隧道围岩稳定性系统分析程序应用

1 目录目录 第一章 绪论 1 第二章 隧道围岩稳定性分析 3 第一节 围岩稳定分析的方法 3 第二节 隧道围岩稳定性分析存在的问题 6 第三节 围岩稳定分析的发展前景 7 第三章 隧道位移反分析技术原理 8 第一节 典型类比分析法 8 第二节 位移反分析技术原理 9 第四章 BMP90 位移反分析智能化 程序 11 第一节 BMP90 程序简介 11 第二节 BMP90 子程序介绍 12 第五章 BMP90 程序的使用 19 第一节 程序说明 19 第二节 几种人工干预情况 21 第六章 应用 BMP 程序进行实例分析 22 实例一 鲁布革实验洞位移反分析 22 实例二 浙江省 103 人防工程位移反分析 25 结束语 28 致 谢 29 参考文献 30 附录 BMP90 隧道位移反分析智能化 源程序 31 附录 鲁布革实验洞反分析文本 67 附录 浙江省 103 人防工程反分析文本 75 0 第一章第一章 绪论绪论 一 隧道围岩稳定性分析的现状 通常意义上说 地下工程的稳定性是指妨碍生产使用或安全的失稳围岩破坏或过大变 形的现象 例如 顶板塌落 边墙挤入 底板隆起 围岩开裂 突发岩爆失稳 地层在开挖 隧道并加以支护的过程中的稳定程度 叫做隧道围岩的稳定性 或围岩支护系统的稳定性 隧道工程的基本特点是 地质环境复杂 基础信息匮乏 即使在不考虑施工过程动 力作用的静力学分析中 隧道围岩及支护系统稳定性的快速分析与预报研究等问题 目前 还没有明确的有效解决方案 1 因此隧道工程人员必须综合考虑大量的 关系错综复杂的 地质因素 施工因素 技术条件等等来做分析研究 比如在软弱破碎岩体中开挖隧道时 存在着施工难度大 事故多 造价高 工期长的难题 隧道围岩稳定性是一个反应隧道地质环境 支护结构与施工方法的综合性指标 复杂 程度很高 我们需要通过尽量简洁并且高效的方法及工具来完成分析及评估 经过多年的 努力 有关隧道围岩稳定分析的各种岩石理论方法 监控测量方法以及专家经验方法已经 有了巨大的发展 他们各有所长 但是 都还是一些联系不太紧密的方法 对于隧道支护 设计来说 还没有形成一种简易简洁 易于应用普及的分析设计工具 目前各种方法均没 有达到真正的解决工程实际问题目的 对理论模型的辨识 本构关系 计算参数 仿真方法 都需作进一步深入具体研究 围岩失稳是一个相当复杂的过程 通常伴随着变形的非均匀性 非连续性和大位移等特 点 围岩地质分类法被广泛得到采用 而且目前国内外分类标准有上百种之多 但每一种方 法更多的是评价围岩的稳定性 相对而言定量的评价还有待于进一步研究和完善 解析法是 一种很好的方法 但从目前的情况看研究的程度还不够 研究成果也相对较少 7 就目前已 有的成果来看 通常都是在均匀场中假设围岩均质 各向同性的连续介质 洞室开挖后按弹 性 弹塑性围岩应力状态 分别计算出应力的大小 然后按强度理论来进行评价围岩稳定 性 虽然已有学者建立了圆形洞室不同应力状态下的位移解析式 但真正将位移解析解与 围岩的稳定性之间建立关系的成果还不够 当前用数值方法来进行围岩的稳定性评价时 主要采用的还是有限元数值模拟方法 而相对的其他一些数值模拟方法的应用则少了些 这也需要我们在今后的研究工作中开展对其他方法的应用和研究 以更好地加以比较和评价 所以对地下工程围岩稳定性问题 失稳判据始终没有得到很好地解决 二 典型类比分析法技术 类比法是大型地下洞室群围岩稳定性评价的重要方法之一 尤其在勘测资料较少的可 行性研究阶段 更能发挥其作用 典型类比分析法理论研究的基础 是把隧道围岩稳定分 1 析预测的对象围岩支护系统看作一种开放的复杂系统 经过多年来的反复研究 人们对典 型类比分析法有了比较全面的了解 微机的应用给隧道围岩稳定分析带来了许多有效途径 本文的目的就是利用程序来帮 助我们简化一些围岩稳定性分析的问题 把程序作为一种有效工具应用于典型类比分析法 隧道位移反分析技术 也就是隧道位移反分析过程的人工智能化 其原理是用一部分计算 机程序 来控制另一部分程序的反馈和修正运行过程 中间可人工参与解决难度较高的问 题 隧道位移反分析智能化程序简称 BMP90 程序 其以边界元 锚杆 喷射混凝土的方法 使效率大大提高 且分析的结果一般比较接近实际 该程序可以实现自动迭代完成隧道位 移反分析 输入铅垂 水平方向的洞周收敛或位移实测值各一个 只需输入设计图纸已有数 据 平均为 80 个 简易便捷 自动检验错误数据 输入输出结果图形显示 从而使不熟悉 微机的工程技术人员容易操作使用 已消除刚体移动 位移反分析结果中 拱顶下沉 底 鼓与侧墙位移的工程实用精度相同 工程试验表明 位移反分析结果比较接近实际 从数 据输入 加载运行至得出可用的反分析结果所需时间 仅为常规做法的 1 100 左右 具有 优质 高效 低耗的技术性能 1 三 本文的写作目的 本文先介绍了隧道围岩稳定性分析的方法以及围岩稳定性的发展现状 作为一个国内 外公认的难题 尽管这方面目前取得了许多的优秀成果 但是存在的大量传统型疑难尚未 有效解决 隧道工程施工难题还有许多 作者意在以典型类比分析法为基础 结合程序实 现围岩位移的自动反分析 以尽可能简洁的数据收集方法获取参数 获得最大程度接近实 际的分析数据 隧道工程中各种理论和方法都有其适用的条件和价值 也都有一定的局限 性 都是为隧道工程人员提供一种宏观经验判断 提供某种技术信息 本文所提出的位移 反分析智能化也一样 只是一种隧道应用工具 尽可能满足精度的提供围岩参考数据 典型类比分析法是一项探索性和实践性很强的研究成果 其发展的同时伴随着许多的 问题以及缺点 包括隧道位移反分析智能化程序 所以还需要我们做大量的工作去拓展优 化 相信在不远的将来 在对隧道进行衬砌 隧道的施工方法以及对隧道围岩稳定性进行 维护等方面 都会有更加优秀的方法产生 隧道位移反分析程序技术将更加完善 典型类 比分析法的研究也将会取得更多的成果 2 第二章第二章 隧道围岩稳定性分析隧道围岩稳定性分析 毫无疑问 隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的 隧道围岩的稳定性不仅 与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关 而且还与岩石的性质 岩体的结构与构 造 地下水 岩体的天然应力状态 地质构造等自然因素有关 但其中起主导作用的还是 岩石性质及岩体的结构 岩体的天然应力状态 地质 构造 地下水等自然因素 第一节第一节 围岩稳定分析的方法围岩稳定分析的方法 根据当前对地下洞室围岩稳定的分析理论和数学模型 围岩稳定的分析方法可以大致分 为以下几种 一 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 用解析法来求解围岩的变形有多种 国内青岛科技大学的薛琳等在这方面做 了很多工作 也得到了很多有益的解答 这种方法对于规则的圆形断面求解较为精确 参 数也容易确定 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 解析法具有精度高 分析速度快和易于进行规律性 研等优点 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 特别在岩体的应力 应变超 过峰值应力和极限应变 围岩进入全应力 应变曲线的峰后段的刚体滑移和张裂状态时 解 析法便不再适宜了 另外对工程实际中经常遇到的多孔 不均质及各向异性等问题 现今 的解析方法几乎是无法解决的 只能借助数值法来求解 二 工程地质类比法 经验类比法是大型地下洞室群围岩稳定性评价的重要方法之一 尤其在勘测资料较少 的可行性研究阶段 更能发挥其作用 围岩稳定性分类的方法主要有 Stini 法 Franklin 法 Bieniawski 的 RMR 法和 Barton 的 Q 系统分类法 以及 Arild Palmstrom 于 1995 年提出的 RM I ROCKM ISS I NDEX 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 随着大型地下工程建设的迅速发展 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 应用模糊数学理论的综合评判法 灰色系统理论 神 经网络理论 分形理论 使围岩分类更趋科学 合理化 我国学者李世辉提出了典型类比分 析法隧道位移反分析技术 并编制了反分析程序 BMP90 1 三 数值分析法 3 一 有限单元法 10 有限元法的思想在 20 世纪 40 年代就已经形成 该方法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 可以用来求解弹性 弹塑性 粘弹塑性 粘塑性等问题 是工程岩体应力应变分析最常用的方法 3 其优点是部分地考虑了地下结构岩体的非均质 和不连续性 对以非均质各向异性和非线性为特征的介质有良好的适应性 并具有通用性 和灵活性 可以解决各种复杂的边界问题 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 一般认为 在地下结构中有 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 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 即岩体的各个组成部分在复杂应力及其变化的作用下的变形特性 强度特性及破规 律等 不足之处在于有限元法只适用于连续介质 对于非连续介质计算结果不理想 二 不连续变形分析 DDA 方法 由石根华与 Goodman 提出的块体系统不连续变形分析 Discontinuous Deformation Analysis 是由于岩体介质非连续性发展起来的一种新的数值分析方法 它是平行于有限元 法的一种方法 其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 将 DDA 模型与连续介质力学数值模型结合起来 如将 DDA 模型与有限 元数值方法结合 应该是 DDA 模型工程应用研究的发展方向 另外 DDA 模型在岩土结构 的不连续变形力学过程仿真模拟方面也具有很大的潜力 三 关键块理论 KBT 关键块理论 Key Block Theory 是在 1985 年首先由 Goodman 教授和石根华博士提出 并用于工程稳定性分析 关键块理论的精髓思想是 在坚硬和半坚硬的岩层中 岩体被不同成 因 不同时期 不同产状 不同规模的结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体 关键块理 论就是对个性各异的岩体中具有切割面或结构面这一共性 根据集合拓朴学原理 运用矢 量分析和全空间赤平投影图形方法 构造出可能有的一切块体类型 进而将这些块体再从 力学上分为稳定块体 潜在关键块体 确定了关键块体后 就可以进行相应的计算 但是 由于岩体中的结构面形态分布把握得不十分准确 而变动性又大 结构面也并不是全部为 平面 稍为不准确就会引起严重后果 四 离散单元法 DEM 自 1971 年 Cundall 首次提出离散单元 Distinct Element Method 模型以来 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 的动态破坏过程 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 4 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 离散单元法的一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移 分离与倾翻 等大位移的同时 又能计算岩块内部的变形与应力分布 该法主要用于分析节理岩体及其 与锚杆 索 的相互作用 离散单元法计算原理简单 但计算机实施却非常复杂 涉及问题较 多 主要有四个问题 动态松弛法 力和位移的计算循环 分格检索及数据结构 离散单元 法中块体之间阻尼系数 运算的时间步长等参数的确定带有极大的任意性和盲目性 至今 没有确定这些参数时可遵循的原则 当岩体并未被结构面切割成块体的集合时 这类理论就 不甚适合 五 块体单元法 任青文等提出的块体单元法 是以块体元的刚体位移为基本未知量 根据块体在外力 和面应力作用下的平衡条件 变形协调条件及块体间夹层材料的本构关系 采用变分原理 建立起块单元法的支配方程 用于确定块体位移及夹层材的应力状态 该法可以解决非连 续介质问题 特适用于解决具有众多节理 裂隙岩体的变形 应力稳定分析 与有限单元 法相比 可减少未知量个数提高计算精度和速度 六 边界元法 边界元法又称为边界积分方程法 首先由英国学者 Bribbia 总结提出 并从 20 世纪 60 年代开始在工程计算中得到应用 边界元法只在求解区域的边界上进行离散 剖分单元 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 但要求知道所研究问题的基 本解 另外 边界元法计算精度高 应力和位移具有同样的精度 边界元法因为网格剖分 简单 计算工作量及对计算机内存容量要求低 在某些问题中也是一个很好的方法 现在 很多商用结构分析软件程序中也采用边界元法求解的功能供用户选择 边界元法也能求解 物理和几何非线性问题及动力响应问题 但由于获取基本解的困难 相比有限元法还有很 多工作要做 但是边界元法对变系数 非线性等问题较难适应 且它的应用是基于所求解 的方程有无基本解 因此 限制了边界元法在更广泛领域的应用 而且边界元法对奇异边 界较难处理 七 块体 弹簧元分析法 5 Kawai 于 1987 年提出了采用简化的刚性块体来模拟不连续介质的刚体弹簧元数值模型 它以单元形心的刚体位移为基本未知量 仅考虑单元之间缝面的变形协调和本构关系来建 立求解的支配方程 确定缝面的相对位移和应力 该模型在分析节理岩体的稳定性时具有 一定的优点 可以反映围岩不连续的变形和运动规律 四 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 5 性是模型试验解决问题的关键 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 如荷兰 S C Ban2dis 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 五 不确定性方法 现在的岩石力学正在从确定性研究转向非确定性方法研究的过程中 影响地下洞室围 岩稳定性因素主要为地层岩性及其产状构造结构面组合形态 地应力状态 以及水的赋存 情况等 这些因素具有很大的不确定性 传统的分析方法用一个笼统的安全系数来考虑众多 不确定性的影响 虽然某些参数 如材料强度等 取值时也用数理统计方法找出其平均值或某 个分位值 但未能考虑各参数的离散性对安全度的影响 进入 60 70 年代以来 数理统计 概率论 可靠度分析等方法的应用扩大到更广的领域 但是这种方法仍然受到一些岩土工 作者的反对和质疑 原因在于岩土工程本身的机理比较复杂 有些问题还未充分认识 岩 土工程概率分析法还处于发展阶段 不少概念还很不明确 计算方法也不够简便 一些人 对概率理论和方法不很熟悉 这些困难也促使一些岩土科技工作者潜心钻研 他们吸收地 面结构概率分析的成果 针对地下工程的特点开展专题研究 虽未完全解决技术上的关键 问题 但也取得了许多可喜成果 研究表明 概率和可靠度分析方法在不确定性越严重的问题 中越能显示出其活力来 六 系统工程法 6 常规的围岩稳定分析方法一般将围岩的地质因素 工程结构因素 洞室开挖支护过程 等尽可能地细分 通过理论分析建立数学模型 从而进行确定性因果关系的力学分析 由于 地下工程建设系统具有多 层次 多因素等特点 其结构非常复杂 同时 隧道建设系统各 个组成部分又是有组织的 形成有特定功能的整体 因而 隧道力学分析完全具备系统科学 中所研究的 系统 的特征 所以 围岩稳定分析应该是对复杂的围岩系统的稳定性的模 糊化认识和控制所作的数学模拟 它的对象是一个具有大量的处于相互作用之中的元素的 复杂系统 其结构与信息等具有一定的模糊性 要求以系统科学作指导 以系统工程方法结合 岩石力学常规理论来进行隧道围岩稳定分析 文献在将地下工程围岩看作一个灰色系统的 基础上 用灰色关联方法进行了地下工程围岩稳定分析 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扩 展和连通 因此有人采用断裂和损伤力学方法来评价理裂隙岩体稳定性和变形行为 如正在 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 6 第二节第二节 隧道围岩稳定性分析存在的问题隧道围岩稳定性分析存在的问题 通过以上对围岩稳定分析方法的系统分析 我们可以看出当前的分析方法主要存在以 下几个方面的不足 一 目前各种方法均没有达到真正完满解决工程实际问题 对理论模型的辨识 本构 关系 计算参数 仿真方法都需作进一步深入具体研究 围岩失稳是一个相当复杂的过程 通常伴随着变形的非均匀性 非连续性和大位移等特点 是一个高度非线性科学问题 因 此 要对它的力学行为进行预测和控制 必须借助当代非线性科学 二 围岩地质分类法被广泛得到采用 而且目前国内外分类标准有上百种之多 但每 一种方法更多的是评价围岩的稳定性 相对而言定量的评价还有待于进一步研究和完善 三 解析法是一种很好的方法 但从目前的情况看研究的程度还不够 研究成果也相 对较少 就目前已有的成果来看 通常都是在均匀场中假设围岩均质 各向同性的连续介 质 洞室开挖后按弹性 弹塑性围岩应力状态 分别计算出应力的大小 然后按强度理论 来进行评价围岩稳定性 虽然已有学者建立了圆形洞室不同应力状态下的位移解析式 但 真正将位移解析解与围岩的稳定性之间建立关系的成果还不够 四 当前用数值方法来进行围岩的稳定性评价时 主要采用的还是有限元数值模拟方 法 而相对的其他一些数值模拟方法的应用则少了些 这也需要我们在今后的研究工作中 开展对其他方法的应用和研究 以更好地加以比较和评价 五 另外 失稳判据难以确定 多年来 对地下工程围岩稳定性问题 失稳判据始终 没有得到很好地解决 现行的规范 TB10003 2001 中围岩稳定性是以极限净空相对位移值 或允许收敛速率的形式给出的 当实测的位移值超出此值时即视为不稳定 对于不同的地 质情况这显然是不合适的 在实际应用中 我们必须结合不同的工程状况给出合理的失稳判 据 第三节第三节 围岩稳定分析的发展前景围岩稳定分析的发展前景 人们普遍认为 19 世纪是桥梁的世纪 20 世纪是高层建筑的世纪 21 世纪则是地下空 间的世纪 地下空间的开发离不开分析围岩稳定性 现代力学和计算技术的发展为我们进 一步开展研究提供了很好的基础 在今后的研究中我们既要避免一味追求高精度的数值计 算及数学方法的深奥 花了大量的精力 财力和时间去从事复杂而繁锁的数值计算 而放 松了对地下工程问题特殊性的思考 又要注意那种抛开理论只追求经验类比的做法 必须 从隧道工程实际出发 以系统概念为指导 依靠原型观测资料的验证与反馈 走理论分析 7 与经验分析相结合的道路 进一步加强数值分析模型和位移反分析力学模型的基础理论研 究 经过半个多世纪的不断发展 隧道围岩稳定的分析在人们的不断努力下 已经取得了 可喜的成果 以后的发展前景趋向于使其实用化 准确化和可靠化 除了建立更多力学模 型外 换药和其他方法并用 总之 围岩稳定分析的发展会体现更强的综合性 第三章第三章 隧道位移反分析技术原理隧道位移反分析技术原理 第一节第一节 典型类比分析法典型类比分析法 典型类比分析法研究的立足点现将隧道工程支护设计现行各种方法的长处与短处加以 整理 为典型类比分析法研究提供一个实事求是的立足点和依据 我们的目的是让这种新 方法尽可能地保持现行各种方法的长处 并初步解决其现存问题 发挥综合优势与整体优 势 8 图图 3 1 隧道程序设计中的典型类比分析法隧道程序设计中的典型类比分析法 典型类比分析法研究中坚持以下原则 首先 从我国大多数隧 坑 巷 道工程现有 的技术 经济条件出发 而不是从任一学科发展需求出发 其次 继承现行三种支护设计 方法 工程类比法 监控量测法 力学分析法的长处 并且充分利用一切可能利用的现 有技术条件 加以综合集成和发展 应符合隧道工程师对支护设计工具的精度要求 为综 合性经验判断提供依据或参考 大体上接近工程实际 一般行之有效 不追求精细和绝对 最后 以大多数隧道工程都容易掌握和有效应用为目的 工程类比法以围岩分类为技术基 础的工程类比法 简便实用 但用于软岩大跨度高边墙洞室可靠性不足 而且这种类比是 定性的 不能定量显示当工程结构条件如跨度 洞形 埋深 支护类型 参数及其配置等 改变时 准确率会有所下降 通过圆形隧道的理论弹 塑性解反算给出围岩的侧压力系数 和弹性模量 E 并得到 隧道周边塑性区的大小和变形情况 从有限元理论出发 作弹性位移反分析优化计算 与理 9 论值 实测值进行比较 圆形隧道的理论弹 塑性解解析法采用数学力学的计算取得闭合 解 通过对解析方法及其结果的分析 可以获得一些规律性的认识 如洞室周边围岩的应 力状态 塑性区的大小 洞室的收敛变形值 同时利用反分析思想可以求得原岩的地应力 对断层中隧道的设计 施工管理非常重要 影响岩体二次应力状态因素很多 如岩体的初 始应力状态 岩体的构造 洞室的形状尺寸 洞室的埋深和开挖施工技术等 解析法推导 基于下述假定 岩体为均质的 各向同性的连续介质 考虑自重应力和构造应力形成的初 始应力场 洞室形状为圆形 洞室位于一定的深度 简化为无限体中的孔洞问题 在传统 的岩石工程理念中 洞室埋深较浅 自重应力po一般为大主应力 1 一些理论解析方 法都是建立在这个基础上的 第二节第二节 位移反分析技术原理位移反分析技术原理 位移反分析产生于隧道工程数值分析中参数识别的客观要求 典型类比分析法隧道位 移反分析技术原理如下 一 计算模型 以连续介质力学为基础建立反分析模型时 均需简单材料的力学形态符合某种模型 选择的模型不同 反分析的结果也不同 选择的模型越精细 则反分析过程越复杂 为了 实现反分析技术的广泛普及 必须对岩石的本构关系做进一步的简化 通常可以假定岩体 为连续均匀的线性弹性介质 在这里变形模量实际上是一个反应岩体变形特征的综合性参 数 典型类比分析法应用的位移等效线弹性假设 建立了各围岩类别经验模型 并以各类 围岩典型工程实测资料 按位移等效原则对线弹性模型做综合性分析 二 可辨识参数 在以弹性理论为工具进行隧道围岩稳定性分析中 最重要且影响最大的两个参数就是 初始地应力侧压系数和弹性模量 在此基础上 典型类比分析法从隧道工程实际情况出发 位移反分析结果的侧压系数和弹性模量有以下假设 一 等效初始水平地应力假设 在隧道位移反分析中 通常有以下假设 在假定量测断面是地应力的一个主平面的 前提下 当采用两个收敛值做反分析时 还假定一个主应力轴呈水平 另一个主应力为铅 垂地应力 将岩体结构 岩性 地下水等因素各向异性情况下产生的洞周不同的位移增 量 假定为等效地应力情况下产生的 当铅垂地应力取上覆岩层重量时 实际上假定为等 效水平地应力作用产生 采用水平收敛值做反分析时 不区分左右墙位移值的不同 二 典型类比分析法中的等效弹性模量 岩石力学的弹性模量 是岩石试件加载实验中测得到应力与应变的比 而等效弹性模 10 量在隧道施工中监测所得到洞周位移经反分析所得 是对复杂条件下的围岩变形性质 它 的数值与洞周位移实测值成反比 但不能反映围岩内各点不同的应力 应变之间的关系 三 优化方法 岩土工程现场的量测常有误差出现 像仪器误差 环境误差 读数误差等等 所以反 分析结果与实际情况之间必有差别 需要经过优化处理来减少误差 目前对参数做的优化 通常采用的方法就是最小二乘法 选用的目标函数为 2 1 N 1i 2 ii 在式中 为计算值 为实测值 使上式最小的参数 就是在假定条件下可接受的 i i 优化反演计算值 建立优化目标函数的方法除二乘法还有贝叶斯法等等 四 时空效应 隧道围岩变形测量值的时空效应 受到岩体结构 岩性 断面形状与测点位置 支护 措施 施工进度等等多种因素的影响 虽然各类围岩的围岩变形值不同 测前损失也不尽 相同 但是隧道围岩变形值得对比 只有在同类围岩中才有意义 此原则隐含一假设 即 在同类围岩中 各隧道工程的围岩变形测前损失率均与典型工程的测前损失率相同 因此 都在符合规范的前提下 以实测值为基准 进行统一标准的对比 方法简单 而且不存在 人为干预的因素 11 第四章第四章 BMP90 位移反分析智能化位移反分析智能化 程序程序 第一节第一节 BMP90 程序简介程序简介 BMP90 隧道位移反分析智能化 程序 简称 BMP90 程序 利用 BMP84 程序作为岩石 力学分析工具 以其较常规的有限元方法使效率提高百倍 且分析结果一般比较接近实际 的性能为基础 采用机理分析与实验辨识想结合的方法 以非匹配式全局确定性推理网络 的知识表达建立数学模型 BMP90 程序主要技术性能如下 一 实现自动迭代完成隧道位移反分析 输入铅垂 水平方向的洞周收敛或位移实测值 各一个 二 只需输入设计图纸已有数据 平均为 80 个 简易便捷 三 好友的户界面 集成的环境 自动检验错误数据 输入输出结果图形显示 从而 使不熟悉微机的工程技术人员容易操作使用 四 已消除刚体移动 位移反分析结果中 拱顶下沉 底鼓与侧墙位移的工程实用精 度相同 五 工程试验表明 位移反分析结果比较接近实际 从数据输入 加载运行至得出可 用的反分析结果所需时间 仅为常规做法的 1 100 左右 具有优质 高效 低耗的技术性 能 该程序的程序概念框图如图 4 1 开 始 初始参数输入 结构分析 判断目标函数收 敛值 输出参数集 结 束 修正待输出参数集 专家经验产生或 规则集合 非匹配式全局确 定性推理网络 12 图图 4 1 BMP90 程序概念框图程序概念框图 13 第二节第二节 BMP90 子程序介绍子程序介绍 一 BMP90 隧道位移反分析智能化 源程序主要流程图 如图 4 2 对称类型判读 开 始 输入指令和反分析数据 边界单元划分 计算边界力 输入各边界荷载 确定应力影响系数和虚应力 确定应力分量 主应力和方向 破坏情形判断 再次确定与地应力场平行的的边界力 位移反分析运算 计算域内点的位移和应力 结 束 确定位移 图图 4 2 BMP90 源程序主要流程图源程序主要流程图 二 主要子程序的流程图 一 边界单元划分 如图 4 3 14 开 始 定义初始值 圆弧段和椭圆弧段划分单元划分 判断 RATIO 的大小 输出洞周分段数据 输入洞周分段数据 给假定参数赋值 直线段单元划分 给参数赋值 NELG NELR 结 束 是 否 图图 4 3 边界单元划分流程图边界单元划分流程图 TITLE 标题 程序使用者自定 可用汉语拼音 汉语或英文 不超过 80 个字符 ICODE 自由场应力类型指令 1 无限介质 均质应力场 2 重力场 NSEG 边界分段数 KZS 0 表示关于 Z 轴 铅锤向下为正 无对称性 1 表示关于 Z 轴对称 当边界荷载采用自动生成喷锚支护抗力时 应取 KZS 1 即断面几何形状 与荷载必须关于 z 轴对称 XO ZO 直线段起点坐标 cm XL Z L 直线段终点坐标 cm XC ZC 圆心坐标 cm 15 NELR 每个边界分段划分的单元数 分段有两种类型 a 直线段 b 圆弧段 二 与地应力场平衡的边界力确定 如图 4 4 进行人工干预 开 始 不进行人工干预和反分析 定义参数的初始值定义参数初始值 ICODE 1 FPZ I FPZZ FPX I FPXX FPZ I GAMMA CZ I 0 001 FPX I LMDA FPZ I 结 束 是 否 图图 4 4 确定与地应力场平衡的边界力的流程图确定与地应力场平衡的边界力的流程图 ICODE 自由场应力类型指令 1 无限介质 均质应力场 2 重力场 NPL 直接输入分段边界的分段数 当用于模拟预应力锚索的支护力时 半截面 内每根锚索为一段 KU 分析判别 是否进行位移反分析的判断 0 作围岩变形特征与破坏形态分析 1 作位移反分析 输入洞周收敛测值 2 作位移反分析 输入洞周收敛测值 NBL 水平测点单元 洞周水平测点相应的边界单元号 C 岩体粘聚力 MPa 当无原位岩体参数测试值时 可按围岩类别选取 FI 岩体内摩擦角 度 FPX 平行于 X 轴 水平方向 的自由场主应力 以压为正 MPa FPZ 平行于 Z 轴 垂直方向 的自由场主应力 以压为正 MPa GAMMA 岩体重力密度 数值与工程常用的容重相等 FSR FPX FPZ 自由场应力比 即初始地应力侧压系数 16 KUK 人工干预指令 可对难度较大的位移反分析问题进行人工干预 0 不进行人工干预 由侧压系数 1 0 开始 通常自动得出反分析结果 否则即为难度较大的问题 1 用于难度较大的问题 进行人工干预 由使用者参考未得出结果的打 印 三 边界荷载附加的边界力确定 如图 4 5 开 始 计算单元分段数 判断迭代序号和反分析条件 读入自动加载数据 假定参数的赋值和运算 输出相关参数的值 结 束 图图 4 5 确定边界荷载附加的边界力的流程图确定边界荷载附加的边界力的流程图 KU 分析判别 是否进行位移反分析的判断 0 作围岩变形特征与破坏形态分析 1 作位移反分析 输入洞周收敛测值 2 作位移反分析 输入洞周收敛测值 LP1 LP2 荷载作用起始单元号和末单元号 H 毛洞高度 L 毛洞跨度 D 喷射混凝土的厚度 RB 喷射混凝土弯曲抗压强度设计值 DW 钢筋网直径 A 钢筋网横向钢筋的间距 17 DG 锚杆直径 AST 钢拱架间距 KP 边界荷载指令 1 分段直接输入各单元均布表面力 即 TWODI 程序原有的功能 2 自动生成喷锚支护抗力 3 兼有以上两种功能 四 破坏类型的判断 如图 4 6 开 始 剪切破坏判断 SIG3 I SIGT 参数的赋值运算拉裂破坏判断 输出参数的值输出参数的值 结 束 是否 初始参数的赋值 图图 4 6 判断破坏类型的流程图判断破坏类型的流程图 KD 拉裂分析指令 0 表示对洞周进行拉裂分析 为防止喷锚支护计算时出现 主动力 导致洞周拉裂的不合理情况 在洞室浅埋喷锚支护情况下 应从 KD 0 开始 NSL 围岩内部平行于开挖边界的网格线数 NSL 20 一般取 NSL 8 另一 组网格线与前者大体垂直 是各单元中点的法线 围岩内部的位移和应 力在在网格线的各交点计算 KC 剪切屈服准则指令 1 采用德鲁克 普拉格准则 简记为 D P 2 采用莫尔 库仑准则 简记为 M C 3 采用赫克 布朗经验判断准则 简记为 H B 暂未启用 ALPHA 与边界单元中心法线交线 18 UX 在 X 水平 方向的位移 UZ 在 Z 铅垂 方向的位移 BETA 破裂面积方向的交角 I 边界单元号 CX CZ 边界单元中心坐标 SIG1 SIG3 单元中心主应力 五 围岩位移的自动反分析 如图 4 7 19 图图 4 7 位移的自动反分析流程图位移的自动反分析流程图 KU 分析判别 是否进行位移反分析的判断 0 作围岩变形特征与破坏形态分析 1 作位移反分析 输入洞周收敛测值 2 作位移反分析 输入洞周收敛测值 UHM 水平测点间收敛或测点位移测值 UVM 拱顶与底板测点间收敛或拱顶测点位移测值 FSR FPX FPZ 自由场应力比 即初始地应力侧压系数 ICODE 自由场应力类型指令 1 无限介质 均质应力场 2 重力场 FPX 平行于 X 轴 水平方向 的自由场主应力 以压为正 MPa FPZ 平行于 Z 轴 垂直方向 的自由场主应力 以压为正 MPa DELN 开挖边界与第一根网格线间的距离 以及各网格线之间依次的间距 LMDA 侧压系数 E 等效弹性模量 20 第五章第五章 BMP90 程序的使用程序的使用 第一节第一节 程序说明程序说明 一 数据准备 数据准备阶段是使用 BMP90 程序的第一个步骤 数据准备阶段的主要工作是 收 集过程数据 选取坐标系 绘制断面简图 填写输入数据表 一 收集工程数据及选取坐标系 根据程序要求收集相应的工程数据 本系统选用左手坐标系 方向 x 轴平行地表 z 轴垂直向下 与重力场方向相同 选取坐标原点应注意 在重力场类型下坐标原点应选取在地表 在无限介质时坐 标可任意选 轴对称图形 坐标原点一般定于坐标轴上 长度单位为 cm 压强单位为 MPa 二 绘制断面简图 在选定的坐标系上绘制工程断面图 计算分段坐标以及圆心坐标 半径 起点 终点极角 对于轴对称图形只画出右半断面即可 边界单元总数一般为 20 25 不大于 36 不小于 15 对于有喷锚支护抗力的单 元 应注意各分段内边界单元的长度相近 跨度 拱矢高 圆心角和半径的计算断面图示例如图 已知跨度 L 拱矢高 h 求圆心角 4 1 tan 4 2 h L 已知跨度与圆心角 求半径 R 4 2 2 L 2sin R 其中 圆弧起始角 1 180 2 2 180 二 BMP90 程序输入数据 1 标题 1 行 80 字符以内 2 控制信息 3 行 指令和数据一共 18 个 3 围岩内部网格信息 1 3 行 数据 20 个 一般用一行 0 05 则属于超出专家一般经验的难 题 可参照打印的反分析过程 选取比较接近的侧压系数 作为输入数据表中的初始地应 力值 并改取人工干预指令 KUK 1 继续运行 如此逐次逼近 至得出反分析结果为止 五 如洞周拉裂判别至 N 8 仍有拉裂 证明拉裂与支护抗力无关 可改取拉裂判别为 KD 1 继续运行 六 如洞周有拉裂 经拉裂判别至 N N 已无拉裂 此时相应的支护抗力 Pi P LESS 此后 经反分析迭代多次又出现拉裂至 N 8 可改取拉裂判别 1 支护拉裂判别等于上述 P LESS 重新运行 七 对于可能出现的最难处理的情况 如结合以上 4 6 两种人工干预手段 绝大 多数情况下均可得出反分析结果 人为假定的不合理算例除外 八 反分析结果中 应注意位移反分析与实测值方向的特殊情况 这时的分分析结果 不可用 可以假定若干组侧压系数 经人工干预多次凑试 得出反分析结果 23 第六章第六章 应用应用 BMP 程序进行实例分析程序进行实例分析 实例一实例一 鲁布革实验洞位移反分析鲁布革实验洞位移反分析 一 鲁布革实验洞的有关介绍 鲁布革水电站位于云贵交界的黄泥河上 装机容量 60 万千瓦 地下厂房开挖尺寸为 125m 18 0m 38 4m 山体雄厚 主要岩层为三叠系灰质白云岩 白云质灰岩 石灰岩 中等坚硬 后层 中厚层状 较完整 块状岩体 按巴顿岩体工程分类 Q 8 12 属于 级围岩的下线 原位模型试验洞位于 105 号探洞桩号 175m 处地下厂房岩体内 轴线 N45 度偏西 与 修改后的厂房周线平行 与最大主应力方向基本一致 断面取厂房原设计尺寸 26m 48 8m 宽 高 按 1 10 比例缩小 凑整取 2 6m 5m 割圆拱形断面 半径 2 15m 实 验洞长 30m 收敛量测断面共 9 个 测点位置为墙角测点 A E 距底板 1m 墙中测点 B D 距 底板 2 5m 拱顶测点 C 测量仪器为英国引进的 MK 卷尺引伸仪 水电昆明设计院研究的 CSY 82 型卷尺式伸长计 最小读数为 0 05mm 和水电成都设计院研制的 YJS 2 型殷钢丝收 敛计 最小读数为 0 01mm 实验洞埋深地下覆盖层达 300m 以上 本次反分析取洞顶覆盖 层厚 365m 试验过程中温差仅 1 2 摄氏度 温度修正值忽略不计 表表 6 16 1 鲁布革实验洞收敛量测量值鲁布革实验洞收敛量测量值 桩 号 m a e 墙角测点 b d 墙中测点 c 拱顶测点 0 21 00 0 22 45 0 25 18 0 27 50 0 25 0 425 0 25 0 475 0 05 0 125 0 55 1 1 0 33 0 712 0 478 0 05 max min 均值 样本均方差 1 90 0 35 0 12 22 00 0 46 0 48 14 24 0 39 0 28 由于典型类比分析法 BMP90 程序用于反馈修正的洞周位移资料 一律以国家标准规定 点测量断面与开完工作面的最小距离为准 不计测前位移的反推和修正 因此 对鲁布革 实验洞同样选用收敛测量成果 不用修正后的数据 用水平位移 0 46m 垂直位移 0 39m 进行位移反分析 该问题分析的类型是均匀的重力介质 坐标原点位于地表 关于 Z 轴对 称 不做拉裂分析 荷载类型为人工加载 侧压系数初值不自选 岩体物理学参数按照水 利水电部昆明勘测设计院计算采用值 取密度 2 74t m3 等效弹性模量 E 32500 00 兆帕 泊松比 MU 0 220 粘聚力 C 0 400 兆帕 内摩擦角 FI 55 00 度 抗压强度 24 SIGC 60 000 兆帕 抗拉强度 SIGT 3 000 兆帕 岩石力学参数 S M 均取 0 表表 6 2 鲁布革实验洞输入数据鲁布革实验洞输入数据 二 位移反分析结果的整理分析 以 BMP90 程序对鲁布革实验洞进行位移反分析 以墙中测点与拱顶测点做位移反分析 结果侧压系数 0 600 等效弹性模量 31550MPa 以墙角测点与与拱顶测点位移反分析 结果得 0 578 E 32193MPa 平均值 0 655 E 31872MPa 将以上分析结果和水电昆 明设计院分析结果 0 534 分别与实测应力比值 0 634 对比 比值一次为 0 92 0 84 和 1 03 三者与实测地应力值均相符较好 输入的围岩类别与各岩体力学参数 与现在输入的等效弹模是相匹配的 洞周位移分析值的不确定性可能减少到 1 5 倍至 1 5 倍之间 可靠度的统计经验值一般不小于 90 经检查本工程断面的各个输入数据无误 边界分段各坐标值是正确的 选定的围岩类 25 别及亚类有比较合理的根据 相应的岩石力学参数的选用符合规范和经验值并符合 BMP90 程序使用手册的规定 在本次估选的初始地应力侧压系数的条件下 根据典璧类比分析法 BMP90 程序对本断面进行定性与半定量分析结果 洞周各控制点位移在下列数值的 3 0 倍 至 3 0 倍 即分别乘以 3 或除以 3 之间的可靠度 统计经验值一般不小于 80 以下是 对本工程断面围岩变形特性的分析输出结果 拱顶下沉 0 267mm 侧墙水平位移 0 511mm 底中位移 0 194mm 屈服区除洞周外全部位于侧墙 中部深 1 0m 上下部深 0 5m 无拉裂破环 在域内点 应力位移分析结果如下 图图 6 1 鲁布革洞周分段及边界单元划分鲁布革洞周分段及边界单元划分 洞周 NN 0 单元号1 30均为剪切屈服 深0 5m NN 1 单元号1 7无破坏 单元号8 22剪切屈服 单元号23 30无破坏 深1m NN 2 单元号1 11无破坏 单元号12 18剪切屈服 单元号19 30无破坏 深 1 5m NN 3 单元号 1 30 均无破坏 26 当改取侧压系数值时 将会有所变化 但从对比中将可以获得本断面各控制点变形值 的大致范围及变形优势部位的位置 围岩内屈服区深度估计大于 0 0 米 围岩破坏类型部位 与深度的估计 详见 NN 1 及其以后各个打印结果 因现有围岩破坏深度的实测值很少 估计值的精度与洞周位移相比偏低 仅供参考 实例二实例二 浙江省浙江省 103 人防工程位移反分析人防工程位移反分析 一 浙江省人防 103 工程有关介绍 浙江省人防 103 工程位于浙江省洞头县内 为适应 BMP990 程序对计算关于 Z 轴对称 的要求 对于该资料的局部断面做了简化 主要为红色粘土质粉砂岩 岩石强度低 软弱 易破坏 根据 坑道工程围岩分类表 属于 级围岩 毛洞跨度为 23 2m 高度 18 3m 割 圆拱断面 喷层厚 0 15m 钢筋网直径为 m 网格间距为 0 5m 锚杆直径 0 018m 间和排 距为 1 2m 1 2m 围岩内网格线在拱顶上方与地面线垂直 表表 6 3 浙江省浙江省 103 人防工程输入数据人防工程输入数据 27 该问题分析的类型是均匀的重力介质 坐标原点位于地表 容重 岩体密度 GAMMA 2 500 吨 立方米 侧压系数 LAMD 0 330 关于 Z 轴对称 以德鲁克一普拉格准 则判断屈服情况 荷载类型为自动加载 水平收敛测点边界单元号 NBL 7 拱顶测点边界 单元号 NARC 17 岩体力学参数有 等效 E 80000 00 兆帕 泊松比 MU 0 250 粘聚力 C 0 710 兆帕 内摩擦角 FI 10 00 度 抗压强度 SIGC 7 100 兆帕 抗拉强度 SIGT 0 034 兆帕 岩石力学参数 S M 均取 0 以 BMP90 程序对浙江省人防 103 工程进行位移反分析 做位移反分析时输入等效弹性 模量和侧压系数 侧压系数 0 33 等效弹性模量 80000MPa 以墙角测点与与拱顶测点 位移反分析 结果得 0 28 E 78405MPa 输入的围岩类别与各岩体力学参数与现在输 入的等效弹模是相匹配的 洞周位移分析值的不确定性可能减少到 1 5 倍至 1 5 倍之间 可靠度的统计经验值一般不小于 90 二 位移反分析结果整理分析 28 经检查本工程断面的各个输入数据无误 边界分段各坐标值是正确的 选定的围岩类 别及亚类有比较合理的根据 相应的岩石力学参数的选用符合规范和经验值并符合 BMP90 程序使用手册的规定 在本次估选的初始地应力侧压系数的条件下 根据典璧类比分析法 BMP90 程序对本断面进行定性与半定量分析结果 洞周各控制点位移在下列数值的 3 0 倍 至 3 0 倍 即分别乘以 3 或除以 3 之间的可靠度 统计经验值一般不小于 80 以下是 对本工程断面围岩变形特性的分析结果摘要 拱顶下沉 3 160E 01 范围值 4 480E 01 5 353E 02 底鼓 0 311E 01 范围值 0 934E 01 0 104E 01 侧向水平位移 0 913E 02 范围值 0 274E 01 0 304E 02 屈服区除洞周外全部位于侧墙和拱顶部位 中部深 1 0m 上下部深 0 5m 有拉裂破环 和剪切屈服 在域内点应力位移分析结果如下 洞周位移分析结果统计 拱顶下沉 3 16mm 侧墙水平位移 0 093mm 底中位移 0 311mm BMP90 分析结果与有限元分析结果相比 围岩变化规律是一致的 拱顶的变化趋势是 下沉 边墙的变化是内鼓 在各个变化趋势中 拱顶的下沉是主要变形 对比如表 6 4 表表 6 4 分析结果对比分析结果对比 部位BMP90 分析值 mm 原单位有限元分析值 mm 边界元值 有限元值 侧墙 0 0910 09 0 87 拱顶 3 1602 072 08 底中 0 3111 910 21 域内点应力位移分析结果统计 边界单元划分如图 6 2 洞周 NN 0 单元号 1 4 拉裂屈服 单元号 5 1