岩体性能指标和超大断面及洞群地下结构稳定性研究

摘要

本文以新建京张城际铁路八达岭地下车站为依托，首先针对大规模、大范围的岩体工程岩体性能指标的获取进行了研究;然后，通过比较选取了合适的基于岩体性能指标的岩体力学参数公式;最后，在获取岩体力学参数的基础上，对超大断面地下结构的两种形式:超大断面单拱大跨和超大断面洞群，进行了地下结构的围岩稳定性研究。主要研究内容及方法如下:
　　(1)基于空间插值法的RQD预测
　　岩石质量指标(RQD)是工程中评价岩体性质的一项重要指标。但RQD是通过地质钻探获取的，因此不能够很到位的表达整个工程空间内实际的岩石质量。为了弥补此方面的不足，首先引入主要黑塞方向(principal Hessian direction)，对地质属性较强即空间中存在着各向异性的RQD值进行标准化处理，然后采用克里金（Kriging）插值法构建变异函数(variation function)对整个空间的RQD值进行估算，最后利用R语言进行编程将该方法应用于八达岭地下车站工程。
　　(2)混合效应模型在GSI指标的量化中的应用
　　与RMR值及Q值相比地质强度指标GSI能够很好的引入到Hoek-Brown准则中，这对岩体工程设计研究提供了很大的便捷。由于其在最早提出时，给出的取值方法为选定图表中区域范围，该方法缺乏可以量化的典型参数，因而其人为的经验判断使其含有很强的主观性。针对这方面的不足，E.Hoek于2013年提出的一种GSI量化方法，是由RQD值和结构面条件决定，该方法在操作中简单易行。但是，其中的包含有6个条件因素，往往在实际的工程中无法将它们全部获取。为了弥补这方面的不足，本文将统计学中包含有固定参数与随机参数的混合效应模型（Mixed Effects Models），应用于GSI的量化公式中，通过与工程实例的对比，验证了其可行性。最后编写可视化的R语言程序，并将其应用于八达岭地下车站工程。
　　(3)通过岩体性能指标获取岩体力学参数的方法选择
　　Hoek-Brown准则是目前在岩土工程中应用较为广泛的岩石及岩体强度准则。在八达岭采集样本的力学试验（单轴压缩、三轴压缩及劈裂试验）的研究分析基础上，结合之前岩体性能指标的获取结果，通过比选，明确了岩体的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、变形模量以及Hoek-Brown强度准则中相关参数的获取公式或方法。最后将比选后的公式进行汇总，并利用R语言编程将这些工程设计及数值模拟所需参数的计算结果输出到交互式界面，以方便使用。
　　(4)超大断面单拱大跨地下结构的围岩压力计算
　　依托新京张城际铁路八达岭地下车站的单拱大跨侧式站台方案，分析了多种传统围岩压力计算方法在超大断面单拱大跨地下结构中的适用性，然后对不同地质强度指标(GSI)及跨度下的单拱地下结构进行了数值模拟并进行比较分析，在此基础上，结合Q系统中计算围岩压力的方法，提出了基于地质强度指标(GSI)的能够快速估算超大跨度深埋地下结构围岩压力的估算方法。最后收集在国内外50多工程中采集的围岩压力，与新的估算方法获取的结果进行对比分析，得出该方法不仅可以为工程设计人员及现场工作人员提供设计计算依据，还可为相关研究人员提供理论参考。
　　(5)超大断面洞群地下结构围岩稳定性模型试验研究
　　依托新京张城际铁路八达岭地下车站的四洞侧式站台方案，对洞群的开挖进行了模型试验，采集了开挖时周边的围岩压力变化数据，并结合数值模拟结果进行对比分析。然后针对不同情况下（开挖洞室的大小、洞室的开挖间距）地下洞室结构间开挖的相互影响进行了研究。最后，综合群洞效应对地下结构围岩稳定性的影响因素，提出了一套可以评价岩体地下群洞开挖风险的评价系统。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩体性能指标的研究

1．2．2 岩体性能指标与岩体力学参数间关系研究

1．2．3 超大断面及洞群地下结构围岩稳定性研究

1．3 主要研究内容及创新性

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要研究成果及创新性

1．3．3 研究技术路线

2 基于空间插值法的岩体RQD预测

2．1 岩石质量指标RQD

2．2 黑塞矩阵及空间标准化处理

2．2．1 黑塞矩阵(Hessian Matrix)

2．2．2 主要黑塞方向(principal Hessian direction)

2．2．3 三维地理空间坐标转换方法

2．2．4 空间坐标标准化处理

2．3 变异函数与克里金插值法

2．3．1 变异函数(variation function)

2．3．2 变异函数的拟合曲线与套合

2．3．3 克里金插值法原理(Kriging)

2．4 基于空间插值的RQD估算方法

2．5 八达岭工程应用及R语言程序编写

2．5．1 工程概况及钻探情况

2．5．2 R语言编程计算

2．5．3 结果对比分析

2．6 小结

3 基于混合效应模型的岩体GSI指标预测

3．1 地质强度指标GSI(Geological Strength Index)

3．1．1 GSI分级系统

3．1．2 GSI的适用条件

3．1．2 GSI在数值模拟上的应用

3．2 GSI指标量化

3．2．1 常用的GSI量化公式

3．2．2 基于RQD与结构面条件的GSI量化

3．2．3 量化的GSI与修正后图表的检验

3．2．4 基于RQD与结果面条件衍生的量化公式

3．3 基于混合效应模型的GSI指标预测

3．3．1 混合效应模型简介

3．3．2 基于混合效应模型的GSI指标预测

3．3．3 方法的可靠性验证

3．4 R语言程序编写及在八达岭工程应用

3．4．1 八达岭地下车站地质调查概况

3．4．2 R语言程序编辑在八达岭车站应用

3．5 小结

4 岩体力学参数的确定方法

4．1．1 Hoek-Brown岩石强度准则

4．1．2 Hoek-Brown岩体强度准则

4．2 现场采样岩石实验室试验

4．2．1 劈裂试验

4．2．2 单轴压缩试验

4．2．3 三轴压缩试验

4．2．4 试验获得力学参数计算及误差分析

4．3 岩体强度确定及岩体弹性模量经验公式修正

4．3．1 岩体强度确定

4．3．2 弹性模量的经验公式

4．3．3 弹性模量的经验公式的修正

4．4 基于R语言的编程

4．4．1 工程参数的选取公式选用汇总

4．4．2 编程及可视化界面布置

4．5 小结

5 超大断面深埋地下结构围岩压力

5．1 八达岭地下车站单拱大跨方案数值模拟

5．1．1 八达岭地下车站单拱方案

5．1．2 模型建立

5．1．3 参数确定

5．1．4 模拟结果分析

5．2 不同围岩压力计算方法在八达岭地下车站的应用

5．2．1 传统经验围岩压力计算方法比较

5．2．2 不同围岩压力计算方案在八达岭地下车站计算结果分析

5．2．3 不同围岩压力计算方案随跨度的影响

5．3 不同跨度及地质强度指标(GSI)下围岩压力研究

5．3．1 不同地质强度指标下计算参数确定

5．3．2 不同跨度开挖模型建立及开挖工法选择

5．3．3 结果分析

5．4 基于地质强度指标(GSI)的围岩压力估算公式

5．4．1 估算公式建立

5．4．2 估算公式与工程实测围岩压力比较分析

5．5 小结

6 群洞效应对超大断面地下结构稳定性影响

6．1 模拟洞群开挖模型试验

6．2．1 八达岭地下车站四洞方案

6．2．2 试验方案设计

6．2．3 试验过程

6．2．4 试验结果分析

6．2 群洞开挖数值模拟

6．2．1 模型建立

6．2．2 参数确定

6．2．3 模拟结果分析

6．3 不同情况下群洞间的相互影响

6．3．1 开挖洞室大小对已开挖洞室的影响

6．3．2 不同开挖间距对已开挖洞室的影响

6．4 超大断面地下洞群开挖结构稳定性风险评价系统

6．4．1 评分项目选定

6．4．2 评分系统设计R语言编程

6．4．3 评分系统在八达岭群洞方案中的应用

6．5 小结

7．1 主要结论

7．2 展望

参考文献

附录

索引

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集