摘要：本文作者對破碎帶工程圍巖超前錨桿加固外插角有一定研究，本文將對此加以闡述，望有一定借鑒意義。
1、研究方法種類
1.1監(jiān)測反饋分析法
自奧地利地質(zhì)學(xué)家L.V.Rebcewicz等提出以充分發(fā)揮圍巖自承能力為基本原理，以錨噴支護及復(fù)合柔性襯砌為主要特征的“新奧法”以來，改變了過去設(shè)計與施工的一些傳統(tǒng)思路，它依據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果和信息反饋來指導(dǎo)施工和設(shè)計。因此，以現(xiàn)場監(jiān)控信息為依據(jù)，通過反演計算圍巖物理力學(xué)參數(shù)來評價隧道圍巖穩(wěn)定性的反演分析方法日趨完善。印度B.Singh等認為由于隧洞圍巖裂隙傳播受到周圍巖體約束及初始地應(yīng)力對巖體的預(yù)應(yīng)力作用，其強度將會有顯著的提高。并通過反分析得出了變化的強度參數(shù)及變形模量。李世輝提出了典型類比分析法隧道位移反分析技術(shù)，并編制了反分析程序(BMP90)。針對用隧道位移量測結(jié)果進行反分析中存在的結(jié)果可靠度與精度問題，日本的谷河正也等提出用三維反分析及雙重反分析來提高結(jié)果的可靠度與精度。
1.2數(shù)值模擬分析法
近年來，數(shù)值分析作為解決復(fù)雜介質(zhì)、復(fù)雜邊界條件下各類工程問題的重要工具而加以推廣，主要使用的方法為有限單元法(FEM)、邊界單元法(BEM)、離散單元法(DEM)、拉格朗日單元法以及塊體理論等，或是上述幾種方法的耦合分析。有限單元法基于最小總勢能變分原理，能夠方便地處理各種非線性問題，是一種較早、較成熟的巖體數(shù)值分析方法。其有限元模型一般有彈性、彈塑性、粘彈性、粘塑性、粘彈塑性等。為了克服有限元法在無限域問題應(yīng)用中的限制，Bettess于1977年提出無限單元這一單元形式，之后，印度的P.Kumar結(jié)合無限單元與有限單元，運用有限元計算程序，對圍巖穩(wěn)定性問題進行了一系列的計算分析。在眾多的數(shù)值分析方法中，由于有限單元法能較容易的處理分析域的復(fù)雜形狀及邊界條件，材料的物理非線性和幾何非線性性狀，具有很強的適應(yīng)性，所以其應(yīng)用發(fā)展非?？?，目前己成為隧道數(shù)值分析的主要手段。目前在工程領(lǐng)域用得比較多的通用大型有限元軟件有ADINA、ANSYS、ABAQUS、同濟曙光巖土系列軟件等。
邊界單元法是繼有限單元法之后發(fā)展起來的又一數(shù)值計算方法，與有限單元法相比，它具有降低維數(shù)的特性及占計算機內(nèi)存小、節(jié)省計算時間等優(yōu)點。特別是由于邊界單元法本身適用于無限域和半無限域的特點而在巖土工程中得到特有的青睞。邊界單元法分為直接邊界元和間接邊界元，直接邊界元法是以互等功原理為基礎(chǔ)建立起來的，而間接邊界元法是以疊加原理為基礎(chǔ)建立基本方程。同濟大學(xué)朱合華等對邊界單元法在隧道等巖土工程中的應(yīng)用進行了大量研究。臺灣K.-J.Shou采用模擬地下洞室的虛擬力法和求解不連續(xù)面問題的位移不連續(xù)對于一些重大工程，為了保證工程設(shè)計的可靠性及設(shè)計方案的經(jīng)濟合理性，應(yīng)結(jié)合其他方法進行綜合分析。
1.3力學(xué)分析方法
從19世紀人類對松散地層圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論進行研究開始到現(xiàn)在，圍巖壓力理論主要經(jīng)歷了古典壓力理論、散體壓力理論及現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的彈性力學(xué)理論、塑性力學(xué)理論。在實際工程應(yīng)用中，隧道開挖后由于卸荷作用使圍巖應(yīng)力進行重分布，并出現(xiàn)應(yīng)力集中。如果圍巖應(yīng)力處小于巖體彈性極限強度，這時圍巖處于彈性狀態(tài)，反之，圍巖將部分進入塑性狀態(tài)，但局部區(qū)域進入塑性狀態(tài)并不意味著圍巖將發(fā)生坍落或失穩(wěn)。因而研究圍巖的穩(wěn)定性就不能不考慮圍巖的塑性問題，芬納(Fenne)-塔羅勃(J.Talobre)和卡斯特奈(H.Kaster)等給出了圍巖的彈塑性應(yīng)力圖形。隨著半解析元法以有限厚條法的形式提出，林銀飛、鄭穎人將有限厚條法和彈塑性分析結(jié)合在一起，提出了彈塑性有限厚條法，采用大單元內(nèi)劃分小網(wǎng)格的方法判斷塑性區(qū)范圍，在彈性區(qū)及塑性區(qū)內(nèi)采用統(tǒng)一的解析函數(shù)級數(shù)，以修正剛度增量法為迭代方法，推導(dǎo)出了塑性系數(shù)矩陣及塑性剛度矩陣，并將其應(yīng)用于地下工程三維彈塑性圍巖穩(wěn)定性分析中。對于深埋隧道，因其埋深大，圍巖大都表現(xiàn)出強烈的流變特性，而軟弱圍巖，其本身就具有明顯的流變特性。因此，流變理論逐漸被引用到圍巖穩(wěn)定性分析的研究中。朱素平等提出了以對數(shù)函數(shù)描述巖石蠕變的粘彈性模型進行圍巖穩(wěn)定性的力學(xué)分析。日本學(xué)者西原在巖石流變試驗資料的基礎(chǔ)上，建立了能反映巖石彈-粘彈-粘塑性特性的西原模型。在此基礎(chǔ)上，同濟大學(xué)孫鈞通過對圍巖-支護系統(tǒng)受力機理的充分闡述，得出了西原模型在隧道圍巖-支護系統(tǒng)中的有限元解，并對層狀節(jié)理圍巖、含軟弱斷層、破碎帶圍巖分別提出了兩個Bingham串聯(lián)模型和四元件的粘彈塑性模型。1958年前蘇聯(lián)學(xué)者Kachanov在研究蠕變斷裂時首先提出了損傷的概念，后經(jīng)法國學(xué)者Lemaitre與Chaboche(1977)、美國學(xué)者Krajcinova(1981)等人利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法，根據(jù)不可逆熱力學(xué)原理，建立了“損傷力學(xué)”這一學(xué)科后，國內(nèi)外許多學(xué)者將其應(yīng)用于節(jié)理巖體的力學(xué)分析中。如日本學(xué)者Kawamoto及國內(nèi)學(xué)者孫鈞、李術(shù)才等。李術(shù)才采用由損傷力學(xué)方法得到的加錨節(jié)理裂隙巖體的本構(gòu)關(guān)系及其損傷演化方程來評價此類巖體的穩(wěn)定性和變形行為。
1.4物理模型試驗法以相似理論為基礎(chǔ)的物理模型試驗法是用與原型力學(xué)性質(zhì)相似的材料根據(jù)幾何相似常數(shù)縮制成模型，在模型上開挖各種工程，以觀察與研究工程圍巖內(nèi)的變形與破壞等現(xiàn)象。早在20世紀60年代，就出現(xiàn)了地質(zhì)力學(xué)模型試驗，它本質(zhì)上屬于彈塑性結(jié)構(gòu)模型破壞試驗，主要研究模擬巖體的斷層，破碎帶、軟弱夾層等不連續(xù)構(gòu)造對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形狀態(tài)的影響及巖體穩(wěn)定和工程安全問題。物2并未發(fā)生失穩(wěn)；有的（特別是淺埋）隧道位移尚未達到允許值卻發(fā)生失穩(wěn)和坍塌。隧規(guī)JTGD70—2004在條文說明中也指出：“初期支護的允許洞周相對收斂值應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件分析確定”、“對所規(guī)定的收斂值在施工過程中可通過實測和資料積累做適當(dāng)修正”。因此，結(jié)合具體工程實際，做好復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道周邊位移的研究，對于判斷隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常必要。鑒于中興隧道軟弱破碎帶的地質(zhì)復(fù)雜性，本文擬結(jié)合中興隧道軟弱破碎帶的地質(zhì)特征，在考慮坑道形狀、開挖方法和支護狀況的基礎(chǔ)上，以隧道圍巖-支護結(jié)構(gòu)這一復(fù)雜系統(tǒng)為著眼點，以隧道軟弱破碎帶施工中支護系統(tǒng)的極限位移為切入點，結(jié)合現(xiàn)場實測資料對中興隧道軟弱破碎帶圍巖-支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行分析，以期得出一些對軟弱破碎隧道動態(tài)設(shè)計、施工有實用價值的結(jié)論。
2.圍巖-支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀
圍巖-支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性通常是指妨礙生產(chǎn)使用或安全的圍巖破壞或過大變形的現(xiàn)象，如不應(yīng)有的頂板塌落、邊墻擠入、底板隆起、底板突水、圍巖開裂、突發(fā)巖爆、支護折斷等，都是圍巖-支護結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的表現(xiàn)特征。由于圍巖地質(zhì)狀況的復(fù)雜性與特殊性，國內(nèi)外學(xué)者對圍巖穩(wěn)定性進行了大量的研究工作，目前已經(jīng)形成了許多圍巖-支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法。大致可分為五類：工程地質(zhì)類比分析法、力學(xué)分析法、物理模型試驗法、數(shù)值模擬分析與監(jiān)測反饋分析法。
工程地質(zhì)類比法
工程地質(zhì)類比法亦即經(jīng)驗法，是將擬建工程的地質(zhì)狀況與已建工程進行類比，以確定其破壞面的各項指標。類比時必須全面地分析研究水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件及影響軟弱結(jié)構(gòu)面強度的各項因素，相似性愈高則愈能提出確切可靠的指標值。近年來，各國都在借助各類地下工程實踐經(jīng)驗編制高速公路隧道圍巖分類方案以使公路隧道設(shè)計和圍巖分類標準化，針對不同的圍巖類別，直接定量地給出圍巖壓力和支護襯砌的形式和厚度。國外著名的圍巖分類方案有：普氏系數(shù)法(前蘇聯(lián))、Deer的RQD分類法、奧地利的MATM分類法、Barton的Q系統(tǒng)法等以及國際巖石力學(xué)協(xié)會的基本地質(zhì)描述法。我國科技工作者在國外巖石分類的基礎(chǔ)上，編制了各行業(yè)專門的地下工程圍巖分類方案，例如巖體構(gòu)造類型分類法，圍巖穩(wěn)定性動態(tài)分級，坑道工程圍巖分類，大型地下洞室圍巖分類，鐵路隧道巖體分級建議方案，BQ分級法(GB50218-94)等。
雖然工程地質(zhì)類比法仍然是目前進行隧道工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方法，但是對于重大工程，這種方法具有很大的局限性：一方面，由于我國公路隧道建設(shè)起步較晚，缺乏可以借鑒的成功案例；另一方面，目前我國許多在建重大公路隧道都處在復(fù)雜多變的地質(zhì)條件下，也使得這種方法的應(yīng)用具有無法克服的弊端。因此，法兩者相結(jié)合的混合模型，提出了三維混合邊界單元法。除有限單元法和邊界單元法外，離散單元法是用來計算具有不連續(xù)變形性質(zhì)的節(jié)理巖層的一種新的數(shù)值計算方法，它不受節(jié)理巖體相對微小位移的限制，即使是不穩(wěn)定的圍巖，變形可以計算到圍巖坍落。CharlesFairhurst等對運用離散單元法和有限單元法分析節(jié)理巖層中洞室圍巖穩(wěn)定性進行了比較。隧道圍巖巖體工程力學(xué)行為及其變形和破壞機理在主、客觀兩方面相當(dāng)程度上都是隨機的、模糊的、不確定的。因此，除了以上圍巖穩(wěn)定性分析方法外，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能學(xué)科的興起，國內(nèi)外不少學(xué)者利用這一理論，提出了圍巖穩(wěn)定性分析的新方法。如北方交通大學(xué)的Y.Yang和Q.Zhang利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)找出了影響圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，建立了一種等級分析方法。胡建華等利用改進的MBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行圍巖穩(wěn)定性的識別，建立了圍巖穩(wěn)定性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別模型。安紅剛、馮夏庭將遺傳進化算法與有限元相結(jié)合，對大型洞室圍巖穩(wěn)定性進行最優(yōu)建模并獲得全局最優(yōu)解。馮夏庭、馬平波發(fā)現(xiàn)技術(shù)中的數(shù)據(jù)挖掘環(huán)節(jié)，對大量的工程實例數(shù)據(jù)進行分析，找出蘊含于工程實例數(shù)據(jù)中的內(nèi)在關(guān)系，進而利用這些關(guān)系可對類似條件下的圍巖-支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性做出合理的判斷。
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