巖石地下洞室與邊坡的相互影響研究.pdf

1、地下洞室包括各類天然形成的地下空區(qū)（溶洞等）、礦山生產(chǎn)過程中形成的地下采空區(qū)以及各類人工開挖形成的洞室（如人防洞、隧道等）。地下洞室與邊坡的相互影響問題是隨著工程建設(shè)的開展而出現(xiàn)的。根據(jù)地下洞室與邊坡存在的先后順序?qū)⒌叵露词遗c邊坡的關(guān)系分為兩種情況，第一種情況是地下洞室先于邊坡存在，如地下開采轉(zhuǎn)為露天開采條件下礦山的地下采空區(qū)與露天開挖的邊坡；另一種情況是邊坡先于地下洞室存在，如山區(qū)隧道開挖形成的洞口邊坡與隧道。地下洞室與邊坡的相互影響

2、問題一般可以分為兩個(gè)方面來研究：一方面是地下洞室的存在對邊坡穩(wěn)定的影響；另一方面是邊坡施工對地下洞室穩(wěn)定性的影響。另外，根據(jù)地下洞室與邊坡的相對空間位置還會(huì)帶來另外一個(gè)十分重要的問題，即地下洞室頂板的安全厚度問題。頂板的安全厚度關(guān)系到地下洞室的安全與正常運(yùn)營，甚至關(guān)系邊坡的穩(wěn)定。本文結(jié)合湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“GFRP錨桿加固巖質(zhì)邊坡基本理論與設(shè)計(jì)方法研究”（07JJ6084）與高等學(xué)校博士點(diǎn)學(xué)科專項(xiàng)基金項(xiàng)目“復(fù)雜巖體邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)

3、面的滑移線分條自動(dòng)搜索研究”（20060533071）以及貴州宏福實(shí)業(yè)開發(fā)有限總公司“甕福磷礦穿巖洞礦段地下轉(zhuǎn)露天開采中地下采空區(qū)對露天開采的影響研究”等研究課題，對地下洞室與邊坡之間的相互影響以及頂板安全厚度進(jìn)行了深入的研究。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下： 建立了邊坡下伏地下巖石洞室深埋與淺埋的計(jì)算模型，應(yīng)用彈性力學(xué)理論與相同映射函數(shù)的復(fù)變函數(shù)解法推導(dǎo)了邊坡下伏淺埋圓形洞室的應(yīng)力解析解，將深埋洞室視為一個(gè)雙向受壓無限板板孔應(yīng)力集中問

4、題，得到了邊坡下伏深埋圓形洞室的應(yīng)力解析解，對于復(fù)雜形狀洞室，采用Christoffel-Schwarz積分確定映射函數(shù)或采用近似方法和數(shù)值方法來研究。 采取彈塑性有限元與強(qiáng)度折減方法，利用自編的有限元程序?qū)ΞY福磷礦穿巖洞礦段地下采空區(qū)與露天邊坡的相互影響進(jìn)行了研究，模擬露天邊坡開挖過程對邊坡與地下采空區(qū)的影響，得到了各部開挖過程中邊坡與采空區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變與塑性區(qū)分布以及邊坡的安全系數(shù)。 對工程上常用來估算地下洞室頂板安

5、全厚度的簡支梁與固支梁模型進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論，考慮地下洞室水平應(yīng)力對安全頂板厚度的影響，分別建立集中力與均布荷載作用下改進(jìn)的簡支梁與固支梁模型。對改進(jìn)的梁模型考慮巖石本構(gòu)關(guān)系的影響，將巖石視為理想彈塑性材料，建立了改進(jìn)梁模型的廣義彎矩-曲率-軸力關(guān)系，并采取假設(shè)撓曲線的近似解法得到了最大承載力的廣義彎矩-軸力-側(cè)向均布荷載的相關(guān)方程。運(yùn)用裂隙張量理論，將巖體中的裂隙看作初始損傷，對含隨機(jī)分布裂隙的頂板巖體進(jìn)行了分析，推求了裂隙

6、巖體的等效變形模量和等效泊松比，研究裂隙密度對地下洞室頂板厚度的影響。 應(yīng)用突變理論建立了地下球形洞室與地下巷道式洞室頂板的突變模型，得到地下洞室頂板失穩(wěn)破壞的必要條件與充分條件。經(jīng)過分析可知，地下洞室頂板安全厚度與巖石彈性模量、泊松比、洞室跨度、自重以及板頂荷載與板端水平應(yīng)力有關(guān)。 將頂板上車輛荷載視為簡諧荷載，研究在車輛簡諧荷載作用下頂板的動(dòng)力響應(yīng)，得到了在勻速移動(dòng)的車輛簡諧荷載下，考慮基本振型時(shí)，共振發(fā)生在ω=Qp

7、，動(dòng)力放大因子將取決于車輛移動(dòng)的速度。在一般阻尼情況下，動(dòng)力放大因子取決于阻尼比ξ1的大小，勻速移動(dòng)車輛荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)只有固定于跨中的車輛荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)的一半。建立了車隊(duì)荷載作用下，地下洞室頂板失穩(wěn)的突變理論模型，得到了頂板失穩(wěn)破壞的充要條件。將地下洞室頂板視為單向厚板或矩形厚板，在車輛荷載作用下進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，分析了不同邊界條件的影響，得到了在車輛振動(dòng)荷載作用下頂板的動(dòng)力放大系數(shù)。 采用FLAC3D軟件與強(qiáng)度折減理

8、論對地下采空區(qū)的頂板厚度與穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并且研究了地下采空區(qū)的采高與跨度對頂板厚度的影響。針對甕福磷礦穿巖洞礦段地下轉(zhuǎn)露天開采中的地下采空區(qū)與露天邊坡，采用SURPAC軟件建立了地下采空區(qū)的三維地質(zhì)模型，編制了模型與FLAC3D的接口程序，將三維模型導(dǎo)入FLAC3D計(jì)算程序，在邊坡與空區(qū)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，研究分析地下采空區(qū)與露天邊坡之間的相互影響。 本文立足于學(xué)科前沿，運(yùn)用最新數(shù)學(xué)計(jì)算方法和手段，對地下洞室與邊坡的相互影響進(jìn)行了深