地下工程設(shè)計與分析方法發(fā)展的現(xiàn)狀

地下工程設(shè)計與分析方法發(fā)展的現(xiàn)狀地下工程設(shè)計與分析方法發(fā)展的現(xiàn)狀 當(dāng)前 我國已經(jīng)是世界上地下工程規(guī)模最大 數(shù)量最多地質(zhì) 條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜 修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國家 隨著我 國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展 全國交通路網(wǎng)建設(shè)也呈現(xiàn)迅猛發(fā)展態(tài)勢 出現(xiàn)了大量的深埋大長山嶺隧道 隧道穿越地層的復(fù)雜 性也日 益增加 建設(shè)難度越來越大 其次 隨著城市人口急劇膨脹所帶 來的生存空間擁擠 交通阻塞 環(huán)境惡化等問題 使得地下空間 的開發(fā)成為熱點 大量地下停車場 地下商業(yè)街 人行地下通道 地鐵車站 地下儲存庫等地下工程亟待修建 尤其是軟弱圍巖地 下工程的建設(shè)需要考慮的因素更多 技術(shù)難度更大 隧道修建技 術(shù)面臨新的挑戰(zhàn) 針對現(xiàn)有的地下工程設(shè)計方法 設(shè)計時宜采用新奧法的設(shè)計 理念 結(jié)合荷載結(jié)構(gòu)法及地層結(jié)構(gòu)法 進(jìn)行動態(tài)設(shè)計 首先通過 荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行預(yù)設(shè)計 采用普氏理論或是相關(guān)規(guī)范的推薦方法 算出所需的支護(hù)抗力 根據(jù)抗力大小確定支護(hù)方式為噴射混凝土 錨桿 鋼筋網(wǎng) 鋼支撐中的一種或多種形式組合結(jié)構(gòu) 通過力學(xué) 方法得出各支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù) 然后采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)對支護(hù)參數(shù) 進(jìn)行校核 一般采用數(shù)值模擬的方法 如 FLAC ABAQUS 等 軟件 必要時還可采用模型試驗進(jìn)行校核 以上工作完成后即開 始繪制預(yù)設(shè)計施工圖 進(jìn)行施工作業(yè) 在施工過程中開展圍巖表 面收斂 圍巖內(nèi)部位移及鋼架應(yīng)變等在線監(jiān)測 實時掌握圍巖的 動態(tài)力學(xué)行為 根據(jù)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷或者反分析 得出修 正設(shè)計參數(shù) 對后續(xù)施工進(jìn)行指導(dǎo) 或者對已施工工程進(jìn)行加固 處理 在線監(jiān)測與修正設(shè)計是一項循環(huán)迭代過程 直至整個工程 修建完畢 根據(jù)地下工程的特點提出以下 3 個典型關(guān)鍵點設(shè)計技術(shù)進(jìn)行 探討 1 隧道交叉點設(shè)計技術(shù) 地下工程經(jīng)常會遇到的工況是交 叉隧道 交叉隧道設(shè)計方法仍采用基于新奧法理念的動態(tài)設(shè)計方 法 通過地層結(jié)構(gòu)法及模型試驗分析得出 相同斷面的交叉隧 道可以任選一條隧道先行開挖后再開挖另一條隧道 對于不同 斷面的交叉隧道 原則上宜先開挖斷面較大的隧道 而后開挖小 斷面隧道 這種開挖方式對原巖的擾動性最小 對隧道受力最有 利 2 大跨度洞室設(shè)計技術(shù) 對于大跨度洞室的設(shè)計宜采用復(fù) 合式支護(hù)結(jié)構(gòu) 其中 以注漿錨桿 組合鋼結(jié)構(gòu) 為主 噴射 混凝土及鋼筋網(wǎng)按照常規(guī)方法設(shè)計 注漿錨桿的抗力設(shè)計根據(jù)地 層條件及施工水平應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)折減 組合鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計為設(shè)計 的重點 其總體結(jié)構(gòu)布置 構(gòu)建選型 結(jié)點設(shè)計均比較關(guān)鍵 設(shè) 計原則是在保證結(jié)構(gòu)能提供足夠抗力的前提下盡量減少鋼材用量 在方便施工的同時達(dá)到了經(jīng)濟(jì)的目的 3 穿越不良地質(zhì)條件隧道設(shè)計技術(shù) 不良地質(zhì)條件是大多 數(shù)地下工程都會遇到的問題 如穿越斷層 破碎帶 或松散透鏡 體等 當(dāng)遇到不良地質(zhì)條件時 一般采用前方封堵 后方加固的 治理策略 首先對掌子面前方的不良地質(zhì)體采用超前小導(dǎo)管注漿 加固 而后再掘進(jìn) 以保證開挖后頂板及掌子面穩(wěn)定 對于開挖 后的隧道采用閉合式鋼架進(jìn)行密排支護(hù) 再噴射混凝土對鋼架進(jìn) 行封閉 地下工程圍巖穩(wěn)定性問題一直是巖土工程的一個重要研究內(nèi) 容 而圍巖穩(wěn)定性評價結(jié)果的正確與否直接關(guān)系到地下工程的成 敗 根據(jù)地下工程圍巖穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)模型 可將目前常用 的圍巖穩(wěn)定性分析方法分為 理論分析法 數(shù)值分析方法 模型 試驗法三類 1 理論分析方法 理論分析方法主要是通過對圍巖進(jìn)行解析計算來評價其穩(wěn)定性 在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析時 經(jīng)常采用復(fù)變函數(shù)法進(jìn)行圍巖應(yīng)力與 變形計算 并能得出彈性解析解 解析法有分離變量法 積分變換法 積分方程法 變分法及復(fù)變 函數(shù)法等 對巖性堅硬 節(jié)理不發(fā)育 完整性較好的圍巖進(jìn)行穩(wěn) 定分析 經(jīng)常采用復(fù)變函數(shù)法得出彈性解析解 解析方法多用于 圓形隧道的求解 當(dāng)洞室是非圓形時 就需要通過保角變換把復(fù) 雜形狀的邊界變換為簡單形狀的邊界來求解 解析法具有精度高 分析速度快和易于進(jìn)行規(guī)律性研究等優(yōu)點 但解析法分析圍巖應(yīng) 力和變形目前多限于深埋地下工程 只能適用于邊界條件較為簡 單及介質(zhì)特性不甚復(fù)雜的情況 對于受地表邊界和地面荷載影響 的淺埋隧道圍巖分析在數(shù)學(xué)處理上存在一定的困難 2 數(shù)值分析方法 隨著計算機(jī)的發(fā)展和普及 數(shù)值分析法已經(jīng)成為巖石力學(xué)研究和 工程設(shè)計計算的重要手段 在地下工程圍巖穩(wěn)定分析中大致采用 以下方法 1 有限元法 有限元法自 20 世紀(jì) 70 年代提出發(fā)展至今已 經(jīng)相當(dāng)成熟 是目前最廣泛使用的一種數(shù)值方法 可以用來求解 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 其優(yōu)點是可以部分地考慮地下結(jié) 構(gòu)巖體的非均質(zhì)和不連續(xù)性 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(jī)制 但有限元法在本質(zhì)上是一種連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值分析方法 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 有限元法的應(yīng)用是 否真正有效 主要取決于兩個條件 一 是對地質(zhì)變化的準(zhǔn)確了 解 二是對介質(zhì)物性的深入了解 即巖體的各個組成部分在復(fù)雜 力及其變化的作用下的變形特性 強(qiáng)度特性及破壞規(guī)律等 DDA 方法 由石根華與 Goodman 提出的塊體系統(tǒng)不連續(xù)變 形分析是 基于巖體介質(zhì)非連續(xù)性發(fā)展起來 的一種 新的 數(shù) 值 分析方法 DDA 模型建立了一套完整的塊體系統(tǒng)運(yùn)動理論 與有 限元法的不同之處是可以計算不連續(xù)面的位錯 滑移 開裂和旋 轉(zhuǎn)等大位移的靜力和動力問題 DDA 模型將巖體完全離散化 這 與實際巖體的情 況不十分相符 將 DDA 模型與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù) 值模型結(jié)合起來 應(yīng)該是 DDA 模型工程應(yīng)用研究大的發(fā)展方向 3 離散單元法 自 1971 年 Cundall 首次提出離散單元模擬 以來 這一方法已在巖土工程問題中得到越來越多的應(yīng)用 其基 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(yùn)動方程的支配 通過迭代 求解顯示巖體的 4 塊體單元法 任青文等提出的塊體單元法以塊體單元的剛 體調(diào)條件及塊體之間夾層材料的本構(gòu)關(guān)系 通過變分原理建立塊 體單元法的支配方程 用于確定塊體位移及夾層材料的應(yīng)力狀態(tài) 該法可以解決非連續(xù)介質(zhì)問題 特別適用于具有眾多節(jié)理 裂隙 巖體的變形 應(yīng)力和地質(zhì)結(jié)構(gòu)面巖體的穩(wěn)定分析 具有效率高 精度好等優(yōu)點 但該方法將巖體完全離散化 這與實際巖體情況 不太相符 5 限差分法 為了克服有限元等方法不能求解大變形問題的 缺陷 Cundall 根據(jù)有限差分法的原理 提出了 FLAC FastLagrangianAnalysis of Continuum 數(shù)值分析方法 該方法采用了混合離散方法 動態(tài)松弛方法和顯式差分法 不 形成剛度矩陣 適合于模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)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(hù)和加固 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 該方法與有 限元方法相比 能更好地考慮巖土體的不連續(xù)和大變形特性 求 解速度較快 其缺點是計算邊界 單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的隨 意性 6 邊界元法 邊界元法由英國學(xué)者 Bribbia 最先提出 并 從 20 世紀(jì) 60 年代開始在工程計算中得到應(yīng)用 該法將偏微分方 程變換成求解對象邊界上的積分方程式并將其離散化求解 由于 變換成邊界上的方程式使問題比解析對象降低了一維 對于一般 的線性問題只需進(jìn)行區(qū)域邊界的單元分割 所以與有限元相比 具有計算時間短 計算范圍大等特點 但邊界元法系數(shù)矩陣是滿 陣 遠(yuǎn)比有限元剛度矩陣 帶狀稀疏陣 的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 且對奇異 邊界較難處理 對變系數(shù) 非線性等問題較難