文档介绍：第一章前言
选题依据和意义
随着人口的逐渐增加及资源的消耗,地下空间资源开发和利用势必成为未来地下工程中发展的重点[1]。以我国水电为例,为了满足人们用电需求,地下水电工程将会呈现越来越多的趋势[2-3]。我国水电资源多分布于西部高山峡谷地区,地处青藏高原及其边缘地带,属于地壳厚度陡变、重力梯度异常及深层构造带[4-6],如黄河拉西瓦水电站[7]、锦屏水电站[8]、二滩水电站[9]、白鹤滩水电站[10]等均建于此类地区。地下硐室建设中,能直接反映围岩力学性质的围岩力学参数值是研究人员及工程设计人员最为关心的问题[11-13]。围岩力学参数的确定及准确与否不仅关系到硐室开挖方案的选择、施工措施及支护设计[14-15],而且还关系到硐室开挖后围岩的稳定性[16-17],严重时可导致电站垮塌破坏,无法运营,给国家和人们带来巨大的经济损失[18]。
围岩力学参数的重要性不言而喻,但大型复杂地下硐室开挖后围岩力学参数的确定仍是一个很棘手的问题。我国地下厂房硐室群多修建于高地应力地区,硐室埋深较大,各硐室间相互交叉、结构复杂,甚至对于同一硐室同一断面不同部位围岩力学参数也可能差别较大。因此,只靠现场有限的测点来代表围岩力学参数有一定的局限性,室内外岩石力学参数试验所得资料也只能反映岩体的局部情况[19],所得结果难以反映全部原位岩体的真实情况,现场实测的方式很难获得围岩的力学参数[14,19-20]。针对这一问题,随着地下工程围岩稳定理论的应用和发展,以工程现场易量测信息,如围岩应力、变形等,为依据的反推岩体力学参数的方法受到了重视,己经逐渐成为勘测、设计及施工过程的重要的数值计算方法[11,20-26]。目前,地下工程开挖中岩体力学参数反分析普遍采用位移反分析法[27-30],它根据施工过程中观测得到的位移信息,反向修正初始参数,不断地优化原始设计,这对大型、复杂的地下厂房尤为重要。然而,地应力场、围岩力学性质(围岩力学参数)、围岩变形是工程开挖后围岩的一系列响应,地应力场和围岩自身既是统一的,又是对立的,在围岩开挖动态演化过程中,二者相互制约、相互影响和相互作用,斗争的结果表现为该作用的宏观表现-围岩的变形和破坏[31]。位移反分析法从围岩动态演化过程中的宏观表现(围岩变形)入手,这一宏观表现一定程度上体现了岩体力学参数的变化,但工程岩体开挖过程是围岩应力重分布
及围岩力学参数的变化过程,这一过程中,岩体力学参数变化与围岩应力直接相关。因此,想要更系统、更精确的研究这一变化过程中围岩力学参数及其变化情况,不仅需要考虑围岩变形,而且还需考虑与这一变化直接相关的围岩应力。
基于上述问题,本文以拉西瓦水电站地下硐室群为例,提出一种应力-变形耦合反分析方法来反演硐室群开挖围岩演化过程中岩体力学参数变化情况,简言之即在工程岩体(围岩)开挖岩体力学参数反分析中,不仅考怒到围岩的宏观变形响应(围岩变形),而且还考怒到围岩的应力变化情况。该方法主要以现场实测检测应力、变形数据为基础,通过数值计算方法拟合硐室开挖过程中围岩应力及变形情况,并将计算结果与实测结果对比,直至数值分析结果与实测数据差值降至合理范围内,最终获取每一期开挖后岩体力学参数。该参数值可为工程设计、施工及监测提供依据,本文的研究思路也可为类似工程建设提供一定的参考。
国内外研究现状
围岩应力研究
(1) 围岩应力重分布
洞室开挖后,围岩应力变化及由此引起的围岩变形破坏一直是岩石力学研究和地下工程建设中的重要问题[32]。由于在岩体内部开挖隧洞,洞室围岩一定范围内初始平衡应力状态遭到破坏,围岩发生变形,应力重新调整,并重新分布达到新的平衡状态[33]。深埋工程与浅埋地下工程中不同,深埋工程具有较高的初始地应力状态,隧洞所处地应力环境极其复杂,地应较大,硐室开挖后应力重分布复杂,围岩应力变化强烈,围岩应力水平与围岩承载力之间的矛盾突出[34-37]。硐室群围岩应力重分布现象主要发生在开挖隧洞附近周围,一般可分为三个区,既影响区、过渡区、松动区[38]。应力重新分布后会在洞室附近产生应力集中的现象,如果围岩足以承受应力重新分布后的应力集中,其自身就可以维持稳定,否则就会出现围岩的变形破坏现象。地应力重分布势必导致围岩力学参数变化,这一参数是确定支护形式及支护参数的重要依据[22,38]。
(2) 围岩应力理论
1958年,Hast首次进行了地应力测量[39]。到目前为止,有关地应力的研究已得到飞速
的发展。地应力作为赋存于岩体内的一种应力,不仅是决定区域稳定性的重要因素,而且是各种地下岩土工程开挖变形破坏的作用力,是确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提[40]。随着几十年来我国在交通、水利水电及能