地下洞室圍巖穩定性評價方法的適用性研究

【摘 要】圍巖穩定性是反映地下洞室地質環境、支護結構與施工方法的綜合性指標。本文歸納了力學分析法、圍巖分類法、數值分析法、模型試驗法、不確定性方法等5種常用的圍巖穩定性評價方法，分析了各種方法的優缺點及其適用性，討論了今后的研究發展方向。

【關鍵詞】地下工程；圍巖穩定性；適用性

1. 引言

地下洞室圍巖喪失穩定性，從力學觀點來看，是由于圍巖應力水平達到或超過巖體強度范圍較大，形成一個連續貫通的塑性區和滑動面，產生較大位移，最終導致失穩。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，因此圍巖穩定性研究的實質是分析與評價巖體介質的應力和變形。應用彈塑性理論、流變理論，并考慮圍巖節理、裂隙的計算解來研究圍巖穩定問題［1，2］，使得圍巖穩定性分析方法更為貼切實際。然而在對不同地質條件、埋深、跨度、施工方法等的地下洞室圍巖穩定性進行分析時，應考慮評價方法的適用性，有益于選擇出合理的圍巖穩定性評價方法。

2. 圍巖穩定性評價方法及適用性分析

2.1 力學分析法。

（1）圍巖壓力理論主要經歷了古典壓力理論、散體壓力理論及目前廣泛應用的彈性力學理論、塑性力學理論，地下洞室開挖后由于卸荷作用使圍巖應力進行重分布，并出現應力集中。如果圍巖應力處處小于巖體彈性極限強度，這時圍巖處于彈性狀態；反之，圍巖將部分進入塑性狀態，但局部區域進入塑性狀態并不意味著圍巖將發生坍落或失穩。

（2）力學分析法對于規則的圓形斷面求解較為精確，參數也較易確定，但當洞室是非圓形時，就需要通過保角變換將單位圓外域映射到洞室外域，而洞室的映射函數是問題的求解關鍵。力學分析法具有精度高、分析速度快和易于進行規律性研究等優點，但分析圍巖應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定性分析在數學處理上存在一定困難。特別當巖體應力、應變超過峰值應力和極限應變，圍巖進入全應力應變曲線峰后段的剛體滑移與張裂狀態時，它便不再適用。對工程實際中經常遇到的多孔、不均質及各向異性等問題，現今的力學方法幾乎無法解決，只能借助數值方法求解。

2.2 圍巖分類法。

（1）圍巖分類法是大型地下洞室群圍巖穩定性評價的重要方法之一，在實際工程設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，更能發揮其作用。圍巖分類理論先后經歷了以普氏和RQD分類法為代表的單指標分類法、以模糊聚類分析法和巖體質量系數Q分類法為代表的多指標分類法、以圍巖變形量和圍巖松動圈分類法為代表的與支護有直接關系的綜合指標分類法［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］。

（2）隨著大型地下工程建設的迅速發展，國內外把圍巖分類作為地下工程技術基礎研究的重要課題之一。圍巖分類方法從定性到定量、從單一指標向綜合指標發展，應用模糊數學理論的綜合評判法［5］、灰色系統理論［6］、神經網絡理論［7］、分形理論［8］，使圍巖分類更為科學合理。采用圍巖分類法分析圍巖穩定性時包含參數較多，有些參數難以準確測定，對隧洞和采礦等工程較為實用。

2.3 數值分析法

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

2.3.1.1 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，是地下工程巖體應力應變分析最常用的方法［9］。有限元法部分考慮了地下結構巖體的非均質和不連續性，對以非均質各向異性和非線性為特征的介質有良好的適應性，可以解決各種復雜的邊界問題，可以給出巖體應力、變形大小和分布，并可依據應力、應變規律去分析地下結構的變形破壞機制。有限元法適用性主要取決于兩個方面［10］：

（1）對地質變化的準確認識，如巖體深部巖性變化的界限、斷層的延展情況、節理裂隙的實際分布規律等；

（2）對介質物性的深入認識，即巖體各組成部分在復雜應力及其變化作用下的變形特性、強度特性及破壞規律等。不足之處在于有限元法只適用于連續介質，對于非連續介質計算結果不理想。

2.3.1.2 邊界元法的優點體現于計算精度高，應力和位移具有同樣的精度，且只在求解區域的邊界上進行離散（剖分單元），降低了問題的維數，但要求知道所研究問題的基本解。邊界元法因為網格剖分簡單，計算工作量及對計算機內存容量要求低，主要適用于常系數、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，根據有限差分法的原理，提出了FLAC數值分析方法。徐平等［11］對這一方法的應用作了研究，該方法能更好地考慮巖土體的不連續和大變形特性，求解速度較快，其缺點在于計算邊界、單元網格劃分帶有很大隨意性。

2.3.2 非連續介質力學法。非連續介質力學數值方法主要包括塊體理論、不連續變行分析、離散單元法、塊體——彈簧元分析法等。

（1）塊體理論是以塊體單元的剛體位移為基本未知量，根據塊體在外力和縫面應力作用下的平衡條件、變形協調條件及塊體之間夾層材料的本構關系，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力狀態［12］。該法特別適用于解決具有眾多節理、裂隙巖體的變形、應力和穩定性分析。與有限單元法相比，可減少未知量個數，提高計算精度與速度。

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

（3）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)的運動方程支配，通過迭代求解顯示巖體的動態破壞過程［14］。離散單元法中一個基本假定是塊體運動時動能將轉化成熱能而耗散掉，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達到平衡、塊體運動趨于穩定。離散單元法的優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，能計算巖塊內部的變形與應力分布。該法主要用于分析節理巖體及其與錨桿的相互作用接觸穩定問題。當巖體并未被結構面切割成塊體的集合時，便不甚適用。

（4）塊體——彈簧元分析法是用簡化剛性塊體模擬不連續介質的剛體彈簧元數值模型［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調與本構關系來建立求解的支配方程，確定縫面的相對位移及應力，該法適于分析節理巖體的穩定性。

2.4 模型試驗方法。地下工程圍巖穩定性問題的研究始終與模型試驗相伴隨，模型與實際工程問題的相似性是模型試驗解決問題的關鍵。針對理論分析中的種種缺陷和不足，荷蘭S．C．Bandis［16］等進行了模擬高地應力條件下的圓形洞室開挖模型試驗后，認為即使在超高應力條件下，圍巖的各向異性性質仍很明顯，其二次應力和變形都由巖體構造控制。模型試驗方法多用于重要的難以用現場試驗方法解決的復雜工程。

2.5 不確定性方法現在的巖石力學正處于從確定性研究轉向不確定性方法研究的過程中。影響地下洞室圍巖穩定性因素主要為地層巖性及其產狀、構造結構面組合形態、地應力狀態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理比較復雜，有些問題還未充分認識；巖土工程概率分析法還處于發展階段，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，他們吸收地面結構概率分析成果，針對地下工程特點開展專題研究，雖未完全解決關鍵技術問題，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重的問題中越能顯示其優越性。

3. 今后研究方向

通過以上系統的分析，筆者對今后地下洞室圍巖穩定性分析方法的研究發展方向進行如下探討：

（1）研究圍巖穩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變問題來模擬地下洞室的開挖效應，但實際上，在掘進面之后大約2~3倍洞徑或洞室跨度范圍內，巖體變形發展和應力重分布都將受到掘進面本身的制約。因此，應對掘進面附近范圍內隧道三維空間效應（包括掘進面推進時效）進行研究；

（2）采用圍巖分類法分析圍巖穩定性時包含參數較多且難以確定，應認真分析地質資料，研究圍巖破壞的機理，采用合理的本構模型；

（3）模型試驗法雖費用高昂但非常有效，值得嘗試將地層巖性類似的地區結合圍巖分類法建立可重復利用的模型；

（4）當前巖石力學已逐漸從確定性研究轉向不確定性方法研究，傳統分析方法未能考慮各參數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介質問題時不理想，所以如何將有限元法與塊體理論、不連續變行分析等方法結合起來應是今后數值分析法的發展方向。

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