地下工程设计与分析方法发展的现状.docx

地下工程设计与分析方法发展的现状当前，我国已经是世界上地下工程规模最大，数量最多地质条件和结构形式最复杂，修建技术发展速度最快的国家。随着我国经济建设的高速发展，全国交通路网建设也呈现迅猛发展态势出现了大量的深埋大长山岭隧道，隧道穿越地层的复杂 性也日益增加，建设难度越来越大。其次，随着城市人口急剧膨胀所带来的生存空间拥挤、交通阻塞、环境恶化等问题，使得地下空间的开发成为热点。大量地下停车场、地下商业街、人行地下通道、地铁车站、地下储存库等地下工程亟待修建。尤其是软弱围岩地下工程的建设需要考虑的因素更多，技术难度更大，隧道修建技术面临新的挑战。针对现有的地下工程设计方法，设计时宜采用新奥法的设计理念，结合荷载结构法及地层结构法进行动态设计。首先通过荷载结构法进行预设计，采用普氏理论或是相关规范的推荐方法算出所需的支护抗力。根据抗力大小确定支护方式为喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑中的一种或多种形式组合结构。通过力学方法得出各支护结构的参数。然后采用地层结构法进对支护参数进行校核，一般采用数值模拟的方法，如 ：FLAC、ABAQUS 等软件，必要时还可采用模型试验进行校核。以上工作完成后即开始绘制预设计施工图，进行施工作业。在施工过程中开展围岩表面收敛、围岩内部位移及钢架应变等在线监测，实时掌握围岩的动态力学行为。根据监测所得数据进行判断或者反分析，得出修正设计参数，对后续施工进行指导，或者对已施工工程进行加固处理。在线监测与修正设计是一项循环迭代过程，直至整个工程修建完毕。根据地下工程的特点提出以下3个典型关键点设计技术进行探讨。1) 隧道交叉点设计技术。地下工程经常会遇到的工况是交叉隧道。交叉隧道设计方法仍采用基于新奥法理念的动态设计方法。通过地层结构法及模型试验分析得出: 相同断面的交叉隧道可以任选一条隧道先行开挖后再开挖另一条隧道; 对于不同断面的交叉隧道，原则上宜先开挖断面较大的隧道，而后开挖小断面隧道。这种开挖方式对原岩的扰动性最小，对隧道受力最有利。2) 大跨度洞室设计技术。对于大跨度洞室的设计宜采用复合式支护结构，其中“以注浆锚杆 + 组合钢结构”为主，喷射混凝土及钢筋网按照常规方法设计，注浆锚杆的抗力设计根据地层条件及施工水平应进行相应折减。组合钢结构的设计为设计 的重点，其总体结构布置，构建选型，结点设计均比较关键。设计原则是在保证结构能提供足够抗力的前提下尽量减少钢材用量，在方便施工的同时达到了经济的目的。3) 穿越不良地质条件隧道设计技术。不良地质条件是大多数地下工程都会遇到的问题，如穿越断层、破碎带、或松散透镜体等。当遇到不良地质条件时，一般采用前方封堵，后方加固的治理策略。首先对掌子面前方的不良地质体采用超前小导管注浆 加固，而后再掘进，以保证开挖后顶板及掌子面稳定。对于开挖后的隧道采用闭合式钢架进行密排支护，再喷射混凝土对钢架进行封闭。 地下工程围岩稳定性问题一直是岩土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。 根据地下工程围岩稳定性分析的数学模型，可将目前常用的围岩稳定性分析方法分为：理论分析法、数值分析方法、模型试验法三类。1 理论分析方法理论分析方法主要是通过对围岩进行解析计算来评价其稳定性。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。解析法有分离变量法、积分变换法、积分方程法、变分法及复变函数法等。对岩性坚硬、节理不发育、完整性较好的围岩进行稳定分析，经常采用复变函数法得出弹性解析解。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把复杂形状的边界变换为简单形状的边界来求解。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，只能适用于边界条件较为简单及介质特性不甚复杂的情况，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。2 数值分析方法随着计算机的发展和普及，数值分析法已经成为岩石力学研究和工程设计计算的重要手段，在地下工程围岩稳定分析中大致采用以下方法：（1） 有限元法。有限元法自 20 世纪 70 年代提出发展至今已经相当成熟，是目前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解线弹性、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。其优点是可以部分地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。但有限元法在本质上是一种连续介质的数值分析方法。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。有限元法的应用是否真正有效，主要取决于两个条件：一 是对地质变化的准确了解,二是对介质物性的深入了解，即岩体的各个组成部分在复杂力及其变化的作用下的变形特性、强度特性及破坏规律等。DDA 方法。由石根华与Goodman 提出的块体系统不连续变形分析是 基于岩体介质非连续性发展起来 的一种 新的 数 值 分析方法。DDA 模型建立了一套完整的块体系统运动理论，与有限元法的不同之处是可以计算不连续面的位错、滑移、开裂和旋转等大位移的静力和动力问题。DDA模型将岩体完全离散化，这与实际岩体的情 况不十分相符，将 DDA模型与连续介质力学数值模型结合起来，应该是DDA模型工程应用研究大的发展方向。（3） 离散单元法。自1971年Cundall首次提出离散单元模拟以来，这一方法已在岩土工程问题中得到越来越多的应用。其基本思想是岩块之间的相互作用，同时受表征位移 - 力的物理方程和反映力-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（4） 块体单元法。任青文等提出的块体单元法以块体单元的刚体调条件及块体之间夹层材料的本构关系，通过变分原理建立块体单元法的支配方程，用于确定块体位移及夹层材料的应力状态。该法可以解决非连续介质问题，特别适用于具有众多节理、裂隙岩体的变形、应力和地质结构面岩体的稳定分析，具有效率高、精度好等优点。但该方法将岩体完全离散化,这与实际岩体情况不太相符。（5） 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，Cundall 根据有限差分法的原理，提出了 FLAC（FastLagrangianAnalysis of Continuum）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、失稳、动力、流变、支护和加固、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。该方法与有限元方法相比，能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。（6） 边界元法。边界元法由英国学者 Bribbia 最先提出，并从 20世纪60年代开始在工程计算中得到应用。该法将偏微分方程变换成求解对象边界上的积分方程式并将其离散化求解。由于变换成边界上的方程式使问题比解析对象降低了一维，对于一般的线性问题只需进行区域边界的单元分割，所以与有限元相比，具有计算时间短、计算范围大等特点，但边界元法系数矩阵是满阵，远比有限元刚度矩阵（带状稀疏阵）的结构复杂，且对奇异边界较难处理，对变系数、非线性等问题较难适应。