浅谈围岩稳定性分析方法

杨思博

（重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074）

摘要：对于围岩稳定性分析方法进行了总结，简单地对这一领域的发展趋势作出了评述。

关键词：地下洞室；隧道；围岩稳定

岩体力学是一门相对较年轻的学科，同时受制于岩体本身材料性质和几何形状的特殊性，其受力特点复杂，总结方法和结果非常复杂。地下工程 的失稳主要是由于施工中的 开挖造 成了围岩内部应力的变化而超过围岩自身强度的过程。所以选择合适的围岩稳定分析方法对于实际的工程应用来说，显得十分重要，关系到整个工程的安全和最终成败。目前根据数学模型建立的围岩稳定分析方法主要分为以下四种。我们在此进行分别讨论介绍。

1. 解析法

在进行地下洞室的 围岩稳定性分析时，会经常 利用复变函数来计算围岩的内力，以此得到近似的弹性 解析解。[1] 但是这种方法必须是以圆形隧道为基础进行计算。众所周知，大部分隧道开挖尤其是公路隧道和地下洞室的开挖面都是不规则的，这时 候就要利用 数学中的 保角变换进行连续场函数的变换，而如何得到映射函数是其中的关键。[2]

当洞室形状并不复杂的时候，利用映射函数 得到级数形式 的近似解的 级数项 并不多。而当地下洞室的开挖面极其不规则时，利用映射函数所得到的解太过于复杂无法应用得出表达式。为了解决 这一问题，有人将求解过程方程化，编写成软件，得到围岩 内力变化的近似解。在计算机技术快速發展 的今天，这种将求解方 法和过程代数化，并结合程序编码加以利用的方法值得我们借鉴，能够大大地提 高我们的工作效率，把我们从繁重的数学求解过程中解放出来。

2.数值分析方法

在地下 洞室的围岩 稳定性分析中，解析 法只适用于那些开挖面较简单的情况。然而在实际的地下工程当中，我们往往面对的都是不规则的开挖形状和围 岩性质 特性复杂的情况。因此多数的具 体工程应用中我们只能用具体的数值方法来求出我们想要的解。数值方法众多，而这其中，有限元法应用最为广泛， 我们在这里做主要介绍。

有限元法在土木工程的计算分析应用中已经 非常成熟了。它的基本原理是把连续体 离散化 为一系列的单元，用一个个独立的单元体分块近似表示需要求解的未知场函数 。这样就可以把一个大型的结构或区域变成一个个小的子单元以此便于我们进行假设求解。其步骤大致分为以下三步：1.离散化2.单个单元 分析3.求解近似变分方程。

3.不确定性方法

在地下工程中，围岩级别的正确判定关系着工程的使用安全。围岩级别 判定与围岩的完整性，围岩的强度，围岩的内力情况，围岩的物理性质，地下水分布有着密切的联系。然而这些因素本身是很难量化或者 得到确 切数据的，就算得到确切数据我们也无法得出 他们与围岩级别的确切数 值关系。这时候就要利用模糊数学。大致过程如下：首先，模糊关系的确立是吧原因X和结果Y（X可以理解为围岩稳定性的影响因素，Y可以理解为该因素对围岩级别判定的影响因子）。根 据数据统计得到的样本，得到原始信息分布矩阵，经过正规化后得到模糊关系矩阵。然后再求出模糊近似 概 论模型，得到自变量和因变量之间权重的关系。最后进行模糊识别，以此判断围岩级别。

4. 围岩的失稳判定

完整性好 的岩体，坚硬且强度大无塑性变形，可以视为满足材料力学和弹性力学性能良好的弹性体， 因此可以利用经典岩石力学方法进行强度计算。利用经典岩石力学理论，实际上是考虑围岩的 受压或手拉破坏情况，以此指导地下工程的 施工与设计。但在实际中这种经典岩石力学理论的应用前提条件非常理想化，对于实际的地下工程来说都很难完全合适的满足这些前提条件。一是强度理论所需的各项参数难以测量；二是在施工中围岩都是出于不断的破坏维护中，而经典岩石力学理论都是用于破坏前或临界状态。

5.思考

21世纪随着人类的高速发展，人类所涉及的活动范围越来越广。这体现广度与深度上。人类对于地下空间的需求越来越大，深度也越来越深。这对于地下工程工作者来说即是机遇也是挑战，我们必须不断革新自己以适应这种变化要求。隧道与地下建筑工程相对于土木工程的其他 二级学科而言还是一门较年轻的学科，再加上围岩本身的性质复杂，很多 参量都是模糊的，这也就意味着现行的很多办法都不是完整或者说精确的。这有待我们把这种模糊的参量特征化精确化，以适应日新月异的计算机发展，提高我们的结果可靠度。

参考文献

[1] 于学馥，刘怀恒.地下工程围岩稳定分析.北京：煤炭工业出版社，1983

[2] 朱大勇，钱七虎，周早生.复杂形状硐室围岩应力弹性解析分析.岩石力学与工程学报，1999（4）