地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析方法綜述

方盛

摘 要 本文簡要地介紹了多種地下工程圍巖穩(wěn)定性分析方法，及圍巖失穩(wěn)判據(jù)。并對它們進(jìn)行了簡單的討論，分析了目前方法的不足與存在的問題。

關(guān)鍵詞 地下工程、穩(wěn)定性、圍巖

引言

地下洞室圍巖喪失穩(wěn)定性，從力學(xué)觀點來看，是由于圍巖的應(yīng)力水平達(dá)到或超過巖體的強度范圍，形成了一個連續(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)。破壞的主要形式有脆性張裂破壞、塑性擠壓流動破壞和剪切流動破壞等。圍巖穩(wěn)定性研究的實質(zhì)是分析和評價圍巖巖體介質(zhì)的應(yīng)力和變形。從古典的壓力拱理論到彈塑性理論來研究圍巖穩(wěn)定問題，是我們認(rèn)識上的一大進(jìn)步和理論上的重大突破。同時，也出現(xiàn)了考慮圍巖節(jié)理、裂隙的計算解，流變理論也逐漸被引用到圍巖穩(wěn)定性分析的研究中，使得圍巖穩(wěn)定分析的方法更加符合實際。隨著我國西部大開發(fā)的深入，大量的地下工程需開工建設(shè)，探討地下工程穩(wěn)定性的方法就顯得很有必要[1]。

1圍巖穩(wěn)定性分析

1.1 圍巖穩(wěn)定性分析

計算方法有解析法、數(shù)值分析方法、灰色關(guān)聯(lián)方法、斷裂和損傷力學(xué)方法、反分析方法等。這些方法的劃分并不是很嚴(yán)格，當(dāng)用到某一部分的知識時，都可以視為是這種方法求解[2]。

1.2 圍巖失穩(wěn)判據(jù)

圍巖的穩(wěn)定性分析在學(xué)術(shù)界一直是一個備受關(guān)注的問題，但到目前為止其失穩(wěn)判據(jù)還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這主要是由于實際工程的復(fù)雜性所致。其中圍巖強度判據(jù)，圍巖極限應(yīng)變判據(jù)以及圍巖向洞內(nèi)收斂位移和收斂比三種基本判據(jù)是目前工程界比較常規(guī)的判別方法。但隨著非線性科學(xué)理論的發(fā)展，各種新興的失穩(wěn)判據(jù)也相繼被提出。

在圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值分析中，常需要失穩(wěn)判據(jù)，以表明巖體處于極限平衡狀態(tài)。目前圍巖穩(wěn)定性判別方法較多，可以歸納為以下兩類判據(jù)。

（1）圍巖強度判據(jù)。該判據(jù)在隧道地下結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值分析中得到了廣泛應(yīng)用，該判據(jù)理論基礎(chǔ)是強度破壞理論，如德魯克—普拉格準(zhǔn)則或莫爾庫侖準(zhǔn)則等，即在低約束壓力條件下，當(dāng)巖體內(nèi)某斜截面的剪應(yīng)力超過破壞理論規(guī)定的滑動界限范圍時，巖體就發(fā)生剪切極限破壞。從力學(xué)觀點來看，圍巖喪失穩(wěn)定就是其中應(yīng)力達(dá)到或超過巖體強度的范圍比較大，最后形成一個連續(xù)貫通的塑性區(qū)和滑裂面，因而這部分巖體將會產(chǎn)生很大位移，因此，隧道圍巖穩(wěn)定性評價實質(zhì)上說就是巖體應(yīng)力和變形的分析。提出：“破碎軟弱巖體由于裂隙極度發(fā)育，巖石切割成碎石塊體，往往裂隙間夾大量泥質(zhì)物，所以具有非線性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，屈服強度低，對于這類圍巖可以用彈塑性和抗拉分析評價圍巖穩(wěn)定性”。類似用強度理論分析圍巖穩(wěn)定性的文獻(xiàn)有很多。

（2）圍巖變形量或變形率判據(jù)。在國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范中，圍巖穩(wěn)定性判據(jù)多以變形值或變形速率為主，認(rèn)為圍巖變形量或變形速率超過一定值巖體即發(fā)生破壞。具體的有圍巖極限應(yīng)變判據(jù)、圍巖向內(nèi)收斂位移和收斂比判據(jù)等。有人認(rèn)為，變形值或變形速率判據(jù)用于軟弱圍巖往往時效不佳，根據(jù)牛頓運動定律，物體從運動轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)的必要條件是，加速度由負(fù)值漸趨為零。因此，圍巖穩(wěn)定性判據(jù)應(yīng)以加速度為主，輔以變形值或變形速率，據(jù)此提出了變形速率比值判據(jù)。

然而采用不同的失穩(wěn)判據(jù)得到的穩(wěn)定安全度一般是不相同的，如何建立一個具有理論基礎(chǔ)的、可得到唯一解的失穩(wěn)判據(jù)是今后需要解決的問題。

即使目前提出了許多新的判據(jù)，如上文提到的基于突變理論的判據(jù)嫡突變判斷準(zhǔn)則，但都仍存在著一定的缺陷。地下洞室的圍巖穩(wěn)定評判準(zhǔn)則到目前為止也尚未完全成熟，有待于進(jìn)一步深入。同時，從穩(wěn)定的定義、量化的判據(jù)到分析的理論、準(zhǔn)則和方法等一系列基本問題都還沒有形成明確的系統(tǒng);再者，在具體工程中，不同的失穩(wěn)判據(jù)得到的穩(wěn)定安全度一般也是不相同的，因此如何建立一個既具有理論基礎(chǔ)又可得到唯一解的失穩(wěn)判據(jù)是今后需要解決的問題，這還需有關(guān)學(xué)者進(jìn)一步的研究[3]。

2存在的問題

2.1 參數(shù)及本構(gòu)

巖石力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)模型是巖石力學(xué)研究中最核心的兩個問題，然而，由于巖石力學(xué)的研究對象是復(fù)雜的巖土體材料，一般均具有非線性、非連續(xù)性、非均質(zhì)及多相性等特點，尤其是天然巖體，由于其賦存的特殊性，它被各種地質(zhì)構(gòu)造（如斷層、節(jié)理、層理等）切割成既連續(xù)又不連續(xù)的形態(tài)，從而一般均形成一個從松散體到弱面體再到連續(xù)體的材料序列，而且，天然巖體所涉及的力學(xué)問題是一個多場（應(yīng)力場、溫度場、滲流場）、多相（氣相、固相、液相）等影響下的復(fù)雜耦合問題，再加上工程開挖和外部環(huán)境的影響，致使許多情況下，我們不能獲得較為準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)模型。“力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)模型不準(zhǔn)”已成為巖石力學(xué)理論分析和數(shù)值模擬的“瓶頸”問題。

傳統(tǒng)的巖石力學(xué)理論是以巖石的加載試驗（包括室內(nèi)及現(xiàn)場原位試驗）為基礎(chǔ)，引入成熟的彈塑性理論等建立起來的而地下洞室?guī)r體開挖后的實際情況是以卸荷為主，且往往有較大的拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)。顯然傳統(tǒng)的巖石力學(xué)理論統(tǒng)一采用加載試驗獲取的巖體力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用適合于加載情況的力學(xué)分析軟件進(jìn)行分析與計算，得到的變形及穩(wěn)定分析結(jié)論與現(xiàn)場的實際情況必然有巨大區(qū)別，甚至連趨勢都無法反映[4]。

2.2 模型的有效性

在一般建模的過程中，模型的有效性值得商榷。首先，地下洞室工程的地質(zhì)情況復(fù)雜性，及目前勘測手段的局限性，決定了前期地質(zhì)勘測資料對真實的逼近程度。其次，在建模過程中由于考慮到建模的方便及網(wǎng)格的剖分，會對前期勘測資料進(jìn)一步簡化，致使模型和真實情況又有一定的偏離。模型是計算的載體，在模型有誤差的基礎(chǔ)上得來的結(jié)果的有效性，需要進(jìn)一步研究和評估。目前奧地利的H.F.Schweiger教授在怎么把工程穩(wěn)定性的數(shù)值分析結(jié)果運用到實際工程中，及如何評價結(jié)果的可用及可靠性做出了很多研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 張有天.水工隧洞建設(shè)的經(jīng)驗教訓(xùn)（上）[J].貴州水力發(fā)電，2001，（12）：76-84.

[2] 沈明榮，巖體力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2000：59.

[3] 張玲召.巖體邊坡穩(wěn)定性模糊綜合評判[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，（12）：96-98.

[4] 彭振華，丁浩，連建發(fā)，等.分形理論在地下工程巖體質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè)，2003，（2）：7-10.