地下工程围岩稳定性分析

地下工程围堰稳定性分析

班级：08勘查1班

姓名：水如云

学号：08201030142

时间：2011.11.21

摘要通过对地下工程围岩稳定性分析的相关方法及在工程实践中存在问题的分析,

阐述在地下工程围岩稳定性分析中应避免追求精确的计算,提倡探索新的研究思想与研究方法。

关键字：围岩、稳定性分析、地下工程

一、前言

地下工程的稳定问题亦即围岩的变形与破坏问题。顶板塌落、边墙挤入、底板隆起、围岩开裂、突发岩爆、支护折断等都是围岩不稳定的显现。但从永久性地下建筑物及地下空间利用的类型看,由于使用要求或标准不同,稳定性的定义就会有差异。围岩稳定性分析方法主要有:块体理论支持的分析方法,主要用于裂隙岩体的稳定分析中;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;数值分析法,基于某种力学模型和分析理论对围岩进行稳定性分析的方法,是目前应用较广泛的一种分析方法,它根据力学模型和分析思想的不同又分为有限元分析、边界元分析、位移反分析等。

目前,在地下工程施工领域中,存在着一种倾向,即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琐的数值计算,而放松了对地下工程特殊性的思考,忽略了对问题整体性的理解。

二、地下工程的特点

地下工程涉及到地理与地质环境因素、工程因素、社会经济水平、材料科学发展水平、施工过程控制水平以及地下工程在国民经济中的地位等因素。地理与地质环境本身就是复杂的,它是天然的介质(涉及地应力、地下水、岩性、地质结构、地质构造),很少有地质条件完全相同的两个工程;工程因素则是指工程规模、断面形状与尺寸、施工技术、过程控制、环境控制、工程材料、人、机、料的协调水平等。

地下工程的地理与地质环境、投资水平、设计水平、承建者的技术与管理水平等诸多因素都与工程的成败有联系,它们相互作用、相互渗透、相互影响、相互制约。因此,必须用

系统的方法去解决地下工程问题。2 地下工程围岩稳定分析

20 世纪70 年代末,“新奥法”引入我国后,使人们对隧道设计理论有了认识上的飞跃,人们认识到: 支护结构和围岩是一个受力的整体,隧道支护设计需要考虑的问题已经不仅仅局限于支护结构体本身的强度和稳定性,而是要将眼光更多地投向围岩,要充分发挥围岩的自撑能力,并将围岩与支护结构有机地统一在结构稳定性与经济性的合理水平上。

概率极限状态和可靠度设计方法在地面结构中的成功应用,引起了隧道界的重视,自80 年代中期就开始将可靠度方法引入了隧道结构设计的研究中。各高校联合攻关,经过可行性研究阶段和基础性研究阶段,到20 世纪90 年代中期,以“荷载-结构”模式为主的一般地区单线隧道整体式衬砌,单线隧道偏压衬砌和单线拱形明洞等结构的可靠度设计方法已达实用程度。1999 年发布的《铁路隧道设计规范》( TB10003 -99) 中已采用这一成果。在现行《铁路隧道设计规范》TB10003 -2001 中仍在应用。

支护结构设计方法主要有:概率极限状态法;荷载-结构模式计算法; 经验类比法; 岩石力学计算法。

随着计算机技术与岩土本构关系研究的进展, 支护系统的数值计算法有了新的发展。用弹塑性力学理论分析围岩和支护结构的有限元程序迅速普及;边界元及边界元与有限元耦合法在隧道工程中的应用也有不少成果; 用于裂隙岩体的块体理论和离散元理论也编出了相应的程序。计算技术与数学方法的介入,使我们有可能对地下工程的一些问题进行分析与研究。但是研究的方向、途径、策略手段、工具及其操作程序的选择系统是否正确则需要我们不断探讨。

三、围岩稳定性分析中模型分析

数值分析模型缺少基础理论支持稳定分析的意义在于预测未来。目前在施工阶段围岩稳定性预测中广泛采用的是二元(时间与位移,或时间与应力) 原型预测的方法,监测数据通过统计分析建立回归模型,根据回归模型进行稳定性预测。即采样、回归模型参数的统计推断、未来趋势预测的方法。对这种模式的进一步分析可以看出: 这种方法的基本思路是建立在随机事件的概率统计基础上,而普遍采用的模型是一维(二维),呈正态分布的概率模型,这样的简化也许是预测问题所不能接受的。主要表现在以下几方面:

(1) 回归统计的概率模型过于简单: 施工信息反馈中监控量测数据的处理方式通常是采用回归统计的方法。这种根据变形发展趋势预测围岩(支护结构) 稳定性的方法中隐含了简单整数维,呈正态分布(其参数随时间而变) 的概率模型。这是以时间可逆性为前提的简单维的建模过程,它没有反映序的概念,这与地质体的不可逆时间序列是不吻合的,近似过程过于简单。每组量测数据是统计分析的一个样本,而这些样本的取样条件(如时间、空间、工程环境、施工方法等) 是不相同的,将这种不同采用不恰当的方法(等同视之) 处理,用确定性的回归参数进行处理,这种取样策略及处理方法本身就隐藏着概率模型参数推断上的误差甚至错误。

(2) 位移反分析力学模型的假设缺少理论支持: 位移反分析是用某种固定的变形模式去推断岩体力学参数的方法。它按照一定的规则,逐次改变侧压力系数及等效弹模 E 的值,从而使断面特征点—收敛(位移) 点的分析值相应改变,使其接近实测值, 在一定的计算精度下确定出反分析结果,即围岩的视在力学参数。这是一种通过实测位移值进行试凑修正的过程。其力学模型是基于固体力学理论建立的(如弹性模型、弹-塑性模型、粘-弹-塑性模型等),它首先假设了围岩的变形规律。而这一规律的研究还处于尚未成功的时期,岩体的本构关系、喷锚支护的机理、开挖系统的控制理论等问题均未得到解决。在这样的条件下而无视

工程地质、施工条件的复杂多变及其难以准确描述的现实,纠缠于繁杂的计算及精确性的追求中,无异于取小弃大,事倍而功半。

(3) 模型试验尚难以实现时空模拟: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。从模型材料及其结构构造到模拟尺度、开挖步序、施工工艺等无不包含着诸多难以解决的问题。如:今年4 月通过国家鉴定的“溪洛渡水电站厂房洞室群的高仿真度三维模型试验研究成果〔1〕虽然在模型材料、模拟尺度、加载与控制系统、高精度开挖及位移(变形) 监测系统等方面集中体现了国际上领先技术,为工程实施提供了参考,但仍然存在在时间模拟尺度上的缺憾,而时间的模拟远较其他几项模拟内容难度更大。然而,地下工程围岩稳定性分析的一个很重要的内容即是与时间有关的岩体特性的分布与变化。

另外,模拟参数越多,模拟理论越精细,模拟试验的复杂程度就越高,实现难度也越大。加之大尺度模拟试验耗资巨大,难以大量进行。这导致模型试验只能作为重大工程决策参考的依据之一。

四、结论

对围岩稳定分析方法的选择应考虑以下几点:

(1) 地下工程的复杂性:在地下工程的研究中非常重要而又常被忘却的是地质特征的研究是否充分,力学分析的表述是否适当。这需要研究者始终保持一个清晰的认识和正确的方法。随着岩石力学研究的深入以及工程实践的积累,隧道力学的发展似乎进入了思维方式转变的时代。

(2) 因地制宜选择方法:克服一味追求精确、复杂的数学计算,地下工程围岩稳定分析的关键在于对工程问题的深刻理解和全面的考虑。对于工程技术人员来说,找准影响特定工程稳定性的关键问题, 确定稳定分析的目标,在现有的分析方法中选取简单、适宜的方法,从整体上加以分析并从措施与工艺上加以保障,稳定分析的工程意义会更为有价值。

(3) 探索新的方法需要解放思想:地下工程的基础理论研究与应用研究几乎同步进行,且至今仍远未达到成熟的程度,这就需要我们年轻的研究人员用系统的、复杂的、未知的眼光和方法去探索;用一种没有约束的思维去思考、去实践才能有所建树。

参考文献：

1.贺少辉.叶锋,地下工程，2008，北京：北京交通大学出版社；

2.关宝树.杨其新,地下工程概论,2001，成都：西南交通大学出版社；