地下結(jié)構(gòu)工程第講講稿七

4.4地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析主要方法1、地質(zhì)分析法2、工程類比法3、巖體結(jié)構(gòu)分析法4、數(shù)值分析法5、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法1、地質(zhì)分析法通過地質(zhì)勘測手段，了解與圍巖穩(wěn)定有關(guān)的巖石、巖體特性，區(qū)域與局部地質(zhì)構(gòu)造、巖體地應(yīng)力場、地下水等等幾個(gè)主要因素的特點(diǎn)，通過區(qū)域綜合分析，確定洞室穩(wěn)定性。這往往是地質(zhì)人員使用的主要方法2、工程類比法根據(jù)擬建的工程區(qū)域的地質(zhì)條件、巖體特性和工程特征，通過與類似條件下已經(jīng)建成的、成功或失敗的地下工程實(shí)例的對(duì)比，進(jìn)行驗(yàn)算和綜合分析，從而判斷擬建的地下結(jié)構(gòu)工程的圍巖穩(wěn)定性。3、巖體結(jié)構(gòu)分析法了解巖體結(jié)構(gòu)和弱面強(qiáng)度性質(zhì)，以及地應(yīng)力分布情況后，可根據(jù)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方案確定所謂“工程力”，即由施工開挖、建造引起的卸載或加載力。再借助赤平極射投影、實(shí)體比例投影、或塊體坐標(biāo)投影法等進(jìn)行圖解分析，初步從幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度判斷巖塊的穩(wěn)定。在上述步驟的基礎(chǔ)上，再采用極限平衡理論，對(duì)由“弱面”和凌空面組成的“可能的布穩(wěn)定塊體”進(jìn)行穩(wěn)定性校核計(jì)算，求出塊體上的抗滑力和滑動(dòng)力之間的比值，即得到塊體的穩(wěn)定安全系數(shù)。這種方法實(shí)際上也形成了數(shù)值方法中的塊體分析理論的基礎(chǔ)。4、數(shù)值分析法(1)數(shù)值分析方法的類型伴隨電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用而發(fā)展起來的現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)數(shù)值分析方法，現(xiàn)在已經(jīng)成為地下洞室圍巖穩(wěn)定分析的最重要的手段之一，在近三十年的時(shí)間里，發(fā)展速度之快、應(yīng)用范圍之廣都是驚人的。用于連續(xù)介質(zhì)的有：有限單元法（FEM）、邊界單元法(BEM)、拉格郎日元法(FLAC，F(xiàn)astLagrangionAnalysisforContinua,2Dand3D)；用于非連續(xù)介質(zhì)的有：關(guān)鍵塊體理論（KBT,KeyBlockTheory）、離散元法(DEM,DiscreteElementMethod)、不連續(xù)變形分析法(DDA,DiscontinuedDeformationAnalysis)；可同時(shí)用于連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值流形法(MEM,NumericalManifoldMethod)等等。上述各種方法之間的耦合方法(Coupling)，基于逆向思維而提出的上述各種方法的反演分析(InverseAnalysis)方法，以及與優(yōu)化理論相結(jié)合的反饋分析(FeedbackAnalysis)方法，目前也在地下洞室穩(wěn)定分析中得到廣泛的應(yīng)用。但是，應(yīng)用最廣、最可靠、結(jié)果最穩(wěn)定的還當(dāng)屬有限元方法。(2)應(yīng)用有限元法進(jìn)行洞室穩(wěn)定分析的注意點(diǎn)(a)二維分析時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)廠區(qū)的地質(zhì)資料做好廠房橫剖面的選定工作，要注意尋找最危險(xiǎn)的地質(zhì)橫剖面，尤其應(yīng)注意那些不利的地質(zhì)構(gòu)造面的位置。(b)根據(jù)地質(zhì)資料，確定巖體及構(gòu)造面的力學(xué)參數(shù)，及可能的變動(dòng)范圍。(c)地應(yīng)力的確定，可根據(jù)有限的地應(yīng)力實(shí)測資料對(duì)廠區(qū)的地應(yīng)力場作回歸分析，結(jié)果正確與否，在于對(duì)試驗(yàn)洞或初期開挖階段實(shí)測位移的擬合情況。(d)由于巖體類型的差異，其變形及強(qiáng)度性質(zhì)干變?nèi)f化，相應(yīng)的本構(gòu)模型也種類繁多。所用有限元程序的本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則應(yīng)能模擬巖體的實(shí)際情況。理想的模擬比較困難，但應(yīng)使模型和巖體實(shí)測資料在大部分巖體的工作范圍內(nèi)可較好地?cái)M合。數(shù)值方法研究的最新進(jìn)展不但體現(xiàn)在對(duì)較為成熟的數(shù)值方法，如有限元、邊界元、離散元法等的不斷更新和發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有大型商業(yè)程序的二次開發(fā)，同時(shí)也體現(xiàn)在不斷有新的算法和程序的出現(xiàn)。如對(duì)三維離散元和三維DDA程序成功開發(fā)，以及剛體有限元法、廣義有限元法、運(yùn)動(dòng)單元法、界面元法、無單元法的提出等等。用于系統(tǒng)優(yōu)化和人工智能方法的遺傳算法、蟻群算法、細(xì)胞發(fā)生器算法和模擬退火算法等等。5、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)試驗(yàn)研究方法包括現(xiàn)場試驗(yàn)方法和室內(nèi)模型試驗(yàn)方法，也是保證地下工程正確設(shè)計(jì)、安全施工的必不可少的一種研究方法。它與數(shù)值計(jì)算方法相輔相成，互相驗(yàn)證，優(yōu)勢互補(bǔ)。近年來也有很大進(jìn)展。大型三軸剛性伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)已經(jīng)較廣泛地用于巖石材料全應(yīng)力路徑參數(shù)測定。電鏡掃描和CT技術(shù)已用于巖體材料的微觀或細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究。各種地應(yīng)力測量技術(shù)，如應(yīng)力恢復(fù)法、應(yīng)力解除法、應(yīng)變恢復(fù)法、應(yīng)變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重力法等也廣泛應(yīng)用于地下洞室工程。就二維和三維物理模型試驗(yàn)來說，由于模型是真實(shí)的客觀物理實(shí)體，更能真實(shí)地全面地反映出各種結(jié)構(gòu)在空間和時(shí)間上的相對(duì)關(guān)系，以及它們?cè)谑┕せ蜻\(yùn)行過程模擬中的力學(xué)性征，因而歷來在水利水電工程設(shè)計(jì)中受到重視。水力學(xué)模型試驗(yàn)、泥沙模型試驗(yàn)、研究壩體和基礎(chǔ)共同作用的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)等，已經(jīng)有了較為成熟的試驗(yàn)技術(shù)，并取得了豐富的成果。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法即按照一定的相似理論，采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒牧?，模擬實(shí)際的巖體結(jié)構(gòu)、材料特性、地應(yīng)力場分布和地下結(jié)構(gòu)工程開挖及支護(hù)方式。通過接觸或非接觸測量手段，了解地下結(jié)構(gòu)圍巖的變形分布、應(yīng)力分布、屈服破壞形態(tài)和破壞過程，從而對(duì)地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)和預(yù)測。但是地下洞室工程的模型試驗(yàn)卻由于難度太大而相對(duì)發(fā)展較慢。以往的地下工程的模型試驗(yàn)規(guī)模很小，大都是二維的，試驗(yàn)條件也進(jìn)行了很大的簡化。例如1985年進(jìn)行的二灘地下廠房的二維平面應(yīng)變模型試驗(yàn)，模型幾何比尺為1:350，應(yīng)力場是均勻應(yīng)力場，模型平面倒置在地面，不考慮自重應(yīng)力等。還有的模型洞室是事先制作好的，洞室內(nèi)部充填剛性塊體，模擬開挖時(shí)，將塊體逐一抽出。這些當(dāng)然都與工程實(shí)際相差過大。究其原因，最主要的則是模擬地下洞室施工過程的三維模型試驗(yàn)難度太大。例如三維地應(yīng)力場的模擬原理和技術(shù)、洞室群開挖尤其是內(nèi)部洞室隱蔽開挖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)、內(nèi)部物理量量測方法等等，因而幾十年來一直沒有顯著進(jìn)展。大型地下洞室群三維模型試驗(yàn)由于地下水電站向超大型、多洞室、高地應(yīng)力方向的發(fā)展，進(jìn)行地下廠房洞室群大型三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)這一極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，提到了議事日程。國家電力公司成都勘測設(shè)計(jì)研究院和清華大學(xué)水利水電工程系在這一點(diǎn)上達(dá)成共識(shí)，為開展超大型地下洞室群三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究工作創(chuàng)造了條件。通過發(fā)揮清華大學(xué)綜合性大學(xué)的優(yōu)勢，與清華大學(xué)機(jī)械學(xué)院、中國水科院以及國際研究機(jī)構(gòu)合作，采用離散化多主應(yīng)力面三維加載系統(tǒng)、步進(jìn)機(jī)械臂和微型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)、微型高精度位移量測技術(shù)、聲波測試技術(shù)、光纖測量及內(nèi)窺攝影技術(shù)等，解決了地下洞室群地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的復(fù)雜三維地應(yīng)力場仿真、隱蔽開挖模擬及內(nèi)部量測等關(guān)鍵技術(shù)問題，取得了突破性重要成果。經(jīng)驗(yàn)判斷地下洞室的穩(wěn)定對(duì)于中等強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育的較完整巖體，可以看作均質(zhì)、各向同性材料；如果地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，可以作如下經(jīng)驗(yàn)判斷（設(shè)巖體強(qiáng)度為Ro，自重應(yīng)力為o＝h）條件穩(wěn)定性支護(hù)措施o/Ro0.12~0.15穩(wěn)定薄層噴砼5～10cm0.12o/Ro0.3基本穩(wěn)定噴砼10～15cm0.3o/Ro0.5臨界狀態(tài)錨桿＋掛網(wǎng)噴砼15cmo/Ro0.5不穩(wěn)定封閉式鋼筋砼襯砌4.5地下洞室的支護(hù)為保證施工的安全和地下結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定，適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)是完全必要的。近30年來，對(duì)支護(hù)的認(rèn)識(shí)發(fā)生了革命性的改變，過去盛行了50多年的普氏理論被新奧法的新概念所代替。人們認(rèn)識(shí)到支護(hù)并非唯一的保持地下結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定的手段，發(fā)揮圍巖的自承能力，使支護(hù)與圍巖相互作用，共同形成穩(wěn)定的復(fù)合承載環(huán)，才是最為經(jīng)濟(jì)有效的支護(hù)方式。但是究竟采用哪一種支護(hù)方式，應(yīng)該視地質(zhì)構(gòu)造、巖體強(qiáng)度、原始應(yīng)力、洞室布置的不同而分別考慮。一般支護(hù)型式有三種：1、柔性支護(hù)2、剛性支護(hù)3、復(fù)合型支護(hù)1、柔性鐮支護(hù)如噴砼潤、鋼纖竭維噴砼靠、鋼筋熱網(wǎng)噴砼醬、自應(yīng)范力錨桿懼、預(yù)應(yīng)廣力錨桿騰、預(yù)應(yīng)寺力錨索夢等等，匠以及它被們的組郊合2、剛懇性支護(hù)如現(xiàn)澆槐混凝土軟襯砌、膊鋼筋混翼凝土襯美砌、預(yù)軋制鋼筋垮混凝土新襯砌管專片、鋼蠢拱架配烈合較厚捎的噴混長凝土等督剛度很許大的支存護(hù)3、復(fù)隨合型支龜護(hù)即采用貓柔性支勇護(hù)作為籍初期支燥護(hù)或稱巧為一次狂支護(hù)，宴以保證厚施工期騙的穩(wěn)定盒和安全柜；待圍控巖變形例趨于穩(wěn)坊定后，攜采用剛做性支護(hù)附作為永鏟久性支益護(hù)或稱肚為二次匹支護(hù)，鞠以保證見運(yùn)行期椅的長期蒸穩(wěn)定，臉同時(shí)增埋加運(yùn)行爸人員的絡(luò)安全感咸。對(duì)過賄水隧洞摟則又起種到減少級(jí)糙率的生作用。系統(tǒng)支是護(hù)及隨滾機(jī)支護(hù)1、系統(tǒng)累支護(hù)設(shè)計(jì)賭是根據(jù)地裂質(zhì)條件、南巖石分類廊和工程規(guī)哀模等指標(biāo)姐，不作精談確的計(jì)算陣，采用工燙程類比法拌進(jìn)行設(shè)計(jì)散，給出噴蕩砼的厚度程、錨桿的油長度、間叼距、直徑錢、布置方埋式、預(yù)應(yīng)課力值（一車般給張力宵值，以噸漲為單位）春等。2、隨機(jī)六支護(hù)則是和在施工過約程中根據(jù)爸新揭示的戚地質(zhì)現(xiàn)象忍、巖體材旗料性質(zhì)以資及施工監(jiān)虜測資料等臉數(shù)據(jù)，對(duì)洞系統(tǒng)支護(hù)揀設(shè)計(jì)進(jìn)行豎的修正、訂補(bǔ)充或緊離急處理措敏施。一般姜通過監(jiān)測境反饋分析寫結(jié)論作出摩。支護(hù)型猜式選擇均的原則1、一以般首先吼考慮柔殘性支護(hù)2、完整劇堅(jiān)硬的巖竊體一般主洪要控制表理面松動(dòng)的類巖塊，選黃用柔性支騙護(hù)，特別鑼注意應(yīng)力狹集中部位姥和拉應(yīng)力敵區(qū)的支護(hù)絡(luò)適當(dāng)加強(qiáng)3、軟拒弱破碎膽、節(jié)理禁裂隙密遠(yuǎn)集發(fā)育府的巖體演，硬采贈(zèng)用剛性運(yùn)或復(fù)合刮型支護(hù)瞎。4、地鉤下洞室嶄的洞口慌段一般獄埋深都言不夠，懲且?guī)r體患風(fēng)化破觸碎嚴(yán)重慣；交叉鐘洞段在隙構(gòu)造上貼屬于不顛穩(wěn)定結(jié)阿構(gòu)，存印在應(yīng)力戴不平衡