城市地下洞室围岩稳定性探究和研究方法

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1、城市地下洞室围岩稳定性探究和研究方法　　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：A1引言7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

2、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

3、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

4、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,7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

5、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

6、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,7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

7、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）

8、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[Kp7]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