碎裂岩体地下工程稳定控制概述

由于这些工程主要是在地层中进行的,而地层中岩石是一种性能不稳定和不易控制的天然材料,它的特性经常具有不确定性和变异性,往往因地因时的不同而有异变,再加上地质条件、工程条件的复杂,所以使得岩体工程稳定性问题成为国内外岩石力学理论和应用研究中的难点和热点。随着我国地下空间开发和利用的快速发展。各类地下工程建设规模日益扩大,重大地下结构工程项目(如大跨度地下厂房洞室群、超长地下隧道等)建筑日益增多,地下工程结构的稳定性也一直为理论界和工程界所关注。大型地下工程埋深变化大、穿越地层复杂多变、布置密集,其设计与施工是一个受众多因素影响的复杂过程。因此,研究地下结构工程在开挖期和运行期的围岩稳定性,如何用最小的开挖支护成本,保证地下工程的足够安全性,是一个极其重要的课题。由于地质体内本身存在着复杂的非稳定应力场(初始地应力),在一定的地质环境中开挖地下结构,势必会引起该地质体在洞室周边的一定范围内发生应力状态变化和能量的重新调整分布。同时由于地质体是非线性材料,因此在开挖过程中,随着应力调整和围岩不断变形,地质体本身的材料特性发生变化,在重分布应力达到地质体极限强度时,会产生裂缝或剪切滑移,在自重作用下产生塌落,造成围岩失稳。因此,地下工程围岩稳定问题实质上是研究地质体由于地下工程开挖而引起的应力重分布问题。
由于地壳运动使岩体发生变形和断裂,形成各种不同的不连续面和形态各异、大小不等的结构体,它们的排列和组合关系直接影响岩体的力学效应和岩体的工程的稳定性。为了岩体工程稳定性的需要,将岩体划分为不同的结构类型,进而将不同类型的岩体按不同的力学介质模型进行处理。目前,岩体结构分类的方法很多,我国《岩体工程勘察规范》将岩体结构分为整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构五类[3]。其中碎裂结构岩体主要是构造影响严重的破碎岩层,主要结构体形状为碎块状。断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育,裂隙结构面间距较小,由许多分离体形成。完整性破坏较大,整体强度很低,并受断裂等软弱结构面控制,多呈弹塑性介质,稳定性很差。可能会易引起规模较大的岩体工程问题—岩体失稳。一般情况下,在查明岩体结构特征和地应力条件的基础上,根据岩体的强度和变形特点就可以判别围岩的稳定性。但是,由于地质条件和地下洞室本身的复中南大学硕士学位论文第一章绪论杂性、形状多样性,仅利用理论解析的方法进行工程稳定的分析和计算几乎是无法解决问题。随着计算机技术的发展,有限元、离散元等数值模拟方法己日益成为研究地下工程围岩稳定的有力工具。

2国内外研究现状
1.2.1稳定性研究综述
人们通过越来越多的地下工程实践,认识到围岩是一种具有自稳能力的结构体。随着支护—围岩共同作用的提出和应用,强调围岩的自承载能力,围岩自身的稳定性才得到研究。
围岩稳定是地下洞室工程设计的核心问题。在地下工程建设中进行的勘探、设计、施工以及监测等工作的首要任务便是充分掌握岩体特性,为解决围岩稳定问题提供各种资料。然而围岩稳定性是一个相对的概念,洞室围岩的稳定性依据生产领域和使用要求的不同,可能有不完全相同的概念。一般来讲,围岩稳定是指在工程服务期内围岩不发生妨碍生产使用或安全的围岩破坏或过大变形现象,如不应有的顶拱塌落、边墙挤入、底板隆起、围岩开裂、突发岩爆、围岩变形造成衬砌裂开或支护破坏等。可见,围岩稳定包含强度和变形两方面的含义。谷德振给稳定下的定义是:所谓岩体稳定是相对的概念,是指在一定时间内,在一定的工程荷载条件下,岩体不产生破坏性的压缩变形、剪切滑移和拉张开裂”,而稳定性就是稳定的程度。
地下工程围岩稳定研究是伴随着地下工程设计理论的发展而发展的。在早期的荷载—结构理论阶段,人们重视的是地下工程支护结构的稳定,对围岩的研究仅是研究围岩作用于支护结构上的压力。

本文结合“十一五”科技重点项目—“高品位碎裂矿段安全高效采矿综合技术研究”,针对广西某矿山碎裂状岩体条件下巷道开挖过程中的围岩稳定,开展了一系列的研究。通过运用多种手段与方法相结合,理论研究和数值模拟技术的综合分析,取得的主要研究成果如下:采用离散元软件3DEC建立开挖后地下结构工程离散元受力模型。在这基础上研究了针对碎裂岩体条件的稳定性展开一系列研究,分析主要巷道及关键部位围岩的应力状态、塑性区分布以及变形特征。经分析得出,巷道上方出现大的塑性变形,上部围岩受拉破坏或剪切破坏,处于不稳定状态,顶部裂隙发育处岩体有垮落的趋势。本文是通过对碎裂状岩体条件下地下工程开挖进行的围岩支护研究,分析了地下工程围岩的稳定性,得到了一些有意义的结论。但是由地下围岩的地质状况和实际受力的复杂性,数值模拟与工程实际还有一定的差异,在研究方法及基本理论上尚有许多需要探讨的地方,本文只做了一些初步的研究工作。