隧道围岩稳定性系统分析程序应用.doc

1、 - 1 - 目录 第一章 绪论 . 1 第二章 隧道围岩稳定性分析 . 3 第一节 围岩稳定分析的方法 . 3 第二节 隧道围岩稳定性分析存在的问题 . 6 第三节 围岩稳定分析的发展前景 . 7 第三章 隧道位移反分析技术原理 . 8 第一节 典型类比分析法 . 8 第二节 位移反分析技术原理 . 9 第四章 BMP90(位移反分析智能化 )程序 . 11 第一节 BMP90 程序简介 . 11 第二节 BMP90 子程序介绍 . 12 第五章 BMP90 程序的使用 . 19 第一节 程序说明 . 19 第二节 几种人工干预情况 . 21 第六章 应用 BMP 程序进行实例分析 . 22

2、 实例一 鲁布革实验洞位移反分析 . 22 实例二 浙江省 103 人防工程位移反分析 . 25 结束语 . 29 致 谢 . 30 参考文献 . 31 附录 BMP90(隧道位移反分析智能化 )源程序 . 32 附录 鲁布革实验洞反分析文本 . 68 附录 浙江省 103 人防工程反分析文本 . 76 - 1 - 第一章 绪论 一、隧道围岩稳定性分析的现状 通常意义上说 ， 地下工程的稳定性是指妨碍生产使用或安全的失稳围岩破坏或过大变形的现象 ， 例如 ,顶板塌落 、 边墙挤入、底板隆起、围岩开裂、突发岩爆失稳 。 地层在开挖隧道并加以支护的过程中的稳定程度、叫做隧道围岩的稳定性，或围岩支护

3、系统的稳定性。 隧道工程的基本特点是“地质环境复杂，基础信息匮乏”，即使在不考虑施工过程动力作用的静力学分析中，隧道围岩及支护系统稳定性的快速 分析与预报研究等问题，目前还没有明确的有效解决方案 1。因此隧道工程人员必须综合考虑大量的、关系错综复杂的地质因素、施工因素、技术条件等等来做分析研究，比如在软弱破碎岩体中开挖隧道时，存在着施工难度大，事故多，造价高，工期长的难题。 隧道围岩稳定性是一个反应隧道地质环境、支护结构与施工方法的综合性指标，复杂程度很高，我们需要通过尽量简洁并且高效的方法及工具来完成分析及评估，经过多年的努力，有关隧道围岩稳定分析的各种岩石理论方法、监控测量方法以及专家经验

4、方法已经有了巨大的发展，他们各有所长，但是，都还是一些 联系不太紧密的方法，对于隧道支护设计来说，还没有形成一种简易简洁、易于应用普及的分析设计工具。目前各种方法均没有达到真正的解决工程实际问题目的 ,对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体研究。 围岩失稳是一个相当复杂的过程 ,通常伴随着变形的非均匀性、非连续性和大位移等特点。围岩地质分类法被广泛得到采用 ,而且目前国内外分类标准有上百种之多 ,但每一种方法更多的是评价围岩的稳定性 ,相对而言定量的评价还有待于进一步研究和完善。解析法是一种很好的方法 ,但从目前的情况看研究的程度还不够，研究成 果也相对较少 7。就

5、目前已有的成果来看，通常都是在均匀场中假设围岩均质、各向同性的连续介质 ,洞室开挖后按弹性、弹塑性围岩应力状态，分别计算出应力的大小，然后按强度理论来进行评价围岩稳定性。虽然已有学者建立了圆形洞室不同应力状态下的位移解析式，但真正将位移解析解与围岩的稳定性之间建立关系的成果还不够。当前用数值方法来进行围岩的稳定性评价时，主要采用的还是有限元数值模拟方法，而相对的其他一些数值模拟方法的应用则少了些，这也需要我们在今后的研究工作中开展对其他方法的应用和研究 ,以更好地加以比较和评价。所以对地下工程围岩稳定性问题，失稳判据始终没有得到很好地解决。 二、典型类比分析法技术 类比法是大型地下洞室群围岩稳

6、定性评价的重要方法之一，尤其在勘测资料较少的可行性研究阶段，更能发挥其作用。典型类比分析法理论研究的基础，是把隧道围岩稳定分析预测的对象围岩支护系统看作一种开放的复杂系统，经过多年来的反复研究，人们对典型类- 2 - 比分析法有了比较全面的了解。 微机的应用给隧道围岩稳定分析带来了许多有效途径，本文的目的就是利用程序来帮助我们简化一些围岩稳定性分析的问题，把程序作为一种有效工具应用于典型类比分析法隧道位移反分析技术 ，也就是隧道位移反分析过程的人工智能化，其原理是用一部分计算机程序，来控制另一部分程序的反馈和修正运行过程，中间可人工参与解决难度较高的问题，隧道位移反分析智能化程序简称 BMP9

7、0 程序，其以边界元、锚杆、喷射混凝土的方法使效率大大提高，且分析的结果一般比较接近实际，该程序可以实现自动迭代完成隧道位移反分析(输入铅垂、水平方向的洞周收敛或位移实测值各一个 )。只需输入设计图纸已有数据 (平均为80 个 )，简易便捷。自动检验错误数据，输入输出结果图形显示，从而使不熟悉微机的工程技术人员容易操作使用。已消除刚体移动，位 移反分析结果中、拱顶下沉、底鼓与侧墙位移的工程实用精度相同。工程试验表明，位移反分析结果比较接近实际，从数据输入，加载运行至得出可用的反分析结果所需时间，仅为常规做法的 1/100 左右。具有优质、高效、低耗的技术性能 1。 三、本文的写作目的 本文先介

8、绍了隧道围岩稳定性分析的方法以及围岩稳定性的发展现状，作为一个国内外公认的难题，尽管这方面目前取得了许多的优秀成果，但是存在的大量传统型疑难尚未有效解决，隧道工程施工难题还有许多，作者意在以典型类比分析法为基础，结合程序实现围岩位移的自动反分析，以尽可能简洁的 数据收集方法获取参数，获得最大程度接近实际的分析数据。隧道工程中各种理论和方法都有其适用的条件和价值，也都有一定的局限性，都是为隧道工程人员提供一种宏观经验判断，提供某种技术信息，本文所提出的位移反分析智能化也一样，只是一种隧道应用工具，尽可能满足精度的提供围岩参考数据。 典型类比分析法是一项探索性和实践性很强的研究成果，其发展的同时伴

9、随着许多的问题以及缺点，包括隧道位移反分析智能化程序，所以还需要我们做大量的工作去拓展优化，相信在不远的将来，在对 隧道进行衬砌 、 隧道的施工方法以及对隧道围岩稳定性进行维护 等方 面，都会有更加优秀的方法产生，隧道位移反分析程序技术将更加完善，典型类比分析法的研究也将会取得更多的成果。 - 3 - 第二章 隧道围岩稳定性分析 毫无疑问 ,隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的 。 隧道围岩的稳定性不仅与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关 ,而且还与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体

10、的天然应力状态、地质 构造、地下水等自然因素 。 第一节 围岩稳定分析的方法 根据当前对地下洞室围岩 稳定的分析理论和数学模型 ,围岩稳定的分析方法可以大致分为以下几种： 一、解析法 在进行围岩稳定性分析时，经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算，并能得出弹性解析解。用解析法来求解围岩的变形有多种，国内青岛科技大学的薛琳等在这方面做了很多工作，也得到了很多有益的解答。这种方法对于规则的圆形断面求解较为精确，参数也容易确定，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。解析法具有精度高、分析速度快和易于进行规律性研等优点。但解析法分析围岩应力

11、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影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困难 2，特别在岩体的应力 -应变超过峰值应力和极限应变，围岩进入全应力 -应变曲线的峰后段的刚体滑移和张裂状态时，解析法便不再适宜了。另外对工程实际中经常遇到的多孔、不均质及各向异性等问题，现今的解析方法几乎是无法解决的，只能借助数值法来求解。 二、工程地质类比法 经验类比法是大型地下洞室群围岩稳定性评价的重要方法之一，尤其在勘测资料较少的可行性研究阶段，更能发挥其作用。围岩稳定性分类的方法主要有 Stini 法、 Franklin 法 、Bieniawski的 RMR 法和 Barton 的

12、Q 系统分类法，以及 Arild Palmstrom于 1995 年提出的 RM I(ROCKM ISS I NDEX)法。围岩稳定性分类方法中包含参数较多，而有些参数难以准确测定。随着大型地下工程建设的迅速发展，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，应用模糊数学理论的综合评判法、灰色系统理论、神经网络理论、分形理论 ,使围岩分类更趋科学、合理化。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)1。 三、数值分析法 (一 )有限单元法 10 - 4 - 有限元法的思想在 20 世纪 40 年代就已经形成，该方法发展至今已经

13、相当成熟，是目前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，是工程岩体应力应变分析最常用的方法 3。其优点是部分地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，并具有通用性和灵活性，可以解决各种复杂的边界问题，可以给出岩体的应力、变形大小和分布，并可近似地依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制。一般认为，在地下结构 中有限元法的应用是否真正有效 ,主要取决于两个条件：一是对地质变化的准确了解 ,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 ;二是对介质物性的深入了解，即岩体的各个组成部分

14、在复杂应力及其变化的作用下的变形特性、强度特性及破规律等。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。 (二 )不连续变形分析 (DDA)方法 由石根华与 Goodman 提出的块体系统不连续变形分析 (Discontinuous Deformation Analysis)是由于岩体介质非连续性发展起来 的一种新的数值分析方法。它是平行于有限元法的一种方法，其不同之处是可以计算不连续面的位错、滑移、开裂和旋转等大位移的静力和动力问题。将 DDA 模型与连续介质力学数值模型结合起来，如将 DDA 模型与有限元数值方法结合，应该是 DDA 模型工程应用研究的发展方向。另外

15、, DDA 模型在岩土结构的不连续变形力学过程仿真模拟方面也具有很大的潜力。 (三 )关键块理论 (KBT) 关键块理论 (Key Block Theory)是在 1985 年首先由 Goodman 教授和石根华博士提出并用于工程稳定性分析。关键块理论的精髓思想是 :在坚硬和半坚硬的岩层中 ,岩体被不同成因、不同时期、不同产状、不同规模的结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。关键块理论就是对个性各异的岩体中具有切割面或结构面这一共性，根据集合拓朴学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出可能有的一切块体类型，进而将这些块体再从力学上分为稳定块体、潜在关键块体。确定了关键块体后 ,就可以

16、进行相应的计算。但是，由于岩体中的结构面形态分布把握得不十分准确，而变动性又大，结构面也并不是全部为平面，稍为不准确就会引起严重后果。 (四 )离散单元法 (DEM) 自 1971 年 Cundall 首次提出离散单元 (Distinct Element Method)模型以来，这一方法已在岩土工程问题中得到越来越多的应用。其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 )的运动方程的支配 ,通过迭代求解显示岩体的动态破坏过程。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入粘性阻尼器以使

17、系统达到平衡，块体运动趋于稳- 5 - 定。离散单元法的一个突出功能是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， 又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 (索 )的相互作用。离散单元法计算原理简单，但计算机实施却非常复杂，涉及问题较多，主要有四个问题 :动态松弛法、力和位移的计算循环、分格检索及数据结构。离散单元法中块体之间阻尼系数、运算的时间步长等参数的确定带有极大的任意性和盲目性，至今没有确定这些参数时可遵循的原则，当岩体并未被结构面切割成块体的集合时 ,这类理论就不甚适合。 (五 )块体单元法 任青文等提出的块体单元法，是以块体元的刚体位移为基

18、本未知量，根据块体在外力和面应力作用下的平衡条件、 变形协调条件及块体间夹层材料的本构关系，采用变分原理建立起块单元法的支配方程，用于确定块体位移及夹层材的应力状态。该法可以解决非连续介质问题，特适用于解决具有众多节理、裂隙岩体的变形、应力稳定分析。与有限单元法相比，可减少未知量个数提高计算精度和速度。 (六 )边界元法 边界元法又称为边界积分方程法，首先由英国学者 Bribbia 总结提出，并从 20 世纪 60年代开始在工程计算中得到应用。边界元法只在求解区域的边界上进行离散 (剖分单元 )，这样就把考虑问题的维数降低了一维，这也是边界元法的优点，但要求知道所研究问题的 基本解。另外，边界

19、元法计算精度高 ,应力和位移具有同样的精度。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，在某些问题中也是一个很好的方法，现在很多商用结构分析软件程序中也采用边界元法求解的功能供用户选择。边界元法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，相比有限元法还有很多工作要做。但是边界元法对变系数、非线性等问题较难适应，且它的应用是基于所求解的方程有无基本解，因此，限制了边界元法在更广泛领域的应用，而且边界元法对奇异边界较难处理。 (七 )块体 -弹簧元分析法 5 Kawai于 1987年提出了采用简化的刚性块体来模拟不连续介质的刚体弹簧元数值模型。它以单元形心

20、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和本构关系来建立求解的支配方程，确定缝面的相对位移和应力。该模型在分析节理岩体的稳定性时具有一定的优点，可以反映围岩不连续的变形和运动规律。 四、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 ,国内外不少学者开展了大量的模型试验研究工作，得出了许多有益的结论 。如荷兰 S.C. Ban2dis 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还- 6 - 是很明显，其二次应力和变形都由岩体构造控

21、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。 五、不确定性方法 现在的岩石力学正在从确定性研究转向非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 ,这些因素具有很大的不确定性。传统的分析方法用一个笼统的安全系数来考虑众多不确定性的影响。虽然某些参数 (如材料强度等 )取值时也用数理统计方法找出其平均值或某个分位值，但未能考虑各参数的离散性对安全度的影响。进入 60、 70 年代以来 ,数理统计、概率论、可靠度分析等方法的应用扩大到更广的领域。但是这种方法仍然受到一些岩土工作者的反对和质疑，原因在于岩

22、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；一些人对概率理论和方法不很熟悉。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的成果，针对地下工程的特点开展专题研究，虽未完全 解决技术上的关键问题 ,但也取得了许多可喜成果，研究表明 ,概率和可靠度分析方法在不确定性越严重的问题中越能显示出其活力来。 六、系统工程法 6 常规的围岩稳定分析方法一般将围岩的地质因素、工程结构因素、洞室开挖支护过程等尽可能地细分，通过理论分析建立数学模型 ,从而进行确定性因果关系的力学分析。由于地下工程建设系统具有多、层次

23、、多因素等特点 ,其结构非常复杂；同时，隧道建设系统各个组成部分又是有组织的 ,形成有特定功能的整体，因而，隧道力学分析完全具备系统科学中所研究的“系统”的特征。所以，围岩稳定分析应该是对复 杂的围岩系统的稳定性的模糊化认识和控制所作的数学模拟。它的对象是一个具有大量的处于相互作用之中的元素的复杂系统 ,其结构与信息等具有一定的模糊性 ,要求以系统科学作指导、以系统工程方法结合岩石力学常规理论来进行隧道围岩稳定分析。文献在将地下工程围岩看作一个灰色系统的基础上，用灰色关联方法进行了地下工程围岩稳定分析。除了上述常用的方法外，其它一些理论和方法也用在围岩稳定分析中。地下工程围岩开裂和破坏主要由于

24、结构面的断裂扩展和连通，因此有人采用断裂和损伤力学方法来评价理裂隙岩体稳定性和变形行为 ,如正在兴起的各种数值 计算方法之间的耦合、块体理论的引用和发展、系统论与控制论的引入等方法。 第二节 隧道围岩稳定性分析存在的问题 通过以上对围岩稳定分析方法的系统分析，我们可以看出当前的分析方法主要存在以下几个方面的不足： - 7 - 一、目前各种方法均没有达到真正完满解决工程实际问题，对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体研究。围岩失稳是一个相当复杂的过程，通常伴随着变形的非均匀性、非连续性和大位移等特点，是一个高度非线性科学问题。因此，要对它的力学行为进行预测和控制，必须

25、借助当代非线性科学。 二、围岩地质 分类法被广泛得到采用，而且目前国内外分类标准有上百种之多，但每一种方法更多的是评价围岩的稳定性，相对而言定量的评价还有待于进一步研究和完善。 三、解析法是一种很好的方法，但从目前的情况看研究的程度还不够，研究成果也相对较少。就目前已有的成果来看，通常都是在均匀场中假设围岩均质、各向同性的连续介质，洞室开挖后按弹性、弹塑性围岩应力状态，分别计算出应力的大小，然后按强度理论来进行评价围岩稳定性。虽然已有学者建立了圆形洞室不同应力状态下的位移解析式，但真正将位移解析解与围岩的稳定性之间建立关系的成果还不够。 四、 当前用数值方法来进行围岩的稳定性评价时，主要采用的

26、还是有限元数值模拟方法，而相对的其他一些数值模拟方法的应用则少了些，这也需要我们在今后的研究工作中开展对其他方法的应用和研究，以更好地加以比较和评价。 五、另外，失稳判据难以确定。多年来，对地下工程围岩稳定性问题，失稳判据始终没有得到很好地解决。现行的规范 (TB10003-2001)中围岩稳定性是以极限净空相对位移值或允许收敛速率的形式给出的，当实测的位移值超出此值时即视为不稳定。对于不同的地质情况这显然是不合适的，在实际应用中 ,我们必须结合不同的工程状况给 出合理的失稳判据。 第三节 围岩稳定分析的发展前景 人们普遍认为 19 世纪是桥梁的世纪 ， 20世纪是高层建筑的世纪 ， 21 世

27、纪则是地下空间的世纪 ，地下空间的开发离不开分析围岩稳定性， 现代力学和计算技术的发展为我们进一步开展研究提供了很好的基础。在今后的研究中我们既要避免一味追求高精度的数值计算及数学方法的深奥，花了大量的精力、财力和时间去从事复杂而繁锁的数值计算，而放松了对地下工程问题特殊性的思考，又要注意那种抛开理论只追求经验类比的做法。必须从隧道工程实际出发，以系统概念为指导，依靠原型观测资料的验证与反馈， 走理论分析与经验分析相结合的道路，进一步加强数值分析模型和位移反分析力学模型的基础理论研究。 经过半个多世纪的不断发展，隧道围岩稳定的分析在人们的不断努力下，已经取得了可喜的成果，以后的发展前景趋向于使

28、其实用化、准确化和可靠化，除了建立更多力学模型外，换药和其他方法并用，总之，围岩稳定分析的发展会体现更强的综合性。 - 8 - 第三章 隧道位移反分析技术原理 第一节 典型类比分析法 典型类比分析法研究的立足点现将隧道工程支护设计现行各种方法的长处与短处加以整理，为典型类比分析法研究提供一个实事求是的立足 点和依据。我们的目的是让这种新方法尽可能地保持现行各种方法的长处，并初步解决其现存问题，发挥综合优势与整体优势。 图 3-1 隧道程序设计中的典型类比分析法 典型类比分析法研究中坚持以下原则： 首先， 从我国大多数隧（坑、巷）道工程现有的技术、经济条件出发，而不是从任一学科发展需求出发； 其

29、次， 继承现行三种支护设计方法 工程类比法、监控量测法、力学分析法的长处，并且充分利用一切可能利用的现有技术条件，加以综合集成和发展；应符合隧道工程师对支护设计工 具的精度要求 ， 为综合性经验- 9 - 判断提供依据或参考；大体上接近工程实际，一般行之有效；不追求精细和绝对； 最后， 以大多数隧道工程都容易掌握和有效应用为目的。工程类比法以围岩分类为技术基础的工程类比法，简便实用；但用于软岩大跨度高边墙洞室可靠性不足，而且这种类比是定性的，不能定量显示当工程结构条件如跨度、洞形、埋深、支护类型、参数及其配置等改变时， 准确率会有所下降。 通过圆形隧道的理论弹 塑性解反算给出围岩的侧压力系数

30、和弹性模量 E， 并得到隧道周边塑性区的大小和变形情况 ， 从有限元理论出发 ,作弹性 位移反 分析优化计算 ， 与 理论值 ， 实测值进行比较 ， 圆形隧道的理论弹 塑性解解析法采用数学力学的计算取得闭合解 ， 通过对解析方法及其结果的分析 ， 可以获得一些规律性的认识 ,如洞室周边围岩的应力状态 ，塑性区的大小 ， 洞室的收敛变形值 ,同时利用反分析思想可以求得原岩的地应力 ， 对断层中隧道的设计 ， 施工管理非常重要 。 影响岩体二次应力状态因素很多 ， 如岩体的初始应力状态 ，岩体的构造 ， 洞室的形状尺寸 ， 洞室的埋深和开挖施工技术等 ， 解析法推导基于下述假定 ：岩体为均质的 ，

31、 各向同性的连续介质 ， 考虑自重应力和构造应力形成的初始应力场 ， 洞室形状为圆形 ， 洞室位于一定 的深度 ， 简化为无限体中的孔洞问题 。 在传统的岩石工程理念中 ，洞室埋深较浅 ， 自重应力 po 一般为大主应力 ， 1， 一些理论解析方法都是建立在这个基础上的 。 第二节 位移反分析技术原理 位移反分析产生于隧道工程数值分析中参数识别的客观要求，典型类比分析法隧道位移反分析技术原理如下： 一、计算模型 以连续介质力学为基础建立反分析模型时，均需简单材料的力学形态符合某种模型。选择的模型不同，反分析的结果也不同，选择的模型越精细，则反分析过程越复杂，为了实现反分析技术的广泛普及，必须对岩石的本构关系做进一步的简化，通 常可以假定岩体为连续均匀的线性弹性介质，在这里变形模量实际上是一个反应岩体变形特征的综合性参数。典型类比分析法应用的位移等效线弹性假设，建立了各围岩类别经验模型，并以各类围岩典型工程实测资料，按位移等效原则对线弹性模型做综合性分析。 二、可辨识参数 在以弹性理论为工具进行隧道围岩稳定性分析中，最重要且影响最大的两个参数就是初始地应力侧压系数和弹性模量。在此基础上，典型类比分析法从隧道工程实际情况出发，位移反分析结果的侧压系数和弹性模量有以下假设： (一 )等效初始水平地应力假设