地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價方法的適用性研究

【摘要】圍巖穩(wěn)定性是反映地下洞室地質(zhì)環(huán)境、支護(hù)結(jié)構(gòu)與施工方法的綜合性指標(biāo)。本文歸納了力學(xué)分析法、圍巖分類法、數(shù)值分析法、模型試驗(yàn)法、不確定性方法等5種常用的圍巖穩(wěn)定性評價方法，分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用性，討論了今后的研究發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】地下工程；圍巖穩(wěn)定性；適用性

Applicability research of evaluation method for rock stability underground hole

Zhao Hai-tao，Jiang Bo

(Xuzhou air force institute airport engineering facultyXuzhouJiangsu221000)

【Abstract】Round rock stability is the comprehensive index sign that reflects underground hole room geology environment and pays to protect structure and construction method. The article induced the method of the mechanics analysis and round the rock classification method， number analysis method， model to experiment method， indetermination method. . . etc. 5 kinds of merit and shortcomings and its applicability that in common usely round the evaluation method of the rock stability， analyzed various method and discussed aftertime's direction of researches development. 

【Key words】Underground engineering; Round rock stability; Applicability

1. 引言

地下洞室圍巖喪失穩(wěn)定性，從力學(xué)觀點(diǎn)來看，是由于圍巖應(yīng)力水平達(dá)到或超過巖體強(qiáng)度范圍較大，形成一個連續(xù)貫通的塑性區(qū)和滑動面，產(chǎn)生較大位移，最終導(dǎo)致失穩(wěn)。主要破壞形式分為脆性張裂破壞、塑性擠壓流動破壞和剪切流動破壞等幾種，因此圍巖穩(wěn)定性研究的實(shí)質(zhì)是分析與評價巖體介質(zhì)的應(yīng)力和變形。應(yīng)用彈塑性理論、流變理論，并考慮圍巖節(jié)理、裂隙的計算解來研究圍巖穩(wěn)定問題［1，2］，使得圍巖穩(wěn)定性分析方法更為貼切實(shí)際。然而在對不同地質(zhì)條件、埋深、跨度、施工方法等的地下洞室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析時，應(yīng)考慮評價方法的適用性，有益于選擇出合理的圍巖穩(wěn)定性評價方法。

2. 圍巖穩(wěn)定性評價方法及適用性分析

2.1力學(xué)分析法。

圍巖壓力理論主要經(jīng)歷了古典壓力理論、散體壓力理論及目前廣泛應(yīng)用的彈性力學(xué)理論、塑性力學(xué)理論，地下洞室開挖后由于卸荷作用使圍巖應(yīng)力進(jìn)行重分布，并出現(xiàn)應(yīng)力集中。如果圍巖應(yīng)力處處小于巖體彈性極限強(qiáng)度，這時圍巖處于彈性狀態(tài)；反之，圍巖將部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，但局部區(qū)域進(jìn)入塑性狀態(tài)并不意味著圍巖將發(fā)生坍落或失穩(wěn)。

力學(xué)分析法對于規(guī)則的圓形斷面求解較為精確，參數(shù)也較易確定，但當(dāng)洞室是非圓形時，就需要通過保角變換將單位圓外域映射到洞室外域，而洞室的映射函數(shù)是問題的求解關(guān)鍵。力學(xué)分析法具有精度高、分析速度快和易于進(jìn)行規(guī)律性研究等優(yōu)點(diǎn)，但分析圍巖應(yīng)力和變形目前多限于深埋地下工程，對于受地表邊界和地面荷載影響的淺埋地下工程圍巖穩(wěn)定性分析在數(shù)學(xué)處理上存在一定困難。特別當(dāng)巖體應(yīng)力、應(yīng)變超過峰值應(yīng)力和極限應(yīng)變，圍巖進(jìn)入全應(yīng)力應(yīng)變曲線峰后段的剛體滑移與張裂狀態(tài)時，它便不再適用。對工程實(shí)際中經(jīng)常遇到的多孔、不均質(zhì)及各向異性等問題，現(xiàn)今的力學(xué)方法幾乎無法解決，只能借助數(shù)值方法求解。

2.2圍巖分類法。

圍巖分類法是大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定性評價的重要方法之一，在實(shí)際工程設(shè)計與計算中被廣泛使用，尤其在勘測資料較少的可行性研究階段，更能發(fā)揮其作用。圍巖分類理論先后經(jīng)歷了以普氏和RQD分類法為代表的單指標(biāo)分類法、以模糊聚類分析法和巖體質(zhì)量系數(shù)Q分類法為代表的多指標(biāo)分類法、以圍巖變形量和圍巖松動圈分類法為代表的與支護(hù)有直接關(guān)系的綜合指標(biāo)分類法［3］。目前常用的圍巖分類法主要有Stini法、Franklin法、Bieniawski的RMR法和Barton等人的Q分類法，以及Arild Palmstrom于1995年提出的RMI法［4］。

隨著大型地下工程建設(shè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外把圍巖分類作為地下工程技術(shù)基礎(chǔ)研究的重要課題之一。圍巖分類方法從定性到定量、從單一指標(biāo)向綜合指標(biāo)發(fā)展，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論的綜合評判法［5］、灰色系統(tǒng)理論［6］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論［7］、分形理論［8］，使圍巖分類更為科學(xué)合理。采用圍巖分類法分析圍巖穩(wěn)定性時包含參數(shù)較多，有些參數(shù)難以準(zhǔn)確測定，對隧洞和采礦等工程較為實(shí)用。

2.3數(shù)值分析法

2.3.1連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法。

采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法模擬巖體，將其等效為一種連續(xù)固體介質(zhì)，按固體力學(xué)方法分析其在工程荷載水平下的力學(xué)特性與破壞過程，主要包括有限元法、邊界元法和FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua)等。

有限元法的使用最為廣泛，可用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題，是地下工程巖體應(yīng)力應(yīng)變分析最常用的方法［9］。有限元法部分考慮了地下結(jié)構(gòu)巖體的非均質(zhì)和不連續(xù)性，對以非均質(zhì)各向異性和非線性為特征的介質(zhì)有良好的適應(yīng)性，可以解決各種復(fù)雜的邊界問題，可以給出巖體應(yīng)力、變形大小和分布，并可依據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律去分析地下結(jié)構(gòu)的變形破壞機(jī)制。有限元法適用性主要取決于兩個方面［10］：（1）對地質(zhì)變化的準(zhǔn)確認(rèn)識，如巖體深部巖性變化的界限、斷層的延展情況、節(jié)理裂隙的實(shí)際分布規(guī)律等；（2）對介質(zhì)物性的深入認(rèn)識，即巖體各組成部分在復(fù)雜應(yīng)力及其變化作用下的變形特性、強(qiáng)度特性及破壞規(guī)律等。不足之處在于有限元法只適用于連續(xù)介質(zhì)，對于非連續(xù)介質(zhì)計算結(jié)果不理想。

邊界元法的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)于計算精度高，應(yīng)力和位移具有同樣的精度，且只在求解區(qū)域的邊界上進(jìn)行離散（剖分單元），降低了問題的維數(shù)，但要求知道所研究問題的基本解。邊界元法因?yàn)榫W(wǎng)格剖分簡單，計算工作量及對計算機(jī)內(nèi)存容量要求低，主要適用于常系數(shù)、線彈性模型的問題，也能求解物理和幾何非線性問題及動力響應(yīng)問題，但由于獲取基本解的困難，相比有限元法尚有很多工作要做。

為克服有限元等方法不能求解大變形問題的缺陷，根據(jù)有限差分法的原理，提出了FLAC數(shù)值分析方法。徐平等［11］對這一方法的應(yīng)用作了研究，該方法能更好地考慮巖土體的不連續(xù)和大變形特性，求解速度較快，其缺點(diǎn)在于計算邊界、單元網(wǎng)格劃分帶有很大隨意性。

2.3.2非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)法。

非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值方法主要包括塊體理論、不連續(xù)變行分析、離散單元法、塊體——彈簧元分析法等。

塊體理論是以塊體單元的剛體位移為基本未知量，根據(jù)塊體在外力和縫面應(yīng)力作用下的平衡條件、變形協(xié)調(diào)條件及塊體之間夾層材料的本構(gòu)關(guān)系，采用變分原理建立起塊體單元法的支配方程，用于確定塊體位移及夾層材料的應(yīng)力狀態(tài)［12］。該法特別適用于解決具有眾多節(jié)理、裂隙巖體的變形、應(yīng)力和穩(wěn)定性分析。與有限單元法相比，可減少未知量個數(shù)，提高計算精度與速度。

不連續(xù)變形分析是基于巖體介質(zhì)非連續(xù)性發(fā)展起來的一種新的數(shù)值分析方法。它與有限元法的不同之處在于可計算不連續(xù)面的位錯、滑移、開裂和旋轉(zhuǎn)等大位移的靜力與動力問題［13］，適宜于巖體斷層裂隙發(fā)育的地區(qū)。

離散單元法基本思想是巖塊之間的相互作用，同時受表征位移——力的物理方程和反映力——加速度(速度、位移)的運(yùn)動方程支配，通過迭代求解顯示巖體的動態(tài)破壞過程［14］。離散單元法中一個基本假定是塊體運(yùn)動時動能將轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉，因此，在計算中即使是靜力問題也必須人為地引人粘性阻尼器以使系統(tǒng)達(dá)到平衡、塊體運(yùn)動趨于穩(wěn)定。離散單元法的優(yōu)勢在于它在反映巖塊之間接觸面的滑移、分離與傾翻等大位移的同時，能計算巖塊內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布。該法主要用于分析節(jié)理巖體及其與錨桿的相互作用接觸穩(wěn)定問題。當(dāng)巖體并未被結(jié)構(gòu)面切割成塊體的集合時，便不甚適用。

塊體——彈簧元分析法是用簡化剛性塊體模擬不連續(xù)介質(zhì)的剛體彈簧元數(shù)值模型［15］，它以單元形心的剛體位移為基本未知量，僅考慮單元之間縫面的變形協(xié)調(diào)與本構(gòu)關(guān)系來建立求解的支配方程，確定縫面的相對位移及應(yīng)力，該法適于分析節(jié)理巖體的穩(wěn)定性。

2.4模型試驗(yàn)方法。

地下工程圍巖穩(wěn)定性問題的研究始終與模型試驗(yàn)相伴隨，模型與實(shí)際工程問題的相似性是模型試驗(yàn)解決問題的關(guān)鍵。針對理論分析中的種種缺陷和不足，荷蘭S．C．Bandis［16］等進(jìn)行了模擬高地應(yīng)力條件下的圓形洞室開挖模型試驗(yàn)后，認(rèn)為即使在超高應(yīng)力條件下，圍巖的各向異性性質(zhì)仍很明顯，其二次應(yīng)力和變形都由巖體構(gòu)造控制。模型試驗(yàn)方法多用于重要的難以用現(xiàn)場試驗(yàn)方法解決的復(fù)雜工程。

2.5不確定性方法

現(xiàn)在的巖石力學(xué)正處于從確定性研究轉(zhuǎn)向不確定性方法研究的過程中。影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性因素主要為地層巖性及其產(chǎn)狀、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面組合形態(tài)、地應(yīng)力狀態(tài)以及水的賦存情況等［17］，這些因素具有很大的不確定性。由于巖土工程本身的機(jī)理比較復(fù)雜，有些問題還未充分認(rèn)識；巖土工程概率分析法還處于發(fā)展階段，不少概念還很不明確，計算方法也不夠簡便。這些困難也促使一些巖土科技工作者潛心鉆研，他們吸收地面結(jié)構(gòu)概率分析成果，針對地下工程特點(diǎn)開展專題研究，雖未完全解決關(guān)鍵技術(shù)問題，但也取得了許多可喜成果［18］。研究表明，不確定性方法在各種影響因素的不確定性越嚴(yán)重的問題中越能顯示其優(yōu)越性。

3. 今后研究方向

通過以上系統(tǒng)的分析，筆者對今后地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法的研究發(fā)展方向進(jìn)行如下探討：（1）研究圍巖穩(wěn)定性必然要考慮圍巖的塑性問題，工程界通常按二維平面應(yīng)變問題來模擬地下洞室的開挖效應(yīng)，但實(shí)際上，在掘進(jìn)面之后大約2~3倍洞徑或洞室跨度范圍內(nèi)，巖體變形發(fā)展和應(yīng)力重分布都將受到掘進(jìn)面本身的制約。因此，應(yīng)對掘進(jìn)面附近范圍內(nèi)隧道三維空間效應(yīng)（包括掘進(jìn)面推進(jìn)時效）進(jìn)行研究；（2）采用圍巖分類法分析圍巖穩(wěn)定性時包含參數(shù)較多且難以確定，應(yīng)認(rèn)真分析地質(zhì)資料，研究圍巖破壞的機(jī)理，采用合理的本構(gòu)模型；（3）模型試驗(yàn)法雖費(fèi)用高昂但非常有效，值得嘗試將地層巖性類似的地區(qū)結(jié)合圍巖分類法建立可重復(fù)利用的模型；（4）當(dāng)前巖石力學(xué)已逐漸從確定性研究轉(zhuǎn)向不確定性方法研究，傳統(tǒng)分析方法未能考慮各參數(shù)離散性對安全度的影響，期望不確定性方法的研究能有效解決此問題；（5）有限元法在解決非連續(xù)介質(zhì)問題時不理想，所以如何將有限元法與塊體理論、不連續(xù)變行分析等方法結(jié)合起來應(yīng)是今后數(shù)值分析法的發(fā)展方向。

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［文章編號］1619-2737（2011）04-22-014

［作者簡介］趙海濤 (1982.07.01-)，男，河南新鄉(xiāng)人，徐州空軍學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉雷o(hù)工程。