高等岩石力学 高地应力区隧道岩体工程问题 邓荣贵

高等岩石力学

高地应力区隧道岩体工程问题

指导教师：邓荣贵教授 学生： 学号：

目录

1研究背景............................................................................................................. 1 2 高地应力区隧道硬岩岩爆工程问题................................................................ 2

2.1 岩爆现象的认识..................................................................................... 2 2.2 岩爆分类研究......................................................................................... 2 2.3 岩爆强度分级研究................................................................................. 3 2.4 岩爆形成机理研究................................................................................. 3 2.5 岩爆预测研究......................................................................................... 5

2.5.1 强度理论预测.............................................................................. 6 2.5.2 能量理论预测.............................................................................. 7 2.5.3 刚度冲击理论预测...................................................................... 8 2.5.4 数学预测...................................................................................... 8 2.5.5 损伤理论...................................................................................... 9 2.5.6 以探测技术为基础的岩爆预测................................................ 10 2.5.7 根据特殊的地质现象进行宏观预测........................................ 10 2.6 岩爆的防治研究................................................................................... 11

2.6.1 改善围岩的物理力学特性........................................................ 11 2.6.2 改善围岩应力条件.................................................................... 11 2.6.3 加固围岩.................................................................................... 11 2.6.4 改进施工工艺............................................................................ 11

3 高地应力区软弱围岩隧道工程大变形问题.................................................. 12

3.1 大变形现象........................................................................................... 12 3.2 大变形的机理与分类研究................................................................... 13 3.3 大变形预测........................................................................................... 16

3.3.1 挤出预测.................................................................................... 16 3.3.2 膨胀变形预测............................................................................ 19 3.4 大变形防治........................................................................................... 20 4 存在的问题...................................................................................................... 23

5 学习高等岩石力学的思考.............................................................................. 24

5.1 收获....................................................................................................... 24 5.2 对课程的希望和建议........................................................................... 26

1研究背景

目前，隧道工程己经向“长、大、深、难”方向发展。因而，由于地质灾害、大断面、高地应力、围岩软弱、硬岩、节理裂隙发育、涌水突泥、瓦斯等问题，越来越多的隧道工程的设计与施工遇到了巨大的困难。其中，高地应力、软弱围岩大变形和硬岩岩爆问题是经常遇到且最难解决的问题。

对于埋深大或构造应力复杂的高地应力隧道，开挖后围岩受到高地应力作用的特殊作用，岩体被挤压、拉裂从而产生松弛、蠕变，往往会产生岩爆、大变形等诸多问题。工程中，软弱围岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体，具有软、弱、松、散等低强度的特点，承受荷载的能力极低。在一定地应力水平(或埋深)条件下，对软岩(当围岩级别较高时)隧道施工极易发生塌方及较大的塑性变形。岩爆一般是地下工开挖过程中在高地应力条件下，硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异，储存于岩体中的弹性应变能突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。它直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，己成为世界性的地下工程难题之一。

在塑性围岩中，高地应力的存在将导致围岩产生塑性挤出，洞身变形，初期支护严重破坏；拱顶下沉，拱脚、边墙被挤压移位，喷混凝土开裂。因此有必要对隧道大变形进行研究，以便于进行合理的设计，减少投资。

深埋特长隧道工期长、造价高，施工难度大，且多为穿越山岭等地质构造复杂区域，有深埋特长隧道特有的高地应力、硬岩岩爆、围岩大变形、高压涌水等关键问题。在深埋特长隧道的修建中，正确的判断和预测隧道修建中的各个关键地质问题，是关系到隧道修建成败或投资控制的关键因素。

分析预测岩爆及围岩大变形的关键一方面是岩体力学性质，特别是在高地应力条件下岩石的力学性质如何是其中的核心问题。

国内外许多专家学者已对高地应力、软弱围岩、硬岩等问题做了大量研究工作，但在地下工程计算理论中仍然存在不少问题。尤其是对于我国西北地区广泛存在的高地应力、软弱围岩等特殊地质条件下的结构荷载问题，很难通过理论方法获得解析解。比如，在高地应力软岩隧道中，理论与数值分析中围岩参数和本构模型选取等常常具有经验性或难以确定性，计算所得开挖支护后围岩与结构的受力变形规律难以符合工程实际等。针对这一现实问题，结合工程中出现的问题

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关系，表达式简单，并在工程中取得了一定的成果。但是该理论并未考虑能量的积聚和转移，即是只能阐明岩体是否破坏，不能回答岩石的破坏是稳定破坏还是失稳破坏。岩石的抗压强度主要是通过室内单轴试验得到，离散性很大，特别是当有微裂隙发育影响岩石的抗压强度时从公式可以得到抗压强度越低岩爆烈度反而越大，笔者认为强度理论应该限定岩石的抗压强度在一定的范围内或者说应该考虑岩体的结构面的影响，再进行岩爆烈度预测会更接近实际情况。 2.5.2 能量理论预测

波兰A.Q.Kidybinski提出采用岩爆弹性应变能指数（Wet）判据法判断和预测岩爆，其测定方法是：用岩石单轴抗压强度试验，将试件加载到其峰值强度的70~80%，然后卸载。达到峰值强度以前积累的弹性应变能?sp和耗损的弹性应变能?st之比值，定义为岩爆倾向性指数Wet（?sp、?st为加、卸载应力—应变曲线下包围的面积），示意图见图2-1。其评判依据为Wet?2无岩爆，

2.0?Wet?5.0轻微到中等岩爆，Wet?5.0为强烈岩爆。根据单轴压缩条件下岩石达到峰值强度以前所储存的弹性能W的大小来预测岩爆。Wet??c2(2Es)，式中?c为单轴抗压强度，MPa；Es瓦为卸载切线弹性模量，MPa。W?40kJ/m3

40?W?100kJ/m3为中等岩爆；100?W?200kJ/m为强烈岩爆；为弱岩爆；

W?200kJ/m3为极强烈岩爆。

图2-1 单轴卸荷应力一应变曲线

能量理论的基本观点可总结为：围岩系统在其力学平衡遭到破坏时，如果岩

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体所释放的能量大于岩体破坏所消耗的各种能量，即认为产生岩爆。能量理论在一定程度上反映了岩爆的实质，评判依据简单，作为定性预测起到了一定的积极作用，但是能量理论考虑到在岩石的破坏过程中还伴随着有其它的能量释放（如声能、热能等），因此用此观点得出的结论往往放大了岩爆的烈度。另外采用的评判依据是室内岩石单轴加卸载试验得到，因岩石为各向异性，试验数据的离散性很大，往往不易得到理想的卸载曲线，加上岩石处在三向应力环境中，采用单轴试验与实际工作条件存在一定的差异，因此也注定了其应用的局限性。 2.5.3 刚度冲击理论预测

Cook和Hojem认为当广义岩石力学系统中非破裂体的刚度K小于破裂体的瞬时刚度Ks将会产生岩爆。刚度理论揭示了岩爆发生的原因，对于工程实践具有重要的指导意义。但刚度理论没有反映出岩爆力学系统的动力过程。有些文献中指出应用岩石的脆性指数预测岩爆，即岩石峰值强度前的总变形Lf了与永久变形Lb之比来描述，脆性指数越大，岩爆越强烈，具体对应关系见表1-2。另一种表示方法就是用岩石的单轴抗压强度?R与岩石的单轴抗拉强度?t的比值B来表示。唐礼忠分析了前两种方法的不足，提出一种新的预测方法，评价指标

B?(?r?T)?(?f?b)，其中?f为峰值前的总应变，?b为峰值后的总应变。具

体对应关系见表2-2。

表2-2 刚度冲击理论岩爆判据表

可以看出刚度冲击理论表达式简单、直观，它主要考虑的是引起岩爆发生的内因岩石特性，而且没有反映岩爆的力学系统的动力过程，特别是刚度理论中结构的刚度无统一的计算式，而冲击理论中岩石特别是硬脆性岩石的峰值强度以后的曲线不易得到，所以这一理论的应用受到了限制。 2.5.4 数学预测

模糊数学综合评判预测：岩爆是受多种因素制约的模糊问题，其内在联系很难用

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一个精确的数学公式加以表达；谭以安、王元汉、谢学斌等人采用模糊数学综合评判方法，选取影响岩爆的一些因素(诸如地应力大小、岩石抗压和抗拉强度、岩石弹性能量指数、岩体结构与水文地质特征等)，对岩爆的发生与否及其烈度级别进行预测，并取得了一些成果。宫凤强等引入马氏距离，建立距离判别分析模型对隧道岩爆进行预测，但是并不能对岩爆的烈度大小进行预测。

BP神经网络预测法：BP网络是误差逆传播网络的简称。它由输入层、隐层和输出层组成，每层有若干个神经元组成。输入层用来接受外界信息，输出层对输入层信息进行判别和决策，中间的隐层用来表示和存贮信息。采用人工神经网络进行岩爆预测，能够使实测的资料个别误差不会对预测结果产生很大的影响,同时方法可以综合考虑更多的影响因素，国内外学者从积累的工程实例中抽取岩爆模式特征，建立输入模式输出模式对，采用自学习的方法建立从输入模式到输出模式的非线性映射，并进行推广，由网络推理出待识别岩石岩爆发生的可能性和烈度。

统计分析宏观预测法：钟云光等认为，根据前述岩爆的特征、产生的规律及结合人工听声等大量的观察统计，及时进行分析可以预测岩爆发生的部位、在断面上的位置、发生时间、破坏面特征、岩爆块的大小等。

谢和平、Coughlin利用分形几何和损伤力学研究了岩爆诱发的微地震，当接近一个主岩爆时，微地震事件的集聚程度明显增加，并相应地出现分形维数值的减小。最低的分形维数值通常出现在一个主岩爆临近产生之时。这样，分形维数的变化就有可能用来进行岩爆的预测预报。单哓云等认为，岩爆过程释放能量的一部分以声波形式传播，这种现象称为岩石声发射，可以利用突变理论对声发射参数进行处理，建立岩爆预测预报模型，从而对岩爆进行预测。 2.5.5 损伤理论

1982年Krajcinovie就提出了一种统计损伤模型，刘小明、潘一山等人认为岩石弹性模量E和峰后降模量?之比是决定洞室稳定性的重要参数，E?越小，即岩石脆性越强，发生岩爆的临界载荷越小，相应的临界损伤区深度也越小，洞室就越容易发生岩爆。而E?越大，即岩石脆性越弱，塑性越强，则发生岩爆的临界载荷越大，相应的临界损伤区越大。当E???，即对应于理想弹塑性材

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料,临界载荷P*??，即不能发生岩爆。同样临界载荷随摩擦角功的变化也有类似的规律。

2.5.6 以探测技术为基础的岩爆预测

根据付小敏和刘正雄资料，无论是室内试验，还是现场初步监测结果，都表明：声发射信号急剧增加超前岩体（石）的变形破坏，根据这一特点，可以将岩体声发射技术推广应用到岩爆监测预报中去。在国外，Mansurov等提出采用AE技术来预测岩爆。另外也可以采用地质雷达、红外线及微震观测配合地质人员作地质预测预报工作。

2.5.7 根据特殊的地质现象进行宏观预测

岩爆的发生不仅取决于地应力条件，而且还与岩性及其分布特征、岩体结构、断裂和地下水状况等其它特殊地质现象有关。这些特殊的地质现象诸如：钻孔岩芯饼裂现象；现场大剪试验或表面应力解除时，岩体四周被解除后，底部会自动断裂，甚至会被弹起，并伴有断裂声；应力一应变曲线异常等。侯发亮认为，岩爆虽然多发生在水平构造应力较大的地区，但如果洞室埋深较大，即使没有构造应力，由于上覆岩体效应，洞室也可能会发生岩爆，并提出只有自重应力情况下的岩爆发生的临界埋深为Hcr?[0.38Rb(1??)]/[(3?4?)?]，式中?为泊松比；?为岩石重度。李忠、谭以安认为只有结构面发育适中的岩体，才能在岩体中聚集大于岩爆所需的能量，结构面太少或过多都不易产生岩爆，根据岩爆实录提出节理数为4-6条最易发生岩爆。

以上诸多岩爆预测判据在实际工程中被广泛应用，并取得了一定的效果。然而，岩爆的产生是多种因素共同作用的结果，仅对影响岩爆发生的某一个因素进行讨论，必然会产生片面性和局限性。因此岩爆的预测要综合多个因素进行讨论，笔者认为岩爆的产生有岩石特性决定的内因及环境条件及外力扰动的外因，因此进行岩爆预测主要考虑的几个核心理论是强度理论、能量理论、刚度冲击理论，其它大部分理论是该三个理论的延伸或发展，但是如何利用该三个理论对岩爆进行预测还没有一个好的关系式，或者说并没有一个理论能够在某一方面完全解释岩爆。这就决定了借助计算机的多因素综合模糊数学综合评判方法及人工神经网络预测岩爆将会被广泛应用到生产实践中，关键是需要运用各种理论解决好各因素的权重分配问题。

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2.6 岩爆的防治研究

针对岩爆的发生机制，采用针对性的防治措施，可以防止岩爆发生或降低岩爆烈度级别。目前施工中常从以下几方面考虑： 2.6.1 改善围岩的物理力学特性

主要措施是爆破后立即向掌子面及附近洞壁喷洒高压水或利用炮眼及锚杆孔向岩体深部注水，目的是降低围岩强度，增强其塑性，减弱其脆性，释放应变能并将最大切向应力向围岩深部转移,降低岩体积聚应变能的能力，最终降低岩爆的剧烈程度。 2.6.2 改善围岩应力条件

根据国内外施工的工程经验，岩爆地段采用钻爆法施工时，如果采用短进尺掘进，减少药量，控制光爆效果，可减少围岩表层应力集中现象。轻微、中等岩爆段尽可能采用全断面一次开挖成型的施工方法，以减少对围岩的扰动，降低应力集中程度。强烈以上的岩爆地段，必要时也可采用分步开挖的方法，以降低岩爆的破坏程度，但在施工中应尽量减少爆破震动触发岩爆的可能性。采取超前钻孔应力解除、松动爆破或震动爆破等方法，可以使围岩应力降低，能量在开挖前释放。 2.6.3 加固围岩

对不同烈度的岩爆一般采用不同的加固处理措施。山民江太平驿水电站地下开挖工程和二郎山公路隧道岩爆地段采取了锚喷支护的方法加固围岩，在施工实践中取得了良好的效果。福建九华山隧道洞内缓爆型岩爆的地段，主要采用喷浆法处理，采用较高标号的混凝土，将隧道表层破裂岩体联固；隧道洞内速爆型岩爆的地段，则主要采用喷射混凝土或钢纤维混凝土结合布设系统锚杆的处理方法。喷射混凝土或钢纤维混凝土则要等岩爆的两个破坏阶段结束后才能开始，一般喷射三次，在未喷射混凝土前，临时加挂高强度尼龙绳网来降低岩爆产生的破坏力，在施工中取得了良好的效果。 2.6.4 改进施工工艺

该方法主要用于隧道中预计可能发生岩爆的洞段内，通过人工进行垂直于掌子面的超深钻孔施爆作业，在掌子面内形成一个相当深度的破碎带，以减轻掌子面上的压力，从而降低岩爆发生的可能性和影响范围。采用光面爆破，减少周边

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孔径，使用小药卷和高端毫秒雷管，降低同段起爆药量，尽量消除隧道内爆破作业诱发岩爆的因素，并使开挖掌子面周边基本圆顺，减少隧道壁上岩体表面聚能结构的数目，尤其要避免出现棱角状突起或凹面，以防止产生新的局部应力和能量的聚集。并对于隧道壁中己经松动的岩块基石清除，减少岩爆岩块的数量。

3高地应力区软弱围岩隧道工程大变形问题

隧道工程围岩大变形作为一种严重的地质灾害，对隧道工程建设产生严重的影响，一旦发生围岩大变形，将给工程建设带来相当大的损失，引起了国内外学者的广泛关注，国内外学者在理论和生产实践中做了不少的探索工作，但由于现场地质岩体状况复杂性，大变形理论的研究不尽成熟，目前的研究工作主要在以下方面。

3.1 大变形现象

对于大变形的定义，徐则民等根据大变形的6个特征对大变形进行了概括描述，何满潮认为大变形可分为弹性大变形和塑性大变形，软岩的大变形问题是一个塑性大变形问题，塑性大变形区别于弹性大变形和小变形的显著标志是前者与过程紧密相关，喻渝从围岩变形量上给大变形作了界定，认为围岩变形量超过正常规定的2倍，围岩变形为大变形。然而翁汉民认为，不能从变形量的绝对值大小来定义大变形问题，而其本质是由剪应力产生的岩体的剪切变形发生错动、断裂分离破坏,岩体将向地下空洞方向产生压挤推变形来定义大变形。张祉道认为当采用常规支护的隧道由于地应力较高而使其初期支护发生程度不同的破坏且位移值与洞壁半径之比达到一定值时，就叫发生了大变形。Saari也是根据隧道的切向收敛值与隧道初始轮廓线的比值，即用隧道的相对变形量来定义大变形，并提出了评价标准。

由此，可以看出，对于围岩大变形的定义国内外还并没有完全统一的定义，笔者认为，定义大变形应该同时考虑围岩的绝对变形量和相对变形量，绝对的变形量应该与隧道的不同建筑限界的要求而定，而相对变形量可以考虑隧道的变形与洞径的关系，这样才能更好地为大变形预测和设计提供依据。

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3.2 大变形的机理与分类研究

现有的研究表明，发生大变形的围岩一般被称为软岩、挤出性围岩或膨胀岩。相应的分类主要体现在以下几个方面：软岩在高地应力作用下的挤出剪切变沁，膨胀性岩石在遇水条件后发生膨胀变形后挤出变形，施工期的大变形及长期的结构流变。

张祉道认为大变形的机理是在软岩中开挖隧道后应力发生重分布，在应力调整过程中其应力水平大于围岩体的强度后发生塑性剪切变形。刘泉声等根据Terzighi的有效应力原理认为深部岩体处于很高的水头压力作用下，围岩体内渗透压力很高。在断层、破碎带及节理裂隙发育地段，由于巷道开挖后形成出水口，致使巷道表面一定深度范围内水流速度大大加快，孔隙压力降低幅度很大，围岩体内有效应力大大提高，因而使得这些地段本来就软弱的岩体产生破坏失稳。卿三惠等根据乌鞘岭特长隧道大变形的实例分析认为大变形与高地应力、围岩强度、支护措施及施工方法等因素有关。认为围岩压力超过岩石（岩体）的极限抗压强度时，岩石（岩体）将发生变形破坏。并认为，深埋高地应力及软弱围岩是隧道产生大变形的内因，初期支护力度不足及施工方法不当等是外因，两者共同作用产生了隧道围岩大变形。何满潮等根据各种类型的大变形总结后认为其变形机理是围岩与支护结构强度和刚度不祸合，大变形失稳是一个渐近过程，是先从一个或几个关键部位发生变形破坏，再逐渐扩展到整个工程破坏。提出应将软岩从地质软岩和工程软岩分别定义。并按照软岩产生塑性变形的机制不同将软岩分为膨胀性软岩(或称低强度软岩)、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩，并在此基础上又分了13种亚类。张志强、王明华等也对含软弱夹层岩体对洞室稳定性影响进行了分析。

陈宗基教授认为围岩收敛变形机理应包括塑性楔体、流动变形、围岩膨胀、扩容、挠曲五个方面。郭敲良等通过对乌鞘岭隧道变形情况进行研究后，认为隧道围岩大变形是在较高的构造应力与上覆重力共同作用下，软弱围岩不能承受该作用力，由于软弱岩层的自身承载强度很低，而高压作用下的流变性较强，因而导致持续性的大变形。姜耀东等根据现场观测、物理模拟和数值模拟总结出软岩巷道底鼓的机理为：整个巷道都位于松软碎裂的岩体内时，由于围岩应力重新分布和远场应力的作用，底板破碎岩体的挤压流动性底鼓或在高应力下使底板岩层

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形成剪切破坏楔块的剪切错动性底鼓和底板为膨胀岩时，遇水膨胀的膨胀性底鼓。吴和平等认为在软弱岩层或不良岩层中开挖隧道或巷道，软岩本身存在流变变形的特性，失稳破坏与时间因素有关，是软岩蠕变导致岩体内裂缝扩展，最终导致围岩的破坏失稳。

郭富利等结合宜万铁路堡镇隧道分析了含有软弱夹层围岩变形破坏的原因,认为大变形破坏的机理是软弱夹层与较好岩体的弹性模量、厚度不同，弯曲程度不同，导致两种岩层发生离层，在高地应力的作用下，最终发生破坏。

李永林润对二郎山隧道的大变形分析后认为大变形与小变形破坏的区别在变形破坏机理上就存在性质差别，大变形的机理是隧道开挖后软弱围岩从弹性状态向弹塑性状态发展，在高应力作用下再出现破碎台降和剪切台阶并最终导致大变形失稳。

由此可以看出，大变形产生机理主要有膨胀性围岩遇水膨胀剪切挤出作用、高地应力作用下软岩塑性变形和局部水压及气压力的作用，或是单因素的作用，或是多因素的共同作用。可以说岩性条件是发生大变形的内因，而地应力条件及开挖卸荷作用是外因。

大变形都是发生在软岩隧道或相对软岩隧道中，但是，至今岩石工程学界仍未就软岩的概念达成共识，软岩的定义有十几种之多。有的指岩石，如国际岩石力学学会定义的软岩是指单轴抗压强度为0.5~25MPa的一类岩石，如泥岩、砂页岩及泥灰岩和变质岩类的片岩、板岩、千枚岩、蛇纹岩、页岩、煤系地层等类岩石称之为软岩；有的指岩体，如1984年煤矿矿压名词讨论会（昆明）将软岩定义为“强度低、空隙大、胶结程度差、受结构面切割及风化影响或含有大量易膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层（体）”。有的学者定义的软岩除了强度低的岩体外还包括了高度碎裂化岩体,如断层破碎带岩体等。

大变形是相对正常变形而言的，不同的国家规定了设计的预留变形量，如表3-1所示，有的国家和地区还基于此提出了大变形的分级标准。

表3-1 挤压性隧道的大变形预留变形量

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喻渝从变形量出发,取预留变形量的0.8倍作为正常变形值的上限，取上述正 常值的2倍作为大变形的上限。刘志春的分级标准考虑的因素较全面，结合乌鞘岭隧道的特点将大变形分级标准分为设计和施工两个阶段，在设计阶段根据围岩力学参数及地应力测试结果，确定了大变形的分级标准如表3-2所示，在施工阶段结合围岩物理力学指标、现场量测及理论分析结果，分别考虑相对变形、强度应力比、原始地应力、弹性模量、综合系数及围岩支护特征采用综合指标确定大变形标准如表3-3所示。

表3-2 设计阶段大变形分级标准

国内外的学者从影响大变形的多种因素出发，根据预测的大变形特征进行了多种分类标准，主要的分级标准如表3-4表3-7，但是本人认为，大变形的分级应该与大变形的定义统一，应该与隧道的建筑限界要求为参考进行分类。

表3-3 施工阶段大变形分级标准

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3.3 大变形预测

围岩大变形的预测是大变形研究中最重要的内容，尽管在这方面的研究己经积累了一些研究成果，然而，这方面的研究仍然是大变形研究领域中最薄弱的环节。导致围岩大变形的主要因素是岩石物理力学特性、岩体结构和围岩应力集中程度，其中软弱岩体，或者断层岩及破碎带，并且围岩集中应力较高的围岩容易出现大变形。基于此，隧道围岩大变形可能性的预测分析主要有两种方法：一是根据隧道围岩类别及其力学特性和围岩应力集中值，利用塑性理论和流变理论分析围岩流动变形量值，预测围岩产生大变形的可能性；二是建立软弱围岩及其附近相对坚硬围岩共同构成的结构力学模型，利用弹塑性和粘弹塑性数值模拟计算围岩流动变形量值，预测围岩产生大变形的可能性。大变形的预测方法总结起来可分为挤出预测和膨胀预测两大类。 3.3.1 挤出预测

Muirwood提出用坚固系数来预测隧道围岩稳定性（挤出），坚固系数被定义为单轴抗压强度和上覆围岩自重应力?H的比值。后来，这一参数在日本被用以进行软岩隧道围岩切应力或垂直土应力与单轴抗压强度的比值。

Saari把挤出现象视为岩石的弹—粘—塑性行为，并以此为基础进行了一些数值分析，对某些特殊情况给出了收敛解，提出用隧道的切应变??来识别和预测岩石挤出，发生挤出的临界应变值为1%。

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???u/R

式中，u为隧道轮廓线的切向收敛值，R为轮廓线的初始半径。 但是，它的模型没有考虑应变过程中介质强度的衰减。

Aydan总结其它学者提出的挤出判别标准及其它参数,将大变形隧道的围岩特征综合表示为

② 固系数应小于2;挤出发生的时间与坚固系数有关,该系数越小,则挤出越快；

②围岩切应变应该大于1%；

③岩石含水率一般应大于25%，但对于岩石挤出而言,空隙度比含水率重要得多，因为随着空隙度增大,岩石强度会迅速衰减；

③ 道围岩多为成层的沉积岩,岩石中一般含有具有膨胀特性的粘土矿物。 Aydan等认为，实验室条件下，岩石的应力—应变关系与开挖条件下隧道围岩对切应力的响应具有相似性，在对日本己经发生大变形的隧道进行广泛调查的基础上，根据单轴压缩或低约束压力条件下得出的岩石应力—应变曲线特征，提出了利用切向相对应变来预测大变形，认为，对于一个完整的试验过程，可以假定岩石变形经历弹性阶段、硬化阶段、屈服阶段、弱化阶段和流动状态5个阶段，根据室内或现场单轴或（低围压）三轴试验中岩石所表现出的5个状态，可以对隧道围岩的挤出潜势和变形程度进行预测，具体的分级标准如表3-4所示。

Tanimoto把挤出归结于围岩的弹—塑性行为，认为当岩石变形达到残余塑性状态（流动状态）时，便会发生挤出。

日本学者Viladka提出以隧道埋深和围岩质量作为预测指标，发生大变形的隧道埋深临界值为：

H?3500Q1/3

岩体质量系数Q为:

Q?RQDJrJw??JnJaSRF

式中，Jn为节理组数系数；Jr为节理面粗糙系数；Ja为节理蚀变系数；Jw为地下水折减系数，SRF为地应力折减系数。

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另外,在《铁路隧道设计规范》(TB1003-2001)中采用以岩石单轴抗压强度（Rc）和最大地应力（?max）来判断大变形，认为Rc/?max小于4时为极高应力，有大变形；Rc/?max为4~7时为高应力，有显著变形。

该两种方法都是一些基本的参数不好采集，受到限制，如岩石RQD及Rc值，在岩体破碎段很难得到，并且不能给出其大变形程度。

铁二局以应力强度比、原始地应力及相对变形量为指标预测大变形,并确定了隧道的大变形分类标准，见表3-4。徐林生侧以隧道的变形量及相对变形量为依据，提出公路隧道围岩大变形的划分依据如表3-5所示。

表3-4 挤压性隧道的大变形预测分级标准

表3-5 公路隧道围岩大变形分级方案

张社道参考Hoek及Mar1inos的研究，采用弹塑性理论推导出用地应力与岩体参数及支护力洞壁位移Ua再与洞径a之比来现场判定圆形公路和铁道隧道大变形等级，其预测指标如表3-6所示。

表3-6 大变形等级之现场判定

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但该方法主要运用的是几何线性理论得到，对于破碎岩体在深埋隧道应该采用几何非线性理论进行计算，因此与实际发生情况可能存在一定的差距。

日本采用相对应变判断围岩的挤出程度，如表3-7所示。

表3-7 围岩挤出程度的分级标准

刘志春将大变形分级预测分为设计和施工两个阶段，在设计阶段根据围岩力学参数及地应力测试结果对大变形进行预测，采用的预测指标如表3-2所示，在施工阶段结合围岩物理力学指标、现场量测及理论分析结果，分别考虑相对变形、强度应力比、原始地应力、弹性模量、综合系数及围岩支护特征采用综合指标对大变形进行预测，采用指标如表3-3所示。

王树栋根据宜万铁路堡镇隧道，利用BP神经网络和遗传算法，结合现场测量的数据训练对隧道进行了大变形预测。张俊艳等提出采用RBF神经网络方法，结合实际工程，根据隧道监测所得到的信息，对隧道施工围岩变形进行预测。但是该两种方法要以现场实测的数据为训练依据，在勘察设计阶段的预测受到限制。

沈振中利用块体系统分析法，采用DDA离散元方法模拟水工洞室开挖后的变形。朱以文等将增量流形法推广到岩石大变形中，建立了大变形分析的增量流形元的计算公式，模拟了具有节理、裂隙的岩石大变形问题，并取得了一定的成果。

3.3.2 膨胀变形预测

1914年，Wieslnann首次研究了瑞士Hauenstein隧道的膨胀预测问题；此后，各种各样的分析预测模型被相继提出。这些分析方法可以为结构设计提供一定的依据，但不能解释所观察到的全部变形现象，也不能预测变形的全过程。此后，

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Gysel及wittke等，将膨胀问题视为连续介质力学问题，形成完善的应力一应变关系，这些关系和平衡方程及兼容性方程一起构成了解决特定边界和初始条件下的膨胀问题的理论框架。

Anognostou（1993）认为，连续力学介质模型将膨胀视为一种纯粹的应力分析问题，在模拟实际观测到的隧道膨胀变形方面存在不足，不能解释隧底变形而拱部和边墙无变形的问题，并提出了一个更为完善的膨胀岩模拟和预测模型。该模型的理论要点包括以下几方面的内容：

①考虑（地下）水的运动：合理的膨胀岩隧道计算模型应该考虑（地下）水的运动，渗流方程必须和应力分析方程同时考虑。在这样的水一力藕合模型中，位移场取决于水头场，当然也就与边界条件密切相关。由于边界条件的不对称，隧底和拱顶的水头分布应该是不同的，这样就使得模拟边墙和拱顶稳定条件下的底鼓成为可能。

②应力—应变关系：膨胀岩可以用满足M—C破坏准则的弹性—完全塑性材料来模拟，但是由于标准的线弹性或完全塑性的模型不能模拟实际变形的某些重要特征，一般的弹—塑性材料的应力—应变关系被拓展到容许膨胀的各向异性与应力之间的对数关系等。

张玉军等给出了一个流变—膨胀性岩体的计算模型并采用有限元数值方法计算了分析了山西省引黄入晋工程某输水隧洞围的膨胀性围岩的稳定性问题。

由此可以看出，对于膨胀变形地段，理论研究还不成熟，研究者们还只是一种定性的预测，并未给出一定量分级预测的办法。

虽然很多学者对大变形的各种因素都做了不同的研究，能够预测到可能产生大变形的围岩区段及其严重程度；对大变形的预测也都基本上只是单纯考虑的一次开挖贯通，再以治理的情况，未考虑到开挖过程中掌子面对已开挖洞段围岩的空间效应及开挖后的长期影响时间效应，更未考虑完整岩体中与断层破碎带接触带附近的变形情况。随着计算机在工程的应用的增加，利用计算机辅助工具考虑多因素的情况下进行预测是将来的发展趋势。

3.4 大变形防治

大变形的防治根据其变形的机制不同，分别采用不同的防治措施，对于膨胀型围岩大变形主要的防治的措施比较公认的一种办法就是及时封闭，防止地下水

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渗入，并适当支护即可。对于在高地应力下的软岩挤出性变形，国内外学者提出了多种防治措施。

杨建平分析了含软弱夹层的深部软岩巷道后，提出在深部软岩巷道中，及时支护和锚索支护方式更为合理，可以有效控制巷道围岩变形。郭啟良等通过对乌鞘岭隧道变形情况进行研究后，也提出了选择适当的时机进行支护，围岩的支护设计应留有一定的变形量，允许围岩适度变形，使得围岩应力适量释放。在流变大变形之前，围岩尚未丧失其承载强度时，及时进行衬砌支护。

何满潮以徐州矿区深部煤巷围岩结构体为研究对象，通过理论分析、数值模拟、现场试验得到通过对巷道围岩顶板、两帮、底角3个部位采取控制措施，改变3个部位的应力状态及变形量来实现对底板的控制，取得了较好的成效。具体的方法是在关键部分施加锚索，减少顶板松动岩体通过两帮传递到底板上的压力，有效减小底臌量；利用锚网注浆增加两帮岩体强度及减小收缩量，限制两帮对底板两侧形成的固定约束向深处转移，以减小发生底腻的底板宽度；对底角施加刚性锚杆及注浆，分解来自两帮的挤压应力，提高底角抗剪切滑移破坏的强度，控制底臌。

侯朝炯等总结出国内外控制巷道底臌的技术措施的四条原理：（1）增加底板围岩变形的阻力；（2）提高底板围岩的强度；（3）降低底板围岩浅部的应力，使开巷引起的高地应力向围岩深部转移；（4）既降低底板围岩的应力又提高底板围岩的强度。在施工中的具体措施有各种型式的可缩性封闭形金属支架、金属支架与底拱、底板析架、底板锚杆、底板注浆等相结合和各种型式的底板卸压等。

张社道总结了在家竹著隧道大变形整治中的成功经验认为防治大变形的原理和措施有如下几点：（1）改善隧道形状，即根据原始地应力中，水平应力是垂直应力的比值关系，确定隧道边墙的曲率；（2）加大预留变形量，即为防止初期支护变形后侵入模注混凝土净空，加大设计预留变形量；（3）采用特长系统锚杆（8~3m）加固地层高地应力软弱围岩是产生大变形的内在原因，地应力无法改变，但围岩性质可以通过加固而改变。根据初步的计算得到隧道周边塑性区厚度采用长的系统锚杆，以减少围岩的剪切滑移，使洞壁与深部地层连接，提高支护的承载能力；（4）支护结构组成及施工顺序应达到先柔后刚、先放后抗的效果，外层支护应是柔性的喷锚层，应能充许洞壁发生较大变形，以释放地应力，发挥

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围岩自承作用；内层结构应有足够刚度，以抵抗由于长时间流变产生的地层荷载，如采用U29型可缩式钢架、喷混凝土在纵向留纵缝、同时加厚喷混凝土厚度；（5）提高模注混凝土衬砌刚度，如加大衬砌厚度、采用高强度衬砌材料；（6）加强仰拱,加强隧道底部，并使衬砌及早封闭，防止隧底上臌。卿三惠根据乌鞘岭特长隧道的变形规律也提出了类似的控制措施，取得了较好的成效。

刘泉声阔认为，要维护巷道的稳定，首先必须在巷道开挖后尽快恢复和改善围岩的应力状态，将巷道开挖后因二次应力：调整形成的二向应力状态恢复到三向应力状态。并认为适当的锚杆布置方式对巷道的稳定产生一定的影响，采用锚杆与滑移面呈±22.5°布置的支护效果好，光面爆破是确保高强锚杆有效支护的一项关键技术措施。当在巷道掘进开挖过程中遇有明显渗水时，应立即停止掘进，采用渗透性好、固化快、固结强度高的注浆材料进行工作面超前注浆，对一定深度内的围岩进行固结处理，以堵死水流通道、遏制孔隙压力降低及有效应力增大，同时提高围岩完整性和整体强度。

周宏伟等采用数值模拟及现场实测得出目前的施工工艺是先安装锚杆后喷浆，岩石因安装锚杆和挂网而长时间暴露在空气中，往往由于风化变得疏松，且水的作用使岩层膨胀，锚杆和喷层都可能因岩石质量的恶化而失效。提出实行先喷后锚，即巷道掘进后立即喷射混凝土，及早封闭围岩，并在混凝土中加钢纤维提高支护效果，然后再安装锚杆和挂网，完成一次支护。

何满潮等结国内外的研究现状得出软岩防治措施主要有加强稳定掌子面、加强基脚及防止断面挤入、防止开裂的锚、喷、支，分断面开挖等。

姜耀东等将控制巷道底臌的防治方法概括为加固和卸压2大类，其加固方法中包括带底拱的U型钢可缩性支架、混凝土谴和弧板等全断面支护法以及底板锚杆、底板注浆和锚注结合等加固法2类。卸压方法有巷道周边卸压法，如帮底开卸压槽和底板深部松动爆破等。

吴和平等分析了在高应力下软岩巷道变形破坏机理后提出了4条支护措施：重视巷道断面设计和断面，合理设计底拱矢跨比，做好排水管理，特殊情况加大支护强度；预留卸压，留有一定的卸压空间，允许巷道周边应力峰值向围岩深处转移；科学、合理地选择支护材料和支护参数，采用强度和长度合理的不同种类锚杆，并设计与之配套的托盘等附属构件；采用“锚喷网+注浆加固”支护技术，

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选择合理的施工工艺，一、二次支护融为一体。

李永林根据在二郎山隧道大变形的成功经验总结出治理大变形的治理原则为：（1）打入足够数量和长度的锚杆，穿越产生台阶台降的剪切错动破坏面，增强围岩抗剪切变形的能力；（2）采用分断面或半断面开挖施工方法，控制开挖面积小于产生大变形破坏的“临界”开挖面积；（3）对于很难处理的地段，可对地应力的主强方向凿洞导流，减少地应力对工程隧道围岩的地应力作用；（4）合理使用辅助方法，如加强稳定掌子面，加强基脚等。

相关规范提出了二次衬砌的施作时机以达到控制大变形的目的。何满潮提出了软岩巷道最佳支护时间的概念，刘志春等提出了二次衬砌施作时机的确定方法，便是该方法要求在现场量测数据统计分析后，要对施工总位移进行估算，经验要求较高。

由此可以得到，对于大变形隧道防治可以根据破坏机理不同，采用不同的治理措施，对于膨胀性围岩主要是防止水浸入岩体内，对于高应力条件下的挤压性围岩主要采用加固围岩，恢复其原始地应力条件及卸压降低地应力等级等措施，但是关键的一点是大变形的防治必须在弄清大变形的机理后方能更有效地进行，在考虑开挖的时空效应基础上，充分发挥围岩的自身的强度以达到最理想的支护效果。

4 存在的问题

在岩爆机制研究方面,缺乏针对现场岩爆特征的地质力学模式，因此，岩爆的预测防治往往针对性不强，预测不够准确。

在岩爆预测方面，没有充分考虑岩体结构特别是显微结构对岩爆的影响；在实际的工程应用中，更没有将其作为评判因子之一来综合预测岩爆发生的烈度级别；在现有的研究中大多是对沉积岩、变质岩、及侵入岩，而对流纹岩这类溢出岩与岩爆的关系研究很少。

在大变形方面，目前对大变形还没有明确和统一的定义；在大变形分类方面其理论和实践在认识上不统一，有针对软岩或膨胀性软岩，有针对高地应力条件下的软岩；预测方法单一，可靠性低，没有将各种地质因素综合考虑来预测大变形，在施工中的预测中没有考虑隧道开挖的时空效应。

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岩爆及大变形的产生均与地应力紧密相关，但是地应力的准确获得方法有限，物别是在前期论证阶段更不容易得到。

5 学习高等岩石力学的思考

5.1 收获

本人在导师何川教授的建议下选择高等岩石力学这门课，觉得这门课是基础但又非常重要的课。通过这学期的学习，本人学习到了很多有用的知识，主要知识点有以下几点：

1.工程岩石的地质特性和工程岩体分级，影响岩体工程性质的主要因素有岩石质量、岩体的完整性、岩石风化和水的作用，又结合其本科所学的RQD法（岩体质量指标）；

2.学习到室内岩块试验分析方法，主要有岩块的单轴抗压试验和岩块三轴压缩试验，其中三轴压缩试验分为：静水压缩?1??2??3、常规三轴压缩?1??2??3和真三轴压缩?1??2??3；

3.对岩体天然应力有了全面认识。岩体天然应力等于自重应力与构

?3??v??z??造应力的叠加，因此，岩体天然应力在浅部为：?2???z??Th?，在深部

?1???z?Th???3??z??Th??为：?2???z??Th?。

?1???z?Th??岩体天然应力的测试方法按测试空间分为钻孔内测试及洞内测试和洞内钻孔测试。钻孔中的测试又分为孔径变形法和孔壁应变法。

4.了解了岩石的变形及其影响因素。岩石的变形分为岩石单调加载条件下的变形、循环加载条件下的变形。

其中，我对循环加载条件下的岩石变形留下了深刻印象。在对岩石加载过程中，反复的加载～卸载，变形曲线升降交替出现。岩石显示出如下特征：1.循环荷载较小时，岩石达到破坏时所需要的循环次数较多，反之循环次数少；2. 循

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环荷载越大，岩石破坏前的循环次数越少；3.同样的循环荷载下，随着循环次数的增加，单次循环荷载所产生的应变增大，总应变中弹性变形量减小，塑性变形量增加，即加载曲线变缓，卸载曲线变陡。

5.岩体的变形与强度，一方面取决于它的受力条件；另一方面受岩体本身结构特征及赋存条件，即①组成岩体的岩石材料性质、②岩体中结构面力学性质、③岩体中结构面组合情况，即岩体结构类型，以及④赋存环境的影响，特别是地下水及地应力的影响。利用承压板试验，以及“弹性力学”半空间体界面上的法向有限面上的分布力公式E0?pb(1??2)??0，进行岩体变形测试。

明白了岩体的强度取决于岩块的强度(岩石强度)及结构面的强度，结构面的强度与各种因素有关，如结构面与最大主应力的关系、结构面形态、充填物特征和结构面本身的抗剪强度等。

6.掌握了四种岩石的强度理论：抗拉强度理论、莫尔强度理论、D-P强度理论和格里菲斯强度理论。其中，格里菲斯强度理论从能量释放和应力集中角度去分析，提出了能量法则和应力法则。

7.作为一名隧道专业的研究生，也在这门课上学习到隧道工程中的岩石力学问题。隧道开挖后将产生包括流变在内的变形，当围岩中应力状态超过岩石的承载能力时将会破坏失稳，如果衬砌了围岩就会产生作用在衬砌上的压力，即围岩压力。围岩压力可分为：形变围岩压力、松动围岩压力。因此，围岩压力与原始地应力状态、围岩物理力学特性、岩体结构、支护结构的刚度与强度和支护时间有关。

8.掌握了边坡（斜坡）工程和地基工程中的岩石力学问题。边坡破坏的基本类型有崩塌、滑坡、溜滑，其机理是蠕滑拉裂(坡顶或后缘)、滑移压致拉裂(近水平岩层)、蠕变弯曲破裂型(顺倾或反倾边坡)。针对由两个结构面组成滑面的滑体，且滑动体为完整岩体（刚体），可以采用等K法、非等K法和刚体平衡法。在地基工程中，探讨了岩石地基中应力及竖向承载力、水平荷载作用及水平向承载力。作为均质岩石地基其地基附加应力，地基变形和破坏类型及机理与土力学中的地基问题类似。岩石地基承受水平向荷载的情况虽然没有竖向荷载的情况多，但还是普遍存在的。对于重力坝可以作为平面问题处理，实际工程中坝基结构有四类典型情况

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最为重要的是，除了专业知识的学习，还学习到以岩石力学角度解决问题的思维方式，要以扎实的专业知识去解决工程实际中的问题，将实际工程问题与理论知识进行关联分析，善于运用所学找到产生机理和原因、更好的解决问题，发挥高等岩石力学这门课的作用。

5.2 对课程的希望和建议

尽管通过这门课学到许多岩石力学相关的知识，但是觉得有如下可以改进，以更好的提升此门课的效果：

1.高等岩石力学明显不同于本科土力学所学的基础知识，感觉突然上升一个层次，希望能多布置点课后的学习任务，加强与课堂学习的互动联系，更好的理解吸收课堂知识。

2.希望老师上课把word中扫描的图片转化为文字，或尽量用PPT，既能清晰让同学看到，也能醒目、增大印象。

3.可以偶尔随堂布置下作业，增加互动，调动课堂上的积极性，要不有的同学不够投入。尽管研究生强调课后时间的自主权，我觉得偶尔督促也是有好处的。

4.建议老师在上课时尽量讲普通话，虽然老师用四川话授课可以增加我们的四川话水平，有利于以后在四川接触工程实际，但课堂效率会比较低。

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