西部地区高地应力地下洞室开挖围岩稳定分析研究(定稿)1.doc

西部地区高地应力地下洞室开挖围岩稳定分析研究 唐孟军 （华能西藏发电有限公司 四川 成都 610200） 随着我国西部地区水电资源的开发，许多大规模的水电工程纷纷涌现。但是西部地区具有全球最强烈的现代地壳活动和高地应力场，从而形成高原与高山峡谷、架构特殊的气候，使得内外动力耦合作用强烈，这些都和东部地区有明显的不同，尤其表现在地应力方面。近三十多年在西部兴建的拉西瓦、李家峡、二滩、天生桥、鲁布革等水电工程以及甘肃的金川镍矿地下采掘都曾遇到高地应力问题，甚至在浅表的大坝建基面的开挖时，都会发生由于高地应力释放产生的表面岩体成层剥落现象。因此在这样的地质条件下开挖深埋长隧洞不可避免的会遇到许多难题。 本课题的主要特点是将地下结构工程力学学科与当代大型有限元分析软件相结合。随着计算机技术的发展和岩土本构关系的建立，隧道及地下工程结构的设计分析进入了以有限元法为主的数值模拟时代。利用大型有限元软件可对地下结构工程进行力学分析，对结构的可靠性和合理性做出评价。本文结合双江口1导流洞围岩稳定和支护结构设计研究的课题，对深埋隧洞开挖后围岩的动态变化以及支护结构应力分布进行了深入的研究。 一、水利工程隧洞围岩稳定理论演进 20世纪20年代以前，古典压力理论认为，作用在支护结构上的压力主要是其上覆岩层的重量，以海姆、朗肯和金尼克为代表。随着散粒体压力理论的出现，深埋地下工程作用在支护结构上的压力不再被认为是上覆岩体的重量。太沙基和普氏理论认为塌落拱的高度和地下工程跨度与围岩性质有关，不同之处在于前者认为塌落拱是矩形，后者认为是抛物形的。太沙基理论中假定岩石为散粒体，并具有一定的凝聚力，所以用这一理论计算松动山岩压力有时也可以得到较好的效果。 20世纪60年代末出现了考虑支护和围岩共同作用的弹塑性理论解，岩体力学在其相关学科交叉渗透下，已形成了一门新的学科。同济大学的孙钧教授开拓并发展了这门新的学科地下结构工程力学。 地下工程的失稳主要是由于开挖过程中引起的应力重分布超过围岩强度或围岩过分变形而造成的，而应力重分布是否会达到危险的程度要看初始地应力场的具体情形而定，所以地应力是影响地下洞室等工程稳定的最重要的基本因素之一。随着我国诸多大型工程项目建设的进行，需要搞清楚工程现场岩体的各种复杂状态，其中岩体的初始地应力场就是一个首要的问题。地应力场是地质力学与岩体力学研究的基本内容之一，工程建筑地区的区域稳定性能否合理解决，取决于是否提供了一个较符合实际情况的地应力场。初始地应力场是地下工程从开挖到支护等仿真全过程分析计算的基础，对于合理地进行地下工程设计与施工具有很大的现实意义，如何合理地提供工程中可用的三维初始地应力场，是地下工程中面临的一个现实问题。 地应力对工程岩体的变形与破坏作用是十分明显的。由于地壳构造运动在岩体中所产生的构造应力和由上覆岩体的重量所产生自重应力等产生了岩体地应力。在地下开挖时，洞室围岩产生的应力重分布，形成洞室围岩应力，洞室围岩应力是研究围岩稳定性和洞室安全的重要因素，在洞室岩体开挖以后，岩体的原始平衡状态被破坏，并随着应力的重分布围岩不断变形，向洞室逐渐位移。破坏的岩石由于应力达到极限强度而产生裂缝或剪切位移，在自重作用下甚至大量塌落，造成“冒顶”现象，特别是节理、裂隙等软弱结构面发育的岩石更为显著。 因此，利用有限元数值计算方法对导流洞的围岩进行稳定分析，提出合理的支护时间和支护方式是十分必要的。 二、双江口1导流洞围岩的动态变化及支护结构应力分布研究 双江口1导流洞围岩稳定和支护结构设计研究所开展的主要工作如下 1在阅读大量文献的基础上，归纳总结了地下洞室围岩稳定研究的意义、分析方法以及岩体弹塑性分析原理，并且对地下洞室围岩开挖支护理论的发展的现状及未来趋势作了概括。 2探讨双江口工程区的初始地应力场的分布规律。地下洞室开挖前，岩体中已存在着应力场，称为初始地应力场；洞室开挖后，初始地应力场受到扰动，应力重新分布，并引起洞室的变形，此时所形成的洞室围岩的应力状态，称为二次应力场。初始地应力场研究是分析围岩稳定的关键。 3探讨和研究了隧洞从初始状态到开挖及支护成洞整个施工过程中围岩的动态变化效应，并对其各种状态下的稳定性做出分析，提出有效的支护方式和支护时间。 1、洞室围岩的模拟 从工程观点考虑，岩体的构造要素大致可划分为以下几部分。 （1）岩块完整岩块，在有限元计算中可用常规的实体单元代表。对于坚硬岩石，因其强度较高，而在一般工程中，岩体的应力水平通常并不高，所以可按弹性体计算。对于软岩，有时需要按非线性体计算。 （2）断层断层的厚度为十几厘米到几米甚至十几米，在有限元计算中，断层一般用实体单元代表。对于充填有松软物质的宽断层带，它的变形特性可以简单的表示成“无应力”边界；对于充填有糜棱粒状物质的狭窄断层，它表现为能传递法向压应力，但却没有或只有很小的抗剪强度，这时只要垂直于断层面上不产生张应力，则这个问题仍属于线性问题，可以按照下述方式处理。 第一种处理方式是，把断层表示成一个很薄的各向异性层，其剪切模量G和平行于裂隙的模量E都给以很小数值，并采用一般的有限元计算程序。第二种处理方式是，在层间设置杆状单元，这些杆状单元对平行于层面的移动有阻力，但杆状单元具有有限的刚度，使之能在垂直层面的方向上发生一定的相对移动，因而可以承受法向压力的作用。对有这些地质构造上的缺陷部分，其宽度较大的，可以在这部分的缺陷范围内布置小单元，用较小的E和值，以使这些地段内的单元的E和适当降低，最甚者可降低为零。 （3）软弱夹层其厚度介于几厘米到十几厘米之间，夹层内材料为破碎岩石或软弱夹层。对于重要的夹层，例如离建筑物很近，或对建筑物的安全有较大影响的夹层，通常采用特殊的夹层单元模拟这种间断不连续性质；对于较次要的夹层，可采用等效单元进行计算。 （4）节理和裂隙节理和裂隙是岩体中的不连续面，其厚度接近于零。当尺寸很小时，一般不用专门的单元去模拟，而是采用等效单元计算。 总之，由于岩体结构的复杂性，要十分准确地反映岩体结构的特征并使之模型化是不可能的，也没有必要使问题复杂化。基于这种考虑，对于一个实际工程来说，往往根据现场地质资料，根据结构面的长度、密度、贯通率，展布方向等，着重考虑对工程稳定起主要控制作用的节理组或其它主要结构面来进行模拟。岩体中起控制作用的是结构面的强度。对于软弱结构面，可采用低强度实体单元模拟，按照连续介质处理；对于无充填的硬性结构面可以采用无厚度的接触单元来模拟。 2、计算范围与边界条件 连续介质静力学模型的边界条件包括三种类型第一种是应力边界，即给定物体表面上的面力或集中力；第二种是位移边界，即边界上各点的位移分量是已知的，它既可为定值，亦可为零或在某些方向上为零；第三种是混合边界，即在边界某些方向上位移已知而在另外一些方向上为边界力已知。在地质问题的分析中，边界力的大小和方向常具有未知性，需要采用一定的假设条件或通过反演分析才能定量化。位移边界，特别是零位移边界是计算模型中不可缺少的，没有约束的计算模型在不平衡力的作用下将产生平动或转动。混合边界则主要是为了减少边界效应而被采用的。 当模型边界条件和实际情况不同时，就会因为计算模型边界条件的误差而导致计算结果的误差，这种计算误差称为边界效应。在数值计算中，边界效应通常难以避免，所应考虑的应该是如何使边界效应控制在允许误差范围内。为了尽量减小边界效应对计算精度的影响，首先应使边界条件尽量与实际情况相符，其次应使计算模型有足够大的区域，并使分析的重点区域处于距边界有一定距离的模型中央部位。另外尽量选用地形上和结构上的对称面作为计算模型的边界，如河谷和山脊的走向对称面等，从而达到减小边界效应之目的。 地下工程中采用的有限元分析方法通常是在有限域里对实体进行离散化。为了使这种处理方法不至于产生过大的误差，离散区域必须有足够的范围，并使区域边界条件尽可能接近实际状态。通过弹性力学和岩石力学知识对在均质弹性无限域中开挖的圆形洞室计算表明，由于荷载释放而引起的洞周介质应力和位移变化，在五倍洞径范围之外将小于1％，三倍洞径之外约小于5％。考虑工程的需要和有限元离散误差以及计算误差一般选计算范围沿洞径方向不小于3～4倍洞径为好[2]。 3、初始地应力场的施加 地下工程数值计算中，初始地应力场的模拟是必须首先关注的问题。数值模拟的初始地应力场是否与实际相吻合，是决定地下工程数值模拟是否成功的基本条件。 地下洞室开挖前，岩体中已存在着应力场，称为初始地应力场；洞室开挖后，初始地应力场受到扰动，应力重新分布，并引起洞室的变形，此时所形成的洞室围岩的应力状态，称为二次应力场。岩体中的初始地应力场是在长期、复杂的地质作用过程中不断变化、逐渐形成的，其大小主要取决于上覆岩层的重量、构造作用的类型、强度和持续的长短等。岩体中的初始应力的分布是极其复杂的，它是地下结构的主要荷载，是地下洞室布置、围岩稳定与支护设计的基础。 确定初始地应力场的数值计算方法通常为自重应力、海姆假说和侧压系数法。 将岩体看成半无限域内弹性体，按其自重效应来确定地应力，假定地应力处于一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆盖层的重量，这就是海姆假说。金尼克修正了海姆的静水压力假定，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数，根据弹性力学理论，这个修正系数应等于，为上覆岩层的泊松比，这就是侧压系数法（即金尼克的弹性理论计算法）。 对于表面为水平的半无限体，在深度为Z处的垂直应力及水平应力为 （1） 该处水平方向两个应力彼此相等，即。 如果考虑到半无限体中任一单元都受到相邻岩体的限制，水平方向不可能产生侧向变形，于是 （2） 因为，所以上式可写为 （3） 式中，为岩石的静压力系数。 一般岩体的泊松比，此时的侧压系数。当岩体是良好的塑性体，可以认为，此时。它表示侧向水平应力与垂直应力相等，即所谓的静水应力状态，这就是1878年瑞士地质学家海姆所指出的情况。 4、锚杆在ANSYS中的数值模拟 由于锚固工程中的岩土体几何状态和受力状态的多样性，加以一般情况下锚固件数量大，而且每个锚固件与岩体的相互作用从力学上来说大多数都是三维非线性问题，所以，若要建立三维非线性分析模型并且逐一模拟锚群中个体锚杆的受力效应有很大的困难。由于实际工程中锚杆的数量常常数以千计，如果逐一进行模拟难度很大，而且效果不一定很理想，人们通常的做法是按照等效的方法，考虑锚固后岩体力学参数的变化，将之考虑到计算过程中，然后利用现有的程序进行工程计算。 5、单元生死技术 ANSYS程序中的“单元生死”功能模拟洞室开挖及混凝土衬砌施工的全过程。模拟岩体挖除的方法是将其刚度矩阵乘以一个很小的因子本文取10-6,将其单元“杀死”,死单元的单元载荷即为零,从而不对载荷向量生效但仍然在单元载荷的列表中出现。同样,死单元的质量、阻尼、比热和其他类似量也取零值。模拟混凝土衬砌施工时,只需在前处理中生成衬砌单元,并先将其“杀死”,然后在合适的开挖步中重新激活使其出现。当一个单元被重新激活时,其刚度、质量、单元载荷等将恢复其原始的数值。 6、关键技术与创新点 本项目的主要创新点是引入了地应力反演分析方法。 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式互相联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合,且单元本身又可以有不同形状,因此可以模型化几何形状复杂的求解域。单元内位移通过节点位移由形函数插值获得,通过变分或虚功原理建立求解节点位移的联立方程,然后再由节点位移计算单元内应变,最后计算单元内应力。有限元的总体平衡方程为 [K]{δ}{F} 1 式中，[K]为刚度矩阵；{δ}为位移向量；{F}为荷载向量。 有关资料表明,岩体有限元分析时采用线弹性和非线性,其差值最大为10左右。在此基础上,可以假定地应力场可由多个简单应力场线性叠加来表示,故任一点应力可表示为 σα1σgα2σxα3σyα4στxyα5στyzα6στzx 2 式中σ为待求地应力场；α1α6为参数；σg、σx、σy、στxy、στyz、σzx分别为自重应力场、x方向构造应力场、y方向构造应力场、xy剪切构造应力场、yz剪切构造应力场和zx剪切构造应力场。 在建立有限元模型之后，分别施加自重、x方向单位位移、y方向单位位移以及各个侧边界单位位移,通过有限元计算分别得到6个应力场。由各个实测点地应力以及通过计算得到的测点6个应力场值代入式2，可以建立若干个线性方程,通过线性回归,求出α1α6的值。进而整个待求应力场可知。 三、与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较 目前分析围岩稳定的方法很多，主要有stini法、Frnaklni法、Bineiwaski的RMR法和Barton等人的Q法，以及ArildPalmsortm于1995年提出的RMIRoCKMISSNIDEX法。围岩稳定性分类方法中包含参数的较多，而有些参数难以准确测定。其岩体工程力学行为及其变形、破坏机理带有不确定性和不确知性。随着大型地下工程建设的迅速发展，国内外把围岩分类作为地下工程技术基础研究的重要课题之一。新的围岩分类方法从定性到定量、从单一指标向复合型指标发展，应用模糊数学理论、灰色系统理论、神经网络等理论，使围岩分类更趋科学化、合理化。我国的科技工作者也已经编制出适应我国国情的各种专门的围岩分类方案，而且多数部门已编制出了相应行业的地下工程围岩分类方案。我国的围岩分类方法有岩体构造类型的分类法、围岩稳定性动态分级、坑道工程围岩分类、大型地下洞室围岩分类、铁路隧道岩体分级建议方案、中国建设部的工程岩体分级标准GB50218一94，即BQ分级方法等。我国学者李世辉提出了典型类比分析法隧道位移反分析技术，并编制了反分析程序BMP90，在其专著隧道围岩稳定系统分析中，对多种常用的围岩分类方法作了系统深入的阐述和分析，对我国地下工程围岩稳定性分析作了较为全面的总结。 在地下洞室稳定评价中通常采用的方法有解析分析法、图解分析法、物理模拟法和数值模拟法。 l解析分析法 是指通过对地质原型的高度抽象，得出简单的计算模型，借助数学力学工具来计算围岩中的应力分布状态，进行围岩稳定性评价。其根本是求解复变函数的解析解。 2图解分析法 通过作图来分析结构面之间、结构面和开挖临空面之间的空间组合关系，确定出在不同工程部位可能形成块体的边界，进而分析其稳定性。 3物理模拟法 基于相似性原理和量纲分析原理，通过模型或模拟试验的手段来研究围岩中的应力分布状态以及稳定性。常用的方法主要有相似材料法他称模型试验、离心试验和光测弹性法。 4数值模拟分析法 20世纪70年代以来，随着数学、力学理论以及计算机技术的发展，数值分析方法在工程地质和岩石工程领域得到应用，并作为解决复杂介质、复杂边界条件下各类工程问题的重要工具而逐渐得以推广。数值模拟方法主要是采用弹塑性力学理论和数值计算方法，从研究岩体的应力和位移的角度，分析评价岩体在一定的环境条件下的稳定性状况。 四、应用情况 当前国际上的大型通用有限元软件，其强大的前后处理功能、求解功能、非线性分析功能，以及丰富的单元类型和材料库，使之成为有限元分析的利器。目前，国内外己有很多工程师及研究人员开始利用ANSYS等进行地下结构的应力分析。根据地下工程锚固支护原理，采用隐含锚杆柱单元的三维有限元和混凝土喷锚支护的三维数值计算方法，对复杂的地下隧洞的开挖和支护进行了分析计算。由于隐含锚杆柱单元和喷层单元是隐含在岩体单元中的，所以锚杆和喷层单元不受岩体单元划分的影响，利用单元生死能够有效地模拟各种支护方案，加快计算速度，合理反映锚固支护所作用的位置和时间影响。 在此基础上，利用有限元软件进行地应力的反演分析得到更精确的计算条件，通过对1导流洞围岩计算分析，将顶拱系统锚杆由原来9m改为6m，部分二次衬砌配筋把φ25钢筋改为φ22，节省了投资。在分析计算结果的基础上利用新奥法，观测收敛位移与相应的时间关系曲线确定支护的时机，有效避免了岩爆的发生，消除了安全隐患。此方法在以后场内交通洞，地下厂房开挖施工中将得到广泛的应用。 成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题鉴于实际工程的复杂性，有限元模型和实际工程具有一一对应性，这就使程序的通用性受到阻碍。每次计算分析在前期建立模型花费很大的精力，导致分析计算的效率低。应依靠相关科研单位研发比较通用的有限元模型建立工具。 ［作者简介］ 唐孟军1976-,男,四川成都人,高级工程师,长期从事大型水电工程施工建设管理工作。 9