現階段圍巖穩定評價的主要方法1、 工程地質分析法包括圍巖穩定問題在內，任何工程地質問題的解決都必須以工程地質分析為基礎。工程地質作為一門學科和工程技術。有自己的知識領域，有自己的一套比較完整的概念、理論和方法。工程地質分析必須首先遵循以下幾點：進行現場的深入調查研究。從圍巖穩定分析的角度考慮，重點是：巖體結構、重要裂面的性狀及其影響、地下水的影響、地應力場等；注意研究巖石和巖體的力學特性及其變化，從內在因素上更深入地分析圍巖穩定問題；應該盡可能采用定量指標和描述，減少任意性和片面性，使穩定評價不僅有地質件的定性分析、有地質人員的經驗判斷、也有科學定量的依據。2、 模糊數學方法圍巖分類作為評價圍巖質量和穩定性的重要方法之一，目前正向多因素綜合評價的方發展。以巖體結構為基礎，逐步納入更多的較易取得的定量指標，提高分類科學性。但因為然條件的多樣性和某些指標的分散性，無論那一種分類都有一定的局限性。究竟應該考慮些最基本的因素?這些因素用什么指標反應?如何綜合評價?針對這些問題，河海大學朗兆溱教授等人于1988年提出用模糊數學的方法來解決，基本內容如下：一般多因素評判結果用一個數值表示。模糊綜合評判結果是評判集中的一個模糊子集圍巖分類由圍巖類別和地質因素兩集合組成，即給出兩個論域：被評判的圍巖類別看作類別集合U={u1,u2……,u/TOC\o"1-5"\h\z評判因素構成因素集合V={v1,v2 ,v/首先。用評語U對因素V作單因素評判，設第i個因素的單因素評判為Ri=(r.］，r2……r.)，它可以看作是U上的一個模糊子集，其中，r.k表示第i個因素的評判對第K個類別的隸屬度。n個因素的總的評判矩陣為 1R1ri1，%2…「InR2R21，R22?R2nR= …Rnrn1，rn2，…％各個因素對評定類別所起作用的大小形成了因素集合V上的一個模糊子集A=(a「a2,?a)°ai為Vi對A的隸屬度，它就是單獨考慮因素Vi對評判等級所起作用大小的度量，其數值只有根據經驗判斷給出。一旦確定了A與R，即可進行綜合評判，作模糊變換即得評判結果：B=A.?RA?R取不同類型運算就有不同模型，采用不同模型，根據B按最大隸屬原則確定圍巖類別。他們用此方法對東風電站地下洞室圍巖進行分類和評價，取得了初步成果。這一方法尚處于初步發展之中，還需深入研究。西安地質學院的譚以安、劉國昌和北京院的崔詩禮，也在1988年的《巖體系統工程穩定分類及模糊數學綜合評判》論文中，也提出了用模糊綜合評判對圍巖穩定性進行評價。他們認為：圍巖的穩定性除為自然因素決定外，還受人工因素(如開挖、放炮、排水等)的影響；因此從巖體系統工程的角度出發、應將各種因素分為兩類，而且按影響程度主次分為控制因素、子因素和次級子因素…。因素分類確定后，用前述方法逐級進行模糊評判，即對一級模型u1,?uS分別進行綜合評判，相應的“權”分配為A］?……As，模糊矩陣為虬?……Rs，評判結果為B1，?……B1B2…Bs。然后，由B］，B2……Bs組成二級模糊矩陣R=B再進行二級評判B=A?R，以此類推，最后仍按最大隸屬度原則確定圍巖類別，或者分析影響圍巖穩定的主要因素及選擇最優的工程方案。應說明的是，由于這種評判是考慮兩類因素綜合作用的結果，因此，可能與單純的自然因素分類并不完全一致。3、應力分析法近20多年來，隨著巖石力學的發展和應用數學的引入，用應力分析的方法評價圍巖的穩定性，并確定合理的支護措施的研究發展很快。以下的部分成果可以代表目前的研究水平。（1）E.Hoek和E?T?Brown于1972年至1976年間在英國皇家科學技術學院對大型地下開挖設計課題作了4年的專題研究，并于1980年9月在倫敦把他們研究成果《巖石地下工程》一書公開發表。這是一本關于巖石地下工程的理論和方法的專著。作者用現代巖石力學的理論和觀點，從地質構造和圍巖應力兩方面分析了圍巖的可能破壞形式，闡述了巖體破壞的理論和研究方法，并對支護設計、穩定監測等方面作了論述。這本書被認為是當前比較全面的一本能代表現水平的專著。書中關于圍巖穩定評價的應力分析方法的基本點是強度應力比，即分析圍巖巖體的力學強度（包括無側限抗壓強度）、抗拉強度和抗剪強度與圍巖巖體中的應力狀態和數值相比較，當比值=l時，圍巖為臨界穩定狀態；大于1時，圍巖穩定（當然根據工程的重要性不同，還需有一定安全度）；小于1時則圍巖將失穩。作者根據自己在巖石狀態方面的理論和實踐經驗，用誤差計算法導出了巖石破壞時的主應力之間的關系式b=b+.腫。b+S。2式中：b1——破壞時的最大主應力，亦即巖石的軸向極限強度；b3——最小主應力；bc——完整巖塊的單軸抗壓強度。m、S 材料常數，取決于巖石性質及在加載達到b1和b3之前巖石的破壞程度，它們是bc、b1、b3的函數，可通過少量試驗數據用回歸分析求得。對于完整巖石S=1；有節理裂隙時SVl。而且上式是巖石極限強度的基本表達式，只要改變式中的m和S的數值，就可以反映各種節理巖體的極限強度。為方便計算，Hoek給出了包括沉積巖、火成巖、變質巖各種巖體結構（或Q值和RMR評分值）時的基本表達式的近似方程，用以計算各種巖性、不同巖體結構狀態下的極限抗壓強度。關于洞室圍巖的應力狀態和數值，Hoek根據彈性或彈塑性理論，導出了圓形洞室、非圓形洞室和洞室群的圍巖應力方程，以計算圍巖各個位置上的徑向和切向應力。Hoek建議，根據上述資料給出洞室應力分布的等值線圖和強度/應力比的等值線圖，這樣就可以相當直觀地以定量數據為依據，評價各部分圍巖的應力狀態和穩定性，還可以深入分析可能失穩的形式和范圍。在比較粗略的概念上講，Hoelt提出了幾點籠統的經驗：在未風化、幾乎無節理的整體性巖體中，如果圍巖應力低于巖石單軸抗壓強度的l/5時，通常不會出現嚴重的穩定性問題。巖體中破壞的發生和擴展明顯引起圍巖應力的重分布，這意味著不能根據完整巖體的圍巖應力分布的研究，來推斷最終裂隙區的形狀。②許多作者認為，隧洞側壁剪切破壞是圍巖中最主要的破壞形式，。因為它可能引起復雜的漸進破壞過程，在一定條件下，這可能導致圍巖坍塌失穩。HoeK的理論和方法，在歐洲、非洲影響很大，幾年來，在美國和我國也逐漸得到越來越廣泛的應用。（2）美國陸軍工程兵團提出的一些方法：美國陸軍工程兵團1978年編制的《EngineerManUalNo.1110—2—2901》中，也比較全面的闡述了應力分析方法，他們通常用四種方法進行應力分析。精確數學解；光彈一對于邊界條件復雜的課題適用；模型；有限元和結構矩陣分析一非均質多向異性圍巖適用。不過，他們指出，由于巖體特性現場數值的分散性和不確定性，在此基礎上所作的應力分析結果就不能看作是絕對精確的答案，也僅僅是代表于種粗化了的特性關系。在使用這種成果時，應心中有數。應力分析法用于評價圍巖穩定性時，一些概念是很有用的。a、 由于應力集中在空間上的衰減很快，即便是應力集中的強度很高，如果范圍很小，那么它的影響也較局限，有時并不一定構成圍巖的嚴重失穩。而對于中高強度的應力集中，如果范圍很大，尤其是出現大片的拉應力時，圍巖的失穩倒是應該認真注意的大問題。b、 大量的圍巖失穩是與不利結構面(大的節理裂隙、斷層等)有關。高應力區中包含不利結構團的機率隨洞室尺寸而增加。在同一巖體中，尺寸大的洞室比尺寸小的穩定性差，所以，有理由認為：如果大型洞室的先行導洞就不太穩定，那么擴挖后圍巖的穩定問題將更突出。c、 洞周邊的切向應力不超過巖體的抗壓強度時，就不會發生圍巖失穩(不過，反過來，切應力超過巖體抗壓強度時，圍巖不一定必然失穩)。d、 在彈性分析中，他們建議繪制圍巖彈性反力曲線(ElasticGrotlndReactionCurVfe)和支撐特性曲線(Supportcharacteristic)，兩曲線的交點即是支撐力與圍巖反力的平衡點，作為保證圍巖穩定的支護設計的依據。e、 在彈性分析和彈塑性分析中，用Motlr圓的方法更為方便，即：檢驗由洞周切向應力和徑向應力構成的Mohr圓是否交切，由圍巖巖體力學特性所確定的失穩包線，由此判斷在此特定應力條件下，圍巖是否將失穩。極限狀態的關系式為：b(1+sin中)+2Ccos中° 1一sin中f、 在彈塑性分析中，圍巖分為洞壁表層的塑性區和深部巖體的彈性區，確定塑性區收斂的位移量是很重要的，由此可以評價圍巖的穩定性，分析塑性區的發展深度，進而評價相鄰洞至之間巖體隔墻的穩定性。洞壁收斂位移量ue由下式確定：b_ (b2-a2)(K-1)u=ab 2ae(1+口)b(?sin甲+ccos甲)式中u=Ebb——塑性區半徑；a 洞徑；K一體積膨脹系數，數值估計范圍1.01一1.05；H一一泊桑比；E——彈模；P 地應力；甲——巖體內摩擦角；C 凝聚力。g、 他們認為：彈性分析和彈塑性分析的缺陷，在于這種分析是建立在這樣的假設之上，即：巖體是理想的彈塑性介質，亦即其力學特性由甲、C值所確定的失穩包線自始至終保持不變；而這是與實際情況不符的。因此應該作兩種強度特性的分析，一種是原巖包線，這是原巖開始失穩時的狀態，還有一種是殘余強度包線，代表塑性區發展后的狀態。(3)國內對地下洞室圍巖作應力分析的工作很廣泛，取得了相當多的成果。數學分析、光彈、模型試驗、有限元、邊界元和矩陣分析等的應用都作了大量的探索比較系統和全面的應力分析文獻很多，其中中國科學院地質研究所工程地質室的王思敬、楊志法和劉竹華合著的《地下工程巖體穩定分析》(1984)一書，可作為代表。書中從工程地質力學關于巖體結構控制作用的基本觀點，探討了地下工程巖體穩定的分析和評價。除了一些基礎理論和概念外，著重介紹了塊體穩定分析，和不同結構狀態圍巖穩定性的理論解析和數值分析，討論了彈塑性、流變和膨脹分析方法。書中首先對各種結構類型的巖體所適用的理論力學分析方法作了歸類導引，便于針對不同的圍巖采用不同的適用方法。作者認為：圍巖巖體結構不均一及各向異性，和巖體應力分布的不均一是圍巖變形破壞

過程中，不同的工作狀態和變形不一致的特點，論證巖體變形漸進發展的條件。大型地下工程巖體的漸進破壞往往是側向變形及垂向變形交替發生的，產生連鎖反應，分析圍巖破壞過程時，要充分注意巖體結構的控制，注意結構面變形的影響及破壞的遷移規律。對于完整的整體結構的堅硬巖體，線彈性分析是能夠得到較好的成果的。對于巖體完整但巖性較軟的巖體，采用較低的彈模和適當的強度數據，用彈性力學分析方法，也大致上可以求出圍巖的變形、應力集中和破壞部位。根據有限元分析的成果作出圍巖穩定系數分布圖，能相當直觀地進行穩定性評價。作者著重指出：層狀結構的巖體隨著變形的增長，作為層狀單元的層面或其它層狀軟弱結構面的強度將迅速降低，最后只能保持相當低的殘余強度。這種現象一般稱為應變軟化或強度惡化。對于這種情況，應采用峰值強度作第一次破壞分析，然后再用殘余強度作第二次分析。圍巖位移監測法位移監測是地下洞室施工和運行階段，對圍巖穩定和支護效果進行深入檢驗的方法之一。國內外的大型洞室工程中應用得很普遍，從圍巖穩定評價的角度看。主要在下述兩個方面應用監測成果：①建立圍巖彈性反力曲線和支護特性曲線分析洞室的穩定性。圍巖彈性反力曲線(GR)的A點相當于位移為0時的圍巖應力，即初始應力。uf點由下式確定。u=T fE式中R式中R——一洞室半徑；H一一巖體泊桑比；E一一巖體彈模。支護特性曲線(SC)的u點是洞室開挖后尚未支護時的位移量，由測量獲得，另一點假設任意支護壓力Ps然后按下式計算s PR(1+r)uf— 洞壁位移；Ps一一鉛直初始應力;…、」R2(1-2目)+(R-1)2]u=E[R2-(R-1)2]式中Es—一塑變圍巖體彈模；'『s一一一塑變圍巖體泊桑比；t——塑變圍巖體厚度。交點B代表圍巖和支護處于穩定平衡時應力應變關系。②反分析研究巖體力學特性，以檢查開挖前對洞室穩定分析的可靠程度，以便必要時對工程措施調整改進。4、 地下洞室群的圍巖穩定評價1989年建成的魯布格水電站地下洞室成群，有主付廠房洞、主變開關洞、母線洞、尾水洞、交通洞、運輸洞等10余條(此外，還有9Km長的引水洞和導流洞等未包括在內)，交錯布置。為研究洞室群圍巖的應力狀態和穩定性，作了三維非線性有限元計算，然后又作了三維模型試驗。兩種方法的結果，在各洞室的應力變化規律、應力集中及可能破壞的部位、破壞形態、破壞機理等方面均基本一致，實踐證明研究成果是比較接近實際的。黃河小浪底水利樞紐是一座大型水利水電工程，壩高150m，泄洪洞、發電洞、排沙洞、導流洞等共10多條洞，在左岸集中分布，最大洞徑14.5m。為研究洞室的穩定性，作了塊體模型試驗和現場原型試驗洞開挖量測，也獲得了較好成果，提高了對工程區洞室群成洞條件的認識，還確定了洞與洞之間的最短距離和開挖方式。5、 塊體穩定性評價除了很破碎的近似散體結構的巖體外，大多數圍巖的破壞都是從局部或個別塊體失穩開始的，因此，對塊體的穩定性進行分析是圍巖穩定評價的主要組成部分。主要方法如下：昆明院勘測總隊科研組，在收集并分析了水電、鐵路、礦山40余個工程、近500個塌方實例資料后，于1986年提出的研究成果中，從結構面的組合情況、塊體的幾何形狀、結構面傾角大小，結構面抗剪強度、地應力側壓力系數的大小、以及塊體所處洞室部位諸因素的分析著手，并對屋脊形不利組合體的穩定性進行了有限元計算，最后得出了塊體基本類型的劃分及其穩定性的判定圖表。把塊體分為人字形、梯形和板柱形三個類型共8個亞形，歸納了各亞形塊體的邊界特征，然后根據結構面性狀分別作出各亞類的穩定性評價。E.Hoe《巖石地下工程》中提出的辦法赤平投影圖解法要使巖塊從隧洞頂或洞壁脫落，至少應有三個彼此相交的裂面將巖塊從周圍巖體分割開來，如果代表裂面的大圓圍面的封閉區將中心點圍在區內，那就符合脫落的條件。赤平投影的原理也可以用來分析洞壁上巖塊的穩定性。計算機分析.把有關裂面的位置、方位數據輸入計算機電算程序可以給出洞周展示圖和全部裂面，由裂面交切割離的塊體均被定位并逐一檢查它們的穩定性。②簡單塊體在地應力作用下的穩定性(圖1)，其極限平衡條件為：Wsin匚b= n2htg^b式中^n一平均正應力；中一不連續面的摩擦角；虬一巖塊高度；W一巖塊重量；°一裂面傾角。如果左端的^n小于右端數值，則巖塊不穩。王思敬在《地下工程巖體穩定分析》(1984)中提出的方法除了赤平極射投影法以外，還提出了座標投影分析法、矢量分析法和三維有限元分析。座標投影法是以正投影理論為基礎，并吸收赤平極射投影的某些概念構成的。基本包括兩部分：一是塊體幾何條件(包括塊體的形狀、大小、重量、重心、空間位置、界面面積及各塊體間的關系等)的確定；二是塊體的力系分析，用座標投影可以求出作用在塊體上各種力的合力和合力偶矩，這就可以判斷它們的穩定性。矢量分析法是用數學表達式來描述塊體結構、判斷其穩定性并給出數值的方法，由于采用矢量原理得到一系列計算公式，比較簡捷而清晰，還可以電算，精度較高，因此是很有發展前途的方法。三維有限元分析為了進一步準確地評價塊體在圍巖應力場中的穩定性，應分析結構面的重力狀態，以及塊體的受力及位移趨勢。基本步驟是：先確定塊體的空間位置及結構面產狀；然后確定結構面的應力狀態；最后將應力狀態換算成受力狀態，確定塊體在極限平衡條件下的穩定安全系數。由于塊體是三維形態，就采用具有節理單元的三維有限元程序來確定塊體的應力狀態以及在圍巖應力場作用下的穩定性。⑷關鍵塊(KeyBlock)原理這是中國的石根華和美國的R.E?古德曼1981年在《22ndU.SSymposiumonRockMechanics》上發表的論文提出來的概念和方法。這種概念認為：在開挖表面有少量節理塊體對任何較大的巖體的位移起關鍵作用，如果從洞壁脫出，將使相鄰巖塊失去依托也隨之失穩，如此連鎖反應，最終可能導致大的坍塌或另一種狀態下的新的平衡。這種塊體叫做關鍵塊(我國礦山中一般稱為突破點或突破口)。關鍵塊原理是根據拓樸學的一項定理引伸來的，基本點如下：令每一結構面限定一個半空間，如果而且只有當每一結構面平移經過一個公共點時，由此形成的交點僅僅是唯一的一個點，那么這些半空間平面交切形成的凸形體就是有限塊體。由至少一個臨空面組成的有限塊體稱分離體。分離體不可能成為關鍵塊。關鍵塊的概念不僅表示位于拱冠處的關鍵石塊，也可表示邊墻或洞底板上有可能被首先取出或脫出的石塊。因此同一個開挖斷面上，冠石體有時是一塊，有時則不止一塊。關鍵塊的判定和處理，有時對于大片圍巖的穩定確有重要作用。重要結構面對圍巖穩定影響的評價這里主要指在洞壁出露的斷層或薄的軟弱夾層對圍巖的影響，這一問題的比較深入的解決辦法是有限元分析，作為快速的粗略評價，E-Hoek提出下述方法：斷層或薄夾層的剪切強度T2"氣*。3)一(氣一。3)cos2P^tg^式中最大主應力。1、最小主應力”3和斷層與°1方向之間的夾角P可由有關圖表查得(或由有限元或邊界元計算資料獲得)，如果c、中亦為已知，則由上式算出斷層面上每一點上的剪切強度七，而相應的剪應力’可由下式計算：.=2(°-°)sin2P這樣就可以得到每一點的強度應力的應力比，作為分析沿斷層是否可能產生滑動的指標。王思敬建議對于此類軟弱夾層(包括幾厘米厚的軟夾層或泥化夾層)，仍可作一定厚度考慮，采用狹長三角形單元模擬(兩盤巖體完整時)，作整體單元處理進行有限元計算，這樣的力學處理可以避免使用法向和剪切剛度的概念，而且還可以考慮夾層的變形，而不采用8s=0的假定，因此是比較實用的：高水頭壓力隧洞穩定性評價近年來，隨著地下抽水蓄能電站建設迅速發展，高水頭有壓隧洞穩定性評價已日趨重要。高壓隧洞穩定性評價的關鍵，是隧洞中有較高的內水壓力，并由此引起洞室上部圍巖產生水力劈裂或大量滲漏。例如美國巴期康蒂抽水蓄能電站高壓岔管，由于最小水平主應力小于靜水壓力，因而在管道充水時產生大量滲漏。又如我國下馬嶺水電站的高壓管道，埋深20m，由于混凝土與鋼板襯砌接縫處為一斷層，混凝土初砌中存在大洞，在電站運行一段時間就發生高壓管道破裂而滲漏，漏水量達0.8一lL/s0目前高壓隧洞圍巖