地下工程中的施工分析方法

第３１卷第６期　２００９年１１月　泰山学院学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＡＩＳＨＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏｌ＿３ｌ　Ｎ０．６　Ｎ０ｖ．　２０ｏ９　地－－Ｆ工程中的施．Ｔｍ　分析方法　魏忠芹　，卢晓莉　（１．山东省公路桥梁建设有限公司，山东济南２５００２１；２．泰山职业技术学院建筑工程系，山东泰安２７１０００）　［摘要］　本文针对地下结构工程中的施工力学问题，系统地阐述了地下结构施工力学的特点、研究课　题及相关内容．提出了有待深入研究的问题，以期把握研究方向，有效地运用新理论、新方法解决地下工程中的　施工力学问题．把地下工程中的施工力学问题研究与设计水平推向新阶段，以促进对施工力学问题的深入研究　与工程应用．　［关键词］　施工力学；地下工程；时变力学　【中图分类号］　Ｕ４５　［文献标识码］　Ａ　［文章编号］　１６７２—２５９０（２００９）０６—００６３—０４　随着人类生活空间的不断拓宽，各类工程建设规模日益扩大，重大工程项目（例如大跨度地下厂房　洞室群、深埋超长隧洞等）建筑日益增多，它们的共同特点是施工规模大、范围广、周期长、过程复杂．其　施工过程是一个逐步变化（包括几何形状与材料特性）的不完整结构或工程承受不断变化的施工荷载　的受力过程，这种随时间变异的结构与工程分析，无论在理论方面还是应用上的研究目前仍然十分薄　弱，随着工程规模扩大，该问题的研究将日益重要；另外，施工过程对环境及周围构筑物的影响与危害分　析及其预测与防治也随工程规模日趋扩大而引起工程界广泛关注．近代工程建设发展要求工程设计不　但要考虑工程结构本身，同时也需提供其施工兴建过程中不同阶段中间产物动态变化与相互影响的成　果．这将涉及到固体力学、结构力学、工程地质、岩土工程、试验力学、流体力学、计算力学等多门学科领　域，近年来学术界把这类问题作为一门新的学科分支——施工力学．　１施工力学的特点　施工力学与经典力学不同之处主要有两方面：一是在分析对象的外部荷载、几何边界及物理条件随　时间而变化，其相应系统方程中的劲度矩阵、质量矩阵及阻尼矩阵中的元素是时间的函数；二是作用的　不是设计荷载，而是在施工过程中产生的施工荷载．与常规的竣工结构或工程的力学分析相比，有着诸　多特点．　（１）外部荷载环境难以确定．地下洞室群工程结构承受的主要外载有岩体的地应力、地下渗压和地　温应力等，而这些是漫长地质构造运动形成的，很难弄清其分布特点和准确量值．　（２）分析对象的几何参数及其边界随时间变化以及荷载作用位置随时间也发生变化．分析对象是　尚未达到整体承载能力的不完整结构，除承受正常使用荷载外，在漫长施工中极易受到突发性、灾害性　载荷，如自然灾害（地震等）、突发事件（撞击、塌落、断裂等）与工程环境（开挖、岩爆、打桩、沉降等）因　素影响．　（３）地下工程混凝土浇筑施工过程中混凝土材料具有刚度与强度随时间变化的特点．其属于物理　特性随时间变化的系统，而且由于同一结构不同区域施工时间的差异，形成一个由不同物理特性、并不断　［收稿日期］２００９—０９—２１　［作者简介］魏忠芹（１９７９一），女，山东菏泽人，山东省公路桥梁建设有限公司青岛海湾大桥二合同项目部助理工程师　泰山学院学报　变化材料组成、加上几何形状与荷载状态变化的复杂力学分析模型．　第３１卷　（４）岩土工程施工对象具有与时间有关的流变特性．它与几何形状随时间变化特性耦合形成一类　特殊时效分析问题，变形状态应是以前不同状态应变场在不同时间间隔产生时效的叠加，这有别于一般　粘弹性分析．　（５）一般工程施工对象（包括岩土介质、混凝土等）均具有本构关系的非线性特性．材料强度及刚度　不是恒值而与应力或应变状态有关，因此与施工路径（几何形状变化路经）发生关联，形成一类特殊非　线性分析问题，即结构最终力学状态不但取决其最终几何形状及荷载、物理特性，而且与形成最终几何　形状的路径有关．　２施工力学的研究课题　与地面工程相比，地下工程结构面临的问题要多得多，其难度也高得多．地下工程中的施工与力学　学科紧密相关的课题很多，归纳起来，主要有以下几个方面．　（１）地下及地基工程开挖过程中地应力场扰动对荷载释放及二次应力场的影响与变化　这是一个施工力学的特殊问题，各类地下及地基工程施工过程中，由于对岩土介质空间的开挖，相　当于在开挖边缘施加一个与初始地应力状态相抵的应力释放荷载．实际工程地下开挖有个施工过程，第　一步开挖造成的地应力扰动会影响第二步释放荷载的取值，同样再下一步的释放荷载值要取决与前几　步开挖对地应力扰动而形成的新地应力状态．这样释放荷载取值每一步都在变化，而且与施工路径及地　下空间形状变化过程有关．　（２）施工过程中的不完整结构与工程的安全度分析　根据大量工程事故分析，大多是发生在施工过程中，而不是已竣工和正在使用的工程．因此这提醒　人们，施工过程中结构的安全度分析十分重要．这是由于一方面结构未曾完工，整体承载能力尚未达到　设计水平；另一方面是在施工过程中可能发生突加或灾害性载荷（地震、撞击、塌落、断裂等）和开挖的　因素．这种动态、随机的多重特性往往给施工过程中的工程结构可靠性分析增加难度．　（３）材料的强度、刚度随时间变化的结构分析及其对结构设计的影响　象混凝土材料，其强度和刚度随浇筑龄期发生变化．由于目前施工进度不断提高，在浇筑下一阶段　时，原结构材料的强度和刚度远未达标，因此在施工过程中材料的强度和刚度不断变化而组合成的结　构，即使结构形状及施工荷载不发生变化，其结构分析也是一类特殊的力学分析问题．这在力学上属于　变刚度结构分析，当然强度随时间变化还会影响强度设计计算．　（４）施工过程中不同时段非稳定粘性应力场时效叠加效应　地下、地基工程施工对象是岩土介质，对大部分岩土介质的本构关系具有与时间有关的流变特性，　在力学上用粘性（粘弹性、粘塑性、蠕变、松弛等）来描述．粘性材料的重要特性是时效，即变形状态在恒　定对象与荷载下还随时间变化，这就导致新一类的施工力学分析．结构与工程在施工过程中，几何形状　及荷载作用面在不断发生变化，因此某一时刻某处的变形状态应是以前不同状态应变场在不同时间间　隔产生时效叠加的结果，而不是象一般粘性分析中单一固定状态（例竣工状态）的简单时效，因此施工　力学中时效（粘性）分析将要复杂得多，而且不同施工路线，即使是同一结构或工程的完工状态，但其造　成的应变场是不一样的．由于同时考虑粘性与施工两个因素，其应变、应力场结果不是单一的，这属于施　工力学的“时效”．　３施工力学的研究内容　由于地质条件和地质构造的复杂性以及对其认识的不完全确定性，作为地下、地基分析基础的主要　外部荷载环境（如初始地应力场、渗流场、温度场等）以及岩体本身的物理参数很难精确描述，施工现场　的环境条件、开挖、加固过程直接影响工程结构的应力分布和稳定，这使得地下、地基结构分析必须考虑　第６期　魏忠芹等：地下工程中的施工分析方法　６５　施工过程和时间效应．地下工程稳定与否取决于施工过程中开挖的扰动应力和岩体抗力，而开挖扰动应　力又取决于岩体初始的应力场、地下渗流场以及岩体构造和材料参数等．这些参数又要受地质物理、化　学及力学变化等多种复杂因素以及人类认识局限性的影响．如岩体初始地应力场和地下渗流场以及岩　体结构的抗剪强度参数即使对同一岩区的不同平硐在不同位置，甚至对同一平硐、同一位置的不同组试　验，其结果也经常是呈离散状态，对这些参数的合理确定需要室内和现场试验．如岩石和节理的室内试　验、物理模型试验以及现场量测试验．根据室内及现场试验结果反演岩体的初始地应力场、地下渗流场　以及岩体结构面及材料参数，再结合施工各时段的正分析预报地下结构的变形和应力来指导施工．只有　通过对地下开挖过程进行正、反分析交替，才能得到合理的分析结果，目前对地下工程的施工力学主要　研究内容涉及以下几方面．　３．１　岩体和节理的室内试验。确定岩样和节理的性态　基于现场量测试验，确定岩体初始应力场、地下渗流场，检查开挖的变形情况和稳定性，找出分析中　没有给出的危险结构面，根据实测到的数据反演岩体的强度参数．　３．２建立地下工程开挖、加固全过程稳定分析的理论框架——《施工时变力学》　该理论适用于施工中形体轮廓和约束状况在动态变化、外载的施加或卸除、材料性能的时变等动态　变化的考察体受力问题的分析，其实质是变结构、变荷载、变材料的考察体动态变化过程的弹一粘塑性　力学问题．　３．３基于连续和不连续介质模型的地下结构变形和稳定性仿真计算方法研究　从几何、本构、应力状态和施工过程等四方面建立能描述岩体多介质和无限域的特点，能反映施工　全过程的时空变化和双场耦合效应，反映断层、夹层、节理裂隙等位移连续和不连续的岩体结构模型．　３．４岩体初始地应力和初始渗流场的分析方法　基于现场实测资料、施工反馈信息，地质构造和反演提出确定初始地应力场和初始渗流场的方法．　３．５地下工程加固机理及效应的研究　基于试验成果，分析加锚的物理效应（如介质参数Ｅ、ｃ、‘ｐ的变化等）、力学效应（如预应力锚固件与　岩体连结面的工作性态等）和结构效应（如群锚作用等），从而建立加锚岩体的数模及其分析方法．　３．６施工步序和施工工艺的优化及支护结构型式、支护参数的研究　根据断面类型，研究开挖顺序、加固（锚、索、网、衬砌、格栅钢架等）时机和预应力配筋方案等对地　下结构稳定性的影响．　３．７　突发荷载对地下结构安全性的影响分析　考虑地震、洪水等自然灾害进行地下结构与周围介质的相互作用分析。　３．８地下结构的正、反分析　基于施工现场的实测资料和施工反馈信息进一步反演岩体的材料参数及结构面的几何特性，然后　通过数值正分析预报地下结构的变形和稳定性等指标。　３．９盾构施工技术的力学模拟　水工结构中的盾构式输水隧洞，其受载后在管片间的缝面及衬砌与土体交界面上往往产生滑移、脱　开等不连续变形特征，故应基于不连续介质力学分析方法，考虑饱和砂土介质与衬砌结构的非线性相互　作用，建立泥水盾构分步连续推进的动态施工过程的力学计算模型及施工力学分析方法。　３．１０地下工程在各类失稳形式下失稳判据的研究　基于干扰能量判据的广角度地下工程结构稳定性评判体系，系统地确定潜在可能滑动面、最危险滑　向和最小安全系数以及失稳警戒的量化指标。从而解决没有明显滑动面的岩体稳定性评判量化指标等　难题。　４结语　岩体是一种不确定系统，施工过程中既存在客观上的不确定性，也存在主观上的不确定性．这种不　泰山学院学报　第３１卷　确定性包括随机性、模糊性、信息的不完全性和信息处理的不确定性，且更由于获取信息与数据量方面　的限制和不完全、不充分，它又是不确知的．对于客观上的不确定性，主要有荷载环境的初始地应力场，　介质地质环境的岩性参数，不同施工环境与条件等．客观上的这些不确定性，加上对岩体变形破坏机理　认识不清，导致了’对岩体的力学分析和模拟在主观上的不确定性，如计算模型、计算参数的选取、计算的　假定、计算简化、计算公式、信息描述、测量精度以及设计施工数据与信息不足等．目前“参数给不准”和　“模型给不准”已成为施工力学理论分析与数值模拟的“颈瓶”问题．　另外，地下工程的施工力学分析和竣工结构一次性分析是有差异的，施工力学效应体现在以下两方　面：　一是“时效”．若材料具有粘性，则含有时间因素的问题将和几何、物性、边界的时变发生耦联，产生　施工力学的“时效”，即同一竣工结构，对不同的施工过程而言，其最终的力学状态就不同，很显然考虑　施工力学的分析结果与竣工结构的一次性分析结果是不同的．　二是“路效”．若材料具有非线性或几何非线性、边界非线性（接触问题），则这些含有路经因素的问　题将和几何、物性、边界的时变发生耦联，产生施工力学的“路效”，即同一竣工结构，对不同的施工过程　而言，其最终的力学状态就不同，很显然考虑施工力学的分析结果与竣工结构的一次性分析结果是不同　的．　［参考文献］　［１］曹志远．土木工程分析的施工力学方法［Ｊ］．工程力学学报（增刊），１９９６．　［２］朱维申，何满潮．复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９５．　［３］邵国建，王东升．岩体初始应力场对地下洞室围岩变形及应力的影响［Ｊ］．河海大学学报，１９９９，２７（６）．　［４］邵国建，王东升．支护时机对地下洞室围岩变形的影响［Ｊ］．河海大学学报，１９９９，２７（Ｓ）．　［５］邵国建．岩体初始地应力场的反演回归分析［Ｊ］．水利水电科技进展，２０００，（８）．　［６］曹志远，邹贵平．施工力学分析的时变力学基础・现代力学和科技进步［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９７　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｉｎ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ＷＥＩ　Ｚｈｏｎｇ—ｑｉｎ　，ＬＵ　Ｘｉａｏ—ｌｉ　（１．Ｓｈａｎｇｄｏｎｇ　Ｒｏａｄ＆Ｂｒｉｄｇｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｊｉｎａｎ，２５００２１；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｓｈａｎ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｉｈｎ，２７１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｉｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃ—　ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｏｐｉｃｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｗｈｉｃｈ　ｎｅｅｄｓ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ａｒｅ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ．Ｎｅｗ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃ—　ｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｉｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｉｎ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｍｏｒｅ　ｄｅｅｐｌｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｐｒｏｍｏｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ；ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｔｉｍｅ—ｖａｒｙｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ