高等巖石力學(xué) 高地應(yīng)力區(qū)隧道巖體工程問題 鄧榮貴

1、高等巖石力學(xué)高地應(yīng)力區(qū)隧道巖體工程問題指導(dǎo)教師： 鄧榮貴教授 學(xué) 生： 學(xué) 號： 目錄1研究背景12 高地應(yīng)力區(qū)隧道硬巖巖爆工程問題22.1 巖爆現(xiàn)象的認(rèn)識22.2 巖爆分類研究22.3 巖爆強(qiáng)度分級研究32.4 巖爆形成機(jī)理研究32.5 巖爆預(yù)測研究52.5.1 強(qiáng)度理論預(yù)測62.5.2 能量理論預(yù)測72.5.3 剛度沖擊理論預(yù)測82.5.4 數(shù)學(xué)預(yù)測82.5.5 損傷理論92.5.6 以探測技術(shù)為基礎(chǔ)的巖爆預(yù)測102.5.7 根據(jù)特殊的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行宏觀預(yù)測102.6 巖爆的防治研究112.6.1 改善圍巖的物理力學(xué)特性112.6.2 改善圍巖應(yīng)力條件112.6.3 加固圍巖112.6.4

2、改進(jìn)施工工藝113 高地應(yīng)力區(qū)軟弱圍巖隧道工程大變形問題123.1 大變形現(xiàn)象123.2 大變形的機(jī)理與分類研究133.3 大變形預(yù)測163.3.1 擠出預(yù)測163.3.2 膨脹變形預(yù)測193.4 大變形防治204 存在的問題235 學(xué)習(xí)高等巖石力學(xué)的思考245.1 收獲245.2 對課程的希望和建議261研究背景目前，隧道工程己經(jīng)向“長、大、深、難”方向發(fā)展。因而，由于地質(zhì)災(zāi)害、大斷面、高地應(yīng)力、圍巖軟弱、硬巖、節(jié)理裂隙發(fā)育、涌水突泥、瓦斯等問題，越來越多的隧道工程的設(shè)計(jì)與施工遇到了巨大的困難。其中，高地應(yīng)力、軟弱圍巖大變形和硬巖巖爆問題是經(jīng)常遇到且最難解決的問題。對于埋深大或構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜的

3、高地應(yīng)力隧道，開挖后圍巖受到高地應(yīng)力作用的特殊作用，巖體被擠壓、拉裂從而產(chǎn)生松弛、蠕變，往往會產(chǎn)生巖爆、大變形等諸多問題。工程中，軟弱圍巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體，具有軟、弱、松、散等低強(qiáng)度的特點(diǎn)，承受荷載的能力極低。在一定地應(yīng)力水平(或埋深)條件下，對軟巖(當(dāng)圍巖級別較高時)隧道施工極易發(fā)生塌方及較大的塑性變形。巖爆一般是地下工開挖過程中在高地應(yīng)力條件下，硬脆性圍巖因開挖卸荷導(dǎo)致洞壁應(yīng)力分異，儲存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放，因而產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。它直接威脅施工人員、設(shè)備的安全，影響工程進(jìn)度，己成為世界性的地下工程難題之一。在塑

4、性圍巖中，高地應(yīng)力的存在將導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生塑性擠出，洞身變形，初期支護(hù)嚴(yán)重破壞；拱頂下沉，拱腳、邊墻被擠壓移位，噴混凝土開裂。因此有必要對隧道大變形進(jìn)行研究，以便于進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，減少投資。深埋特長隧道工期長、造價(jià)高，施工難度大，且多為穿越山嶺等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，有深埋特長隧道特有的高地應(yīng)力、硬巖巖爆、圍巖大變形、高壓涌水等關(guān)鍵問題。在深埋特長隧道的修建中，正確的判斷和預(yù)測隧道修建中的各個關(guān)鍵地質(zhì)問題，是關(guān)系到隧道修建成敗或投資控制的關(guān)鍵因素。分析預(yù)測巖爆及圍巖大變形的關(guān)鍵一方面是巖體力學(xué)性質(zhì)，特別是在高地應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)如何是其中的核心問題。國內(nèi)外許多專家學(xué)者已對高地應(yīng)力、軟弱圍巖、硬巖

5、等問題做了大量研究工作，但在地下工程計(jì)算理論中仍然存在不少問題。尤其是對于我國西北地區(qū)廣泛存在的高地應(yīng)力、軟弱圍巖等特殊地質(zhì)條件下的結(jié)構(gòu)荷載問題，很難通過理論方法獲得解析解。比如，在高地應(yīng)力軟巖隧道中，理論與數(shù)值分析中圍巖參數(shù)和本構(gòu)模型選取等常常具有經(jīng)驗(yàn)性或難以確定性，計(jì)算所得開挖支護(hù)后圍巖與結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律難以符合工程實(shí)際等。針對這一現(xiàn)實(shí)問題，結(jié)合工程中出現(xiàn)的問題和實(shí)際需求，在大量調(diào)研國內(nèi)外資料基礎(chǔ)上，在高地應(yīng)力軟巖條件下，目前國內(nèi)外關(guān)于從原巖應(yīng)力場過渡到開挖后的應(yīng)力狀態(tài)變化的研究成果較少，有深入研究的必要。2 高地應(yīng)力區(qū)隧道硬巖巖爆工程問題2.1 巖爆現(xiàn)象的認(rèn)識巖爆是巖體具有高地應(yīng)力的一

6、種重要地質(zhì)標(biāo)志,學(xué)術(shù)界從多方面對巖爆的進(jìn)行定義。概括起來，巖爆的概念包括有以下幾種觀點(diǎn)：（1）伴隨有地震發(fā)生并以突然或猛烈發(fā)生方式對地下開挖的破壞。（2）只要巖體破壞時有聲響，產(chǎn)生片幫、爆裂剝落甚至彈射等現(xiàn)象，有新鮮破裂面即可稱為巖爆；（3）認(rèn)為只有產(chǎn)生彈射、拋擲性破壞才能稱為巖爆，而將無動力彈射現(xiàn)象的破裂歸屬于靜態(tài)下的脆性破壞?？梢钥闯?，人們對巖爆的定義有多種說法，尚無一致認(rèn)識，大多側(cè)重于產(chǎn)生巖爆的特征進(jìn)行描述。本人認(rèn)為，巖爆的定義應(yīng)包含巖爆的原因，可以將巖爆定義為：巖爆是地下工程開挖過程中，圍巖在高地應(yīng)力條件下，因開挖卸荷導(dǎo)致巖體內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能大于因克服巖體產(chǎn)生新的裂隙而消耗的應(yīng)變能，

7、使巖塊脫離母體甚至產(chǎn)生彈射拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)的地質(zhì)災(zāi)害。2.2 巖爆分類研究巖爆分類是巖爆預(yù)測和防治的基本依據(jù)之一，目前，學(xué)術(shù)界對巖爆劃分方案各有側(cè)重，差異較大，尚未達(dá)成共識。有的研究側(cè)重于從巖爆特征進(jìn)行劃分，例如有汪澤斌根據(jù)國內(nèi)外34個地下工程巖爆特征，將巖爆劃分為破裂松脫型、爆裂彈射型、爆炸拋突型、沖擊地壓型、遠(yuǎn)圍巖地震型和斷裂地震型六大類；武警水電指揮部對巖爆分類有兩種標(biāo)準(zhǔn)：一是按破裂程度將巖爆分為破裂松弛型和爆脫型兩大類，二是按規(guī)模將巖爆劃分為零星巖爆（發(fā)生巖爆段長0.510m）、成片巖爆（發(fā)生巖爆段長1020m）和連續(xù)巖爆（發(fā)生巖爆段長20m）三大類；王蘭生教授等將巖爆類型劃分為

8、爆裂松脫型、爆裂剝落型、爆裂彈射型和拋擲型四大類；郭志也根據(jù)巖爆巖體破壞方式，將巖爆劃分為爆裂彈射型、片狀剝落型和洞壁跨塌型三大類。而有的側(cè)重于從巖爆的應(yīng)力作用方式進(jìn)行分類，例如譚以安和左文智、張齊桂從形成巖爆的應(yīng)力作用方式出發(fā)，將巖爆類型劃分為水平應(yīng)力型、垂直應(yīng)力型、混合應(yīng)力型三大類和若干亞類。徐林生將巖爆類型劃分為自重應(yīng)力型、構(gòu)造應(yīng)力型、變異應(yīng)力型和綜合應(yīng)力型四大類和八個亞類。本人認(rèn)為，巖爆分類最終是為巖爆防治方案提供依據(jù)，根據(jù)巖爆的特征進(jìn)行分類更容易與防治方案對應(yīng)，因此更傾向依據(jù)巖爆特征進(jìn)行分類，不論分成幾大類，關(guān)鍵是需要與防治方案設(shè)計(jì)能夠很好地對應(yīng)。2.3 巖爆強(qiáng)度分級研究至今為止,對

9、巖爆烈度劃分做過研究工作的國外學(xué)者有蘇H.M佩圖霍夫(1972)、蘇H.M屠爾昌寧諾夫(1979)、挪威拉森斯(1974)、德國G布霍依諾(1981)等等。德國學(xué)者G布霍依諾1981年根據(jù)巖爆發(fā)生時對工程的危害程度，將巖爆烈度劃分為輕微損害、中等損害、嚴(yán)重?fù)p害三級；挪威巖爆權(quán)威人士拉森斯根據(jù)巖爆發(fā)生時的聲響特征、圍巖爆裂破壞特征等將巖爆烈度劃分為03四級。我國譚以安博士依據(jù)巖爆危害程度及其幾何形態(tài)征、發(fā)生時的力學(xué)和聲學(xué)特征、破壞方式及破壞過程、破壞程度將巖爆烈度劃分為弱、中等、強(qiáng)烈、極強(qiáng)四級;交通部第一公路設(shè)計(jì)院、鐵道部第二勘測設(shè)計(jì)院則在譚以安博士劃分方式基礎(chǔ)上將圍巖條件和應(yīng)力條件引入后將巖爆

10、烈度劃分為微弱、中等、劇烈三級；王蘭生教授依據(jù)巖爆危害程度及其發(fā)生時的聲響特征、運(yùn)動持征、爆裂巖塊形態(tài)特征、斷口特征、巖爆發(fā)生部位、巖爆時效特征、影響深度及比值等，將巖爆烈度劃分為輕微、中等、強(qiáng)烈、劇烈四級。王蘭生教授的劃分依據(jù)考慮了巖爆特征及巖石特性及環(huán)境應(yīng)力條件等，劃分依據(jù)比較充分，但是，比值與巖爆烈度的對應(yīng)關(guān)系在不同區(qū)域需要進(jìn)行適當(dāng)修正。2.4 巖爆形成機(jī)理研究從前面國內(nèi)外學(xué)者對巖爆的研究得知巖爆的影響因素多而復(fù)雜，巖爆的發(fā)生與工程地質(zhì)因素、工程環(huán)境因素和人為開挖因素的作用相關(guān)。目前巖爆的發(fā)生機(jī)制還不完全清楚，國內(nèi)外學(xué)者對巖爆的形成機(jī)制有很多研究，形成了各種有代表的理論，現(xiàn)將幾種理論綜述

11、如下：王清海等認(rèn)為巖爆的力學(xué)機(jī)制實(shí)質(zhì)都是在高壓應(yīng)力條件下出現(xiàn)的壓致拉裂破壞，即相對于地下工程洞室而言的切向應(yīng)力作用下的一種劇烈破壞形式。因此無論是劈裂成板，還是彎曲鼓折，都是壓致拉裂破壞的結(jié)果。而彈射現(xiàn)象和拋射現(xiàn)象只是壓致拉裂破壞后,巖體內(nèi)蓄積的彈性應(yīng)變剩余能量進(jìn)一步釋放的結(jié)果。E.Hoek、Zoback教授等認(rèn)為，巖爆是高地應(yīng)力區(qū)洞室圍巖剪切破壞作用的產(chǎn)物。國內(nèi)，許迎年等分別通過先開孔和后開孔兩種方式進(jìn)行的巖爆模擬試驗(yàn)也得出“巖爆”圍巖總體為剪切破壞。楊淑清教授等通過天生橋二級水電站引水隧洞相似材料巖爆機(jī)制物理模擬試驗(yàn),總結(jié)出巖爆造成圍巖劈裂破壞和剪切破壞二種機(jī)制。并且認(rèn)為它們是二種應(yīng)力水平

12、的產(chǎn)物,即劈裂破壞屬脆性斷裂,而剪切破壞是巖石應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度狀態(tài)時的破壞;周德培等洲通過太平騷隧洞巖爆特征分析認(rèn)為當(dāng)發(fā)生小規(guī)模巖爆時屬于劈裂破壞,而發(fā)生大規(guī)模巖爆時屬于剪切破壞。谷明成通過對秦嶺隧道內(nèi)的巖石進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)認(rèn)為巖爆的形成發(fā)生過程中既有張性劈裂破壞，也有剪切破壞，是以劈裂破壞為主的張剪復(fù)合型破壞機(jī)理。李育樞等洲根據(jù)大量的巖爆巖石斷口微觀形貌觀察，總結(jié)其微觀斷裂方式主要有3類，即拉張破壞、剪切破壞和拉剪復(fù)合破壞。王蘭生教授等將巖爆作用與巖石在三向應(yīng)力條件下的壓縮變形破壞全過程加以對照，認(rèn)為巖爆力學(xué)機(jī)制可以歸納為壓致拉裂、壓致剪切拉裂、彎曲鼓折三種基本形式，也可以多種組合方式出現(xiàn)。國外

13、霍依諾提出的夾持煤體理論認(rèn)為,煤體處于頂?shù)装鍔A持之中,夾持特性決定了煤體一圍巖系統(tǒng)的力學(xué)性質(zhì),認(rèn)為煤體一圍巖交界處超過極限平衡值將產(chǎn)生巖爆。Cook等人在總結(jié)了南非十五年來的巖爆研究與防治的基礎(chǔ)上于20世紀(jì)60年代提出了能量理論。他認(rèn)為圍巖震動等現(xiàn)象需要大量能量，而這樣大的能量僅來自被破壞礦體本身是不夠的，一定與周圍的介質(zhì)有關(guān)。巖爆發(fā)生后，圍巖礦體力學(xué)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)被打破，轉(zhuǎn)變到新的平衡狀態(tài)，若其力學(xué)平衡破壞時所釋放的能量大于所消耗的各種能量時，即產(chǎn)生巖爆。Cook和Hojem設(shè)計(jì)制造了剛性試驗(yàn)機(jī)，首次得到了大理石的全程應(yīng)力應(yīng)變曲線。認(rèn)為試樣產(chǎn)生猛烈破壞的原因是由于試件剛度大于試驗(yàn)機(jī)剛度所致。

14、Cook將所得到的結(jié)論用于解釋礦山發(fā)生的巖爆現(xiàn)象，在一定程度上揭示了巖爆的實(shí)質(zhì)。國外Dyskin和Germanovich提出，平行于自由表面生長的裂紋被自由表面控制，達(dá)到一定長度后便發(fā)生非穩(wěn)定生長，這種非穩(wěn)定擴(kuò)展可以導(dǎo)致巖石以薄層的形式脫離母巖。Hsiung認(rèn)為，誘發(fā)巖爆的條件包括高地應(yīng)力、巖體的高強(qiáng)度及存在自由表面。國內(nèi)，李廣平認(rèn)為巖爆是圍巖在洞室開挖過程中發(fā)生應(yīng)力調(diào)整時，巖體中的預(yù)存裂紋擴(kuò)展而引起巖體發(fā)生宏觀脆性斷裂的結(jié)果。譚以安認(rèn)為巖爆是一漸進(jìn)破壞過程，其形成過程可分為“劈裂成板一剪斷成塊一塊片彈射”三個階段。王敏強(qiáng)、侯發(fā)亮祠采用脆性彈簧支承下的板梁失穩(wěn)力學(xué)模式對錦屏水電站長探酮巖爆進(jìn)行

15、分析認(rèn)為巖爆的破壞面屬于板裂化結(jié)構(gòu)，當(dāng)臨空面巖層(板梁)與內(nèi)層之間的彈簧拉力或相對位移達(dá)到一定值時出現(xiàn)離層，但是由于應(yīng)力的重新分配和內(nèi)巖層約束扼制了離層的迅速擴(kuò)散。板梁上的無彈性支承段隨變形增長，裂隙擴(kuò)大，剩余彈性支承迅速斷裂，導(dǎo)致巖片脫離母巖。巖爆實(shí)錄資料表明，現(xiàn)有的靜力學(xué)巖爆機(jī)理理論還不能對若干重要的巖爆問題做出合理解釋。如秦嶺隧道TBM施工時并未發(fā)生巖爆，但是采用礦山法施工的隧道卻發(fā)生了巖爆。我國天生橋、太平驛、二灘及挪威Sima等大型水電站引水隧洞及川藏路二郎山、福建九華山、重慶陸家?guī)X公路隧道的巖爆一般在爆破以后的一定時間段內(nèi)發(fā)生，強(qiáng)度隨著時間的推移而減弱。這些都說明巖爆的發(fā)生與爆破的

16、動力響應(yīng)有關(guān)。巖爆的動力學(xué)機(jī)理方面，動力干擾對巖爆的貢獻(xiàn)越來越引起人們的關(guān)注。綜上所述，由于影響巖爆的因素較多，迄今為止人們對其形成機(jī)理的認(rèn)識還沒有統(tǒng)一。但是可以看出學(xué)者們對巖爆的機(jī)理研究從力學(xué)特性方面來看可以分為靜力學(xué)機(jī)理和動力學(xué)機(jī)理。從巖爆破壞形勢上來看分為剪切破壞和張拉破壞。通過對大量學(xué)者的研究成果進(jìn)行綜合分析看出，引起巖爆最根本的因素是巖石的強(qiáng)度及地應(yīng)力量級和開挖等外荷載的擾動，因此巖爆的機(jī)理可以概括為處在一定應(yīng)力環(huán)境中的硬脆性巖石，在外力擾動下使得圍巖中積聚的應(yīng)變能大于克服巖體破壞吸收的能量后使巖石以張拉或剪切破壞或張剪復(fù)合破壞的形式脫離母巖的一種動力破壞。巖爆的預(yù)測應(yīng)該根據(jù)巖爆的機(jī)

17、理主要從巖石的特性及地應(yīng)力大小及能量轉(zhuǎn)移三個主要方面進(jìn)行分析。2.5 巖爆預(yù)測研究巖爆災(zāi)害影響因素眾多，由此也決定了巖爆預(yù)測的多樣性及復(fù)雜性，目前國內(nèi)外學(xué)者己從強(qiáng)度、剛度、能量、穩(wěn)定、斷裂、損傷、分形和突變等方面對巖爆進(jìn)行分析，提出各種的假設(shè)和判據(jù)，得出了十余種判別指標(biāo)，并取得了一些成果主要體現(xiàn)在以下幾方面：2.5.1 強(qiáng)度理論預(yù)測 (應(yīng)力強(qiáng)度比)判據(jù)法：這是國內(nèi)外運(yùn)用得最多的一種判據(jù)，因此國內(nèi)外學(xué)者做了很多工作，提出了多種評判方法。Turchaninov根據(jù)科拉半島希賓地塊的礦井建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出了巖爆活動性由洞室切向應(yīng)力，和軸向應(yīng)力之和與之比值確定，Russenes應(yīng)用有限元計(jì)算和Kirsch

18、方程：，計(jì)算洞壁最大切向應(yīng)力，利用及其巖樣上點(diǎn)荷載強(qiáng)度值，他繪制出巖爆烈度與隧道洞壁和的關(guān)系圖，用于預(yù)測巖爆和判定巖爆等級。國內(nèi)的徐林生、王元漢等人根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況對其評判依據(jù)進(jìn)行了修正，姜晨光等根據(jù)洞窟的側(cè)壁水平應(yīng)力和拱頂豎向應(yīng)力及巖體極限壓碎強(qiáng)度,的關(guān)系提出當(dāng)時，就有可能發(fā)生巖爆的極限應(yīng)力均衡法。但該方法不能對巖爆的烈度進(jìn)行判別，具體各種判據(jù)的評判依據(jù)可見表2-1。表2-1 國內(nèi)外巖爆判據(jù)表(強(qiáng)度應(yīng)力比)判據(jù)法：考慮到采用強(qiáng)度應(yīng)力比預(yù)測巖爆不容易得到洞壁的切向應(yīng)力，有學(xué)者將巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度與最大主應(yīng)力的比值來預(yù)測巖爆，陶振宇在總結(jié)多個工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，修正了曾采用的Barton法,提出

19、了將巖石單軸抗壓強(qiáng)度與最大主應(yīng)力之比值作為巖爆判據(jù)。其評判依據(jù)見表2-1。從強(qiáng)度理論表達(dá)式不難看出，它主要是考慮的是巖石的力學(xué)特性和地應(yīng)力的關(guān)系，表達(dá)式簡單，并在工程中取得了一定的成果。但是該理論并未考慮能量的積聚和轉(zhuǎn)移，即是只能闡明巖體是否破壞，不能回答巖石的破壞是穩(wěn)定破壞還是失穩(wěn)破壞。巖石的抗壓強(qiáng)度主要是通過室內(nèi)單軸試驗(yàn)得到，離散性很大，特別是當(dāng)有微裂隙發(fā)育影響巖石的抗壓強(qiáng)度時從公式可以得到抗壓強(qiáng)度越低巖爆烈度反而越大，筆者認(rèn)為強(qiáng)度理論應(yīng)該限定巖石的抗壓強(qiáng)度在一定的范圍內(nèi)或者說應(yīng)該考慮巖體的結(jié)構(gòu)面的影響，再進(jìn)行巖爆烈度預(yù)測會更接近實(shí)際情況。2.5.2 能量理論預(yù)測 波蘭A.Q.Kidybi

20、nski提出采用巖爆彈性應(yīng)變能指數(shù)（）判據(jù)法判斷和預(yù)測巖爆，其測定方法是：用巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，將試件加載到其峰值強(qiáng)度的7080%，然后卸載。達(dá)到峰值強(qiáng)度以前積累的彈性應(yīng)變能和耗損的彈性應(yīng)變能之比值，定義為巖爆傾向性指數(shù)（、為加、卸載應(yīng)力應(yīng)變曲線下包圍的面積），示意圖見圖2-1。其評判依據(jù)為無巖爆，輕微到中等巖爆，為強(qiáng)烈?guī)r爆。根據(jù)單軸壓縮條件下巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度以前所儲存的彈性能的大小來預(yù)測巖爆。，式中為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；瓦為卸載切線彈性模量，MPa。kJ/m3為弱巖爆；kJ/m3為中等巖爆；kJ/m為強(qiáng)烈?guī)r爆；kJ/m3為極強(qiáng)烈?guī)r爆。圖2-1 單軸卸荷應(yīng)力一應(yīng)變曲線能量理論的基本觀點(diǎn)可總

21、結(jié)為：圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡遭到破壞時，如果巖體所釋放的能量大于巖體破壞所消耗的各種能量，即認(rèn)為產(chǎn)生巖爆。能量理論在一定程度上反映了巖爆的實(shí)質(zhì)，評判依據(jù)簡單，作為定性預(yù)測起到了一定的積極作用，但是能量理論考慮到在巖石的破壞過程中還伴隨著有其它的能量釋放（如聲能、熱能等），因此用此觀點(diǎn)得出的結(jié)論往往放大了巖爆的烈度。另外采用的評判依據(jù)是室內(nèi)巖石單軸加卸載試驗(yàn)得到，因巖石為各向異性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性很大，往往不易得到理想的卸載曲線，加上巖石處在三向應(yīng)力環(huán)境中，采用單軸試驗(yàn)與實(shí)際工作條件存在一定的差異，因此也注定了其應(yīng)用的局限性。2.5.3 剛度沖擊理論預(yù)測Cook和Hojem認(rèn)為當(dāng)廣義巖石力學(xué)系統(tǒng)中

22、非破裂體的剛度小于破裂體的瞬時剛度將會產(chǎn)生巖爆。剛度理論揭示了巖爆發(fā)生的原因，對于工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。但剛度理論沒有反映出巖爆力學(xué)系統(tǒng)的動力過程。有些文獻(xiàn)中指出應(yīng)用巖石的脆性指數(shù)預(yù)測巖爆，即巖石峰值強(qiáng)度前的總變形了與永久變形之比來描述，脆性指數(shù)越大，巖爆越強(qiáng)烈，具體對應(yīng)關(guān)系見表1-2。另一種表示方法就是用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與巖石的單軸抗拉強(qiáng)度的比值B來表示。唐禮忠分析了前兩種方法的不足，提出一種新的預(yù)測方法，評價(jià)指標(biāo)，其中為峰值前的總應(yīng)變，為峰值后的總應(yīng)變。具體對應(yīng)關(guān)系見表2-2。表2-2 剛度沖擊理論巖爆判據(jù)表 可以看出剛度沖擊理論表達(dá)式簡單、直觀，它主要考慮的是引起巖爆發(fā)生的內(nèi)因巖

23、石特性，而且沒有反映巖爆的力學(xué)系統(tǒng)的動力過程，特別是剛度理論中結(jié)構(gòu)的剛度無統(tǒng)一的計(jì)算式，而沖擊理論中巖石特別是硬脆性巖石的峰值強(qiáng)度以后的曲線不易得到，所以這一理論的應(yīng)用受到了限制。2.5.4 數(shù)學(xué)預(yù)測 模糊數(shù)學(xué)綜合評判預(yù)測：巖爆是受多種因素制約的模糊問題，其內(nèi)在聯(lián)系很難用一個精確的數(shù)學(xué)公式加以表達(dá)；譚以安、王元漢、謝學(xué)斌等人采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判方法，選取影響巖爆的一些因素(諸如地應(yīng)力大小、巖石抗壓和抗拉強(qiáng)度、巖石彈性能量指數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)特征等)，對巖爆的發(fā)生與否及其烈度級別進(jìn)行預(yù)測，并取得了一些成果。宮鳳強(qiáng)等引入馬氏距離，建立距離判別分析模型對隧道巖爆進(jìn)行預(yù)測，但是并不能對巖爆的烈度大

24、小進(jìn)行預(yù)測。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法：BP網(wǎng)絡(luò)是誤差逆?zhèn)鞑ゾW(wǎng)絡(luò)的簡稱。它由輸入層、隱層和輸出層組成，每層有若干個神經(jīng)元組成。輸入層用來接受外界信息，輸出層對輸入層信息進(jìn)行判別和決策，中間的隱層用來表示和存貯信息。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行巖爆預(yù)測，能夠使實(shí)測的資料個別誤差不會對預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生很大的影響,同時方法可以綜合考慮更多的影響因素，國內(nèi)外學(xué)者從積累的工程實(shí)例中抽取巖爆模式特征，建立輸入模式輸出模式對，采用自學(xué)習(xí)的方法建立從輸入模式到輸出模式的非線性映射，并進(jìn)行推廣，由網(wǎng)絡(luò)推理出待識別巖石巖爆發(fā)生的可能性和烈度。統(tǒng)計(jì)分析宏觀預(yù)測法：鐘云光等認(rèn)為，根據(jù)前述巖爆的特征、產(chǎn)生的規(guī)律及結(jié)合人工聽聲等大量的觀察統(tǒng)

25、計(jì)，及時進(jìn)行分析可以預(yù)測巖爆發(fā)生的部位、在斷面上的位置、發(fā)生時間、破壞面特征、巖爆塊的大小等。謝和平、Coughlin利用分形幾何和損傷力學(xué)研究了巖爆誘發(fā)的微地震，當(dāng)接近一個主巖爆時，微地震事件的集聚程度明顯增加，并相應(yīng)地出現(xiàn)分形維數(shù)值的減小。最低的分形維數(shù)值通常出現(xiàn)在一個主巖爆臨近產(chǎn)生之時。這樣，分形維數(shù)的變化就有可能用來進(jìn)行巖爆的預(yù)測預(yù)報(bào)。單嘵云等認(rèn)為，巖爆過程釋放能量的一部分以聲波形式傳播，這種現(xiàn)象稱為巖石聲發(fā)射，可以利用突變理論對聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行處理，建立巖爆預(yù)測預(yù)報(bào)模型，從而對巖爆進(jìn)行預(yù)測。2.5.5 損傷理論1982年Krajcinovie就提出了一種統(tǒng)計(jì)損傷模型，劉小明、潘一山等人

26、認(rèn)為巖石彈性模量E和峰后降模量之比是決定洞室穩(wěn)定性的重要參數(shù)，越小，即巖石脆性越強(qiáng)，發(fā)生巖爆的臨界載荷越小，相應(yīng)的臨界損傷區(qū)深度也越小，洞室就越容易發(fā)生巖爆。而越大，即巖石脆性越弱，塑性越強(qiáng)，則發(fā)生巖爆的臨界載荷越大，相應(yīng)的臨界損傷區(qū)越大。當(dāng)，即對應(yīng)于理想彈塑性材料,臨界載荷，即不能發(fā)生巖爆。同樣臨界載荷隨摩擦角功的變化也有類似的規(guī)律。2.5.6 以探測技術(shù)為基礎(chǔ)的巖爆預(yù)測根據(jù)付小敏和劉正雄資料，無論是室內(nèi)試驗(yàn)，還是現(xiàn)場初步監(jiān)測結(jié)果，都表明：聲發(fā)射信號急劇增加超前巖體（石）的變形破壞，根據(jù)這一特點(diǎn)，可以將巖體聲發(fā)射技術(shù)推廣應(yīng)用到巖爆監(jiān)測預(yù)報(bào)中去。在國外，Mansurov等提出采用AE技術(shù)來預(yù)測

27、巖爆。另外也可以采用地質(zhì)雷達(dá)、紅外線及微震觀測配合地質(zhì)人員作地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)工作。2.5.7 根據(jù)特殊的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行宏觀預(yù)測巖爆的發(fā)生不僅取決于地應(yīng)力條件，而且還與巖性及其分布特征、巖體結(jié)構(gòu)、斷裂和地下水狀況等其它特殊地質(zhì)現(xiàn)象有關(guān)。這些特殊的地質(zhì)現(xiàn)象諸如：鉆孔巖芯餅裂現(xiàn)象；現(xiàn)場大剪試驗(yàn)或表面應(yīng)力解除時，巖體四周被解除后，底部會自動斷裂，甚至?xí)粡椘?，并伴有斷裂聲；?yīng)力一應(yīng)變曲線異常等。侯發(fā)亮認(rèn)為，巖爆雖然多發(fā)生在水平構(gòu)造應(yīng)力較大的地區(qū)，但如果洞室埋深較大，即使沒有構(gòu)造應(yīng)力，由于上覆巖體效應(yīng)，洞室也可能會發(fā)生巖爆，并提出只有自重應(yīng)力情況下的巖爆發(fā)生的臨界埋深為，式中為泊松比；為巖石重度。李忠、譚以安

28、認(rèn)為只有結(jié)構(gòu)面發(fā)育適中的巖體，才能在巖體中聚集大于巖爆所需的能量，結(jié)構(gòu)面太少或過多都不易產(chǎn)生巖爆，根據(jù)巖爆實(shí)錄提出節(jié)理數(shù)為4-6條最易發(fā)生巖爆。以上諸多巖爆預(yù)測判據(jù)在實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用，并取得了一定的效果。然而，巖爆的產(chǎn)生是多種因素共同作用的結(jié)果，僅對影響巖爆發(fā)生的某一個因素進(jìn)行討論，必然會產(chǎn)生片面性和局限性。因此巖爆的預(yù)測要綜合多個因素進(jìn)行討論，筆者認(rèn)為巖爆的產(chǎn)生有巖石特性決定的內(nèi)因及環(huán)境條件及外力擾動的外因，因此進(jìn)行巖爆預(yù)測主要考慮的幾個核心理論是強(qiáng)度理論、能量理論、剛度沖擊理論，其它大部分理論是該三個理論的延伸或發(fā)展，但是如何利用該三個理論對巖爆進(jìn)行預(yù)測還沒有一個好的關(guān)系式，或者說并沒

29、有一個理論能夠在某一方面完全解釋巖爆。這就決定了借助計(jì)算機(jī)的多因素綜合模糊數(shù)學(xué)綜合評判方法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測巖爆將會被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，關(guān)鍵是需要運(yùn)用各種理論解決好各因素的權(quán)重分配問題。2.6 巖爆的防治研究針對巖爆的發(fā)生機(jī)制，采用針對性的防治措施，可以防止巖爆發(fā)生或降低巖爆烈度級別。目前施工中常從以下幾方面考慮：2.6.1 改善圍巖的物理力學(xué)特性主要措施是爆破后立即向掌子面及附近洞壁噴灑高壓水或利用炮眼及錨桿孔向巖體深部注水，目的是降低圍巖強(qiáng)度，增強(qiáng)其塑性，減弱其脆性，釋放應(yīng)變能并將最大切向應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移,降低巖體積聚應(yīng)變能的能力，最終降低巖爆的劇烈程度。2.6.2 改善圍巖應(yīng)力條件

30、根據(jù)國內(nèi)外施工的工程經(jīng)驗(yàn)，巖爆地段采用鉆爆法施工時，如果采用短進(jìn)尺掘進(jìn)，減少藥量，控制光爆效果，可減少圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象。輕微、中等巖爆段盡可能采用全斷面一次開挖成型的施工方法，以減少對圍巖的擾動，降低應(yīng)力集中程度。強(qiáng)烈以上的巖爆地段，必要時也可采用分步開挖的方法，以降低巖爆的破壞程度，但在施工中應(yīng)盡量減少爆破震動觸發(fā)巖爆的可能性。采取超前鉆孔應(yīng)力解除、松動爆破或震動爆破等方法，可以使圍巖應(yīng)力降低，能量在開挖前釋放。2.6.3 加固圍巖對不同烈度的巖爆一般采用不同的加固處理措施。山民江太平驛水電站地下開挖工程和二郎山公路隧道巖爆地段采取了錨噴支護(hù)的方法加固圍巖，在施工實(shí)踐中取得了良好的效果。

31、福建九華山隧道洞內(nèi)緩爆型巖爆的地段，主要采用噴漿法處理，采用較高標(biāo)號的混凝土，將隧道表層破裂巖體聯(lián)固；隧道洞內(nèi)速爆型巖爆的地段，則主要采用噴射混凝土或鋼纖維混凝土結(jié)合布設(shè)系統(tǒng)錨桿的處理方法。噴射混凝土或鋼纖維混凝土則要等巖爆的兩個破壞階段結(jié)束后才能開始，一般噴射三次，在未噴射混凝土前，臨時加掛高強(qiáng)度尼龍繩網(wǎng)來降低巖爆產(chǎn)生的破壞力，在施工中取得了良好的效果。2.6.4 改進(jìn)施工工藝該方法主要用于隧道中預(yù)計(jì)可能發(fā)生巖爆的洞段內(nèi)，通過人工進(jìn)行垂直于掌子面的超深鉆孔施爆作業(yè)，在掌子面內(nèi)形成一個相當(dāng)深度的破碎帶，以減輕掌子面上的壓力，從而降低巖爆發(fā)生的可能性和影響范圍。采用光面爆破，減少周邊孔徑，使用小

32、藥卷和高端毫秒雷管，降低同段起爆藥量，盡量消除隧道內(nèi)爆破作業(yè)誘發(fā)巖爆的因素，并使開挖掌子面周邊基本圓順，減少隧道壁上巖體表面聚能結(jié)構(gòu)的數(shù)目，尤其要避免出現(xiàn)棱角狀突起或凹面，以防止產(chǎn)生新的局部應(yīng)力和能量的聚集。并對于隧道壁中己經(jīng)松動的巖塊基石清除，減少巖爆巖塊的數(shù)量。3 高地應(yīng)力區(qū)軟弱圍巖隧道工程大變形問題隧道工程圍巖大變形作為一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，對隧道工程建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，一旦發(fā)生圍巖大變形，將給工程建設(shè)帶來相當(dāng)大的損失，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者在理論和生產(chǎn)實(shí)踐中做了不少的探索工作，但由于現(xiàn)場地質(zhì)巖體狀況復(fù)雜性，大變形理論的研究不盡成熟，目前的研究工作主要在以下方面。3.1 大

33、變形現(xiàn)象對于大變形的定義，徐則民等根據(jù)大變形的6個特征對大變形進(jìn)行了概括描述，何滿潮認(rèn)為大變形可分為彈性大變形和塑性大變形，軟巖的大變形問題是一個塑性大變形問題，塑性大變形區(qū)別于彈性大變形和小變形的顯著標(biāo)志是前者與過程緊密相關(guān)，喻渝從圍巖變形量上給大變形作了界定，認(rèn)為圍巖變形量超過正常規(guī)定的2倍，圍巖變形為大變形。然而翁漢民認(rèn)為，不能從變形量的絕對值大小來定義大變形問題，而其本質(zhì)是由剪應(yīng)力產(chǎn)生的巖體的剪切變形發(fā)生錯動、斷裂分離破壞,巖體將向地下空洞方向產(chǎn)生壓擠推變形來定義大變形。張祉道認(rèn)為當(dāng)采用常規(guī)支護(hù)的隧道由于地應(yīng)力較高而使其初期支護(hù)發(fā)生程度不同的破壞且位移值與洞壁半徑之比達(dá)到一定值時，就叫

34、發(fā)生了大變形。Saari也是根據(jù)隧道的切向收斂值與隧道初始輪廓線的比值，即用隧道的相對變形量來定義大變形，并提出了評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由此，可以看出，對于圍巖大變形的定義國內(nèi)外還并沒有完全統(tǒng)一的定義，筆者認(rèn)為，定義大變形應(yīng)該同時考慮圍巖的絕對變形量和相對變形量，絕對的變形量應(yīng)該與隧道的不同建筑限界的要求而定，而相對變形量可以考慮隧道的變形與洞徑的關(guān)系，這樣才能更好地為大變形預(yù)測和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。3.2 大變形的機(jī)理與分類研究現(xiàn)有的研究表明，發(fā)生大變形的圍巖一般被稱為軟巖、擠出性圍巖或膨脹巖。相應(yīng)的分類主要體現(xiàn)在以下幾個方面：軟巖在高地應(yīng)力作用下的擠出剪切變沁，膨脹性巖石在遇水條件后發(fā)生膨脹變形后擠出變形，

35、施工期的大變形及長期的結(jié)構(gòu)流變。張祉道認(rèn)為大變形的機(jī)理是在軟巖中開挖隧道后應(yīng)力發(fā)生重分布，在應(yīng)力調(diào)整過程中其應(yīng)力水平大于圍巖體的強(qiáng)度后發(fā)生塑性剪切變形。劉泉聲等根據(jù)Terzighi的有效應(yīng)力原理認(rèn)為深部巖體處于很高的水頭壓力作用下，圍巖體內(nèi)滲透壓力很高。在斷層、破碎帶及節(jié)理裂隙發(fā)育地段，由于巷道開挖后形成出水口，致使巷道表面一定深度范圍內(nèi)水流速度大大加快，孔隙壓力降低幅度很大，圍巖體內(nèi)有效應(yīng)力大大提高，因而使得這些地段本來就軟弱的巖體產(chǎn)生破壞失穩(wěn)。卿三惠等根據(jù)烏鞘嶺特長隧道大變形的實(shí)例分析認(rèn)為大變形與高地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度、支護(hù)措施及施工方法等因素有關(guān)。認(rèn)為圍巖壓力超過巖石（巖體）的極限抗壓強(qiáng)度時

36、，巖石（巖體）將發(fā)生變形破壞。并認(rèn)為，深埋高地應(yīng)力及軟弱圍巖是隧道產(chǎn)生大變形的內(nèi)因，初期支護(hù)力度不足及施工方法不當(dāng)?shù)仁峭庖?，兩者共同作用產(chǎn)生了隧道圍巖大變形。何滿潮等根據(jù)各種類型的大變形總結(jié)后認(rèn)為其變形機(jī)理是圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度不禍合，大變形失穩(wěn)是一個漸近過程，是先從一個或幾個關(guān)鍵部位發(fā)生變形破壞，再逐漸擴(kuò)展到整個工程破壞。提出應(yīng)將軟巖從地質(zhì)軟巖和工程軟巖分別定義。并按照軟巖產(chǎn)生塑性變形的機(jī)制不同將軟巖分為膨脹性軟巖(或稱低強(qiáng)度軟巖)、高應(yīng)力軟巖、節(jié)理化軟巖和復(fù)合型軟巖，并在此基礎(chǔ)上又分了13種亞類。張志強(qiáng)、王明華等也對含軟弱夾層巖體對洞室穩(wěn)定性影響進(jìn)行了分析。陳宗基教授認(rèn)為圍巖收斂變形機(jī)

37、理應(yīng)包括塑性楔體、流動變形、圍巖膨脹、擴(kuò)容、撓曲五個方面。郭敲良等通過對烏鞘嶺隧道變形情況進(jìn)行研究后，認(rèn)為隧道圍巖大變形是在較高的構(gòu)造應(yīng)力與上覆重力共同作用下，軟弱圍巖不能承受該作用力，由于軟弱巖層的自身承載強(qiáng)度很低，而高壓作用下的流變性較強(qiáng)，因而導(dǎo)致持續(xù)性的大變形。姜耀東等根據(jù)現(xiàn)場觀測、物理模擬和數(shù)值模擬總結(jié)出軟巖巷道底鼓的機(jī)理為：整個巷道都位于松軟碎裂的巖體內(nèi)時，由于圍巖應(yīng)力重新分布和遠(yuǎn)場應(yīng)力的作用，底板破碎巖體的擠壓流動性底鼓或在高應(yīng)力下使底板巖層形成剪切破壞楔塊的剪切錯動性底鼓和底板為膨脹巖時，遇水膨脹的膨脹性底鼓。吳和平等認(rèn)為在軟弱巖層或不良巖層中開挖隧道或巷道，軟巖本身存在流變變形

38、的特性，失穩(wěn)破壞與時間因素有關(guān)，是軟巖蠕變導(dǎo)致巖體內(nèi)裂縫擴(kuò)展，最終導(dǎo)致圍巖的破壞失穩(wěn)。郭富利等結(jié)合宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道分析了含有軟弱夾層圍巖變形破壞的原因,認(rèn)為大變形破壞的機(jī)理是軟弱夾層與較好巖體的彈性模量、厚度不同，彎曲程度不同，導(dǎo)致兩種巖層發(fā)生離層，在高地應(yīng)力的作用下，最終發(fā)生破壞。李永林潤對二郎山隧道的大變形分析后認(rèn)為大變形與小變形破壞的區(qū)別在變形破壞機(jī)理上就存在性質(zhì)差別，大變形的機(jī)理是隧道開挖后軟弱圍巖從彈性狀態(tài)向彈塑性狀態(tài)發(fā)展，在高應(yīng)力作用下再出現(xiàn)破碎臺降和剪切臺階并最終導(dǎo)致大變形失穩(wěn)。由此可以看出，大變形產(chǎn)生機(jī)理主要有膨脹性圍巖遇水膨脹剪切擠出作用、高地應(yīng)力作用下軟巖塑性變形和局部水壓

39、及氣壓力的作用，或是單因素的作用，或是多因素的共同作用?？梢哉f巖性條件是發(fā)生大變形的內(nèi)因，而地應(yīng)力條件及開挖卸荷作用是外因。大變形都是發(fā)生在軟巖隧道或相對軟巖隧道中，但是，至今巖石工程學(xué)界仍未就軟巖的概念達(dá)成共識，軟巖的定義有十幾種之多。有的指巖石，如國際巖石力學(xué)學(xué)會定義的軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度為0.525MPa的一類巖石，如泥巖、砂頁巖及泥灰?guī)r和變質(zhì)巖類的片巖、板巖、千枚巖、蛇紋巖、頁巖、煤系地層等類巖石稱之為軟巖；有的指巖體，如1984年煤礦礦壓名詞討論會（昆明）將軟巖定義為“強(qiáng)度低、空隙大、膠結(jié)程度差、受結(jié)構(gòu)面切割及風(fēng)化影響或含有大量易膨脹粘土礦物的松、散、軟、弱巖層（體）”。有的學(xué)者定義

40、的軟巖除了強(qiáng)度低的巖體外還包括了高度碎裂化巖體,如斷層破碎帶巖體等。大變形是相對正常變形而言的，不同的國家規(guī)定了設(shè)計(jì)的預(yù)留變形量，如表3-1所示，有的國家和地區(qū)還基于此提出了大變形的分級標(biāo)準(zhǔn)。表3-1 擠壓性隧道的大變形預(yù)留變形量 喻渝從變形量出發(fā),取預(yù)留變形量的0.8倍作為正常變形值的上限，取上述正常值的2倍作為大變形的上限。劉志春的分級標(biāo)準(zhǔn)考慮的因素較全面，結(jié)合烏鞘嶺隧道的特點(diǎn)將大變形分級標(biāo)準(zhǔn)分為設(shè)計(jì)和施工兩個階段，在設(shè)計(jì)階段根據(jù)圍巖力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力測試結(jié)果，確定了大變形的分級標(biāo)準(zhǔn)如表3-2所示，在施工階段結(jié)合圍巖物理力學(xué)指標(biāo)、現(xiàn)場量測及理論分析結(jié)果，分別考慮相對變形、強(qiáng)度應(yīng)力比、原始地應(yīng)

41、力、彈性模量、綜合系數(shù)及圍巖支護(hù)特征采用綜合指標(biāo)確定大變形標(biāo)準(zhǔn)如表3-3所示。表3-2 設(shè)計(jì)階段大變形分級標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)外的學(xué)者從影響大變形的多種因素出發(fā)，根據(jù)預(yù)測的大變形特征進(jìn)行了多種分類標(biāo)準(zhǔn)，主要的分級標(biāo)準(zhǔn)如表3-4表3-7，但是本人認(rèn)為，大變形的分級應(yīng)該與大變形的定義統(tǒng)一，應(yīng)該與隧道的建筑限界要求為參考進(jìn)行分類。表3-3 施工階段大變形分級標(biāo)準(zhǔn)3.3 大變形預(yù)測圍巖大變形的預(yù)測是大變形研究中最重要的內(nèi)容，盡管在這方面的研究己經(jīng)積累了一些研究成果，然而，這方面的研究仍然是大變形研究領(lǐng)域中最薄弱的環(huán)節(jié)。導(dǎo)致圍巖大變形的主要因素是巖石物理力學(xué)特性、巖體結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力集中程度，其中軟弱巖體，或者斷層巖

42、及破碎帶，并且圍巖集中應(yīng)力較高的圍巖容易出現(xiàn)大變形?；诖耍淼绹鷰r大變形可能性的預(yù)測分析主要有兩種方法：一是根據(jù)隧道圍巖類別及其力學(xué)特性和圍巖應(yīng)力集中值，利用塑性理論和流變理論分析圍巖流動變形量值，預(yù)測圍巖產(chǎn)生大變形的可能性；二是建立軟弱圍巖及其附近相對堅(jiān)硬圍巖共同構(gòu)成的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，利用彈塑性和粘彈塑性數(shù)值模擬計(jì)算圍巖流動變形量值，預(yù)測圍巖產(chǎn)生大變形的可能性。大變形的預(yù)測方法總結(jié)起來可分為擠出預(yù)測和膨脹預(yù)測兩大類。3.3.1 擠出預(yù)測Muirwood提出用堅(jiān)固系數(shù)來預(yù)測隧道圍巖穩(wěn)定性（擠出），堅(jiān)固系數(shù)被定義為單軸抗壓強(qiáng)度和上覆圍巖自重應(yīng)力的比值。后來，這一參數(shù)在日本被用以進(jìn)行軟巖隧道圍巖切

43、應(yīng)力或垂直土應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度的比值。Saari把擠出現(xiàn)象視為巖石的彈粘塑性行為，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了一些數(shù)值分析，對某些特殊情況給出了收斂解，提出用隧道的切應(yīng)變來識別和預(yù)測巖石擠出，發(fā)生擠出的臨界應(yīng)變值為1%。式中，u為隧道輪廓線的切向收斂值，R為輪廓線的初始半徑。但是，它的模型沒有考慮應(yīng)變過程中介質(zhì)強(qiáng)度的衰減。Aydan總結(jié)其它學(xué)者提出的擠出判別標(biāo)準(zhǔn)及其它參數(shù),將大變形隧道的圍巖特征綜合表示為 固系數(shù)應(yīng)小于2;擠出發(fā)生的時間與堅(jiān)固系數(shù)有關(guān),該系數(shù)越小,則擠出越快；圍巖切應(yīng)變應(yīng)該大于1%；巖石含水率一般應(yīng)大于25%，但對于巖石擠出而言,空隙度比含水率重要得多，因?yàn)殡S著空隙度增大,巖石強(qiáng)度會迅速

44、衰減； 道圍巖多為成層的沉積巖,巖石中一般含有具有膨脹特性的粘土礦物。Aydan等認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)室條件下，巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與開挖條件下隧道圍巖對切應(yīng)力的響應(yīng)具有相似性，在對日本己經(jīng)發(fā)生大變形的隧道進(jìn)行廣泛調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)單軸壓縮或低約束壓力條件下得出的巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線特征，提出了利用切向相對應(yīng)變來預(yù)測大變形，認(rèn)為，對于一個完整的試驗(yàn)過程，可以假定巖石變形經(jīng)歷彈性階段、硬化階段、屈服階段、弱化階段和流動狀態(tài)5個階段，根據(jù)室內(nèi)或現(xiàn)場單軸或（低圍壓）三軸試驗(yàn)中巖石所表現(xiàn)出的5個狀態(tài)，可以對隧道圍巖的擠出潛勢和變形程度進(jìn)行預(yù)測，具體的分級標(biāo)準(zhǔn)如表3-4所示。Tanimoto把擠出歸結(jié)于圍巖的彈塑性行為

45、，認(rèn)為當(dāng)巖石變形達(dá)到殘余塑性狀態(tài)（流動狀態(tài)）時，便會發(fā)生擠出。日本學(xué)者Viladka提出以隧道埋深和圍巖質(zhì)量作為預(yù)測指標(biāo)，發(fā)生大變形的隧道埋深臨界值為：巖體質(zhì)量系數(shù)Q為:式中，為節(jié)理組數(shù)系數(shù)；為節(jié)理面粗糙系數(shù)；為節(jié)理蝕變系數(shù)；為地下水折減系數(shù)，SRF為地應(yīng)力折減系數(shù)。另外,在鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(TB1003-2001)中采用以巖石單軸抗壓強(qiáng)度（）和最大地應(yīng)力（）來判斷大變形，認(rèn)為小于4時為極高應(yīng)力，有大變形；為47時為高應(yīng)力，有顯著變形。該兩種方法都是一些基本的參數(shù)不好采集，受到限制，如巖石RQD及值，在巖體破碎段很難得到，并且不能給出其大變形程度。鐵二局以應(yīng)力強(qiáng)度比、原始地應(yīng)力及相對變形量為指

46、標(biāo)預(yù)測大變形,并確定了隧道的大變形分類標(biāo)準(zhǔn)，見表3-4。徐林生側(cè)以隧道的變形量及相對變形量為依據(jù)，提出公路隧道圍巖大變形的劃分依據(jù)如表3-5所示。表3-4 擠壓性隧道的大變形預(yù)測分級標(biāo)準(zhǔn)表3-5 公路隧道圍巖大變形分級方案張社道參考Hoek及Mar1inos的研究，采用彈塑性理論推導(dǎo)出用地應(yīng)力與巖體參數(shù)及支護(hù)力洞壁位移再與洞徑之比來現(xiàn)場判定圓形公路和鐵道隧道大變形等級，其預(yù)測指標(biāo)如表3-6所示。表3-6 大變形等級之現(xiàn)場判定但該方法主要運(yùn)用的是幾何線性理論得到，對于破碎巖體在深埋隧道應(yīng)該采用幾何非線性理論進(jìn)行計(jì)算，因此與實(shí)際發(fā)生情況可能存在一定的差距。日本采用相對應(yīng)變判斷圍巖的擠出程度，如表3

47、-7所示。表3-7 圍巖擠出程度的分級標(biāo)準(zhǔn)劉志春將大變形分級預(yù)測分為設(shè)計(jì)和施工兩個階段，在設(shè)計(jì)階段根據(jù)圍巖力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力測試結(jié)果對大變形進(jìn)行預(yù)測，采用的預(yù)測指標(biāo)如表3-2所示，在施工階段結(jié)合圍巖物理力學(xué)指標(biāo)、現(xiàn)場量測及理論分析結(jié)果，分別考慮相對變形、強(qiáng)度應(yīng)力比、原始地應(yīng)力、彈性模量、綜合系數(shù)及圍巖支護(hù)特征采用綜合指標(biāo)對大變形進(jìn)行預(yù)測，采用指標(biāo)如表3-3所示。王樹棟根據(jù)宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，結(jié)合現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練對隧道進(jìn)行了大變形預(yù)測。張俊艷等提出采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，結(jié)合實(shí)際工程，根據(jù)隧道監(jiān)測所得到的信息，對隧道施工圍巖變形進(jìn)行預(yù)測。但是該兩種方法要以現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)

48、為訓(xùn)練依據(jù)，在勘察設(shè)計(jì)階段的預(yù)測受到限制。沈振中利用塊體系統(tǒng)分析法，采用DDA離散元方法模擬水工洞室開挖后的變形。朱以文等將增量流形法推廣到巖石大變形中，建立了大變形分析的增量流形元的計(jì)算公式，模擬了具有節(jié)理、裂隙的巖石大變形問題，并取得了一定的成果。3.3.2 膨脹變形預(yù)測1914年，Wieslnann首次研究了瑞士Hauenstein隧道的膨脹預(yù)測問題；此后，各種各樣的分析預(yù)測模型被相繼提出。這些分析方法可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)，但不能解釋所觀察到的全部變形現(xiàn)象，也不能預(yù)測變形的全過程。此后，Gysel及wittke等，將膨脹問題視為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題，形成完善的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，這些關(guān)系

49、和平衡方程及兼容性方程一起構(gòu)成了解決特定邊界和初始條件下的膨脹問題的理論框架。Anognostou（1993）認(rèn)為，連續(xù)力學(xué)介質(zhì)模型將膨脹視為一種純粹的應(yīng)力分析問題，在模擬實(shí)際觀測到的隧道膨脹變形方面存在不足，不能解釋隧底變形而拱部和邊墻無變形的問題，并提出了一個更為完善的膨脹巖模擬和預(yù)測模型。該模型的理論要點(diǎn)包括以下幾方面的內(nèi)容：考慮（地下）水的運(yùn)動：合理的膨脹巖隧道計(jì)算模型應(yīng)該考慮（地下）水的運(yùn)動，滲流方程必須和應(yīng)力分析方程同時考慮。在這樣的水一力藕合模型中，位移場取決于水頭場，當(dāng)然也就與邊界條件密切相關(guān)。由于邊界條件的不對稱，隧底和拱頂?shù)乃^分布應(yīng)該是不同的，這樣就使得模擬邊墻和拱頂穩(wěn)定

50、條件下的底鼓成為可能。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：膨脹巖可以用滿足MC破壞準(zhǔn)則的彈性完全塑性材料來模擬，但是由于標(biāo)準(zhǔn)的線彈性或完全塑性的模型不能模擬實(shí)際變形的某些重要特征，一般的彈塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系被拓展到容許膨脹的各向異性與應(yīng)力之間的對數(shù)關(guān)系等。張玉軍等給出了一個流變膨脹性巖體的計(jì)算模型并采用有限元數(shù)值方法計(jì)算了分析了山西省引黃入晉工程某輸水隧洞圍的膨脹性圍巖的穩(wěn)定性問題。由此可以看出，對于膨脹變形地段，理論研究還不成熟，研究者們還只是一種定性的預(yù)測，并未給出一定量分級預(yù)測的辦法。雖然很多學(xué)者對大變形的各種因素都做了不同的研究，能夠預(yù)測到可能產(chǎn)生大變形的圍巖區(qū)段及其嚴(yán)重程度；對大變形的預(yù)測也都基本上只

51、是單純考慮的一次開挖貫通，再以治理的情況，未考慮到開挖過程中掌子面對已開挖洞段圍巖的空間效應(yīng)及開挖后的長期影響時間效應(yīng)，更未考慮完整巖體中與斷層破碎帶接觸帶附近的變形情況。隨著計(jì)算機(jī)在工程的應(yīng)用的增加，利用計(jì)算機(jī)輔助工具考慮多因素的情況下進(jìn)行預(yù)測是將來的發(fā)展趨勢。3.4 大變形防治大變形的防治根據(jù)其變形的機(jī)制不同，分別采用不同的防治措施，對于膨脹型圍巖大變形主要的防治的措施比較公認(rèn)的一種辦法就是及時封閉，防止地下水滲入，并適當(dāng)支護(hù)即可。對于在高地應(yīng)力下的軟巖擠出性變形，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種防治措施。楊建平分析了含軟弱夾層的深部軟巖巷道后，提出在深部軟巖巷道中，及時支護(hù)和錨索支護(hù)方式更為合理，可

52、以有效控制巷道圍巖變形。郭啟良等通過對烏鞘嶺隧道變形情況進(jìn)行研究后，也提出了選擇適當(dāng)?shù)臅r機(jī)進(jìn)行支護(hù)，圍巖的支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)留有一定的變形量，允許圍巖適度變形，使得圍巖應(yīng)力適量釋放。在流變大變形之前，圍巖尚未喪失其承載強(qiáng)度時，及時進(jìn)行襯砌支護(hù)。何滿潮以徐州礦區(qū)深部煤巷圍巖結(jié)構(gòu)體為研究對象，通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)得到通過對巷道圍巖頂板、兩幫、底角3個部位采取控制措施，改變3個部位的應(yīng)力狀態(tài)及變形量來實(shí)現(xiàn)對底板的控制，取得了較好的成效。具體的方法是在關(guān)鍵部分施加錨索，減少頂板松動巖體通過兩幫傳遞到底板上的壓力，有效減小底臌量；利用錨網(wǎng)注漿增加兩幫巖體強(qiáng)度及減小收縮量，限制兩幫對底板兩側(cè)形成的固定

53、約束向深處轉(zhuǎn)移，以減小發(fā)生底膩的底板寬度；對底角施加剛性錨桿及注漿，分解來自兩幫的擠壓應(yīng)力，提高底角抗剪切滑移破壞的強(qiáng)度，控制底臌。侯朝炯等總結(jié)出國內(nèi)外控制巷道底臌的技術(shù)措施的四條原理：（1）增加底板圍巖變形的阻力；（2）提高底板圍巖的強(qiáng)度；（3）降低底板圍巖淺部的應(yīng)力，使開巷引起的高地應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移；（4）既降低底板圍巖的應(yīng)力又提高底板圍巖的強(qiáng)度。在施工中的具體措施有各種型式的可縮性封閉形金屬支架、金屬支架與底拱、底板析架、底板錨桿、底板注漿等相結(jié)合和各種型式的底板卸壓等。張社道總結(jié)了在家竹著隧道大變形整治中的成功經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為防治大變形的原理和措施有如下幾點(diǎn)：（1）改善隧道形狀，即根據(jù)原始地

54、應(yīng)力中，水平應(yīng)力是垂直應(yīng)力的比值關(guān)系，確定隧道邊墻的曲率；（2）加大預(yù)留變形量，即為防止初期支護(hù)變形后侵入模注混凝土凈空，加大設(shè)計(jì)預(yù)留變形量；（3）采用特長系統(tǒng)錨桿（83m）加固地層高地應(yīng)力軟弱圍巖是產(chǎn)生大變形的內(nèi)在原因，地應(yīng)力無法改變，但圍巖性質(zhì)可以通過加固而改變。根據(jù)初步的計(jì)算得到隧道周邊塑性區(qū)厚度采用長的系統(tǒng)錨桿，以減少圍巖的剪切滑移，使洞壁與深部地層連接，提高支護(hù)的承載能力；（4）支護(hù)結(jié)構(gòu)組成及施工順序應(yīng)達(dá)到先柔后剛、先放后抗的效果，外層支護(hù)應(yīng)是柔性的噴錨層，應(yīng)能充許洞壁發(fā)生較大變形，以釋放地應(yīng)力，發(fā)揮圍巖自承作用；內(nèi)層結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠剛度，以抵抗由于長時間流變產(chǎn)生的地層荷載，如采用U29

55、型可縮式鋼架、噴混凝土在縱向留縱縫、同時加厚噴混凝土厚度；（5）提高模注混凝土襯砌剛度，如加大襯砌厚度、采用高強(qiáng)度襯砌材料；（6）加強(qiáng)仰拱,加強(qiáng)隧道底部，并使襯砌及早封閉，防止隧底上臌。卿三惠根據(jù)烏鞘嶺特長隧道的變形規(guī)律也提出了類似的控制措施，取得了較好的成效。劉泉聲闊認(rèn)為，要維護(hù)巷道的穩(wěn)定，首先必須在巷道開挖后盡快恢復(fù)和改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，將巷道開挖后因二次應(yīng)力：調(diào)整形成的二向應(yīng)力狀態(tài)恢復(fù)到三向應(yīng)力狀態(tài)。并認(rèn)為適當(dāng)?shù)腻^桿布置方式對巷道的穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響，采用錨桿與滑移面呈22.5布置的支護(hù)效果好，光面爆破是確保高強(qiáng)錨桿有效支護(hù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)措施。當(dāng)在巷道掘進(jìn)開挖過程中遇有明顯滲水時，應(yīng)立即

56、停止掘進(jìn)，采用滲透性好、固化快、固結(jié)強(qiáng)度高的注漿材料進(jìn)行工作面超前注漿，對一定深度內(nèi)的圍巖進(jìn)行固結(jié)處理，以堵死水流通道、遏制孔隙壓力降低及有效應(yīng)力增大，同時提高圍巖完整性和整體強(qiáng)度。周宏偉等采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測得出目前的施工工藝是先安裝錨桿后噴漿，巖石因安裝錨桿和掛網(wǎng)而長時間暴露在空氣中，往往由于風(fēng)化變得疏松，且水的作用使巖層膨脹，錨桿和噴層都可能因巖石質(zhì)量的惡化而失效。提出實(shí)行先噴后錨，即巷道掘進(jìn)后立即噴射混凝土，及早封閉圍巖，并在混凝土中加鋼纖維提高支護(hù)效果，然后再安裝錨桿和掛網(wǎng)，完成一次支護(hù)。何滿潮等結(jié)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀得出軟巖防治措施主要有加強(qiáng)穩(wěn)定掌子面、加強(qiáng)基腳及防止斷面擠入、防止開

57、裂的錨、噴、支，分?jǐn)嗝骈_挖等。姜耀東等將控制巷道底臌的防治方法概括為加固和卸壓2大類，其加固方法中包括帶底拱的U型鋼可縮性支架、混凝土譴和弧板等全斷面支護(hù)法以及底板錨桿、底板注漿和錨注結(jié)合等加固法2類。卸壓方法有巷道周邊卸壓法，如幫底開卸壓槽和底板深部松動爆破等。吳和平等分析了在高應(yīng)力下軟巖巷道變形破壞機(jī)理后提出了4條支護(hù)措施：重視巷道斷面設(shè)計(jì)和斷面，合理設(shè)計(jì)底拱矢跨比，做好排水管理，特殊情況加大支護(hù)強(qiáng)度；預(yù)留卸壓，留有一定的卸壓空間，允許巷道周邊應(yīng)力峰值向圍巖深處轉(zhuǎn)移；科學(xué)、合理地選擇支護(hù)材料和支護(hù)參數(shù)，采用強(qiáng)度和長度合理的不同種類錨桿，并設(shè)計(jì)與之配套的托盤等附屬構(gòu)件；采用“錨噴網(wǎng)+注漿加固

58、”支護(hù)技術(shù)，選擇合理的施工工藝，一、二次支護(hù)融為一體。李永林根據(jù)在二郎山隧道大變形的成功經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出治理大變形的治理原則為：（1）打入足夠數(shù)量和長度的錨桿，穿越產(chǎn)生臺階臺降的剪切錯動破壞面，增強(qiáng)圍巖抗剪切變形的能力；（2）采用分?jǐn)嗝婊虬霐嗝骈_挖施工方法，控制開挖面積小于產(chǎn)生大變形破壞的“臨界”開挖面積；（3）對于很難處理的地段，可對地應(yīng)力的主強(qiáng)方向鑿洞導(dǎo)流，減少地應(yīng)力對工程隧道圍巖的地應(yīng)力作用；（4）合理使用輔助方法，如加強(qiáng)穩(wěn)定掌子面，加強(qiáng)基腳等。相關(guān)規(guī)范提出了二次襯砌的施作時機(jī)以達(dá)到控制大變形的目的。何滿潮提出了軟巖巷道最佳支護(hù)時間的概念，劉志春等提出了二次襯砌施作時機(jī)的確定方法，便是該方法要求在現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后，要對施工總位移進(jìn)行估算，經(jīng)驗(yàn)要求較高。由此可以得到，對于大變形隧道防治可以根據(jù)破壞機(jī)理不同，采用不同的治理措施，對于膨脹性圍巖主要是防止水浸入巖體內(nèi)，對于高應(yīng)力條件下的擠壓性圍巖主要采用