（地球探测与信息技术专业论文）有限元建模在隧道围岩稳定性评价中的应用研究.pdf

中南大学硕士论文 摘要 摘要 随着我国西部大开发和高等级公路的快速发展，公路隧道也越来 越多。公路隧道施工过程中，洞室周围岩体发生应力重新分布，当这 种重新分布应力超过围岩的强度极限时，将会造成围岩的失稳破坏， 因此隧道施工过程中洞室围岩稳定性评价与支护结构受力状态研究 就显得日益重要。 本文结合云阳山隧道工程，以隧道围岩稳定性评价为主线，以保 护围岩的自稳和指导施工为目的，采用定性评价和定量评价、整体评 价和局部评价相结合的方法，对隧道围岩稳定性展开了系统的研究。 首先，对隧道围岩在施工过程中的应力和应变特性以及支护作用机理 进行深入研究，确定合适的围岩稳定性判别依据；其次，通过围岩岩 体力学参数的研究，提出一种可行的力学参数获取方法- - t s p 2 0 3 系 统中力学参数的提取法。最后，通过对三维弹塑性有限元的深入分析， 介绍弹塑性有限元分析法的具体流程，并运用a n s y s 9 0 有限元分析 软件对云阳山隧道围岩进行实体建模分析，得出隧道施工过程中围岩 和支护的位移、应力、应变变化规律，锚杆辐射范围，以此评价围岩 的整体稳定性，达到指导施工的目的。 关键词：公路隧道，围岩，支护，稳定性，围岩力学参数，有限元 中南大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es t a t eh i g hg r a d ec o n s t r u c t i o n ，t h e r e a r em o r ea n dm o r eh i g h w a yt u n n e l s ，e s p e c i a l l yl a r g e s p a nh i g h w a y t u n n e l s i nt h ec o u r s eo ft h eh i g h w a yt u n n e l sc o n s t r u c t i o n ，t h es t r e s si n r o c km a s sw i l lr e d i s t r i b u t ea r o u n dg r o u n d w h e nt h i sk i n do fs t r e s s e x c e e d ss u r r o u n d i n gr o c k su l t i m a t es t r e n g t h ，s u r r o u n d i n gr o c kw i l ll o s e i t ss t a b i l i t ya n d d e s t r u c t c o n s e q u e n t l y , i tb e c o m e si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t f o rt h es t u d yo ft u n n e l s u r r o u n d i n gs t a b i l i t ya n di t sf o r c e dc o n d i t i o no f t h es t r u c t u r ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no f h i g h w a yt u n n e l s i nt h i sp a p e r , b yt a k i n gy u n y a n g s h a nt u n n e le n g i n e e r i n g a sa n e x a m p l e ，a n dc o m b i n i n gq u a l i t a t i v ee v a l u a t i o na n dq u a n t i t i v ee v a l u a t i o n a sw e l l 勰o v e r a l le v a l u a t i o na n dp a r te v a l u a t i o n ，ac o m p r e h e n s i v es t u d y o nt u n n e l s u r r o u n d i n gs t a b i l i t yi s d e v e l o p e d ，i n o r d e rt om a k ea f o u n d a t i o nt oe v a l u a t ei t f i r s t l y , t h es t r e s sa n ds t r a i n s p e c i a l i t i e s 0 1 1 c o n s t r u c t i o np r o c e s so ft u n n e l s u r r o u n d i n ga n dt h es h o r i n gm e c h a n i s m a r et h o r o u g h l ys t u d i e d , i no r d e rt of o r mp r o p e re v a l u a t i o np r i n c i p l e so f t u n n e l - s u r r o u n d i n gs t a b i l i t y s e c o n d l y , b ys t u d y i n gt h e m e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fs u n d o u n d i n gr o c k , af e a s i b l em e t h o dt oc o m p u t et h e m i s p u tf o r w a r d t l l i s m e t h o d sp r o c e s si s c o m p u t i n gt h em e c h a n i c a l p a r a r a e = t e r sf r o mt h et s p 2 0 3s y s t e m f i n a l l y , b yt h o r o u g h l ya n a l y z i n gt h e t h r e e - d i m e n s i o np l a s t i c i t yf i n i t e - e l e m e n t s ，i n t r o d u c i n gt h ep r o c e d u r eo f p l a s t i c i t yf i n i t e - e l e m e n t sm e t h o di nd e t a i l ，a n du s i n ga n s y s 9 0t o p e r f o r mam o d e l i n gt ot h es u r r o u n d i n gr o c ko fy u n y a n g s h a nt u n n e l ，t h e c h a n g er u l e so ft h es u r r o u n d i n gr o c ka n dt h es h o r i n g sd i s p l a c e m e n t , s t r e s sa n ds t r a h - a n dt h er a d i a t i o n 锄? 髓o fa n c h o rr o da r ee d u c e d t h e r e f o r e ，t h es u n d o u n d i n gr o c k so v e r a l ls t a b i l i t yi se v a l u a t e di no r d e r t od i r e c tc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：h i g h w a yt u n n e l ，s u r r o u n d i n gr o c k , s u p p o r t , s t a b i l i t y m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f s u r r o u n d i n gr o c k ，f m i t e - e l e m e n t s n 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 中南大学硕士论文第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来，随着我国交通事业的发展，许多铁路、公路因运能或改善线路条件 的需要增建复线工程或新建隧道工程以缓解越来越大的交通压力，我国正处于隧 道建设的高潮时期在隧道建设上我国每年都投入大量的人力物力和财力，为适 应社会主义市场经济发展的要求，尤其是我国经济发展从粗犷型转变为集约型的 今天，这就迫切需要实现隧道建设高效与经济，因而借助有限元分析的方法加上 现场监测来实现隧道的动态设计成了一项重大的课题。 长期以来，隧道围岩稳定性评价和隧道开挖后应力重分布特征研究一直是工 程地质学者研究的重要课题【l 翮，伴随着高速公路隧道的发展，对地震断裂带区 和软岩复杂地层隧道围岩稳定性的研究，则是一个更新的课题。对于地质构造发 育的山区高速公路隧道而言，区域地质条件、地质构造则是与其围岩稳定性所在 有着直接关系的重要工程地质问题，比如说在区域性地震断裂破碎带地区。断裂 带区域内的隧道围岩意味着围岩中各类结构面较为发育，围岩结构松散、岩体破 碎、裂隙水发育等因素导致隧道围岩基本处于围岩体强度较低的碎裂状态。实践 证明，破碎带区域隧道围岩稳定性问题是十分重要的问题，它直接影响隧道工程 的进展，并关系着工程的成败如衡炎高速名阳山隧道施工中，由于地层破碎， 围岩稳定性很低，容易出现塌方和冒顶现象，从而迫使施工中途中断，转而又投 入巨大的人力、物力来处理，严重地影响了隧道施工过程的正常进行，既拖延工 期又造成经济损失类似这种在破碎带区域修建隧道等有关的工程稳定性问题在 许多工程中都普遍存在着，也都会不同程度地涉及到围岩的稳定性问题。由此不 难看出，在软弱地层、复杂地质条件下对地下工程的围岩稳定性问题的研究，是 一项非常紧迫、重要，并带有学科前沿性质的一项有待于对其展开研究的重要课 题。 1 2 围岩稳定性分析方法研究现状 目前分析围岩稳定的方法很多，主要有瞰田：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 中南大学硕士论文 第一章绪论 的r m r 法和b a r t o n 等人的q 法，以及a r i l d p a l m s t r c y m 于1 9 9 5 年提出的r m i ( r o c km i s s i n d e x ) 法。围岩稳定性分类方法中包含参数的较多，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、合理化我国的科技工作者也已经编制出适应我国国情的各种专门的 围岩分类方案，而且多数部门己编制出了相应行业的地下工程围岩分类方案。我 国的围岩分类方法有岩体构造类型的分类法、围岩稳定性动态分级、坑道工程围 岩分类、大型地下洞室围岩分类、铁路隧道岩体分级建议方案、中国建设部的工 程岩体分级标准( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) ，即b q 分级方法等。我国学者李世辉【5 】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 0 0 ) ，在其专著隧 道围岩稳定系统分析中，对多种常用的围岩分类方法作了系统深入的阐述和分 析，对我国地下工程围岩稳定性分析作了较为全面的总结。 在地下洞室稳定的定量评价中通常采用的方法有：解析分析法、图解分析法、 物理模拟法和数值模拟法 ( 1 ) 解析分析法 是指通过对地质原型的高度抽象，得出简单的计算模型，借助数学力学工具 来计算围岩中的应力分布状态，进行围岩稳定性评价。其根本是求解复变函数的 解析解。于学馥教授、刘怀恒教授采用复变函数进行围岩应力变形计算，并得出 了弹性解析解范广勤、汤澄波应用三个绝对收敛级数相乘法 6 1 ，求解非圆形洞 室的外域映射函数。吕爱钟提出了应用最优化技术求解任意截面形状巷道影射函 数的新方法【7 】，为应用复变函数求解复杂形状洞室围岩应力开辟了新的途径。工 程兵工程学院的朱大勇等提出了一种新的可以求解任意形状洞室影射函数的计 算方法嗍，用于复杂形状洞室围岩应力的弹性解析分析。张悼元教授、王士天教 授、王兰生教授介绍了均质或似均质围岩稳定性、含单一软弱结构面稳定以及顶 拱围岩中简单块体稳定性的分析计算方法弼。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【i o l 。特别在岩体的应力一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蜂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、非均质及各向异性等问题，现今 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 的解析方法几乎是无法解决的，只能借助数值法来求解 ( 2 ) 图解分析法 通过作图来分析结构面之间、结构面和开挖临空面之间的空间组合关系，确 定出在不同工程部位可能形成块体的边界，进而分析其稳定性。常用的作图法有 赤平极射投影分析法f 1 1 】、实体比例投影分析法和关键块体分析法。在应用赤平极 射投影和实体比例投影分析法进行地下工程围岩稳定分析方面，中科院地质所的 王思敬院士、孙玉科教授、刘竹华教授和杨志法教授等进行了系统的、开拓性的 研究，取得了大量的成果，开发出相应的计算分析软件，出版了多部专著【1 2 】。 ( 3 ) 物理模拟法 基于相似性原理和量纲分析原理，通过模型或模拟试验的手段来研究围岩中 的应力分布状态以及稳定性。常用的方法主要有相似材料法( 也称模型试验) 、离 心试验和光测弹性法尤其是相似材料法，能较好地模拟岩体的物理力学性能以 及节理裂隙等构造情况，考虑围岩与支护结构之间的共同作用，应用较为广泛。 尽管地下工程围岩稳定性问题的研究始终与模型试验相伴随，但是模型与实际工 程问题的相似性是模型试验问题解决的关键。理论分析时，往往需对原型进行一 定的简化和假设，并且分析中所采用的参数的精度和可靠度也很有限，由此导致 理论分析的结果和工程实际情况往往存在一定的偏差。近几十年来，岩体模型试 验在国内外已获得了较为广泛的应用与发展。荷兰s c b a n d i s 1 3 】等在模拟高地应 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8 0 年代，国内学 者也在这方面做了很多工作【1 4 1 ：谷兆琪教授等进行了层状砂岩地下洞室稳定性 的研究；朱维申、冯光北等研究了单排裂隙岩体模型的抗剪强度；陈霞龄通过平 面应变和三维两种破坏模型对地下洞室的稳定性进行了研究。赵震英采用了模型 试验的手段，对洞群开挖全过程围岩的应力和位移分布进行了深入的研究，讨论 了围岩破坏过程及安全度问题。赖月强、姜小兰采用地质力学模型平面应变试验 技术，模拟彭水枢纽地下厂房洞室围岩的构造特点和力学性能，分析研究了主场 放、调压小井在开挖过程中的围岩应力、洞周位移、断层对洞室的影响及洞室变 形破坏机理等孙世国等作了开挖岩体扰动与滑移机理的模拟试验。 ( 4 ) 数值模拟分析法 2 0 世纪7 0 年代以来，随着数学、力学理论以及计算机技术的发展，数值分 析方法在工程地质和岩石工程领域得到应用，并作为解决复杂介质、复杂边界条 3 中南大学硕士论文 第一章绪论 件下各类工程问题的重要工具而逐渐得以推广。数值模拟方法主要是采用弹塑性 力学理论和数值计算方法，从研究岩体的应力和位移的角度，分析评价岩体在一 定的环境条件下的稳定性状况。就目前的数值计算而言，从分析原理、基本思路 和适用条件等方面可以分为如下几种： 有限单元法( f e 岫 该方法以弹塑性力学作为理论基础，通过求解弹塑性力学方程( 物理方程、 几何力一程、平衡方程) ，计算岩土体在一定环境条件( 自重、荷载等) 下的应力场 和变形场，然后根据岩土体的破坏准则，判断岩体在各个相应部位应力的作用下 所处的状态，并据此对整个结构的稳定性做出定量的评价【1 5 】【1 6 1 。由于这种方法 是基于小变形和连续介质的假设，因此不能计算岩体沿某些结构面所发生的滑动 变形( 大变形) 。在早期的数值模拟研究中，大量的研究成果均采用有限元方法。 a m 扭m a r i ac i v i d i l l i ，e t c ( 1 9 9 1 ) , e c k a l k a n i ，e t o ( 1 9 9 1 ) ，s k c h o i ，e t e ( 1 9 9 1 ) 等人的研 究，标志着9 0 年代国际上在这方面的研究水平。随后国内也涌现了大量的研究 者，其中较为突出的有：周维垣( 1 9 8 9 ) 、黄润秋( 1 9 9 1 ) 、黄运飞( 1 9 9 4 ) 等。 离散单元法( d b 吣 假定岩体是由大量裂隙分割开的岩块沿各裂隙面“堆砌”而成( f 4 离散介质 假设) ，然后运用牛顿第二定律计算组成岩体的“岩块”在自重和外荷载作用下 随时间而变化的加速度、速度和位移。其基本假设是岩体为离散介质和岩体可以 沿节理裂隙等结构面产生滑动、转动等大变形，因此该方法一般适用于模拟岩体 破坏晚期阶段。在该方法的研究中，g u n d a l lp a 和h a r t r 是国际上较有影响的 先驱者，并成功开发了二维和三维计算程序【1 7 1 在国内，以王泳嘉教授为代表 的一些学者也做出了大量的研究工作，对地下洞室围岩的变形与破坏进行了全过 程的模拟研究，并开发了应用软件嗍。 拉格朗日差分分析 所谓差分法就是把基本方程和边界条件近似的改用差分方程来表示，把求解 微分方程问题改换为求解代数方程问题。由于差分过程不需要构造总刚度矩阵， 对于大变形模式来说，每一次循环都更新坐标，将位移增量累计到坐标系中，因 此网格与其所代表的材料都发生位移和变形。而对于欧拉方程，材料运动及其变 形都是相对于固定的网格的。这种更新坐标的方法，就是所谓的。拉格朗日方法”。 f l a c 是连续介质快速拉格朗日差分分析法伊a s ti 矗g 嘀n 百ma n a l s i so f c i m m l m 的英文缩写l 嘲，主要用于模拟由岩土体及其他材料组成的结构体在达 4 中南大学硕士论文 第一章绪论 到屈服极限后的变形破坏行为。f l a c 在计算中使用了“混合离散化”技术，使 用了全过程动力运动方程，采用“显示”差分求解法，在某种程度上克服了有限 元和离散元不能统一的矛盾，是目前公认的较为合理的计算方法之一。方法最早 由w i l l k i n s 用于固体力学，后来由美国i t a s c a sc o n s u l t i n gg r o u p 1 n c 把此方法率 先应用于岩土体的工程力学计算中，并开发出应用软件f l a c - 3 d d d a 方法 近年来，数值分析方法又有了新的发展：美籍华人石根华博士提出了非连续 变形分析( d d a ) 和数值流形方法州加旧，后者是把有限元方法、非连续变形 分析法和解析方法包含在内的一种全新的统一计算方法，有极其深远的发展前景 和应用价值，被誉为是2 l 世纪的新一代方法，得到理论界和工程界的公认和欢 迎嗍【2 l 】 块体单元法 石根华和g o o d m a n 等人曾用块体理论进行岩体的稳定分析，根据岩块的几 何关系寻找失稳的关键块，由块体的平衡条件研究其滑动的可能性。这种方法没 有考虑材料的性质，特别是没有考虑结构面间的本构关系。河海大学任青文教授 提出的块体单元法瞄l 。，是以块体单元的刚体位移为基本未知量，根据它们在外 力作用下的平衡条件、变形协调条件及块体之间夹层材料的本构关系，建立起块 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。该方法特别适 用于具有地质结构面岩体的稳定分析，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 边界元法 边界元法将偏微分方程转换成求解对象边界上的积分方程式并将其离散化 求解，h g p o u l o s 等人瞄】对边界元法作了详细的研究由于变化成边界上的方 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要进行区域边界的 单元分割，所以与有限元相比，具有计算时问短，计算范围大的特点，但是边界 元法对奇异边界的计算较难处理。虽然岩石力学无论在理论和工程实践中都得到 了较大的发展，但由于岩体本身几何组成，介质特性和受力的异常复杂性，导致 其理论发展仍然落后于工程实践，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岩体工作性态的复杂性，依靠现有科技手段 尚不足以充分揭开，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赖于本构中若干参 s 中南大学硕士论文第一章绪论 数的确定，而这些参数要精确选定也绝非易事。再者，地下洞室旌工过程中结构、 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 定性的定量评价还需要更深层次的研究。 1 3 隧道围岩支护问题研究现状 岩土锚固技术在工程中已经得到广泛的应用，尽管人们一直在不断的探索和 研究。然而，由于锚固工程的复杂性，使得锚固机理的研究和设计理论远远落后 于工程实践。因此工程经验和现场监测在锚杆设计以及稳定性评价中仍占有重要 地位。随着科学技术的发展，入们不仅局限于对锚杆工程的实践总结，而且还可 以借助于计算机进行锚杆作用机理的研究，山此能够深入探究锚杆与围岩的相互 作用机理、影响因素以及可能发生的失稳模式。总结岩土锚杆理论的研究与发展， 大致归结为以下几种观点嘲。 ( 1 ) 已经得到普遍接受的锚固理论在锚固技术的长期应用中，人们根据现场失 败的教训和成功的经验，并结合室内模型试验研究，先后提出了目前普遍接受的 几种理论；悬吊理论、组合梁理论和组合拱理论。 ( 2 ) 随着锚固技术的应用与发展，人们己经意识到现有的锚杆支护理论和作用 原理还不能对锚固作用机理给予合理的解释和定量评价，在前人研究的基础上， 目前叉提出了几种新的理论，较有代表性的有以下几个： 最大水平应力理论；( 澳大利亚学者盏尔提出的) 锚杆支护围岩强度强化理论：( 中国矿业大学矿山压力研究所) 围岩松动圈理论。( 中国矿业大学针对煤矿巷道的锚喷支护首次提出) ( 3 ) 由于锚固技术在众多岩体加固和工程治理中的成功应用，因此锚固机理与 设计理论及设计方法已经受到岩土工程界的关注和深入研究。尤其近1 0 年来， 随着计算机和数值分析方法的研究与发展，借助于数值分析方法。锚固机理和优 化设计的应用研究已经取得较大进展可以说，工程经验、理论与数值分析、现 场测试与反馈已经成为锚固设计缺一不可的手段。现代锚固设计理论首先要认识 到岩土锚杆设计所使用的信息的“三性”( 信息的不完备性、不确定性和模糊性) 和动态特征( 设计人员在认识其特性随工程进展而深入和工程特性随变形而变 化) ，因此，在锚杆设计中，工程经验、理论计算和现场监测三者可互为参照、 6 中南大学硕士论文第一章绪论 对比分析，并且采用信息化施工和动态反馈，使三者的信息逐步趋于一致。这种 设计理念与传统设计方法相比，可以说是岩土锚固工程在设计理论上的一大进 展，具体表现在以下几个方面 2 5 1 2 6 1 。 岩土工程锚杆设计概念的突破。不同于其他工程，不仅取决于岩土工程特 性，而且还依赖于工程施工工艺。将传统结构工程设计的概念，延伸为包括“锚 固参数”和。设计概念”岩土工程稳定状态与破坏模式，因此岩土工程锚杆设计 理论已经“施工工艺”两个方面设计的广义。 所采用的设计理论和方法上的突破。现代设计理论认识到岩土工程所固有 的特性，认为依赖于任何一种计算理论或技术都不可能准确地解决复杂的岩土锚 固工程问题。但是各种不同的设计理论、工程经验，监测信息又从不同角度、不 同方面，局部地揭示和表征了其工程特性，是锚固工程设计和稳定性评价的重要 信息和资料。所以，现代锚固技术设计理论的指导思想对各种理论与方法采取“取 其之长，避其之短，求同存异”的原则，应用于工程设计 对岩土锚固工程特性认识上的突破。现代锚固设计理论认识到岩土锚固工 程具有其他工程所具有的两种动态特性：工程特性本身的动态变化和人们在认识 工程特性随工程进展而深入由于围岩和锚固结构相互作用，因此，工程的稳定 状态是随着它们的相互作用的变化而变化；另一方面，岩土工程的开挖、支护不 是一次完成的，因此人们在分阶段开挖和分次支护中，对岩士工程所表现出的工 程特性( 变形趋势和稳定状态) 是逐步深入认识了解的刚现代锚固设计理论所采 用的系统、动态、反馈思想和设计理念，以动态地而不是静态地实施锚圆工程的 设计、施工和优化 在设计思想上的突破。正是现代锚固设计理论对岩土锚固工程特性认识上 的改交，使其在设计思想上采取动态设计而不是静态设计；采用综合信息而不是 局部信息。现代锚固设计理论是随着锚喷支护技术的应用和发展而发展的，尤其 是新奥法的成功应用和发展，使人们才深刻认识到岩土锚固设计的真正含义和作 用。实际上，自。新奥法”诞生之日起，不仅引起隧道与地下工程界的关注，而 且也引起整个岩土锚固界的密切注意，从而在岩土锚固设计中都不同程度地体现 隧道。新奥法”施工的思想。随着岩土锚固技术的研究与发展，计算技术，现场 监测和工程经验这三种手段的综合集成、动态实施和信息反馈的设计理念和方 案，不仅为岩土工程界所理解和接受，并且必将逐步向“程序化”和“规范化” 方向发展这也是岩土锚固设计向。科学化”方向发展的必由之路也是岩土锚 7 中南大学硕士论文第一章绪论 固工程优化设计和稳定性评价的关键所在 1 4 本文所做的主要工作 围岩的稳定性是公路隧道施工的关键问题，尤其在大跨度高速公路隧道建 设过程中，这个问题显得更为突出。本文以高速公路隧道围岩稳定性评价为主线， 以保护围岩的自稳和指导施工为目的。结合理论分析和工程实践经验，主要研究 工作如下： ( 1 ) 分析研究公路隧道的动态施工力学理论、围岩支护的作用原理。 ( 2 ) 通过对围岩岩体力学参数的介绍，结合t s p 2 0 3 技术实现围岩岩体力 学参数的动态提取。 ( 3 ) 阐述三维弹塑性有限元计算模型理论，得出弹塑性有限元计算过程。 ( 4 ) 运用大型有限元分析软件a n s y s9 0 ，对云阳山隧道围岩进行三维地 质建模，对隧道在动态施工过程进行数值模拟，分析隧道造开挖过程中不同 施工工序下围岩不同部位的应力一应变和位移的变化规律，提供围岩支护参 数，并对锚杆辐射范围进行模拟讨论，得出最佳的起始角度，给公路隧道的 施工提供理论和事实依据。 8 第二章隧道围岩力学理论及其稳定性判据研究 岩体在初始应力状态、自重及残余构造应力等状态下处于一定的平衡状态， 当洞室开挖之后，由于外力的作用破坏了原先的初始状态，使洞室周围一定范围 内的岩体受到影响。围岩的稳定性是指保持洞室结构旖工时形成的暴露面形状和 尺寸的性质。影响围岩稳定性的因素有很多，如地质结构、地应力、岩体力学性 质、工程施工、地下水以及时间因素，但起主要影响的是前面三种因素。地质及 岩体力学性质总括来说是个整体强度问题，地应力还要通过围岩应力的重新分 布，可作为破坏力的因素考虑，当破坏力强于整体强度时，围岩就会失稳。通常 围岩丧失稳定性主要有三种形式：( 1 ) 、崩落岩石在自重作用下形成冒落；( 2 ) 、 上部岩层重量引起的应力集中区的岩石破坏；( 3 ) 、由于岩石塑性变形，岩石裸 露表面无明显破坏的大幅度位移 2 s l 。 2 1 隧道围岩的应力分布 当隧道围岩承受如图( 2 - i ) 所示的作用力时，这时围岩中的径向应力以， 切向应力以及剪应力f 。可分别按照公式( 2 一1 ) 进行计算： 自式( 2 一1 ) 可以看出，围岩中的应力与岩石的弹性常数( 晟) 无关，而且也 与隧道断面的尺寸无关( 因为公式中包含着隧道半径白与矢径长度，的比值，因 此，应力的大小与此比值直接有关) 其次，从切向应力的表达式可以看出，隧 道洞壁处有较大的切向应力，由此可知在隧道边界附近产生应力集中现裂明 q = ( 半 ( t = ( 半 ( - 钿= ( 孚 ( ， f ，组二丫1 f2 彳 f ，亟二丫l f2 f 夸一3 r - 等4 4 i s i n 2 0 式中：，o 一隧道半径( m ) ； ，i 一自隧道中心算起的径向距离( m ) ； 9 2 0 - 、 i ( 2 1 ) j ， 、ij， 口 篮产翌， 卜卜 生，王， 一 + 中南大学硕士论文 第二章隧道围岩的力学理论及其稳定性判据研究 护一自水平轴算起的极坐标中的角度( 4 ) ； 见一垂直方向上的压应力( m p a ) ，等于，好； p a 一水平方向的压应力( m p a ) ，等于瓦a = 民归7 。 哼 亟 专 专 j ，上盯、l 山、1 个个个个个个 t e ，七一 ，融 ? 一 一 一 个一 a , - - a h 图2 一l 围岩应力计算简图 图2 2 围岩应力集中系数 图2 - 2 上的曲线，是在t o = 0 的单向受力情况下，根据( 2 - 1 ) 式所计算的 水平轴线与垂直轴线上的各点应力集中系数。从图中曲线明显的看出，位于隧道 水平轴端点的切向应力产生了较大的应力集中：位于垂直轴端点的切向应力 则为负值( 拉应力) 因此，在隧道的设计中对于隧道边界上的这两处部位，必须 予以重视。t o = 1 时，这时隧道围岩的四周处于等压状态。亦即办= a = 7 押， 此时( 2 1 ) 式，可简化成： q = ( - 一爿胆 = ) q 1 铂= o j 在这种情况下，岩体的初始应力是p = a = ，汀。开挖隧道后由上式可以看 出：围岩中的径向应力a r r 都小于岩体中的初始应力( ，汀) ：然而切向应力则大于 岩体中的初始应力，并在隧道洞壁上达到最大值2 ，好，其次，如果令，= 6 如 代入上式，这时所得的应力是： 端：麓0 2 嗍s ) y 日三等 c z = ( 1 + 0 归 7 可见在离开隧道洞室中，t = i , - - - 倍洞的直径( 即6 倍半径) 的地方，其应力基本上 仍为岩体的初始应力，抒，这就从理论上证实了开挖隧道的影响范围是三倍洞直 径。 2 2 喷锚支护的作用机理 喷锚支护是喷射混凝土支护和锚杆支护的简称，工程实践证明喷锚支护较传 统的现浇混凝土衬砌优越，由于及时的喷锚支护能有效的控制围岩的变形，防止 岩块坠落和坍塌的产生，从支护原理上讲，喷锚支护能充分发挥围岩的自承能力， 从而使围岩压力降低，支护厚度减薄。喷锚支护是一种符合岩体力学原理的积极 支护方法，具有良好的物理力学性能，它能及时支护和加固围岩，与围岩密贴， 封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效地发挥和利用岩块间的镶嵌、 咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性。由于锚喷支护 结构柔性好所以它能同围岩共同变形，构成一个共同工作的承载体系，在变形过 程中，它能调整围岩应力、抑制围岩变形的发展，避免岩体坍塌的产生，防止过 大的松散压力出现 应当指出，到目前为止，锚喷支护仍处在发展和不断完善之中，无论是作用 机理的探讨，还是设计与施工方法的研究，均有待于科学技术工作者做出新的成 就以缩短理论和实践的差距，现就喷层和锚杆的力学作用分述如下。 2 2 1 喷层的力学作用刚 1 ) 防护加固围岩，提高围岩强度 隧道开挖后，立即喷射混凝土，及时封闭围岩暴露面，山予喷层与岩壁密贴， 故能有效的隔绝水和空气，防止围岩因潮解风化产生剥落或膨胀，避免裂隙中充 填物流失，防止围岩强度降低此外，高压高速喷射混凝土时，可使一部分混凝 土浆液渗入张开的裂隙或节理中，起胶结和加固作用，提高围岩强度。 2 ) 改善围岩和支护的受力状态 含有速凝剂的混凝土喷射液，可在喷射后2 l o m i n 内凝固，及时向围岩提供 支护抗力只( 径向力) ，使围岩表层岩体由未支护时的二向受力状态变为三向受力 状态，提高了围岩强度，如图2 - 3 ( a ) 所示： 中南大学硬士论文第二章隧道围岩的力学理论及其稳定性判据研究 u i 勿 一 p l 卜一i a 卜 一 ( a )( b ) 图2 - 3 喷层的力学作用示意图 尤喷层时，相当于厚壁同承受外压力伟( 原岩厦力) ，距隧道中心为- 的任一 点处的径向应力q 和切向应力分别为 t 2 昂( 1 一冬) ( 2 - - 4 ) r = g ( 1 + 等) r 在隧道周边，在j a 时， 2 1 ( 2 5 ) = 弛 喷射混凝土后，隧道围岩封闭，表面有内压只的作用，相当于厚壁简承受内 外压力，于是在距隧道中心为，的任一点墼的应力为： t = 矗。一7 a z ) + 弓等 ：昂o + 7 a 2 ) 一弓多 2 6 当r = a 时，作用在隧道周边上的径向应力口，和切向应力分别为： q = 昂 嘞= 2 最一层 ( 2 7 ) 其摩尔应力圆如图2 3 ( b ) 所示 喷层是一种柔性支架，它允许围岩因寻求新的平衡所产生的有限位移，并可 发挥自身对变形的调节作用，逐渐与围岩变形协调，从而改善围岩的应力状态降 低围岩应力，充分发挥围岩的自承能力，如图2 4 所示。 中南大学硕士论文 第二章隧道围岩的力学理论及其稳定性判据研巍 毋 焉鳕 fl ：焉 中 i r t i如：俐淞一 。一 竺已一l 一 - 一u ，h u 图2 - 4 柔性支架的工作原理 由于传统支护不能与围岩均匀接触，围岩与支架间易造成应力集中，使围岩 或支架过早破坏；喷射混凝土能使混凝土与围岩紧密均匀接触，并可通过调整喷 层厚度，调整围岩变形，使应力均匀分布，避免应力集中因此，喷锚支护比传 统支护更能发挥混凝土的承载能力 2 2 2 锚杆的力学作用形式 锚杆支护对保持隧道围岩的稳定性有重要的作用，从直观上来说，其作用是 保持开挖面和洞壁面的稳定，另外，对危险岩块和层状围岩起到悬吊和加固作用， 从理论上来讲，则是限制围岩过大变形，并形成承载拱圈，使围岩一体化，而处 于更好的三维应力状态。 锚杆对围岩所起的力学效应，主要有以下一些作用： 1 ) 悬吊作用 认为锚杆的作用是将不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，以阻止围岩移动滑 落锚杆本身受拉，其拉力即为所悬吊岩体的重量，如图2 - 5 ( a ) 所示t 在块 状结构或裂隙岩体中，使用锚杆可将松动区内的松动岩块悬吊在稳定的岩体上， 一也可把节理弱面切割形成的岩块连接在一起，阻止其沿滑面滑动。 2 ) 减跨作用 在隧道顶板岩层中打入锚杆，相当于在顶板上增加了支点，使隧道跨度由 厶减为厶，从而使顶板岩体的应力减小，起到维护隧道的作用，如图2 5 ( b ) 所示，当然，要使锚杆能有效的起到减跨作用，锚杆顶端必须锚固于坚硬稳定岩 层中 中南大学硕士论文 第二章隧道围岩的力学理论及其稳定性判据研究 3 ) 组合梁作用 在层状岩层中打入锚杆，把若干薄层岩层锚固在一起，类似于将叠置的板梁 组成组合梁，从而提高了顶板岩层的自支承能力，起到了维护隧道的作用，如图 2 5 ( c ) 所示。 4 ) 挤压加固作用 预应力锚杆群锚入围岩后，其两端附近岩体形成圆锥形压缩区，如图2 - 5 ( d ) 所示，按一定间距排列的锚杆，在预应力的作用下，构成一个均匀的压缩带或称 承载环，压缩带中的岩体由于预应力作用处于兰向应力状态，显著地提高了围岩 的强度。无预应力的粘结式锚杆( 砂浆锚杆) ，由于其前后两端围岩位移的不同使 锚杆受拉，同时，锚杆的约束力使围岩锚固处径向受压，从而提高了围岩的强度 ( a ) 悬吊作用 ( c ) 组合粱作用 【 ( b ) 跨越作用 萨强 i 、￥泳 止7fj 迫 一 n t r 7 两 ( d ) 挤压加固作用 图2 5 锚固作用机理示意图 1 4 中南大学硕士论文第二章隧道围岩的力学理论及其稳定性判据研究 2 3 围岩稳定性评价的基本判据研究 公路隧道是公路穿越山岭修建的工程结构物，它与周围的岩体( 一般简称围 岩) 有密切关系，相互影响、相互作用，不同的围岩在修建隧道时会有不同的地 质现象，例如，在有些围岩中开挖隧道后隧道不会坍塌，能很好的保持稳定，而 在有些围岩中开挖隧道后，隧道不能保持稳定，容易坍塌，要得到需要开挖的空 问就必须修筑衬砌加以支护，这些情况说明了在不同围岩中开挖隧道，围岩会表 现出不同的稳定性。 影响隧道围岩稳定性的因素有两个方面，一是内在因素，即地质状态影响， 一是人为工程因素，即施工带来的影响岩体的结构状态，岩石的基本性质，地 下水状态及初始应力状态等为内在因素：施工方法、支护措施、隧道形状及尺寸 等为人为工程因素。隧道工程围岩稳定状态是一个动态系统，其子系统可分岩体 结构、地层初始应力场、工程结构、施工过程( 开挖与支护) 等四类，每类又分若 干亚类和子类，都是有层次结构的子系统，在隧道工程开挖与支护过程中形成有 一定自稳能力的围岩稳定动态系统，是一个开放的复杂巨系统【3 j 围岩弹塑性有限元数值分析的目的，就是要通过计算分析来判定围岩是否会 在支护受力前或支护不够时失稳，从而及时的采取相应的支护加固措施，然而到 目前为止对其判据还没有一个统一的标准，这主要是因为实际工程所遇到的情况 实在太复杂了，岩体性质、洞室大小和形状、受力情况( 包括覆盖层厚度和岩体 初始应力的大小) ，乃至施工方法等等都会对它产生影响，而这些因素的组合情 况又是人们难以预测的，有的隧道工程洞周收敛超出规范允许值数倍，并未发生 失稳，有的工程( 特别是浅埋工程) 尚未达到容许值却发生了失稳与坍塌事故但 是，由于这个问题很重要，而且有着巨大的实用意义，总的来讲一般主要有以下 三种基本判据。 2 3 i 围岩强度判据 与围岩岩体相比较，支护材料本身能够提供的承载能力非常有限，常可忽略 不计，因此，围岩在某个截面上的承载能力主要取决于围岩材料本身的性质，如 这个截面承受的应力或应变超过自身承载能力的极限，围岩在这个截面上必然发 生破坏支护的作用，主要是改变应力场和位移场的分布，使围岩体各截面的负 担比较均匀，并提供承载能力较强的高强度抗力点，使各截面的承载能力可充分 中南大学硕士论文第二章隧道围岩的力学理论及其稳定性判据研究 发挥，设计中可取较小的安全系数 围岩强度判据的理论基础是强度破坏理论，如i ) r u c k e r p r a g e r 和 m o h r - c o u l o m b 准则等，即在低约束压的条件下，当岩体内某些截面的剪应力值 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，根据围 岩在隧道洞室开挖成形2 4 小时后的主应力分布和塑性区分布，按以往设计、施 工经验就可以定性地判断定围岩的受力形态和破坏机理 碉。 当围岩某点应力超过其屈服极限时，则该处围岩就进入塑性状态，从围岩应 力分布规律可知，应力极值一般出现在隧道周边上，也就是说，只要对这些极值 点的应力作弹性分析，就可以确定围岩是否处于弹性状态，从而可以避免大量的 计算工作，但是由于整个隧道断面的地质条件分布不均匀，围岩的强度指标难以 确定，并且各点的应力状态也不一样，因此，破坏理论规定的滑动限界范围也很 难确定，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 3 2 围岩极限应变判据网 极限应交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，也就是一说可以通过室内试 件的试验求得原位岩体的极限应变值。 岩石的应力一应交曲线一般可拟合成双曲线形式，即有： 盯= ( 2 - - 8 ) 口十0 f 式中：口= v 弓，置为初始弹性模量； b = l a ，吒为极限应力值 设旷为岩石单轴抗压强度，则 a t = r f b ( 2 - - 9 ) 式中：m 一岩石的破坏比。 我们用岩石单轴抗压强度吒和初始弹性模量五来定义极限应变 岛=冬(2-1) q 对于岩石毛一般在o i - - i o 的范围内变动岩石的极限应变虽然容易确 定，但是隧道围岩的应交值和极限应交值如何确定却是一件很困难的事，因此围 岩极限应交判据在工程中也难以实施 中南大学硕士论文第二章隧道围岩的力学理论及其稳定性判据研究 2 。3 4 围岩向滑内收敛位移和。收敛比”判据 隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为收敛，所谓隧道收敛位移量测主 要是指对隧道壁面两点间水平距离的量测，拱顶下沉以及底板隆起位移量的量测 等，它是判断围岩动态的最主要的量测项目，特别是当围岩为垂直岩层时，内空 收敛位移量测更具有非常重要的意义，实际工程中，常根据施工现场洞周量测结 果的统计分析，确定围岩向洞内的最大收敛位移。隧道内收敛位移和隧道开挖宽 度之比作为围岩稳定判据。利用“收敛比”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，且又易于测定，所以可用以作为围岩稳定的一种较为适 用的判据。 2 4 本章小结 本章通过分析研究隧道围岩的岩体力学特征，并对隧