围岩松动圈的弹塑性位移反分析方法探索
圆形压力隧洞弹塑性应力和位移分析（可编辑）
圆形压力隧洞弹塑性应力和位移分析摘要压力隧洞是土木工程中常见的结构物之一,常设计为圆形,并设置衬砌。
目前圆形压力隧洞的研究都是集中在某一方面,如衬砌的不同处理、强度准则的选取、不同工况下主应力顺序的变化、岩石材料的应变软化和剪胀特性、渗流体积力和孔隙水压力的影响等,所得结论与实际情况存在差异。
因此,同时考虑不同工况下主应力顺序、岩石应变软化、剪胀和渗流作用等综合影响,采用统一强度理论对圆形压力隧洞应力场和位移场进行研究,具有重要的理论意义和工程应用价值。
针对具有衬砌的圆形水工压力隧洞,本文所做的主要工作为:利用统一强度理论和水工压力隧洞的基本知识,推导了平面应变状态下的统一强度理论方程,考虑到材料应变软化和施工期与运行期不同应力条件的影响,得出不同工况下初始屈服面和后继屈服面的表达式;基于平面应变状态下统一强度理论和弹脆塑性软化模型,在水工隧洞施工期以径向应力为第一主应力,在运行期以切向应力为第一主应力,根据施工期和运行期渗透水压力分布规律,分别推导出施工期具有剪胀和软化特性的围岩及处于弹性状态的衬砌应力、位移统一解,和在施工期含水围岩处于弹性状态、施工期含水围岩处于弹塑性状态两种情况下,运行期具有剪胀和软化特性的围岩及处于弹性状态的衬砌应力、位移统一解,并讨论了不同的渗透系数比值%/乞,统一强度理论参数,软化特性参数、鲲和剪胀特性参数对施工期和运行期衬砌与围岩应力和位移的影响。
本文通过对隧洞含水围岩和衬砌施工期和运行期应力、位移统一解的推导,得出了不同工况下隧洞的不同力学性能及参数的不同影响,为理论研究和工程的实际应用奠定了一定的基础。
关键词:统一强度理论、水工压力隧洞、渗透系数、应变软化、剪胀、应力场、位移场 ,. , ,, , , , , ., ,., ,,, : ,.,.,, ? , ,. , ?. 、,, 、仍,,,.,, .:;; ;; ;;论文独创性声明本人声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
深部圆形巷道破裂围岩的弹塑性分析_蒋斌松
c ) /(1 /(1 −
− sin sin ϕ
ϕc c)
)⎫ ⎬ ⎭
(3a)
(2) 塑性区：
N = Np = (1 + sinϕp ) /(1 − sinϕp )⎪⎫ S = Sp = 2cp cosϕp /(1 − sinϕp ) ⎪⎭⎬
(3b)
各区内变形满足的几何方程为
εr = ∂u / ∂r⎪⎫ ⎬
JIANG Binsong，ZHANG Qiang，HE Yongnian，HAN Lijun
(School of Architecture and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China)
(1)
围岩在出现塑性屈服和破裂时其应力满足 Mohr-Coulomb 准则，可统一表示为
F = σθ − Nσ r − S = 0
(2)
式中：N，S 均为材料参数，而对于破裂区和塑性区， N，S 可分别由黏聚力及内摩擦角表示为
(1) 破裂区：
N S
= =
N Sc
c = (1 + sinϕ = 2cc cosϕc
Abstract：With the increase of mining depth of a lot of coal mines，exerted by the high in-situ stress，the surrounding rocks in openings is fractured frequently. At the same time，the region of the cracked surrounding rocks enlarges；and the surrounding rocks re-crack. For a long and circular mine opening，the surrounding rocks are divided into three regions，i.e. the cracked region，the plastic region and the elastic region. With MohrCoulomb yield criterion，the mechanical behavior of the surrounding rocks is simulated by an elastoplastic model. The closed-form analytical solutions for the stress，strain and displacement in the three regions are derived in a theoretically consistency way by using a non-associated flow rule. According to the conditions that the stresses are continuous at the elastoplastic interface and that the radial strains are continuous at the plastic-cracked interface， the computational formulae to determine the radii of cracked and plastic regions are obtained. Finally，an example is analyzed to show the characteristics of stress and strain distributions in the cracked and plastic regions and the influence of cracked region radius on them. It provides theoretical foundations for the stability analysis of mine openings and reinforcement of the cracked surrounding rock. Key words：mining engineering；circular opening；surrounding rocks；cracked region；elastoplastic analysis； analytical solution
一种巷道松动圈的测试方法
一种巷道松动圈的测试方法巷道围岩是一种极其复杂的天然地质体．表现出多种力学特性，难以用一种支护理论来解决巷道支护问题。
因此。
在巷道支护理论研究方面出现了各种各样的学术流派，巷道围岩松动圈支护理论是我国软岩巷道支护领域重要学术流派之一。
该理论几乎不作任何假设假说，测试手段直感性强，易于掌握和操作。
这一理论先后在全国多个矿区得到广泛应用，成功解决了软岩巷道支护的难题，取得了较大的经济效益。
众所周知，采矿等地下工程都需要在地下开挖，形成一定大小的空间，并要保持该空间的稳定，但是在地下开挖后，将会扰动岩石的性质，造成岩石内的应力和岩石强度的变化，产生岩石应力转移、集中和岩石强度的减小，使开挖空间周围岩石发生变形甚至破坏，产生岩石物理状态的改变。
这个在开挖的空间周围所形成的破裂区一般是围绕开挖空间形成环状（图1）。
我们把这个由于应力作用产生的环状破裂带称为巷道围岩松动圈，简称为松动圈。
图1 巷道围岩中的松动圈1-松动圈外边界；2-松动圈范围；3-巷道周边巷道开挖后，破坏了原岩的应力平衡状态，围岩受力状态由三向变成了近似两向。
导致围岩应力重新分布和局部应力集中，造成岩石强度较大幅度地下降。
此时，最大主应力是沿巷道壁面的切线方向。
巷道壁面切应力达到最大值；最小主应力是沿巷道的径向应力。
径向应力在巷道周边为零，向围岩内部逐渐增大。
如果围岩中集中的应力值小于下降后的岩石强度，围岩处于弹塑性状态，围岩自行稳定，不存在支护问题；如果相反，围岩将发生破坏，这种破坏从周边逐渐向深部扩展，直至达到新的三向应力平衡状态为止，此时围岩中出现了一个松弛破裂带，即围岩松动圈。
其力学特征表现为应力降低区即松动圈、塑性区及弹性区，如图2所示。
图2 圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布该理论认为松动圈厚度与巷道埋深（地应力）和岩石的强度关系较大，与巷道跨度关系很小。
而松动圈厚度越大，支护越困难。
即原岩应力越大，岩体强度越小，则松动圈厚度就越大，支护就越困难。
地下洞室弹塑性仿真反分析研究
地下洞室弹塑性仿真反分析研究学 科岩土工程导 师李 宁 教授 签 名作 者陈方方 签 名摘 要本文从工程实践出发提出了一种全新的弹塑性仿真反分析方法首先采用系统的数值试验进行了参数对位移的灵敏度研究确定了本文弹塑性反分析的待反演参数而后详细阐明了本文的仿真反分析思路与实施方法在此基础之上提出了本文的弹塑性仿真反分析方法进行现场监测和反分析应用的更重要的目的是评价和预测围岩的稳定性本文依据工程实践的不同情况提出了一种新的围岩稳定性评判方法最后结合三个工程实例验证本文所提方法的实用性与适用性同时具体说明其应用过程以及如何预测与判断围岩稳定性主要研究成果1建立使各个参数灵敏度值具有可比性的灵敏度计算公式不仅得到了灵敏度分布规律而且还得到了各参数对位移的量化影响结果2详细阐述了岩土工程仿真反演分析思路与具体方法3假定围岩为理想弹塑性模型在可量测出理论上认为不可测的塑性变形实现弹塑性位移分离的前提下提出了弹塑性问题的分步反分析法以解析理论为基础提出一种实用而简便的圆形洞室弹性反分析方法且将其应用推广到其它洞型分步位移等不同情况提出一种围岩强度参数反演方法并对其可靠性进行了初步研究4依据芬纳公式提出了能够考虑围岩变形模量强度参数埋深等主要因素的新的有效的围岩稳定性评判方法关键词仿真反分析参数灵敏度试验弹塑性反演分析围岩稳定性评判A Method of Elastoplastic Back Analysis by Emulating Construction of TunnelSubject: Geotechnical EngineeringAdvisor: Li Ning Signature:Author: Chen Fangfang Signature:AbstractIn this paper, a method for elastoplastic back analysis simulating tunneling construction sequences is proposed. The parameters cohesion and friction angle of surrounding rock can be determined thought the proposed back analysis method. A new assessment approach for tunnel stability is also derived.Systemic numerical tests are made first, to study the parameter sensitivity of cohesion and friction angle and other elastic parameters to the convergence in tunnel. Some comprehensive parameter sensitivity laws have been draw thought these numerical tests.The method of emulating back analysis is illustrated secondly, in detail by tracing the excavation and supporting conditions by the special numerical modeling rested in FINAL program.Based on the idea of the measured displacement can be divided into elastic and plastic parts, Elastic parameters can back analyzed by the elastic displacement, which is the measured instant after blasting excavation. The strength parameter can be got by plastic deformation, which is the measured during the period of construction loop without blasting excavation.Lastly, depending on Fenner formula, a new and valid evaluating criterion for tunnel stability is presented and the effect of deformation modulus cohesion internal friction angle and overburden can be considered.Key words elastoplastic emulation back-analysis, parameters’ sensitivity test,assessment for rock’s stability1绪论1.1反分析问题的提出反分析问题望文生意应是和一般的分析过程相反即是由果得因的问题从广义而言在数学中人们早就接触过反问题1例如在初等数学中若把已知方程求根称为正问题的话那么由根求方程的系数就是代数方程的反问题在矩阵论中由矩阵求特征值也对应着它的反问题已知特征值反求矩阵在力学范畴内一般是根据表征某一系统力学属性的各项初始参数来确定系统的力学行为而当利用反映系统力学行为的某些物理量推算该系统的各项或一些初始参数时这种问题通常被称为反问题或逆问题2这种由结果推断原因的反问题在人类认识自然与改造自然中起到了重要的作用例如遥测与遥感技术是通过接收回波反射波信息去判断人们感兴趣的物体的形状地球物理勘探中的反问题就是借助于地球表面接收到的主动场或被动场的数据经过处理后判断地层的结构1而在岩土工程领域内则被称为反分析法或称为反演法其中反映系统力学行为的某些现场观测物理量被称为反分析法的基础信息如应变位移应力等信息岩土工程中反分析问题的出现是同生产实践的需求密切相关的首先由于岩土工程建设规模和复杂程度的与日俱增岩土工程面临的荷载历史土体性质和边界条件也愈加复杂仅仅依靠古典土力学理论已不足以解决今后将遇到的问题3这就促进了数值方法在岩土工程中的应用从60年代至今经过几十年的工程实践总结数值分析方法在岩土工程领域得到了相当的发展并已理所当然地成为了21世纪土第1节绪论力学学科的重要支柱4但是其计算参数诸如工程区域内岩体的初始地应力参数和相应的地质力学特性参数的确定一直是十分棘手的问题参数确定不准确将直接影响计算结果的精度与可靠性其次关于数值方法计算参数的确定无论由室内试验或现场原位试验确定的岩体力学参数都与实际岩体参数有较大偏差加之岩体的非均质性以及节理裂隙的影响试验结果不具有代表性用这样的参数作为计算输入参数进行数值分析所得结果往往与实际情况明显不符难于在工程实践中采用且不同程度地阻碍了数值方法在岩体工程中的进一步推广和使用5这就促使国内外的岩土工程研究者开始寻求能够准确确定计算输入参数更为有效的方法最后自70年代起用于隧道施工的新奥法技术已经形成优化隧道设计和施工的主要依据是洞周收敛位移量测信息包括拱顶下沉量洞周最大收敛位移及其收敛速率等新奥法施工技术问世后有关研究人员开始探索建立依据位移量测信息确定合理支护结构形式及其设置时间的收敛限制法设计理论的研究6在开展收敛限制法设计理论研究的同时由隧道施工过程采集的位移量测信息很快引起了从事反分析理论研究学者的兴趣西欧日本和我国的学者纷纷投入建立直接依据位移量测信息确定初始地应力与围岩性态参数的理论和方法的研究中这就是岩土工程反分析问题研究应用的开始应该注意到岩土工程反分析问题是产生于以上所述数值分析方法在岩土工程领域中的广泛应用计算参数的不易确定性新奥法施工技术的应用及其对量测位移的重视三大背景条件的且这三个条件不是相互独立而是相互依存的前两个条件要求人们能够找到一种有效确定计算参数的方法而第三个条件则给人们以思路上的启发和技术上的支持这样岩土工程反分析方法就应运而生且由于它能够有效地解决岩土工程计算中输入参数的不确定问题故一经使用就得到了广泛的应用西安理工大学硕士学位论文 和发展1.2反分析法的基本概念及分类1.2.1几个基本概念1岩土工程反分析法岩土工程反分析法所谓反分析法即以现场量测到的反映系统力学行为的某些物理信息量如位移应变应力或荷载等为基础通过反演模型系统的物理性质模型及其数学描述如应力与应变关系式等推算得到该系统的各项或某些初始参数如初始地应力本构模型参数和几何参数等的方法其目的是建立接近现场实测结果的理论预测模型能较正确地反映或预测岩土结构的某些力学行为2基础信息前面已经提到我们把反映系统力学行为的某些现场观测物理量被称为反分析法的基础信息如应变信息位移信息应力信息等3目标未知数6在力学范畴内岩土工程的反演理论属于正演理论的反问题与正演分析理论的研究方法相同建立求解这类问题的方法时也需预先确定基本未知数然后建立求解基本未知数的方程组不同之处是进行反演理论研究时一般都有先验信息并有预期要求确定的主要参数鉴于确定这些参数是进行反演理论研究的主要目的故称之为目标未知数也有人称之为待定参数反演参数辨识参数等反演分析的目标未知数可分为初始地应力结构荷载和材料特性参数三类70年代以来按释放荷载计算开挖效应的概念已逐渐为人们所接受释放荷载的分布规律与初始地应力有关初始地应力十分自然地首先成为反演理论研究的目标未知数由反演理论确定初始地应力时第1节 绪论必须先对其分布规律作假设并据以确定目标未知数的个数如将初始地应力场假设为均布应力场则二维平面问题的基本未知数的个数为3个PxP yP xy三维空间问题为6个P xP yP zP xyP yzP zx作用在地下结构上的荷载有多种反演理论讨论的主要是在与地层的接触面上衬砌结构承受的荷载即地层压力70年代以前人们普遍认为这类荷载主要由开挖后地层中出现的松散体引起在岩石隧道的设计中将其称为山体压力或山岩压力70年代以后随着岩土介质的受力变形性态常随时间而变化的特点逐渐被认识人们开始接受形变压力的概念即认为地层压力主要是衬砌结构与地层连成一体共同发生变形的过程中承受的荷载材料特性参数的种类和个数与材料在受力变形时显现的性态有关处于弹性受力状态时材料特性参数为弹性模量E 和泊松比处于弹塑性受力状态时则需要增加内聚力C 和内摩擦角处于粘弹性受力状态时用于描述材料受力后发生的变形随时间而变化的参数与选用的模型有关4准则准则函数函数一般把最优化准则称为准则函数记为J1准则函数总体上可分为两大类一类是以输出信号为基础的准则函数一类是以量测误差或参数的概率统计性质为基础的准则函数前者一般表示为系统的实际输出量测值和模型的输出的偏差的某个函数对于这类准则函数参数辨识实际上可作为一个最优化问题处理即通过所选的准则函数寻求使准则函数达到极小的参数值就此而言准则函数称为目标函数根据求解问题不同还可称为误差函数损失函数成本函数等对于后者参数辨识作为估计问题处理参数估计的具体实现同样离不开最优化技术5解的不适定性1反分析问题是由结果推断原因而由结果推断的原因可能解不唯一多解性即某一特定结果可能引起的原因有多西安理工大学硕士学位论文 种这是反问题的一类不适定性反问题还可能具有解的不存在性和解的不稳定性这些特点如果反问题的提法不正确可能会导致反问题的解不存在反问题的不稳定性是指实测资料有一定的微小误差时反求出的结果产生很大的偏差甚至无法控制如果反问题的解存在唯一且稳定则称反问题为适定的相反则称反问题为不适定的即具有不适定性1.2.2反分析法的反分析法的分类分类21按反分析法所利用的基础信息根据反分析法所利用的基础信息不同反分析法可分为应力反分析法位移反分析法和混合反分析法应力反分析法是依据在工程区域内有限个少数实测应力值建立相应的数学力学模型推求整个工程区域内的初始应力场而位移反分析法则是利用现场量测位移来反推系统工程区域的力学特征及其地质背景的初参数即工程区域内的力学特性参数初始地应力等与前两种方法相对应混合反分析法依据的基础信息既有位移量测值又有应力或荷载量测值由这两类信息反推系统的边界条件或支护荷载由于位移量测比应力量测更经济方便且较易获取故位移反分析法更为工程所广泛采用混合反分析法则常用于对支护荷载的反演分析中它具有与位移反分析法完全类似的分析过程故下面重点介绍位移反分析法亦即本文所采用的反分析方法2按反分析法所采用的计算方法位移反分析方法按照其采用的计算方法又可分为解析法和数值法有限元法边界元法等由于解析法只适于用简单几何形状和边界条件问题的反演因此难于为复杂的岩土工程广泛采用数值方法具有普遍的适应性根据数值方法实现反分析的过程不同又可以分为两类方法即逆解法和直接法第1节绪论逆解法是直接利用量测位移求解由正分析方程反推得到的逆方程从而得到待定参数也有人称为目标未知数为力学特性参数和初始地应力分布参数等简单地说逆解法即是基于正分析的逆过程此法基于各点位移与弹性模量成反比与荷载成正比的基本假设仅适用于线弹性等比较简单的问题其优点是计算速度快占用计算机内存少可一次解出所有的待定参数直接法又称直接逼近法也可称为优化反演法这种方法是把参数反演问题转化为一个目标函数的寻优问题直接利用正分析的过程和格式通过迭代最小误差函数逐次修正未知参数的试算值直至获得最佳值其中优化迭代过程常用的方法有单纯形法复合形法变量替换法共轭梯度法罚函数法Powell法等这类方法的特点是可用于线性及各类非线性问题的反分析具有很宽的适用范围其缺点是通常需给出待定参数的试探值或分布区间等同时计算工作量大解的稳定性差特别是待定参数的数目较多时费时费工收敛速度缓慢基于上述逆解法与优化法发展而来的逆解优化法和逆解回归法是将逆解法与优化法或回归法相结合的方法其主要用于粘弹性蠕变位移反分析的有限元和边界元法之中这两种方法兼备逆解法和直接法两种方法的优点具有较高的精度计算工作量小逆解法与弹塑性迭代法或优化法相结合的逆解迭代法或逆解优化法也可以用于弹塑性粘弹塑性问题的参数反演其可以使计算机时缩短计算效率提高3按反分析法所采用的本构模型根据岩体所处的力学状态不同反分析需采用不同的本构关系应力与应变之间的关系式得到不同的力学特性参数即目标未知数如弹性参数弹性模量泊松比等粘弹性参数粘弹性模量粘弹性系数等弹塑性参数弹性模量粘聚力C内摩擦角等粘弹塑性参数粘弹性模量粘弹性系数粘塑性系数c等直至渗透系数渗透张量热传导系数比热容等它们分别对应的分析方法称为弹性西安理工大学硕士学位论文 位移反分析粘弹性位移反分析弹塑性位移反分析和粘弹塑性位移反分析等对于初始地应力上述任何一种分析都会遇到它是所有反分析中均需确定的参数4按视岩土体为确定性或非确定性上述反分析方法均为确定性反分析方法即视围岩变形过程及状态过程为确定的是处于一种静态的过程它所描述的对象是可以用数学方法准确地表达清楚的然而象隧道这样的岩土工程其开挖引起的围岩位移变化过程是一个非确定过程很难用数学方法准确地描述清楚它客观地处于一种动态的随机过程对此必须采用概率系统的方法来解决又由于我们所研究的对象即地下洞室围岩物理力学动态是一个场域问题因此将概率系统方法和有限元分析方法结合起来建立一种适应于地下岩土工程实际动态的随机反分析理论及其相应的计算方法已成为客观需要和发展趋势这就促进了非确定性反分析方法的发展[4]非确定性反分析基于随机数据如Baye’s反分析最大似然反分析等应用概率论数理统计随机过程或模糊数学等不确定性数学工具来分析量测位移或量测应力值的不确定性本构模型的非确定性并考虑参数的先验信息即量化的工程师经验实验室的试验结果以及一切关于被反演参数的已知量化信息与有关的基本定律等及量测位移建立不同的目标函数由此进行不确定性反分析对于量测信息离散性的随机性较大且计算本构模型事先未知而不确定的情况这种反分析具有良好的计算效果5是否利用神经网络等智能方法根据是否利用神经网络等智能方法还可分为非智能反分析法和智能反分析法7神经网络在反分析中的应用可以分为两类一是采用神经网络的系统辨识理论根据岩土工程力学正分析的理论与方法先建立系统输入和输出的正分析求解样本再用神经网络对样本进行系统的逆第1节 绪论辨识学习从而得到反分析的解另一种是利用正分析得到的学习样本建立结构正分析的近似分析器在优化求解过程中实现结构的实时分析王芝银2把反分析法的分类简单归纳为如下图所示图1-1 反分析法分类示意图1.3反分析法的发展历史及现状70年代初人们开始注意由现场量测信息确定各类计算参数的研究即开始反分析问题的研究至今经过30多年国内外众多学者的不懈努力反分析理论得到了长足的发展及应用大致经历了以下三个发展阶段170年代初至80年代初期反分析发展的初期阶段此阶段主反分析法混合反分析法应力反分析法位移反分析法非确定性反分析确定性反分析图谱法逆解法直接法线弹性位移反分析线性蠕变位移反分析极大似然反分析Baye's 反分析弹塑性位移反分析粘弹塑性位移反分析非线性蠕变位移反分析多介质问题反分析逆解优化法逆解回归法西安理工大学硕士学位论文 9要进行反分析理论的研究以及计算方法的建立研究较多的是线性问题的逆反分析法并开始在水电工程中应用Kavanagh 和Clough 1972发表反演弹性固体的弹性模量的有限元法81976年约翰尼斯堡Johannesburg 的岩土工程勘测研讨会上Kirsten1976提出了量测变形分析法9随后G.Maier 1977提出了岩石力学中的模型辨识问题10Kovari1977则提出了反算地层压力参数的方法111980年Gioda 采用单纯形等优化方法求解岩体的弹性及弹塑性力学参数12-15并讨论了不同优化方法在岩土工程反分析中的适用性161981年Gioda等人利用实测位移反算作用在柔性挡土结构上的土压力171981年中中科学院地质研究所杨志法等提出了另一种位移反分析方法图谱法利用事先建立的图谱反演围岩地应力分量及弹性模量18-191983年Arai 采用二次梯度法求解弹性模量和泊松比20而Sakurai1979,1983提出了反算隧道围岩地应力及岩体弹性模量的逆解法2122280年代初期至90年代初反分析的发展阶段出现了采用不同本构关系计算方法的各种反分析法且考虑现场实测条件注重反分析法的实际应用成为这一阶段的重要特征这也是我国大规模工程建设对理论技术发展的要求同济大学冯紫良杨林德1983,1985将地应力分为均布构造应力和自重应力进行线性和非线性位移反分析反算岩体的初始应力场23,24王芝银1985利用少量实测位移由拉格朗日插值法反算粘弹性地层初始地应力25郑颖人1986~1987在应力空间及应变空间中用边界元法进行弹塑性位移反分析根据围岩位移反算初始地应力和弹性模量可用于解决二维和三维问题26,27对于浅埋地下巷道或隧道围岩的初始地应力不再是均匀分布不少文献对初始地应力28或边界分布荷载29的线性或函数分布形式进行了反演分析的研究王芝银等2把这些成果应用于粘弹性及弹塑性反分析中第1节 绪论10在初始地应力的分布更加符合现场实际条件的同时不少反分析法开始注重现场实测条件在考虑时间相关性空间效应消除量测前丢失位移的影响等方面文献30~32针对五种常用流变模型Maxwell, Kelvin,Poyting-Thomson, 广义Kelvin 及Burbgers 模型进行了有限元和边界元法位移反分析的系统研究提出了逆解回归法和逆解优化法朱维申1989则考虑时空效应对三个地下巷道或隧道进行了反演分析33王芝银1987~1988利用空间效应及围岩与支护相互作用的增量位移直接反算支护荷载和初始地应力34虽然避开了许多未知因素的影响但在反算地应力时需要已知较可靠的空间效应影响系数弹塑性问题的反分析研究多采用了优化技术如黄金分割法19单纯形法15,19变量替换法35Powell 法和Rosenbrok法15,16等而围岩粘弹塑性位移反分析则采用了逆解法与优化法相耦合的方法361992年孙钧黄伟提出了弹塑性反分析的一种全面优化方法实践上得到了非线性逆问题的唯一解37和再良1988分别用线弹性粘弹性和弹塑性本构模型及有限元法进行了天生桥试验洞测试数据的反演计算38薛琳1989运用开尔文模型进行了圆形洞条件下粘弹性岩体的反分析39张玉军1990针对当前围岩流变参数反分析中的若干不足进行了修正并给出了三元件和开尔文模型流变参数的确定方法40在平面位移反分析的发展过程中三维反分析同样受到人们的重视有考虑隧道衬砌所进行的三维弹性反分析41有弹性粘弹性地层初始地应力及力学参数反演计算的有限元法42和边界元法43也有空间轴对称蠕变位移反分析的研究44非均质岩体多介质材料的反演分析也有不少研究报道45-47考虑量测位移及参数先验信息的随机性和不确定性Baye’s法48-50最大似然法51,52等数学方法也被用于反演岩体的力学特性参数既然反分析法是产生于工程建设发展的需求故在其基本理论取得显著进展的同时位移反分析法在许多岩体工程中亦得到了成功应用西安理工大学硕士学位论文 11如前面提到的文献33对军都山隧道工程宜昌洒厂地下洒库二滩电站试验洞的测试数据进行了反分析文献53对鲁布革水电站原位试验洞的位移进行了反分析应用数理统计原理通过有限元数学模型的回归分析计算求解岩体的初始应力场和位移场文献54利用大坝观测资料反算坝体的渗透系数文献55用反分析法确定地基土的土性参数文献56进行求解引水隧道围岩地应力和部分力学参数的反演另外吕爱钟1988利用参数可辨识条件探讨了围岩参数和地应力的可辨识性问题并在此基础上证明了参数可唯一辨识的最多个数及分析了量测点布置对可辨识性的影响57吴凯华应用灰色系统理论通过灰色动态模型或灰色预测模型预测未来的位移并由所测到的位移进行位移反分析后再利用正分析对围岩或支护的安全度作出超前预测58然而反分析并非仅仅是对工程范围内的岩体初始地应力和力学特性参数作出估计更重要的是利用反分析结果对工程的可靠度作出合理的评价和符合实际的预测在S.Sakurai 于 1988年提出一种现场量测辅助设计技术59即用现场量测位移反算岩体弹性模量和初始地应力然后应用这些参数进行正分析或设计初次支护的参数之后国内外不少研究者即已注意到了反分析结果的应用问题从围岩支护的弹性弹塑性变形预测到利用考虑时空效应的流变反分析结果进行粘弹性粘弹塑性分析预测围岩或支护后期变形及安全度60对工程给出事先的预测刘怀恒1988提出了一种基于粘弹性位移反分析的监测分析工程预测系统31390年代初至今岩土体的模型识别问题考虑岩土体本身随机性的非确定性反分析得到了迅速的发展系统论信息论等也被应用到位移反分析研究中同时提出了考虑施工过程的仿真反分析及动态施工反分析技术近几年神经网络遗传算法等现代优化方法在岩土工程中也开始应用李素华1993等应用四种优化方法进行了弹性横观各向同性及弹。
地下洞室围岩弹塑性仿真反演分析方法
第２ 卷 第２期 ７
２０ ０ ７年 ６月 西安科源自技 大 学 学报
Ｈ Ｉ ） Ｙ ＮＯ Ｇ
Ｖ０． ７ Ｎｏ ２ １２ ．
Ｊ Ｒ Ｌ Ｏ ’ Ｎ ＵＮ ＶＥ ＳＴ Ｃ Ｅ Ｃ Ｄ ＯＵ ＮＡ Ｆ ＸＩ Ａ Ｉ Ｒ ＩＹ ＯＦ Ｓ Ｉ Ｎ Ｅ ＡＮ
摘
要 ： 下 洞 室围岩 弹 塑性 反 演分析 方 法是 长 期 以 来反 分析 理 论研 究的 一 个难题 。文 中详 细 地
分析 了实施弹塑性反分析所存在的 ３ 个难点 ， 并针对这 ３个问题 ， 假定围岩是理想弹塑性介质， 通 过参数对位移的灵敏度分析 ， 现场实测将弹塑性位移进行分 离， 从而探 索围岩弹塑性反分析 的新
Ｍ ｅｈ ｄ ｏ ｌｓｏ ｌ ｓｉ ａ ｋ ａ ａ ｙ ｉ ｙ ｅ ｕ ａ ｉ ｇ ｃ ｎ ｔ ｕ ｔｏ ｆｔ ｎ ｅ ｔ ｏ ｆｅａ ｔ ｐ ａ ｔｃ ｂ ｃ ｎ ｌ ｓｓｂ ｍ ｌ ｔｎ ｏ ｓｒ ｃｉ ｎ ｏ ｕ ｎ ｌ
ＣＨＥＮ ａ ｇ ｆ ｎ Ｉ Ｎｉ ｇ ， Ｆ ｎ ．ａ ｇ ，Ｌ ｎ ＺＨＡＮＧ ｈ ． ｉｎ Ｚ ｉｑ ａ ｇ （ ．ｃｏ ｌｆＡｃｉｃ ｒｌ ｎ ｉｌ ｎ ｃｅ ｎ Ｘ ’ Ｕｗｅ ￣ ｏ ｃ ｎｅ ｎ Ｊ １Ｓｈｏ ｏ ｒ ｔ ｔ ａ ｄ Ｃｖ ￣ｎ ｄ ｇ， ｉ∽ ｎ ｒ ｆＳｉ ｃ ｄ ｈｅｕ ａ ｉＥ ｓ ｅ ａ Ｉ 咖 ， ／ａ １０ ４ Ｃ ｉ ； Ｘ ’ｎ７ ０ ５ ，ｈｎ ａ
途径 ； 之后 阐述 了本 文采 用的仿 真反 分析 的概念 、 实施 思路 及 流程 ；最后说 明 了该方 法 的应 用与
检 验 思路 ， 结合 工程 实例 证 明该方 法的 可靠性 。
关键词 ： 弹塑性反 演分析 ； 强度参数 ； 弹塑性位移分离； 仿真反分析
围岩变形弹塑性分析
§2.1 隧道围岩重分布应力的计算隧道开挖前，岩体中每个质点均受到天然应力的作用而处于相对平衡状态；隧洞开挖后，洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑，破坏了原有的平衡状态，从而产生向洞内空间的膨胀变形，其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系，引起应力、应变和能量的重新调整，达到新的平衡关系，形成新的应力状态。
重分布应力对于那些坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一般时，隧道开挖后的围岩将呈弹性变形状态。
这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩应力重分布可用弹性力学的基本理论来分析，隧洞半径相对于洞长很小时，可按平面应变问题考虑，围岩重分布应力可用柯西（Kirsh ）课题求解。
图R 0（，则点的各应力分量，即径向应力、环向应力和剪应力间的关系，根据弹性理论可表示为：000R R R ⎪⎪⎪⎬⎪⎪=⎪⎭（2-222220022200ln 1cos 22222pR R r r r R R r φθ⎡⎤=-----⎢⎥⎢⎥⎣⎦（2-4） 代入可得各应力分量：2400244200423(1)(1)cos 2232(122r R R r r R R r pr p θθσθτθ⎪⎡⎤⎪=+-+⎢⎥⎬⎢⎥⎪⎣⎦⎪⎪=--+⎪⎭（2-5） 式中，x σ,θσ,r θτ分别为M 点的径向应力、环向应力和剪应力，以压应力为正，拉应力为负;θ为M 点的极角，自水平轴(x 轴)起始，反时针方向为正；r 为径向半径。
式来。
若水平和（2-5）0024420042(1)(12232(122v vr r r R R r r θθσθτθσ=+++⎢⎥⎬⎢⎥⎪⎣⎦⎪⎪=-+⎪⎭（2-8） 水平应力h σ产生的重分布应力，可由式（2-5）直接求得：2400244200423(1)(12232(1)sin 22v r vR R r r R R r r θθλσσσθλτθ⎪⎡⎤⎪=+-+⎢⎥⎬⎢⎥⎪⎣⎦⎪⎪=--+⎪⎭（2-9） 将以上两式联立求和，即可得到隧道弹性围岩重分布的弹性计算方程：2420002423411(1)(1)cos 222r v R R R r r r λλσθσ⎫⎡⎤+-=--+-⎪⎢⎥⎢⎥⎪时，大， 如图(r d σσ+作用在单元体上的全部力在径向应力在半径r 上的投影为零，则单元体上径向应力的平衡方程为：()()2sin(02r r r d rd d r dr d dr θθθθσσσσ-+++=（2-11）当d θ很小时，sin(22d d θθ≈。
巷道围岩松动圈弹塑性分布探讨
巷道围岩松动圈弹塑性分布探讨罗方亮;安里千;毛灵涛;徐建成;李磊【摘要】Due to excavation,the surrounding rock of roadway is loosened and a loosen zone is produced.In this paper,elastic-plastic stress distribution of the loosen zone is analyzed in theory,and loosen zone elastic-plastic stress distribution radius are deduced and discussed.%巷道掘进工作破坏了周围原岩应力分布产生了松动圈,对松动圈弹塑性应力分布和范围进行理论分析,得到松动圈弹塑性应力分布半径并进行了讨论。
【期刊名称】《河北能源职业技术学院学报》【年(卷),期】2011(011)004【总页数】3页(P51-52,54)【关键词】松动圈;弹塑性应力;理论分析【作者】罗方亮;安里千;毛灵涛;徐建成;李磊【作者单位】中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;河北能源职业技术学院,河北唐山063004;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD353巷道掘进中会破坏围岩原始的应力平衡态，当这种平衡态被打破使围岩应力超过围岩的强度时，围岩会产生变形松动现象。
这种由于巷道掘进破坏围岩应力平衡态所产生的松动范围叫做松动圈。
围岩松动圈的大小由多种因素决定，同时它又决定着支护难易程度。
松动圈的大小不同，所采用的支护方法不同，对安全生产起到非常重要的作用。
松散堆积体隧道围岩空间位移特征分析_昝文博
昝文博,㊀赖金星,㊀张玉伟,㊀邱军领,㊀樊浩博．松散堆积体隧道围岩空间位移特征分析[J ]．解放军理工大学学报:自然科学版,D O I :１０．１２０１８/j．i s s n ．１００９Ｇ３４４３．２０１６０５０３００４/２０１６．０７．２１．松散堆积体隧道围岩空间位移特征分析昝文博,㊀赖金星,㊀张玉伟,㊀邱军领,㊀樊浩博(长安大学公路学院,陕西西安７１００６４)摘㊀要:为研究松散堆积体隧道施工引起围岩空间位移的变化,采用弹塑性非线性有限元法对隧道开挖过程进行仿真模拟,将空间位移分为地表沉降㊁周边围岩位移和掌子面挤出变形３部分进行分析,并与既有理论和现场测试数据进行对比.数值计算结果表明:隧道开挖引起的围岩变形具有明显的三维特性,掌子面前后方影响范围均为２０m ,横向沉降槽呈明显的 深沟 形,沉降槽宽度较小,与塞形曲线拟合度最高;周边围岩拱部下沉和隧底隆起范围与量值均较大,水平收敛较小,下台阶支护封闭成环后变形趋于稳定;上台阶掌子面挤出变形呈中间大㊁周围小的 圆形放射状 ,下台阶掌子面挤出变形总体较小;与现场测试值相比,拱顶下沉和净空收敛偏大,地表沉降两者基本一致.研究结果可为类似条件下隧道变形控制提供理论依据.关键词:堆积体隧道;空间位移;数值分析;现场测试中图分类号:U ４５D O I :１０．１２０１８/j．i s s n ．１００９Ｇ３４４３．２０１６０５０３００４A n a l y s i s o n s p a c ed i s pl a c e m e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f s u r r o u n d i n g r o c k f o r a t u n n e l c o n s t r u c t e d t h r o u g h l o o s ed e po s i t s Z A N W e n b o ,㊀L A IJ i n x i n g ,㊀Z HA N GY u w e i ,㊀Q I UJ u n l i n g ,㊀F A N H a o b o (S c h o o l o fH i g h w a y ,C h a n g ＇a nU n i v e r s i t y,X i ＇a n ,S h a a n x i ７１００６４,C h i n a )A b s t r a c t :T o r e s e a r c h t h e s p a c ed i s p l a c e m e n t o f s u r r o u n d i n g r o c k i n d u c e db y tu n n e l c o n s t r u c t i o n i n l o o s e d e p o s i t s ,t h e p r o c e s s o f t u n n e l e x c a v a t i o n i s s i m u l a t e db y u s i n g t h e e l a s t o Ｇpl a s t i c n o n Ｇl i n e a r f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ．S p a c e d i s p l a c e m e n t ,w h i c h i s d i v i d e d i n t o g r o u n d s e t t l e m e n t ,d i s pl a c e m e n t a r o u n d t h e t u n n e l a n d e x t r u s i o nd e f o r m a t i o no f t u n n e l f a c e ,i sc o m p a r e da n da n a l y z e d w i t ht h e t h e o r y an d i n Ｇs i t ut e s t r e s u l t s ．N u m e r i c a l r e s u l t s s h o wt h a t :D e f o r m a t i o no f s u r r o u n d i n g r o c k i n d u c e db y tu n n e l e x c a v a t i o nh a so b v i o u s t h r e e Ｇd i m e n s i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s ,a f f e c t e d a r e a o f v e r t i c a l s e c t i o n i s a b o u t ２０m ,a n d g r o u n d t r a v e r s e s e t Ｇt l e m e n t t r o u g hs h o w s ＂d e e pg u l l y ＂t y p e i n a c c o r d a n c ew i t h p l u g Ｇs h a pe d c u r v e ;S e t t l e m e n t a t t h e a r c h p a r t a n du p h e a v a l d ef o r m a t i o na t t h eb o t t o mo f t u n n e l a r e r e s p e c t i v e l y l a rg e ,h o ri z o n t a l c o n v e r g e n c e i s s m a l l ,a n d t h e t u n n e l d e f o r m a t i o n t e n d s t ob e s t a b l ew h e n t h e p r i m a r y s u p p o r t s t r u c t u r e s a r e c l o s e d ;T h e e x t r u Ｇs i o nd e f o r m a t i o no f u p p e rb e n c hf a c eh a s t h es h a p eo f ＂r o u n d Ｇs h a p e dr a d i a t i o n ＂w h e r e t h ec e n t e r i sb i gＧg e s t ,w h i c h i s r e s p e c t i v e l y l a r g e r t h a n t h a t o f l o w e rb e n c h ;C o m p a r e dw i t h i n Ｇs i t u t e s t ,v a u l t s e t t l e m e n t a n dh o r i z o n t a l c o n v e r g e n c e a r e s l i g h t l y l a r g e r ,a n d t h e g r o u n ds e t t l e m e n t i sb a s i c a l l y c o n s i s t e n t ．T h e r e Ｇs e a r c h r e s u l t sc a n p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rc o n t r o l l e d m e a s u r e so f t u n n e ld e f o r m a t i o nu n d e rs i m i l a rc o nd i t i o n s ．K e y wo r d s :d e p o s i t t u n n e l ;s p a c e d i s p l a c e m e n t ;n u m e r i c a l a n a l y s i s ;i n Ｇs i t u t e s t ㊀㊀收稿日期:２０１６Ｇ０５Ｇ０３基金项目:陕西省工业科技攻关项目(２０１５G Y １８５);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(３１０８２１１６０１１);陕西省科技厅社会发展科技攻关项目(２０１６S F Ｇ４１２)作者简介:昝文博,硕士生,主要研究隧道及地下工程,８９４５７６２６１＠q q ．c o m 通信作者:赖金星,副教授,主要研究公路隧道工程,３７３１５９６２６＠q q．c o m 网络出版时间：2016-07-21 16:03:08网络出版地址：/kcms/detail/32.1430.N.20160721.1603.004.html㊀㊀近年来,随着国家基础设施建设的迅猛发展,高速公路不断向河谷㊁漫滩㊁山麓㊁海岸㊁阶地等处延伸,导致新建隧道穿越不良地质地段遇到松散堆积体围岩的情况越来越多.由于堆积体欠固结㊁强度低㊁易软化,隧道开挖后掌子面难以稳定,施工中容易发生大变形㊁失稳甚至坍塌冒顶等现象,直接影响地下结构的安全与稳定.鉴于松散堆积体特殊的工程特性,隧道的力学特性与变形规律均表现出与其他隧道不相同的特点,给隧道设计参数的确定带来了困难.因此,深入研究松散堆积体隧道的变形特征,对于防止大变形的产生是很有必要的,在目前高速公路隧道快速发展的形势下具有重要的现实意义.对于不良地质条件下隧道围岩稳定性分析与变形特征的研究越来越引起隧道工程技术人员的重视,国内外许多学者对此做了大量的工作,均取得了丰硕的研究成果.庞小冲等[１]以某卵砾石隧道施工期间发生的失稳现象为背景,采用地质调查的方法结合现场观测失稳特征,分析了围岩坍塌力学机理,对类似条件下隧道修建具有重要的参考价值;朱正国等[２Ｇ３]以兰渝铁路仓园隧道穿越结构松散的泥石流堆积体为背景对隧道围岩稳定性及加固方案进行了分析,特别指出加固掌子面对隧道周边位移控制效果十分显著;高广运等[４]建立了考虑围岩松动圈的双介质模型,采用位移反分析法得到围岩参数,通过正演计算结果有效指导相应隧道的设计与施工;来弘鹏等[５]以广福隧道浅埋偏压破碎围岩为背景,对比分析了地面高压预注浆处治措施前后围岩和支护结构的受力特征;X i a o 等[６Ｇ８]在室内大型饱和固结排水剪切试验获得堆积体力学参数的基础上分析了某隧道浅埋偏压段管棚受力和衬砌开裂机理,并对施工方案进行了对比分析,为松散堆积体隧道的研究积累了经验;文献[９Ｇ１３]在分析大量现场测试数据的基础上提出了预测地表纵㊁横向沉降的经验关系式,可为隧道的变形控制进行有效指导.综合上述文献可知,目前人们对于隧道变形特征的研究主要集中在软岩和土质隧道掌子面内的径向位移,而对堆积体隧道空间位移场的研究鲜见报道.基于此,本文以某高速公路大型堆积体隧道为工程背景,采用弹塑性非线性有限元法对隧道开挖过程进行仿真模拟,将空间位移分为地表沉降㊁周边围岩位移和掌子面挤出变形３部分进行分析,并将所得结果与既有理论和现场测试数据对比,在空间位移分析的基础上对先期变形进行预测,以期为类似隧道围岩变形和地表沉降控制提供理论依据.１㊀工程概况某高速公路隧道穿越一大型泥石流堆积区,堆积层厚度为５０~７０m ,按双向四车道分离式隧道标准设计,左㊁右线长度分别为７７５和７３０m ,左㊁右线相距５０m ,根据弹性力学理论分析可知隧道开挖只对洞室周边２B (B 为隧道开挖跨度)范围内围岩产生较大扰动,２B 范围以外围岩所受扰动较小,可以忽略.因此,将数值模型简化为单洞隧道施工.隧道开挖采用台阶法,开挖跨度为１３ ０６m ,开挖高度为１０ ３９m (包括仰拱),支护㊁衬砌形式如图１所示.根据工程地质勘察报告,堆积体为坡洪积成因,隧道以较大角度与坡洪积山体相交通过,围岩由粒径不同的漂石㊁卵石㊁碎石夹杂粉质黏土组成,根据密实程度不同,围岩力学参数指标有较大变化,但黏聚力总体较小,在隧道进口段的坡面上发现有多处浅层滑塌现象,土体稳定性差,地质条件复杂.由于堆积体围岩结构松散㊁地质情况差,进洞施工后多次发生冒顶式塌方和衬砌开裂下沉等事故.例如:右洞施工过程中发生了严重拱顶塌方现象并导致地表塌陷,已施作完成的超前支护全部砸毁,无法继续施工,地表形成陷坑,深度达５m .图１㊀隧道支护结构设计F i g ．１㊀D e s i g no f t u n n e l s u p po r t s t r u c t u r e s ２㊀数值模拟思路２．１㊀计算模型的建立堆积体与普通单一的岩㊁土体相比,其性质介于２㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀解放军理工大学学报(自然科学版)第００卷㊀两者之间,漂㊁卵石块体具有岩体的高弹低塑特性,夹杂的粉质黏土则具有土体的低弹高塑特性;为了同时反映漂㊁卵石岩体和夹杂粉质黏土的工程特性,采用弹塑性非线性有限元法模拟隧道上㊁下台阶法施工过程,上㊁下台阶开挖高度分别为６和４m 左右,上㊁下台阶纵向距离８m ,属于短台阶法.研究区域内隧道埋深较浅,平均埋深为２０m .为了充分反映隧道开挖的空间效应,隧道轴线方向长度取６４m ,左右两侧各取３倍以上开挖跨度为４５m ,仰拱底部向下取３１m ,拱顶以上取隧道平均埋深２０m .模型底面为固定位移约束,前㊁后㊁左㊁右采用法向位移约束,上表面为自由边界.有限元模型如图２所示.图２㊀有限元模型F i g．２㊀F i n i t e e l e m e n tm o d e l ２．２㊀单元类型选择A N S Y S 软件内置有多种复杂的杆㊁梁㊁壳等结构单元和实体单元,能够很好地模拟隧道开挖的复杂动态过程,模拟使用的各类支护形式如图３所示.模型选用地层结构共同作用的受力模式,考虑松散堆积体围岩软弱破碎,复合式衬砌均采用弹性模型;超前小导管按照«公路隧道设计规范»[１４]规定的方法将加固区围岩黏聚力提高３０％,数值计算中对钢筋网的作用未作模拟,这种做法偏于安全.图３㊀各种支护结构形式F i g ．３㊀V a r i o u s t y p e s o f s u p p o r t i n g st r u c t u r e s ２．３㊀材料参数选取鉴于松散堆积体围岩特殊的工程特性,参考文献[６]室内饱和固结排水剪切试验获得的堆积体力学参数来反映堆积体力学特性,围岩强度指标参数及非线性模型参数如表１所示,围岩本构模型选取能反映材料非线性和塑性的D r u c k e r ＧP r a g e r 模型,根据隧道设计资料,结合规范[１４],选取的模型计算参数如表２所示.对于钢拱架的作用采用等效弹性模量的方法考虑,其计算方法[１５]为E c ＝E ０＋A s E sA c.(１)式中:E c 为折算后混凝土弹性模量,G P a ;E ０为原混凝土弹性模量,G P a ;A s 为钢拱架截面面积,c m ２;E s 为钢材弹性模量,G P a ;A c 为混凝土截面面积,c m ２.表１㊀围岩强度指标及非线性模型参数[６]T a b ．１㊀S t r e n g t h i n d e x e s a n dn o n Ｇl i n e a rm o d e l i n gp a r a m e t e r s 编号干密度/(g c m －３)线性强度指标c /k P a φ/(ʎ)E t K n R f μtG F D B t K b m １１ ６５６８２０ １１７００ ５６０ ８２０ ４２０ ０８１ ０１２００ ２０２１ ５０６７１８ ４１３００ ４００ ８２０ ４１０ ０８１ ０１１００ １７表２㊀围岩和支护计算参数T a b ．２㊀C a l c u l a t i o n p a r a m e t e r so f s u r r o u n d i n g r o c ka n ds u pＧp o r t i n gs t r u c t u r e s 材料弹性模量E /M P a泊松比μ密度ρ/(k g m －３)黏聚力c /k P a 内摩擦角φ/(ʎ)围岩２８０ ３８１７００３０２０加固区２８０ ３８１７００３９２０锚杆２ˑ１０５０ ３７８００初期支护２ ５２ˑ１０４０ ２５２２００二次衬砌２ ９５ˑ１０４０ ２０２３００３㊀围岩空间位移场分析隧道开挖属于典型的空间三维问题,通过大量的数值模拟计算和现场调研发现:隧道开挖引起的围岩位移具有明显的三维特性,随着掌子面向前推进直到最终贯通,围岩空间位移场的变化过程如图４所示.从图４可以看出:围岩空间位移从隧道横断面和纵向发展两方面可以分为横向变形与纵向变形,随着掌子面向前推进,地层纵㊁横向变形沿掌子面不断向前发展,地层沉降最大值不断增加.其中纵向沉降曲线在掌子面前方较缓㊁掌子面附近急剧增大㊁掌子面后方趋于稳定,其成因分析如下:(１)掌子面前方围岩开挖前的先期沉降,主要原因是掌子面围岩不稳定向外挤出变形导致前方地层应力释放和地下水流失,从而导致前方地层损失和固结变形引起地层沉降(下文将对先期地表沉降进行详细预测对比);(２)掌子面附近围岩变形急剧增大,此阶段变形较大的主要原因是由于边界条件发生急剧改变,３㊀第０期㊀㊀㊀㊀昝文博,等:松散堆积体隧道围岩空间位移特征分析是隧道三维空间问题向二维平面应变问题转化的过渡区,对上覆岩土体扰动较大,引起应力重分布产生卸载效应所导致的;(３)掌子面后方变形趋于稳定,主要原因是上下台阶支护结构封闭形成有效承载环,掌子面土体的空间支撑作用基本消失,隧道结构力学问题完全转化为典型的平面应变问题.图４㊀隧道掘进过程中围岩空间位移场的变化F i g ．４㊀C h a n g es p a c ed i s p l a c e m e n t f i e l do fs u r r o u n d i n gr o c kd u r i n gp r o c e s s o f t u n n e l d r i v i n g为了尽可能减小边界条件对计算结果可能产生的影响,选取纵向中间断面为监测断面,将隧道开挖引起的空间位移分为地表沉降㊁围岩深部位移和掌子面挤出变形３部分进一步详细分析.３．１㊀地表沉降(１)纵向沉降槽图５为隧道施工引起的地表中心纵向沉降曲线,横轴表示距掌子面的水平距离L ,纵轴表示先期位移U R 与总位移U MR 的比值.将本文数值分析结果与P a n e t ㊁H o e k 和L e e 等人提出的纵向先期位移预测经验公式计算结果进行对比分析.数值分析表明:①掌子面前方２０m 以外范围先期沉降值很小,可以略去;②距掌子面在－２０~２０m 范围内时,掌子面开挖对监测断面沉降影响显著,变形量几乎呈直线增大,此阶段变形约占总变形的９５％,是变形发展的主要阶段;③监测断面距掌子面大于２０m 后,监测断面变形基本不再增大,与P a n e t ㊁H o e k 曲线的预测结果较为一致.图５㊀地表纵向沉降槽F i g．５㊀S u r f a c e v e r t i c a l s e d i m e n t a t i o n t a n k ４种方法计算的监测断面在掌子面到达时的先期沉降:P a n e t 曲线为２５％,H o e k 与L e e 曲线预测结果均为３１％左右,本文模型计算结果为４３％;４种曲线预测的掌子面后方影响范围均为２０m ,掌子面前方影响距离相差较大,H o e k 曲线为１２m ,模型计算结果为２０m ,这与堆积体围岩结构松散㊁掌子面稳定性差密切相关.因此,施工中应采取有效的掌子面超前加固措施,严格控制前方围岩的先期沉降.(２)横向沉降槽P e c k 公式[１２]是目前国际上最著名和最常用的地表横向沉降槽预测经验公式,但由于该公式在拟合时常出现一定偏差,C e l e s t i n o 等人提出了一个灵活性较强的 塞形曲线 公式[１３],下面将模型计算结果与P e c k 公式㊁拟合高斯曲线及塞形曲线进行对比分析,如图６所示,其中数值分析结果为施作二衬之后的沉降值.图６㊀地表横向沉降槽F i g ．６㊀G r o u n d t r a v e r s e s e t t l e m e n t t r o u gh 由图６可以看出:松散堆积体围岩隧道开挖引４㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀解放军理工大学学报(自然科学版)第００卷㊀起的地表横向沉降槽呈明显的 深沟 形,沉降槽宽度较小,地表中心线处沉降量最大,向两侧逐渐减小,减小速率较快.模型计算结果与P e c k 公式计算的理论曲线相差较大,与高斯曲线和塞形曲线吻合较好,其中塞形曲线拟合度高达０ ９９,建议类似地层条件下采用塞形曲线预测地表横向沉降槽.３．２㊀围岩深部位移随着掌子面逐步向前推进,从靠近到越过监测断面的过程中,监测断面周边围岩位移变化过程如图７所示.图７㊀周边围岩位移变化过程F i g ．７㊀D i s p l a c e m e n t c h a n g e o f s u r r o u n d i n g ro c k 从图７可以看出:掌子面距监测断面小于－８m 时,周边围岩向洞内变形值均小于１０mm ,可以忽略;掌子面距监测断面从－８~４m 变化的过程中,周边围岩位移从９mm 急剧增加到１２０mm ,周边围岩位移变化剧烈,拱部下沉和隧底隆起范围和量值均较大,两侧围岩向中间收敛变形较小,掌子面距监测断面８m 时拱部下沉和隧底隆起达到最大值.与周边围岩位移相比:隧底隆起最大,拱部下沉次之,两侧水平收敛变形最小;掌子面距监测断面大于８m 后,围岩内部位移稍有波动,便逐渐趋于稳定.这正好与上下台阶开挖歩距８m 一致,说明下台阶支护结构封闭成环对于控制周边围岩变形发展效果显著,施工中应坚持及时封闭支护结构,必要时可设置临时仰拱.３．３㊀掌子面挤出变形图８所示为台阶法施工过程中掌子面纵向挤出变形云图切面.可以看出:由于掌子面开挖导致临空面产生卸载效应,洞室周边约束不变且掌子面围岩直立性差,故上台阶掌子面挤出变形比较明显,呈中间大㊁周围小的 圆形放射状 ,随着隧道继续向前掘进,上台阶掌子面挤出变形模式基本不变;与上台阶类似,下台阶挤出变形 中部大,四周小 ,但由于上台阶开挖导致下台阶上部围岩应力释放较大,故该部分挤出变形很小;下台阶掌子面挤出变形量总体小于上台阶.图８㊀掌子面挤出变形F i g．８㊀E x t r u s i o nd e f o r m a t i o no f t u n n e l f a c e ３．４㊀现场位移测试验证为与数值计算结果进行对比分析,现场变形测试内容包括隧道拱顶下沉㊁水平收敛以及地表沉降.拱顶下沉采用高程测量方法,仪器选择高精度水准仪和水准尺;水平收敛采用精度为０ ０１mm 的数显收敛仪监测隧道净空最大处的水平位移变化,拱顶下沉及水平收敛测线布置如图９所示.地表沉降量测与洞内变形量测选在同一断面,仪器选择精密水准仪和带水准泡的精密水准尺,地表沉降量测工作在掌子面前方约２０m 处就已开始,直到施作初支后沉降值趋于稳定,施作二次衬砌前为止[１６].由于现场监测数据不包括施作二衬之后的变形监测值,为了对比方便,图１０中所有数值计算结果均不包括施作二次衬砌后的变形值.５㊀第０期㊀㊀㊀㊀昝文博,等:松散堆积体隧道围岩空间位移特征分析图９㊀拱顶下沉及净空收敛测点布置F i g ．９㊀L a y o u t o fm o n i t o r i n gpo i n t s f o r c r o w n s e t t l e m e n t a n d c l e a r a n c e c o n v e r ge n c e 将模型计算的拱顶下沉㊁净空收敛㊁地表沉降的空间变化曲线与现场测试结果绘制在同一张图中,如图１０所示.图１０㊀计算值与测试值比较F i g ．１０㊀C o m pa r i s o no f t e s t e dd a t a a n d c a l c u l a t e dd a t a 从图１０可以看出:数值计算与现场监测数据相比,拱顶下沉㊁净空收敛均处在同一数量级,但具体数值相差较大,主要原因是现场很难监测到掌子面前方的洞室周边先期位移,但是随着隧道的开挖,掌子面前方的地表先期沉降和掌子面的纵向挤出变形现象证明先期位移的确是存在的,先期洞周位移约占总位移的３０％,李又云等[１７]采用自行研制的多点位移测试仪器量测得到了隧道洞顶围岩竖向全位移,指出先期位移占总位移的２５％,与本文模型计算结果较为一致.由于现场地表下沉量测工作是从开挖工作面前方２０m 处就开始的,包括了掌子面前方的先期沉降,现场测试值与数值计算值基本一致,这也说明了数值分析结果是可靠的.４㊀结论(１)隧道开挖引起的围岩变形具有明显的三维特性,随着掌子面推进,纵㊁横向沉降曲线不断向前发展;地层纵向变形可分为以下３个阶段:①掌子面前方先期沉降较小;②掌子面附近沉降急剧增大,是变形发展的主要阶段;③掌子面后方变形趋于稳定.(２)４种方法预测的纵向先期沉降:P a n e t 曲线为２５％,H o e k 与L e e 曲线预测结果均为３１％左右,本文模型计算结果为４３％;模型计算的掌子面前后方影响范围均为２０m ,横向沉降槽呈明显的 深沟 形,沉降槽宽度较小,地表中心沉降量较大,数值计算与塞形曲线拟合度最高.(３)周边围岩拱部下沉和隧底隆起范围与量值均较大,水平收敛较小,支护封闭成环后变形趋于稳定;上台阶掌子面挤出变形呈中间大㊁周围小的 圆形放射状 ,下台阶掌子面挤出变形总体较小;与现场测试值相比,模型计算的拱顶下沉和净空收敛值偏大,地表沉降两者基本相当.参考文献:[１]㊀庞小冲,袁永新,田世雄等．公路隧道穿越卵石地层技术的探讨[J ]．公路交通科技:应用技术版,２０１４(１２):３５５Ｇ３５８．[２]㊀朱正国,朱永全,吴广明,等．泥石流堆积体隧道基底加固方法及稳定性分析[J ]．岩土工程学报,２０１３,３５(S ２):６１７Ｇ６２１．Z HU Z h e n g g u o ,Z HU Y o n g q u a n ,WU G u a n g m i n g,e t a l ．S t r e n g t h e n i n g m e t h o da n ds t a b i l i t y a n a l ys i sf o r t u n n e l b a s e i nd e b r i s f l o wa c c u m u l a t i o nb o d y [J ]．C h i Ｇn e s eJ o u r n a lo f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ,２０１３,３５(S ２):６１７Ｇ６２１．(i nC h i n e s e )．６㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀解放军理工大学学报(自然科学版)第００卷㊀[３]㊀朱正国,朱永全,吴广明,等．泥石流堆积体隧道围岩加固及施工方案优化研究[J]．铁道工程学报,２０１３(１１):７５Ｇ８１．Z HU Z h e n g g u o,Z HU Y o n g q u a n,WU G u a n g m i n g,e t a l．O p t i m i z a t i o ns t u d y o n p i l eo fd e b r i sf l o wt u n n e ls u r r o u n d i n g r o c kr e i n f o r c e m e n ta n dc o n s t r u c t i o n p r oＧg r a m[J]．J o u r n a lo f R a i l w a y E n g i n e e r i n g S o c i e t y,２０１３(１１):７５Ｇ８１．(i nC h i n e s e)．[４]㊀高广运,冯世进,李鸿博．卵砾石层中隧道考虑松动圈的位移反分析应用[J]．地下空间与工程学报,２００８,４(１):５７Ｇ６１．G A O G u a n g y u n,F E N GS h i j i n,L IH o n g b o．A p p l i c aＧt i o no f d i s p l a c e m e n t b a c ka n a l y s i s f o r t u n n e l i n g r a v e lＧc o b b l e s t r a t u m w i t hc o n s ide r i n g t h e l o o s i n g z o n e[J]．C h i n e s e J o u r n a lo fU n d e r g r o u n dS p a c ea n dE n g i n e e rＧi n g,２００８,４(１):５７Ｇ６１．(i nC h i n e s e)．[５]㊀来弘鹏,谢永利,杨晓华．地表预注浆加固公路隧道浅埋偏压破碎围岩效果分析[J]．岩石力学与工程学报,２００８,２７(１１):２３０９Ｇ２３１５．L A IH o n g p e n g,X I E Y o n g l i,Y A N G X i a o h u a．T r e a tＧm e n te f f e c ta n a l y s i s o fs h a l l o wＧb u r i e d c r u s h e d s u rＧr o u n d i n g r o c k s u n d e r u n s y mm e t r i c a l p r e s s u r e r e i nＧf o r c e dw i t hs u r f a c e p r eg r o u t i n g t e ch n o l o g yi nh i g h w a yt u n n e l[J]．C h i n e s eJ o u r n a lo f R o c k M e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g,２００８,２７(１１):２３０９Ｇ２３１５．(i nC h i n e s e)．[６]㊀X I A OJZ,D A IFC,W E IY Q,e t a l．A n a l y s i so fm eＧc h a n i c a l b e h a v i o r i na p i p e r o o fd u r i n ge x c a v a t i o nof as h a l l o wb i a s t u n n e l i n l o o s e d e p o s i t s[J]．E n v i r o n m e nＧt a l E a r t hS c i e n c e s,２０１６,７５(４):１Ｇ１８．[７]㊀X I A OJZ,D A IFC,W E IY Q,e t a l．C r a c k i n g m e c h aＧn i s mo f s e c o n d a r y l i n i n g f o r a s h a l l o wa n da s y mm e t r iＧc a l l yＧl o ade dt u n n e l i nl o o s ed e p o s i t s[J]．T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,２０１４,４３:２３２Ｇ２４０．[８]㊀肖建章,戴福初,闵弘,等．松散堆积体围岩隧道施工方案对比分析[J]．沈阳工业大学学报,２０１４,３６(１):１０６Ｇ１１３．X I A O J i a n z h a n g,D A I F u c h u,M I N H o n g,e t a l．C o m p a r a t i v e a n a l y s i s o n e x c a v a t i o n s c h e m e s f o r t u n n e li n l o o s e d e p o s i t s u r r o u n d i n g r o c k[J]．J o u r n a l o f S h e nＧy a n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,２０１４,３６(１):１０６Ｇ１１３．(i nC h i n e s e)．[９]㊀李新志,李术才,李树忱．浅埋大跨度隧道施工过程地表沉降变形特征研究[J]．岩石力学与工程学报,２０１１,３０(S１):３３４８Ｇ３３５３．L IX i n z h i,L IS h u c a i,L IS h u c h e n．G r o u n ds e t t l e m e n td e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i cs t u d y o f s h a l l o wl a r g eＧs p a nt u n n e l i nc o n s t r u c t i o n p r o c e s s[J]．C h i n e s eJ o u r n a l o fR o c k M e c h a n i c s a n dE n g i n e e r i n g,２０１１,３０(S１):３３４８Ｇ３３５３．(i nC h i n e s e)．[１０]扈世民．大断面黄土隧道围岩变形特征及控制技术研究[D]．北京:北京交通大学,２０１２．[１１]齐静静,徐日庆,魏纲．盾构施工引起土体三维变形的计算方法研究[J]．岩土力学,２００９,３０(８):２４４２Ｇ２４４６．Q I J i n g j i n g,X U R i q i n g,W E IG a n g．R e s e a r c ho nc a lＧc u l a t i o n m e t h o do f s o i l３Dd i s p l a ce m e n td u e t os h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o n[J]．R o c k a n d S o i l M e c h a n i c s,２００９,３０(８):２４４２Ｇ２４４６．(i nC h i n e s e)．[１２]P E C K RB．D e e p E x c a v a t i o n a n d t u n n e l i n g i n s o f tg r o u n d[C]//S t a t e o f t h eA r tR e p o r t,７t h I n t e r n a t i o nＧa l C o n f e r e n c e o nS o i lM e c h a n i c s a n dF o u n d a t i o nE n g iＧn e e r i n g．M e x i c o:[s．n．],１９６９:２２５Ｇ２９０．[１３]C E L E S T I N O TB,G OM E SRA M P,B O R T O L U C C IA A．E r r o r si n g r o u n dd i s t o r t i o n sd u et os e t t l e m e n tt r o u g ha d j u s t m e n t[J]．T u n n e l i n g a n d U n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,２０００,１５(１):９７Ｇ１００．[１４]中华人民共和国行业标准编写组．公路隧道设计规范: J T G D７０ ２００４[S]．北京:人民交通出版社,２００４．[１５]扈世民,张顶立,郭婷,等．大断面黄土隧道变形特征分析[J]．铁道学报,２０１２,３４(８):１１７Ｇ１２２．HUS h i m i n,Z HA N GD i n g l i,G U O T i n g,e t a l．A n a lＧy s i so nd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f l a r g eＧs e c t i o n l oＧe s s t u n n e l[J]．J o u r n a lof t h eC h i n aR a i l w a y S o c i e t y,２０１２,３４(８):１１７Ｇ１２２．(i nC h i n e s e)．[１６]赖金星,樊浩博,来弘鹏,等．软弱黄土隧道变形规律现场测试与分析[J]．岩土力学,２０１５,３６(７):２００３Ｇ２０１３．L A I J i n x i n g,F A N H a o b o,L A IH o n g p e n g,e t a l．I nＧs i t um o n i t o r i n g a n da n a l y s i s o f t u n n e l d e f o r m a t i o n l a wi nw e a k l o e s s[J]．R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s,２０１５,３６(７):２００３Ｇ２０１３．(i nC h i n e s e)．[１７]李又云,张志耕,谢永利,等．隧道洞顶围岩竖向全位移量测及变化规律研究[J]．岩土力学,２０１３,３４(６):１７０３Ｇ１７０９．L I Y o u y u n,Z HA N G Z h i g e n g,X I E Y o n g l i,e ta l．S t u d y o f s i t em o n i t o r i n g o f v e r t i c a l f u l l d i s p l a c e m e n t o f v a u l t s u r r o u n d i n g r o c ko f t u n n e l sa n di t sc h a n g el a w[J]．R o c ka n d S o i l M e c h a n i c s,２０１３,３４(６):１７０３Ｇ１７０９．(i nC h i n e s e)．(责任编辑:汤雪峰)７㊀第０期㊀㊀㊀㊀昝文博,等:松散堆积体隧道围岩空间位移特征分析。
一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法[发明专利]
![一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/fb8938fe55270722182ef773.png)
专利名称：一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法专利类型：发明专利
发明人：张建国,周跃进,吕有厂,马占国,郭建伟,徐晓鼎,焦向东,李萌,杨战标,马永东,裴刚,赵万里
申请号：CN201810278233.6
申请日：20180330
公开号：CN108802193A
公开日：
20181113
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种巷道围岩松动圈的探测设备及探测方法，探测设备包括主机、激振装置、声波接收装置和支撑杆，激振装置为在巷道钻孔孔口处形成振动声波的外激振装置，或在巷道钻孔孔内形成振动声波的内激振装置；声波接收装置包括固定件和至少两个声波传感器，声波传感器设在支撑杆上的固定件的同一侧，在声波传感器和固定件之间设有弹性件；激振装置和声波接收装置与主机电信号连接。
通过测量声波在巷道岩体内不同位置的传播速度实现对松动圈位置和范围的判断。
本发明实现了单孔干孔无耦合剂探测、探测精度及效率高、灵活性好、适应性好，成本低、工作量小。
申请人：中国平煤神马能源化工集团有限责任公司,中国矿业大学,平顶山天安煤业股份有限公司地址：467000 河南省平顶山市矿工中路21号院
国籍：CN
代理机构：徐州市淮海专利事务所
代理人：尹清静
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基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析
岩土工程反分析计算量庞大，每进行一次弹塑
(2)
F ( E k， k，c k， k，) 1/ f k
性有限元计算所需的时间较长，而优化算法又需经 过多次计算才能实现。若反演过程按单机串行计算， 耗费机时较多，计算效率低下。而本文中所采用的 PSO 算法的主要耗时发生在各粒子的适应度计算阶 段，各粒子的适应度计算又是相互独立的，具有一 定的可并行性，因此本文提出引进基于 MPI 的主从 式并行[4]PSO 算法，可极大地加快反演计算速度， 提高计算效率。 在粒子适应度计算过程中，由主处理器将各粒 子适应度的计算任务分配到集群网络中各个处理器 上进行，计算完毕后由主处理器收集计算结果，并 由其根据每个粒子通过自身飞行过程所经历过的最 好位置和整个群体所经历过的最好位置更新每个粒 子，产生新一代粒子群体，然后再分配任务给各处 理器进入下一次计算。 集群(computer cluster)技术是近几年兴起的一 项高性能计算技术，它将一组相互独立的计算机通 过高速的通信网络组成一个单一计算机系统，并按 照单一系统模式进行管理。这些价格便宜的集群计 算系统完全可以实现价格昂贵的传统大型并行计算 机才能实现的高速并行计算，经济可行，具有较高 的运用价值，尤其适用于计算量巨大的岩土工程反 分析中。基于 MPI 的主从式并行 PSO 算法的具体 实现见图 1。
岩体力学参数及厂区初始地应力场，包括应力反分 析法、位移反分析法和混合反分析法。由于位移量 测比应力量测更经济方便，且获取监测数据更容易， 因此，目前岩土工程中位移反分析应用最普遍。 因求解途径不同，位移反分析法又分为位移正 反分析法和位移逆反分析法。前者是正分析的优化 逼近过程，它可同时适用于求解线性问题和非线性 问题， 计算量大， 但可沿用原有的正分析计算程序， 适用性较强；后者为正分析的逆过程，需要有严格 的求解表达式，求解简单，一般只适用于求解线弹
榆家梁煤矿巷道围岩松动圈测试技术及应用
榆家梁煤矿巷道围岩松动圈测试技术及应用摘要:基于榆家梁煤矿现场条件,介绍了松动圈的测试原理、测试方法及测试过程,通过测试得出了围岩合理的松动圈范围,为确定合理锚杆支护参数提供了依据,为相似条件巷道的松动圈测试提供了实践经验。
并介绍了控制松动圈厚度的方法,对井下支护设计具有借鉴意义。
关键词:围岩;松动圈;巷道;锚杆支护巷道开挖后,围岩受力状态由三向变成了近似两向,造成岩石强度较大幅度地下降。
如果围岩中集中应力值小于下降后的岩石强度,则围岩处于弹塑性状态,且围岩自行稳定,不存在支护问题;反之围岩将发生破坏,这种破坏从周边逐渐向深部扩展,直至达到新的三向应力平衡状态为止,此时围岩中出现了一个破裂带。
把这个由于应力作用产生的破裂带称为围岩松动圈,如图1。
图一围岩松动圈是巷道开挖后地应力超过围岩强度的结果,因此松动圈理论认为,支护的作用就是限制围岩松动圈中碎胀力所造成的有害变形。
掌握巷道松动圈范围的大小及受采动影响的变化规律,对于选择恰当的巷道支护方式与参数,确定合理的工作面超前支护范围等具有重要意义。
目前各矿回采巷道多采用棚子支护或锚杆支护。
由于棚子支护是一种传统的被动支护形式,在复杂的压力状态下它必须借助其它形式的支护配合,才能确保巷道的绝对安全;因而锚杆支护已成为解决巷道围岩承受采动支承压力的重要途径。
采用锚杆支护解决采动支承压力问题,关键是确定出巷道围岩松动圈的厚度,并加以控制。
1 测试原理松动圈测试是应用超声波在不同介质中传播速度,来预测围岩的破坏情况。
测试物体是以弹性体为前提条件的,当煤体的尺寸较小、作用外力较小时,相应变形也较小,可以把煤体视为弹性体。
超声波是由声波仪振荡器产生的高压电脉冲信号加在发射换能器,发射换能器受到激发产生瞬态的振动信号,该信号经发射换能器与煤体之间的耦合后在岩体介质中传播,从而携带煤体内部信息到达接收换能器,再由接收换能器把收到的振动信号转变成电信号传给声波仪,经声波仪放大处理后,显示出超声波穿过煤体的声时、波速等参数。
地下圆形隧道开挖卸荷围岩弹塑性分析
） ， 男， 浙江湖州人， 工程师， 硕士研究生， 主要从事隧道技术方面的工作 . 作者简介：王新波 （1978－
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学
第 28 卷 第 9 期
σ 2 2 4 σr ＝ y ［ （1－α ） （1－λ ） ＋ （1－4α ＋3α ） × （1－λ ） cos 2θ］ ， 2 σ 2 4 σθ ＝ y ［ （1＋α ） （1＋λ ） － （1＋3α ） （1－λ ） cos 2θ］ ， 2 σ 2 4 τ θ t ＝- y ［ （1－λ ） × （1＋2α －3α ） sin 2θ］ ， 2 式中： α =a / r， a 为开挖抗道洞室的半径； r， θ 为围岩内任意一点的极坐标； σr 为初始地应力； μ 为泊松比 . 在洞周边 r=a 处， 有 σr ＝0， σθ =σ［ 1+λ ） -2 （1－λ ） cos 2θ］ ， τθt =0 . y（ σθ ＝0； λ< 1 时， σθ <0， 即出现拉应力 . 当 λ= 1 时， 3 3 1 ， 分别取不同的 λ 值 （λ=0， 0.5， 1 ） ， 切向应力沿坑道周边的分布如图 2 所示 . 3 （2 ） ） （1
a地下隧道围岩应力及变形是指隧道开挖卸荷后在洞周围岩体中所出现的应力及变形其值与岩体的初始应力状态隧洞的形状及位置支护时间及支护的几何特性力学性质等因素有关13在洞室周边岩体进入塑性状态的前提下对洞室围岩弹塑性区应力应变关系进行分析可以更为准确地对围岩与支护的相互作用和对支护强度进行计算验算
第 28 卷 第 9 期 2010 年 9 月 文章编号： 1004-3918 （2010 ） 09-1153-04
σθ
σr σr τrθ
巷道围岩弹塑性解析解及工程应用_曾开华
收稿日期：2010 － 10 － 07 责任编辑：常 琛 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （ 50969007 ） 作者简介：曾开华（ 1968 —） ， 男， 江西丰城人， 副教授， 博士后。E － mail： zkh@ 163. com
第5 期
曾开华等： 巷道围岩弹塑性解析解及工程应用
753
在弹塑性交界r处围岩弹性区的应力亦满足屈服方程式3且径向应力连续整理得围岩塑性区半径r经典弹塑性理论假定塑性区体积应变为零即11平面应变对应dudr代入式11并以围岩弹塑性交界13由式9和式12可以看出此时塑性区和弹性区的位移表达式完全一样只是式9适用于r2011年第36为了更加真实地反映巷道变形情况围岩塑性区的弹性应变由广义胡克定律确定其表达式15围岩塑性区具有明显的剪胀特性体积应变不再为零塑性应变之间的关系由非关联流动法则确为剪胀角一般小于或等于内摩擦角
ZENG Kaihua1 ， JU Haiyan1 ， SHENG Guojun1 ， ZHANG Changguang2
（ 1. Nanchang Institute of Technology， Nanchang 330099 ， China； 2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 200092 ， China）
围岩弹性区的应力和位移 为 2 2 σr = p o － （ p o － p y ） R / r σθ = p o + （ p o － p y ） R / r
2 2 2
（ 7） （ 8）
1 R （ po － py ） E ， G = （ 9） 2G r 2 （ 1 + ν） p y 为围岩弹性极限荷载解析解； E、 式中， ν 分别为围岩 u = 的弹性模量和泊松比； G 为围岩剪切模量。 在弹塑性交界 r = R 处， 围岩弹性区的应力亦满足 屈服方程式（ 3） ， 且径向应力 σr 连续， 整理得围岩塑性 区半径 R 为 R = ri py =
董方庭关于围岩松动圈理论的自述
董方庭关于围岩松动圈理论的自述客观的事物客观地存在着，发现它却往往是偶然的。
在1979年，最初我只是对锚杆的作用机理感兴趣，我的第一个意识就是围岩的状态决定锚杆的作用机理。
当时超声波测试刚刚在煤炭系统中应用。
在这一观点的驱使下我在淮北矿务局朱仙庄矿进行了大量的超声波测试。
这些资料清楚地告诉我，围岩存在着一个声波速度降低区，其规律性很强。
从声测的机理分析这是一个围岩破碎区，这就是大量巷道开凿后的围岩状态。
这一测试结果将我从原来的兴趣上引开，我提出了几个问题：（1）这一状态产生的原因；（2）这一状态与当时流行的支护理论有什么不同。
初步推论，这一状态的产生是围岩应力作用的结果，巷道开凿后，围岩原岩应力会发生变化，围岩应力以集中应力的方式在围岩中重新分配，围岩从三向应力的强度降低到二向应力的强度。
这两种变化使围岩发生了超过围岩极限强度的破裂变化，即后来我称之为的围岩松动圈。
开巷后围岩状态被确定，产生这一状态的原因被初步确定，我们的目标改为研究支护荷载问题，即支护理论问题。
支护荷裁决定于围岩状态：松散介质理论认为冒落拱内岩石重量是支护的外荷载；弹塑性理论认为控制弹塑性变形为支护的荷载，或者破碎区的岩石重量为支护的荷载；而松动圈理论认为围岩松动圈产生过程中岩石的碎胀力(碎胀变形)为支护的荷载。
为了回到原先的研究目标，对锚杆的作用机理我们初步认为：无松动圈时锚杆无支护作用；中等松动圈时锚杆起悬吊作用；大松动圈时锚杆为组合拱作用。
当时就在朱仙庄矿井进行了试验，并写出了两篇论文，其中一篇还在煤矿基建系统在杭州召开的学术会议上宣读，1980年获淮北市科技进步奖。
1982～1983年我们有机会与徐州地区的王庄矿合作，经过对该矿松动圈的测试，确定其中一部分巷道不用锚杆，确定一部分运输大巷的松动圈值为0.7m，使用长度为1.1m的锚杆。
这在当时是我所知道的最短的锚杆(原支护用锚杆为1.8m)。
1982年由江苏省煤炭系统组织召开了鉴定会。
巷道围岩松动圈测试技术与探讨(1)
文章编号:1004—5716(2004)10—0148—03中图分类号:TD325.4 文献标识码:B 巷道围岩松动圈测试技术与探讨贾颖绚,宋宏伟(中国矿业大学建筑工程学院,江苏徐州221008)摘 要:在进行巷道硐室围岩分类和支护设计时,特别是在对软岩巷道进行返修时,围岩中由于开巷等原因而产生的松动圈问题已经引起了相当重视。
对目前国内外采用的围岩松动圈测试技术进行了介绍和讨论,并对今后围岩松动圈测试技术的发展进行探讨。
关键词:松动圈;测试;声波;多点位移计;地质雷达;地震波;电阻率;渗透;巷道围岩1 概述开挖破坏了原岩的应力平衡状态,使围岩应力发生了显著变化,一是巷道周边径向应力下降为零,围岩强度明显下降;二是围岩中出现应力集中现象。
如果集中应力小于岩体强度,围岩处于稳定状态;如果集中应力超过围岩强度,巷道围岩将发生破坏,这一破坏发展到一定深度后会取得新应力平衡,产生一定的破坏松动范围。
1985年由董方庭等人提出了围岩松动圈支护理论[1,2],其中把这个松动破碎范围定义为巷道围岩松动圈。
松动圈支护理论的围岩稳定性分类表和支护设计方法在煤矿得到了大量应用[3,4],取得了良好的技术经济效果。
另外,人们也经常采用围岩松动圈来指导开巷布置、分析巷道稳定性等。
因此,测试围岩松动圈,已经成为现场一个经常性和必须性的工作。
但是,由于围岩松动圈存在于围岩内部,不能直接进行观测,需要依靠一定的技术手段,因此如何可靠地测试出松动圈范围成为工程技术人员非常关心的一个问题,对国内外松动圈测试手段进行分析和探讨十分必要。
巷道围岩松动圈的测试技术很多,并随着土木工程和科学技术的不断进步而发展,其中主要包括声波法,多点位移计法,地质雷达法,地震波法,电阻率法和渗透法等,本文将分别加以探讨,并对其今后的发展进行展望。
2 围岩松动圈的主要测试技术2.1 声波法测试围岩松动圈声波法是围岩松动圈测试技术中最常用的一种方法,且测试仪器简便。
可用于确定水平地应力分量和围岩弹性模量 的TBA位移反分析法
所谓的有限元图谱法，就是利用相似理论并根 据弹性条件下地下工程围岩的应力、位移与各种荷 载、弹性模量、尺寸等因素的关系，由图谱(也就是 标准问题的有限元计算结果)推算实际地下工程(毛 洞)围岩应力和位移的方法。因该法可以把一个十分 复杂的问题转化为简单的四则运算，所以只要具备 有关的图谱，就可以在没有计算机的情况下，以相 当好的精度(与通常的线弹性有限单元法结果对比) 快速地完成实际工程围岩的应力、位移分析。
图 1 TBA 的反演模型 Fig.1 Back-analysis model of TBA method
图 2 TBA 反演模型中的量测剖面 Fig.2 Measuring profiles in TBA back-analysis model
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岩石力学与工程学报
2004 年
2.2 TBA 法的原理 TBA 法本身就是一个由上述方法或环节所组
ELASTIC MODULUS OF SURROUNDING ROCKS
Yang Zhifa，Zhang Luqing，Zeng Qingli，Ding Jixin，Song Chenghui，Liu Ying
(Institute of Geology and Geophysics， The Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029 China)
2 TBA 位BA 和图解法 TBA 两 种[9，10]。因篇幅有限，这里仅讨论前者。至于后者， 可参考有关资料的论述[10]。 2.1 TBA 模型
图 1 给出了 TBA 的反演模型。由于对称性，该
模型仅需给出洞体的一半。从实际情况出发，假定 其上边界作用有垂直向应力 q，而后边界则均匀分 布着与洞轴垂直的水平地应力分量 P 和按三角形分 布的侧压力ξ 。由该图可以看出，侧压力 ξ 在上边 界处为零，而在下边界处为ξ 。
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这样考虑松动圈的弹塑性位移反分析就可以分 3 个阶段来实现：(1) 进行未扰动区的弹性位移反分 析，即根据掌子面通过分析断面之前的现场多点位 移计实测值U E 反演得到围岩的初始应力场(地应力 系数 λ )和弹性参数(弹性模量 E、泊松比ν )；(2) 根 据掌子面穿过分析断面的瞬时实测位移值U e 反演 得到围岩松动圈的变形模量 E′ 与泊松比ν ′ ；(3) 再 根据掌子面停止时的实测变形U p 反演得到围岩松 动圈的强度参数(黏聚力 c 和内摩擦角ϕ )。这样就 把一次反演未扰动原岩地应力系数 λ 、变形参数 E， ν ，松动圈的变形参数 E′ ，ν ′ 及强度参数 c，ϕ 共 7 个参数的复杂弹塑性反分析问题转化为 3 个较简 单问题——弹性变形反演、扰动区变形模量反演和 松动圈内强度参数反演。前 2 个反演分析问题已有 诸多论述[2，3，11]，本文重点论述第 3 个问题。
收稿日期：2005–01–20；修回日期：2005–03–10 作者简介：李 宁(1959–)，男，博士，1982 年毕业于陕西机械学院水利水电工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩体动力学、冻土力 学及隧洞、边坡稳定性分析等方面的教学与研究工作。E-mail：ningli@
1引言
在地下工程设计与施工中，一个重要的障碍就 是真实工作状态下的岩体力学参数难以确定。通过 现场施工监控量测位移，反分析地层的材料力学性 态参数，是工程设计的一种可靠的方法。国内外已 有不少专家学者研究了不同洞型的反演[1～3]、考虑
支护作用的反演[4～6]以及考虑施工过程的仿真反分 析[7]等，针对弹塑性围岩的反分析也有人进行过探 索[8～14]。对于非线性、多介质问题大多采用传统优 化方法或随机规划技术与数值方法的有机结合来实 现，其研究大都集中在优化算法及与其他学科相结 合的非确定方法研究上，这些方法存在盲目性大， 解的存在性、唯一性和稳定性差等问题。而真正直 接对弹塑性参数进行反演分析的最大障碍——非线
基于本文反演参数分离的思路，在假定松动圈 已经确定和松动圈围岩符合 M-C 理想弹塑性模型 的条件下，本文给出隧洞围岩松动圈的弹塑性位移 反分析数值求解方法与步骤如下：
(1) 首先根据多点位移计或声波测试结果确定 出隧洞开挖后围岩的爆破松动区范围。
(2) 根据爆破松动区范围建立有限元模型，区 分松动区与非松动区单元的弹塑性性质。
从表 1 可以看出，其反演计算结果与设定值吻 合良好。该方法不仅精度较高，且速度较快，迭代 次数较少，一般均小于 20 次[8]。
再取紫坪铺工程 2#导流洞的工程实例进行验 证。2#导流洞由进口段、洞身段和出口段组成，洞 型为马蹄型，洞径 10.7 m。该段导流洞均在三叠系 须家河组的中细粒砂岩、粉砂岩和煤质页岩中。地 基完整性和成洞条件较差，围岩以 IV 类为主。位 移监测时在 2#导流洞进口段桩号 0+084.2 处设置预 埋式多点位移计(共 8 点)，预埋深度 25 m，埋设时 间为 2001 年 9 月 9 日。
(3) 原岩变形参数 E，ν 及地应力系数 λ ，松动 圈变形参数 E′ ，ν ′ 可分别根据位移U E 和U e 反演
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岩石力学与工程学报
2006 年
得到；松动圈强度参数 c，ϕ 可根据位移U p 反演得
到。具体反演分析方法与步骤如下：
① 首先由多点位移计实测得到未扰动洞顶竖
向位移 uv ，由可估计的垂直地应力σ v = γ H 与 uv 反
第 25 卷 第 7 期 2006 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.25 No.7 July，2006
围岩松动圈的弹塑性位移反分析方法探索
李 宁 1，段小强 1，陈方方 2，袁继国 1
(1. 西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048；2. 西安科技大学，陕西 西安 710054)
拟取埋深 100 m，洞径 10 m 的圆形洞室进行研 究。假定松动圈为 2 m，以奥地利岩土工程分析软 件 FINAL 为分析平台，围岩采用三角形六节点等参 实体单元模拟，将围岩视为理想弹塑性介质，运用 Mohr-Coulomb 准则模拟其塑性屈服特征；数值模 型底面边界采用固定铰支，2 个侧面沿 Y 方向可自 由滑动，采用滚动支座。对 III，IV，V 类围岩各取
演得到未扰动原岩的弹性模量
E；根据洞口
ue hmi
/
ue vmi
反演确定泊松比ν
。所用方法为应用区间取半
∑ 搜索法迭代确定目标函数φ(x) =
n i=1
⎜⎜⎝⎛
ue vci
ue hci
( (
x) x)
−
ue vmi
ue hmi
⎟⎟⎠⎞2
的最优解。
② 根据反演所得到的围岩弹性模量 E 与泊松
比ν ，实测的垂直位移与水平位移比值 uvm / uhm ，对 类似的目标函数同样应用区间取半搜索法迭代反演
每次掌子面推进后所测位移随掌子面推进的曲 线也明显显示了这一特性，如图 1 所示，其中，D 为洞径(m)。
掌子面推进方向 4D
3D
2D
D
o 掌子面距监测断面距离
图 1 测量断面沉降位移随掌子面推进曲线 Fig.1 Measured displacement curve with tunnel excavation
竖向塑性位移
u
p vm
与侧壁中点水平塑性位移
uhpm
)，
按相同方法反演确定松动圈的强度参数 c，ϕ 。
(4) 这样经过多次迭代使计算值 uvci ， uhci 逐渐 逼近实测值 uvmi ， uvmi 时的各参数即是围岩较真实 的值。这样就完成了隧洞围岩在考虑松动圈时的弹
塑性位移反分析数值求解。
4 反演分析实例
的实施方案以确定这些有用的参数，是岩土工程信息化设计、施工的重要手段。
关键词：岩石力学；围岩变形监测；松动圈；位移反分析
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2006)07–1304–05
A BACK ANALYSIS METHOD FOR ELASTOPLASTIC DISPLACEMENT OF BROKEN ROCK ZONE AROUND TUNNEL
就可得到地应力系数 λ 。
③ 在求得原围岩的 E，λ 值之后，再根据掌子
面穿过分析断面时的实测洞顶竖向位移
u
e vm
与侧壁
中点水平位移 uhem ，应用相同的反演方法反演得到
松动圈的变形参数 E′ ，ν ′ 。
④ 反演出围岩变形参数 E，ν ，λ ，E′ ，ν ′ 后，
根据掌子面停止时继续发生的实测位移U p (即洞顶
LI Ning1，DUAN Xiaoqiang1，CHEN Fangfang2，YUAN Jiguo1
(1. Institute of Geotechnical Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an，Shaanxi 710048，China； 2. Xi′an University of Science and Technology，Xi′an，Shaanxi 710054，China)
摘要：在按弹塑性理论进行地下工程设计与分析时，真实工作状态下岩体力学参数的确定十分重要和必要。为
确定这些岩体力学参数，从洞室监测过程中的实际情况出发，根据掌子面的推进过程与监测位移间的变化情况，
将监测位移进行弹塑性分离，从而提出一种行之有效、易于工程实际操作的考虑围岩松动圈的弹塑性位移反分
析方法。该反分析方法所得结果与设定值吻合良好，并通过工程实例得到验证，为工程实践提供一个切实可行
3 松动圈的基本模型和反演方法
3.1 松动圈的基本模型 洞室开挖后，在洞室四周会形成有一定厚度的
松动圈。松动圈范围内岩体破碎，变形模量明显降 低，位移量明显增大。如仍将围岩视为各向同性的 均一介质，则由位移反分析计算所得的结果将包含 较大的误差。
在反分析时，松动圈可以简化为由若干具有不 同力学性质的薄层，层的厚度可以相同，也可以不 同。且以洞壁为外界面的薄层松动得很严重，越往 深部各薄层的松动程度越轻，并逐渐向未受松动影 响的岩体过渡。这样就可以认为松动圈是具有不同 变形模量的多层结构模型，故问题就可以归纳为多 层分区变形模量的反演问题[3]。本文基于简化原则， 将围岩仅分为 2 层。 3.2 松动圈的反演方法与步骤
第 25 卷 第 7 期
李 宁等. 围岩松动圈的弹塑性位移反分析方法探索
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监测断面沉降量 UE Ue Up
性问题逆解的唯一性问题至今仍未解决。 洞室开挖后，围岩应力将经历重分布过程，某
些部位可能进入塑性状态，随着塑性变形的发展而 导致围岩产生松动圈。此外，开挖爆破也可引起岩 体强度降低，在洞周应力集中的条件下更易形成松 动圈。松动圈常以声波法或用多点位移计测定。因 开挖中松动圈是客观存在的，松动圈的存在必然导 致位移测值的增大，这对反分析结果必然有较大的 影响。因此，提出一种针对松动圈围岩的弹塑性反 分析方法具有重要的实用价值。本文试图绕过理论 上唯一性的困难，从实践中寻求一种有效、易于操 作的考虑松动圈塑性变形的弹塑性位移反分析方法。
一例。 本算例是为了检验本文提出的考虑松动圈时的
围岩弹塑性反分析方法的正确性，为避免种种因素 (如现场量测、施工方法等造成的误差)的干扰，本 文采用由正分析得到的“理想量测位移”方法来评 价反演方法本身的可行性，即首先由已知的初始应 力场及岩层力学特性参数正分析得到预设测点的位 移，再由此位移来进行反分析以检验本方法的可行 性。为了减少工作量，松动圈采用双介质模型，取 µ 和σ y = γ h 作为已知量。反分析结果列于表 1。