（水工结构工程专业论文）高埋深地下洞室围岩稳定性及支护结构研究.pdf

摘要 随着对资源和生存空间需求的不断扩大，人类不得不“上天”和“入地”， 从某种意义上讲，“入地”比登天还难。随着科技的进展和采掘技术的进步，如 今地下工程的应用范围之广、规模之大、埋深之深以及向深部推进速度之快，己 非昔日可比。深度的加大导致地应力增高，而高地应力导致的围岩岩爆以及大变 形则是制约深埋隧洞设计和施工的关键因素。因此对高埋深地下洞室的围岩稳定 和支护结构进行研究是具有重要意义的。 本文以国内某高埋深引水隧洞为例，在对初始地应力场进行分析的基础上， 利用数值分析方法，分别对高埋深的硬岩洞段和软岩洞段采用不同的岩体本构模 型进行了开挖及支护全过程的模拟，计算分析了开挖过程中围岩的应力场、变形 场的变化规律，分析了一些高地应力条件下硬岩和软岩的不同的围岩破坏规律以 及对相应的支护措施进行了研究。并对影响洞室围岩稳定的一些因素进行了敏度 分析，探讨了埋深、围岩参数、开挖进尺等对围岩稳定的影响规律。在对围岩开 挖过程中围岩的变形特征和衬砌内力进行研究的基础上设计出了合理的二次支 护时机。本文所得的一些结论可为类似工程提供一定的参考。 关键词：地下洞室，围岩稳定，数值分析，支护结构，支护时机 a b s t r a c t p e o p l em u s t t oo b t a i ns o m e t h i n gf r o mt h es k ya n du n d e r g r o u n db e c a u s eo fb e i n g s h o r to fe n e r g ys o u r c e sa n dl i v i n gs p a c e n o w a d a y , f o rt h ed e v e l o p i n go fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , p e o p l em a k eg r e a tp r o g r e s si nt h es c a l ea n dt h ed e e p n e s sa n dt h er a t eo f u n d e r g r o u n dp r o j e c t t h er o c k s si n i t i a ls t r e s si sh i g h e rw h e nt h ed e e p n e s si si n c r e a s e ， t h er o c kb u r s ta n dl a r g ed e f o r m a t i o nr e s u l tf r o mh i i g hi n i t i a lg e o s t r e s si st h ek e yf a c t o r f o rt h er e s t r i c t i n go fd e s i g na n dc o n s t r u c t s oi ti si m p o r t a n tt os t u d yo nt h es t a b i l i t y o ft h er o c ka n d s u p p o r i n gs t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , t a k i n ge x a m p l eo fo n eh i g h - b u r i e du n d e r g r o u n dc a v e r ni no u r c o n t r y , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gi n i t i a lg e o s t r e s s ，s i m u l a t e dt h ec o u r s eo fe x c a v m i o n a n ds u p p o r tb yn u m e r i c a lm e t h o d i ta d o p td i f f e r e n tm o d e lf o rr i g i dr o c ka n dw e a k r o c k i ta n a l y z e dt h es t r e s sl a wa n dd e f o r m a t i o nl a wo fs u r r o u n d i n gr o c k s a n da l s o s t u d i e ds o m ed e s t r u c tl a wa n ds u p p o r t i n gm e a s u r ef o rd i f f e r e n tk i n do fr o c k s i t p r o b e di n t ot h ee f f e c tl a wo fd e e p n e s s 、r o c k s sp a r a m e t e ra n dl e n g t ho fe x c a v a t i o n i t a l s og a v et h er a t i o n a ls u p p o r t i n gt i m eb ys t u d i n gt h el a wd e f o r m a t i o na n dt h es t r e s so f t u n n e ll i n e ri nt h ep r o c e s so fe x c a v a t i o n t h i sp a p e rd r a ws o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s ， a n dt h er e s u l tc a ng i v ee x a m p l ef o ro t h e rs i m i l a rp r o j e c t k e y w o r d s ：u n d e r g r o u n dc a v e r n ；s t a b i l i t yo ft h er o c k ；n u m e r i c a la n a l y s e ； s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ；s u p p o r i n gt i m e 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 字日期：土6年，月乡。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储虢身灿嗲 靳虢 签字日期：2 6年fj 月；p 日 签字日期：洲年，月歹。日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 国内外深埋隧洞建设的现状 土地资源的衰减和短缺，环境的恶化促使世界各国除了采取综合性的政治、 经济措施以外，正越来越注重地下空间和地下工程的开发利用。国际上普遍的观 点认为“1 9 世纪是桥的世纪，2 0 世纪是高层建筑的世纪，未来的2 1 世纪则是人 类开发地下空间的世纪”，人类应该“往深处想( t h i n kd e e p ) ? 2 0 近几十年来，为满足世界经济和社会快速发展的需要，随着科学的发展和技 术的进步，地质勘测手段、岩石力学理论、施工机械设备等的不断发展，世界上 各种用途的隧洞工程建设得到了突飞猛进的发展，其主要表现形式和趋势就是隧 洞长度不断增大以及埋深的不断增加。 国外深埋长大隧洞工程发展很快，从目前己收集到的资料看，世界上最长的 隧洞是芬兰的p a i j a n n e 水工隧洞，该隧洞始建于1 9 7 3 年，于1 9 8 2 年完工，洞长 达1 2 0 k m ；其次为南非的o r a n g e f i s h 施工隧洞( 8 3 k i n ) ，瑞典的b o l m e n 水工隧 洞( 8 0 k m ) ，日本的清函铁路隧道( 5 3 8 5 k i n ) 等等。下表1 1 给出了世界上已 建的一些深埋隧洞工程的实例。 表1 1国外已建的一些深埋隧洞工程 序号隧洞名称 最大埋深( m )所在国家完建时间 用途 1 勃郎峰 2 4 8 0 法国一意大利 1 9 6 5 水工 2 贝勒多纳2 1 8 0法国1 9 7 8铁路 3新普伦i 号2 1 3 5 瑞士一意大利 1 9 0 6铁路 4亚平宁2 0 0 0 意大利 1 9 3 1铁路 5奥立摩斯2 0 0 0 秘鲁未完成- 水工 6弗雷儒斯1 8 0 0 法国一意大利 1 9 8 0公路 7圣哥达1 7 5 0 瑞士 1 9 8 0公路 目前欧洲各国正在联合实施一项铁路建设的总体规划( m a s t e rp l a n ) ，拟新 建干线9 0 0 0 k m ，改建1 5 0 0 0 k m ，火车时速为2 5 0 3 0 0 k m 。建成之后将把西欧、 北欧、以至俄罗斯、土耳其的各大城市联成一片，它的兴建尤其是通过阿尔卑斯 山铁路隧道的兴建，将进一步推动欧洲地下工程发展。最著名的两项是在建的穿 越阿尔卑斯山的巨型工程：一是瑞士圣哥达( g o t t h a r d ) 隧道工程，全长5 7 k m ， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 最大覆盖厚度2 5 0 0 m ，存在涌水、高温、高地应力等一系列复杂地质问题；二是 法国里昂( l y o n ) 至意大利都灵( t u t m ) 的主隧道，从s a m - j e a n m a u r i e n n e 开始 至s u s a 止，全长5 4 k m ，最大覆盖厚度超过2 0 0 0 m ，地质情况与圣哥达相似，远 较英吉利海峡隧道复杂【1 1 。 我国在1 9 8 0 年以前就已经建成最大埋深达1 6 5 0 m 的成昆线关村坝隧道； 1 9 8 0 年后修建的隧洞越来越多，越来越深，长度越来越大【2 1 。表1 2 列出了国内 已建和拟建的部分深埋隧洞工程实例。 表1 2国内己建和拟建的部分深埋隧洞工程 序号隧洞名称最大埋深( m )洞长( m ) 修建时间 用途 1 锦屏 2 5 2 51 8 7 0 0 拟建水工 2秦岭1 7 0 01 9 0 0 0 1 9 9 5 一1 9 9 9铁路 3 关村坝 1 6 5 06 1 8 7 1 9 6 1 一1 9 6 6铁路 4 大瑶山9 1 01 4 2 9 51 9 8 1 1 9 8 7 铁路 5鱼子溪二级8 0 07 6 1 11 9 8 2 1 9 8 5 水工 6华蓥山7 7 09 4 1 21 9 9 7 1 9 9 9 公路 7天生桥二级7 6 09 7 7 6 1 9 8 5 一 水工 根据不完全统计，目前我国大陆铁路隧道总数达5 3 3 4 余座，总长度超过 2 5 0 0 k m t3 l ，秦岭隧道是目前我国建造的最长铁路隧道，采用单线双孔，每孔的 长度均大于1 8 k m 。隧道穿过地区最大埋深达1 7 0 0 m ，岩温达到3 9 2 7 度，最大 水平地应力将达到2 7 3 m p a ，秦岭隧道的施工是在高地温、高地应力的环境下进 行的。 我国水力资源蕴藏量居世界首位，但开发量不足1 9 。水力资源的绝大部分 集中在中国西南地区长江干流及其支流澜沧江、南盘江等流域。东北、华北、华 北、华东及华南地理位置优越，但水力资源较少，已基本开发完成【4 】。水电建设 重点正逐步向西南转移，西南水电基地多处于高山峡谷地区，水工地下工程数量 多、规模大将成为明显趋势。在水工隧洞方面，据统计，中国已建成水工隧洞总 长度超过5 0 0 k m ( 包括有压隧洞、无压隧洞、压力钢管道、压力竖井及斜井等) ， 己建成长度4 k m 以上的引水发电隧洞2 2 座，不少2 0 k i n 以上直至1 0 0 k m 以上的 引水发电隧洞将待修建【5 】。雅砻江上的锦屏二级水电站装机4 4 0 0 m w ，四条引水 隧洞平均长度1 6 6 2 5 k m ( 进水口至上游调压室中心线) ，开挖直径1 2 0 m ，引水 隧洞最大埋深为2 5 2 5 m 左右，3 4 以上的洞线埋深大于1 5 0 0 m ，存在着高地下水、 高地应力等一系列高难度的复杂工程技术问题。南水北调西线工程输水线路穿过 天津大学硕士学位论文第一章绪论 巴颜咯拉山，各种布置方案的单条隧洞长度多在1 0 0 k i n 以上，最长的为2 4 3 8 k m ， 这些长隧洞高程在4 0 0 0 m 左右，气候寒冷，空气稀薄，除有高地下水、高地温、 高地应力的不利条件外，还受强地震( 基本烈度为8 度) 及大断层带控制，设计 和施工将遇到的复杂技术难题已远远超出当前水工隧洞的世界最高水平1 6 j 。 据分析从2 0 0 1 年到2 0 2 0 年我国将完成近6 0 0 0 k m 的隧洞开挖，年平均 3 0 0 k m ，其中不少是深埋长大隧洞【l 】。随着我国西部大开发的进行，大量高等级 公路和铁路的修建，雅鲁藏布江、金沙江等水力资源丰富的江河上梯级电站的建 设，我国公路、铁路和水利水电隧洞的建设也将进入一个全新的发展时期，以世 纪工程三峡工程、南水北调工程等为代表的一批大型、超大型水电工程项目的实 施与完成，标志着我国在深埋、长大隧洞的设计与施工能力上都已经或将要达到 世界先进水平1 7 。 1 2 围岩稳定性和隧洞支护结构设计研究进展 1 2 1 围岩压力理论的发展现状 早在原始社会，人类为了居住，便开始使用了地下洞穴。此后的几千年来， 劳动人民在生活和生产中逐渐积累了丰富的使用围岩稳定的经验。但围岩稳定和 围岩压力理论以及隧洞支护结构设计理论的提出和深入研究，是随着科学和大工 业的发展而开始的。 2 0 世纪2 0 年代以前，围岩稳定和围岩压力理论主要是古典的压力理论阶段。 这类理论认为，作用在支护结构上的压力主要是其上覆岩层的重量r - t 。可以作 为代表的有海姆( h a h n a ) 、郎肯( r a n k i n e ) 和金尼克理论。他们不同之处在于 对地层水平压力的侧压力系数有不同的理解。海姆认为侧压力系数为1 ，郎肯根 据松散体理论认为是留2 ( 4 5 0 q , 2 ) ，金尼克根据弹性理论认为是t ( i 一) ，其 中，y ，伊，h 分别是岩体的容重、泊松比、内摩擦角和埋深。由于当时地下工程 埋藏深度不大，因而这些理论一度被认为是正确的。 随着开挖深度的增加，逐渐发现古典压力理论不符合实际情况，于是出现了 散体压力理论。散体压力理论认为当地下工程埋藏深度较大时，作用在支护结构 上的压力、不是上覆岩层重量，而只是围岩塌落拱内松动岩体的重量。代表性的 有太沙基( t e r z a h i ，k ) 和普氏理论。他们的共同点是认为塌落拱的高度与地下工 程跨度和围岩性质有关，不同之处在于前者认为塌落拱是矩形，后者认为是抛物 形的。散体压力理论是在当时的支护形式和施工水平下发展出来的，没有认识到 围岩的塌落不是形成围岩压力的唯一来源，更没有认识到可以通过稳定围岩以充 分发挥围岩的自承作用f 8 】。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 实际工程中，隧洞开挖后由于卸荷作用使围岩应力进行重分布，并出现应力 集中。如果围岩应力处处小于岩体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态，反之， 围岩将部分进入塑性状态，但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将失稳。研 究围岩力学性态发现，围岩常常进入塑性状态，所以研究围岩稳定就不能不考虑 塑性问题。从二十世纪五十年代后期就开始引用弹塑性理论来研究围岩稳定问 题。著名的芬纳( f e n n e r ) 一塔罗勃( 碱o b r ej ) 公式和卡斯特奈( k a s t e rh ) 公式就是这方面的代表。二十世纪六十年代末出现了考虑支护与围岩共同作用的 弹塑性理论解，同时也出现了考虑围岩节理、裂隙的计算解。对于深埋隧洞，因 其埋深大，围岩大都表现出强烈的流变特性，而软弱围岩，其本身就具有明显的 流变特性。因此，流变理论逐渐被引用到围岩稳定性分析的研究中，同济大学孙 钧教授一j 在西原模型的基础上，对层状节理围岩和含软弱断层、破碎带的围岩提 出了两个b i n g h a m 串联模型和四元件的粘弹性模型。 1 2 2 围岩稳定性各种分析方法及其研究进展 目前分析围岩稳定的方法很多，主要有如下几类： 1 工程地质法 应用工程地质法时先进行工程地质调查，获取岩体的强度、变形、初始应力 等物理力学参数，再根据围岩稳定性的控制因素( 软弱面、应力及岩体强度) ， 运用赤平极限投影法，定出可能不稳定的结构体，结合地应力条件，综合比选洞 轴线的方案，并用块体极限平衡理论确定围岩的稳定性，然后按照围岩稳定性分 类法( 围岩分析法) ，对围岩稳定性进行判断及支护设计。围岩稳定性分类的方 法主要【l o 1 1j 有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 的r m r 法和b a r t o n 等人的q 法，以 及a r i l dp a l m s t r o m 于1 9 9 5 年提出的r m i ( r o c km i s si n d e x ) 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。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。我国学者李世辉【l2 j 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 9 0 ) 。 2 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。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【l3 1 。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 天津大学硕士学位论文第一章绪论 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。 3 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 题的相似性是模型试验解决问题的关键。理论分析时，往往需对原型进行一定简 化和假定，且分析中所用参数的精度和可靠度也有限，由此导致理论分析结果与 工程实际状况往往存在一定偏差。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。比如一般隧洞 围岩岩体的各向异性性质，各国学者已作了大量的研究并对此取得了一致的认 识。对于深埋隧洞，传统理论一般认为由于高地应力的作用，各向异性岩体可作 为准各向同性处理，但荷兰学者s c b a n d i s 1 4 】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。 4 数值分析方法 在围岩稳定性的数学分析方法中，解析法只能适用于那些边界条件较为简单 及介质特性不太复杂的情况。多数的实际工程在特定条件下只能用数值法求解， 目前常用的数值计算方法有： ( 1 ) 有限元法。有限元法自2 0 世纪7 0 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【l5 1 。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，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。有限元法的应 用是否真正有效，主要取决于两个条件【l6 】：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、强度特性和破坏规律等。 ( 2 ) d d a 方法。由石根华与g o o d m a n 提出的块体系统不连续变形分析 ( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 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u ”。d d a 模型建立了一套完整的块体系统运动学理论，较好地 模拟具有非连续面的岩体的运动与变形特性。将d d a 模型与连续介质力学数值 模型结合起来，如将d d a 模型与有限元数值方法结合，应该是d d a 模型工程应 用研究的发展方向【1 8 】。 ( 3 ) 离散单元法。自从c u n d a l l 首次提出离散单元d e m ( d i s t i n c te l e m e n t 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 m e t h o d ) 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，同时受表征位移一力的物理方程和反映力一加速度 ( 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1 19 1 。 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、分离与倾覆等大 位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。并且，它利用显式时间差分 法( 动态松弛法) 求解动力平衡方程，求解非线形大位移与动力稳定问题较为容 易。该法主要用于分析节理岩体及其与锚杆( 索) 的相互作用【删。存在的主要问 题是阻尼系数的选取和迭代计算的收敛性。 ( 4 ) 块体单元法。任青文等提出的块体单元法【2 ，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。 ( 5 ) f l a c 。为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷，c u n d a l l 根据有限差分法的原理，提出了f l a c ( f a s tl a g r a n g i o n a n a l y s i so f c o n t i n u m ) 数 值分析方法。文 2 2 提出了基于该方法的分析模型，分析了页岩中水压力对隧洞 稳定性的影响。该方法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【2 3 1 。 ( 6 ) 边界元法。边界元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，对于一般的线形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，但边界元法对奇异边界较难处理。 ( 7 ) 块体一弹簧元分析方法【2 4 1 。k a w a i 于1 9 8 7 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拟。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，确立 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。 5 不确定性方法 影响地下洞室围岩稳定性因素主要为地层岩性及产状、构造结构面组合形 态、地应力状态以及地下水的赋存情况等，这些因素具有很大的不确定性，表现 为随机性和模糊性，因此对于地下结构岩体分析可采用模糊数学和可靠度方法进 行研究。可靠性理论自应用于岩土工程以来，在许多领域获得了较大的发展，并 被引入地下洞室稳定分析d 0 1 2 5 - 2 6 。可靠性理论根据不同的岩石破坏判据建立极限 状态方程，采用概率论方法求得地下结构工程的破坏概率，进而分析其稳定可靠 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 性。地下工程及稳定性的界限是不清楚的，具有相当的模糊性，故可应用模糊数 学理论进行研究。该理论现主要应用于地下工程围岩的稳定性分类中，而且日益 受到重视。 6 反演分析法【2 7 】 自奥地利地质学家l 缪勒提出以充分发挥围岩自承能力为基本原理，以锚喷 支护及复合柔性衬砌为主要特征的新奥法以来，改变了过去设计与施工的一些传 统思路。它依据现场监控量测结果和信息反馈来指导施工和设计。因此，以现场 监控信息为依据，可通过反演分析计算围岩物理力学参数来评价隧道围岩稳定 性，该法曰益受到重视。 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和连通，因此有人采用断裂和损伤力 学方法来评价节理裂隙岩体稳定性和变形行为，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。 围岩稳定性研究虽己取得重大进步，但针对围岩岩体本构关系的非线形，性 状的非连续、非均质性、边界条件的不确定性以及应力条件在空间、时间上的多 变性、各国学者还在不断探索各种不同的研究方法与手段，以期能更准确和真实 地反映围岩的稳定性。任何一种分析方法都不是万能的、唯一的、排它的方法， 而把多种方法融合起来，取长补短，是未来发展的一种趋势。 1 2 3 支护结构设计理论研究现状 支护结构设计理论的发展至今已有上百年的历史，它与岩石力学的发展有着 密切的关系，现代支护设计理论是随着锚杆和喷射混凝土等现代支护结构的大量 使用，以及与此相应的一套新奥法( n 删) 隧洞设计施工方法的兴起而发展起 来和形成的。它以岩石力学原理为基础，考虑了支护与围岩的共同作用。 根据国际隧道协会( i t a ) 的概括总纠2 8 - 2 9 1 ，支护结构设计方法可以归纳为以 下四类： 1 参照过去工程实践经验进行工程类比为主的经验设计模型： 2 以现场量测和实验室试验为主的实用设计模型，比如收敛一限制法； 3 作用与反作用模型，像弹性地基圆环计算和地基框架计算等计算法； 4 连续介质模型，包括解析法和数值法。 在国内支护结构设计方法一般采用以下四种模型3 0 j ：1 经验类比法；2 荷载 结构模型；3 地层结构模型：4 收敛限制模型。 2 0 世纪8 0 年代以来，现场监控量测、理论分析和经验三者的结合，发展出 了信息化设计方法，该法比较适应地下工程的特点和当前技术水平。从发展趋势 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 来看，由新奥法开创的“信息化设计 将是地下工程支护结构设计理论的前进方 向【3 l 】。 1 3 问题的提出及本文的主要工作 1 3 1 问题的提出 分析国内外隧洞的修建历史可知，制约深埋隧洞发展的因素分为两大类【2 】， 一类是施工技术方面的，另一类是隧洞开挖可能遭遇到的地质灾害及伴生的地质 环境问题。第一类包括掘进技术、支护及衬砌技术等。经过1 0 0 多年的发展，隧 洞施工技术渐趋成熟。大量国内外隧洞工程的修建实践表明，第二类因素，即隧 洞开挖可能诱发的各种地质灾害及伴生的地质环境问题，在现有的技术经济条件 下，成为制约深埋隧洞设计和施工最主要的因素。而这些因素最主要的就是高地 应力、岩爆和大变形问题以及由此引起的支护结构和支护时机问题。辛普伦隧道 4 2 m 大变形洞段的施工耗费了2 4 个月之久；艾那山i 线隧道4 0 0 m 大变形洞段用 了3 6 个月才得以通过；中国长近1 0 k i n 的天生桥水电站引水隧洞几乎全洞范围 内都发生了普遍而强烈的岩爆：阿尔卑斯山地区规划中的深埋特长隧道所面临的 主要是大变形( 挤出) 问题；水力资源丰富的喜马拉雅山地区规划的特长水工隧 洞所面临的主要是大变形和涌水问题。 目前，对于高地应力区隧洞的围岩稳定性与支护结构安全性研究这一复杂的 课题，已有不少学者进行过研究和探索 3 2 - 3 6 】，而系统的量化分析研究并不多见【3 7 1 。 对于岩爆问题，以往的研究大多是对施工现场的监测来获得一些经验性的成果， 而对于如何利用数值分析结果来预测岩爆则研究的较少。对于大变形问题，以往 学者的研究很少考虑围岩的流变性质。众所周知，高地应力条件下围岩的流变性 是导致围岩大变形的主要因素，而且，如果仅用经典的弹塑性理论来描述是无法 解释洞体变形释放的时间效应以及支护衬砌的承载作用的。因此，如何对深埋地 下隧洞围岩稳定性及支护结构安全性进行系统的数值仿真模拟，以及如何使模拟 结果更能反映实际情况便显得十分重要。 1 3 2 本文的主要工作 深埋隧洞因其埋深大，将遭遇比一般隧洞复杂许多的地质问题，由此使深埋 隧洞围岩稳定增加了一系列不确定因素，使设计和施工面临着极大的挑战。本文 结合国内某最大埋深达2 3 0 0 m 的引水隧洞的围岩稳定和支护结构设计研究课题， 在前人的基础上，对深埋隧洞的围岩稳定进行了深入的研究。所做的主要工作如 下： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 在阅读大量文献的基础上，对目前分析围岩稳定的各种方法做了归纳总 结，对他们的优缺点进行了比较研究，探讨分析了它们的适用范围，对支护结构 理论的发展现状及未来趋势作了概括。 2 在对有限个测孔的地应力实测值分析的基础上，对整个隧洞围岩的初始 地应力场进行了预测。 3 对不同埋深洞段的开挖过程分别进行数值模拟，研究埋深对围岩稳定的 影响。并对2 0 0 0 m 埋深洞段进行围岩参数以及开挖进尺敏度分析，研究高埋深 隧洞围岩参数和开挖进尺对围岩稳定的影响。 4 对高埋深下硬岩洞段的围岩稳定性问题进行研究，利用有限元结果，判 断围岩的岩爆规律及趋势，并对相应的支护措施和支护时机进行研究。 5 对高埋深下软岩洞段的围岩稳定性问题进行研究，在考虑围岩蠕变特性 的基础上研究围岩不同时间的变形，判断围岩在不同时间下的稳定性，并根据围 岩的蠕变变形趋势来进行衬砌的支护时机的选择。并根据该支护时机下随围岩长 期变形衬砌的受力变化情况，判断衬砌的强度是否满足要求。 天津大学硕士学位论文 第二章高地应力条件下围岩稳定分析的基本理论 第二章高地应力条件下围岩稳定分析的基本理论 数值分析方法是地下工程岩体围岩稳定分析最常用的方法。它可以模拟岩体 力学特性及断层等结构面的影响，对围岩的应力、位移等进行定量分析，模拟锚 杆、衬砌的支护效果，其成果能够反映洞室围岩稳定及支护结构的受力情况，从 而为洞室围岩的稳定性评价提供可靠的依据。 2 1 岩石的变形性质 岩石变形是指岩石在各种因素作用下发生形状及体积的变化。按照岩石在变 形过程中所表现出应力一应变一时间关系的不同，可以将岩石变形划分为弹性、 塑性及粘性三种性质各异的基本变形作用。 ( 1 ) 弹性变形 岩石在外力作用下发生变形，当外力撤去后又恢复其原有的形状及体积的性 质称为弹性。| 夕 力撤去后能够恢复的变形称为弹性变形。 ( 2 ) 塑性变形 岩石在超过其屈服极限外力作用下发生变形，当外力撤去后不能完全恢复其 原有的形状及体积的性质称为塑性。外力撤去后不能恢复的变形称为塑性变形。 ( 3 ) 粘性变形 岩石在外力作用下变形不能在瞬间完成，并且应变速率d e d t 是应力仃的函 数，随着应变速率d 占d t 增大，应力盯上升，而当外力撤去后不能恢复其原有形 状及体积，这种变形性质称为粘性。所发生的具有粘性性质的变形作用称为粘性 变形。 在外力作用下，岩石表现出何种变形性质首先取决于其自身的物质组成及结 构构造，其次是与受力条件有关。此外，岩石赋存的环境条件，如地应力状态、 温度、围压及地下水等对其变形性质的影响也较大【3 8 】。 2 2 大变形理论 在高地应力条件下，软弱围岩的大变形现象显然用经典小变形理论是无法解 释的。客观上，由于软弱围岩隧道在高地应力场条件下，发生变形时具有明显的 几何非线形特征口9 1 ，因此，需要采用能描述物质非线性几何行为的数值分析方法 进行研究，这一点是非常重要的。从理论上知道，凡是几何方程表示的数学非线 性一定是物理状态方程的非线性。因此只有从根本上研究用数学非线性几何方程 描述变形体的大变形行为，才能从本质上揭示出软弱围岩隧道发生大变形的内 天津大学硕士学位论文第二章高地应力条件下围岩稳定分析的基本理论 涵。 2 2 1 经典小变形理论的不合理性 经典小变形理论在计算发生大位移的平面问题( 如图2 1 ) 时将产生错误。 当发生大位移时，平面中一点的位移( ，1 ，) 方程为： uv：=x(co嚣dysi-1)no+a。oxsiny ( c o s o b ( 2 1 ) ，= p + 一1 ) + o 式中a 0b o 为研究块体的整体平动位移；秒为转动角度，t t = a - - g 。这样，按照小 变形理论，应变分量岛可以表达式为( 2 2 ) ： 加 气2 瓦a 。：竺 ( 2 2 ) 眇2 丽 2 铲去c 罢u j - 一争l 占叫2i 【i i ) ， 小转动角 q = 三( 罢一考) 23 u 一， q 2 i 【i 一。i j ( j u y 将式( 2 1 ) 表示的位移函数代入式( 2 2 ) ，可以得到 占= c o s l 占眇= c o s 一1 ( 2 4 ) s 。= 0 如果取秒= 9 0 进行考察，则占。= - 0 0 1 2 ，占。= - 0 0 1 2 ，占。= 0 。而如果是 刚性运动，占f 应该是零。那么显然上述结果显然是荒谬的。由此可见，用c a u c h y 应变分量表达的小应变理论所产生的误差不允许忽略【3 9 1 。事实上，采用经典小变 形理论来研究变形体的“大”变形行为，不仅几何方程不合适，而且违反了能量 守恒定律。 2 2 2 拖带坐标系与s - r 陈式分解理论 基于上述分析，陈至达教授提出采用两个参照系统的方法来描述变形体的运 动，其中一个为固定在空间的定系，另一个嵌含在变形体中，称为拖带坐标系， 这种坐标系随着变形体的变形而拖带伸展、缩短、并引起坐标线的曲率改变。图 天津大学硕士学位论文第二章高地应力条件下围岩稳定分析的基本理论 2 2 给出了一个连续变形体的大变形和大转动。随着时间的推移，4 连续发生变 形，例如4 ( 瓦) 一彳( 丁) 。在瓦时刻，拖带坐标系l x l 和固定坐标系卜l 相同，即： x ”o = x 7 ( 工7 ，瓦) = z 邶；在t 时刻，x 7 = x o7 ，r ) 。 图2 1 平面问题中发生大位移的示意图图2 2 拖带坐标系 - 0- ，o ，- + _ + ，- +0 _ 局部基矢g ，= ar a x ；g ，= a ，a 工。其中，分别为变形体a 在t o 时 刻每一点的局部矢量。 基矢g ，从未变形状态变为变形状态g ，变形张量f j ，为 g f = f f 参f ( 2 5 ) 根据s - r 分解理论， f ，= s ；+ r 予应变张量+ 转动张量 ( 2 6 ) 有限应变张量 s = 寺( “l ，+ n i l ，1 ) - ( 1 - c o s o ) l i j g ( 2 7 ) 有限平均局部转动 r 产彰+ 髟s i n 0 + ( 1 一c1 ik ( 2 8 ) 局部转动的平均角 r1、1 2 秒= a r c s i n 寺【( z ，1 i ：+ 甜2 1 1 ) 2 + ( z ，2 i ，+ 甜3 l2 ) 2 + ( 甜3 i ，+ 甜1 i ，) 2 ( 2 9 ) 局部转动轴工= l i g u ，= 志( 甜一i _ 1 , 1 i i | ) ( 2 1 0 ) 1 2 s i n 曰、川 对于图2 2 所示的滑动变形，运用大变形理论式2 6 - 2 1 0 计算滑动体每一点 的应变，进行合理性验证如下： 天津大学硕士学位论文 第二章高地应力条件下围岩稳定分析的基本理论 b ；】= 萎i委； = i o u + ( 1 - - c o s p ) a s 、7 三2c 薏+ 拳 一i 一+ 一l 、a s ，8 s 、。 娶+ ( 1 - - c o s 秒) 出 一1 ( i 0 + 罢)一i 一十一 2 、叙砂 三2c 蠢+ 毒 一l 一十一l 、a s 、a s 。 蠹+ c 1 - c o s ， 一1 ( _ + 堡) 一l 一十一- 2 、缸 a y 7 娑+ ( 1 - - c o s 汐) c 少 ：o 0 7 ( 2 1 1 ) l ou j 显然，利用拖带坐标系法建立非线形大变形几何方程，所获结论非常合理。 并且，由于它考虑了变形体中单元边界的变化，也就保证了单元变形前后的能量 守恒。 2 3 弹塑性理论 岩石材料的弹塑性理论是建立在增量塑性理论的基础上的。将材料的应变增 i - 船) 分为弹性应变增量k 。 和塑性应变增量协p 两部分【4 0 1 ，即： 似 = 协。) + 协p ) ( 2 1 2 ) 弹性应变增量可用弹性理论求解。塑性应变增量可以由增量塑性理论计算， 这个理论需要对下列三方面做出基本假定： 屈服准则用以判断在一个荷载增量作用下是加载、卸载或中性变载， 以便确定是否产生塑性应变增量。 流动法则是确定塑性应变增量方向的规定，也称正交法贝j 。 硬化规律是决定一个已给定的应力增量引起塑性应变增量大小的准 则。 2 3 1 屈服准则 岩体介质材料的本构关系极难确定，即使对同一种岩体，应力应变关系也会 随应力水平的高低而发生变化。初始加荷阶段可近似看作线弹性阶段，继续加荷 材料就进入塑性阶段。所以应根据岩体材料所处应力状态，选定屈服准则来判断 岩体是处于弹性状态还是处于塑性状态。屈服准则表示在复杂应力状态下材料开 始进入屈服的条件，它的作用是控制塑性变形的开始阶段。塑性条件在主应力空 间中为屈服面方程。如果介质某点的应力状态位于屈服面之内，则该点处于弹性 状态；如果在主应力空间中某点的应力状态存屈服面之上，则介质在该点已进入 弹塑性状态，这时介质在该点一般既有弹性变形，又有塑性变形【4 。 随着塑性应变的出现和发展，按塑性材料屈服面的大小和形状是否发生变 化，可分为理性塑性材料和硬化材料两种：随着塑性应变的出现和发展，屈服面 天津大学硕士学位论文 第二章高地应力条件下围岩稳定分析的基本理论 的大小和形状不发生变化的材料，叫做理想塑性材料；反之叫做硬化材料。见图 2 3 。 c a ) 理想塑性 ( b ) 应变硬化塑性 图2 3 塑性材料分类 塑性岩体力学中最常用的屈服条件为m o h r - c o u l o m b 屈服准则和d r u c k e r - - p r a g e r 屈服准则。 ( 1 ) 摩尔库伦屈服准则 在主应力空间，m o b r - c o u l o m b 的屈服面是一个棱锥面，其中心轴与等倾线l 重合，在7 c 平面上，m o b _ r - c o u l o m b 屈服准则是一个不等角的等边六角形，见图2 4 。 在金属材料的传统塑性理论中，材料的屈服仅取决于应力偏量，因而屈服面是一 个以o i = 0 2 = 0 3 为轴的正圆柱面，但岩土材料的剪切屈服与正应力引起的内摩擦 力有关，因而应力球张量增大，屈服时应力偏量增大，屈服面成为锥状体。 图2 4 应力空间和丌平面上的m o h r - c o u l o m b 屈服准则 ， m o h r - c o u l o m b 屈服准则认为当材料某平面的剪应力达到某一特定值时，材 料就进入屈服。而这一特定值不仅与材料自身的性质有关，而且与该平面上的正 应力有关。一般可表示为： h = c + 盯。t a n r p ( 2 1 3 ) 式中：f 为屈服面上的剪应力，盯一为f 所在平面上的正应力，c 为凝聚力， 妒为内摩擦角。 天津大学硕士学位论文第二章高地应力条件下围岩稳定分析的基本理论 由式( 2 1 3 ) 得出的r 与盯。之间为线性关系，它们的关系也可以用一曲线表 示，如双曲线、抛物线、摆线等，这是更一般的情况，称为m o h r 准则。 主应力的表示形式为 ( q ，吒，巳) = 去h c r 2 ) 一去b + t 7 3 ) s i n 9 一c c o s 伊= 0 ( 2 1 4 ) 二二 式中，0 1 ，仃2 ，仃3 为主应力。 m o h r - c o u l o m b 屈服面在主应力空间中受角度性质的影响而具有一个严重的 欠缺，只要应力落在棱角或棱角附近，屈服函数沿曲面的外法线方向的导数就不 易确定，则粘塑性的应变率不易确定，同时在角锥点存在不连续问题，在进行弹 塑性分析时，数值计算应用困难，收敛速度较慢。为了消除m o h r - c o u l o m b 屈服 面的棱线，d r u c k c r 和p r a g e r 在m i s e s 准则的基础上提出了d m c k e r - - p r a g e r 屈服 准则，它是对m o h r - c o u l o m b 屈服条件的修正。 ( 2 ) d r u c k e r - - p r a g e r 屈服准则 d r u c k e r 和p r a g e r 于1 9 5 2 年提出用一个内切于m o h r - c o u l o m b 准则六棱锥面 的圆锥面来作为屈服面，见图2 5 。 吨 。口2 。码 q 图2 5d r u c k e r - - p r a g e r 准则的屈服面 这个圆锥面的函数表达式为 f = a l + ，2 一k = 0 ( 2 1 5 ) 式中，- 厂，分别为应力张量第一不变量和应力偏张量第二不变量。 ，l2 盯l + 盯2 + 0 3 j ：= k o i 一0 2