不同的计算方法。 2 3 弹塑性理论 岩石材料的弹塑性理论是建立在增量塑性理论的基础上的。将材料的应变增 量 如) 分为弹性应变增量协8 和塑性应变增量协p 两部分3 7 1 ，即： 船) = 伽8 + 协p ( 2 5 ) 弹性应变增量可用弹性理论求解。塑性应变增量可以由增量塑性理论计算， 这个理论需要对下列三方面作出基本假定： 屈服准则用以判断在一个荷载增量作用下是加载、卸载或中性变载， 以便确定是否产生塑性应变增量。 流动法则【3 9 l 是确定塑性应变增量方向的规定，也称正交法则。 ，硬化规律【4 0 1 是决定一个已给定的应力增量引起塑性应变增量大小的 准则。 2 3 1 屈服准则 ， 岩体介质材料的本构关系极难确定，即使对同一种岩体，应力应变关系也会 随应力水平的高低而发生变化。初始加荷阶段可近似看作线弹性阶段，继续加荷 材料就进入塑性阶段。所以应根据岩体材料所处应力状态，选定屈服准则来判断 岩体是处于弹性状态还是处于塑性状态。屈服准则表示在复杂应力状态下材料开 天津大学硕士学位论文 第二章地下洞室围岩稳定分析及弹塑性理论 始进入屈服的条件，它的作用是控制塑性变形的开始阶段。塑性条件在主应力空 间中为屈服面方程。如果介质某点的应力状态位于屈服面之内，则该点处于弹性 状态；如果在主应力空间中某点的应力状态在屈服面之上，则介质在该点已进入 弹塑性状态，这时介质在该点一般既有弹性变形，又有塑性变形【3 8 】。 随着塑性应变的出现和发展，按塑性材料屈服面的大小和形状是否发生变 化，可分为理性塑性材料和硬化材料两种：随着塑性应变的出现和发展，屈服面 的大小和形状不发生变化的材料，叫做理想塑性材料：反之叫做硬化材料。见图 2 2 。 o b ? ( a ) 理想塑性( b ) 应变硬化塑性 图2 - 2 塑性材料分类 这里只介绍本文计算所采用的m o h r - c o u l o m b 屈服准则。 在主应力空间，m o h r - c o u l o m b 的屈服面是一个棱锥面，其中心轴与等倾线 l 重合，在冗平面上，m o h r - c o u l o m b 屈服准则是一个不等角的等边六角形，见 图2 3 。在金属材料的传统塑性理论中，材料的屈服仅取决于应力偏量，因而屈 服面是一个以矾= 仃，= 0 3 为轴的正圆柱面，但岩土材料的剪切屈服与正应力引 起的内摩擦力有关，因而应力球张量增大，屈服时应力偏量增大，屈服面成为锥 状体。 图2 - 3 应力空间和兀平面上的m o h r - c o uio m b 屈服准则 m o h r - c o u l o m b 认为当材料某平面的剪应力达到某一特定值时，材料就进入 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章地下洞室围岩稳定分析及弹塑性理论 屈服。而这一特定值不仅与材料自身的性质有关，而且与该平面上的正应力有关。 一般可表示为 h = c + 吒t a n 尹 ( 2 - 6 ) 式中，f 为屈服面上的剪应力，仃。为f 所在平面上的正应力，c 为凝聚力， 9 为内摩擦角。 由式( 2 6 ) 得出的f 与吒之间为线性关系，它们的关系也可以用一曲线表 示，如双曲线、抛物线、摆线等，这是更一般的情况，称为m o h r 准则。 主应力的表示形式为 f ( o - , ，c r 2 ，c r 3 ) = i 1b 一吒) 一去h + o - 3 ) s i n c c o s l p = o ( 2 7 ) 式中，仃，盯：，盯，为主应力。 由于m o l a r - c o u l o m b 屈服准则体现了岩土材料压剪破