地下工程围岩稳定性分析方法

摘　要　通过对地下工程围岩稳定性分析的历史回顾及在工程实践中存在问题的分析,阐述在地下工程围岩稳定性分析中应避免追求精确的计算,提倡探索新的研究思想与研究方法。
　　地下工程的稳定问题亦即围岩的变形与破坏问题。顶板塌落、边墙挤入、底板隆起、围岩开裂、突发岩爆、支护折断等都是围岩不稳定的显现。但从永久性地下建筑物及地下空间利用的类型看,由于使用要求或标准不同,稳定性的定义就会有差异。围岩稳定性分析方法主要有:块体理论支持的分析方法,主要用于裂隙岩体的稳定分析中;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;数值分析法,基于某种力学模型和分析理论对围岩进行稳定性分析的方法,是目前应用较广泛的一种分析方法,它根据力学模型和分析思想的不同又分为有限元分析、边界元分析、位移反分析等。
目前,在地下工程施工领域中,存在着一种倾向,即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琐的数值计算,而放松了对地下工程特殊性的思考,忽略了对问题整体性的理解。
1 　地下工程的特点
地下工程涉及到地理与地质环境因素、工程因素、社会经济水平、材料科学发展水平、施工过程控制水平以及地下工程在国民经济中的地位等因素。地理与地质环境本身就是复杂的,它是天然的介质(涉及地应力、地下水、岩性、地质结构、地质构造),很少有地质条件完全相同的两个工程;工程因素则是指工程规模、断面形状与尺寸、施工技术、过程控制、环境控制、工程材料、人、机、料的协调水平等。工作面在时间和空间上的动态性,技术发展的历史性均增加了地下工程的复杂程度。岩石这种特殊的材料组成和结构的复杂性,还远远没有被人们认识透,它远不像金属等均质材料那样简单。这种状况导致了开挖技术的理论研究至今只能停留在简单的结构分析和孤立的固体力学和数值分析的领域。
地下工程的地理与地质环境、投资水平、设计水平、承建者的技术与管理水平等诸多因素都与工程的成败有联系,它们相互作用、相互渗透、相互影响、相互制约。因此,必须用系统的方法去解决地下工程问题。限于传统确定性思维方式的单纯、精确的力学与数学分析方法已无法解决稳定分析在隧道工程设计施工中的普及应用问题。理论研究和工程实践表明,要想解决岩石力学在隧道工程设计与施工中的普及问题,单纯应用力学、数学的理论分析是行不通的,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。
2 　地下工程围岩稳定分析及支护设计方法回顾
20 世纪70 年代末,“ 新奥法”引入我国后,使人们对隧道设计理论有了认识上的飞跃,人们认识到: 支护结构和围岩是一个受力的整体,隧道支护设计需要考虑的问题已经不仅仅局限于支护结构体本身的强度和稳定性,而是要将眼光更多地投向围岩,要充分发挥围岩的自撑能力,并将围岩与支护结构有机地统一在结构稳定性与经济性的合理水平上。
概率极限状态和可靠度设计方法在地面结构中的成功应用,引起了隧道界的重视,自80 年代中期就开始将可靠度方法引入了隧道结构设计的研究中。各高校联合攻关,经过可行性研究阶段和基础性研究阶段,到20 世纪90 年代中期,以“ 荷载-结构”模式为主的一般地区单线隧道整体式衬砌,单线隧道偏压衬砌和单线拱形明洞等结构的可靠度设计方法已达实用程度。1999 年发布的《铁路隧道设计规范》( TB10003 -99) 中已采用这一成果。在现行《铁路隧道设计规范》TB10003 -2001 中仍在应用。
支护结构设计方法主要有:概率极限状态法;荷载-结构模式计算法; 经验类比法; 岩石力学计算法。
对这些方法的进一步了解可知: 前3 种方法是以往及今后一段时间内的主流设计方法,它是以前人工程实践的经验为基础,通过统计分析的方法得出的荷载计算模式或经验式,在材料强度理论的基础上,经过赋予可靠性指标或安全系数得以实际应用。这些经验式是在成千的工程实例基础上得出的,从统计意义上来说具有一定的高概率特征,这种方法将成为今后相当长一段时间内的主流设计方法。这种方法具有简单、快速、易掌握的特点,已成为事实上地下工程支护设计与结构稳定分析的主流方法。但是,应该看到这些经验式的产生过程不可避免地存在着许多不严密之处,如样本采集的技术很大程度上不能完全满足概率抽样的要求,样本的统计数量也难以保证。因此,前提条件的不满足(采样过程) 形成的严密的数值推论结果显然不能期望获得与实际工程的高符合度的结论,据此进行的稳定性预测其可靠性也就可见一斑。另外,从揭示地下工程围岩变形的实质、探索其科学道理的角度看, 必须进行岩土工程理论的研究,一个没有坚实理论支持的学科注定是没有前程的。目前的工作无疑将有利于基础理论的形成,在基础研究取得突破性进展时,围岩稳定性分析才能有一个坚实的理论基础, 地下工程的设计及稳定性预测也才能期望像地表工程那样得以很好地把握。
第4 类方法即岩石力学计算法。这种方法已不再依靠任何一种荷载假定,而是依靠结构与岩体之间的相互作用,是围岩稳定分析的主要方法。在这类方法中目前得到应用的有:特征曲线法(收敛—约束法);剪切滑移破坏法; 数值分析法( 有限元法) 。这种方法的一个重要特点是强调了围岩与支护共同作用的思想,并在设计与稳定分析中加以体现。这一点也正是这种方法较前述方法的进步之处。其设计(稳定分析) 过程是:以经验为基础的初步设计,在施工中获取围岩及支护稳定信息,反馈设计这样一种螺旋上升的设计(稳定分析) 优化过程,它与前述3 种方法是不同的。但稍加分析后可知,其方法的基础均离不开建立工程问题模型,它是一切工作的关键所在。那么,如何建立模型? 什么样的模型才是真正能代表工程问题特性的模型呢? 这些问题正是目前正在研究与探索的,陆续有一些这方面的成果出现,其中仍有许多基础性问题,甚至在方法论层次上的问题还没有解决,还远未达到广泛应用的程度。
3 　对围岩稳定分析存在的问题及方法的思考
随着计算机技术与岩土本构关系研究的进展, 支护系统的数值计算法有了新的发展。用弹塑性力学理论分析围岩和支护结构的有限元程序迅速普及;边界元及边界元与有限元耦合法在隧道工程中的应用也有不少成果; 用于裂隙岩体的块体理论和离散元理论也编出了相应的程序。计算技术与数学方法的介入,使我们有可能对地下工程的一些问题进行分析与研究。但是研究的方向、途径、策略手段、工具及其操作程序的选择系统是否正确则需要我们不断探讨。
围岩的工程特性是什么? 如何描述? 它与人工支护体的相互作用特征怎样? 这些基础问题至今仍然困扰着我们,未得到解决。诚然,计算技术与数学方法为我们提供了广阔的应用空间,其成熟程度远远大于地下工程基础理论的成熟程度,这种极大的反差本身就启示着我们研究工作的重点,这是我们不可回避的事实。因此,我认为作为以应用技术为主的工程技术人员,在处理工程技术问题中,应调整好研究问题的重心,不必在繁琐的计算问题上纠缠不休,而忽视了简单而有效的方法。在地下工程稳定问题的分析中,如果不把岩体的地质特征搞清楚, 那么任何精确的计算等于无用。
围岩稳定性分析中存在基础理论不成熟、失稳判据难以确定、思维方式禁锢等问题。现分析如下:
3 . 1 　数值分析模型缺少基础理论支持稳定分析的意义在于预测未来。目前在施工阶段围岩稳定性预测中广泛采用的是二元(时间与位移,或时间与应力) 原型预测的方法,监测数据通过统计分析建立回归模型,根据回归模型进行稳定性预测。即采样、回归模型参数的统计推断、未来趋势预测的方法。对这种模式的进一步分析可以看出: 这种方法的基本思路是建立在随机事件的概率统计基础上,而普遍采用的模型是一维(二维),呈正态分布的概率模型,这样的简化也许是预测问题所不能接受的。主要表现在以下几方面:
(1) 回归统计的概率模型过于简单: 施工信息反馈中监控量测数据的处理方式通常是采用回归统计的方法。这种根据变形发展趋势预测围岩(支护结构) 稳定性的方法中隐含了简单整数维,呈正态分布(其参数随时间而变) 的概率模型。这是以时间可逆性为前提的简单维的建模过程,它没有反映序的概念,这与地质体的不可逆时间序列是不吻合的,近似过程过于简单。每组量测数据是统计分析的一个样本,而这些样本的取样条件(如时间、空间、工程环境、施工方法等) 是不相同的,将这种不同采用不恰当的方法(等同视之) 处理,用确定性的回归参数进行处理,这种取样策略及处理方法本身就隐藏着概率模型参数推断上的误差甚至错误。
(2) 位移反分析力学模型的假设缺少理论支持: 位移反分析是用某种固定的变形模式去推断岩体力学参数的方法。它按照一定的规则,逐次改变侧压力系数及等效弹模E 的值,从而使断面特征点— 收敛(位移) 点的分析值相应改变,使其接近实测值, 在一定的计算精度下确定出反分析结果,即围岩的视在力学参数。这是一种通过实测位移值进行试凑修正的过程。其力学模型是基于固体力学理论建立的(如弹性模型、弹-塑性模型、粘-弹-塑性模型等),它首先假设了围岩的变形规律。而这一规律的研究还处于尚未成功的时期,岩体的本构关系、喷锚支护的机理、开挖系统的控制理论等问题均未得到解决。在这样的条件下而无视工程地质、施工条件的复杂多变及其难以准确描述的现实,纠缠于繁杂的计算及精确性的追求中,无异于取小弃大,事倍而功半。
(3) 模型试验尚难以实现时空模拟: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。从模型材料及其结构构造到模拟尺度、开挖步序、施工工艺等无不包含着诸多难以解决的问题。如:今年4 月通过国家鉴定的“溪洛渡水电站厂房洞室群的高仿真度三维模型试验研究成果〔1〕虽然在模型材料、模拟尺度、加载与控制系统、高精度开挖及位移(变形) 监测系统等方面集中体现了国际上领先技术,为工程实施提供了参考,但仍然存在在时间模拟尺度上的缺憾,而时间的模拟远较其他几项模拟内容难度更大。然而,地下工程围岩稳定性分析的一个很重要的内容即是与时间有关的岩体特性的分布与变化。
另外,模拟参数越多,模拟理论越精细,模拟试验的复杂程度就越高,实现难度也越大。加之大尺度模拟试验耗资巨大,难以大量进行。这导致模型试验只能作为重大工程决策参考的依据之一。
(4) 围岩承载特征曲线的测量难以实现:特征曲线法也称收敛-约束法,其基本原理是利用岩体特征曲线和支护结构特征曲线交会的办法来决定支护体系的最佳平衡条件。这种方法的关键是合理确定这两条曲线的基本性质及其相互作用时的变化,如围岩变形的特征曲线难以实测。这种方法在概念上是明确的,但实践起来则涉及了诸多的问题,有的甚至是目前还难以解决的问题。这些问题仍然来自于地下工程围岩稳定分析的诸多影响因素及其复杂性。
综上所述,岩体力学基础理论的不成熟成为地下工程围岩稳定分析方法目前还难以摆脱经验与工程类比方法的主要原因。
3. 2 　失稳判据难以确定多年来,对地下工程围岩稳定性问题,失稳判据的确定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〔2〕,当实测的位移值超出此值时即视为不稳定。这些作为判定标准的“极限位移是在“新奥法施工中监控量测的实践基础上经分析得出的经验值,工况条件的差异、量测误差等必然使其带有显著的定性使用的特点,在实际使用中有悖上述标准的现象也时常出现:有的软弱围岩当变形值超出规范允许值数倍仍未发生失稳;(尤其是) 在浅埋隧道中,有的变形尚未达到允许值却发生了坍塌。此外,由于统计分析的原因,用于稳定性分析的有效量测数据滞后,使不稳定地层的稳定性分析难以真正服务于实施量测的工程。查阅国内外有关围岩稳定性判据的规范,大多数标准均是以定性的方式给出的,部分定量指标通常根据经验和统计资料得出。这一状况表明,在实际应用中,设定标准管理基准值时难以用数值方式表示。
3. 3 　思维方式的禁锢在岩石力学界对“新奥法的理论意义和实用价值一直存在着两种不同的认识。一种倾向于肯定, 即强调隧道工程的实际可能和需要;一种倾向于否定,坚持力学概念的清晰性与数学求解的严密性,认为“新奥法缺乏明确的理论支持〔3〕。从十余年的实践中,据围岩变形量测的可靠资料进行位移反分析的隧道工程所占的比例仍然很小,这一技术的应用受到了极大的挑战。数值分析专家主张在岩石力学数值分析方面需要发展,但绝不能离开力学原理与方法;而隧道工程师们则认为数值计算的理论假设与实际岩体相差很大,对围岩稳定性影响很大的施工条件在计算中难以反映,进行大量原位测试以取得计算所需参数条件难以满足,计算误差的范围、可信度无把握。希望能研制出适合隧道工程具体条件的、能够普及应用的、误差有明确范围的围岩稳定分析的方法和程序。多年来, 单纯强调实验和定量表述的岩石力学常规分析方法在隧道工程中未能得到普及应用,这似乎应从科学方法论的高度来审视这个问题。
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。
〔4〕。兴起于20 世纪90 年代的开挖系统控制论主张“ 岩土工程不是人为现象工程(虽然它也人工开挖的),而属于自然现象工程,它主要受到地质环境的控制,工程与地质是一个不可分割的系统”。地下工程是复杂的系统工程、岩体的“ 记忆”性、施工过程是对这一复杂系统的控制过程, 这三点成为这一新兴理论的主要观点。它是一种建立在系统论、信息论、控制论基础上的新的思维方式。它使我们的研究有了更大、更广阔的空间。
研究者们指出:地下工程问题是一个非确定性的问题,它从认识论的角度注解了以往诸多预测围岩稳定性的方法难以获得普及与理论上的突破性进展的原因,即存在一个对问题的认识与方法局限性甚至错误的问题。关于这一点,很值得我们认真思考,以尽可能使我们的工作有一个明确的方向和正确的方法。
既然围岩是一个自然体,在其间的开挖与支护等工程问题是一个复杂系统问题,它不可能用简单的数学方法和物理学方法加以解决,那么,是否其稳定性问题的预测就是不可知的呢? 回答是否定的。问题的关键是找出导致工程稳定问题的“ 吸引子”。它是一切影响地下工程稳定性因素运动趋向的中心,关于这方面的工作,已经有了一些探索〔5〕。
目前,信息化施工与动态设计已广泛采用,但多采用常规确定性概率统计的方法处理,对大量信息资料的分析成果只可用于短期的预测,这种时间尺度是难以达到预测应用的需求尺度的。出路在于对问题整体上的理解,从新的视角及更加广泛的领域去吸纳有益于地下工程稳定性预测的理论与方法, 为我所用,相信在地下工程围岩稳定性预测方面将会有所发现。
4 　结　论
对围岩稳定分析方法的选择应考虑以下几点:
(1) 地下工程的复杂性:在地下工程的研究中非常重要而又常被忘却的是地质特征的研究是否充分,力学分析的表述是否适当。这需要研究者始终保持一个清晰的认识和正确的方法。随着岩石力学研究的深入以及工程实践的积累,隧道力学的发展似乎进入了思维方式转变的时代。在隧道力学与工程界引入系统科学的原理和方法,提高我们对隧道力学与隧道工程这一复杂系统从总体上的认识和控制能力,解决隧道围岩稳定分析的普及应用问题,这无疑是一个长期而又艰苦的过程,它需要几代人的努力。
(2) 因地制宜选择方法:克服一味追求精确、复杂的数学计算,地下工程围岩稳定分析的关键在于对工程问题的深刻理解和全面的考虑。对于工程技术人员来说,找准影响特定工程稳定性的关键问题, 确定稳定分析的目标,在现有的分析方法中选取简单、适宜的方法,从整体上加以分析并从措施与工艺上加以保障,稳定分析的工程意义会更为有价值。
对于监控量测工作,需要的不仅是对数据的量取及处理,更重要的是掌握量测值与施工状况间存在的关系分析。这需要对量测目的、量测技术的可靠性、量测值对工程各阶段的作用、工程施工特性与环境特点、甚至组织管理水平等有全面的掌握才能使监控量测工作产生应有的作用。
(3) 探索新的方法需要解放思想:地下工程的基础理论研究与应用研究几乎同步进行,且至今仍远未达到成熟的程度,这就需要我们年轻的研究人员用系统的、复杂的、未知的眼光和方法去探索;用一种没有约束的思维去思考、去实践才能有所建树。