地下洞室围岩稳定性评价方法的适用性研究

【摘要】围岩稳定性是反映地下洞室地质环境、支护结构与施工方法的综合性指标。本文归纳了力学分析法、围岩分类法、数值分析法、模型试验法、不确定性方法等5种常用的围岩稳定性评价方法，分析了各种方法的优缺点及其适用性，讨论了今后的研究发展方向。

【关键词】地下工程；围岩稳定性；适用性

Applicability research of evaluation method for rock stability underground hole

Zhao Hai-tao,Jiang Bo

(Xuzhou air force institute airport engineering facultyXuzhouJiangsu221000)

【Abstract】Round rock stability is the comprehensive index sign that reflects underground hole room geology environment and pays to protect structure and construction method. The article induced the method of the mechanics analysis and round the rock classification method, number analysis method, model to experiment method, indetermination method. . . etc. 5 kinds of merit and shortcomings and its applicability that in common usely round the evaluation method of the rock stability, analyzed various method and discussed aftertime"s direction of researches development. 

【Key words】Underground engineering; Round rock stability; Applicability

1. 引言

地下洞室围岩丧失稳定性，从力学观点来看，是由于围岩应力水平达到或超过岩体强度范围较大，形成一个连续贯通的塑性区和滑动面，产生较大位移，最终导致失稳。主要破坏形式分为脆性张裂破坏、塑性挤压流动破坏和剪切流动破坏等几种，因此围岩稳定性研究的实质是分析与评价岩体介质的应力和变形。应用弹塑性理论、流变理论，并考虑围岩节理、裂隙的计算解来研究围岩稳定问题［1，2］，使得围岩稳定性分析方法更为贴切实际。然而在对不同地质条件、埋深、跨度、施工方法等的地下洞室围岩稳定性进行分析时，应考虑评价方法的适用性，有益于选择出合理的围岩稳定性评价方法。

2. 围岩稳定性评价方法及适用性分析

2.1力学分析法。

围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力理论及目前广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论，地下洞室开挖后由于卸荷作用使围岩应力进行重分布，并出现应力集中。如果围岩应力处处小于岩体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态；反之，围岩将部分进入塑性状态，但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳。

力学分析法对于规则的圆形断面求解较为精确，参数也较易确定，但当洞室是非圆形时，就需要通过保角变换将单位圆外域映射到洞室外域，而洞室的映射函数是问题的求解关键。力学分析法具有精度高、分析速度快和易于进行规律性研究等优点，但分析围岩应力和变形目前多限于深埋地下工程，对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋地下工程围岩稳定性分析在数学处理上存在一定困难。特别当岩体应力、应变超过峰值应力和极限应变，围岩进入全应力应变曲线峰后段的刚体滑移与张裂状态时，它便不再适用。对工程实际中经常遇到的多孔、不均质及各向异性等问题，现今的力学方法几乎无法解决，只能借助数值方法求解。

2.2围岩分类法。

围岩分类法是大型地下洞室群围岩稳定性评价的重要方法之一，在实际工程设计与计算中被广泛使用，尤其在勘测资料较少的可行性研究阶段，更能发挥其作用。围岩分类理论先后经历了以普氏和RQD分类法为代表的单指标分类法、以模糊聚类分析法和岩体质量系数Q分类法为代表的多指标分类法、以围岩变形量和围岩松动圈分类法为代表的与支护有直接关系的综合指标分类法［3］。目前常用的围岩分类法主要有Stini法、Franklin法、Bieniawski的RMR法和Barton等人的Q分类法，以及Arild Palmstrom于1995年提出的RMI法［4］。

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。围岩分类方法从定性到定量、从单一指标向综合指标发展，应用模糊数学理论的综合评判法［5］、灰色系统理论［6］、神经网络理论［7］、分形理论［8］，使围岩分类更为科学合理。采用围岩分类法分析围岩稳定性时包含参数较多，有些参数难以准确测定，对隧洞和采矿等工程较为实用。

2.3数值分析法

2.3.1连续介质力学法。

采用连续介质力学方法模拟岩体，将其等效为一种连续固体介质，按固体力学方法分析其在工程荷载水平下的力学特性与破坏过程，主要包括有限元法、边界元法和FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua)等。

有限元法的使用最为广泛，可用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，是地下工程岩体应力应变分析最常用的方法［9］。有限元法部分考虑了地下结构岩体的非均质和不连续性，对以非均质各向异性和非线性为特征的介质有良好的适应性，可以解决各种复杂的边界问题，可以给出岩体应力、变形大小和分布，并可依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制。有限元法适用性主要取决于两个方面［10］：（1）对地质变化的准确认识，如岩体深部岩性变化的界限、断层的延展情况、节理裂隙的实际分布规律等；（2）对介质物性的深入认识，即岩体各组成部分在复杂应力及其变化作用下的变形特性、强度特性及破坏规律等。不足之处在于有限元法只适用于连续介质，对于非连续介质计算结果不理想。

边界元法的优点体现于计算精度高，应力和位移具有同样的精度，且只在求解区域的边界上进行离散（剖分单元），降低了问题的维数，但要求知道所研究问题的基本解。边界元法因为网格剖分简单，计算工作量及对计算机内存容量要求低，主要适用于常系数、线弹性模型的问题，也能求解物理和几何非线性问题及动力响应问题，但由于获取基本解的困难，相比有限元法尚有很多工作要做。

为克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷，根据有限差分法的原理，提出了FLAC数值分析方法。徐平等［11］对这一方法的应用作了研究，该方法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快，其缺点在于计算边界、单元网格划分带有很大随意性。

2.3.2非连续介质力学法。

非连续介质力学数值方法主要包括块体理论、不连续变行分析、离散单元法、块体——弹簧元分析法等。

块体理论是以块体单元的刚体位移为基本未知量，根据块体在外力和缝面应力作用下的平衡条件、变形协调条件及块体之间夹层材料的本构关系，采用变分原理建立起块体单元法的支配方程，用于确定块体位移及夹层材料的应力状态［12］。该法特别适用于解决具有众多节理、裂隙岩体的变形、应力和稳定性分析。与有限单元法相比，可减少未知量个数，提高计算精度与速度。

不连续变形分析是基于岩体介质非连续性发展起来的一种新的数值分析方法。它与有限元法的不同之处在于可计算不连续面的位错、滑移、开裂和旋转等大位移的静力与动力问题［13］，适宜于岩体断层裂隙发育的地区。

离散单元法基本思想是岩块之间的相互作用，同时受表征位移——力的物理方程和反映力——加速度(速度、位移)的运动方程支配，通过迭代求解显示岩体的动态破坏过程［14］。离散单元法中一个基本假定是块体运动时动能将转化成热能而耗散掉，因此，在计算中即使是静力问题也必须人为地引人粘性阻尼器以使系统达到平衡、块体运动趋于稳定。离散单元法的优势在于它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时，能计算岩块内部的变形与应力分布。该法主要用于分析节理岩体及其与锚杆的相互作用接触稳定问题。当岩体并未被结构面切割成块体的集合时，便不甚适用。

块体——弹簧元分析法是用简化刚性块体模拟不连续介质的刚体弹簧元数值模型［15］，它以单元形心的刚体位移为基本未知量，仅考虑单元之间缝面的变形协调与本构关系来建立求解的支配方程，确定缝面的相对位移及应力，该法适于分析节理岩体的稳定性。

2.4模型试验方法。

地下工程围岩稳定性问题的研究始终与模型试验相伴随，模型与实际工程问题的相似性是模型试验解决问题的关键。针对理论分析中的种种缺陷和不足，荷兰S．C．Bandis［16］等进行了模拟高地应力条件下的圆形洞室开挖模型试验后，认为即使在超高应力条件下，围岩的各向异性性质仍很明显，其二次应力和变形都由岩体构造控制。模型试验方法多用于重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程。

2.5不确定性方法

现在的岩石力学正处于从确定性研究转向不确定性方法研究的过程中。影响地下洞室围岩稳定性因素主要为地层岩性及其产状、构造结构面组合形态、地应力状态以及水的赋存情况等［17］，这些因素具有很大的不确定性。由于岩土工程本身的机理比较复杂，有些问题还未充分认识；岩土工程概率分析法还处于发展阶段，不少概念还很不明确，计算方法也不够简便。这些困难也促使一些岩土科技工作者潜心钻研，他们吸收地面结构概率分析成果，针对地下工程特点开展专题研究，虽未完全解决关键技术问题，但也取得了许多可喜成果［18］。研究表明，不确定性方法在各种影响因素的不确定性越严重的问题中越能显示其优越性。

3. 今后研究方向

通过以上系统的分析，笔者对今后地下洞室围岩稳定性分析方法的研究发展方向进行如下探讨：（1）研究围岩稳定性必然要考虑围岩的塑性问题，工程界通常按二维平面应变问题来模拟地下洞室的开挖效应，但实际上，在掘进面之后大约2~3倍洞径或洞室跨度范围内，岩体变形发展和应力重分布都将受到掘进面本身的制约。因此，应对掘进面附近范围内隧道三维空间效应（包括掘进面推进时效）进行研究；（2）采用围岩分类法分析围岩稳定性时包含参数较多且难以确定，应认真分析地质资料，研究围岩破坏的机理，采用合理的本构模型；（3）模型试验法虽费用高昂但非常有效，值得尝试将地层岩性类似的地区结合围岩分类法建立可重复利用的模型；（4）当前岩石力学已逐渐从确定性研究转向不确定性方法研究，传统分析方法未能考虑各参数离散性对安全度的影响，期望不确定性方法的研究能有效解决此问题；（5）有限元法在解决非连续介质问题时不理想，所以如何将有限元法与块体理论、不连续变行分析等方法结合起来应是今后数值分析法的发展方向。

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［文章编号］1619-2737（2011）04-22-014

［作者简介］赵海涛 (1982.07.01-)，男，河南新乡人，徐州空军学院在读硕士研究生，主要研究方向为防护工程。