高等隧道工程博士入学考试真题(整理版)

1、试阐明隧道围岩分级的工程意义，并结合我国现行行业设计规范（可选择公路、铁路、水利水电等任意行业的一种）说明其围岩分级的方法和原理。

答：经过长期的工程实践，人们逐步认识到不同地质条件下开挖地下洞室时，其围岩有不同的稳定性，即不同的地质条件与围岩稳定性之间存在着一定的联系，根据岩体完整程度和岩石强度等主要指标给予定性和定量评价的基础上，按其稳定性将围岩分为工程性质不同的若干级别，这就是围岩分级（也称围岩分类）。并依照各级围岩的稳定程度制定相应的工程措施，给出最佳的施工方法和支护结构设计，从而为地下工程的设计和施工提供了一定的基础条件。

我国现行公路隧道设计规范围岩分级的综合评定方法采用两步分级：①根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标BQ,综合进行初步分级；②对围岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级基础上考虑修正因素（如地下水、软弱结构面、初始应力状态）的影响，按修正后的岩体基本质量指标[BQ]，结合岩体的定性特征综合评判，确定围岩的详细分级。

根据调查、勘探、试验等资料，将围岩分为6级，给出了围岩或土体的主要定性特征和围岩的基本质量指标BQ。在工程可行性研究和初步勘测阶段，可采用定性划分的方法和工程类比的方法进行围岩级别划分。

2、试分别说明深埋岩质隧道和浅埋软土隧道开挖前围岩的初始应力场特征。

答：围岩的初始应力场包括自重应力场和构造应力场两部分。

自重应力场是指上覆岩体自重产生的应力，构造应力是由于地壳构造运动所产生的应力。

对于水平成层，地面平坦的情况，岩体自重应力场的变化规律；①地应力是随深度呈线性增加的；②水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。

不同的地貌和地质构造对自重应力有不同的影响，深度对初始应力状态有重大的影响。随着深度的增加，水平应力和垂直应力都增大，但围岩本身的强度是有限的，因此当水平应力和垂直应力增加到一定值后，各向受力的围岩将处于隐塑性状态，在这种状态下，围岩的物性值（E和μ）是变化的，λ值也是变化的，并随着深度的增加，λ值趋于1，即与静水压力相似，此时围岩接近流动状态。其应力状态分别处于弹性、隐塑性及流动的3种状态。

由于形成构造应力场的原因非常复杂，因而，它在空间的分布极不均匀，且随时间推移还不断发生变化，属于非稳定的应力场。

构造应力场中，埋深较小时，水平应力和垂直应力的比值λ很大，随埋深的增加，λ值随之减小。

3、阐述隧道结构计算的理论与方法。

答：按照计算理论的不同，隧道结构计算方法可以分为以下三大部分。

（1）刚体力学法。认为地下结构是由一些不变形的刚性块组成的拱结构，所受的主动荷载是地层压力，在极限平衡状态下，结构为由刚性体组成的三铰拱静定体系，拱的位置分别在拱顶和拱脚。利用压力线理论和静力平衡条件计算衬砌结构的内力。

（2）结构力学方法。即是将地层对衬砌结构的作用看作是施加在结构上的荷载（包括主动围岩压力和被动围岩抗力），来计算衬砌结构的内力和变形。事实上，结构力学方法就是岩土工程中的荷载结构法。弹性连续框架法、假定抗力法、弹性地基梁法都属于结构力学方法。

（3）连续介质力学方法。认为衬砌结构和地层一起构成受力变形体，然后按连续介质力学方法来计算衬砌的变形和内力。目前较为成熟的求解方法有解析法和数值法。事实上，连续介质力学方法就是岩土工程中的地层结构法。

4、阐述隧道锚杆及喷射混凝土支护的工程特性。

答：①灵活性。锚喷支护是由喷射混凝土、锚杆、钢筋网等支护部件进行适当组合的支护形式、他们既可以单独使用，也可以组合使用。其组合形式和支护参数可以根据围岩的稳定状态，施工方法和进度，隧道形状和尺寸等加以选择和调整。他们既可以用于局部加固，也易于实施整体加固；既可以一次完成，也可以分次完成。充分体现了“先柔后刚，按需提供”的原则。

②及时性。锚喷支护能在施作后迅速发挥其对围岩的支护作用。这不仅表现在时间上，即喷射混凝土和锚杆都具有早强性能，需要它时，它就能起作用，而且表现在空间上，及喷射混凝土和锚杆可以最大限度地紧跟开挖面施工，甚至可以利用锚杆进行超前支护。

③密贴性。喷射混凝土能与坑道周边的围岩全面紧密地粘结，因而可以抵抗岩块之间沿节理的剪切和张裂。从整体结构上看，喷射混凝土填补了洞壁的凹穴，使洞壁变得圆顺，从而减少了应力集中。

④深入性。锚杆能深入围岩体内部一定深度，对围岩起约束作用。这种作用尤其是以适当密度的径向锚杆群（称为系统锚杆）的效果最为明显。系统锚杆的围岩中形成一定厚度的锚固区，锚固区内的岩体强度和整体性得以提高和加强。应力分布状态也得以改善，其承载能力和稳定能力显著增强。

⑤柔性。锚喷支护属于柔性支护，它可以较便利的调节围岩变形，允许围岩作有限的变形，即允许在围岩塑性区有适度的发展，以发挥围岩的自承能力，喷射混泥土的施工工艺的特点，

使得它能与岩体密贴粘结，且能喷得很薄，故呈现柔性，而且这柔性可以通过分层分次喷射和加钢纤维或钢筋网来进一步发挥。另一方面，锚杆也有一定的延性，它可以允许岩体有较大的变形，甚至同被加固岩体一起整体位移，而仍能继续工作不失效。

⑥封闭性。喷射混凝土能全面及时地封闭围岩，这种封闭不仅阻止了洞内潮气和水对围岩的侵蚀作用，减少了膨胀性岩体的潮解软化和膨胀，而且能够及时有效地阻止围岩变形，使围岩较早的进入变形收敛状态。

5、阐述隧道工程中锚杆及喷射混凝土的支护机理？

答：1、锚杆的作用和效果：

（1）支承作用：即支护承载作用，锚杆能限制约束围岩变形，并向围岩施加压力，从而使处于二轴应力状态的洞室内表面附近的围岩保持三轴应力状态，从而能制止围岩强度的恶化。

（2）加固作用：由于系统锚杆的加固作用，使围岩中，尤其是松动区中的节理裂隙、破裂面得以联接，因而增大了锚固区围岩的强度（即с、φ值），使裂隙岩体和松动区形成整体，成为“加固带”。

（3）悬吊作用：指为防止个别危岩的掉落或滑落，用锚杆将其同稳定的围岩联接起来，这种作用主要表现在加固局部失稳的岩体。

（4）组合梁作用：对于水平或缓倾斜的层状围岩，用锚杆群能把数层岩层连在一起，增大层理间摩阻力，从结构力学观点来看是形成“组合梁”。

（5）减跨作用：如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁，由于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点，安设了锚杆就相当于在该处打了点柱增加了支点而减少了顶板的跨度，从而降低了顶板岩层的弯曲应力和挠度，维持了顶板与岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。这就是锚杆的减跨作用。

2、喷射混凝土的作用：

（1）支乘围岩：由于喷层能与围岩密贴和粘贴，并给围岩表面以抗力和剪力，从而使围岩处于三向受力的有利状态，防止围岩强度恶化；此外，喷层本身的抗冲切能力阻止不稳定块体的滑塌。

（2）卸载作用：由于喷层属柔性，能控制围岩在不出现有害变形地前提下，允许围岩发生一定程度的变形，从而使围岩卸载，这样喷层中的弯曲应力减小，有利于混凝土承载力的发挥。

（3）填平补强围岩：喷射混凝土可射入围岩张开的裂隙，填充表面凹穴，使裂隙分割的岩层面粘连在一起，保护岩块间的咬合、镶嵌作用，提高其间的粘结力、摩阻力，有利于防止围岩松动，并避免或缓和围岩应力集中。

（4）覆盖岩面（保护层）：喷层直接粘贴岩面，形成风化和止水的防护层，并阻止节理裂隙中充填物流失。

（5）防止围岩松动：喷层紧跟掘进进程后及时进行支护，早期强度较高，因而能及时向围岩提供抗力，阻止围岩松动。

（6）分配外力：通过喷层把外力传给锚杆、钢拱架等，使支护结构受力均匀分担。

6、隧道施工方法主要有哪些？新奥法设计施工的主要原则是什么？

答：根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类：

（1）山岭隧道：矿山法（钻爆法）和掘进机法（TBM），其中矿山法又分为传统矿山法和新奥法。

（2）浅埋及软土隧道：明挖法，盖挖法，浅埋暗挖法和盾构法。

（3）水底隧道：沉埋法和盾构法。

新奥法即奥地利隧道施工新方法，它是以喷射混凝土和锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。新奥法的核心内容是充分保护围岩，发挥围岩的自承能力；新奥法施工的三大支柱是控制爆破、锚喷支护、监控量测；新奥法设计施工的主要原则有：

（1）岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。

（2）为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。

（3）为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，而成为封闭的筒形结构。

（4）在施工的各个阶段，应进行现场监控量测，即时提出可靠的、数量足够的量测信息，及时反馈用来指导施工和修改设计。

（5）为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，可采用复合式衬砌。

上述新奥法的基本要点可扼要的概括为：“少扰动、早喷锚，勤量测、紧封闭”。

7、阐述隧道信息化设计与施工原理与方法。

答：隧道信息化设计与施工方法是通过施工前和施工过程中的大量信息（情报）来指导设计和施工，以期获得最优地下结构设计的一种方法。

基本步骤为：施工前调查试验→初步设计→施工→监控量测→经验判断→修改设计、指导施工。

在信息化反馈设计方法中，如何根据量测信息来指导设计和施工是最重要的。主要解决的问题为：①采用什么信息进行反馈；②反馈的目的；③采用什么方法进行反馈。

信息反馈的方法有理论反分析法和经验反馈法两种。

信息反馈的目的：①预报围岩破坏变形的未来动态，指导安全施工；②提供设计施工的重要参数。

8、目前隧道施工中遇到的不良地质有哪些？如何进行施工处治？

答：在修建隧道中，常遇到一些不利于施工的不良地质地段，如膨胀土围岩、黄土、溶洞、断层、流沙、岩爆、采空区等。在开挖、支护和衬砌过程中，由于各种因素的影响都可能发生土石坍塌，坑道受压支撑变形，衬砌结构断裂和各种特殊施工问题，严重影响施工进度、安全和质量。

特殊地质地段隧道施工，以“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳步前进”为指导原则。

具体处治办法有：

（1）松散地层：当隧道穿越软弱破碎岩体、断层破碎带、砂层等自稳性差的岩体时，容易发生洞内坍塌，为保证洞体稳定可采用超前锚杆、超前小导管、地表注浆等辅助施工措施对地层进行超前支护和预加固。

（2）膨胀性岩体：施工中以尽量减少对围岩产生扰动和防止水的浸湿为原则，宜采用无爆破掘进法，并采取“先柔后刚，刚柔结合”和“短开挖，强支护，快封闭成环”的处理措施。

（3）地下水。以“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”为原则。

（4）溶洞。根据溶洞分布范围、类型情况、岩层的稳定程度和地下水流情况等，分别以“引、堵、越、绕”等措施进行处理。

（5）岩爆：防止岩爆的措施主要有两种：强化围岩、和弱化围岩。强化围岩措施有锚喷支护、钢支撑网喷联合支护等；弱化围岩措施有超前预裂爆破法、切缝法等。

（6）瓦斯：加强通风是防止瓦斯爆炸最有效地办法，同时当瓦斯排放量较大时，可采用

超前全封闭帷幕注浆堵截瓦斯。

9、公路隧道运营通风和照明的目的是什么？试阐明各自的设计思路与方法。

答：公路隧道运营通风的目的是为了降低隧道内有害气体与烟尘的浓度，保证司乘人员及洞内工作人员身体健康，提高行车的安全性和舒适性。

公路隧道运营照明的目的是为了把必要的视觉信息传递给驾驶员，防止因视觉信息不足而出现交通事故，从而提高行车的安全性和舒适性。

隧道通风设计的一般思路如下：

（1）根据隧道长度和交通量，初步确定通风方式；

（2）收集交通、气象、环境、地质、地形、地物等通风设计基础资料；

（3）根据有关调查资料尤其是车辆情况，计算需风量；

（4）从安全、技术、经济等方面进行通风方式比较，选择最佳通风方式；

（5）计算通风压力、风量和风速等；

（6）确定风机的规格和配置，并对风道和风机房等进行结构设计。

运营隧道照明设计的一般思路如下：

（1）收集隧道设计有关资料，初勘现场自然环境；

（2）初步判定或现场测定洞外亮度，制定洞外减光方案；

（3）确定入口段、过渡段、中间段和出口段的亮度与长度指标；

（4）选择灯源与灯具，并确定灯具安装位置与角度；

（5）根据路面材料及灯具光强分布特性，计算各照明区段的亮度及其均匀度；

（6）洞口土建工程完工后，对洞外亮度进行验核，必要时修正照明设计。

10、在公路隧道运营通风按风流流动方式分类有哪几种通风方式？照明系统主要有哪些部分组成？防灾设施主要有哪些？

答：在公路隧道规划中，机械通风按风流流动的方式分为纵向式、半横向式和全横向式以及在这三种基本方式基础上的组合方式。

隧道照明系统包括：中间段照明、入口段照明、过渡段照明、出口段照明、接近段减光设施、应急照明和洞外引道照明。

防灾设施主要有：中央控制管理设施、监控设施、安全设施、消防设施、供配电设施等。