地下洞室围岩稳定性综述

地下洞室围岩稳定性综述摘要：地下洞室围岩的稳定性在地下洞室施工时有着至关重要的作用，简要介绍了近几年研究成果，并对这一研究的现状与发展趋势做了简要评述。关键词：地下洞室围岩稳定性综述引言地下洞室等地下工程开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态。用于各种目的的地下开挖改变了原有的平衡状态，从而造成开挖空间周围的应力重新分布。如果围岩中的应力超过了岩体强度，则围岩会破坏，产生坍塌、片帮甚至底板隆起等现象，软岩或高地应力中的地下洞室则可能产生很大的塑性变形。如果不及时对围岩进行支护或加固开挖出来的地下空间就会因为围岩的变形与破坏而无法使用。当二次应力较低，达不到围岩的弹性极限时，围岩处于弹性状态，无需支护就可以保持稳定；反之当围岩应力较高、强较低时，就会产生塑性变形和断裂破坏；在有断层、节理等不连续面切割时，还有可能在地下洞室的顶板或边墙产生不稳定的楔形块体，也可以对地下空间构成威胁。在进行地下空间设计和施工之前，需要对开挖后的围岩应力进行分析，进而对围岩稳定性进行评价，以便采取合理的开挖方式和支护形式。地下洞室等地下工程不可能一次开挖完成，不同的开挖顺序及施工方案对地下洞室群的稳定性的影响不同，即开挖顺序或施工方案将直接影响围岩应力、变形及破坏区的发展变化过程。因此，选择合理的开挖顺序或施工过程是地下洞室群设计与施工的重要内容，具有重要的理论意义和过程使用价值。主要研究成果2004年周敏等[1]在针对影响因素与围岩稳定的非线性关系，利用神经网络理论与BP神经网络的建模能力，进行非线性运算，提出改进的BP神经网络评判围岩稳定性模型，得出神经网络方法可以很好的运用于洞室稳定性影响因素中，且输入的参数不受限制，分类，设计及预测精度高，还可以进行数据联想以及校正补错。提出神经网络方法在地下洞室稳定性分类中具有非常重要的意义。2005年胡夏嵩等[2~4]以西北某市大型水利地下洞室工程为例，采用弹塑性二维有限元法通过低地应力区地下洞室开挖后围岩拉应力、剪切应力分布与围岩变形破坏进行了数值模拟研究，模拟结果表明：在低地应力地区对于椭圆形洞室，地下洞室开挖后在洞侧壁位置产生应力集中，在洞顶位置出现拉应力现象，基本产生在拱顶正中位置；低地应力区地下洞室开挖后，围岩中的剪应力集中带主要形成于洞顶垂直位置，即地下洞室围岩破坏主要发生在洞顶位置，略偏于拱顶的位置，最大剪切应力等值线分布具有对称性，形成于地下洞室底边墙拐角位置处的最大剪应力集中现象，这种现象与地下洞室开挖所引起的围岩块体结构面切向挤压滑落时的剪切变形、应力释放有一定的关系，洞顶位置处的最大剪应力值明显小于底部边墙拐角处的最大剪应力值，边墙拐角处的最大剪应力值一般是洞顶位置最大剪应力值得1.7倍以上，这与地下洞室底边与侧壁边墙之间开挖成直角形有关，直角形的拐角容易形成剪应力集中，产生围岩的不稳定区；低地应力区地下洞室围岩变形破坏主要是发生在垂直方向，水平方向的规模和程度均不及前者，同时总结分析了低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏规律及其特征。2010年叶洲元[5]基于等效数值原理并结合地下洞室围岩本身特性，对大冶铁矿地下洞室工程进行分析，选取围岩质量指标D、单轴抗压强度Rc、岩体完整性指标Kv、地下水渗水流量W和节理状况对地下洞室围岩稳定性进行评价，结果表明等效数值法应用于围岩稳定性的评价，具有计算简单高效，使用方便等特点。2013年朱义欢[6]针对地下洞室短长期稳定性的评判准则进行分类总结与归纳，得出岩体流变特性试验的开展以及长期强度的确定，如何给出围岩稳定性的综合评判以及相应的临界警戒指标，针对围岩的力学行为进行预测和控制等方面必须要进行进一步的研究。围岩稳定性的评判不能依赖于一种单一的评判标准，依赖于计算机技术，结合多种方法进行围岩的综和评判建立，结合类似工程实例进行多学科交叉应用也是一种发展方向。2014年李一冬等[7]采用改进的BP神经网络分析地下工程围岩的稳定性，将岩石单轴饱和抗压强度、岩石质量指标、岩石的完整性系数、结构面的强度系数、地下水渗流指标作为围岩的分类指标，利用附加动力因子、L-M优化算法与Nguyue-Widrow初始化算法相结合的改进BP神经网络建立围岩稳定性的分类预测模型，并运用MATLAB对学习样本进行分类识别，确定地下工程围岩的岩体等级，并结合平均影响值特征筛选法确定影响围岩稳定的主导因素。结果表明：改进的BP神经网络克服了仅适用单一敏感性指标和模糊主观判断的缺陷，使神经网络强大的记忆性和容错性，因此可以在围岩稳定性分类中填补缺失的数据、校正错误数据。BO神经网络不限制输入参数的个数，并且充分考虑影响围岩稳定性及不确定因素，既消除了人为主管因素的影响，又能减小手动计算产生的误差，从而提高计算精度与工作效率。附加动量与L-M优化算法相结合的BP算法与传统的BP算法相比，迭代次数变少、收敛速度更快、运算精度更高，解决了传统BP神经网络容易陷入局部极小等缺点和不足，效果更佳，适用于各种非线性分类问题。2014年申艳军等[8~9]依据“有限性劣化”处理思路，提出可工程因素对围岩质量劣化效应的定量表示法，借此构建了可以反映工程因素影响的集成化围岩分类体系；应用VB.Net语言编制了“大跨度地下洞室集成化围岩分类体系（IRMCS）”可视化程序，并以大岗山水电站厂房为例，对其围岩进行分类、稳定性结果、支护建议进行综合评价。并提出在实际进行围岩真实状况时，一般采用多种围岩分类方法进行综合评价，主要存在每种评价指标和标准不同，指标选取、参数换算、评价过程太过于繁琐，评价因素和取值会因为人为的因素造成错误；测量的参数过多，需要投入的人力物力财力太大，经济效果得不到保证；现场的客观因素限制过多，会出现因某一因素无法获得而导致整个分类无法完成的情况。同时提出一种采用分析分解模型数值试验股癣围岩力学参数的新方法，依据围岩分类体系结果，借助FracSim3D程序构建不同围岩类别的三维结构面网络模型，并通过x，y，z方向截取二维结构面网络图以反映岩体各向异性特征，实现构建分析分解模型，应用已有试验成果将分别得到的对应的完整岩块及相关结构面的力学参数作为模型基本输入参数，推荐完整岩块、结构面本构模型分别为：Mohr-Coulomb模型、Barton-Bandis模型应用有限元法（Phase2D程序）建立其对应的岩体结构数值模型，通过有效控制边界条件实现对单轴压缩、三轴压缩等试验的模拟，即实现用宏观等效的岩体模型来预测岩体强度与变形特性，进而完成对不同类别围岩力学参数值得确定，单轴数值试验结果显示，II-III类围岩数值试验结果与抗压强度参数拟合结果大体吻合，相比于Heok-Brown准则围岩强度标准参数估算结果要总体偏小；三轴数值试验表明，II-III类围岩数值试验结果相比与工程经验统计法、围岩分类准则估算结果整体偏小，而IV-V类围岩数值试验结果相比于工程经验统计法、围岩分类准则结果偏大。2014年刘万荣等[10]为研究中间主应力对地下洞室围岩稳定性的影响，分别应用强度理论和Drucker-Prager区服准则分析地下洞室围岩的弹塑性，求解出塑性区和弹性区的应力场、位移场以及塑性区半径的表达式。通过算例，分析不同主应力系数对围岩应力分布、塑性区半径和位移的影响。结果表明：统一强度理论求解的塑性区位移和半径随着中间主应力系数的增大而减小，应用Drucker-Prager区服准则求解的结果，随中间主应力系数的增大表现出先减小后增大的趋势，在中间主应力系数等于0.8的位置出现拐点，用统一强度理论求得的极限比用Drucker-Prager区服准则求得的大。因此，在地下洞室围岩的求解过程中不能忽略中间主应力对围岩的作用。2015年张德永等[11]利用显式有限差分快速拉格朗日分析程序FLAC3D，在进行初始地应力反演的基础上，建立了四川江边水电站地下厂房洞室的三维非线性地质力学模型。采用了基于能量耗散原理的弹脆性本构模型，对设计开挖和支护方案进行可全过程模拟分析，得出结论：基于能量耗散原理的弹脆性本构模型对FLAC3D进行的二次开发，与弹塑性本构模型相比，考虑变弹性模量的弹脆性模型更能真实的反应实际情况；地下洞室处于应力高升区，构造应力较大，洞室开挖后围岩产生向临空面的回弹变形，以水平位移为主。2015年张强勇等[12]为实时反映开挖过程中围岩的力学参数变化，建立正交试验设计效应优化位移反分析法，应用该方法对大岗山水电站地下厂房地下洞室分步开挖过程中围岩的力学参数进行实时动态反演。利用动态反演的力学参数对各开挖层围岩进行稳定性分析，揭示出地下洞室开挖过程中围岩位移场、应力场和塑性区的变化规律，反演计算位移值与实测值吻合较好。2015年张超等[13]为快速准确地对施工期地下洞室围岩稳定性风险进行动态跟踪分析，基于层次分析注和模糊综合评价法，形成监测数据、巡视检查、数值模拟三维一体的评价体系，并考虑评价指标、评价标准的动态性确定地下洞室围岩发生事故可能性等级。根据不同围岩破坏形式，提出适用于地下洞室群围岩稳定的损失估算方法，引入当量法概念，确定地下洞室围岩稳定损失等级。结合地下洞室群围岩发生事故可能性等级和预估的地下洞室围岩稳定性损失等级，经风险矩阵最终确定地下洞室围岩稳定性风险等级。采用C#.Net、SQLSERVER和Python混台编程技术，研发一套能确定地下洞室围岩稳定性动态风险的系统。2015年吴恒滨等[14]通过分析Mohr-Couhmh和Drucker-Prager屈服准则现有的围岩屈服评价指标，提出了I1、J2为基准的屈服评价指标。在线性屈服准则中两者是等价的，在非线性强度准则中，以I1为基准的屈服评价指标较小，建议采用以J2为基准的屈服评价指标。对于以J2为基准的广义Hoek-Brown准则的求解存在着数学上的困难，将其转换为等效强度参数代人Mohr-Coulomb准则屈服评价指标表达式，进而对围岩稳定性进行屈服评价。结果表明：隧道开挖支护后的等效塑性应变和屈服评价指标规律一致，验证了该屈服评价指标的正确性，隧道屈服评价指标可以直观的显示隧道应力集中程度及围岩安全状态的演绎规律，能够更准确的描述围岩受力状态。结论：任何一种方法的合理性都建立在一个合理的本构模型基础上，采用合理的本构模型是解决围岩稳定性的关键。围岩稳定性研究虽已取得重大进步．但是各种围岩稳定性分析方法均没有真正圆满解决工程实际问题．对理论模型的辩识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体的研究[15]。由于地下工程的复杂性，围岩稳定性评价不能依赖于单一方法，因此依托于计算机技术，进行多种方法综合评价分析，是未来发展的一种趋势。同时由于地下工程常依赖于经验，因此利用地下工程的失稳和稳定实例来建立系统，考虑多种因素影响，使多学科交叉融合，也将是未来的发展方向之一。同时．任何一种分析方法都不是万能的、唯一的、排他的方法，而把两种或多种方法融合起来，取长补短、也将是未来发展的一种趋势。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。模型试验方法现一般用于重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程，虽有效但费用高，而且模型试验尚难实现时空模拟，因而将地层岩性类似的地区，结合工程类比法建立可重复利用的模型是一个很实用的办法。参考文献：[1]周敏,卢志武,苏超.神经网络在地下洞室围岩稳定性分类中的运用[J].广东水利水电,2004,01:23-24+27.[2]胡夏嵩,赵法锁.低地应力区地下洞室围岩变形破坏有限元数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2005,10:1708-1714.[3]胡夏嵩,赵法锁.低地应力区地下洞室开挖围岩剪应力静态数值模拟研究[J].地质与勘探,2005,01:85-88.[4]胡夏嵩,赵法锁.低地应力区地下洞室拱顶围岩拉应力有限元数值模拟研究[J].西安科技大学学报,2005,01:5-8.[5]叶洲元.基于等效数值法的地下工程围岩稳定性评价研究[J].采矿技术,2010,04:43-45.[6]朱义欢,邵国建.地下洞室围岩短