城市地下洞室围岩稳定性的探究及分析方法

摘 要：地下工程已成为城市建设中不可或缺的一部分，本文讨论了围岩稳定性的方法与思路，介绍了围岩稳定性的监测方法和手段。同时又对地下洞室稳定性的影响因素进行了分析，然后对有限元的计算方法以及开发的有限元分析软件进行了深度的分析，为以后地下工程的建设奠定了良好的基础，对城市地下洞室围岩稳定性的探究和分析都有着极为重要的意义。

关键词：城市建设；围岩稳定性；地下洞室；监测方法；有限元分析

中图分类号：TU984 文献标识码：A

1 引言

地下工程逐渐在城市建设中占据一席之地并且不断发展，地下工程围岩的稳定性对工程的正常运营是至关重要的。从力学角度来看，地下洞室围岩丧失稳定性是由于围岩的应力达到或超过岩体自身所能承受的强度范围，形成了一个连续贯通的塑性区和滑动面,产生较大位移进而最终导致失稳[1]。为了保证城市地下工程建设的顺利进行，有必要对洞室的围岩稳定性进行全面的分析和评价，有限元分析方法已经成为地下洞室围岩稳定性分析的重要手段之一。然而城市地下工程的建设是极为复杂的，影响地下工程围岩稳定性的因素也是多方面的，其稳定性主要与岩石性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造、开挖方式、围岩支护的形式等因素有关[2]。对于复杂地质条件下大型地下洞室群的围岩，运用有限元方法分析评价后要经受工程实践的检验，仅仅依靠现有的有限元分析商业软件有时是不现实的，而许多通用有限元分析软件在处理这些问题的时候显得棘手或者力不从心，因此迫切需要人们研制符合大型地下洞室群围岩特点的有限元分析程序，这一程序既要具有比较完备的计算分析功能，又要有强大的可视化手段，让分析者的思想、方法以及分析结论实现可视化。文中在介绍地下洞室围岩稳定的三维弹塑性有限元方法、洞室群开挖分析和锚固支护的有限元模拟以及围岩稳定性评价指标的基础上，结合城市地下洞室的特点，完善了已经开发的有限元图形系统的功能，为方案的比较和决策提供了参考价值，同时为地下洞室稳定性的探究及分析奠定了良好的基础。

2 围岩稳定性的检测方法及支护手段

2.1 围岩稳定性的检测方法

现场量测是新奥法的三大支柱之一。地下工程信息化施工主要是以现场量测为手段的一种设计施工方法,这种方法的最大特点是可在施工时一边进行隧道围岩变形及受力状态的各种量测,同时还可以把量测的结果反馈到设计施工中, 从而最终确定施工方法、开挖顺序和支护参数, 使设计及施工更符合现场的实际情况。对于地下工程稳定性的监测与预报是保证工程设计、科学合理施工以及安全生产的重要措施[3]。隧道新奥法施工技术就是把施工过程中的监测作为一条重要原则, 通过监测分析对原设计参数进行优化,施工中坚持“预探测、管超前、严注浆、小断面、短进尺、强( 紧) 支护、早封闭、勤量测”的方针。当前的检测手段主要是以破坏性的测试方法为主, 给工程施工带来很多不方便。地下结构围岩稳定性处在随时空不断变化的状态之中, 是一个非确定性问题。锚杆无损监测是近年来发展的一项新的监测技术。根据锚杆工作荷载与围岩变形特征的对应关系，对地下结构围岩及支护结构的稳定性做出实时判断和安全评估为地下支护结构的优化设计、加固补强提供及时可靠的决策依据。

2.2 围岩的支护手段

锚杆作为支护系统的一个重要组成部分被广泛地应用于围岩的加固与支护中。根据围岩的性质以及服务特点通常采用全长锚固锚杆、部分锚固锚杆以及端锚式锚杆这三种锚杆,对围岩进行加固。不同的锚杆甚至相距很近的锚杆中所承受的拉应力也由于锚固条件的不同而不同。即使是同一根锚杆，其受力也会由于开挖过程中应力的重新分布而发生改变，这些应力的作用会造成锚杆位移甚至断裂, 大大降低了支护系统的稳定性。锚杆的安装作业以及操作工人的锚固技巧也会影响锚杆中的预应力与锚固质量, 因此对锚固质量、锚杆的完整性以及锚杆中的应力状态进行实时监控是十分必要的。

3 地下洞室围岩稳定性的有限元分析

3.1 岩体开挖的弹塑性分析方法

本文采用增量变塑性刚度法进行迭代计算[4]。该方法是将洞室群的开挖荷载分解为弹性荷载和塑性荷载两部分，其中对弹性荷载采用一次施加于结构上进行计算，对塑性荷载则分级进行加载计算。对于每一级塑性荷载{ΔRp}i可按下式进行迭代计算：

= （1）

式中：[Ke]和[Kp]别为结构的弹性和塑性刚度矩阵，{ΔRp}i和{δ}i分别为第i 级塑性荷载和位移增量。迭代计算时，屈服函数采用Zienkiewicz-Pande的双曲线屈服准则：

（2）

当按式(2)判断单元进入塑性状态后，应先将单元应力状态沿屈服面的法向拉回到屈服面，再根据屈服面上的应力状态修正塑性刚度矩阵[Kp ]并代入式(1)进行迭代计算。对破坏状态判别和迭代完毕后，由于有限元数值计算的误差，单元的应力状态不一定位于屈服面上。为保证迭代计算的收敛性，使屈服单元的应力状态沿屈服面滑动，对每一级增量荷载迭代计算完毕后，可以将单元应力状态沿垂直于屈服面的方向将应力状态拉回到屈服面上来。修正的应力值按下式计算：

（3）

式中：F({σ})为修正前应力状态对应的屈服函数。将应力状态修正完后再进入下一步增量荷载的迭代计算。

3.2 锚杆支护计算方法

锚杆的支护作用主要有 2 个：一是通过受拉约束围岩变形，另一方面则可以提高岩体的抗剪强度。这里用隐式杆单元模拟锚杆对围岩的加固作用[5]，并采用提出的经验公式来提高岩体的力学参数：

（4）

（5）

式中： C0 和分别为原岩体的粘聚力和内摩擦角；C1 和分别为锚固岩体的粘聚力和内摩擦角：τ为锚杆材料的抗剪强度；S为锚杆的横截面面积；a，b 分别为锚杆的纵、横向间距；η为综合经验系数，一般可取为2～5。

3.3 开挖施工优化的评估方法

地下工程是一个极其复杂的工程，因此在进行优化时要考虑多方面因素，如围岩在受力时的变形情况、围岩中应力的分布情况、围岩薄弱区、锚杆受力状况等等，只有将诸方面的因素进行系统的考虑后才能得到一个比较优良的开挖施工方案。

4 计算结果的可视化

要实现上述评价指标的可视化，进行多方案的比较分析无疑是十分重要的手段。针对围岩稳定性的分析方法，开发了能够使计算结果可视化的图形系统，主要针对于比较复杂的地下结构，这个图形系统中可以显示三维网格，绘制空间等值线、矢量图形和结构变形图，同时还可以展示各步开挖分析和支护处理后的岩体的塑性区、开裂区及卸荷破坏区等分布情况的功能，并且可以统计它们的体积从而便于进行方案比较和深度优化分析。

5 结 语

城市地下工程围岩稳定性是一个极其复杂的问题, 在实际工程中更是受到了许多因素的影响。在围岩稳定性监测方面, 提出了许多检测手段与方法, 但是, 在实际施工过程中, 大多数检测手段还是以经验为主。本文介绍的利用锚杆无损监测把锚杆工作载荷与围岩稳定性评价联系起来的方法是很有效的, 这种方法拥有定量分析、全程监测、不会损坏原有支护强度等优点, 值得大力研究发展。采用增量变塑性刚度法进行迭代计算，可以加快非线性计算速度，特别适合于大型地下洞室群分期开挖的有限元计算。采用隐式的锚杆单元模拟它们对围岩的加固作用，并按文提出的公式提高加锚岩体的力学参数可以有效反映锚杆对围岩的加固效应。开发的地下结构有限元分析结果的可视化系统，为地下结构的有限元分析提供了有效的可视化手段，并为将来地下工程有限元分析系统奠定了一定的基础，其意义是不言而喻的。

参考文献：

[1] 周鹤龄.国外大公司的董事会、财务监控与薪酬激励[M].� 上海: 上海财经大学出版社, 2001.15- 16􀀁

[2] 张倬元.工程地质分析原理[M] . 北京: 地质出版社, 1981.

[3] 孙 钧.地下工程设计理论与实践[M].上海: 上海科学技术出版社, 1996.

[4] 俞裕泰，肖明.大型地下洞室围岩稳定三维弹塑性有限元分析[J].岩石力学与工程学报，1987，6(1)：47–56.

[5] 余卫平，耿克勤，汪小刚. 某水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析[J]. 岩土力学，2004，25.(12)：1955–1960.