地下結(jié)構(gòu)工程－教學(xué)七

4.4地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析主要方法1、地質(zhì)分析法2、工程類比法3、巖體結(jié)構(gòu)分析法4、數(shù)值分析法5、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法1、地質(zhì)分析法通過地質(zhì)勘測(cè)手段，了解與圍巖穩(wěn)定有關(guān)的巖石、巖體特性，區(qū)域與局部地質(zhì)構(gòu)造、巖體地應(yīng)力場(chǎng)、地下水等等幾個(gè)主要因素的特點(diǎn)，通過區(qū)域綜合分析，確定洞室穩(wěn)定性。這往往是地質(zhì)人員使用的主要方法2、工程類比法根據(jù)擬建的工程區(qū)域的地質(zhì)條件、巖體特性和工程特征，通過與類似條件下已經(jīng)建成的、成功或失敗的地下工程實(shí)例的對(duì)比，進(jìn)行驗(yàn)算和綜合分析，從而判斷擬建的地下結(jié)構(gòu)工程的圍巖穩(wěn)定性。3、巖體結(jié)構(gòu)分析法了解巖體結(jié)構(gòu)和弱面強(qiáng)度性質(zhì)，以及地應(yīng)力分布情況后，可根據(jù)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)體比例投影、或塊體坐標(biāo)投影法等進(jìn)行圖解分析，初步從幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度判斷巖塊的穩(wěn)定。在上述步驟的基礎(chǔ)上，再采用極限平衡理論，對(duì)由“弱面”和凌空面組成的“可能的布穩(wěn)定塊體”進(jìn)行穩(wěn)定性校核計(jì)算，求出塊體上的抗滑力和滑動(dòng)力之間的比值，即得到塊體的穩(wěn)定安全系數(shù)。這種方法實(shí)際上也形成了數(shù)值方法中的塊體分析理論的基礎(chǔ)。4、數(shù)值分析法(1)數(shù)值分析方法的類型伴隨電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用而發(fā)展起來的現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)數(shù)值分析方法，現(xiàn)在已經(jīng)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(shí)間里，發(fā)展速度之快、應(yīng)用范圍之廣都是驚人的。用于連續(xù)介質(zhì)的有：有限單元法（FEM）、邊界單元法(BEM)、拉格郎日元法(FLAC，F(xiàn)astLagrangionAnalysisforContinua,2Dand3D)；用于非連續(xù)介質(zhì)的有：關(guān)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(shí)用于連續(xù)介質(zhì)和非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)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(jié)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(yīng)用。但是，應(yīng)用最廣、最可靠、結(jié)果最穩(wěn)定的還當(dāng)屬有限元方法。(2)應(yīng)用有限元法進(jìn)行洞室穩(wěn)定分析的注意點(diǎn)(a)二維分析時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)廠區(qū)的地質(zhì)資料做好廠房橫剖面的選定工作，要注意尋找最危險(xiǎn)的地質(zhì)橫剖面，尤其應(yīng)注意那些不利的地質(zhì)構(gòu)造面的位置。(b)根據(jù)地質(zhì)資料，確定巖體及構(gòu)造面的力學(xué)參數(shù)，及可能的變動(dòng)范圍。(c)地應(yīng)力的確定，可根據(jù)有限的地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料對(duì)廠區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)作回歸分析，結(jié)果正確與否，在于對(duì)試驗(yàn)洞或初期開挖階段實(shí)測(cè)位移的擬合情況。(d)由于巖體類型的差異，其變形及強(qiáng)度性質(zhì)干變?nèi)f化，相應(yīng)的本構(gòu)模型也種類繁多。所用有限元程序的本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則應(yīng)能模擬巖體的實(shí)際情況。理想的模擬比較困難，但應(yīng)使模型和巖體實(shí)測(cè)資料在大部分巖體的工作范圍內(nèi)可較好地?cái)M合。數(shù)值方法研研究的最新新進(jìn)展不但但體現(xiàn)在對(duì)對(duì)較為成熟熟的數(shù)值方方法，如有有限元、邊邊界元、離離散元法等等的不斷更更新和發(fā)展展，對(duì)現(xiàn)有有大型商業(yè)業(yè)程序的二二次開發(fā)，，同時(shí)也體體現(xiàn)在不斷斷有新的算算法和程序序的出現(xiàn)。。如對(duì)三維維離散元和和三維DDA程序成功開開發(fā)，以及及剛體有限限元法、廣廣義有限元元法、運(yùn)動(dòng)動(dòng)單元法、、界面元法法、無單元元法的提出出等等。用用于系統(tǒng)優(yōu)優(yōu)化和人工工智能方法法的遺傳算算法、蟻群群算法、細(xì)細(xì)胞發(fā)生器器算法和模模擬退火算算法等等。。5、地質(zhì)力力學(xué)模型試試驗(yàn)試驗(yàn)研究方方法包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方方法和室內(nèi)內(nèi)模型試驗(yàn)驗(yàn)方法，也是是保證地下下工程正確確設(shè)計(jì)、安安全施工的的必不可少少的一種研研究方法。。它與數(shù)值值計(jì)算方法法相輔相成成，互相驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)勢(shì)勢(shì)互補(bǔ)。近近年來也有有很大進(jìn)展展。大型三軸剛剛性伺服實(shí)實(shí)驗(yàn)機(jī)已經(jīng)經(jīng)較廣泛地地用于巖石石材料全應(yīng)應(yīng)力路徑參參數(shù)測(cè)定。。電鏡掃描描和CT技術(shù)已用于巖體材材料的微觀或細(xì)觀觀結(jié)構(gòu)研究。各種地應(yīng)力測(cè)量技技術(shù)，如應(yīng)力恢復(fù)復(fù)法、應(yīng)力解除法法、應(yīng)變恢復(fù)法、、應(yīng)變解除法、水水壓致裂法、聲發(fā)發(fā)射法、X射線法、重力法等等也廣泛應(yīng)用于地地下洞室工程。就二維和三維物理理模型試驗(yàn)來說，，由于模型是真實(shí)實(shí)的客觀物理實(shí)體體，更能真實(shí)地全全面地反映出各種種結(jié)構(gòu)在空間和時(shí)時(shí)間上的相對(duì)關(guān)系系，以及它們?cè)谑┦┕せ蜻\(yùn)行過程模模擬中的力學(xué)性征征，因而歷來在水水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)中受到重視。水水力學(xué)模型試驗(yàn)、、泥沙模型試驗(yàn)、、研究壩體和基礎(chǔ)礎(chǔ)共同作用的地質(zhì)質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)等等，已經(jīng)有了較為為成熟的試驗(yàn)技術(shù)術(shù)，并取得了豐富富的成果。地質(zhì)力力學(xué)模模型試試驗(yàn)方方法即按照照一定定的相相似理理論，，采用用適當(dāng)當(dāng)?shù)哪ＤＰ筒牟牧?，，模擬擬實(shí)際際的巖巖體結(jié)結(jié)構(gòu)、、材料料特性性、地地應(yīng)力力場(chǎng)分分布和和地下下結(jié)構(gòu)構(gòu)工程程開挖挖及支支護(hù)方方式。。通過過接觸觸或非非接觸觸測(cè)量量手段段，了了解地地下結(jié)結(jié)構(gòu)圍圍巖的的變形形分布布、應(yīng)應(yīng)力分分布、、屈服服破壞壞形態(tài)態(tài)和破破壞過過程，，從而而對(duì)地地下結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)穩(wěn)定性性作出出評(píng)價(jià)價(jià)和預(yù)預(yù)測(cè)。。但是地下洞洞室工程的的模型試驗(yàn)驗(yàn)卻由于難難度太大而而相對(duì)發(fā)展展較慢。以以往的地下下工程的模模型試驗(yàn)規(guī)規(guī)模很小，，大都是二二維的，試試驗(yàn)條件也也進(jìn)行了很很大的簡(jiǎn)化化。例如1985年年進(jìn)行的二二灘地下廠廠房的二維維平面應(yīng)變變模型試驗(yàn)驗(yàn)，模型幾幾何比尺為為1:350，應(yīng)力力場(chǎng)是均勻勻應(yīng)力場(chǎng)，，模型平面面倒置在地地面，不考考慮自重應(yīng)應(yīng)力等。還還有的模型型洞室是事事先制作好好的，洞室室內(nèi)部充填填剛性塊體體，模擬開開挖時(shí)，將將塊體逐一一抽出。這這些當(dāng)然都都與工程實(shí)實(shí)際相差過過大。究其其原因，最最主要的則則是模擬地地下洞室施施工過程的的三維模型型試驗(yàn)難度度太大。例例如三維地地應(yīng)力場(chǎng)的的模擬原理理和技術(shù)、、洞室群開開挖尤其是是內(nèi)部洞室室隱蔽開挖挖技術(shù)的實(shí)實(shí)現(xiàn)、內(nèi)部部物理量量量測(cè)方法等等等，因而而幾十年來來一直沒有有顯著進(jìn)展展。大型地下洞室室群三維模型型試驗(yàn)由于地下水電電站向超大型型、多洞室、、高地應(yīng)力方方向的發(fā)展，，進(jìn)行地下廠廠房洞室群大大型三維地質(zhì)質(zhì)力學(xué)模型試試驗(yàn)這一極具具挑戰(zhàn)性的任任務(wù)，提到了了議事日程。。國家電力公司司成都勘測(cè)設(shè)設(shè)計(jì)研究院和和清華大學(xué)水水利水電工程程系在這一點(diǎn)點(diǎn)上達(dá)成共識(shí)識(shí)，為開展超超大型地下洞洞室群三維地地質(zhì)力學(xué)模型型試驗(yàn)研究工工作創(chuàng)造了條條件。通過發(fā)揮清華華大學(xué)綜合性性大學(xué)的優(yōu)勢(shì)勢(shì)，與清華大大學(xué)機(jī)械學(xué)院院、中國水科科院以及國際際研究機(jī)構(gòu)合合作，采用離離散化多主應(yīng)應(yīng)力面三維加加載系統(tǒng)、步步進(jìn)機(jī)械臂和和微型掘進(jìn)機(jī)機(jī)技術(shù)、微型型高精度位移移量測(cè)技術(shù)、、聲波測(cè)試技技術(shù)、光纖測(cè)測(cè)量及內(nèi)窺攝攝影技術(shù)等，，解決了地下下洞室群地質(zhì)質(zhì)力學(xué)模型試試驗(yàn)中的復(fù)雜雜三維地應(yīng)力力場(chǎng)仿真、隱隱蔽開挖模擬擬及內(nèi)部量測(cè)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)術(shù)問題，取得得了突破性重重要成果。經(jīng)驗(yàn)判斷地下下洞室的穩(wěn)定定對(duì)于中等強(qiáng)度度、結(jié)構(gòu)面不不發(fā)育的較完完整巖體，可可以看作均質(zhì)質(zhì)、各向同性性材料；如果果地應(yīng)力以自自重應(yīng)力為主主，可以作如如下經(jīng)驗(yàn)判斷斷（設(shè)巖體強(qiáng)度度為Ro，自重應(yīng)力為o＝h）條件穩(wěn)定性支護(hù)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(wǎng)噴砼15cmo/Ro0.5不穩(wěn)定封閉式鋼筋砼襯砌4.5地下下洞室的支護(hù)護(hù)為保證施工的的安全和地下下結(jié)構(gòu)的長期期穩(wěn)定，適當(dāng)當(dāng)?shù)闹ёo(hù)是完完全必要的。。近30年來，，對(duì)支護(hù)的認(rèn)認(rèn)識(shí)發(fā)生了革革命性的改變變，過去盛行行了50多年年的普氏理論論被新奧法的的新概念所代代替。人們認(rèn)認(rèn)識(shí)到支護(hù)并并非唯一的保保持地下結(jié)構(gòu)構(gòu)圍巖穩(wěn)定的的手段，發(fā)揮揮圍巖的自承承能力，使支支護(hù)與圍巖相相互作用，共共同形成穩(wěn)定定的復(fù)合承載載環(huán)，才是最最為經(jīng)濟(jì)有效效的支護(hù)方式式。但是究竟采用用哪一種支護(hù)護(hù)方式，應(yīng)該該視地質(zhì)構(gòu)造造、巖體強(qiáng)度度、原始應(yīng)力力、洞室布置置的不同而分分別考慮。一般支護(hù)型式式有三種：1、柔性支護(hù)護(hù)2、剛性支護(hù)護(hù)3、復(fù)合型支支護(hù)1、柔性支護(hù)護(hù)如噴砼、鋼纖纖維噴砼、鋼鋼筋網(wǎng)噴砼、、自應(yīng)力錨桿桿、預(yù)應(yīng)力錨錨桿、預(yù)應(yīng)力力錨索等等，，以及它們的的組合2、剛性支護(hù)護(hù)如現(xiàn)澆混凝土土襯砌、鋼筋筋混凝土襯砌砌、預(yù)制鋼筋筋混凝土襯砌砌管片、鋼拱拱架配合較厚厚的噴混凝土土等剛度很大大的支護(hù)3、復(fù)合型支支護(hù)即采用柔性支支護(hù)作為初期期支護(hù)或稱為為一次支護(hù)，，以保證施工工期的穩(wěn)定和和安全；待圍圍巖變形趨于于穩(wěn)定后，采采用剛性支護(hù)護(hù)作為永久性性支護(hù)或稱為為二次支護(hù)，，以保證運(yùn)行行期的長期穩(wěn)穩(wěn)定，同時(shí)增增加運(yùn)行人員員的安全感。。對(duì)過水隧洞洞則又起到減減少糙率的作作用。系統(tǒng)支護(hù)及隨隨機(jī)支護(hù)1、系統(tǒng)支護(hù)護(hù)設(shè)計(jì)是根據(jù)據(jù)地質(zhì)條件、、巖石分類和和工程規(guī)模等等指標(biāo)，不作作精確的計(jì)算算，采用工程程類比法進(jìn)行行設(shè)計(jì)，給出出噴砼的厚度度、錨桿的長長度、間距、、直徑、布置置方式、預(yù)應(yīng)應(yīng)力值（一般般給張力值，，以噸為單位位）等。2、隨機(jī)支護(hù)護(hù)則是在施工工過程中根據(jù)據(jù)新揭示的地地質(zhì)現(xiàn)象、巖巖體材料性質(zhì)質(zhì)以及施工監(jiān)監(jiān)測(cè)資料等數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)進(jìn)行的修正、、補(bǔ)充或緊急急處理措施。。一般通過監(jiān)監(jiān)測(cè)反饋分析析結(jié)論作出。。支護(hù)型式選擇擇的原則1、一般首先先考慮柔性支支護(hù)2、完整堅(jiān)硬硬的巖體一般般主要控制表表面松動(dòng)的巖巖塊，選用柔柔性支護(hù)，特特別注意應(yīng)力力集中部位和和拉應(yīng)力區(qū)的的支護(hù)適當(dāng)加加強(qiáng)3、軟弱破碎碎、節(jié)理裂隙隙密集發(fā)育的的巖體，硬采采用剛性或復(fù)復(fù)合型支護(hù)。。4