地下洞室围岩稳定的分析方法

学号151611020017年级15级工程地质硕士课程结课论文地下洞室围岩稳定的分析方法专业15级工程地质姓名彭大伟指导教师张发明评阅人2015年12月中国南京地下洞室围岩稳定的分析方法摘要：随着科技发展的进步，对于大型水利水电工程除了在坝体结构方面要有严格的要求和分析方法外，水电站的地下厂房洞室也要具有一定的分析方法。地下洞室围岩稳定性在整个工程中发挥着重要的作用，如今对于地下洞室围岩稳定的分析方法有很多，本文根据前人所总结出的方法及文献重新进行归纳和分析，主要针对于洞室整体性和局部性稳定的分析，并对这些方法的现状进行了综述。关键词：地下洞室围岩稳定分析方法未开挖的天然地下岩体在自重及地质构造运动后形成的初始应力场状态下维持相对稳定。当在岩体内开挖洞室后，洞室四周一定范围的岩体（围岩）相对稳定的应力场受到破坏，发生应力重分布。随着具体围岩部位、产状等情况的不同，应力重分布的结果既可能仍归于稳定，也可能出现洞顶崩塌等失稳现象。对此，地下洞室的设计时必须做出分析，并相应对工程措施做出抉择，要求从各个层面对于地下洞室围岩稳定做出分析，提出各种分析方法。地下洞室的稳定性分析主要包括洞室的整体稳定性分析和洞室局部块体的稳定性分析。随着有关于岩石方面的理论和计算机技术的发展，为地下洞室的开挖和稳定性分析提供了新的方法，取得了一系列的成果，但是围岩稳定性分析理论作为地下工程的根本问题之一，由于地质条件的复杂性，各个方法的准确性应用仍很困难，始终没有形成一个系统的理论，工程上为此还经常依赖于经验判别。因此有必要对现有的分析方法进行比较，了解它们各自的优点与不足，有助于对分析成果进行正确的判断。1.围岩整体性分析方法的比较1.1解析分析法当前应用解析分析法在求解有关洞室围岩稳定性问题时，通常采用弹性和弹塑性两种方法进行，且均按平面问题的极坐标进行解答。当围岩的岩性均匀，岩体坚硬完整，且其应力水平未超过弹性极限时，可将围岩视为均匀、各项同性的弹性体，按弹性理论分析围岩应力。对于某些试验研究表明，岩体的应力应变关系有明显的非线性关系，这时候宜采用弹塑性理论进行分析。解析法虽然不能准确地描述围岩的失稳、破坏过程，但大致上仍能对成洞条件做出评价，对各种洞型方案及处理措施进行对比分析。另外，解析法具有精度高、分析速度快和宜于进行规律性研究等优点，所以在工程实践中仍不失为一种基本的围岩稳定分析方法。但在岩体的应力、应变超过峰值应力和极限应变，围岩进入全应力、应变曲线峰后段的刚体滑移和张裂状态时，解析法便不再适用了。另外，对工程实际中经常遇到的多孔、不均匀及各向异性等问题，现今的解析方法几乎是无法解决的，只能借助数值法来求解。1.2数值模拟法现代数值模拟的办法主要是利用计算机软件来对试验或者采集的数据进行辅助计算，通过计算实际模拟出的地下洞室模型，从模型中得出地下洞室围岩处应力的分布情况，对围岩的整体性稳定进行分析。对于此类方法主要有有限元法，边界元法和离散单元法。1.2.1有限元法此方法是目前应用最为广泛的数值模拟方法。经过几十年的发展，有限元已经成为一种相当成熟的数值分析技术，主要用来求解线弹性、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。该方法的优点是可以部分地考虑地下结构岩体的非均质、非连续特征，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。为了模拟岩体中存在的断层、节理、裂隙等结构面，考虑其非连续性，可按结构面的特征采用不同的处理方法，可以避免将岩体视为刚体、过于简化边界条件的缺点，能够非常直观地模拟岩体的变形和破坏过程。其不足之处是：数据准备工作量大，原始数据易出错，不能保证某些物理量在整个区域内的连续性。1.2.2边界元法该法只在求解区域的边界上进行离散(剖分单元)，把域内未知量化为边界未知量来求解，这样就把考虑问题的维数降低了一维，使得自由度数目大大减少。另外，边界元法计算精度高，应力和位移具有同样的精度。当仅需要知道物体内部个别点的解时，有限元仍不得不剖分整个物体才能确定个别点的解，而边界元则可以在已知边界上的解后，根据需要去求物体内部预知点的解，这就可以比有限元大大地节省计算量和费用。但是，边界元法最后形成的系数矩阵是非对称满阵，远比有限元刚度矩阵(带状稀疏阵)的结构复杂。对于面体比较大的薄壁结构等物体，边界元法就不如有限元优越了，而且边界元法对奇异边界难于处理。另外，边界元法对变系数、非线性等问题较难适应，且它的应用是基于所求解的方程有无基本解，因此限制了边界元法在更广泛领域的应用。1.2.3离散元法离散单元法是一种适用于模拟离散介质的数值方法。自提出以来一直在工程中的应用不断深入。该方法特别适用于节理岩体及其与锚杆（索）的应力分析。在反映块体之间的接触面的滑移、分离与倾覆等大位移的情况下表现突出，同时又可以计算块体内部的变形和内力分布情况。采用该方法分析边坡及裂隙发育地区工程的坍方和支护等仍是十分有效的，但当岩体并未被结构面切割成块体的集合时，该方法就不太适合。2.围岩局部块体分析方法的比较2.1矢量分析法块体理论矢量运算法是分析岩质边坡稳定性的有效方法。该方法计算结果准确，通过分析结构面的空间位置关系和相应块体的几何参数和物理参数，可准确的寻找目标块体和可能的滑动方向。这为岩质边坡的加固设计提供了可靠的依据。基于块体理论的某些假定，在工程应用中，可结合场地条件和岩体的自身变形等因素进行综合评价。2.2图解法（实体比例投影法）实体比例投影是用垂直投影的原理，按一定比例将各种形状的结构体的各个面的交线和交点按原位投影在水平面上，以反映结构体在平面上的形态作图分析方法。可以通过作图方法求出结构体在工程岩体中的具体分布位置、它的几何形状、体积和重量；确定其滑动方向、滑动面及其面积；也可以进行空间共点力系的合成和分解，对结构体在自重力和工程力作用下的稳定性进行分析计算。2.3经验法2.3.1围岩分类法根据国内外经验，按照围岩工程地质特征和地下水状态所决定的围岩稳定程度，我国将地下洞室的围岩分为稳定、基本稳定、稳定性差、不稳定和极不稳定五类。此类分类方法在水工地下洞室中运用很常见，在此五类中也有部分可以根据节理裂隙、岩石软硬程度、地质构造等方面继续划分为其他小类型，此方法直观的，简单的判别围岩稳定的稳定性情形。但是对于在洞室中建筑水电站厂房情况下，此方法不具备说服性。2.3.2岩体质量指标评估法国外不少工程单位用岩体质量指标评估洞室围岩优劣，并由此确定洞室最大开挖跨度。岩体质量指标是指勘探钻孔中所取长度不小于10cm的岩芯长度总和钻孔总进尺中所占百分比。岩体质量指标越大，围岩稳定性越好，开挖跨度越大。这一方法具有概念清晰、定量明确的优点，但对岩体某些质量因素如节理发育情况、充填材料特征、裂隙水影响等考虑不很全面。3.综述洞室围岩稳定性分析是多学科理论方法、专家经验、监测量与计算机技术综合集成的科学。洞室失稳是一个极其复杂的力学过程，在实际工程中更是受到了许多因素的影响。在进行地下洞室稳定性判断时，必须参考既有洞室稳定性判据的实践经验，同时结合实际工程中各量测值随时间变化的规律，才能作出正确的判断。参考文献：[1]邓声君，陆晓敏，黄晓阳.地下洞室围岩稳定性分析方法简述[J].地质与勘探.2013(03):541-547.[2]沈长松，王世夏，林益才，刘晓青.水工建筑物[M].北京:中国水利水电出版社，2008.[3]葛华,王广德，石豫川等.常用围岩分类方法对某深埋隧洞的适用性分析[J].中国地质灾害与防治学报.2006(02):44-49.[4]冯紫良.地下洞室形状设计优化的一个方法[J].岩土工程学报.1993(03):29-36.[5]任青文.块体单元法及其在岩体稳定分析中的应用[J].河海大学学报.1995(01):1-7.[6]郑治.水工地下工程回顾与展望[J].贵州水力发电.2001(03):29-30.