(完整版)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 (9)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和实际需求，在大量调研国内外资料基础上，在高地应力软岩条件下，目前国内外关于从原岩应力场过渡到开挖后的应力状态变化的研究成果较少，有深入研究的必要。

2 高地应力区隧道硬岩岩爆工程问题2.1 岩爆现象的认识岩爆是岩体具有高地应力的一种重要地质标志,学术界从多方面对岩爆的进行定义。

概括起来，岩爆的概念包括有以下几种观点：（1）伴随有地震发生并以突然或猛烈发生方式对地下开挖的破坏。

（2）只要岩体破坏时有声响，产生片帮、爆裂剥落甚至弹射等现象，有新鲜破裂面即可称为岩爆；（3）认为只有产生弹射、抛掷性破坏才能称为岩爆，而将无动力弹射现象的破裂归属于静态下的脆性破坏。

可以看出，人们对岩爆的定义有多种说法，尚无一致认识，大多侧重于产生岩爆的特征进行描述。

本人认为，岩爆的定义应包含岩爆的原因，可以将岩爆定义为：岩爆是地下工程开挖过程中，围岩在高地应力条件下，因开挖卸荷导致岩体内储存的弹性应变能大于因克服岩体产生新的裂隙而消耗的应变能，使岩块脱离母体甚至产生弹射抛掷现象的一种动力失稳的地质灾害。

2.2 岩爆分类研究岩爆分类是岩爆预测和防治的基本依据之一，目前，学术界对岩爆划分方案各有侧重，差异较大，尚未达成共识。

有的研究侧重于从岩爆特征进行划分，例如有汪泽斌根据国内外34个地下工程岩爆特征，将岩爆划分为破裂松脱型、爆裂弹射型、爆炸抛突型、冲击地压型、远围岩地震型和断裂地震型六大类；武警水电指挥部对岩爆分类有两种标准：一是按破裂程度将岩爆分为破裂松弛型和爆脱型两大类，二是按规模将岩爆划分为零星岩爆（发生岩爆段长0.5~10m）、成片岩爆（发生岩爆段长10~20m）和连续岩爆（发生岩爆段长>20m）三大类；王兰生教授等将岩爆类型划分为爆裂松脱型、爆裂剥落型、爆裂弹射型和抛掷型四大类；郭志也根据岩爆岩体破坏方式，将岩爆划分为爆裂弹射型、片状剥落型和洞壁跨塌型三大类。

而有的侧重于从岩爆的应力作用方式进行分类，例如谭以安和左文智、张齐桂从形成岩爆的应力作用方式出发，将岩爆类型划分为水平应力型、垂直应力型、混合应力型三大类和若干亚类。

徐林生将岩爆类型划分为自重应力型、构造应力型、变异应力型和综合应力型四大类和八个亚类。

本人认为，岩爆分类最终是为岩爆防治方案提供依据，根据岩爆的特征进行分类更容易与防治方案对应，因此更倾向依据岩爆特征进行分类，不论分成几大类，关键是需要与防治方案设计能够很好地对应。

2.3 岩爆强度分级研究至今为止,对岩爆烈度划分做过研究工作的国外学者有[苏]H.M 佩图霍夫(1972)、[苏]H.M 屠尔昌宁诺夫(1979)、[挪威]拉森斯(1974)、[德国]G ·布霍依诺(1981)等等。

德国学者G ·布霍依诺1981年根据岩爆发生时对工程的危害程度，将岩爆烈度划分为轻微损害、中等损害、严重损害三级；挪威岩爆权威人士拉森斯根据岩爆发生时的声响特征、围岩爆裂破坏特征等将岩爆烈度划分为0~3四级。

我国谭以安博士依据岩爆危害程度及其几何形态征、发生时的力学和声学特征、破坏方式及破坏过程、破坏程度将岩爆烈度划分为弱、中等、强烈、极强四级;交通部第一公路设计院、铁道部第二勘测设计院则在谭以安博士划分方式基础上将围岩条件和应力条件引入后将岩爆烈度划分为微弱、中等、剧烈三级；王兰生教授依据岩爆危害程度及其发生时的声响特征、运动持征、爆裂岩块形态特征、断口特征、岩爆发生部位、岩爆时效特征、影响深度及b R νσ比值等，将岩爆烈度划分为轻微、中等、强烈、剧烈四级。

王兰生教授的划分依据考虑了岩爆特征及岩石特性及环境应力条件等，划分依据比较充分，但是b R νσ，比值与岩爆烈度的对应关系在不同区域需要进行适当修正。

2.4 岩爆形成机理研究从前面国内外学者对岩爆的研究得知岩爆的影响因素多而复杂，岩爆的发生与工程地质因素、工程环境因素和人为开挖因素的作用相关。

目前岩爆的发生机制还不完全清楚，国内外学者对岩爆的形成机制有很多研究，形成了各种有代表的理论，现将几种理论综述如下：王清海等认为岩爆的力学机制实质都是在高压应力条件下出现的压致拉裂破坏，即相对于地下工程洞室而言的切向应力作用下的一种剧烈破坏形式。

因此无论是劈裂成板，还是弯曲鼓折，都是压致拉裂破坏的结果。

而弹射现象和抛射现象只是压致拉裂破坏后,岩体内蓄积的弹性应变剩余能量进一步释放的结果。

E.Hoek、Zoback教授等认为，岩爆是高地应力区洞室围岩剪切破坏作用的产物。

国内，许迎年等分别通过先开孔和后开孔两种方式进行的岩爆模拟试验也得出“岩爆”围岩总体为剪切破坏。

杨淑清教授等通过天生桥二级水电站引水隧洞相似材料岩爆机制物理模拟试验,总结出岩爆造成围岩劈裂破坏和剪切破坏二种机制。

并且认为它们是二种应力水平的产物,即劈裂破坏属脆性断裂,而剪切破坏是岩石应力达到峰值强度状态时的破坏;周德培等〔洲通过太平骚隧洞岩爆特征分析认为当发生小规模岩爆时属于劈裂破坏,而发生大规模岩爆时属于剪切破坏。

谷明成通过对秦岭隧道内的岩石进行室内试验认为岩爆的形成发生过程中既有张性劈裂破坏，也有剪切破坏，是以劈裂破坏为主的张剪复合型破坏机理。

李育枢等洲根据大量的岩爆岩石断口微观形貌观察，总结其微观断裂方式主要有3类，即拉张破坏、剪切破坏和拉剪复合破坏。

王兰生教授等将岩爆作用与岩石在三向应力条件下的压缩变形破坏全过程加以对照，认为岩爆力学机制可以归纳为压致拉裂、压致剪切拉裂、弯曲鼓折三种基本形式，也可以多种组合方式出现。

国外霍依诺提出的夹持煤体理论认为,煤体处于顶底板夹持之中,夹持特性决定了煤体一围岩系统的力学性质,认为煤体一围岩交界处超过极限平衡值将产生岩爆。

Cook等人在总结了南非十五年来的岩爆研究与防治的基础上于20世纪60年代提出了能量理论。

他认为围岩震动等现象需要大量能量，而这样大的能量仅来自被破坏矿体本身是不够的，一定与周围的介质有关。

岩爆发生后，围岩—矿体力学系统的平衡状态被打破，转变到新的平衡状态，若其力学平衡破坏时所释放的能量大于所消耗的各种能量时，即产生岩爆。

Cook和Hojem设计制造了刚性试验机，首次得到了大理石的全程应力—应变曲线。

认为试样产生猛烈破坏的原因是由于试件刚度大于试验机刚度所致。

Cook将所得到的结论用于解释矿山发生的岩爆现象，在一定程度上揭示了岩爆的实质。

国外Dyskin和Germanovich提出，平行于自由表面生长的裂纹被自由表面控制，达到一定长度后便发生非稳定生长，这种非稳定扩展可以导致岩石以薄层的形式脱离母岩。

Hsiung认为，诱发岩爆的条件包括高地应力、岩体的高强度及存在自由表面。

国内，李广平认为岩爆是围岩在洞室开挖过程中发生应力调整时，岩体中的预存裂纹扩展而引起岩体发生宏观脆性断裂的结果。

谭以安认为岩爆是一渐进破坏过程，其形成过程可分为“劈裂成板一剪断成块一块片弹射”三个阶段。

王敏强、侯发亮〔祠采用脆性弹簧支承下的板梁失稳力学模式对锦屏水电站长探酮岩爆进行分析认为岩爆的破坏面属于板裂化结构，当临空面岩层(板梁)与内层之间的弹簧拉力或相对位移达到一定值时出现离层，但是由于应力的重新分配和内岩层约束扼制了离层的迅速扩散。