5复杂条件地下洞室ppt课件

1、复杂条件地下洞室工程复杂条件地下洞室工程稳定分析及运用稳定分析及运用 我国是世界上地下工程的最大开挖国。我国是世界上地下工程的最大开挖国。 随着采矿业深度的添加，复杂地层的巷道维护问题日益突随着采矿业深度的添加，复杂地层的巷道维护问题日益突出。特别是煤炭行业，每年因巷道的过度变形、底彭、顶出。特别是煤炭行业，每年因巷道的过度变形、底彭、顶板冒落等呵斥的巷道翻修量和人身伤亡事故是其他行业的板冒落等呵斥的巷道翻修量和人身伤亡事故是其他行业的数十倍。数十倍。 我国近年在铁路交通系统也将建筑一系列的长、大山岭隧我国近年在铁路交通系统也将建筑一系列的长、大山岭隧道而面临着大埋深条件下的复杂地层开挖支护技

2、术问题。道而面临着大埋深条件下的复杂地层开挖支护技术问题。 国内兴建的大型水电工程，如二滩、小浪底、小湾、溪洛国内兴建的大型水电工程，如二滩、小浪底、小湾、溪洛渡、龙滩、水布垭、三峡右岸电站等都有规模宏大的地下渡、龙滩、水布垭、三峡右岸电站等都有规模宏大的地下厂房群体厂房群体 复杂条件有二重含义：复杂条件有二重含义： 一是围岩复杂，主要指的是脆弱、破碎、易膨胀、大变形、一是围岩复杂，主要指的是脆弱、破碎、易膨胀、大变形、节理发育、地下水富集、大埋深和高地应力区的岩层；节理发育、地下水富集、大埋深和高地应力区的岩层； 二是工程复杂。假设系大断面巷道或为洞室巷道群体就属二是工程复杂。假设系大断面巷

3、道或为洞室巷道群体就属工程构造复杂。工程构造复杂。 无论是一类复杂或两者并存，这时地下工程的开挖支护技无论是一类复杂或两者并存，这时地下工程的开挖支护技术及其平安性就会构成难题。术及其平安性就会构成难题。 这里重点针对上述复杂条件下的两大类岩体，即脆弱具流这里重点针对上述复杂条件下的两大类岩体，即脆弱具流变特性的岩体和节理岩体，研讨岩体流变属性及其在软岩变特性的岩体和节理岩体，研讨岩体流变属性及其在软岩洞室中的工程运用。洞室中的工程运用。 1 围岩稳定控制实际与模拟方法的进展围岩稳定控制实际与模拟方法的进展 一、地下工程开挖支护和围岩稳定的控制原理一、地下工程开挖支护和围岩稳定的控制原理 将复

4、杂地层中开挖地下工程和采取相应支护手段看成是将复杂地层中开挖地下工程和采取相应支护手段看成是一项系统工程。一项系统工程。 由于围岩是非线性的，所以要运用非线性的力学原理和方由于围岩是非线性的，所以要运用非线性的力学原理和方法为指点思想。法为指点思想。 应强调指出其开挖支护是在空间和时间不断变化的过程中应强调指出其开挖支护是在空间和时间不断变化的过程中实施的，而该施工过程实践上是对围岩进展的反复加卸载，实施的，而该施工过程实践上是对围岩进展的反复加卸载，因此要注重和思索该过程对围岩稳定的影响。因此要注重和思索该过程对围岩稳定的影响。(一一)施工过程力学原理施工过程力学原理 (1)工程岩体的稳定不

5、仅与自然要素有关，还与人为的工工程岩体的稳定不仅与自然要素有关，还与人为的工程要素亲密相关。程要素亲密相关。 (2)复杂岩体的施工，对围岩是一个非线性的力学荷载过复杂岩体的施工，对围岩是一个非线性的力学荷载过程。其稳定性是与应力途径及历史相关的。施工前要进展程。其稳定性是与应力途径及历史相关的。施工前要进展动态施工过程力学的优化分析，寻求几个较优方案，以供动态施工过程力学的优化分析，寻求几个较优方案，以供决策。决策。 (3)根据岩体及工程特点，要有针对性地运用开挖和支护根据岩体及工程特点，要有针对性地运用开挖和支护手段，把有害的影响及隐患控制在尽量低的范围内。手段，把有害的影响及隐患控制在尽量

6、低的范围内。 (4)做好施工期间围岩动态呼应的察看和监测，用以判别做好施工期间围岩动态呼应的察看和监测，用以判别施工方案的合理性，并及时调整。施工方案的合理性，并及时调整。 (5)强调勘察、设计、施工、科研各环节严密结合、相互强调勘察、设计、施工、科研各环节严密结合、相互浸透，允许调整施工方案。浸透，允许调整施工方案。(二二)能量转化原理能量转化原理 对于软岩巷道支护问题，工程界长期以来对能否要“先柔后刚的方针来实施支护不断有争议。此外，对“柔到什么程度，“刚到多少以及什么时候再设置刚性的二次支护都有不同见解，从能量分析的角度提出的“能量转化原理对此做了科学的解释。 洞巷开挖的非线性能量守恒定

7、律在一定条件下可简化为：其中： 为在非完全弹性介质中开挖洞巷时围岩中重新积聚的弹性能； 为开挖洞巷过程中损失的非弹性能； 为人工构筑的支护所吸收的能量。这就是说在允许围岩先变形和损伤到一定程度 及 ，并不至于使围岩过度破坏的情况下，应使 就可使支护的代价最小，且保证了巷道的稳定。就有一个 、 和 三值的优化问题。 此项原理可归纳为以下几条：此项原理可归纳为以下几条： (1)对非线性的复杂围岩，当其潜在的变形能很大时，应对非线性的复杂围岩，当其潜在的变形能很大时，应使其非弹性的变形能使其非弹性的变形能 得到适量的释放。但不能到达使得到适量的释放。但不能到达使整体围岩失稳坍落或大到其变形量影响运用

8、空间的程度。整体围岩失稳坍落或大到其变形量影响运用空间的程度。 (2)围岩中重新积聚的弹性能围岩中重新积聚的弹性能 可以尽量坚持较高值，但可以尽量坚持较高值，但对脆性岩石那么不能使其增大到有能够发生岩爆的程度。对脆性岩石那么不能使其增大到有能够发生岩爆的程度。 (3)由于支护所吸收的能量由于支护所吸收的能量 是与是与 和和 成反比的，要成反比的，要使支护代价尽量小，应争取使支护代价尽量小，应争取 和和 到达较高值。但由于到达较高值。但由于前两条的限制，那么应进展三者的优化分析，以到达既平前两条的限制，那么应进展三者的优化分析，以到达既平安又经济的目的。安又经济的目的。 (4)某些支护方式是与围

9、岩结合为一个整体的(如锚固、注浆等)。这就使相关区域的围岩也成为支护的一部分。这时应使支护技术充分发扬围岩的强度和刚度潜力令其本身能吸收更多的围岩变形能，以降低支护的本钱。这种自动支护方式就比传统的被动支护方式更为有效和经济。(三三)时空变载原理时空变载原理 近年来又提出了适于复杂地层开挖和支护研讨的近年来又提出了适于复杂地层开挖和支护研讨的“时间和时间和空间载荷变化分析原理，简称空间载荷变化分析原理，简称“时空变载原理：时空变载原理： (1)地下工程是建造在具有一定初始应力的围岩中，复地下工程是建造在具有一定初始应力的围岩中，复杂地层中的施工和维护难度剧烈遭到应力场及其方向的影杂地层中的施工

10、和维护难度剧烈遭到应力场及其方向的影响。在设计工程的主轴方位时应充分留意使二者的主向较响。在设计工程的主轴方位时应充分留意使二者的主向较为有利于工程的稳定。在围岩中假设存在系统的构造断裂为有利于工程的稳定。在围岩中假设存在系统的构造断裂(断层、节理等断层、节理等)，那么还应留意洞轴与不利稳定的构造方，那么还应留意洞轴与不利稳定的构造方向间的关系。在预测围岩的失稳类型和失稳程度时就应以向间的关系。在预测围岩的失稳类型和失稳程度时就应以三者间方向的相互关系为优化抉择的主要根据。三者间方向的相互关系为优化抉择的主要根据。 (2)无论是开挖和支护都是对围岩施加的一种荷载。对于无论是开挖和支护都是对围岩

11、施加的一种荷载。对于施工工期较长的长大洞巷或大断面洞室群，其不断推进的施工工期较长的长大洞巷或大断面洞室群，其不断推进的开挖支护，对围岩的每一个特定部位几乎都是一个反复的开挖支护，对围岩的每一个特定部位几乎都是一个反复的加卸载过程。因此，要留意研讨围岩在这种不断加卸荷变加卸载过程。因此，要留意研讨围岩在这种不断加卸荷变换情况下其力学特性的变化。换情况下其力学特性的变化。 (3)工程开挖从宏观来说似乎是对围岩的一种卸荷行为，工程开挖从宏观来说似乎是对围岩的一种卸荷行为，但实践上从力学分析角度来看，即使对同一个开挖断面，但实践上从力学分析角度来看，即使对同一个开挖断面，普通来讲围岩周边总是同时存在

12、着加载区和卸载区。这两普通来讲围岩周边总是同时存在着加载区和卸载区。这两种区域往往是成对相隔分布的，其分布方位与初始地应力种区域往往是成对相隔分布的，其分布方位与初始地应力场的主向相关。沿着这个主向普通都为卸荷区或主要的能场的主向相关。沿着这个主向普通都为卸荷区或主要的能量释放区。对于三维空间来说其加卸载区的分布就更为复量释放区。对于三维空间来说其加卸载区的分布就更为复杂了。杂了。 (4)对脆弱围岩，由于普通的具有流变性能。在研讨开挖支护对围岩的作用时，不仅要思索推进过程中其空间坐标的变化，还应思索时间效应，就是时间和空间的双重效应。 (5)在对这种情况做数值分析时，应思索到其加卸载过程特定应

13、力途径和时间效应的特点。假设不符合上述的实践情况那么会得到不真实的结果。因此，时空仿真分析非常重要。 (6)由于复杂地层中的这些特点，其开挖和支护影响的科学分析实践上是一个对开放的系统的系统工程分析。施工过程中围岩与外界有十清楚显的能量交换。所以，今后的数值分析方法中应充分思索空间和时间双重作用下的能量耗散问题。 二、复杂地层的围岩力学模型及模拟方法复杂地层包含了众多的复杂地质条件，主要指两大类型常见的问题：复杂地层包含了众多的复杂地质条件，主要指两大类型常见的问题：一种是相对较为巩固的岩质，但其节理或断层发育，或地应力较高，一种是相对较为巩固的岩质，但其节理或断层发育，或地应力较高，或有渗漏

14、问题等或有渗漏问题等(水电工程为主水电工程为主)；一种那么为埋深大或地应力高的脆弱破碎地层一种那么为埋深大或地应力高的脆弱破碎地层(以煤矿等工程为主以煤矿等工程为主)。 (一一)节理发育围岩的根本力学特性节理发育围岩的根本力学特性大型水电工程，其围岩大多赋存有假设干组节理裂隙。围岩的稳定性大型水电工程，其围岩大多赋存有假设干组节理裂隙。围岩的稳定性那么主要取决于这些节理裂隙在开挖后的行为及对岩体强度和变形的那么主要取决于这些节理裂隙在开挖后的行为及对岩体强度和变形的影响。影响。这些节理多为构造形迹且成组出现，其分布多为断续性的。这种既非这些节理多为构造形迹且成组出现，其分布多为断续性的。这种既

15、非完全延续又非完全断开的介质，研讨起来难度很大。因此，采用以模完全延续又非完全断开的介质，研讨起来难度很大。因此，采用以模型实验和分析模型相结合的方法来进展模拟研讨，并将二者的结果进型实验和分析模型相结合的方法来进展模拟研讨，并将二者的结果进展对比，相互检验。最后在现场运用时以观测资料为根据，再用反分展对比，相互检验。最后在现场运用时以观测资料为根据，再用反分析和正分析的方法不断改良，以求不断完善析和正分析的方法不断改良，以求不断完善 1节理岩体的模型实验研讨 参照我国某些典型水电工程的节理围岩特点，如：二滩电站、小浪底电站、广州蓄能电站、李家峡电站等工程的围岩特点。以几种典型节理组合为研讨对

16、象开展了大量的节理岩膂力学特性研讨的平面模型实验。 节理岩体分为四种类型，用综合性包络线表示的四种岩体的整体强度，资料强度和节理面强度。采用了归一化的比强度的分析法，定义比粘聚力及比内摩擦系数为岩体或节理的目的与资料目的之比。 节理岩体的三种强度的相关关系可近似取节理岩体的整体内摩擦系数等于资料及节理面平均内摩擦系数；而节理岩体的整体粘聚力为资料及节理面平均粘聚力的2030。 2节理岩体的非线性力学模型及分析方法 (1)节理刚度法断裂损伤模型： 本模型是运用弹性体功的互等定律，引入传压和传剪系数Cn及Cr，在裂隙的变形参数上援用节理单元的法向和剪切刚度参数而推导出二维及三维问题的本构方程。损伤

17、演化方程不是采用裂纹的共线扩展，而是采用次生的拐折裂纹模型。其原理是运用断裂力学方法，并思索裂隙面闭合时产生内摩擦力和粘聚力。对二维情况，针对多组裂隙推导了损伤演化方程。 以上述推得的公式编制了计算程序。对裂隙岩体的变形及强度特性进展预测，并与相应的模型实验进展对比，获得了良好的效果。 (2)节理岩体加锚时的损伤断裂模型： 李术才等按应变能等效假设和自洽实际建立加锚条件下节理岩体的本构关系和损伤演化方程。推导出了压剪应力形状，张剪应力形状的本构方程和损伤演化方程。 张强勇等经过引入有效应力反映拐伤与塑性变形的耦合效应，导出了能量损伤演化方程。运用不可逆热力学定律、广义正交法那么和塑性损伤一致性

18、条件，建立了裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变外形状下的三维弹塑性损伤本构关系。同时还建立了锚杆支护的空间损伤岩锚柱单元模型。(二二)脆弱具流变特性围岩的力学模型及分析方法脆弱具流变特性围岩的力学模型及分析方法对于脆弱具流变特性的岩体，假设其初始地应力场属各向均匀场，并对于脆弱具流变特性的岩体，假设其初始地应力场属各向均匀场，并且围岩单一，那么可采用解析方法求解围岩稳定和支护计算。假设不且围岩单一，那么可采用解析方法求解围岩稳定和支护计算。假设不能满足此条件，那么可采用数值分析法分析计算。能满足此条件，那么可采用数值分析法分析计算。 1粘弹粘弹-粘塑性围岩的二维数值分析粘塑性围岩的二维数

19、值分析 对二维问题可采用反映围岩粘弹对二维问题可采用反映围岩粘弹-粘塑性特性的西源模型。经过分粘塑性特性的西源模型。经过分析粘弹性应变增量和粘塑性应变增量，求得该模型在三轴应力形状下析粘弹性应变增量和粘塑性应变增量，求得该模型在三轴应力形状下的普通表达式。的普通表达式。 采用上述模型和分析法可以利用有限元法分析相关地下工程的围岩采用上述模型和分析法可以利用有限元法分析相关地下工程的围岩稳定和支护方案问题。稳定和支护方案问题。 2围岩稳定的流变损伤分析 由于脆弱围岩在一定条件下发生显著变形时，往往产生大量裂隙从而发生扩容，因此运用流变损伤力学原理作稳定性分析是一种合理的选择。在损伤力学的运用上就

20、有有效应力和表观应力采用的Desai提出的基于各向同性损伤概念而提出的关系式。我国著名专家陈宗基先生曾提出了岩体扩容起始的判据。 流变损伤的本构方程采用等效应变的原理和以有效应力替代原来的表观应力，根据导出的损伤变量表达式，得到在某时段内表观应力增量与当前时辰的有效应力形状、损伤形状，以及该时段内损伤的变化及有效应力的关系式。 3围岩有膨胀性情况下粘弹塑性分析 当围岩中有遇水膨胀的岩层时，地层外水入渗、水工隧洞内的水外渗或施工用水都能够导致围岩膨胀。对较脆弱的围岩，这种膨胀力(或膨胀变形)将会与围岩流变变形相耦合而构成复合性压力作用在支护(衬砌)上。同济大学孙钧对这一情况提出分析模型和方法。根

21、据岩石膨胀实验结果的回归分析，得到了膨胀主向应变与主向应力间的关系式。在做出一些必要的假定之后，提出了相应的膨胀模型和本构方程，该模型将膨胀的计算问题归结为流变计算问题，在计算中思索了应力场和渗流场的耦协作用，也思索了岩石吸水后弹性模量和剪切强度的降低。第二节第二节 地下工程的优化分析及施工原那么地下工程的优化分析及施工原那么一、单一的软岩巷道开挖支护的优化分析和设计计算一、单一的软岩巷道开挖支护的优化分析和设计计算 我国当前地下工程特别是隧道工程的开挖支护设计主要还是根据围我国当前地下工程特别是隧道工程的开挖支护设计主要还是根据围岩分类。岩分类。目前除了可参考国际上的南非围岩分类法目前除了可

22、参考国际上的南非围岩分类法(RMR)和挪威围岩分类法和挪威围岩分类法(Q系统系统)以外，国内各大行业系统都有本人分类方法，以外，国内各大行业系统都有本人分类方法，1994年又出台了年又出台了一套国标分类法一套国标分类法(工程岩体分级规范工程岩体分级规范)。但这些分类方法仍都具有一定局限性，比如说对初始地应力要素的影但这些分类方法仍都具有一定局限性，比如说对初始地应力要素的影响有的分类就没有反映，有的方法中很难合理地将其量化。响有的分类就没有反映，有的方法中很难合理地将其量化。一些有代表性的开挖支护设计方法。一些有代表性的开挖支护设计方法。(一一)类比分析法类比分析法 李世辉等提出了一种将围岩分

23、类与简易的数值分析相结合李世辉等提出了一种将围岩分类与简易的数值分析相结合的方法。的方法。 其原理是将隧道围岩其原理是将隧道围岩-支护体系看成一种开放的复杂巨系支护体系看成一种开放的复杂巨系统。其方法由典型个体测试数据，分类与类比，并且先后统。其方法由典型个体测试数据，分类与类比，并且先后已开发了可实现人机对话便于现场运用的已开发了可实现人机对话便于现场运用的BMP等假设干等假设干系列性的程序，既可用于单一隧洞，也可用于洞群的反分系列性的程序，既可用于单一隧洞，也可用于洞群的反分析和正分析。已先后在引大入秦工程有关隧道和二滩导流析和正分析。已先后在引大入秦工程有关隧道和二滩导流洞工程等现场运用

24、，获得好的效果。洞工程等现场运用，获得好的效果。 (二二)围岩松动圈支护分类法围岩松动圈支护分类法 董方庭等经过多年在煤炭矿山巷道的实际并做了假设干模型实验进展验证而提出的。 其主要指点思想以为围岩失稳，主要是由于地应力重分布与围岩强度二者相互作用使围岩到达破坏的结果。 测试地应力和测取现场围岩强度都不是每个工程所能随便做到和测准的。但较易于实施测试的围岩松动圈却是这二者相互作用的结果。 此圈范围越大越难支护或说支护措施的代价和要求也越高。这时围岩的收敛位移也越大。 因此，用实测的该圈范围的大小进展支护分类，并且提出了相应的围岩支护分类表，在许多矿山获得了一定的胜利。 该法的一个缺乏之处是必需

25、在已实施开挖的巷道现场才干测到松动圈进而确定其分类级别。这说是说在施工之前难以进展支护方法的预设计。(三三)流变性围岩的支护设计计算及优化流变性围岩的支护设计计算及优化软岩巷道分为全部或部分围岩是软岩两种类型。软岩巷道分为全部或部分围岩是软岩两种类型。首先根据地质资料和现场或实验室岩膂力学实验数据判别所研讨的工首先根据地质资料和现场或实验室岩膂力学实验数据判别所研讨的工程围岩属于何种类型的本构模型，选取适宜的力学分析方式，并在思程围岩属于何种类型的本构模型，选取适宜的力学分析方式，并在思索尺寸效应条件下选用合理的力学参数。然后进展软岩巷道的稳定分索尺寸效应条件下选用合理的力学参数。然后进展软岩

26、巷道的稳定分析和支护设计。析和支护设计。 由于软岩在多数情况下流变效应都比较明显，因此对有时间效应的由于软岩在多数情况下流变效应都比较明显，因此对有时间效应的软岩，应采用软岩，应采用“流变力学设计的方法。流变力学设计的方法。当初始应力场为非均匀场时，可选用适宜的本构模型当初始应力场为非均匀场时，可选用适宜的本构模型(如弹塑性、粘如弹塑性、粘弹塑性或流变损伤模型等弹塑性或流变损伤模型等)用数值方法做分析，确定一次、二次支护用数值方法做分析，确定一次、二次支护的刚度和二次支护的合理时机的刚度和二次支护的合理时机(或用现场变形监测曲线来确定此时机或用现场变形监测曲线来确定此时机)。对此类软岩当初始应

27、力场为均匀应力场时对此类软岩当初始应力场为均匀应力场时(即远区的即远区的PV=Ph时时)，可以，可以用解析方法来做支护的优化设计用解析方法来做支护的优化设计(确定刚度、合理支护时间等确定刚度、合理支护时间等)。如朱维申曾提出粘弹如朱维申曾提出粘弹-塑性围岩，其支护上的应力形状的切向分量表塑性围岩，其支护上的应力形状的切向分量表达式阐明，衬砌上荷载是与其设置时间、当时塑性区大小、衬砌与围达式阐明，衬砌上荷载是与其设置时间、当时塑性区大小、衬砌与围岩剪切模量比及各种物理、力学、几何参量有关的函数。衬砌设置愈岩剪切模量比及各种物理、力学、几何参量有关的函数。衬砌设置愈晚，荷载愈小。晚，荷载愈小。在研

28、讨软岩巷道设计和支护方案及其实施的合理时机时，有时为了更在研讨软岩巷道设计和支护方案及其实施的合理时机时，有时为了更好地思索时间和空间效应，要进展轴对应的围岩应力分析或三维数值好地思索时间和空间效应，要进展轴对应的围岩应力分析或三维数值分析。以研讨超前台阶开挖或大断面的巷道的分部开挖以及随后的支分析。以研讨超前台阶开挖或大断面的巷道的分部开挖以及随后的支护效应，并做多方案的比较。这可以在施工前进展预分析。施工开场护效应，并做多方案的比较。这可以在施工前进展预分析。施工开场后进展反分析或反响分析以调整最初的施工方案，使后续方案更为优后进展反分析或反响分析以调整最初的施工方案，使后续方案更为优化。

29、化。(四)复合支护构造的计算孙钧对隧道孙钧对隧道(或巷道或巷道)的围岩稳定和支护提出了两种承载的概念。的围岩稳定和支护提出了两种承载的概念。对中等强度的围岩，应尽量采用喷锚支护使围岩构成一个对中等强度的围岩，应尽量采用喷锚支护使围岩构成一个(第二类第二类)承承载环以保证隧道的稳定。载环以保证隧道的稳定。对较脆弱的围岩，那么必需采用锚喷支护以外的附加支护以构成第二对较脆弱的围岩，那么必需采用锚喷支护以外的附加支护以构成第二类承载环。类承载环。对第二类承载环假设采用二层构造的复合支护方式，提出了相应的适对第二类承载环假设采用二层构造的复合支护方式，提出了相应的适用计算方法。其中包括：根据构造特点，

30、认定喷层和内衬构造的内力用计算方法。其中包括：根据构造特点，认定喷层和内衬构造的内力主要由形变压力产生；而后者的构成和分布规律与围岩变形的依时性主要由形变压力产生；而后者的构成和分布规律与围岩变形的依时性特征相关。该依时性可简化地用三单元粘弹性模型表述；由形变压力特征相关。该依时性可简化地用三单元粘弹性模型表述；由形变压力产生的复合支护内力可借助变形协调条件建立计算方法。该种支护的产生的复合支护内力可借助变形协调条件建立计算方法。该种支护的截面设计要进展抗剪、抗压、抗拉才干和洞径向张应变的验算。截面设计要进展抗剪、抗压、抗拉才干和洞径向张应变的验算。 (五五)大断面软岩巷道分部开挖支护过程大断

31、面软岩巷道分部开挖支护过程的仿真模拟的仿真模拟 由于软岩的非线性性质，模拟其开挖支护的真实过程非常重要，由于过程不同其结果也会相差很大。 朱合华根据此问题的特点，建立了一种施工动态仿真数值方法。用该法可在施工设计阶段预先模拟施工过程。还可在施工中进展动态反演分析，并研发出一种集成化的通用软件系统。陈锦清、陈钧等也曾对大断面巷道采用不同分部开挖方案时的围岩塑性区和收敛位移值做了分析比较。阐明各种方案的结果也有相当大的差别。二、复杂地层中建筑隧道的指点原理二、复杂地层中建筑隧道的指点原理据不完全统计，我国在铁路部门已建成的隧道已超越据不完全统计，我国在铁路部门已建成的隧道已超越5 000座，总长座

32、，总长超越超越2 000km。自新奥地利施工法传人我国以来，我国的建筑阅历和。自新奥地利施工法传人我国以来，我国的建筑阅历和技术实践上已在多方面超出了新奥法。王萝恕提出应总结并构成技术实践上已在多方面超出了新奥法。王萝恕提出应总结并构成“中中国隧道建筑法。他以为应以岩膂力学原理为根底，以支护与围岩共国隧道建筑法。他以为应以岩膂力学原理为根底，以支护与围岩共同作用的现代支护实际为根据，抓住四大原那么：同作用的现代支护实际为根据，抓住四大原那么：(1)一切施工方法和支护手段要严密围绕维持围岩稳定的目的；一切施工方法和支护手段要严密围绕维持围岩稳定的目的；(2)把支护和围岩视做共同承载构造；把支护和

33、围岩视做共同承载构造；(3)用现场量测实验了解和掌握围岩用现场量测实验了解和掌握围岩_支护体系的力学动态，进展反响支护体系的力学动态，进展反响设计和施工；设计和施工；(4)开挖后及时加固，稳定围岩；开挖后及时加固，稳定围岩；(5)开挖处于时空不断变化中，应使开挖系统具有整体性、有序性、开挖处于时空不断变化中，应使开挖系统具有整体性、有序性、反响性、动态性等，使之处于人为的控制之中。反响性、动态性等，使之处于人为的控制之中。 衬砌构造。以三种方式运用于不同条件：(1)专长、长大隧道应采用复合衬砌构造。初期支护有锚、喷、网和钢拱架等组成。二次衬砌由模筑混凝土或钢筋混凝土组成；(2)普通中长隧道可用

34、单层模筑混凝土衬砌，有时也可先用暂时喷锚支护；(3)地层强度高，围岩完好性好时，可采用单层喷锚永久支护构造。应确立两个设计阶段的法规：一是预设计；二是施工中的信息化反响设计，后者更为重要。环境管理(防排水)。根据不同环境及要求，要确定是以排堵结合以排为主还是以堵为主的原那么，并设计好排水系统。留意环境的综合治理，为现场工人减少身心危害和负担。 施工方法。提出了共施工方法。提出了共20余条施工要点，以保证在围岩稳定余条施工要点，以保证在围岩稳定的条件下平安施工。其要点主要包括以下方面：的条件下平安施工。其要点主要包括以下方面： 1快速施工。用矿山法时，好岩石可全断面开挖，或快速施工。用矿山法时，

35、好岩石可全断面开挖，或先导坑后扩展，或加设辅助导坑等；先导坑后扩展，或加设辅助导坑等； 2脆弱地层。应采用正台阶法施工，绝不能采用半断脆弱地层。应采用正台阶法施工，绝不能采用半断面超前施工又不设仰拱的方法，应尽快构成一次支护的封面超前施工又不设仰拱的方法，应尽快构成一次支护的封锁断面是胜利的关键；锁断面是胜利的关键； 3开挖后及时放射混凝土，加设短锚杆。在恶劣条件开挖后及时放射混凝土，加设短锚杆。在恶劣条件下采用超前支护、注浆加固，不允许过多释放围岩的变形下采用超前支护、注浆加固，不允许过多释放围岩的变形能；能； 4特大断面，据不同条件可采用中隔墙法、中隔墙交特大断面，据不同条件可采用中隔墙法

36、、中隔墙交叉台阶法、双侧壁导坑法等；叉台阶法、双侧壁导坑法等； 5脆弱围岩中实施管超前、严注浆、短进尺、强支护、脆弱围岩中实施管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封锁、勤量测的紧封锁、勤量测的18字方针；字方针； 6支护顺序为一次支护自上而下进展，待围岩稳定后再支护顺序为一次支护自上而下进展，待围岩稳定后再做二次衬砌，这时应自下而上进展。底部混凝土先铺，对做二次衬砌，这时应自下而上进展。底部混凝土先铺，对围岩稳定至关重要；围岩稳定至关重要； 7因施工对地层扰动深度普通在因施工对地层扰动深度普通在2.02.5m，因此尽速设，因此尽速设置长度为置长度为24m的中短锚杆较适宜；的中短锚杆较适宜； 8超

37、前地质预告已日趋成熟，应正式列入工序环节；超前地质预告已日趋成熟，应正式列入工序环节； 9监控量测是中心任务，必需作好，重点留意一倍洞径监控量测是中心任务，必需作好，重点留意一倍洞径处的隧道变化。处的隧道变化。三、大型洞室及其群体的稳定性和施工三、大型洞室及其群体的稳定性和施工方案的优化分析研讨方案的优化分析研讨 在大型水电工程中地下洞室群体的规模往往很大，构造复杂。大多由二个大洞室或三个大洞室以及它们间的许多联络通道组成。而在矿山，比如井底车场或采场附近也是巷道密集的部位所在。在复杂地层中开挖这类工程群体，其开挖支护顺序和方案对围岩稳定的影响至关重要。 朱维申等在前述的施工过程力学原理指点下

38、，提出了用动态规划的方法和人工智能技术相结合的方法来做多要素多方案的优选任务 (一)动态规划分析法 动态规划是处理最正确化问题的一种特殊途径。他可把一个n维最优问题变换为n个一维最正确化问题。它的一个最重要的特点是把一个复杂的系统工程决策问题化为分段决策问题。该方法中的关键元素是级、形状、决策、变换和效益。 我们在确定施工顺序的优化方向时采用的判据，即收益函数，用的是围岩中塑性区(当用弹塑性模型时)或损伤区(当用断裂损伤模型时)的面积多少作为决策根据。(二二)人工智能技术的运用人工智能技术的运用 大型洞群分部开挖施工顺序的能够组合非常多，假设有两个大洞室那么施工排序方案能够有百余种，对三个大洞

39、室那么将达上千种，假设全部用手工陈列，任务量很大且易脱漏。另外，在做优化分析时需预备的计算用的数据文件也非常浩繁。因此，对这两方面任务运用人工智能技术来处理，将洞室群分部开挖自动排序，数值计算所需数据文件自动生成，结果效果良好。第三节第三节 地下工程围岩变形反分析方法的研讨地下工程围岩变形反分析方法的研讨进展进展 一、反分析方法的研讨进展一、反分析方法的研讨进展 从从70年代起，日本、美国、意大利等学者就开场进展年代起，日本、美国、意大利等学者就开场进展了岩体位移反响实际和运用的研讨。其中最有代表性的是了岩体位移反响实际和运用的研讨。其中最有代表性的是日本的樱井春辅提出的位移日本的樱井春辅提出

40、的位移-应变反响确定初始地应力与应变反响确定初始地应力与地层弹性参数的有限元法。其特点是设岩体的垂直向地应地层弹性参数的有限元法。其特点是设岩体的垂直向地应力近似等于自重应力，程度向地应力和地层的力近似等于自重应力，程度向地应力和地层的E、值可值可以用多次反复计算来确定。以用多次反复计算来确定。 90年代，开展了弹塑围岩中的一种简化适用的反分析法。年代，开展了弹塑围岩中的一种简化适用的反分析法。意大利的意大利的Gioda研讨了多年，也提出可同时确定初始地应研讨了多年，也提出可同时确定初始地应力和地层参数的优化反演实际及方法。力和地层参数的优化反演实际及方法。 杨志法在杨志法在80年代初提出了对

41、弹性介质围岩运用位移图谱法年代初提出了对弹性介质围岩运用位移图谱法做反分析的方法。做反分析的方法。 其原理是将初始地应力荷载分解为四种方式。对不同工程其原理是将初始地应力荷载分解为四种方式。对不同工程条件，其实践初始地应力可由上述四种方式的某种组合叠条件，其实践初始地应力可由上述四种方式的某种组合叠加而成。再设定几种的典型洞型作为规范洞型。经过计算加而成。再设定几种的典型洞型作为规范洞型。经过计算分析，对它们分别得出与各类荷载相应的位移值，并将其分析，对它们分别得出与各类荷载相应的位移值，并将其绘制成一系列图谱。假设实践工程的计算剖面与绘制成一系列图谱。假设实践工程的计算剖面与“规范洞规范洞型

42、几何类似，并且约束条件和弹性方程也类似，那么即型几何类似，并且约束条件和弹性方程也类似，那么即可利用图谱根据实测位移，直接得出初始地应力或地层的可利用图谱根据实测位移，直接得出初始地应力或地层的弹性参数值。弹性参数值。 吕爱钟等对弹性介质位移反分析做了参数辨识的多方面研吕爱钟等对弹性介质位移反分析做了参数辨识的多方面研讨。并对现场位移测点讨。并对现场位移测点(线线)的最优布置等做了较系统的研的最优布置等做了较系统的研讨，以便提高位移反分析的精度。再利用此类反分析确定讨，以便提高位移反分析的精度。再利用此类反分析确定地下构造载荷时对所遇到的解的不稳定性问题做了全面的地下构造载荷时对所遇到的解的不

43、稳定性问题做了全面的研讨，获得了成果。研讨，获得了成果。 王芝银等对反分析问题中的非线性问题、时间相关性问题、王芝银等对反分析问题中的非线性问题、时间相关性问题、空间效应以及如何消除测前丧失位移的影响方面做了较深空间效应以及如何消除测前丧失位移的影响方面做了较深化的研讨。并就粘弹性、粘弹塑性问题和三维反分析等方化的研讨。并就粘弹性、粘弹塑性问题和三维反分析等方面提出了相应的反分析方法和适用性较强的程序设计面提出了相应的反分析方法和适用性较强的程序设计 90年代杨林德、冯紫良、朱合华等也出版专著全面系统地论述了国内外反响实际及运用的现况。除了对弹性、粘弹性及弹塑性问题做了研讨外，还详细地引见了非

44、线性反响问题中的优化搜索和目的函数的逼近问题的诸多方法。该项任务中还特别研讨前人很少涉及的非线性问题的摄动数值法以及围岩本构关系和模型识别问题。对后一问题，着重讨论了确定性形变场的模型辨识和多介质资料的模型识别。并给出了许多工程运用的算例。 由于岩土力学的非确定性特征很明显，孙钧、蒋树屏等在其共同撰写的专著(岩土力学反演问题的随机实际与方法 )中系统论述岩土力学反问题的建模原理和方法，包括处置观测中不确定性的最优目的函数、模型的不确定性等问题；洞室围岩变形随机预告的原理和方法；稳定的可靠性评价；对洞周围岩的非确定性非线性动态问题，那么采用扩张卡尔曼滤波器的有限元的根本原理和方法进展研讨， 第四

45、节第四节 大型洞群的工程运用大型洞群的工程运用 一、淮南煤矿软岩巷道支护实验研讨一、淮南煤矿软岩巷道支护实验研讨 淮南某煤矿石门大巷，埋深淮南某煤矿石门大巷，埋深640m。其围岩岩性。其围岩岩性为砂岩和页岩互层。岩体裂隙发育，含水量高、为砂岩和页岩互层。岩体裂隙发育，含水量高、易风化、强度低。程度向构造应力及垂直向应力易风化、强度低。程度向构造应力及垂直向应力均较大。附近已掘巷道矿压显现严重。程度和垂均较大。附近已掘巷道矿压显现严重。程度和垂直向收敛值达直向收敛值达16.5mmd和和45.2mmd。巷道。巷道成巷后两个月内料石碹即被压跨。有的地方用每成巷后两个月内料石碹即被压跨。有的地方用每米

46、米3架架29#U型钢支架也未能处理问题。型钢支架也未能处理问题。 武汉岩土力学所进展的此项研讨那么决议采用锚武汉岩土力学所进展的此项研讨那么决议采用锚喷网的自动支护方式，并引入新的研讨和运用技喷网的自动支护方式，并引入新的研讨和运用技术经过实验巷道来进展研讨。术经过实验巷道来进展研讨。 (一)综合性的现场和实验室实验测试和分析研讨 为了能弄清巷道所在区域的初始力学条件和围岩力学性质，进展了以下方面的测试和分析任务：(1)初始地应力现场测试；(2)岩膂力学特性大型现场双轴实验；(3)软岩物理化学特性实验；(4)软岩巷道支护的模型实验；(5)可伸缩锚杆研制；(6)柔性喷层资料研制；(7)松动圈测试

47、；(8)围岩变形的深部和外表量测；(9)锚杆受力量测；(10)二维与三维的非线性数值正反分析；(11)现场开挖和支护的实施及综合治理。 (二)巷道断面和支护方案确实定巷道埋深大及程度地应力高(实测程度向最大约为15.7MPa)，且岩体较破碎，将巷道断面设计成双圆拱型，毛洞高515cm，宽600cm。支护方式改被动式的衬砌或钢拱架为锚喷网这种自动支护方式。 支护参数设计以模型实验和初期的非线性有限元分析结果为根据。初始地应力场取重力应力和程度向应力的平均值16.15MPa。思索到围岩中有一定塑性区，应力集中会有均化趋势，因此取集中系数为1.5，那么紧邻围岩中应力强度约为24.23MPa。参照模型

48、实验结果，假设采用优化的“倾斜交叉布锚法，估计可提高围岩强度1.3至1.5倍，经加固后的岩体强度约可到达28.73MPa，支护参数根本上能满足巷道的稳定要求。 运用非线性有限元计算和模型实验的结果都阐明，假设运用“倾斜交叉布锚法，围岩塑性区约在1.5m，因此选定锚杆长度为1.7m，间排距为600mm600ram。上述的支护参数是预设计的结果，以后可以根据现场支护效果，用反响分析法再做适当调整。 (三)可伸缩锚杆和柔性喷层资料的研制 根据数年前在该矿的上程度洞进展围岩变形测试的结果，巷道收敛变形量可达洞径的3以上。再根据现场岩膂力学实验、岩体的变形模量估计约在(14)103MPa。因此，要求锚杆

49、具有顺应大变形的才干。经测算，锚杆的可伸缩量约为50mm或更多。其初锚和终锚力那么应在329.4kN和549kN。由于倾斜交叉布锚法要求锚杆有较好的侧向剪切刚度和强度。因此锚杆的直径不能太小。根据上述要求，研制了三种类型的有伸缩性的锚杆： (1)全长粘结与端部锚固相结合的复合伸缩式锚杆； (2)摩擦式伸缩管缝-钢筋复合性锚杆； (3)树脂锚固加孔口伸缩式锚杆。现场实验以第一种锚杆为主。 为顺应巷道的大变形，防止喷层的开裂和零落，研制成一种强度和变形量都能到达要求的柔性喷层资料配方。其要点是： 在现有喷层资料中添加了一种高分子聚合物和速凝剂。其强度在28天之后都可到达1822MPa。而变形量那么

50、根据添加剂的多少最后可到达56，即为现有普通喷层资料的810倍，可见其性能是良好的。 (四)可缩可转型接头的预制大弧板软岩洞室支护的研制 在岩体流变和大变形继续开展比较明显的极软岩洞室工程中，作为另外一种可行的比较方案，在国家第七个五年方案攻关工程中，孙钧等曾研制了一种“边支边让、“先柔后刚、可缩可转型接头(待变形趋于稳定后再焊接)的预制钢筋混凝土大型弧板支护，其后背与围岩间充填特殊设计的衬垫资料，在淮南煤矿某处大跨度基建巷道中进展了工业性实验并获得胜利。 (五)围岩收敛的非线性和流变力学分析 在施工期间还进展了流变力学的正反分析。根据现场实验结果，选用弹-粘塑性模型并思索破坏后的剩余强度。利

51、用开挖后32天的实测程度收敛值，推算岩体的C、及2，求得参数为C=0.9MPa，=22.5O，2=8.3104MPa.h 运用反分析所得参数再做巷道稳定性的正分析，结果阐明围岩塑性区随时间推移而增大，在两帮深度可达2.0m左右。两侧收敛量最大达160mm。但开挖50天后，位移变化已很小，位移速率降到0.4mmd。从正反分析所得巷道程度收敛最大值为16cm。而现场实测的最大收敛值为11cm左右。思索测点的滞后埋设，假设设任务面前方漏测和滞后埋设所欠测为应有总量的13，那么可估出全部实测值约为5.5cm，那么实测收敛值应为16.5cm，可见此值与计算值16cm是相当接近的。这也阐明本工程计算模型和

52、有关参数的取值是合理的。 (六)现场实时监测及结果 最初的支护设计和施工是在前述的一系列现场实验研讨根底上，根据初步的数值分析和阅历类比确定的。需在施工的实施过程中进展必要的现场量测，以期掌握围岩的动态，用以检验原方案的正确性和在以为需对原方案做修正时得到一定的根据。同时为确定最正确二次支护和底拱施工的时间以及计算判别巷道长期稳定性提供必要的资料。在该实验巷道里共进展了以下四个工程的量测： 1收敛量测 巷道的收敛变形显示，由于采用了特殊的“倾斜交叉布锚法和新型可伸缩锚杆及柔性喷层，明显地约束了巷道的变形。其变形率在巷道开挖后的40天左右已减少到0.1mmd。经过3个月的时间考验变形已趋于稳定。

53、 2深部多点位移计量测 多点位移计因施工干扰已有所滞后，但埋设8天后，位移量开场明显增大。至30天左右最大值已达1023mm。量测曲线显示，顶拱有整体下沉趋势，但在40天左右变形都渐趋稳定。 3锚杆受力量测 埋设在上拱左右斜上方的量测锚杆测得的变形量较大。其应力均已超越资料的弹性极限，有的高达60kN以上，接近其断裂值。当后来调整锚杆密度由600mm600mm到400mm400mm之后，其应力量值有所缓和，拱部锚杆受力相对较小，进一步阐明顶拱有整体下沉趋势。 4松动圈测试 运用钻孔声波法对巷道围岩在开挖后的15天、40天和70天分别进展了测试。经分析可得到以下结果：(1)围岩波速较低，最低可达

54、900ms，最高也只需2000ms；(2)随时间推移围岩波速逐渐降低，松动圈也有扩展趋势，但最终到达稳定；(3)除巷道壁面之内左右为爆破松动区外，从0.51.5m范围内波速向深部方向由低变高为一过渡区。在1.52.0m深度范围之外波速转向正常值。 实验巷道实践开挖支护约35至40天后，围岩变形测试和锚杆受力测试数据已根本趋于稳定。巷道收敛速率已小于0.1mmd。根据国内大量实际阅历，普通都以为该速度小于0.2mmd，即可以为变形根本稳定。因此，在这时即安排进展第二次常规喷混凝土的复喷任务，以构成二次支护。 五、金川镍矿二矿区不良岩层巷道稳定性研五、金川镍矿二矿区不良岩层巷道稳定性研讨讨金川镍矿

55、是我国最大的镍消费基地，也是我国三大资源综合利用基金川镍矿是我国最大的镍消费基地，也是我国三大资源综合利用基地之一。该矿最大的是二矿区，其储量占全矿的地之一。该矿最大的是二矿区，其储量占全矿的75。该矿区是我国初始地应力全国最高的地域。历史上地质构造运动长该矿区是我国初始地应力全国最高的地域。历史上地质构造运动长期活动，岩浆岩的侵入及相互交叉，使矿区岩层完好性遭到剧烈破期活动，岩浆岩的侵入及相互交叉，使矿区岩层完好性遭到剧烈破坏。矿井的巷道经常发生冒顶片帮。以坏。矿井的巷道经常发生冒顶片帮。以1 250m中段为例，一年内片中段为例，一年内片冒塌方达冒塌方达169次之多。大部分发生在地质条件差的

56、不良岩层中。所谓次之多。大部分发生在地质条件差的不良岩层中。所谓不良岩层主要指二辉橄榄岩。初步估计采准巷道的不良岩层主要指二辉橄榄岩。初步估计采准巷道的50，开辟巷道，开辟巷道的的2030，采区的，采区的6070属这类岩体。属这类岩体。决议在二矿区决议在二矿区1200m中段的一条围岩为二辉橄榄岩的巷道中安排了中段的一条围岩为二辉橄榄岩的巷道中安排了全面的实验方案作为实验巷道。其埋深为全面的实验方案作为实验巷道。其埋深为530m。 研讨方案共分了七个子题：研讨方案共分了七个子题： (1)二辉橄榄岩工程地质力学特性研讨；二辉橄榄岩工程地质力学特性研讨； (2)实验巷道工程设计和施工研讨；实验巷道工

57、程设计和施工研讨； (3)岩体变形模量时效研讨和三轴流变现场研讨；岩体变形模量时效研讨和三轴流变现场研讨； (4)巷道围岩变形特性研讨；巷道围岩变形特性研讨； (5)巷道围岩应力丈量；巷道围岩应力丈量； (6)断层泥物化性质和膨胀特性研讨；断层泥物化性质和膨胀特性研讨； (7)巷道稳定有限元流变分析。巷道稳定有限元流变分析。 其中其中(3)、(4)、(7)项内容是研讨的重点。项内容是研讨的重点。二辉橄榄岩中二辉橄榄岩中、V级构造面发育，按产状分达级构造面发育，按产状分达5组以上，切割成的组以上，切割成的构造体为构造体为0.20.6m，呈镶嵌碎裂构造。，呈镶嵌碎裂构造。 围岩的水文地质条件简单，

58、部分含裂隙脉状水，在破碎带有裂隙水围岩的水文地质条件简单，部分含裂隙脉状水，在破碎带有裂隙水渗流。个别钻孔涌水，水量为渗流。个别钻孔涌水，水量为1td，以后逐渐减少。，以后逐渐减少。 根据构造类型实验巷道的根据构造类型实验巷道的37m长度中可分三段。其长度分别为长度中可分三段。其长度分别为10m、10m、17m左右。左右。第一、三段属碎裂介质。其岩块强度较高，但其岩体变形破坏受第一、三段属碎裂介质。其岩块强度较高，但其岩体变形破坏受、V级构造面控制。在宏观上岩体变形量大，扩容景象明显，且具强流级构造面控制。在宏观上岩体变形量大，扩容景象明显，且具强流变性。变性。第二段属块裂介质。第二段属块裂介

59、质。 、和和V级构造面都发育。围岩变形主要受级构造面都发育。围岩变形主要受级构造面控制，沿该面滑移或紧缩变形。巷道施工中应重点加固级构造面控制，沿该面滑移或紧缩变形。巷道施工中应重点加固类构造面，否那么易发生冒顶或片帮。类构造面，否那么易发生冒顶或片帮。 (一)岩膂力学现场实验和观测 难度和任务量最大的三轴流变强度特性实验共开挖了四块试件。岩体变形特性时效实验采用刚性垫板法。围岩应力丈量采用应力恢复法。共6个测点。围岩变形观测布设了二个断面的多点位移计共6个测孔。内空收敛丈量那么布设了5个断面。还布测了6根量测锚杆做位移丈量。在断层带的三个取样点提取断层泥作为物理化学分析的样品。 岩体弹模实验

60、采用承压面积为45cm45cm的刚性垫板法实验，最大荷载P=150t。为了对比还对同类岩性的岩块用美国MTS刚性压力机做了实验室抗压实验。现场岩体和小岩块弹模实验结果的对比，见表6-3。 现场三轴紧缩流变强度实验的试体开挖尺寸为65cm65cm130cm。垂直荷载由四个并联的千斤顶施加，总出力11.76MN。四个侧面压力钢枕加载最大内压10.1MPa，试体变形由电感位移计和百分表测试。 根据实验曲线可求得单轴紧缩时E=4.3103MPa，=0.25，而三轴情况时E=(7.58.19)103MPa，=0.28。假设以试体V曲线最大紧缩点为强度根据，可根据包络线分析求得岩体C=1.0MPa；=33