淺談地下工程的開發(fā)與利用

淺談地下工程的開發(fā)與利用

隧道和地下工程技術(shù)是一門綜合的應(yīng)用學(xué)科，應(yīng)用范圍相對廣泛（翁家杰，1995；肖士等人，2002；徐傳華等人，2003；閆建華等人，2003）。在交通、地下倉儲、地下廠房、地下店鋪及辦公設(shè)施,以及采水、開礦、建筑物基礎(chǔ)處理和國防建設(shè)方面都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。我國是一個人口眾多、資源相對貧乏的國家,尤其是可耕用的土地資源人均水平遠低于世界平均水平。因此開發(fā)利用地下空間資源就顯得非常重要。隧道及地下工程建設(shè)事業(yè)的發(fā)展有利于國土資源的充分開發(fā)利用,如果應(yīng)用得當(dāng),還具有環(huán)保和節(jié)能的優(yōu)勢。與發(fā)達國家相比,我們在地下空間資源的開發(fā)利用方面還相差很遠,在交通和能源建設(shè)方面對隧道及地下工程有著巨大的需求,隧道及地下工程有著廣闊的市場前景。地下洞室穩(wěn)定性問題是一個復(fù)雜的非線性力學(xué)問題,通常伴隨著非均勻性、非連續(xù)性變形和大位移等特點。影響圍巖穩(wěn)定性的因素主要有兩大類:天然地質(zhì)條件和工程因素(于學(xué)馥等,1980;崔玖江,2001;習(xí)小華,2003)。其中天然地質(zhì)條件包括初始地應(yīng)力場、地下水、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖結(jié)構(gòu);工程因素包括洞室的位置和方向、各洞室間的相對位置和洞室尺寸、洞室形狀、開挖順序、支護方式、開挖工藝等。地下洞室的穩(wěn)定性分析可以從定性、定量、可靠度等方面考慮,主要包括洞室的整體穩(wěn)定性分析和洞室局部塊體的穩(wěn)定性分析。近年來,隨著巖石力學(xué)理論和測試技術(shù)的發(fā)展,電子計算機技術(shù)和有限元方法的推廣與應(yīng)用,以及廣大的科研工作者的不懈努力,不斷涌現(xiàn)出新的研究方法,在研究巖體的構(gòu)造和力學(xué)特性、地下工程圍巖失穩(wěn)機理和支護結(jié)構(gòu)的受力機理、探討新的設(shè)計理論和方法等方面取得了許多可喜的成果(王建宇,1990;馮紫良,1993;謝和平等,1999;任青文,2001),為圍巖穩(wěn)定性評價提供了更多的途徑。但作為地下工程的根本問題之一的圍巖穩(wěn)定性分析,目前并沒有形成統(tǒng)一的理論,對圍巖穩(wěn)定性的評價,大多仍停留在定性或經(jīng)驗性水平,主要是結(jié)合具體地質(zhì)條件和工程情況要求,采用多種方法綜合評價(趙振英,1991;楊于鴻等,1999;景詩庭,1995),所以有必要對目前地下洞室穩(wěn)定分析方法進行總結(jié),了解其優(yōu)點和不足,從而有助于在工程實踐中做出正確的判斷。1整體穩(wěn)定性評價地下洞室圍巖穩(wěn)定性的定性分析可分為整體穩(wěn)定性分析和局部穩(wěn)定性分析兩個方面。洞室整體穩(wěn)定性評價的方法主要有經(jīng)驗類比法和巖體結(jié)構(gòu)分析法;局部穩(wěn)定性分析方法主要有塊體穩(wěn)定性赤平投影分析法、實體比例投影分析法和塊體結(jié)構(gòu)的矢量解析方法。1.1工程地質(zhì)相似法主要包括有成因的歷史分析法、工程地質(zhì)類比法(張倬元等,1994;楊志法等,1997;葛華等,2006)、專家系統(tǒng)等方法,這些方法進行洞室穩(wěn)定性分析與設(shè)計是一個定性的研究過程,其結(jié)論是一種比較客觀的評價標(biāo)準(zhǔn),同時也為定量分析提供了判定依據(jù)。工程地質(zhì)類比法是根據(jù)擬建地下洞室的工程地質(zhì)條件、巖體特性和動態(tài)觀測資料,結(jié)合具有類似條件的已建工程,從工程地質(zhì)的角度對圍巖的各種差異進行概括、簡化和歸納,然后加以分類,從而結(jié)合工程特征定性地判斷工程區(qū)巖體的穩(wěn)定性,取得相應(yīng)的資料進行穩(wěn)定性計算。對圍巖分類的基本要求是類別明確,便于使用,能夠體現(xiàn)已有的工程經(jīng)驗和認(rèn)識。目前已有20多種圍巖分類法,常用的有RQD分類(Deere,1989)、RMR分類(Ikeda,1920)、Q系統(tǒng)分類(Barton,1974)、Z系統(tǒng)分類(谷德振,1979)等,都是工程地質(zhì)類比法在地下洞室穩(wěn)定性評價的具體應(yīng)用。這些分類系統(tǒng)可以對不同類型圍巖直接定量地給出其山巖壓力值以及支護襯砌的形式和厚度,對于工程隧洞實現(xiàn)地下工程(結(jié)構(gòu))設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化起到了重要的作用(譚云亮等,1999;康紅普,1999;中華人民共和國水利部,2002)。1.2確定不穩(wěn)定塊體的滑動方向和滑動面巖體結(jié)構(gòu)分析法的理論基礎(chǔ)是赤平極射投影和實體比例投影。將赤平極射投影和實體比例投影相結(jié)合,既可以通過作圖方法求得不穩(wěn)定塊體在巖體中的具體分布位置、幾何形狀、體積和重量,確定其滑動方向、滑動面及其面積;也可以進行空間共點力系的合成和分解,對結(jié)構(gòu)體在自重力和工程力作用下的穩(wěn)定性進行分析計算。由于該方法較其它分析法顯得簡單、直觀,且易于在計算機實現(xiàn),因此,在巖體工程中應(yīng)用很廣。1.3利用赤平投影分析方法赤平(極射)投影是一種球面投影。利用這種投影方法可以很方便地表達空間線狀或面狀物體的方向和相互之間的角度關(guān)系,20世紀(jì)60年代以后該方法才逐漸被引入工程地質(zhì)研究領(lǐng)域用來解決巖體結(jié)構(gòu)問題。早期主要應(yīng)用于巖體結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計和結(jié)構(gòu)面的表達,后來陸續(xù)提出了結(jié)構(gòu)體形態(tài)和結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系的赤平投影分析。由于赤平投影圖本身只表示物體的空間幾何要素的方向、角距,而不表達它們之間的尺寸大小及具體位置,因此,在巖體結(jié)構(gòu)和巖體穩(wěn)定分析中,赤平投影法不能確定結(jié)構(gòu)體規(guī)模的大小及其在工程中的具體出露部位,不能反映工程作用力和結(jié)構(gòu)面的抗剪強度大小。1.4赤平投影相配合法實體比例投影法是研究直線、平面以及由平面圍成的塊體在一定比例尺的平面圖上構(gòu)成影像的規(guī)律和作圖的一種圖解法。它應(yīng)用正投影(垂直投影)的原理和方法,并與赤平投影相配合,根據(jù)野外填圖或地質(zhì)斷面實測的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和分布位置,通過作圖,求取結(jié)構(gòu)面的組合交線、組合的平面,以及由組合的平面和直線圍成的結(jié)構(gòu)體的幾何形狀和規(guī)模、分布位置和方向等,用平面投影表示塊體立體幾何關(guān)系。實體比例投影法與赤平投影法相結(jié)合,可以通過作圖方法求出結(jié)構(gòu)體在工程巖體中的具體分布位置、它的幾何形狀、體積和重量;確定其滑動方向、滑動面及其面積;也可以進行空間共點力系的合成和分解,對結(jié)構(gòu)體在自重力和工程力作用下的穩(wěn)定性進行分析計算。1.5巖質(zhì)邊坡加固分析討論塊體理論矢量運算法是分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的有效方法。該方法計算結(jié)果準(zhǔn)確,通過分析結(jié)構(gòu)面的空間位置關(guān)系和相應(yīng)塊體的幾何參數(shù)和物理參數(shù),可準(zhǔn)確的尋找目標(biāo)塊體和可能的滑動方向。這為巖質(zhì)邊坡的加固設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。基于塊體理論的某些假定,在工程應(yīng)用中,可結(jié)合場地條件和巖體的自身變形等因素進行綜合評價。2圍巖穩(wěn)定性評價地下洞室圍巖穩(wěn)定性定量分析基于應(yīng)力、變形、塑性區(qū)等具體特征數(shù)據(jù),應(yīng)用力學(xué)原理和方法對洞室圍巖穩(wěn)定性作出定量評價。適用于圍巖整體穩(wěn)定性評價的方法有:基于理論解的方法和基于數(shù)值解的方法。適用于圍巖局部穩(wěn)定性評價的方法主要有基于剛體極限平衡的K法。2.1基于解析法的圍巖二次應(yīng)力及變形特征方程當(dāng)前應(yīng)用解析法在求解有關(guān)洞室圍巖穩(wěn)定性問題時,通常采用彈性和彈塑性(也有粘彈性)兩種方法進行,且均按平面問題的極坐標(biāo)進行解答。首先,在研究洞室穩(wěn)定性問題時,一般情況下,將圍巖體假設(shè)為各向同性的連續(xù)性介質(zhì),且洞室的延伸要遠遠大于洞室斷面的尺寸,按平面應(yīng)變問題進行考慮,同時假設(shè)洞室圍巖處于靜力狀態(tài),這樣可以利用應(yīng)力平衡及微分、變分學(xué)知識,推求一些形狀比較規(guī)則的地下洞室(圓形、矩形、橢圓形等)的圍巖二次應(yīng)力及變形特征方程。解析法雖然不能準(zhǔn)確地描述圍巖的失穩(wěn)、破壞過程,但大致上仍能對成洞條件作出評價,對各種洞型方案及處理措施進行對比分析。另外,解析法具有精度高、分析速度快和宜于進行規(guī)律性研究等優(yōu)點,所以在工程實踐中仍不失為一種基本的圍巖穩(wěn)定分析方法。但在巖體的應(yīng)力、應(yīng)變超過峰值應(yīng)力和極限應(yīng)變,圍巖進入全應(yīng)力、應(yīng)變曲線峰后段的剛體滑移和張裂狀態(tài)時,解析法便不再適用了。另外,由于解析法在研究洞室穩(wěn)定性問題時所作的種種假設(shè),與工程實際中經(jīng)常遇到的多孔、不均質(zhì)及各向異性等相矛盾,所以,解析分析法可以解決的實際工程問題比較有限,但是通過對解析方法及其結(jié)果的分析,往往可以獲得一些規(guī)律性的認(rèn)識,這是非常重要和有益的。2.2模型材料支護施工方法在圍巖支護和施工過程中的應(yīng)用數(shù)值模擬方法在研究洞室圍巖應(yīng)力以及圍巖變形和破壞的發(fā)展,進而定量評價圍巖穩(wěn)定性方面具有重要的作用。因為該方法不僅可以解決各種非均質(zhì)、非線性、含有軟弱結(jié)構(gòu)面以及具有流變特性和復(fù)雜洞形的圍巖應(yīng)力-應(yīng)變分析問題,而且,還可以模擬各種支護方案的有效性以及不同施工程序?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響等。常用的數(shù)值方法有以下幾種:(1)工程地質(zhì)應(yīng)力、應(yīng)變分析的應(yīng)用該方法是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)值分析方法。1966年,布萊克(W.Blake)最先應(yīng)用FEM解決地下工程巖石力學(xué)問題。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,有限元已經(jīng)成為一種相當(dāng)成熟的數(shù)值分析技術(shù),可用于求解線彈性、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。該方法的優(yōu)點是可以部分地考慮地下結(jié)構(gòu)巖體的非均質(zhì)、非連續(xù)特征,可以給出巖體的應(yīng)力、變形大小和分布,并可近似地依據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律去分析地下結(jié)構(gòu)的變形破壞機制。為了模擬巖體中存在的斷層、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面,考慮其非連續(xù)性,可按結(jié)構(gòu)面的特征采用不同的處理方法,可以避免將巖體視為剛體、過于簡化邊界條件的缺點,能夠非常直觀地模擬巖體的變形和破壞過程。其不足之處是:數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量大,原始數(shù)據(jù)易出錯,不能保證某些物理量在整個區(qū)域內(nèi)的連續(xù)性。(2)邊界元法與有限元的主要區(qū)別該方法又稱為邊界積分方程法,由英國學(xué)者Bribbia總結(jié)提出,并從20世紀(jì)60年代開始在工程計算中得到應(yīng)用。該法只在求解區(qū)域的邊界上進行離散化(剖分單元),把域內(nèi)未知量化為邊界未知量來求解,能使數(shù)值計算維數(shù)降低一維,二維問題可以用一維的單元,而三維問題可用二維的單元,這就使自由度數(shù)目大大減少。另外,由于基本解本身的奇異性特點,使得邊界元法在解決奇異問題時計算精度高,應(yīng)力和位移具有同樣的精度。當(dāng)僅需要知道物體內(nèi)部個別點的解時,有限元仍不得不剖分整個物體才能確定個別點的解;而邊界元則可以在已知邊界上的解后,根據(jù)需要去求物體內(nèi)部預(yù)知點的解,可以比有限元大大節(jié)省計算量和費用。但是,邊界元法最后形成的系數(shù)矩陣是非對稱滿陣,遠比有限元剛度矩陣(帶狀稀疏陣)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對于面體比較大的薄壁結(jié)構(gòu)等物體,邊界元法就不如有限元優(yōu)越了,而且邊界元法對奇異邊界難于處理。另外,邊界元法對變系數(shù)、非線性等問題較難適應(yīng),且它的應(yīng)用是基于所求解的方程有無基本解,因此限制了邊界元法在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。(3)離散單元法即梯度法離散單元法是一種適用于模擬離散介質(zhì)的數(shù)值方法。自1971年由Cundall提出的以來,這一方法在工程中的應(yīng)用不斷深入。該方法特別適用于節(jié)理巖體及其與錨桿(索)的應(yīng)力分析。離散單元法的一個突出功能是它在反映塊體之間接觸面的滑移、分離與傾翻等大位移的同時,又能計算塊體內(nèi)部的變形與應(yīng)力分布。因此任何一種巖體材料都可以引入到模型中,例如彈性、粘彈性或斷裂等。采用該方法分析邊坡及裂隙發(fā)育地區(qū)工程的坍方和支護等仍是十分有效的,但當(dāng)巖體并未被結(jié)構(gòu)面切割成塊體的集合時,該方法就不太適合。(4)flac數(shù)值分析方法FLAC是連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分分析方法(FastLagrangianAnalysisofContinuum)的英文縮寫,主要用于模擬由巖土體及其它材料組成的結(jié)構(gòu)體在達到屈服極限后的變形破壞行為。FLAC基本原理類同于離散單元法,但它卻能像有限元那樣適用于多種材料模式與邊界條件的非規(guī)則區(qū)域的連續(xù)問題求解。在求解過程中,FLAC又采用了離散元的動態(tài)松弛法,不需求解大型聯(lián)立方程組,便于在微機上實現(xiàn)。該方法適合于模擬地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞和塑性流動的力學(xué)行為;適合于模擬地質(zhì)材料的大變形、失穩(wěn)、動力、流變、支護與加固、建造及開挖等問題;同時還可以模擬滲流場和溫度場對巖土工程的影響。作為新型數(shù)值方法之一,FLAC方法已與離散元法、不連續(xù)變形分析法和半解析元法等一起,成為分析巖土力學(xué)問題強有力的工具,得到了廣泛的應(yīng)用。其缺點是同有限元方法一樣,計算邊界、單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的隨意性。(5)離散有限元方法,描述不連續(xù)變形分析方法DDA(DiscontinuousDeformationAnalysis)是石根華博士首創(chuàng)的。DDA方法是分析不連續(xù)變形的一種新的離散型數(shù)值計算方法。它兼具了有限元與離散元兩種方法的部分優(yōu)點,此法將每個塊體作為一個單元,塊體與塊體間通過接觸機構(gòu)進行連接,通過分析單個塊體或塊體系統(tǒng)的動態(tài)平衡,求解塊體的受力和運動。此法可以反映巖體連續(xù)和不連續(xù)的具體部位,考慮了變形的不連續(xù)性和時間因素,既可計算靜力問題,又可計算動力問題,既可計算破壞前的小位移,也可計算破壞后的大位移。由于巖體種類繁多,性質(zhì)復(fù)雜,計算時步的大小對結(jié)果影響較大,計算方法還有待提高。2.3塊體理論的假設(shè)塊體理論是由石根華博士提出,并于20世紀(jì)80年代初逐步完善起來的(任青文,1995;任青文等,1999)。該理論認(rèn)為巖體被結(jié)構(gòu)面切割成各種類型的空間鑲嵌塊體,在自然狀況下,這些塊體處于靜力平衡狀態(tài)。當(dāng)進行工程開挖或施加新的荷載后,暴露在臨空面上的某些塊體就會首先失穩(wěn),接著產(chǎn)生連鎖反應(yīng),造成其它塊體的松動、滑移,進而影響整個工程的安全。而這類首先失穩(wěn)的塊體被稱為“關(guān)鍵塊體(keyblock)”。塊體理論的目的就是通過搜索關(guān)鍵塊體,并分析其穩(wěn)定性來研究工程巖體的穩(wěn)定性狀和工程處理措施。在進行分析時,塊體理論作了幾點假設(shè):(1)結(jié)構(gòu)面為平面;(2)結(jié)構(gòu)面貫穿所研究的結(jié)構(gòu)體;(3)結(jié)構(gòu)體為剛體;(4)結(jié)構(gòu)體的運動方式為沿結(jié)構(gòu)面平移。具體的分析方法有矢量運算法和作圖法。其中,矢量運算法是將空間的平面和力系以矢量表示,通過矢量運算給出分析結(jié)果,而作圖法則是應(yīng)用全空間赤平投影方法直接作圖求解。塊體理論首先將結(jié)構(gòu)面和開挖臨空面看成空間平面,塊體是由空間平面構(gòu)成的幾何凸體,將各種作用荷載看成空間向量,應(yīng)用幾何方法(拓?fù)鋵W(xué)和集合論)詳盡研究在各空間平面已知的條件下,巖體內(nèi)可構(gòu)成多少種塊體類型及其可動性,然后通過靜力平衡計算,求出各類失穩(wěn)塊體的滑動力,為工程加固措施提供設(shè)計依據(jù)。構(gòu)成塊體的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和出露位置具有很大的隨機性和隱蔽性,具體位置只有在揭露后通過及時的施工地質(zhì)編錄予以確定。據(jù)此,將塊體分為定位塊體、半定位塊體與隨機塊體。定位塊體是由已知巖體中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、出露位置和開挖面切割形成的。半定位塊體是由已知巖體中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、出露位置(如斷層,巖脈)和開挖面與隨機分布的節(jié)理面切割形成的。隨機塊體是由地質(zhì)勘探階段位置不能確定的裂隙或裂隙面與巖體開挖面切割形成的。塊體理論還是以剛體極限平衡理論為基礎(chǔ)的評價方法,不能評價塊體以及構(gòu)成塊體的結(jié)構(gòu)面的變形,國內(nèi)外學(xué)者又在利用有限元的方法來評價塊體的穩(wěn)定性。3考慮多種不確定性的方法結(jié)合應(yīng)用,并注意使用數(shù)理統(tǒng)計方法通過引進概率論、隨機理論來評價洞室的穩(wěn)定,避免了安全系數(shù)的絕對性,只要破壞概率在許可的范圍內(nèi),達到人們可以接受的程度,即為穩(wěn)定。影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的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,這些因素具有很大的不確定性。傳統(tǒng)分析方法用一個籠統(tǒng)的安全系數(shù)來考慮眾多不確定性的影響。雖然某些參數(shù)(如材料強度等)取值時也用數(shù)理統(tǒng)計方法找出其平均值或某個分位值,但未能考慮各參數(shù)的離散性對安全度的影響。數(shù)理統(tǒng)計和概率方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的成功應(yīng)用,鼓勵和啟發(fā)了隧道工作者尋求用概率方法研究地下工程中各種不確定性并估計其影響。目前分析方法主要有隨機有限元法、蒙特卡羅法(Monte-Carlo)和響應(yīng)面法(ResponseSurfaceMethod)(王思敬等,1984;李世輝,1991;牟瑞芳,1996)。雖然可靠度分析方法應(yīng)用已很廣泛,但是仍然受到一些巖土工作者的反對和質(zhì)疑,原因在于巖土工程本身的機理比較復(fù)雜,有些問題還未充分認(rèn)識。巖土工程概率分析方法還處于發(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工作者潛心鉆研,吸收建筑結(jié)構(gòu)概率分析的成果,針對地下工程的特點開展專題研究,雖未完全解決技術(shù)上的關(guān)鍵,但也取得了許多可喜成果。研究表明,概率和可靠度分析方法對不確定性越嚴(yán)重的問題,越能顯示其活力。4解決主要矛盾的需要物理模擬必須遵循相似性原則,即無論是設(shè)計與原型相似的模型,或者將模型實驗的結(jié)果推展到實際工程應(yīng)力狀態(tài)的判定,都必須按照相似性原則進行。但在實際工作中要想做到物理模擬的全面相似幾乎是不可能的,