（岩土工程专业论文）山岭隧道开挖灾害预防与控制技术研究.pdf

博士学位论文 摘要 摘要 随着公路建设大力发展高等级公路和完善中西部公路网交通工 程的不断进行，高速公路和高等级公路的建设逐渐从平原、微丘区向 山岭重丘区等地延伸，公路隧道的建设越来越不可避免，并且在公路 建设中所占的比重越来越高。在这种发展趋势下，由于山区复杂的应 力场环境和不同岩体结构条件，隧道开挖施工过程中不可避免的会遇 到许多工程灾害问题。本文在湖南省交通科技项目和国家自然科学基 金重大项目资助下，对山岭公路隧道在开挖施工、建设过程中所遇到 的工程灾害问题进行了系统研究。主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 基于距离判别分析理论，考虑影响隧道围岩类别的定性和 定量因素，选用7 项指标作为判别因子，利用大量工程实例的数据作 为学习样本，建立了隧道围岩类别判定的距离判别分析模型，并利用 回代估计法进行检验。研究结果表明，该模型比较稳定，判别能力较 强。将该模型运用实际公路隧道工程的围岩类别判定中，判别结果和 实际情况一致。 ( 2 ) 基于b a y e s 判别分析理论，从围岩应力、岩性和能量三个方 面出发，选定围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度之比( 仃疗t r ，) 、 岩石单轴抗压强度与抗拉强度之比( o 作为岩爆预测的判别指标，利用国内外大量典型地下工程岩爆实测资 料作为学习样本，建立了岩爆发生可能性及其烈度分级预测的b a y e s 判别分析模型。将该模型运用到国内深埋公路隧道的岩爆预测中，判 别结果完全符合现场岩爆情况，为岩爆预测问题提供了一条有效途 径。 ( 3 ) 利用有限差分软件f l a c 3 d ，对富水地段公路隧道进行三维 流固耦合分析，考虑了地下水渗流作用对公路隧道的开挖影响，研究 了隧道开挖地下水渗流分布规律。研究发现：围岩孔隙水压力场分布 随隧道开挖逐步发展成一个以隧道开挖区域为中心的近似于渗水漏 斗的分布形状，围岩类别和隧道埋深对渗流场的分布形式影响不大， 流动矢量表明连拱隧道开挖后渗漏水多发部位主要集中在拱部和边 墙上，在隧道施工中做好地下水的良性排放十分必要。 ( 4 ) 分析了各种工程状况：围岩类别、隧道埋深、地下水水位、 施工工法以及偏压对隧道稳定性的影响。研究结果表明：围岩类别对 博士学位论文摘要 隧道稳定性的影响最大。同一类别围岩在相同的施工工艺情况下，埋 深越大，围岩的稳定性越不利，围岩塑性区分布范围随埋深的增大而 增加。山体初始地下水位对公路隧道围岩的稳定性存在一定影响，随 着地下水位的下降，隧道拱底涌起量基本呈线性减少，且递减幅度较 大。围岩塑性区分布范围也随地下水位的下降而减少。通过支护结构 受力分析，发现连拱隧道中拱墙和仰拱的接触部位喷射混凝土层的局 部受力较大，因此，在初期支护达到一定强度后，应尽早实施二次衬 砌，以避免发生局部开裂破坏而导致隧道渗水等不良病害现象。 ( 5 ) 根据理论研究成果，提出了一系列针对性极强的防排水综 合控制技术措施，具体包括：富水段超前地质预报、超前环向孔帷幕 注浆堵水技术、喷射抗渗混凝土、新型粘贴式集水排水系统、隧道底 板涌水的盲沟集排水等技术，并把这些防排水措施与初始防排水设计 和地下工程防水技术规范要求紧密结合，通过现场实施证明，取得了 良好的防排水效果。首次提出的隧道工程新型粘贴式集排水系统，利 用泄水孔与弹性集水槽相结合，围岩的渗水流入集水槽，然后引入环 向或纵向排水盲管，该系统的集水率达到8 5 ，使得喷射混凝土和防 水布安装在无水或小水条件下进行，提高了其施工质量，增强了隧道 防排水效果，具有较大的推广应用前景。 ( 6 ) 利用连拱隧道周边位移监控量测结果对连拱隧道围岩支护 系统的稳定性进行了分析。从量测断面的水平位移收敛历程基本类 似，收敛曲线最终全部趋于收敛，最终收敛位移相差相对较小。利用 修正的双曲线函数，对隧道左右洞室总体的水平收敛位移进行了回归 分析，分析结果完全满足各项设计规范的规定。最后针对位移判别具 有不确定性的特点，利用模糊概率方法对隧道的整体稳定程度进行了 分析。 关键词：山岭隧道；围岩分类；岩爆预测；流固耦合；渗流控制；稳 定性分析 博士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t m o r ea n dm o r et u n n e l sw e r eb u i l ti nt h em o u n t a i nh i g h w a yw i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o nn e t d u et o t h ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c a ls t r e s s - f i e l da n dd i f f e r e n tr o c k m a s sc o n s t r u c t c o n d i t i o n ，s o m ee n g i n e e r i n gd i s a s t e r st o o kp l a c ei nt h ep r o c e s so ft u n n e l e x c a v a t i o n s u c ha st h ef a i l u r eo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c k , r o c k b u r s ti n d e e pt u n n e l ，s e e p a g ea n dl e a k a g e ，a n ds oo n t or e m e d ys u c he n g i n e e r i n g p r o b l e m s ，t h ea u t h o rs t u d i e dd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a ll yo nt h ep r e v e n t i o n a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fe n g i n e e r i n gd i s a s t e rw i t ht h es u p p o r to ft h e h u n a np r o v i n c et r a n s p o r t a t i o ns c i e n c e & t e c h n o l o g yp r o je c ta n dt h ek e y p r o j e c to ft h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a t h em a i nc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fd i s t a n c ed i s c r i m i n a n ta n a l y s i st h e o r y , ac l a s s i f i c a t i o nm o d e lo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c kw a se s t a b l i s h e di nt h i s p a p e ra n ds e v e ni n d e x e sr e f l e c t i n gt h ee n g i n e e r i n gq u a l i t yo ft u n n e l s u r r o u n d i n gr o c kw e r ec o n s i d e r e d t h ed i s c r i m i n a n tf u n c t i o n so fm o d e l w e r eo b t a i n e dt h r o u g ht r a i n i n gal a r g es e to fe x p a n s i v e s a m p l e s t h e r e - s u b s t i t u t i o nm e t h o dw a si n t r o d u c e dt ov e r i f yt h es t a b i l i t yo ft h i sm o d e l a n dt h er a t i oo fm i s t a k e d i s c r i m i n a t i o ni sz e r o as e to fd a t ai nt w ot u n n e l e n g i n e e r i n gw e r eu s e dt ot e s tt h ed i s c r i m i n a n ta b il i t yo fm o d e la n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h i sm o d e lh a sh i g hp r e d i c t i o na c c u r a c y ( 2 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fb a y e sd i s c r i m i n a n ta n a l y s i st h e o r y , a d i s c r i m i n a n ta n a l y s i sm o d e lo f p r e d i c t i o no fp o s s i b i l i t ya n dc l a s s i f i c a t i o n o ft u n n e lr o c k - b u r s tw a se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h r e ef a c t o ri n d e x e s i n c l u d i n gt h e r a t i oo f 0 8 t r ca n d o c t r ? ，a n dw 。| w e r er e g a r d e d a s d i s c r i m i n a n tf a c t o ro ft h ed i s c r i m i n a n tm o d e la n das e r i e so fu n d e r g r o u n d r o c kp r o je c t sa th o m ea n da b r o a dw e r et a k e na st h et r a i n i n ga n dt e s t i n g s a m p l e s ，a n dt h er a t i oo fm i s t a k e d i s t i n g u i s hi sz e r oa f t e rt h i sm o d e lw a s t r a i n e d r o c k - b u r s t so ft o n g y ut u n n e li n c h e n g - q i a nh i g h w a ya n d k u o c a n gm o u n t a i nt u n n e li nz h u y o n gh i g h w a yw e r eu s e dt ov e r i f yt h i s m o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s c r i m i n a n tm o d e lc a nb eu s e dt o p r e d i c t t h e p o s s i b i li t y a n dc l a s s i f i c a t i o no fr o c k b u r s ti n d e e p 博士学位论文 a b s t r a c t u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n ga n dt h ep r e d i c t i o na c c u r a c yi sv e r yh i g h ( 3 ) b a s e do nt h ec o u p l e df u i d m e c h a n i c st h e o r e m f l a c 3 d ( f a s t l a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u ai n3d i m e n s i o n ) n u m e r i c a ls o f t w a r eh a s b e e nu s e df o rt h ea n a l y s i so fm o u n t a i nm u l t i a r c ht u n n e l d e s i g ni n a q u i f e r o u ss t r a t u m a f t e rt u n n e le x c a v a t i o n t h eg r o u n d w a t e rw i l lf l o w t h r o u g ht h er o c kf i s s u r e su n d e rt h ed i f f e r e n tp o r ep r e s s u r ei nt h en e t w o r k a n da tl a s tt h ep o r e p r e s s u r e o fg r o u n d w a t e rh a sa f u n n e l s h a p e d d i s t r i b u t i o ni ne x c a v a t i o n r e g i o n a l t h em o s tl e a k i n gp l a c e sa r o u n d t u n n e lc o n c e n t r a t eo nt h ev a u l ta n dt h es i d ew a l l s oi ti s n e c e s s a r yt o m a k et h eu n d e r g r o u n dw a t e rd r a i na c t i v e l y ( 4 ) t h ec o u p l e df l u i d m e c h a n i c sn u m e r i c a la n a l y s i sh a db e e nd o n e b yc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fr o c kc l a s s e s ，c o v e r i n gd e p t h s ，u n d e r g r o u n d w a t e rt a b l e s ，c o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n di n i t i a l s u p p o r t i n gs y s t e m s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e s u r r o u n d i n gr o c kc l a s s e sh a v em o s ti m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo ft u n n e l s ，a n ds od o e st h et u n n e l c o v e t i n g d e p t h s t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h es e t t l e m e n to ft h ev a u l td e r i v e d f r o mc o u p l i n ga n a l y s i sw h e nc o n s i d e r i n gt h es e e p a g ef l o we f f e c tw e r e b i g g e rt h a nt h a to ft h es e e p a g ef l o we f f e c tw a sn o tc o n s i d e r e da n dt h e u n d e r g r o u n dw a t e rt a b l e si n f l u e n tt h es t a b i l i t yo ft u n n e l st os o m ed e g r e e t h e r e f o r e ，i ti sq u i t en e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h es e e p a g ef l o we f f e c to ft h e u n d e r g r o u n dw a t e ri na q u i f e r o u ss t r a t u mf o rm u l t i a r c ht u n n e ld e s i g n ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h e o r ya n a l y s i s ，t h et r e a t m e n t m e a s u r e sw h i c hh a v ei m p o r t a n tp e r t i n e n c ef o rr e s o l v i n gt h ep r o b l e mo f t u n n e ll e a k a g ew e r ep u tf o r w a r d t h em e t h o d si n c l u d et h e g e o l o g y f o r e c a s ti na na q u i f e rs t r a t u m ，t h et e c h n o l o g yo fg r o u t i n ga n ds h o t c o n c r e t ew i t ha n t i - s e e p a g ea n ds oo n t h e s et r e a t m e n tm e a s u r e sw e r e a d o p t e dt op r e v e n ta n dd r a i nt h eu n d e r g r o u n dw a t e ra r o u n dt h et u n n e l t h et u n n e l sc o n s t r u c t i o np r o v e dt h a tt h e s em e a s u r e sh a da c h i e v e da p r e f e r a b l ee f f e c tt ot h eo r i g i n a ld e s i g n ；e s p e c i a l l ya tt h ep l a c e sw h e r et h e l e a k a g ea l w a y st a k e sp l a c ei fn o n et r e a t m e n tm e a s u r e sw e r ea d o p t e d t h e n e wg a t h e r i n ga n dd r a i n i n gg r o u n d w a t e rs y s t e mc a ng a t h e ra b o u t8 5 u n d e r g r o u n dw a t e rw h i c hf l e wi n t ot u n n e la l o n gt h ec r a c k sa n di o i n t f i s s u r e s ( 6 ) t h em e a s u r i n gr e s u l t so f s u r r o u n d i n gd i s p l a c e m e n tw a s u s e dt o 博士学位论文 a b s t r a c t a n a l y z et h es t a b i l i t yo fr o c k - s u p p o r t i n gs y s t e mi nm u l t i a r c ht u n n e l t h e c o n v e r g e n c ec o u r s eo fh o r i z o n t a lc o n v e r g e n c ec u r v e sw a ss i m i l a rf o r e v e r ys e c t i o na n dt h ed i f f e r e n c eo ff i n a ld i s p l a c e m e n tb e t w e e nt h o s e c o n v e r g e n c ec u r v e sw a sv e r yl i t t l e t h e nt h em o d i f i e dh y p e r b o l af u n c t i o n h a db e e n u s e dt o r e g r e s st h ed i s p l a c e m e n tc o n v e r g e n c e c l j 咀 v e so f s u r r o u n d i n gr o c k f u r t h e r m o r e ，t h es t a b i l i t yo ft u n n e lw a sc a l c u l a t e dw i t h t h ef o r m u l ao ff u z z yp r o b a b i l i t y t h ep r e s e n tf o r m u l aa n de x p e r i e n c e c o u l db er e f e r e n c e di nt h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dr e s e a r c h e so fs i m i l a r t u n n e l s k e yw o r d s ：m o u n t a i nt u n n e l ，c l a s s i f i c a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k ， r o c k b u r s t p r e d i c t i o n ，c o u p l e df l u i d s o l i d ，s e e p a g ec o n t r o l ，s t a b i l i t y a n a l y s i s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：堕年旦月兰日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师：卫芝年野互日 博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国地域辽阔，地表起伏较大，地势海拔高度差达5 0 0 0 m 左右，大约7 5 左右的国土属于山地或重丘。在过去的公路建设中，普遍做法是选择盘山绕行或 者切坡深挖。据统计资料，汽车翻越山岭平均时速不足3 0 k m ，不到经济时速的 一半，汽车的机械损坏和轮胎磨损极为严重，低等级道路的汽油耗量比高等级公 路多2 0 , - , 5 0 ；另外，劈山筑路会造成许多高边坡，在南方雨量充沛的地区会 严重破坏自然景观，一些地质比较复杂的地段如果治理不当还会造成塌方滑坡、 岩崩和水土流失。因此，在山区高等级公路建设中必须重视隧道方案，并且在 公路隧道施工和运营过程中要努力提高工程科学技术水平。 世界上最早的公路隧道，始于1 9 2 7 年美国纽约哈得逊河底的荷兰盾隧道。 其后，随着新奥法、挪威法、t b m 法等方法的确立，数量众多的现代公路隧道 相继建成，修筑长度也从上世纪初的二、三公里发展到现在的数十公里1 2j 。据统 计，1 9 9 0 年前欧洲各国投入运营的公路隧道达到1 7 0 0 k m ，现在欧洲全境共有近 3 0 座公路隧道。穿越阿尔卑斯山的连接瑞士和意大利的圣哥达公路隧道全长 1 7 k m 左右，是世界第二长公路隧道：于2 0 0 0 年底落成的位于挪威中部地区的洛 达尔公路隧道，全长2 4 5 k m ，单洞双向双车道，是目前世界上最长的公路隧道。 亚洲以前最长公路隧道为同本的关越隧道，长度1 0 9 公罩，双洞单向四车道， 后来被我国建成的秦岭终南善公路隧道所取代。终南山隧道是目前世界上最长的 双洞公路隧道，长度达到1 8 0 4 k m 。 和发达国家类似，我们国家的公路隧道建设也经历了一个总体数量从无到 有、建设速度由慢变快、建设等级从低向高发展的一个过程，但是发展速度相对 落后。在上世纪五十年代以前，我国存在的公路隧道仅有3 0 多座，总长大约 2 5 0 0 m 。六七十年代也曾在公路上修建了一些超过百米的隧道，但标准很低。进 入八十年代后，公路隧道的发展逐渐加快。到1 9 9 0 年底，我国建成的千米以上 隧道已经有十余座。之后的“八五九五”期间是我国公路隧道建设迅速发展的 时期。其中“九五”期间新建隧道5 0 4 座，2 7 8 万延米。进入本世纪后，公路隧道 建设更是突飞猛进。截至2 0 0 5 年底，全国已建成公路隧道2 8 8 9 处、1 5 2 7 万m 。 另据报道，在本世纪前十年中，即2 0 1 0 年前将有总长1 5 5 k m 以上的公路隧道投 入建设。可以预计，2 l 世纪初叶，我国的公路建设和隧道技术必将有一个更大 的新的发展。如果要简要综述我们国家未来的公路隧道建设，正如中国工程院王 博士学位论文第一章绪论 梦恕院士在2 0 0 2 年1 1 月北京召开的“国际隧道研讨会及公路建设技术交流大会” 上所作的主题报告中所提到的：“中国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、 发展最快的国家”1 3 l 。 随着公路建设大力发展高等级公路和完善中西部公路网交通工程的不断进 行，高速公路和高等级公路的建设逐渐从平原、微丘区向山岭重丘区等地延伸， 公路隧道的建设越来越不可避免。我国广东、浙江、福建、湖南、重庆、四川、 云南、贵州、陕西、吉林、西藏等省份在进行公路建设时，都不可避免的遇到了 隧道群的建设问题。同时，隧道在公路建设中所占的比重越来越高。一些路段， 隧道长度已经占到公路总长的1 4 ，湖南省的邵怀、常吉高速公路，隧道所占比 例都接近1 5 。此外，公路隧道单洞长度也越来越长。目前已建和在建3 k m 以上 特长公路隧道l 座，5 k m 以上特长公路隧道3 2 座。 在隧道总量越来越多、单个隧道长度越来越长的发展趋势下，由于山区复杂 的应力场环境和不同岩体结构条件，隧道丌挖施工过程中不可避免的会遇到许多 工程灾害问题。复杂地质条件下隧道围岩质量类别的判别是隧道设计和施工的首 要问题。在深埋高应力山区，岩爆则是隧道丌挖过程中所遇到的另一突出难题。 岩爆的发生会严重威胁施工人员和设备的安全，影响施工进度。另一方面，在隧 道开挖施工和运营期间，尤其在地下水丰富的地区，渗漏水问题一直没有得到很 好的解决。“十隧九漏”在很大程度说明了隧道渗漏水问题的广泛性、普遍性和危 害性。此外，隧道建设过程中围岩一支护系统的稳定性问题也不容忽视。因此， 为了实现高速公路隧道的安全施工和长效运营，必须重点解决以下几个问题：( 1 ) 隧道围岩类别判定方法。( 2 ) 隧道岩爆发生及其烈度分级预报方法。( 3 ) 隧道渗 流理论与控制技术研究。( 4 ) 隧道围岩支护系统稳定性研究。上述四个问题， 贯穿了公路隧道建设从勘察、设计到施工、运营以及后续设计的整个过程( 如图 1 1 所示) ，因此必须引起重视并进行有针对性的重点研究。 图1 1 公路隧道开挖不同阶段所遇到的工程问题示意图 2 博士学位论文第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 隧道围岩分类方法的研究 岩体质量分类方法最早是由r i t t e r 开始进行研究的，他在1 8 7 9 年对隧道设 计过程中提出了一种经验性的用于确定支护措施的围岩分类方法【4 l 。而后对隧道 围岩提出分类的是t e r z a g h i ，在1 9 4 6 年他从描述各种岩层的特征入手，根据a l p s 山公路隧道金属支架施工的经验，总结了一种适用于拱形金属支架隧道围岩的分 类方法，并在北美的隧道掘进中广泛采用1 5 l 。l a u f f e r 在1 9 5 8 年提出了隧道有效 跨度的稳定时间的概念，并将该思路运用到隧道围岩分类中【6 l 。d e e r e 在1 9 6 7 年 提出了影响深远的r q d 定量隧道围岩分类法，至今仍然被广泛采用1 7 i 。该方法 主要是根据钻探时得到的岩芯的完好程度来判断岩体的质量，进而对岩体进行分 类，将长度大于0 1 m 以上的岩芯累计长度和钻孔总长相比，得到的百分比即为 岩体质量指标r q d 。b i e n i a w s k i 在1 9 7 6 年提出了一种地质力学分类法或者称为 岩体评价分类指标值r m r ，该方法考虑六种指标：岩石单轴抗压强度、r q d 值、 节理间距、节理条件、地下水情况和节理产状。然后按照参照表进行评分，最后 求和得到r m r 值，经过修讵后以此进行分类哆卅i 。在此基础上，l a u b s c h e r 等又 发展出了一种考虑节理方向和j x l 化作用影响的修正r m r 分类法l 1 0 1 。挪威岩土工 程研究所( n o r w e g i a ng e o t e c h n i c a li n s t i t u t e ) 的b a r t o n 等人，在调查大量地下工 程实例的基础上，在1 9 7 4 年提出了一种隧道丌挖岩体质量评价的q 分类法，其 分类指标q 的值从o 0 0 1 到1 0 0 0 变化，按照q 值可以将岩体分类分为9 类。1 2 1 。 我国水利部在1 9 7 8 年提出了一种r m q 分类法，简称m 法。该分类法是在大量 地质工作的基础上，分析影响岩体质量的各种因素，并通过各种勘测试验手段， 取得并综合这些因素的定量指标，根据r m q 值大小，可以衡量岩体质量的优劣 引。中国科学院地质研究所谷德振教授等根据岩体结构划分岩体类别，这种分 类法的特点是考虑到各类结构的地质成因，突出了岩体的工程地质特性。这种分 类法把岩体结构分为四类，即整块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构，在 前三类中每类又分2 3 亚类按岩体结构类型的岩体分类方法，对重大的岩体工 程地质评价来说，是一种较好的分类方法，颇为国内外重视1 1 4 l 。公路隧道设 计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 以隧道围岩基本质量指标指标曰q 进行分级。根据调 查、勘探、试验等资料，岩石隧道的围岩定性特征，围岩基本质量指标b q ，按 照参照表确定隧道围岩的级别l l 川。 随着电子计算机等先进手段的迅速发展，一些新理论、新方法逐渐被引用到 隧道围岩分类中，取得了很好的效果。h a r u ns o n r n e z 等1 1 6 】、a a y d i n i0 7 1 、吴相金 博士学位论文第一章绪论 等1 1 8 1 、郝哲等1 1 9 1 、江胜吲2 0 1 、李围、李希胜【2 2 】等分别分别在考虑多因素围岩 分类法的基础上，将模糊数学引入到围岩分类中，建立了围岩模糊分类模型，按 照最大隶属度原则定量判定围岩分类，并将该方法运用到一些隧道工程实例中。 程士俊1 2 3 l 、杨小永等1 2 4 2 5 1 借助专家丰富经验和既有隧道围岩分类信息，引入模 糊信息分析模型，创建了公路隧道围岩模糊信息分类的专家系统，在围岩定量分 类方面取得了一定进展。刘长祥等应用模糊聚类理论，通过对高速公路隧道监测 历史数据进行的聚类分析，依据模糊聚类和模糊模式识别、类别变量特征值与概 率统计相关分析等模型，根据模糊聚类参数与预测因子的前期特征值，确定相应 的类别变量特征值，建立类别变量特征值与预测对象之间的相关关系，利用此相 关关系对隧道拱顶沉降速率进行了预测，从而判断围岩的稳定情况1 2 引。刘树棠 等在综合分析研究的基础上，选用岩体完整性、岩块强度特征等六指标的五级分 类体系，构建了基于隧道围岩稳定性分类的标准数据库，建立了隧道围岩稳定性 的五级灰色归类模型1 27 1 。赵卫国采用灰色关联分析法，对影响围岩质量的5 项 指标：岩石质量指标r q d 、湿抗压强度、完整性系数、结构面强度系数、和地 下水渗水量等进行了关联分析，提出了一种进行围岩分类的新方法，具有一定的 工程实用价值例。贾钞等1 2 9 j 、左昌群等俐在物元、可拓集合论和关联函数运算 的基础上，选取影响隧道围岩分类的各项指标，建立了隧道围岩质量评价的物元 模型。通过实际隧道围岩等级的关联度计算，并对实际公路隧道围岩进行了可拓 学评价，并与r m r 评价方法结果进了对比分析，认为该方法能够较好的满足围 岩分类的要求。高志亮等1 3 1 | 、裘军良等j 3 2 j 、王心飞1 3 3 l 、郝哲等1 3 4 j 根据公路隧道 岩体分级标准的要求，全面考虑各种分级指标，建立了公路隧道岩体分级的神经 网络方法，对各类定性和定量的指标数据进行处理，并利用大量实测资料作为学 习样本，建立神经网络模型，对一些隧道工程的围岩进行了分级和评价。 虽然地下工程围岩分类或分级研究已经取得了很大发展，但是随着时代的发 展，围岩分类方法仍需进一步深入研究。尤其是随着地下工程规模扩大、埋深增 加以及工程环境的同趋复杂，探讨与之相适应的围岩分类方法显得更加迫切和重 要。总结前人工程岩体分类的经验和教训，针对具体工程类型、环境和特点，对 围岩分类因素和指标加以修改和校正的工作，也是围岩分类的研究内容 3 5 】。为 全面的考虑各种影响因素，又使分类形式简单、使用方便，岩体质量评价及其分 类的发展方向有以下趋势 1 4 】：( 一) 趋向于多因素综合指标进行分类的方法； ( 二) 向定性和定量相结合的方向发展；( 三) 重视新理论、新方法在岩体分类 中的应用。 4 博士学位论文 第一章绪论 1 2 2 隧道岩爆预测问题的研究 岩爆是深埋隧道施工的一种地质灾害。在国内外公路、铁路、水利水电等涉 及到隧道施工的岩土工程中，特别是对于地质条件复杂、长度接近或超过1 0 k i n 的长大隧道，岩爆的发生已经数见不鲜。为减少岩爆对隧道施工带来的破坏并且 降低对工程施工人员、设备的威胁，如何及时做出岩爆的预测并加以有效防治是 隧道工程研究中的一个重要命题。目前很多专家、学者已经从强度、刚度、能量、 断裂、损伤、扩容、突变、分形等方面对岩爆发生机理进行了分析研究，提出了 各种理论方法和模型i j 制。h o e k 和b r o w n 于1 9 8 0 年提出了对各向同性岩石材料 的经验性的强度准则p 列。能量理论是2 0 世纪6 0 年代由c o o k 等人在总结南非1 5 年岩爆研究与防治经验的基础上首先提出的，认为当矿体一围岩系统在力学平衡 状态破坏时所释放的能量大于消耗的能量时，即产生冲击地压。2 0 世纪7 0 年代， 美国密苏罩大学在c o o k 等人的基础上提出了剩余能量的理论，并提出冲击地压 能量判据1 3 孙 j 。刚度理论的产生源于刚性压力机的产生，后来御莱克在2 0 世纪 7 0 年代将此理论完善，认为矿体的刚度大于围岩的刚度是产生冲击地压的必要 条件，但是由于这种理论主要用于解释煤矿冲击地压和矿柱岩爆问题，所以使用 并不广泛。我国阜新矿院认为岩爆取决于岩石加载过程的刚度与应力达到峰值以 后卸载过程的刚度比值，并提出以刚度为参数的冲击性指标| 3 。倾向性理论主 要分为( 一) 弹性能量指数 4 0 - 4 2 1 ；( 二) 能量冲击性能指标| 4 3 l ；( 三) 能量储耗 指数| 4 4 1 ；( 四) 脆性系数1 4 5 舶l 。失稳理论是将围岩看成一个力学系统，将岩爆当 作围岩组成的力学系统的动力失稳过程，即岩爆的发生是围岩组成的变形系统由 不稳定平衡状态变成新的稳定状态的过程1 3 9 1 。将断裂、损伤理论用于岩爆虽然 是最近几年的事，但经过众多学者的努力已经取得了一定的成果。最近几年，动 静组合加载下的岩石力学特性与破坏机理研究，为探索深部岩体岩爆提供了一种 新的思维| 4 卜列j 。李夕兵、左宇军等对动静组合加载下的岩石力学特性进行了深入 研究，研究表明1 5 0 4 5 1 ：动静组合加载下岩石表现出与纯静载或纯动载作用下不同 的力学特性，岩石在静载和小幅东在扰动组合下，裂纹扩展明显，岩石中的一些 不连续界面处于闭合状态，使得静载作用下的裂纹重新扩展。并在此基础上，建 立了硐室层裂屈曲岩爆的突变模型。此外，还有分形理论1 5 昏5 7 i 、微重力理论1 4 2 l 、 突变理论 水 i 等都被运用到岩爆发生机理的研究当中。 对于岩爆发生及烈度分级判别准则，国外主要有：r u s s e n e s 岩爆判别准则、 t u r c h a n i n o v 岩爆判别准则、h o e k 岩爆判别准则、巴顿岩爆判别准则等等。在国 内，陆家佑提出了一种岩爆判别准则i 鲫l 。另外，k i d y b i n s k i 提出了弹性能量指数 呒，用于岩爆问题的预测。近年来，随着非线性科学、专家系统和人工智能的发 展，越来越多新的方法被很多专家和学者引用到岩爆的预测问题研究中。王元汉 5 博士学位论文第一章绪论 等对岩爆进行了模糊数学综合评判【6 0 1 。秦乃兵在此基础上进行了含洞室岩体双 轴压缩状态下的岩爆模拟试验f 6 。x t f e n g 等利用专家系统对深部矿山的岩爆 预测进行了系统研列6 2 彤l 。杨莹春等应用可拓学的综合评判方法，建立多指标的 岩爆分级预报综合评价模型【6 4 彤j 。姜彤等根据与岩爆有关的地质条件，选取岩体 最大初始应力、岩体最小初始应力、岩石抗拉强度、岩体抗压强度、岩体结构强 度、节理、裂隙与最大主应力方位的夹角作为主要评价指标，建立了岩爆烈度分 级表6 6 6 7 1 。冯夏庭等陋6 9 1 、杨涛等0 7 0 1 、陈海军等、白明洲掣7 羽、朱宝龙等f 7 3 j 、 丁向东等【7 4 】、郭雷等【7 5 1 分别采用人工神经网络理论，选取影响岩爆的一些主要 因素，利用国内外大量工程实例作为学习和训练的样本，建立神经网络模型对岩 爆发生及其烈度进行预测。冯夏庭、赵洪波针对岩爆预测和烈度分级问题，提出 了基于支持向量机的预测方法1 7 6 - 7 7 l 。宫凤强等基于距离判别分析理论，选取影响 岩爆的主要因素，利用国内外一些重大深部岩石工程实例作为学习的样本进行训 练，建立岩爆预测的距离判别分析模型1 7 8 - 7 9 j 。在数值模拟方面，乐晓阳等采用刚 体离散单元法对节理岩体圆形洞室的岩爆过程进行了数值分析与模拟oj 。唐春 安、王善勇、朱万成、祝方才等利用r f p a 程序对岩爆发生的力学机理进行数值 模拟| 4 9 引。8 2 1 。王青海等运用数值模拟手段，对重庆市通渝隧道在大埋深环境下 的围岩应力分布特征进行了模拟分析，并就可能发生围岩大变形或岩爆的部位进 行了预测1 8 3 1 。张秉鹤利用二维有限元对括苍山特长公路隧道岩爆发生机理进行 了阐述| 4 引。周卫滨利用有限元数值模拟对苍岭公路隧道的岩爆进行了分段预测 1 8 4 1 。张志龙利用三维有限元数值模拟对邵怀高速公路雪峰山隧道岩爆问题进行 了研究| 8 5 i 。管海涛利用a n s y s 对锦屏水电站交通公路牦牛山隧道围岩进行了稳定 性研究，并对岩爆发生情况进行了分析1 8 6 | 。 综上所述，岩爆是一种非常复杂的动力地质现象，其发生与否以及烈度大小 不只取决于某一单一因素，而是多种因素共同作用的结果。目前岩爆机制尚不完 全明了，使得预防和预测这种岩石破裂形式颇有难度瞄7 | 。采用数学或力学的方 法建立岩爆预测系统是非常困难的，这就给传统的岩爆分析方法带来了极大困难 | 6 3 ”l 。因此，引进新理论、新方法，建立一些能够考虑多种影响因素、把人为 影响减小到最低程度的更具客观性、通用性、预测精度高的岩爆预测方法非常有 必要。 1 2 3 隧道裂隙岩体流固耦合分析的研究 山岭隧道一般埋深较浅，水压不大，但隧道所处岩体大多数都风化严重，裂 隙发育，地表水容易下渗，如遇长时间降雨，则降水形成的渗透压力对隧道稳定 性的影响明显。裂隙岩体中的渗流研究，始于上世纪5 0 年代，l o m i z e 于1 9 5 1 6 博士学位论文第一章绪论 年进行了裂隙岩体中的流体流动试验【8 引。s n o w 系统性的研究了裂隙岩体的渗透 试验，他不但考虑了裂隙面的几何形状，还考虑了裂隙面承受法向应力的情况， 建立了渗透率计算公式1 8 9 1 。k e l s a l l 等研究了地下洞室开挖后，围岩渗透系数的 变化，导出了应力与裂隙渗透系数的关系式叫j 。从2 0 世纪六七十年代开始，国 内外很多学者建立了离散介质、拟连续介质、双重介质等渗流模型1 9 呻6 1 。离散 介质渗流模型认为岩体是由裂隙与孔隙共同组成渗流通道的“双重”介质，其中裂 隙系统渗透性强，孔隙形差，