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1、高等岩石力学论文姓名： 路 遥 学号：专业：水工结构工程地下洞室围岩稳定性评价综述路遥 水工结构 摘要：地下洞室工程地质问题涉及工程区地质结构的形成、演化及各种结构面对地下洞室在施工开挖过程的影响、洞体稳定及采用的相应措施等问题。本文主要简单归纳了下洞室围岩稳定性评价的方法。关键词：围岩稳定；数值模拟；地应力；地下洞室群；岩体变形；1.岩体变形破坏形式岩体变形、破坏的产生是岩体强度特性与受力状态的矛盾斗争的发展。岩体强度特性主要受内部结构面的控制，而岩体受力状态则包含作用力的大小、方向、性质及其持续时间。岩体结构控制论 及大量工程实践表明，工程岩体发生变形破坏主要有两种方式：(1)岩体在外界荷
2、载作用下因岩体强度不足而在岩体内部产生压缩变形、剪切破坏或拉裂破坏。(2)由若干结构面、破裂面和临空面等组合切割而形成块体的失稳破坏。2.岩体质量对地下洞室围岩稳定性的影响地下洞室的开挖施工和安全运营总离不开一定的围岩环境，而围岩质量的好坏常常影响甚至决定着地下洞室的设计方案、施工难度和经济效益。因此，在工程勘查阶段，常需在地质调查的基础上，根据一定的指标及分类体系，对地下工程的围岩质量进行分析评价，初步判断地下洞室开挖施工及运营过程的稳定性，为工程设计和施工提供合理好用的基础资料。而开挖对局部应力场的影响是十分明显的，由此产生的压应力集中区主要在拱角和下边墙脚处，拉应力集中区主要出现在洞室的
3、顶拱、边墙、底板，是较为普遍的认识。但对于特定初始应力场条件下大型复杂地下洞室群而言，因围岩岩体质量的改变，导致应力场、变形场的差异，从而造成洞室群稳定性不同，对此规律的进一步研究是十分必要的。3.围岩稳定性评价围岩稳定性评判一直是地下洞室工程最重要的科学问题之一，同时也是长期困扰学术界、工程界的难题之一。对围岩进行稳定性类别的划分，是以围岩稳定状态、变形破坏形态或以围岩的力学动态为标志进行分类的这种分类是以工程地质条件为基础与岩石力学建立了一定关系并同支护设计相结合的一种分类，它既能客观反映各类别的稳定性差别又能满足支护设计的要求。现行的围岩稳定性评判方法与模型由于其范围大、精度低等缺点，难
4、以适应地下洞室工程信息化施工的要求。基于现代数值仿真分析手段的塑性区、拉裂区、破损区判断方法，应力场、变形场判断方法等已逐渐在设计与施工中得到应用，由于各种数值计算分析方法的模型范围、计算假定和计算中本构关系等的不同，各计算结果中数值略有差异，但无数量级差异，计算结果所呈现的规律性均相同，在一定程度上表明地下厂房洞室群的围岩稳定特性。目前，采用的数值分析方法主要是基于以下两大类模型，一类是连续介质模型(弹塑性模型、粘弹塑性模型、损伤模型等)。工程上常用的分析软件有ANSYS，MARC，FLAC，ABQUS，CESAR等。另一类是非连续介质模型(DDA。DEM，UDEC，3DEC等)。数值分析方
5、法评价围岩稳定性的步骤：(1)确定地下洞室区的工程概况及地质条件(2)确定计算条件包括：确定模型范围与边界条件、本构方程及计算参数确定。(3)用分析软件建立洞室开挖过程围岩计算模型。(4)根据设计提供的施工开挖方案和支护技术方案来进行数值模拟。(5)结果分析，包括变形特征分析，应力场特征分析，塑性区分布特征分析，锚杆轴力特点分析等。(6)根据结果分析对洞室群开挖后的围岩稳定性和变形特征做出评价并提供相应的开挖方式和支护处理建议。利用施工现场变形监测数据直接进行围岩稳定性评判是一种最方便、最可靠、最直接的方法，也是工程建设中的主流方法。应用现场监测变形数据直接评判围岩稳定性的方法主要有两种：一是
6、从若干工程中总结得出的经验类比法。最常用的经验类比法为围岩分类法，即在大量地质调查分析的基础上，综合已有工程经验、教训，对洞室群的围岩稳定性进行分类评价。尽管一些学者和工程人员曾开展过这方面的工作，有关行业也编制出相应的规范。但这些工作的研究重点往往是针对单个洞室的情况，即未明确考虑到大型地下洞室群开挖时的群洞效应。也有学者针对具体工程(二滩、小浪底地下厂房洞室群)进行了稳定性评价工作，但没有明确提出地下洞室群稳定性评价体系。然而随着西部大开发战略的实施，一批规模庞大、空间布置复杂的水工地下洞室群(如拉西瓦、溪洛渡、小湾水电工程地下洞室群)或即将开工建设，或进入深入研究阶段。在此背景下，如果能
7、充分考虑地下洞室群的特点(尤其是群洞效应)，发展适合大型地下洞室群稳定性评价的分类体系，无疑将具有较强的适用价值。；二是规范推荐方法。规范方法由于其必须具有普遍的适应性，所以常常仅给出了一个较大的范围，这样给现场工程人员应用时带来不便，且随意性大，对有些现场情况并不适用。4.洞室顶板稳定性分析顶板块体失稳，是指顶板岩体由于结构面(包括原生节理和次生裂缝)和洞室开挖临空面共同切割形成的不稳定体块体发生坠落的现象。根据岩体结构控制论 ，岩体是由结构面及其所包围的结构体共同组成的，结构面结构面的存在破坏了岩的完整性可以是层面，节理面，也可以是后期形成的不规则穿层裂隙面。、整体强度并控制着地下水的运动
8、。结构面切割岩体形成的组合块体在洞室开挖形成临空面的情况下，易发生塌方、掉块等的变形破坏。4.1单条缓倾角错动带发育时顶板稳定性分析如果仅有一条缓倾角错动带出露于洞顶或横跨顶板，其它部位岩体结构比较完整时，顶板岩体结构为整体块状，因而， 自稳能力相对较好，其稳定性问题主要表现为开挖后错动带与周围岩体之间的协调变形以及局部破坏后所进行的应力调整。由于各处应力集中程度不同，有的错动带必然在洞室周边发生滑动破坏，从而，使顶板岩体沿错动面剥离成厚薄不等的悬臂状板梁或跨洞板梁。假定洞室顶拱为半椭圆形，上覆荷载均匀分布，由此建立了如图1和图2所示的固端梁和悬臂梁模型。图1 横跨顶板固端梁模型 图2 顶板悬
9、臂梁模型4.2错动带集中发育时顶板稳定性分析如前所述，层内错动带具有局部集中成带发育的特点。错动带集中发育的部位，岩体极其破碎，由于受到表生改造作用的影响，特别是地下水的侵蚀，岩体遭受严重的风化，几乎成为无粘聚力的松散体， 自稳能力极差，在主厂房洞外的交通洞已经发现了一定厚度的强风化夹层。洞室开挖后，应及时施工系统锚杆，并喷射混凝土。喷锚支护把支护与围岩作为一个不可分割的统一体，应注意与现场监测相结合，通过迅速控制围岩或限制围岩的移动和变形，从而提高围岩强度，调整和改善围岩应力状态，最大限度地利用围岩的自承能力， 以达到长期维护围岩稳定的目的。4.3错动带和节理裂隙成组发育时顶板稳定性分析如果
10、，在错动带附近节理裂隙也比较发育，洞顶被切割得不完整，呈块状结构、次块状结构，甚至镶嵌结构。在自然状态下，这些结构体处于稳定状态，开挖后由于临空面的出现，原来的平衡状态被破坏，块体可能沿着某一个或几个滑动面滑移，甚至垮落。根据不同洞段错动带和节理裂隙的空间延伸规律和性状参数，采用Unwedge程序进行不稳定块体搜索。参考文献(References):1 王明华 ，杨良策 ，刘汉超，白世伟.大型地下洞室顶板稳定性的岩体结构控制效应J. 岩土力学，2003,24(3)：484-4872 李宁，陈蕴生，陈方方, 张志强. 地下洞室围岩稳定性评判方法新探讨J. 岩石力学与工程学报，2006,25(9)
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