地下结构工程第讲讲稿七

4.4地下结构稳定分析主要方法1、地质分析法2、工程类比法3、岩体结构分析法4、数值分析法5、地质力学模型试验法1、地质分析法通过地质勘测手段，了解与围岩稳定有关的岩石、岩体特性，区域与局部地质构造、岩体地应力场、地下水等等几个主要因素的特点，通过区域综合分析，确定洞室稳定性。这往往是地质人员使用的主要方法2、工程类比法根据拟建的工程区域的地质条件、岩体特性和工程特征，通过与类似条件下已经建成的、成功或失败的地下工程实例的对比，进行验算和综合分析，从而判断拟建的地下结构工程的围岩稳定性。3、岩体结构分析法了解岩体结构和弱面强度性质，以及地应力分布情况后，可根据地下结构设计和施工方案确定所谓“工程力”，即由施工开挖、建造引起的卸载或加载力。再借助赤平极射投影、实体比例投影、或块体坐标投影法等进行图解分析，初步从几何关系和运动学角度判断岩块的稳定。在上述步骤的基础上，再采用极限平衡理论，对由“弱面”和凌空面组成的“可能的布稳定块体”进行稳定性校核计算，求出块体上的抗滑力和滑动力之间的比值，即得到块体的稳定安全系数。这种方法实际上也形成了数值方法中的块体分析理论的基础。4、数值分析法(1)数值分析方法的类型伴随电子计算机的应用而发展起来的现代计算力学数值分析方法，现在已经成为地下洞室围岩稳定分析的最重要的手段之一，在近三十年的时间里，发展速度之快、应用范围之广都是惊人的。用于连续介质的有：有限单元法（FEM）、边界单元法(BEM)、拉格郎日元法(FLAC，FastLagrangionAnalysisforContinua,2Dand3D)；用于非连续介质的有：关键块体理论（KBT,KeyBlockTheory）、离散元法(DEM,DiscreteElementMethod)、不连续变形分析法(DDA,DiscontinuedDeformationAnalysis)；可同时用于连续介质和非连续介质的数值流形法(MEM,NumericalManifoldMethod)等等。上述各种方法之间的耦合方法(Coupling)，基于逆向思维而提出的上述各种方法的反演分析(InverseAnalysis)方法，以及与优化理论相结合的反馈分析(FeedbackAnalysis)方法，目前也在地下洞室稳定分析中得到广泛的应用。但是，应用最广、最可靠、结果最稳定的还当属有限元方法。(2)应用有限元法进行洞室稳定分析的注意点(a)二维分析时，首先应根据厂区的地质资料做好厂房横剖面的选定工作，要注意寻找最危险的地质横剖面，尤其应注意那些不利的地质构造面的位置。(b)根据地质资料，确定岩体及构造面的力学参数，及可能的变动范围。(c)地应力的确定，可根据有限的地应力实测资料对厂区的地应力场作回归分析，结果正确与否，在于对试验洞或初期开挖阶段实测位移的拟合情况。(d)由于岩体类型的差异，其变形及强度性质干变万化，相应的本构模型也种类繁多。所用有限元程序的本构模型和破坏准则应能模拟岩体的实际情况。理想的模拟比较困难，但应使模型和岩体实测资料在大部分岩体的工作范围内可较好地拟合。数值方法研究的最新进展不但体现在对较为成熟的数值方法，如有限元、边界元、离散元法等的不断更新和发展，对现有大型商业程序的二次开发，同时也体现在不断有新的算法和程序的出现。如对三维离散元和三维DDA程序成功开发，以及刚体有限元法、广义有限元法、运动单元法、界面元法、无单元法的提出等等。用于系统优化和人工智能方法的遗传算法、蚁群算法、细胞发生器算法和模拟退火算法等等。5、地质力学模型试验试验研究方法包括现场试验方法和室内模型试验方法，也是保证地下工程正确设计、安全施工的必不可少的一种研究方法。它与数值计算方法相辅相成，互相验证，优势互补。近年来也有很大进展。大型三轴刚性伺服实验机已经较广泛地用于岩石材料全应力路径参数测定。电镜扫描和CT技术已用于岩体材料的微观或细观结构研究。各种地应力测量技术，如应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、X射线法、重力法等也广泛应用于地下洞室工程。就二维和三维物理模型试验来说，由于模型是真实的客观物理实体，更能真实地全面地反映出各种结构在空间和时间上的相对关系，以及它们在施工或运行过程模拟中的力学性征，因而历来在水利水电工程设计中受到重视。水力学模型试验、泥沙模型试验、研究坝体和基础共同作用的地质力学模型试验等，已经有了较为成熟的试验技术，并取得了丰富的成果。地质力学模型试验方法即按照一定的相似理论，采用适当的模型材料，模拟实际的岩体结构、材料特性、地应力场分布和地下结构工程开挖及支护方式。通过接触或非接触测量手段，了解地下结构围岩的变形分布、应力分布、屈服破坏形态和破坏过程，从而对地下结构稳定性作出评价和预测。但是地下洞室工程的模型试验却由于难度太大而相对发展较慢。以往的地下工程的模型试验规模很小，大都是二维的，试验条件也进行了很大的简化。例如1985年进行的二滩地下厂房的二维平面应变模型试验，模型几何比尺为1:350，应力场是均匀应力场，模型平面倒置在地面，不考虑自重应力等。还有的模型洞室是事先制作好的，洞室内部充填刚性块体，模拟开挖时，将块体逐一抽出。这些当然都与工程实际相差过大。究其原因，最主要的则是模拟地下洞室施工过程的三维模型试验难度太大。例如三维地应力场的模拟原理和技术、洞室群开挖尤其是内部洞室隐蔽开挖技术的实现、内部物理量量测方法等等，因而几十年来一直没有显著进展。大型地下洞室群三维模型试验由于地下水电站向超大型、多洞室、高地应力方向的发展，进行地下厂房洞室群大型三维地质力学模型试验这一极具挑战性的任务，提到了议事日程。国家电力公司成都勘测设计研究院和清华大学水利水电工程系在这一点上达成共识，为开展超大型地下洞室群三维地质力学模型试验研究工作创造了条件。通过发挥清华大学综合性大学的优势，与清华大学机械学院、中国水科院以及国际研究机构合作，采用离散化多主应力面三维加载系统、步进机械臂和微型掘进机技术、微型高精度位移量测技术、声波测试技术、光纤测量及内窥摄影技术等，解决了地下洞室群地质力学模型试验中的复杂三维地应力场仿真、隐蔽开挖模拟及内部量测等关键技术问题，取得了突破性重要成果。经验判断地下洞室的稳定对于中等强度、结构面不发育的较完整岩体，可以看作均质、各向同性材料；如果地应力以自重应力为主，可以作如下经验判断（设岩体强度为Ro，自重应力为o＝h）条件稳定性支护措施o/Ro0.12~0.15稳定薄层喷砼5～10cm0.12o/Ro0.3基本稳定喷砼10～15cm0.3o/Ro0.5临界状态锚杆＋挂网喷砼15cmo/Ro0.5不稳定封闭式钢筋砼衬砌4.5地下洞室的支护为保证施工的安全和地下结构的长期稳定，适当的支护是完全必要的。近30年来，对支护的认识发生了革命性的改变，过去盛行了50多年的普氏理论被新奥法的新概念所代替。人们认识到支护并非唯一的保持地下结构围岩稳定的手段，发挥围岩的自承能力，使支护与围岩相互作用，共同形成稳定的复合承载环，才是最为经济有效的支护方式。但是尖究竟巩采用盈哪一怀种支隐护方袄式，透应该谈视地乳质构悦造、博岩体层强度卖、原卧始应绵力、强洞室宽布置仔的不残同而矿分别翠考虑。一般钱支护风型式垄有三军种：1、纠柔性磁支护2、受刚性铲支护3、声复合赖型支抗护1、复柔性舟支护如喷彻砼、适钢纤岂维喷瓣砼、单钢筋觉网喷猾砼、碑自应趴力锚瓶杆、挤预应扭力锚些杆、肢预应轰力锚变索等脾等，统以及纱它们止的组宽合2、强刚性遭支护如现光浇混伶凝土和衬砌盛、钢逢筋混蜓凝土块衬砌渐、预哥制钢菜筋混勤凝土聚衬砌妙管片漂、钢狼拱架洒配合摆较厚雅的喷碑混凝壤土等浓刚度浪很大希的支伟护3、抄复合伐型支御护即采丑用柔自性支糕护作尚为初郊期支仁护或表称为软一次争支护诞，以栏保证益施工蛙期的旅稳定夸和安胃全；洲待围遥岩变乎形趋煌于稳旨定后摧，采学用刚雄性支浓护作百为永提久性辆支护狗或称雨为二浊次支攀护，瓦以保列证运洞行期刷的长流期稳扣定，仙同时震增加煤运行毯人员料的安雹全感斑。对于过水招隧洞等则又下起到坡减少隐糙率剥的作荡用。系统责支护慕及随腾机支别护1、骄系统鸽支护网设计曲是根钉据地沾质条绑件、歼岩石翼分类芳和工蹲程规暑模等胜指标战，不尾作精支确的物计算季，采秆用工稻程类绝比法踪蝶进行欣设计灿，给辜出喷邀砼的告厚度刚、锚杏杆的痰长度蓝、间喘距、咽直径姐、布羞置方挠式、朽预应纽奉力值劝（一狭般给枝张力门值，冈以吨梢为单礼位）叫等。2、成随机深支护孙则是兴在施院工过联程中钥根据弊新揭刺示的绣地质扇现象黄、岩祥体材奖料性览质以环及施幕工监毯测资殊料等庸数据念，对穿系统葡支护塔设计疾进行礼的修阁正、追补充盛或紧突急处霞理措味施。住一般箩通过徒监测端反馈煌分析蝴结论麻作出嚷。支护车型式糊选择削的原泳则1、匀一般轨首先泽考虑夕柔性串支护2、嫩完整秒坚硬硬的岩魂体一棍般主核要控撑制表盖面松把动的箩岩块弟，选暗用柔伸性支像护，岂特别锋注意哪应力剥集中洪部位葵和拉怪应力爸区的貌支护课适当添加强3、名软弱膀破碎橡、节煤理裂喇隙密有集发赛育的鸣岩体临，硬恋采用郊刚性诱或复防合型介支护它。4、建地下变洞室斑的洞部口段特一般摇埋深胃都不川够，脏且岩绝体风党化破陡碎严从重；污交叉厨洞段怎在构娱造上疤属于技不稳申定结壶构，及存在希应力蝇不平阔衡区漏，一麦般选沾用刚夫度较破大的特钢筋匠混凝授