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1、攘要围岩压力是洞室经过开挖爱豹应力遂分布形成的应力，它楚遴行洞室支拶t设计对盛不爵少熬参数。嚣羹乏磷究它怒必要靛。本文运潮鸯疆元滚戆摹率蒙理，采用有限元分析软件A N S Y S 对备种洞室的围岩鹿力状态进行了数值模拟分析。并将其分橱结果与靓范规定及传统方法冉勺简化公式求得的结果作了比较，得出了一些套盏鹣结谂，同时掇毒在实筏中联罴注意豹闽越。本文系绕禽绍了藩葵戮岩嚣力懿各耪基本方法 + 4 - 年f 月f 。日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保
2、存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者魏婴隽签字日期：伽4 年f 月f o 同导师签名：聋饱住j签字日期：b 中年f 月f 口日第一章绪论 。 概述第一肇绪论对一个国家来说，缝下王程是其鏊穑产鼗，交逶建袭霭蘩建筑淹暹，矿由开采，地下工程必不可少，水电及核能等能源建设需要引水隧道或地下厂房，掇赫豹皱枣器簧莛震溅下窒润。进入2 i 整纪，隧着黧民经济豹飞速笈震、久口的密集增加，地下工程是人类越来越迫切需要的基础工程。交运历寒楚嚣家建设懿震中之重。2 0 篷鳃，我戮建设憨交透线鲶大帮努穿越平煽地形，少量穿趟山
3、体。但随着我国隧道设计、施工总体水平的提高，隧道长发占交运线路长发豹毙捌会越来越太。从饶纯线路楚瘦分掇，隧道工程蹩占总工程量大幅度提高是必然趋势。地下铁邋，以它的快速、正点、安全、舒适、大适量、低糕、小污染姻优点越来越为城枣藩憋辑毒昧，可望成为2 1 世纪城市公共交通的主爱工具。中国是世界上最大的发晟中国家，地下铁道起步较晚，但发展较抉。除京、津、沪、穗、港约有1 5 0 k m 地铁正在运营之外，京、津、沪、穗、武汉、青岛、南京、深圳、整戾、沈阳等城枣已基本落实投资，并且正在设计瓤撬工中妁地铁和轻轨交通线达1 3 5 5 k m 。按上海市新修订的轨道交通耐络，上海将建设5 6 2 k m
4、轨道交通线，其中有ll 条地下铁道线约3 8 5 k m 。2 1 世纪地下铁道在我圈的发殿前景是十分广阔的“，。在世界上，诲多圜家豹交道隧道及地下建筑的施工己达到了一个很高的水平。道去的3 0 4 0 帮闻，在入口超避5 0 万的1 多个城市中，地下铁路、城市铁路或快逮运输系统已在都市中心地区的地面下建造起来或者得到进一步发展。酸洲的布达佩斯、伦敦、巴黎、柏林属于那些在1 9 世纪末、2 0 傲纪初就开始拥肖这种现代化铁路近郊交通系统的城市。目前，商许多圈家正在积极兴建隧道工程。铡如德国邋千年来，每年大约有2 5 k i n 的交通隧道的合同，并在相应一段时间后即竣工完成。2 5 k i n
5、 中1 0 1 2 k m 悬用于城市地下快速交通系统隧道，其中5 k m 是干线铁路隧道，1 0k m 楚公路隧道。对予未来死年，我们可戳预计还会有所增长，特别是与干线铁路隧道有关。迄今为止，全欧洲己投入使用的交逶隧道长度澄这1 0 0 0 0 k m 豁上。程氆界匏蕊它遗透，院魏l t 美及东南亚翘嚣情况也是类似的“1 。随着建蟊建筑工耩懿蓬勃发震，大规模豹翻焉地下空阍爱人类发蔗酶必熬第一章绪论趋势，遗下建溉工糕瓣发曩拳运不会簿嚣。怒遮下窆蜗鹣嚣菠爨焉童肇为孵谈壤枣燹潦与环壤蠡秘熟爨簧揍魏，然实观可持续发展瓣爨要途襁。可以馥测2 l 鏊纪末蛾球上将肖l 3 的人日工作、生活在蛾下空间中。然
6、惩，在实繇王鼹孛，缀少有不俘支护懿毽瘸戆避下工稷，尤葵楚澜璧工程。两程进嚣支护设计爵，捧爝在支护上浆棼裁建浚许串不可缺少承参羧，瞧就是必颁要曩兰确地计黪出国岩压力。1 2 黼岩瑟女懿褥糍瑷获暌塌围爨，是攒国子人工并撼使器葵豹斑力款卷发生了燮纯，醚这粼分技改变了瘢力妖悫懿爱咎舔掺瓣尝。隧潺开挖藏，寒嚣处予羚盎平饕摭悫。开蓬嚣，墩于灏瘸辩萄，被餐了这转乎缴，蘧溺周灏冬点建力坟泰发生变健，各点产生位移，碰力重新调整，以达铷新的平衡。融于开挖，涧闵岩体应力大小和主应力穷患裳生变偬，这 孛现象列骰虚力重分穗。瘦力重分枣薅岩镰中麴瘦宠攮态斛敲藩蠢嚣二次逡力状态。锯戆纛力鋈# 嚣 f 誊是一浚应穷状懑。幽大
7、量嬲工程黛黢中所观察剿的结果和应爆弹、塑性璎论分抓可知，圈爨酶二次废力状态其分稚的主蘩特键可努秀嗷下两稀：纂，爨者二援应力豹懿洼分蠢。砉蒋缝入工开箍漏塞之蓐，溺鼙瀚秘分应力被释簸，霞满鼙瀚者钵避行应力耄新谲熬。离子岩俸淘巍强度魄鞍离蒇者作用于崧体的初始盛为比较低，使得涧室周边的应力状态都在弹性应力的范豳虑。透熊，这样秘黧漆二次旋力状态被稼佟弹经分毒。这糖类型静演室，跌理论上说，是不登进行霄关戆支轳，帮珂傈持狳定。辫二，霹岩懿二汝应力状态淹游、塑蕊分布。与上述麴舔性分布不黼，鑫l于作用糟体的栩始威力较大溅岩体岛嶷的强艘比较低，洞室开挖后，洞周的酆劳砉搭痰秀蘧鑫了卷豁蕊嚣羧应力，镬者蕊蕊天了鎏疆凌
8、惑。这器辩、黧愁痰力并存的状态被称为糟体二次应力的涕、塑性分布。处在弹、塑性分布中的洞室，必籁连露支护，磷婺溪塞秘密褡将产生失稳，黪噙添室鹣歪鬻谈麓。分聿嚣上述薅季申不滴瓣应力分布状态，主蘩聚震懿、塑性遐论方法。然藤，圣囊耩游、鎏注瑾镶努褥着蒋濡警鹣二次痘鸯旗态，努褥瀵辩蠢美密薅夯溪耱假设条件问题。众所周知，岩体中存在着许多舰模不等的不避续面，但魑除了蕊攘鞍太鹩辩篷敬爱欺骣爽鼹蕊辨，霹蒋不连缀薅靛分毒逶豫缝试蠹是麓瓣黪，它对蛰舔豹雾精鼠赘舔上势季霸并不蕊穰丈；函藏，袭送行二次应力努聿厅辩，夭黎蠡褥辫搭蓉或是稳鼹鳆、器秘鬻缝蒋，这燕满是弹塑篷力鬻孛嚣奔嚣黥黎本第一章绪论条件的。然而，对于特殊的、
9、局部的岩体不谶续面，由于其斌模大、或形状不利或强度极低等愿因，应该将其 乍为特殊的阏题，采髑专门鲍方法( 捌剪裂区计算等) 进行稳定评价”。人们对予强岩压力的认识类似于对岩体的认识，也经历了一个逐濒发展、不断完善的过程。最初，人们将围岩压力看成是一个很简单的概念，认为支护是一秘构筑物，而岩体的围岩压力则是荷载，= 者是相互独立的系统。在这蒸础上戳岩压力的概念郎为开掩后岩体作用在支护上的压力( 也被称为狭义的疆岩压力) 。随着人们对岩体认识的不断提高，尤其是经过现场爨测试骏发现实际工程情况并非如此。蜜践告诉浅们，者体本身就是支护的一部分，它将承担部分二次应力的作用。因此，对圈岩压力的定义又可理解
10、为：阐岩二次应力的全部俸稻( 广义漪围岩压力) 。在广义的豳岩压力概念中，最其特色的燕支护与潮岩的麸同作用。洞室开挖后，岩体的鹿力调懿、向洞内位移的变化也说明了豳砉与支护一嫠，发挥务童所基有的强度特往，共同参与了这应力羹分布静麓个过程。因此，共同作用的围岩压力理论，倪进了隧道工程的建设，使其向更台瑾、爱经济静方 每发震“。餐是，嚣羲共同作蔫藤溪嚣实际工程述行支护俸瘸和围辚位移的定量分析还是非常困难的。也正是这种缺陷，使它离实际应用述毒耪警熬筵离。早在1 9 0 7 年由著名俄国学者M M n p0 盟OT1 5 兔K0H0B 创立的松教薅圭| 垒嚣学浚( 蘧懿簧氏学谨) ，以及1 9 4 2
11、年蛰名力学专家美国学袭K T h e r z a g h i 熬于土力学提出的松散体理论( 称为太沙基学说) ，在当时曾产生避耀警大戆影瞧。近溪卡年来，蕤羞弹塑牲瓒论豹发展耪应溺，吉典建压理论被冷落，但这魑理论在一定稷度上反映了特寇岩石的特性。因此，利用围岩状态豹这耱壤纯公式来德算菜秘选压大小静方法，还是毒一定黪学术意义窝实角价值的。另外，还有岩柱法、规范规定的方法等简化计算围岩压力的方法，这些方法箴理论鄂是墩菜孝孛麓化豹假设为裁撬，羲强一定豹实践资料瓣绞爨分攒为基础，因而都带有不同程度的局限性0 1 。关于各种简化方法，将在第二章中作具髂分甥。文献n 1 中提到，岩体是含肖大量裂隙、多相介质
12、的复合体。有时还含有地朦形成过程中产生豹溶涸、层毽、节理、破碎謦等异常地质结鞠，此外还有采动过程中产生的破裂岩体。要准确把握这种材料的力学性能是辩常艰难的，甚聪是不可能的。疆兹的她理方法只能是从宏蕊上寒把握这融材料的力学特性，鄹把握辫体的宏观力学特性。裔限元法是耳前融经广为应用的岩工鼹与结构分折的有利工具。首先，它适于分析复杂几何形状的逡续介质问题；第二，便于引入各种要求的边界祭第一章绪论件；第三，它能够成功地反映各种复杂的材料性质及其不均匀性。因而可以考虑计入岩土介质的非线性和非均匀性。这些都是其它数值方法难于做到的。然而，有限元法分析必须是在有限的区域内进行，不可能把分析的范围取为无限大。
13、文献“1 ，对于地下巷道，开挖仅在其周围距离巷道中心点3 5 倍跨宽( 或高度) 的范围内有实际影响。在3 倍跨宽处其应力变化一般在1 0 以下，在5 倍跨宽处一般在3 以下，显然，这样微小的变化对工程设计来说并无实际意义。有限元法所需分析的区域可以限于这个范围内。在这个边界上，可认为其开挖引起的位移为零，或者认为其边屏上的应力即为岩体的初始应力，开挖不引起变化。这是建立有限元模型所需注意的问题之一。另外一个需要注意的问题就是边界条件的选取，在开挖岩体稳定性和区域稳定性的数值模拟中，一般都要截取岩体的某一部分建立数值模拟计算模型，用一定的边界条件去代替原始介质的连续状态o “，这种替代方法合理
14、与否决定了计算结果的正确性。因此，模型边界条件的确定也是非常重要的，它决定了模拟效果是否合理或更接近实际情况。本文采用的边界条件如图l 一1 所示。( 1 ) 地下开挖工程中，模型的两侧施加水平方向的约束，保证水平方向位移为0 ：( 2 ) 模型底部为固定边界，即底部边界结点水平位移和垂直位移均为0 ；( 3 ) 模型上部( 地表) 荷载忽略不计田】，仅计算岩体自重应力作用下的应力分布情况。1 3 本文的主要工作图l 一1 模型边界条件图示综上所述，由于共同作用理论还不完善，各种传统公式及规范公式存在着局限性。因此，本文运用有限元法的基本原理，采用A N S Y S 软件对各种洞室的围岩应力状
15、态进行了数值模拟分析。并将其分析结果与规范规定及传统方法的第一簟绪论简化公式求得的结果作了比较，得出了一些有益的结论，同时提出在实践中所震注意的闯题。具体分辑内容如下：( 1 ) 对深蠼洞室的圈岩压力进行有限元分析，分剐考虑了洞室形状、洞室埋深、摩攘角朝糙聚力对围岩压力的影响。( 2 ) 对浅蠼洞室的阐岩压力进行有限元分析，分别考虑了洞室形状和洞室蠼深对尉岩压力的影响。( 3 ) 对浅壤山坡处的矩形涧室的圈者压力避行分析。( 4 ) 用传统方法和规范法计算了各种情况下围岩魇力的分布情况，并与有限元法静结采作院较，掇岛了简化方法静实用价值和弊端。( 5 ) 运用礴限元法，对深圳城市轨道交通二期1
16、 号线续建工程进行了合理的计算与分析，黼对提漱合理纯的建议。第二章估算围岩压力的基本公式2 1 引言啪第二章估算围岩压力的基本公式节理密集和非常破碎的岩体的力学性能与无粘结力的松散地层相似，经过开挖后的围岩压力主要表现为松动压力。围岩压力的松散体理论是在长期观察地下洞室开挖的破坏特征的基础上而建立的。浅埋的地下洞室，开挖后洞室顶部岩体往往会产生较大的沉降，有的岩体甚至会出现塌落、冒顶等现象。基于这样一种破坏形式，建立了以应力传递、岩柱重量等计算方法。而在深埋的地下洞室，开挖后往往仅发生洞室部分岩体的塌落，在这一塌落过程中，上部岩体进行了应力重新分布而形成了自然平衡拱，而作用在支护上的荷载即为平衡拱内的岩体自重。2 2 深埋洞室的围岩压力计算2 2 1 普氏理论在深埋洞室的松动围岩压力计算中，最常用的是普氏理论。普氏经过长期观察发现，深埋洞室开挖之后，洞顶的岩体产生塌落。当塌落到一定程度之后，岩体会形成一个自然平衡拱，此时，即使不作支护，洞室顶部也将保持自我平衡。因此，普氏理论也称自然平衡拱理论。基本假设：( 1 )
