复杂条件地下洞室.ppt
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1、复杂条件地下洞室工程稳定分析及应用,我国是世界上地下工程的最大开挖国。随着采矿业深度的增加,复杂地层的巷道维护问题日益突出。特别是煤炭行业,每年因巷道的过度变形、底彭、顶板冒落等造成的巷道翻修量和人身伤亡事故是其他行业的数十倍。我国近年在铁路交通系统也将修建一系列的长、大山岭隧道而面临着大埋深条件下的复杂地层开挖支护技术问题。国内兴建的大型水电工程,如二滩、小浪底、小湾、溪洛渡、龙滩、水布垭、三峡右岸电站等都有规模巨大的地下厂房群体,复杂条件有二重含义:一是围岩复杂,主要指的是软弱、破碎、易膨胀、大变形、节理发育、地下水富集、大埋深和高地应力区的岩层;二是工程复杂。如果系大断面巷道或为洞室巷道
2、群体就属工程结构复杂。无论是一类复杂或两者并存,这时地下工程的开挖支护技术及其安全性就会形成难题。这里重点针对上述复杂条件下的两大类岩体,即软弱具流变特性的岩体和节理岩体,研究岩体流变属性及其在软岩洞室中的工程应用。,1 围岩稳定控制理论与模拟方法的进展,一、地下工程开挖支护和围岩稳定的控制原理 将复杂地层中开挖地下工程和采取相应支护手段看成是一项系统工程。由于围岩是非线性的,所以要运用非线性的力学原理和方法为指导思想。应强调指出其开挖支护是在空间和时间不断变化的过程中实施的,而该施工过程实际上是对围岩进行的反复加卸载,因此要重视和考虑该过程对围岩稳定的影响。,(一)施工过程力学原理,(1)工
3、程岩体的稳定不仅与自然因素有关,还与人为的工程因素密切相关。(2)复杂岩体的施工,对围岩是一个非线性的力学荷载过程。其稳定性是与应力路径及历史相关的。施工前要进行动态施工过程力学的优化分析,寻求几个较优方案,以供决策。(3)根据岩体及工程特点,要有针对性地运用开挖和支护手段,把有害的影响及隐患控制在尽量低的范围内。(4)做好施工期间围岩动态响应的观察和监测,用以判断施工方案的合理性,并及时调整。(5)强调勘察、设计、施工、科研各环节紧密结合、相互渗透,允许调整施工方案。,(二)能量转化原理,对于软岩巷道支护问题,工程界长期以来对是否要“先柔后刚”的方针来实施支护一直有争议。此外,对“柔”到什么
4、程度,“刚”到多少以及什么时候再设置刚性的二次支护都有不同见解,从能量分析的角度提出的“能量转化原理”对此做了科学的解释。洞巷开挖的非线性能量守恒定律在一定条件下可简化为:其中:为在非完全弹性介质中开挖洞巷时围岩中重新积聚的弹性能;为开挖洞巷过程中损失的非弹性能;为人工构筑的支护所吸收的能量。这就是说在允许围岩先变形和损伤到一定程度 及,并不至于使围岩过度破坏的情况下,应使 就可使支护的代价最小,且保证了巷道的稳定。就有一个、和 三值的优化问题。,此项原理可归纳为以下几条:(1)对非线性的复杂围岩,当其潜在的变形能很大时,应使其非弹性的变形能 得到适量的释放。但不能达到使整体围岩失稳坍落或大到
5、其变形量影响使用空间的程度。(2)围岩中重新积聚的弹性能 可以尽量保持较高值,但对脆性岩石则不能使其增大到有可能发生岩爆的程度。(3)由于支护所吸收的能量 是与 和 成反比的,要使支护代价尽量小,应争取 和 达到较高值。但由于前两条的限制,则应进行三者的优化分析,以达到既安全又经济的目的。,(4)某些支护形式是与围岩结合为一个整体的(如锚固、注浆等)。这就使相关区域的围岩也成为支护的一部分。这时应使支护技术充分发挥围岩的强度和刚度潜力令其本身能吸收更多的围岩变形能,以降低支护的成本。这种主动支护形式就比传统的被动支护形式更为有效和经济。,(三)时空变载原理,近年来又提出了适于复杂地层开挖和支护
6、研究的“时间和空间载荷变化分析原理”,简称“时空变载原理”:(1)地下工程是建造在具有一定初始应力的围岩中,复杂地层中的施工和维护难度强烈受到应力场及其方向的影响。在设计工程的主轴方位时应充分注意使二者的主向较为有利于工程的稳定。在围岩中若存在系统的构造断裂(断层、节理等),则还应注意洞轴与不利稳定的构造方向间的关系。在预测围岩的失稳类型和失稳程度时就应以三者间方向的相互关系为优化抉择的主要依据。,(2)无论是开挖和支护都是对围岩施加的一种荷载。对于施工工期较长的长大洞巷或大断面洞室群,其不断推进的开挖支护,对围岩的每一个特定部位几乎都是一个反复的加卸载过程。因此,要注意研究围岩在这种不断加卸
7、荷变换状况下其力学特性的变化。(3)工程开挖从宏观来说似乎是对围岩的一种卸荷行为,但实际上从力学分析角度来看,即使对同一个开挖断面,一般来讲围岩周边总是同时存在着加载区和卸载区。这两种区域往往是成对相隔分布的,其分布方位与初始地应力场的主向相关。沿着这个主向一般都为卸荷区或主要的能量释放区。对于三维空间来说其加卸载区的分布就更为复杂了。,(4)对软弱围岩,由于一般的具有流变性能。在研究开挖支护对围岩的作用时,不仅要考虑推进过程中其空间坐标的变化,还应考虑时间效应,就是时间和空间的双重效应。(5)在对这种情况做数值分析时,应考虑到其加卸载过程特定应力路径和时间效应的特点。若不符合上述的实际情况则
8、会得到不真实的结果。因此,时空仿真分析十分重要。(6)由于复杂地层中的这些特点,其开挖和支护影响的科学分析实际上是一个对开放的系统的系统工程分析。施工过程中围岩与外界有十分明显的能量交换。所以,今后的数值分析方法中应充分考虑空间和时间双重作用下的能量耗散问题。,二、复杂地层的围岩力学模型及模拟方法,复杂地层包含了众多的复杂地质条件,主要指两大类型常见的问题:一种是相对较为坚硬的岩质,但其节理或断层发育,或地应力较高,或有渗漏问题等(水电工程为主);一种则为埋深大或地应力高的软弱破碎地层(以煤矿等工程为主)。(一)节理发育围岩的基本力学特性大型水电工程,其围岩大多赋存有若干组节理裂隙。围岩的稳定
9、性则主要取决于这些节理裂隙在开挖后的行为及对岩体强度和变形的影响。这些节理多为构造形迹且成组出现,其分布多为断续性的。这种既非完全连续又非完全断开的介质,研究起来难度很大。因此,采用以模型试验和分析模型相结合的方法来进行模拟研究,并将二者的结果进行对比,相互检验。最后在现场应用时以观测资料为依据,再用反分析和正分析的方法不断改进,以求不断完善,1节理岩体的模型试验研究 参照我国某些典型水电工程的节理围岩特点,如:二滩电站、小浪底电站、广州蓄能电站、李家峡电站等工程的围岩特点。以几种典型节理组合为研究对象开展了大量的节理岩体力学特性研究的平面模型试验。节理岩体分为四种类型,用综合性包络线表示的四
10、种岩体的整体强度,材料强度和节理面强度。采用了归一化的比强度的分析法,定义比粘聚力及比内摩擦系数为岩体或节理的指标与材料指标之比。节理岩体的三种强度的相关关系可近似取节理岩体的整体内摩擦系数等于材料及节理面平均内摩擦系数;而节理岩体的整体粘聚力为材料及节理面平均粘聚力的2030。,2节理岩体的非线性力学模型及分析方法(1)节理刚度法断裂损伤模型:本模型是运用弹性体功的互等定律,引入传压和传剪系数Cn及Cr,在裂隙的变形参数上引用节理单元的法向和剪切刚度参数而推导出二维及三维问题的本构方程。损伤演化方程不是采用裂纹的共线扩展,而是采用次生的拐折裂纹模型。其原理是应用断裂力学方法,并考虑裂隙面闭合
11、时产生内摩擦力和粘聚力。对二维情况,针对多组裂隙推导了损伤演化方程。以上述推得的公式编制了计算程序。对裂隙岩体的变形及强度特性进行预测,并与相应的模型试验进行对比,取得了良好的效果。,(2)节理岩体加锚时的损伤断裂模型:李术才等按应变能等效假设和自洽理论建立加锚条件下节理岩体的本构关系和损伤演化方程。推导出了压剪应力状态,张剪应力状态的本构方程和损伤演化方程。张强勇等通过引入有效应力反映拐伤与塑性变形的耦合效应,导出了能量损伤演化方程。应用不可逆热力学定律、广义正交法则和塑性损伤一致性条件,建立了裂隙岩体在初始损伤、损伤演化和塑性损伤变形状态下的三维弹塑性损伤本构关系。同时还建立了锚杆支护的空
12、间损伤岩锚柱单元模型。,(二)软弱具流变特性围岩的力学模型及分析方法,对于软弱具流变特性的岩体,如果其初始地应力场属各向均匀场,并且围岩单一,则可采用解析方法求解围岩稳定和支护计算。若不能满足此条件,则可采用数值分析法分析计算。1粘弹-粘塑性围岩的二维数值分析 对二维问题可采用反映围岩粘弹-粘塑性特性的西源模型。通过分析粘弹性应变增量和粘塑性应变增量,求得该模型在三轴应力状态下的一般表达式。采用上述模型和分析法可以利用有限元法分析相关地下工程的围岩稳定和支护方案问题。,2围岩稳定的流变损伤分析 由于软弱围岩在一定条件下发生显著变形时,往往产生大量裂隙从而发生扩容,因此运用流变损伤力学原理作稳定
13、性分析是一种合理的选择。在损伤力学的运用上就有有效应力和表观应力采用的Desai提出的基于各向同性损伤概念而提出的关系式。我国著名专家陈宗基先生曾提出了岩体扩容起始的判据。流变损伤的本构方程采用等效应变的原理和以有效应力代替原来的表观应力,根据导出的损伤变量表达式,得到在某时段内表观应力增量与当前时刻的有效应力状态、损伤状态,以及该时段内损伤的变化及有效应力的关系式。,3围岩有膨胀性情况下粘弹塑性分析 当围岩中有遇水膨胀的岩层时,地层外水入渗、水工隧洞内的水外渗或施工用水都可能导致围岩膨胀。对较软弱的围岩,这种膨胀力(或膨胀变形)将会与围岩流变变形相耦合而形成复合性压力作用在支护(衬砌)上。同
14、济大学孙钧对这一情况提出分析模型和方法。根据岩石膨胀试验结果的回归分析,得到了膨胀主向应变与主向应力间的关系式。在做出一些必要的假定之后,提出了相应的膨胀模型和本构方程,该模型将膨胀的计算问题归结为流变计算问题,在计算中考虑了应力场和渗流场的耦合作用,也考虑了岩石吸水后弹性模量和剪切强度的降低。,第二节 地下工程的优化分析及施工原则,一、单一的软岩巷道开挖支护的优化分析和设计计算 我国当前地下工程特别是隧道工程的开挖支护设计主要还是依据围岩分类。目前除了可参考国际上的南非围岩分类法(RMR)和挪威围岩分类法(Q系统)以外,国内各大行业系统都有自己分类方法,1994年又出台了一套国标分类法(工程
15、岩体分级标准)。但这些分类方法仍都具有一定局限性,比如说对初始地应力因素的影响有的分类就没有反映,有的方法中很难合理地将其量化。一些有代表性的开挖支护设计方法。,(一)类比分析法,李世辉等提出了一种将围岩分类与简易的数值分析相结合的方法。其原理是将隧道围岩-支护体系看成一种开放的复杂巨系统。其方法由典型个体测试数据,分类与类比,并且先后已开发了可实现人机对话便于现场应用的BMP等若干系列性的程序,既可用于单一隧洞,也可用于洞群的反分析和正分析。已先后在引大入秦工程有关隧道和二滩导流洞工程等现场使用,取得好的效果。,(二)围岩松动圈支护分类法,董方庭等经过多年在煤炭矿山巷道的实践并做了若干模型试
16、验进行验证而提出的。其主要指导思想认为围岩失稳,主要是因为地应力重分布与围岩强度二者相互作用使围岩达到破坏的结果。测试地应力和测取现场围岩强度都不是每个工程所能轻易做到和测准的。但较易于实施测试的围岩松动圈却是这二者相互作用的结果。此圈范围越大越难支护或说支护措施的代价和要求也越高。这时围岩的收敛位移也越大。因此,用实测的该圈范围的大小进行支护分类,并且提出了相应的围岩支护分类表,在许多矿山取得了一定的成功。该法的一个不足之处是必须在已实施开挖的巷道现场才能测到松动圈进而确定其分类级别。这说是说在施工之前难以进行支护方法的预设计。,(三)流变性围岩的支护设计计算及优化,软岩巷道分为全部或部分围
17、岩是软岩两种类型。首先根据地质资料和现场或试验室岩体力学试验数据判断所研讨的工程围岩属于何种类型的本构模型,选取合适的力学分析模式,并在考虑尺寸效应条件下选用合理的力学参数。然后进行软岩巷道的稳定分析和支护设计。由于软岩在多数情况下流变效应都比较明显,因此对有时间效应的软岩,应采用“流变力学设计”的方法。当初始应力场为非均匀场时,可选用合适的本构模型(如弹塑性、粘弹塑性或流变损伤模型等)用数值方法做分析,确定一次、二次支护的刚度和二次支护的合理时机(或用现场变形监测曲线来确定此时机)。对此类软岩当初始应力场为均匀应力场时(即远区的PV=Ph时),可以用解析方法来做支护的优化设计(确定刚度、合理
18、支护时间等)。,如朱维申曾提出粘弹-塑性围岩,其支护上的应力状态的切向分量表达式表明,衬砌上荷载是与其设置时间、当时塑性区大小、衬砌与围岩剪切模量比及各种物理、力学、几何参量有关的函数。衬砌设置愈晚,荷载愈小。在研究软岩巷道设计和支护方案及其实施的合理时机时,有时为了更好地考虑时间和空间效应,要进行轴对应的围岩应力分析或三维数值分析。以研究超前台阶开挖或大断面的巷道的分部开挖以及随后的支护效应,并做多方案的比较。这可以在施工前进行预分析。施工开始后进行反分析或反馈分析以调整最初的施工方案,使后续方案更为优化。,(四)复合支护结构的计算,孙钧对隧道(或巷道)的围岩稳定和支护提出了两种承载的概念。
19、对中等强度的围岩,应尽量采用喷锚支护使围岩形成一个(第二类)承载环以保证隧道的稳定。对较软弱的围岩,则必需采用锚喷支护以外的附加支护以形成第二类承载环。对第二类承载环若采用二层结构的复合支护形式,提出了相应的实用计算方法。其中包括:根据结构特点,认定喷层和内衬结构的内力主要由形变压力产生;而后者的形成和分布规律与围岩变形的依时性特征相关。该依时性可简化地用三单元粘弹性模型表述;由形变压力产生的复合支护内力可借助变形协调条件建立计算方法。该种支护的截面设计要进行抗剪、抗压、抗拉能力和洞径向张应变的验算。,(五)大断面软岩巷道分部开挖支护过程的仿真模拟,由于软岩的非线性性质,模拟其开挖支护的真实过
20、程十分重要,因为过程不同其结果也会相差很大。朱合华根据此问题的特点,建立了一种施工动态仿真数值方法。用该法可在施工设计阶段预先模拟施工过程。还可在施工中进行动态反演分析,并研发出一种集成化的通用软件系统。陈锦清、陈钧等也曾对大断面巷道采用不同分部开挖方案时的围岩塑性区和收敛位移值做了分析比较。表明各种方案的结果也有相当大的差异。,二、复杂地层中修建隧道的指导原理,据不完全统计,我国在铁路部门已建成的隧道已超过5 000座,总长超过2 000km。自新奥地利施工法传人我国以来,我国的修建经验和技术实际上已在多方面超出了新奥法。王萝恕提出应总结并形成“中国隧道修建法”。他认为应以岩体力学原理为基础
21、,以支护与围岩共同作用的现代支护理论为依据,抓住四大原则:(1)一切施工方法和支护手段要紧密围绕维持围岩稳定的目的;(2)把支护和围岩视做共同承载结构;(3)用现场量测试验了解和掌握围岩_支护体系的力学动态,进行反馈设计和施工;(4)开挖后及时加固,稳定围岩;(5)开挖处于时空不断变化中,应使开挖系统具有整体性、有序性、反馈性、动态性等,使之处于人为的控制之中。,衬砌结构。以三种形式应用于不同条件:(1)特长、长大隧道应采用复合衬砌结构。初期支护有锚、喷、网和钢拱架等组成。二次衬砌由模筑混凝土或钢筋混凝土组成;(2)一般中长隧道可用单层模筑混凝土衬砌,有时也可先用临时喷锚支护;(3)地层强度高
22、,围岩完整性好时,可采用单层喷锚永久支护结构。应确立两个设计阶段的法规:一是预设计;二是施工中的信息化反馈设计,后者更为重要。环境管理(防排水)。根据不同环境及要求,要确定是以排堵结合以排为主还是以堵为主的原则,并设计好排水系统。注意环境的综合治理,为现场工人减少身心危害和负担。,施工方法。提出了共20余条施工要点,以保证在围岩稳定的条件下安全施工。其要点主要包括以下方面:1快速施工。用矿山法时,好岩石可全断面开挖,或先导坑后扩大,或加设辅助导坑等;2软弱地层。应采用正台阶法施工,绝不能采用半断面超前施工又不设仰拱的方法,应尽快形成一次支护的封闭断面是成功的关键;3开挖后及时喷射混凝土,加设短
23、锚杆。在恶劣条件下采用超前支护、注浆加固,不允许过多释放围岩的变形能;4特大断面,据不同条件可采用中隔墙法、中隔墙交叉台阶法、双侧壁导坑法等;,5软弱围岩中实施管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤量测的18字方针;6支护顺序为一次支护自上而下进行,待围岩稳定后再做二次衬砌,这时应自下而上进行。底部混凝土先铺,对围岩稳定至关重要;7因施工对地层扰动深度一般在2.02.5m,因此尽速设置长度为24m的中短锚杆较适宜;8超前地质预报已日趋成熟,应正式列入工序环节;9监控量测是核心工作,必须作好,重点注意一倍洞径处的隧道变化。,三、大型洞室及其群体的稳定性和施工方案的优化分析研究,在大型水电工程
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