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1、金属矿山地下工程施工金属矿山地下工程设计方法读书笔记2013201107安全科学与工程淮筱斌 专 业：安全科学与工程 学 号： 2013201107 姓 名： 淮 筱 斌 2014年5月5日 金属矿山地下工程设计方法1概述1.1地下工程的特殊性1.1.1工程环境的特殊性 众所周知，地下工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的。隧道及地下洞室是处在各种地质环境中的地下结构体，它必然受到周围地质环境的强烈影响。这里所谓的地质环境包括：地质体的形成及其经历；初始地应力场（包括构造应力场）；各种地质体的物理、力学、构造和时间特性及其分类等等。科学地认识地质环境对地下结构体系的影响是正确进行结构设计和施

2、工的前提。1.1.2结构体系及其形成地下工程的结构体系不只是指支护衬砌结构本身，而是将支护结构与围岩看作是相互作用的结构体系，也就是说，这个结构体系是由周围地质体（围岩）和各种支护结构构成的，即： 隧道（洞室）结构体系 = 周围地质体 + 支护结构 它的形成则是通过一定的施工过程，或者说是一定的力学过程来实现的。这个过程大体上可作如下表达： 开挖 支护 时间原始地质体毛洞支护体系稳定洞室与之相适应的力学过程如下所示： 开挖 支护 时间初始应力状态洞室重分布应力状态支护体系应力状态终极应力状态（一级应力状态） （二次应力状态） （三次应力状态） （四次应力状态） 因此，认识和了解从毛洞（即无支护

3、洞室）的形成到其最终结构体系形成的全部过程，即洞室开挖后的围岩力学动态过程，各种因素（开挖、支护及时间等）对这个过程的影响，则成为设计的主要内容和理论基础。也就是说，隧道的设计不仅仅是结构设计，它还包括施工方法、施工支护以及无支护洞室的稳定性等设计。1.1.3经验、实践与设计 实际上，隧道及地下工程是一个经验性极强的学科，长期以来都是凭经验设计施工的，这些大量的、丰富的经验中有许多都是符合科学的，有一定的理论基础。因此，把这些行之有效的经验提高到理论上来认识和理解，是隧道设计的一个重要任务，它是隧道设计的实践基础。 前已指出，隧道的形成是通过开挖和支护两个施工阶段完成的，因此采用的施工方法和支

4、护方法也必然对整个隧道的稳定具有一定的、甚至是极其重要的影响。例如，全断面开挖及分部开挖、爆破开挖和非爆破开挖、木支撑与钢支撑、初期支护及二次支护、仰拱的及时封闭、一次掘进进尺等都对隧道及地下工程结构的应力状态产生相应的影响。因此，在隧道设计中，施工技术的研究也是很重要的。1.1.4荷载、结构、材料的不可分割性 地下工程与地面工程一样，也是一个结构体系, 而地下工程结构则是围岩与支护结构组成的结构体系，荷载主要来自围岩，而这种结构体系的主要材料绝大部分是由围岩构成的，混凝土及其它支护材料只占很小一部分。 围岩既是承载结构的重要组成部分，又是构成承载结构的基本结构材料，它既是承受一定荷载的结构体

5、，又是造成荷载的主要来源，这种三位一体（荷载、材料、承载单元）的特征与地面工程是完全不同的。因此研究三者的内在联系非常重要。 由此可见，隧道及地下工程的设计和计算对象应该是围岩。过去我们并没有充分认识到围岩的这种作用，而把重点放在衬砌结构的设计和计算上，显然是不合适的。从这一力学特点出发，必须把研究和计算的重点转移到围岩这方面来。 围岩既然是主要承载单元，那么在设计中就必须树立充分发挥围岩承载作用，即最大限度地利用围岩的自撑能力。从这一观点出发，要使洞室稳定，虽然开挖和支护都是重要的，但更重要的是在开挖环节上，采取正确的开挖方法。也就是说，要“保护”围岩的稳定，开挖是关键。1.1.5设计、施工

6、的一体化隧道及地下工程施工的特征是：仅仅依靠施工前的勘察来完全掌握隧道的地质条件是十分困难的，在预设计阶段涉及的问题是非常广泛的。因此在地下工程中，观察和监测量测工作显得十分重要，常常要根据施工中的观察和监测量测结果来修改和变更设计，根据施工中的观察和监测量测反馈的信息，对支护结构设计（支护类型及方法）及开挖结构设计（包括一次掘进长度、开挖断面、断面闭合时间等）进行修正。特别是围岩位移很大时，要充分研究围岩变形富裕量的大小，根据最终变形量的预测，设计确定开挖断面的闭合时间等问题。预设计一般都是偏于安全的，但也要考虑在保证安全的前提下力求使支护构件、一次掘进长度等设计更加经济合理。 因此，在隧道

7、及地下工程中，设计与施工是密不可分的，特别是要建立“施工中设计”的基本观点，研究和建立施工中设计的基本原则、方法和模式，实现设计施工的一体化体制。1.2地下工程设计方法目前，地下工程结构设计方法有多种，其中常用的大体分两个方面，一是力学分析设计方法，即模仿地面建筑工程的力学分析方法，确定结构、荷载和材料三要素，设计人员首先计算荷载，然后选择结构类型和材料，最后通过力学计算确定结构几何尺寸；工程建设通常按照地质勘察、设计、施工的程序依次进行；这种方法是用“荷载结构”模型作力学计算，并常用于衬砌结构设计。另一种是工程类比法或称经验设计法，即首先对地下工程洞室围岩进行分类（级），然后按照有关规范或标

8、准进行设计；这种设计方法常用于锚喷支护以及复合式支护衬砌设计。另外，近年来随着数值分析理论的快速发展和广泛应用，数值法在隧道及地下工程设计中也已得到越来越广泛的应用，并用于分析计算考虑时间效应的粘弹塑性力学模型问题。2传统理论及其存在的问题早期地下工程的建设完全依据经验，20世纪初才逐渐形成自己的计算理论，开始用于指导地下工程的设计与施工。 在地下结构计算理论形成的初期，人们仅仅仿照地面建筑的结构计算方法进行地下结构的计算，这些方法可归结为荷载结构法，包括框架内力的计算、拱形直墙结构内力的计算等。这种计算方法认为，地层是作用在结构上的荷载。当洞室围岩已经发生松弛或坍塌，结构只是被动地承受围岩松

9、动所产生的荷载。目前来看，这种方法仅适用于以明挖回填法施工的地下结构计算。 经过较长时间的实践，人们逐渐认识到地下结构与地上结构受力变形特点不同的事实，开始考虑地层对结构受力变形的约束作用。这些计算理论仍属于荷载结构法，并可分为假定抗力法与弹性地基梁法两类。 假定抗力法和弹性地基梁法都比以前的计算方法有进步，在覆盖层厚度不大的暗挖地下结构的计算中仍可采用。 由于人们认识到地下结构与地层是一个整体，20世纪以来按连续介质力学理论计算地下结构内力的方法也逐渐得到了发展。在初期，人们致力于建立这类计算理论的解析解，但由于遇到数学上的困难，迄今为止仅对圆形衬砌结构的计算有较多研究成果。 20世纪60年

10、代以来，随着计算机技术的普及和岩土介质本构关系研究的进步，地下结构的数值计算方法有了较大的发展。1966年，S.F.Reyes和D.U.Deere应用Drucker-Prager准则进行了圆形洞室的弹塑性分析。1968年，O.C.Zienkiewicz等按无拉应力分析了隧道的应力和变形，提出了可按初应力释放法模拟隧洞开挖效应的概念。1975年，F.H.Kuihawy用有限元法探讨了几种因素对地下洞室受力变形的影响和开挖面附近隧洞围岩的三维应力状态，开始将力学分析引入非连续岩体和施工过程研究的计算。70年代起，我国著名学者孙钧教授等在这一领域也做了大量研究，已经建立的计算方法包括地下洞室的弹性计

11、算法、弹塑性计算法、粘弹性计算法以及弹粘塑性计算法等。 上述这类计算方法常被称为地层结构法，其基本思想是：围岩与结构共同构成承载体系，荷载来自围岩的初始应力和施工开挖所引起的应力释放，结构内力与围岩重分布应力一起按连续介质力学方法计算（如弹塑性力学的有限单元法），围岩与结构的相互作用以变形协调条件来体现，计算的关键在于确定围岩的应力释放和围岩结构的相互作用。地层结构法的计算理论虽已较为完整，但在应用中却仍然存在不少问题。其中最主要的，是需作为已知量输入的初始地应力的分布规律和量值常不明确，弹性模量、泊松比等地层参数的取值程度对不同地层带有任意性，工程施工后地层与结构的受力变形随时间而变化的规律

12、，多数只能依据工程地质条件选用理想化的模型模拟，以及对地层受力变形后发生破坏的条件缺少符合实际的判断准则。其结果是，由计算分析所得的结果常常与真实情况不相符。在有限元计算法获得较快发展的初期，许多人曾对所得结果的正确性表示过怀疑。实际上，这些想法是当时已获得发展的数值计算法还不能成功应用于工程实践的真实写照。 在传统的地下工程设计思想中，最值得一提的是普氏理论，它在相当长的时期里影响着地下工程的设计。2.1 普氏理论1903年，俄国普洛托基雅可诺夫根据工程实践的经验，将洞室周围的岩体看成松散体，并认为，在山岩中开挖洞室后，洞顶有一部分岩石将因松动而导致坍落，坍落之后形成拱形，然后才稳定，而拱形

13、坍落体的重力，就是作用在衬砌顶上的山岩压力。这就是所谓的“普氏理论”。对于平顶的洞室，普氏理论计算山岩压力的公式为： 式中：q为均布山岩压力（0.01MPa）； 为山岩容重（10kN/m3）； B为洞室宽度（m）； f为山岩的坚固性系数。 对于特别松散的岩体，还要考虑洞室侧壁的压力。 概括普氏理论的要点是: （1）围岩是作用在洞室支护衬砌上的荷载，因此，要使洞室保持稳定，必需有衬砌支撑。 （2）围岩越差，荷载越大；洞室越大，荷载也越大。因此，在较差的地质条件下要建造大尺寸的洞室，就需要非常厚、非常坚固的衬砌。 （3）地层中的原有地应力仅以自重应力的形式加以考虑，洞室形状是分析围岩压力的基本因素

14、。围岩中软弱结构面的影响由地质人员根据情况及经验加以考虑，反映在所给的坚固系数和压力系数中。 （4）不考虑开挖洞室之后围岩中应力变化的情况，以及围岩是否会因应力过大而破坏，更没有考虑围岩变形与时间的关系。 按照普氏理论，保持洞室稳定主要是靠衬砌，衬砌须一次做成，并且是刚性结构，不允许有较大变形。根据这一理论，发展了一整套的衬砌结构计算方法，但有的方法相当复杂。 经过长期的实践检验，人们越来越感到普氏理论存在一些问题，不能很好的反映实际情况。 （1）普氏理论将洞室围岩看作松散体，这种假设不符合大部分岩体的特性，仅仅某些断层破碎带或强烈风化岩体才可看作是松散体。 （2）不应单纯地将洞室围岩看作是外

15、部荷载，有许多天然洞室，跨度虽然很大，但并没有坍塌破坏，自身稳定性很好。很多地下洞室虽然做了衬砌，但衬砌上并没有受到山岩压力。有的地下洞室衬砌与围岩之间是脱离的，根本没有对围岩起到支护作用，而围岩并没有坍塌。这说明，山岩可以承担自身的重量，即围岩具有“自撑”能力（作用）。 （3）有些情况下即使按照普氏理论设计，衬砌也会产生破裂，甚至破坏。 （4）围岩的复杂性难以用坚固系数概括。普氏理论中对围岩性质的描述，主要反映在“坚固系数”f 中，f 值由0.1到20共分成15个等级。f值的确定常常是经验性的，即认为坚固系数就等于岩石单轴抗压强度的十分之一，不考虑地应力的大小及方向，而地应力因素对围岩的稳定

16、与否是很关键的。另外，仅考虑岩石（岩块）的抗压强度是不够的，由于软弱结构面的存在，岩体强度与岩块强度相差几倍，甚至十几倍。节理裂隙很发育的岩体，虽然岩块强度可能较高，但并不能代表整个岩体的强度，岩体的稳定性却很差。相反，有的岩体完整性很好，而岩块强度不一定很高，但岩体稳定性却很好，这说明决定围岩稳定性的主要因素是岩体的完整性，而并非岩石的强度。 （5）按照普氏理论，支护衬砌上所受到的围岩压力主要是洞顶的垂直压力，并在顶部中央压力最大。但在实际工程中，围岩压力往往是偏压和水平压力，最大压力偏离拱顶，这些现象和问题普氏理论难以给出解答。2.2太沙基理论 太沙基(K.Terzaghi)理论也是将破碎

17、岩体视为具有一定内聚力的松散介质，但对于产生围岩压力的原因，其观点则与普氏理论有所不同，因此，两种理论计算围岩压力的方法也不同。普氏认为围岩松散压力是由平衡拱以内岩体的重量所产生，而太沙基则认为这种压力是由地层的应力传递所引起的。 如图所示，假设洞室顶部AB处出现垂直破裂面AD与BC并延伸至地表，在ABCD所包围的松散体中切取厚度为dz的薄层单元，其受力情况如图所示，该单元的两侧作用着摩擦力dF，当薄片向下产生位移时，摩擦力dF将薄层的位移影响传至两侧围岩，因此引起所谓的应力传递现象。通过单元体的应力平衡分析，太沙基给出了洞室顶板围岩压力的计算公式。3新奥法设计3.1概述 60年代初奥地利学者

18、L.V.Rabcewicz等人总结出了“新奥地利隧道施工方法”，英文全名为New Austrian Tunnelling Method，缩写为NATM。但在20年后才真正获得突破性应用。该法将地下结构中支护体与开挖后的围岩视为相互作用的整体，这种施工方法的原理是使围岩与支护结构体一起承担荷载，并且由围岩承担大部分荷载，支护结构仅承担少部分荷载。新奥法指出，围岩本身具有“自撑”能力，采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种“自撑”能力，可以得到最好的经济效果。它的要点就是：尽量减小开挖后围岩中的应力变化，开挖之后立即进行一次支护（锚喷支护），防止围岩进一步松动，同时对围岩的应力、位移变形进行监

19、测，在适当的时候进行二次支护（衬砌）。支护应适应围岩的变形，根据围岩变形、应力的监测信息，调整施工及支护措施，控制变形。新奥法在有些地方又称之为“欧洲隧道掘进法”，也有的称之为“收敛约束法”。一般情况下，开挖洞室时产生的切向应力总是大于径向应力，因此，如果支护体系在支护体与围岩之间以增加摩擦阻力的方式提供切向阻力，那么因开挖引起的进一步应力松动可以被有效地阻止。喷射混凝土提供了强大的摩擦阻力，而这种阻力仅是密贴式的薄层混凝土环。多次试验证明，喷射混凝土对于洞室的仰拱作用不大，而对于洞顶和侧壁则能提供有效的切向阻力。使用锚喷支护将能进一步提高这种薄层混凝土环的阻抗力。 拉勃塞维茨（1964）发现

20、，在直径为10m的隧道中，喷射150mm厚的混凝土层就能支撑住23m厚围岩的松动荷载，而使用钢材或木材支护同样厚的松动围岩则费用要高得多。 新奥法应理解为是贯穿于隧道及地下工程设计和施工全过程的一种指导原则，而并非单纯的一种设计方法。 新奥法目前在设计理论上还不很成熟，目前常用的方法是用经验统计类比的方法做预先设计，然后在施工过程中根据监测围岩的应力变形情况，调整支护措施和施工方案。但新奥法的重要价值是不能怀疑和否定的，这只能说明还有许多问题需要进一步解决。3.2新奥法的主要原则新奥法的主要原则有的人列为22条，也有一些学者归纳为18条或6条，这里按Rabcewicz等人所提出的原则，归纳如下

21、: （1）围岩是洞室的主要承载结构，而不是单纯的荷载，围岩具有一定的自承能力。支护的作用是保持围岩完整，与围岩联合作用形成稳定的承载圈。 （2）尽量保持围岩原有的结构和强度，防止围岩的松动和破坏。宜采用控制爆破（预裂、光面爆破）或全断面掘进等开挖方法。 （3）尽可能作到适时支护。通过工程类比、施工前的各项试验以及施工过程中对围岩收敛变形、锚杆及喷层应力的监测，正确了解围岩的物理力学性质与空间和时间的关系，及时调整支护方案。过早或过迟支护均为不利。 （4）初期支护要具有柔性、薄层、与围岩密贴和早强等特性，支护施工应快速有效，尽快封闭围岩而处于三向应力状态。 （5）洞室尽可能为圆形断面，或由光滑曲

22、线连接而形成的断面，以避免应力集中。围岩较差的地段应尽快封闭底拱（仰拱），使支护与围岩共同形成闭合的环形结构，以利稳定。 （6）良好的施工组织和施工人员的良好素质对洞室结构施工的安全、稳定、经济、快速非常重要。合理安排防渗、排水、开挖、出渣、支护、封闭底拱等项工序，形成稳定合理的工作循环。 以上6条归纳了新奥法的基本原则，其中第一条是与传统地下洞室设计完全不同的新概念，这是新奥法的核心思想。3.3.新奥法的适用条件及要求 新奥法的适用范围很广，从不同的地质条件到各种不同埋深的条件下均可采用新奥法。对于深埋的洞室，用传统的刚性支护，往往被压坏，而新奥法采用柔性支护可以获得成功。对于浅埋洞室覆盖厚

23、度甚至不足一倍洞径的条件下，新奥法也有很好的支护效果。当然，最有利的是中等埋深，地应力不很大，围岩能够形成“承载圈”，容易发挥“自撑”作用。 各种不同形状、不同大小的洞室均可以采用新奥法，我国在跨度约30m，高度约60m的地下厂房工程中采用新奥法获得成功，甚至跨度更大的地下洞室也有采用新奥法的实例，当然在这种情况下对围岩条件有一定限制。 新奥法要求勘测、设计、施工、控制各环节密切配合，根据实际工程情况，不断调整施工方法及支护措施，时间性很强。因此，要求操作人员必须受过专业训练，工艺操作熟练，能够及时正确处理各种问题。 新奥法要求尽可能地发挥围岩的“自撑”作用，因此，要求尽可能减轻对围岩的扰动破

24、坏，开挖施工应采用控制爆破，即采用微差爆破、预裂爆破或光面爆破，在岩石条件较差时这一点尤其重要。3.4新奥法的优越性 （1）经济、快速。由于采用控制爆破、柔性薄衬砌，因此减少了开挖量，加快了施工进度。新奥法的开挖量是传统方法的70%左右，衬砌量是传统方法的20%。因此有人认为，新奥法的造价可以比传统方法节省30%50%。 （2）安全、适应性强。由于开挖后及时做好锚喷柔性支护，封闭围岩表面，防止围岩的松动破坏，因此保证了安全。一期支护后，进行现场连续监测，一旦发现围岩变形过大过快或其它不良征兆，可以及时加固支护，因此，即使地质条件较差，也能保证安全。 （3）可有效控制地表下沉量。新奥法减少了对地

25、层的扰动，并及时做好一期支护。这个优点对城市地下工程尤为重要。 （4）施工有较大的灵活性。采用信息化施工，根据地质条件的变化，及时修改施工设计和支护设计，如加长加密锚杆，或加厚加固喷层，甚至加钢筋网、钢拱架。 （5）宜于做防水夹层。传统方法的防水层是与围岩表面的岩体接触，由于岩体表面凸凹不平，防水效果差。而新奥法是将防水层做在比较平整的一期支护上，因此防水效果较好。 4信息化设计及反分析法由于地下工程的受力特点及其复杂性，自20世纪50年代以来，国际上就开始通过对地下工程进行量测来监视围岩和支护的稳定性，并应用现场监测结果来修正设计，指导施工。到80年代，现场量测又与工程地质、力学分析紧密配合

26、，逐渐形成了一套信息化设计的原理与方法，能较好地反映和适应地下工程的规律和特点。信息化设计与理论计算法结合，发展成为“监控反馈设计法”即反分析法。尽管这种方法目前还不够完善，但无疑是今后发展的方向。4.1地下工程监测和信息化设计信息化设计要求在施工过程中布置监测系统，在施工开挖及支护过程中获得围岩稳定状况及支护设施的工作状态信息。地下洞室的围岩是一个包含有各种复杂因素共同作用的模糊系统，具有许多不确定条件，用常规的力学方法难以描述围岩与支护的力学特征和变化规律。为了避开这些难度很大的工作，可将上述模糊系统看作一个“黑匣子”，工程施工看作“输入”因素，而监测的结果就是系统的“输出”结果。这些输出

27、信息包含了多种因素综合作用，通过分析研究这些输出信息，就可以间接地描述围岩的稳定性及支护的作用，并反馈于施工决策和支护系统，确定新的开挖方案的支护参数。这个全过程随每次掘进开挖和支护的循环进行一次，称为“信息化设计”。 同围岩紧密结合的锚杆和喷射混凝土一类新型支护方法，以及以喷锚支护为主要技术背景的“新奥法”的推行，提供了在隧道开挖过程中及时对围岩变形进行监测并通过这种监测对围岩稳定性作出判断的可能性。信息化设计的概念就是在此基础上形成的。 对于具体工程，信息化设计首先通过施工前所进行的工程地质调查及各项岩石物理力学试验，用工程类比的经验方法对支护系统进行“预设计”，然后进行施工监测,监测所得

28、信息的反馈，则是通过经验和力学计算两个途径来实现的。 必须指出，这种方法并不排斥以往的各种计算、模型实验及经验类比等设计方法，而是把它们最大限度地包容在自己的决策支持系统中去，发挥各种方法的特长。应该说，以施工监测和信息反馈为显著特征的信息化设计，是将监测技术、力学计算及经验评估等结合成为一体的地下工程设计方法。4.2反分析法 地下工程反分析法的基本思想最早由Kavangh(1973)、Gioda和Maier等人提出，此后，日本神户大学殷井春辅（1983）完成了岩体弹性模量及初始地应力的线弹性有限元位移反分析，把监控设计与理论计算结合起来。80年代到90年代，国内外许多学者进行了大量研究工作，

29、发展了弹塑性、粘弹性、粘塑性等非线性反分析，以及有关量测误差的处理、优化、校验等技术。此外，利用现场量测信息进行工程预测分析也在近年有所发展。 一般来说，由施工的监控量测获取的信息可用于指导隧道或地下工程的设计与施工，而以这些信息为依据对工程设计和施工的合理性进行的分析研究，在本质上又都可归类为反分析研究，因而在监控量测和反演分析之间必然有联系。其关系可表述为，由监控量测获得的数据或信息是反分析计算的基础资料，而由反分析计算得到的结果又可为监控量测的定量判断提供理论依据。二者之间的区别主要在于，新奥法技术的施工监控偏重于以工程实践累积的经验为依据，对隧道工程的设计及施工方法的合理性作出分析判断

30、；而反分析方法的理论研究及其工程应用却主要偏重于由力学行为的定量计算得出分析结论，包括确定初始地应力的分布规律和地层特性参数，以及依据获得的数据借助正演计算对围岩应力分布及其稳定性作出分析评价等。由于二者研究问题的途径不同，它们对现场量测提出的具体要求必然有区别。5发展地下空间的意义地下空间作为一种空间资源蕴藏量十分巨大，能为人类开拓大量新的生存空间，其意义在于： （1）在不扩大或少扩大城市用地的前提下实现城市空间的三维式拓展，从而提高土地的利用效率节约土地资源； （2）缓解城市发展中的各种矛盾； （3）保护和改善城市生态环境； （4）建立完善的城市地下防灾空间体系，保障城市在发生自然和人为灾害时的安全； （5）实现城市的集约化发展和可持续发展，最终大幅度提高整个城市的生活质量达到高度的现代化。