地下結構工程第講講稿七

4.4地下結構穩(wěn)定分析主要方法1、地質分析法2、工程類比法3、巖體結構分析法4、數值分析法5、地質力學模型試驗法1、地質分析法通過地質勘測手段，了解與圍巖穩(wěn)定有關的巖石、巖體特性，區(qū)域與局部地質構造、巖體地應力場、地下水等等幾個主要因素的特點，通過區(qū)域綜合分析，確定洞室穩(wěn)定性。這往往是地質人員使用的主要方法2、工程類比法根據擬建的工程區(qū)域的地質條件、巖體特性和工程特征，通過與類似條件下已經建成的、成功或失敗的地下工程實例的對比，進行驗算和綜合分析，從而判斷擬建的地下結構工程的圍巖穩(wěn)定性。3、巖體結構分析法了解巖體結構和弱面強度性質，以及地應力分布情況后，可根據地下結構設計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、實體比例投影、或塊體坐標投影法等進行圖解分析，初步從幾何關系和運動學角度判斷巖塊的穩(wěn)定。在上述步驟的基礎上，再采用極限平衡理論，對由“弱面”和凌空面組成的“可能的布穩(wěn)定塊體”進行穩(wěn)定性校核計算，求出塊體上的抗滑力和滑動力之間的比值，即得到塊體的穩(wěn)定安全系數。這種方法實際上也形成了數值方法中的塊體分析理論的基礎。4、數值分析法(1)數值分析方法的類型伴隨電子計算機的應用而發(fā)展起來的現代計算力學數值分析方法，現在已經成為地下洞室圍巖穩(wěn)定分析的最重要的手段之一，在近三十年的時間里，發(fā)展速度之快、應用范圍之廣都是驚人的。用于連續(xù)介質的有：有限單元法（FEM）、邊界單元法(BEM)、拉格郎日元法(FLAC，FastLagrangionAnalysisforContinua,2Dand3D)；用于非連續(xù)介質的有：關鍵塊體理論（KBT,KeyBlockTheory）、離散元法(DEM,DiscreteElementMethod)、不連續(xù)變形分析法(DDA,DiscontinuedDeformationAnalysis)；可同時用于連續(xù)介質和非連續(xù)介質的數值流形法(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用。但是，應用最廣、最可靠、結果最穩(wěn)定的還當屬有限元方法。(2)應用有限元法進行洞室穩(wěn)定分析的注意點(a)二維分析時，首先應根據廠區(qū)的地質資料做好廠房橫剖面的選定工作，要注意尋找最危險的地質橫剖面，尤其應注意那些不利的地質構造面的位置。(b)根據地質資料，確定巖體及構造面的力學參數，及可能的變動范圍。(c)地應力的確定，可根據有限的地應力實測資料對廠區(qū)的地應力場作回歸分析，結果正確與否，在于對試驗洞或初期開挖階段實測位移的擬合情況。(d)由于巖體類型的差異，其變形及強度性質干變萬化，相應的本構模型也種類繁多。所用有限元程序的本構模型和破壞準則應能模擬巖體的實際情況。理想的模擬比較困難，但應使模型和巖體實測資料在大部分巖體的工作范圍內可較好地擬合。數值方法研究的最新進展不但體現在對較為成熟的數值方法，如有限元、邊界元、離散元法等的不斷更新和發(fā)展，對現有大型商業(yè)程序的二次開發(fā)，同時也體現在不斷有新的算法和程序的出現。如對三維離散元和三維DDA程序成功開發(fā)，以及剛體有限元法、廣義有限元法、運動單元法、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、細胞發(fā)生器算法和模擬退火算法等等。5、地質力學模型試驗試驗研究方法包括現場試驗方法和室內模型試驗方法，也是保證地下工程正確設計、安全施工的必不可少的一種研究方法。它與數值計算方法相輔相成，互相驗證，優(yōu)勢互補。近年來也有很大進展。大型三軸剛性伺服實驗機已經較廣泛地用于巖石材料全應力路徑參數測定。電鏡掃描和CT技術已用于巖體材料的微觀或細觀結構研究。各種地應力測量技術，如應力恢復法、應力解除法、應變恢復法、應變解除法、水壓致裂法、聲發(fā)射法、X射線法、重力法等也廣泛應用于地下洞室工程。就二維和三維物理模型試驗來說，由于模型是真實的客觀物理實體，更能真實地全面地反映出各種結構在空間和時間上的相對關系，以及它們在施工或運行過程模擬中的力學性征，因而歷來在水利水電工程設計中受到重視。水力學模型試驗、泥沙模型試驗、研究壩體和基礎共同作用的地質力學模型試驗等，已經有了較為成熟的試驗技術，并取得了豐富的成果。地質力學模型試驗方法即按照一定的相似理論，采用適當的模型材料，模擬實際的巖體結構、材料特性、地應力場分布和地下結構工程開挖及支護方式。通過接觸或非接觸測量手段，了解地下結構圍巖的變形分布、應力分布、屈服破壞形態(tài)和破壞過程，從而對地下結構穩(wěn)定性作出評價和預測。但是地下洞室工程的模型試驗卻由于難度太大而相對發(fā)展較慢。以往的地下工程的模型試驗規(guī)模很小，大都是二維的，試驗條件也進行了很大的簡化。例如1985年進行的二灘地下廠房的二維平面應變模型試驗，模型幾何比尺為1:350，應力場是均勻應力場，模型平面倒置在地面，不考慮自重應力等。還有的模型洞室是事先制作好的，洞室內部充填剛性塊體，模擬開挖時，將塊體逐一抽出。這些當然都與工程實際相差過大。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難度太大。例如三維地應力場的模擬原理和技術、洞室群開挖尤其是內部洞室隱蔽開挖技術的實現、內部物理量量測方法等等，因而幾十年來一直沒有顯著進展。大型地下洞室群三維模型試驗由于地下水電站向超大型、多洞室、高地應力方向的發(fā)展，進行地下廠房洞室群大型三維地質力學模型試驗這一極具挑戰(zhàn)性的任務，提到了議事日程。國家電力公司成都勘測設計研究院和清華大學水利水電工程系在這一點上達成共識，為開展超大型地下洞室群三維地質力學模型試驗研究工作創(chuàng)造了條件。通過發(fā)揮清華大學綜合性大學的優(yōu)勢，與清華大學機械學院、中國水科院以及國際研究機構合作，采用離散化多主應力面三維加載系統(tǒng)、步進機械臂和微型掘進機技術、微型高精度位移量測技術、聲波測試技術、光纖測量及內窺攝影技術等，解決了地下洞室群地質力學模型試驗中的復雜三維地應力場仿真、隱蔽開挖模擬及內部量測等關鍵技術問題，取得了突破性重要成果。經驗判斷地下洞室的穩(wěn)定對于中等強度、結構面不發(fā)育的較完整巖體，可以看作均質、各向同性材料；如果地應力以自重應力為主，可以作如下經驗判斷（設巖體強度為Ro，自重應力為o＝h）條件穩(wěn)定性支護措施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地下洞室的支護為保證施工的安全和地下結構的長期穩(wěn)定，適當的支護是完全必要的。近30年來，對支護的認識發(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。人們認識到支護并非唯一的保持地下結構圍巖穩(wěn)定的手段，發(fā)揮圍巖的自承能力，使支護與圍巖相互作用，共同形成穩(wěn)定的復合承載環(huán)，才是最為經濟有效的支護方式。但是究竟采用哪一種支護方式，應該視地質構造、巖體強度、原始應力、洞室布置的不同而分別考慮。一般支護型式有三種：1、柔性支護2、剛性支護3、復合型支護1、柔性鐮支護如噴砼潤、鋼纖竭維噴砼靠、鋼筋熱網噴砼醬、自應范力錨桿懼、預應廣力錨桿騰、預應寺力錨索夢等等，匠以及它被們的組郊合2、剛懇性支護如現澆槐混凝土軟襯砌、膊鋼筋混翼凝土襯美砌、預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3、復隨合型支龜護即采用貓柔性支勇護作為籍初期支燥護或稱巧為一次狂支護，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，攜采用剛做性支護附作為永鏟久性支益護或稱肚為二次匹支護，鞠以保證見運行期椅的長期蒸穩(wěn)定，臉同時增埋加運行爸人員的絡安全感咸。對過賄水隧洞摟則又起種到減少級糙率的生作用。系統(tǒng)支是護及隨滾機支護1、系統(tǒng)累支護設計賭是根據地裂質條件、南巖石分類廊和工程規(guī)哀模等指標姐，不作精談確的計算陣，采用工燙程類比法拌進行設計散，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、預應課力值（一車般給張力宵值，以噸漲為單位）春等。2、隨機六支護則是和在施工過約程中根據爸新揭示的戚地質現象忍、巖體材旗料性質以資及施工監(jiān)虜測資料等臉數據，對洞系統(tǒng)支護揀設計進行豎的修正、訂補充或緊離急處理措敏施。一般姜通過監(jiān)測境反饋分析寫結論作出摩。支護型猜式選擇均的原則1、一以般首先吼考慮柔殘性支護2、完整劇堅硬的巖竊體一般主洪要控制表理面松動的類巖塊，選黃用柔性支騙護，特別鑼注意應力狹集中部位姥和拉應力敵區(qū)的支護絡適當加強3、軟拒弱破碎膽、節(jié)理禁裂隙密遠集發(fā)育府的巖體演，硬采贈用剛性運或復合刮型支護瞎。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體患風化破觸碎嚴重慣；交叉鐘洞段在隙構造上貼屬于不顛穩(wěn)定結阿構，存印在應力戴不平衡