浅谈城门洞型洞室围岩——支护系统稳定性数值仿真试验研究

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1、西安理工大学硕士学位论文城门洞型洞室围岩——支护系统稳定性数值仿真试验研究姓名：马玉扩申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：李宁20020101第一章绪论1．1引言新奥法技术自20世纪60年代问世以来，在世界各地的矿山、铁道、公路、水工洞室或其它地下建筑工程中获得了广泛的应用。近年来，我国也已经应用新奥法成功地建造了很多大型的洞室。目前我国正在建造或者准备建造的洞室工程中多数采用或即将采用新奥法施工。另一方面，新奥法洞室支护的设计方法严重落后于施工生产实践，喷锚支护设计参数仍然采用工程类比法或套用规范规定的荷载结构法，

2、而二次永久衬砌则仍按山岩压力理论将围岩当作荷载而非承载体进行设计‘1-16]不必说基于普氏等人的松动围岩压力理论的传统荷载结构法与新奥法将围岩视为主要承载结构的理念¨7。241之间存在多大的差距，单是喷锚支护中的工程类比法，对于不同的洞室，就有很大的主观性、片面性和盲目性。很多有识学者均认为喷锚支护设计中工程类比法、理论计算法和现场监控法互相渗透、互相补充将是今后发展的方向[25-26]。然而，时至今日我国洞室工程的设计现状仍与三四十年前相同，没有任何大的改观。首先，工程类比法的基础是相似原理，即认为“如果两个系统相似，则

3、它们的几何特征和各物理量之间必然互相保持一定的比例关系”。这就决定了标定两个工程的相似程度是应用工程类比法不致产生太大误差的关键。生产实际中任意两个工程都是千差万别的，只有搞清了不同因素对“围岩一支护系统”的影响规律才能更容易把握工程的相似度，减少实际操作中的盲目性。国内洞室工程界有关这方面的系统研究尚未见报道，工程类比法的使用更是粗糙。其次，按新奥法的要求，考虑岩土体和衬护的相互作用，适时支护等是一项非常复杂的课题。传统荷载结构法以散体理论为根据，将围岩视作荷载，用强大的、刚性的厚壁钢筋混西壬理工大学硕士学位论叉凝土结构

4、被动地等待承受松动围岩荷载，难以反映工程实际。新奥法以喷锚手段为主的柔性面支护用来限制围岩变形、保持围岩强度，不把围岩视作荷载，而将围岩视为主要承载结构。这两者之间存在极大的差异，用荷载结构法设计新奥法施工的洞室往往忽略了围岩对衬砌的支撑作用。能够将围岩衬护作为一个系统考虑的方法只有有限元方法。除了因围岩地质状况复杂多变造成的力学模型和岩体力学参数的不易选定和测准外，在计算中描述施工方法、支护时机等因素的影响也很困难。近二十年来，全国各单位编制了大量有限元程序，同时也从国外引进了SAP，ADINA等一批大型程序‘1210但

5、这些面向结构工程的有限元程序用于复杂的岩土工程领域还存在着许多不足之处，所以至今尚未得到工程界的普遍认可。第三，近年来，现场量测技术有了长足的发展，工程建设中也加强了对现场监测的要求，但由于现场监测工作成本昂贵、工作条件恶劣、技术水平要求较高等，在我国的洞室工程动态设计中发挥的作用仍然微乎其微。总之，喷锚支护的设计方法远未成熟，新奥法仍未脱离经验学的水平，离科学的理性设计的目标还有很大的距离。鉴于此，很多学者从进一步明确喷锚支护作用机理的角度进行了大量的理论和试验研究[27-34]。国际上对围岩加固机理和数值模拟方法的研究

6、持续不断，最有代表性的是奥地利著名学者G．Swoboda【3s。”。从早期对喷层的塑性破坏准则、塑性铰模型，喷层、衬砌的塑性大变形曲梁单元模型(Ahanmd，Swoboda，1991)，到各种锚杆的力学模型、数值模型，特别是其特殊的‘锚杆穿越节理’的力学性质与相应的数值模型(Mavence，Swaboda，1994)，到喷层、挂网、锚杆的复合支护的“SandwichShell”模型(Medirano，Swoboda，1995)，对喷层锚杆的加固机理与效果进行了创新性的研究；并且应用到了50多项重要地下工程的围岩稳定性分析中

7、，如华盛顿地铁站的施工方案稳定性分析与反演分析(Swoboda，李宁，Ingo等，1990)、伦敦地铁Jubilee支线的围岩稳定分析(Swoboda，李宁等，1991)、mtichen地铁围岩稳定性分析等。国第一章绪论内也有很多学者，从计算方法和理论上进行了一系列的探索[37-35]a李宁教授应用从奥地利引进的大型岩土工程软件FINAL首次将数值仿真试验的方法引入到国内岩土工程界，随着计算机技术和现场量测技术的迅猛发展，用数值方法研究洞室开挖的态势方兴未艾。FINAL程序能够较好地模拟围岩一衬护的相互作用和不同支护时机对

8、围岩一衬护的影响，具备了对地下洞室工程“围岩一支护系统”作系统研究的条件[3510本文将依托FINAL计算平台，在数值仿真试验的基础上结合现场监测，探讨影响洞室稳定的主要因素对“围岩一支护系统”的影响规律，以期给工程类比提供更多科学可靠的借鉴资料；同时也想抛砖引玉，以便尽快使洞室工程的设计由以经验为主上