（安全技术及工程专业论文）隧道围岩分类及稳定性分析.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t 。1 1 1 i st l l e s i si n 仃d d u c e st h ed o m e s t i c 孤do v e 娼氍略c i r c 啪s t a n c e so ft h ed a s s i f i c a t i o na n d s 协i l 毋锄l y s i so ft i l 】呲e ls 肼咖d i n gr o c l 【i t 西v 髓ad e s c 咖t i o nc 伽衄饥c e d 谢t l l 锄a l y z i i l ga l l s o r t so fe l 锄e n t sa a e c t i n gt h es 讪i l i 够o ft l l 皿e l 瓯l r r 讲m 血gr o c k 锄db 嬲e do nt h em e c h a n i 锄o f d e f 0 r m a t i 叽a n dd e s t r i l c d o f 地s h o w s 圮m e c h a l l i 锄w h i c hm e n t i o n e db e f 0 他o fx u j i a l i 锄z i t i l n n e l f i v ei n d c x ，血1 u 妇g 也es 棚t e dl l n i a x i a lc 。m p r e s s i v es 仃e n g l h 心，t h er o c kq 砸l 毋 d e s i 弘a t i r q d ，t h ei i l t a c 协e s si n d e x 。fr o c km 弱s 巧姐dr ：o c km 镐sb 勰i cq 砌i 锣曰q ，i s i i l 的d u c e db a s e do nt h e 勉t t l r eo ft 量i e 矗l z 觋q l l a l i t a t i v e 勰ds 锄i - q u 铀t i t a t i v cc l 弱s i f i c a t i o f s 1 1 r r o u n d i l l gr o c ka n dt h ep 血c i p l eo ff u z z ym a l l l 锄a t i c s t h i sm e s i sf o l m d st h ef i l z 虿c l 够s i 6 c 撕衄 s y s t e l no ft l l i m e l 跚玎o u n d i l l gr o c k 谢t 1 1 缸强猡i i l f o n n a t i o nc 1 勰s i f i c a l i a 丑dq u 翘t i t a t i v e c l 舔s i f 如唱诵t hm es y s t 啪i np a r to fx u j i a l i 锄z it 毗m e l ，m ec l s i f i c a t i o nr e g u l tc 柚b ea l m o s tt l l e s 锄e 谢n lt l l ep r a c 吐c a l 您n l 【眵血n a t i n g s oi t i sp r o v e dt h a tm ef h z z yc l 舔s i 6 c a t i o ns y s t 锄i s f c 嬲i b l e i tp r o c e c d st h ec 阻s t n j c t i o ns t a g e n u m 耐c a ls i m u l 撕0 no fs t o u n d i i 咯r o c kb i d et h el 瞳o f m eo u n e to fx u j i a l i 吼z it i l 彻c l0 n 柳oc o n d i t i o fn o n - s u p p 研锄dc o m b _ i i l e d 鲥ds t e c l 丘孤圮 b o l 血g 锄ds h o t c r e t es u p p o n 、i t hf i n 沁e l 锄饥t 龃a l y z i n gs o 细a m d a s g t s 加l a l y z i l l gt h e 仃a i to fs i i i m l a t e dd a t as 仃e s s 锄dc o m p 撕n gt h ed i v e f s i 丘c a t i o no fd i s p l a c e m e n ts h o w nw h e n p r a c t i c a lc o n 8 仃u c t i o no fv 鲫强d 遗gm c l 【 i ts h o u l da d 叩t sm ee 行t u a lp r e s t a b i l i z a t i o n 锄d 如p p o n i n gm e l h o db e f o 他懿c a v a t i l l gt u n n e lf - 0 ri i i l p f o v i l l gt l l er o c km 猫ss 臼f e l l g t h0 ft h es l l r r o u n d i i l g r o c ko f 丘o n t a g ee x c a 、，a t ef 葡，s oi tc 锄i n l p v et h es t a ：b i l i t ) ，o fs u n u n d i n gr o c k t h em e l h o do fm i i l i i l l 啪一s a f c t ) rf a c t o ra n dt l l ea p p r o a c h i n g 如e l d 嘶t 商ao f 也e 跚叽n d i n gr o c k s 讪i l i 够孤a l y s i si s 啪e dt 0 觚a l y s 鼯t l l es t a b i l i 哆o f 捌i a l i 锄z it i m 1w h i c hi ss u p p o m d 谢m c o m b i n e d 鲥ds t e e l 觑衄eb o l t i n g 锄ds h o t c 豫t e t h e 他s u ni st l l a tal a r g ea r e an e 盯m et i l n n e li s a l m o s ts t a b l e t h em i n i m u m 鼢f e 妙f a c t o ra n dt h ed i s t r i b u d o no f 姐e l d 恕t i oc a na l s ob es 黜i n l e r e s u l t k e y 们r d s ：t i l i m e l ；鲫蚰曲i gm c k ；c l 勰s i f i c a l i o n ；s 切l b i l 时： 如z z yi n f 0 皿a t i o n 弛a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：茂让车巳 日期：2 【n j 孑6 f 【 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 一茂说：凳毳要慨一“多 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 前言 由于世界人口的迅速增加，人类生存环境不断发生变化，资源日趋短缺， 土地砂化现象也越来越严重。对此，世界上一些国家除采取综合性治理措施 之外，认为地下洞室空间的开挖和利用对人类生存和发展非常重要，即“往 深处想。有人说，1 9 世纪是桥的世纪，2 0 世纪是高层建筑的世纪，2 1 世 纪是地下空间发展的世纪。因此，地下空间在人类生活中的地位越来越高， 而隧道作为地下空间的代表性建筑，也将会起着越来越重要的作用。， 人类很早就知道利用地下自然洞穴作为住处。当社会发展到能制造挖掘 工具时，就出现了人工挖掘的隧道。近代隧道兴起于运河时代，从1 7 世纪 起，欧洲陆续修建了许多运河隧道。1 9 世纪中期开始的第二次工业革命使 经济得到快速发展，交通流量也日渐增大，从而对交通也提出了更高的要求 n 1 。为提高道路等级，缓解城市交通问题，欧美日等发达国家修建了大量的 隧道和城市地铁、海底隧道。我国隧道建设虽然起步较晚，但发展较快，已 有了长足的进步，完成了不少工程。解放后，我国在东南地区的鹰厦铁路、 西南、西北地区铁路以及水利工程建设中修建了大量的隧道工程。在公路建 设中，已建成华蓥山隧道( 4 8k m ) 、二郎山隧道( 4 2k m ) 、大溪岭隧道 ( 4 1k m ) 、尖子山隧道( 4 0k m ) 、中梁山隧道( 3 1k m ) 等长隧道。近 几年隧道工程已成为山区公路建设的控制性工程，其所占路线总长度的比例 越来越大，在一些高山地区更是出现了特长隧道，如秦岭终南山公路隧道 ( 1 8 4 k m ) 、雅泸高速公路泥巴山隧道( 1 0 k m ) 等。 据不完全统计，目前我国铁路隧道的总长为1 8 0 0 多公里，其中绝大多 数( 17 0 0 多公里) 是1 9 4 9 年新中国成立以后修建的。道路隧道虽已建成1 7 0 0 余座，但远不能满足交通运输上的实际需要。我国是一个多山的国家，山地 面积约占全国面积的三分之一，有的省份素有“天无三日晴，地无三日平 的说法。因此，必然要修建大量的隧道。从长远看，修建隧道是经济的，特 别是能节省大量的燃油，这在节省能源的今天是非常可贵的。目前，道路隧 道正日益增多，并修筑了一些长大道路隧道，虽然技术标准还比较低，但随 着国家建设事业的发展，相信一定会出现更多、标准更高的道路隧道。 隧道的开挖引起围岩的卸荷回弹、应力重分布和地下水的重分布，这种 变化可能导致围岩发生塑性变形和破坏n ，对隧道的施工和运营造成危害。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 因此，对隧道稳定性进行评价是公路隧道设计、施工和运营中必须面临和考 虑的核心问题，我们必须加强对这方面的研究，为了适应隧道设计与施工技 术发展的需求，国内外学者自1 9 世纪开始，对隧道围岩稳定性进行了大量 的理论与试验研究。 隧道工程施工的基本特点是“地质条件复杂多变，涉及的影响因素很多， 施工难度大。而且各影响因素的作用机理十分复杂，致使围岩力学性质相 当复杂，因此定量准确掌握围岩的力学性质是十分困难的，从而有必要采用 定性和定量相结合的方法，对隧道围岩力学性质和稳定性有一个整体性和规 律性的把握，而围岩分类则是这样一个有力的工具。 符合实际的围岩分类是正确进行公路隧道稳定性评价的保证，也是隧道 合理设计的依据，更是准确进行隧道施工预报的指南，而隧道围岩定量分类 系统的建立是客观地进行公路隧道围岩分类的前提和基本保证。 1 2 隧道围岩分类方法研究现状及存在的问题 隧道的预设计、施工和监控设计等，都是以围岩类别划分为基础的，因 此在研究隧道监测、数据分析处理和信息化施工、围岩稳定性分析之前，对 围岩分类进行讨论是必要的。 国内外围岩分类、分级从t e r z a g h i ( 1 9 4 6 ) 最早提出发展至今，分类方法有 上百种之多。从最初以单一指标分类，到以多项指标进行分类，再到以多种 因素组合的分级方法，围岩分级在各国工程实践中不断完善n ，。随着勘探测 量技术、监控量测技术和岩石力学的发展，围岩分级逐渐从以主观经验定性 的描述，向经验定性描述和定量指标相结合对围岩进行综合评价的分类法发 展，并将继续发展成为以定量分析为主进行围岩分级。 纵观国内外洞室围岩分类，2 0 世纪2 0 年代以来有了较大的发展，比较 有代表性的分类方法是文献 4 中李天斌教授总结的五类，如表1 一l 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 表1 1围岩分类h 1 t a b l e1 1s u r r o u n d in gr o c kc l a s s i f i c a t i o n 4 1 分类 分类方法 标准 单一 普氏系数分类( 1 9 0 7 ) ；m 萨瓦连斯基分类( 1 9 3 7 ) ；太沙基的荷载分 类( 1 9 4 6 ) ；m b 波波夫分类( 1 9 4 8 ) ；劳费尔分类( 1 9 5 8 ) ；迪尔的r q d 因素 分类( 1 9 6 4 ) ：日本的围岩准抗拉强度分类；法国隧道围岩分类 少数 因素 我国水工隧道设计规范( s d l 3 4 8 4 ) 中的围岩分类；铁路隧道设计 并列 规范( t b j 3 8 5 ) 的围岩分类；新奥法分类( r a b c e w i c z ，1 9 6 4 ) 多个国标锚杆喷射混凝土支护技术规范中的围岩分类；军用物资洞室 因素锚喷支护中的围岩分类；国际岩石力学学会( i s r m ，1 9 8 1 ) 水电工程 并列岩体分类( 1 9 9 1 ) 积 挪威巴顿( 1 9 7 4 ) 岩体质量q 系统；原苏联b y n m y e b ( 1 9 7 7 ) 稳 商 定性指标s 法；水电部成勘院( 1 9 7 8 ) 的岩体质量指标m 法； 模 古德振( 1 9 7 9 ) 岩体质量系数z 法：总参工程兵第四设计研究所 型 ( 1 9 8 5 ) 的坑道工程围岩分类；挪威p a l m s t r o m ( 1 9 9 5 ) r m i 系统分 确 类；王广德等( 2 0 0 6 ) 深埋隧洞围岩分类方法j p q 系统 定 美国( w i c k h a m e t ，a l ，1 9 7 2 ) 的岩石构造评价法；比尼威斯基 性 ( 1 9 7 3 ) r m r 分类：捷克斯洛伐克科学研究所( t c s a r 0 ，1 9 7 9 ) 模 和 q t s 岩石分类法；陈德基等的块度模数m k 法；水电部昆明勘 多个型差 测设计院( 1 9 8 8 ) 的大型水电站地下洞室围岩分类；铁道部科学 因素模 研究院西南分院( 1 9 8 6 ) 的铁路隧道工程围岩分级方法；国标工 综合型 程岩体质量分级标准( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) ；水电站水利水电工程地 质勘察规范( g b 5 0 2 8 7 9 9 ) ( s d 系统) ；“三峡y z p 法”( 1 9 8 8 ) 公路隧道设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 中规定的围岩分级方法； 不 确随 定机 高谦等( 1 9 9 4 ) 提出的采场巷道围岩分类的概率统计分析方法 性模 及其应用 模型 型 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 续表1 1围岩分类 灰 色刘康和 3 0 m p a ) ，受地质构造影响较严重，节 暴露时间长时可能 理较发育，有少量软弱面或夹层，贯通微张节理， 大块砌 出现局部小坍塌； v但其产状及组合关系不致于产生滑动，层状岩层为 体结构 侧壁稳定；层间结 中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或合差的平缓岩层， 为硬质岩石偶夹软质岩石顶板易塌落 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 续表卜2公路隧道围岩分级 软质岩石( 心3 0 m p a ) ，受地质构造影响轻 微，节理不发育：层状岩层为厚层，层间结构 块状整体 良好 结构 硬质岩石( ( 3 0 m p a ) ，受地质构造影响严 重，节理发育，有层状软弱面或夹层，但其产 状及组合关系尚不致产生滑动，层状岩层为薄 块石、碎石 层或中层，层间结合差，多有分离现象，或为 状镶嵌结构 拱部无支护时，产生 中、小坍塌，侧壁基 硬、软质岩石互层本稳定，爆破振动过 软质岩石( = 5 3 0 m p a ) ，受地质构造影响很 大易塌 严重，节理较发育，层状岩层为薄层、中层或 大块状砌体 厚层，层间结合一般 结构 硬质岩石( 3 0 m p a ) ；受地质构造影响很严 碎石状压碎 重，节理很发育，层状软弱面或夹层基本破坏结构 软质岩石( 心= 5 3 0 m p a ) ，受地质构造影响严 块石、碎石 拱部无支护时，可产 重，节理发育 状镶嵌结构 生较大的坍塌，侧壁 略具压密或成岩作用的黏性土及砂性土； 大块状压 有时失去稳定 一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土 密巨块状 整体巨块 黄土 状整体 石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂角砾碎石状 围岩易坍塌变形，处 乱，呈石夹土或土夹石状 松散状结构 理不当会出现大坍 一般第四系的半千硬硬塑的黏性土及稍湿 非粘性土呈 至潮湿的一般碎、卵石土，圆砾，角砾土及黄 松散，粘性 塌，侧壁经常小坍塌， 土及黄土松 浅埋时易出现地表下 土( q 3 、q 4 )沉( 陷) 或坍塌至地表 软 石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角 砾、砂、泥松软体 。 松软结构 围岩极易坍塌变形， i 粘性土呈蠕 有水时土砂常与水一 动松软及结 齐涌出，浅埋时易塌 软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等 构，砂性土 至地表 矗 呈潮湿松散 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 但此围岩分类法是沿用原铁路隧道的围岩分级方法。铁路隧道的跨度、 高度较小，公路隧道跨度、高度较大，施工方法和支护措施也各不尽相同， 因此，其适用性受到很大的限制。现行分类标准主要根据文献 1 8 ，遵循工 程岩体分级标准( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) 。该规范不仅考虑了围岩或土体定性特征， 也引入了定量指标曰q 值，如表1 3 ，因此j t gd 7 0 一2 0 0 4 规范比j t j 0 2 6 9 0 规范更精确。而且新规范围岩稳定性级别大小顺序与我国岩体工程分级标 准是一致的，即围岩稳定性级别越小，其稳定性越好。但是新规范引入的 勉值的确定，从某种意义上说，只是半定量的，因为计算b q 值的参数有时 候很难精确确定，人为因素很大。 本规范围岩级别与老规范的围岩类别对应关系可按表1 4 大致确定。 表卜3公路隧道围岩分级n 帕 t a b f e ，一3r o a dt u n n e ls u r r o u n d i n gr o c kc i a s s j f i c a t j o n 【 8 】 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 表1 4囤岩级别与围岩类别对应关系 t a b i e1 4 t h ec o r r e s p o n g d in gc o n n e c t i o no fo l da n dn e w s u r r o u n d i n g c l a s s i f ic a t i o n 围岩级别( 2 0 0 4 规范)iv 同岩类别( 1 9 9 0 规范)vi i ii ii j t gd 7 0 一2 0 0 4 规范中的岩体基本质量指标曰q 值主要是由根据分级因素 的岩石坚硬程度定量指标( 岩石单轴饱和抗压强度心) 和岩体完整程度的 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 定量指标( 岩体完整性系数巧) 按下式计算所得： b q = 9 0 + 3 恐+ 2 5 0 巧 ( 卜1 ) 但是当实际区域遇到下列情况之一时，就要对岩体基本质量指标曰q 进 行修正。 ( 1 ) 有地下水； ( 2 ) 围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用； ( 3 ) 存在高初始应力。 岩体基本质量指标修正值： 【b q 】= b q 一1 0 0 ( k + 琏+ 墨) ( 1 2 ) 式中：k 一地下水影响修正系数； k 一主要软弱结构面产状影响修正系数； k 一初始应力状态影响修正系数； 墨、k 、k 值可分别查表卜5 、卜6 、卜7 确定。 表卜5地下水影响修正系数k ，n 町 t a b i e1 5 t h ein f i u e n c em o d i f ie dc o e f f i c i e n tk 1o fu n d e r g r o u n dw a t e r n 】 表1 6 主要软弱结构面产状影响修正系数k 2 8 t a b i e1 6t h ei n f l u e n c em o d j f i e dc o e f f i c i e n tk 2o fm o s t i y _ e a k s t r u c t u r ai pfa n eo c c u r r e n c e n 。1 西南科技大学硕士研究生学位论文 第10 页 表1 7 初始应力状态影响修正系数k 。m 1 在使用公式( 卜1 ) 计算勉值时，还应注意两点： ( 1 ) 当r c 9 0 勋+ 3 0 时，应以r c = 9 0 勋+ 3 0 和勋代入计算占q 值，。原 因是当岩石的咫过大，而岩体巧过小时，对于这样坚硬但完整性较差的岩 体，其稳定性往往较差，辟虽高但对围岩的稳定性并不起控制作用。若不 加区别地将测得的恐代入公式，过大的恐值会使得岩体基本质量指标地大 为增高，造成对岩体质量等级及实际稳定性作出错误的判断。 ( 2 ) 当勋 o 0 4 r c + o 4 时，应以勋= o 0 4 r c + o 4 和尺c 代入计算曰q 值1 。 原因是当岩石的心很小，而岩体巧过高时，对于这种完整性好但甚为软弱 的岩体，其稳定性仍较低，墨虽高但对围岩的稳定性并不起控制作用。若 不加区别地将测得的晦代入公式，过大的值会使得岩体基本质量指标 b q 大为增高，造成对岩体质量等级及实际稳定性作出错误的判断。 岩石的坚硬程度的定性划分按表1 8 进行，其定量指标用岩石单轴饱 和抗压强度辟表示。心一般采用实测值，若无实测值时，可采用实测的岩 石点荷载强度指数i 。c 。，的换算值，换算公式如下： r = 2 2 8 2 ；盆) ( 1 3 ) 砰与岩石坚硬程度定性划分的关系见表l 一9 ： 岩体完整程度定性划分按表1 1 0 划分： 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 极锤击声哑，无同弹，有较 软 深凹痕，手可捏碎；浸水 岩 后可捏成团 1 全风化的各种岩石 2 各种半成岩 表卜9 岩石单轴饱和抗压强度心与岩石坚硬程度定性划分的关系， t a b l e1 9t h er e la t i o no fs a t u r a t e du n i a x i a ic o m p r e s s iv es t r e n g t hr c a n dq u aii t a tiv ep a r ti tio no fe x t e n dh a r dr o c k 1 。1 表卜1 0 岩体完整程度的定性划分c 川 t a bie1 10t h eq u aiit a tiv ep a r titio no fe x t e n d in t e g rit yr o c k 。1 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 注：平均间距指主要结构面( 1 2 组) 间距的平均值。 岩体完整程度定量指标完整性系数局一般用弹性波探测值，若无探测 值时，可用岩体体积节理系数以按表1 1 l 确定： 表1 11山与巧对照n 。， t a b ie1 1 1t h ec o m p aris io no fj va n dk v n 。1 巧值与定性划分的岩体完整程度的对应关系见表l 一1 2 ： 表1 12巧与定性划分的岩体完整程度的对应关系t - 。， t a b l e1 1 2 t h ec o r r e s p o n g d i n 窖c o n n e c t i o no fk va n dq u a ii t a t i v e p a r t i t i o no fe x t e n d in t e g ri t yr o c k n 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 另外，1 9 9 9 年发布的水利水电工程地质勘察规范g b 5 0 2 8 7 9 9 ，针对 水电行业特点，提出了围岩工程地质分类方法水电围岩分类h c ( h y d r o p o w e r c l a s s i f y i n g ) 分类( 简称h c 分类) 。h c 分类以岩石强度、岩体完整程度及 结构面状态为基本因素；以地下水及主要结构面产状为修正因素。以基本因 素和修正因素的累计得分为基本判据、以围岩强度应力比为限定判据进行围 岩类别划分。该方法在考虑高地应力对围岩类别的影响时，简单地采取了降 级的处理方法，势必影响围岩分类的精度。 1 2 2 国外隧道围岩分类方法研究现状 国外围岩分类情况大致与国内相仿。前苏联在很长的历史阶段都是以岩 石坚固性系数( 厂值) 进行分类。目前它仍然是其岩石统一分类的一个基础。 从6 0 年代开始，原苏联在地下铁道建筑中也逐渐采用了以围岩稳定性为基 础的分类方法。欧i 美等西方国家以往主要引用太沙基在19 4 6 年提出的围 岩分类方法n ”。 ( 1 ) q 系统分类 岩体质量分类q 系统( 以下简称q 系统) 是目前应用最广的岩体质量分 类方法，该方法是1 9 7 4 年挪威的巴顿( n i c k b a r t o n ) 等人建立起来的，它 主要考虑了岩体完整性、节理特征、地下水和地应力影响等，并以六个参数 ( 统称为q 参数) 确定反映隧洞围岩稳定性的岩体质量指标q 值心盯妇”。 q = 降) 卧( 去) 。 m 4 ， 式中：尺q d 一岩石质量指标，以一节理组数；这两组的比值粗略的代 表岩石的完整程度；以一最脆弱的节理粗糙度系数；以一最脆弱节理面的蚀 变程度或充填情况；这两者的比值代表了嵌合岩块的抗剪强度；l 一裂隙水 折减系数；& 矿一应力折减系数；两者的比值反映围岩的主动应力。 2 0 0 2 年，巴顿又在此基础上对q 参数的取值进行了修改和补充说明。主 要对以下内容进行了修改和补充：对以，以的取值进行了说明，并认为 最脆弱节理或不连续介质无论从方向上还是抗剪强度上都是对稳定性最不 利的。对 ，鼢f 的取值提出了建议，建议不必将它们都设为1 0 。对 开挖影响范围与l 、强f 的取值进行了补充说明。并开始探索有效应力、 水对岩石的软化效应对q 值的影响，以及静弹性模量、地震波速与影响范围 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 的关系。对软弱破碎岩石挤压作了补充说明，认为当埋深日 3 5 0 q v 3 时， 岩石可能会被挤出。对支护类型、不喷混凝土区的锚杆间距也做了一些调 整；缩小了不喷混凝土区的锚杆间距等。给出了新的q 值与r m r 的对应 关系。 目前，q 分类系统在我国各种地下洞室的修建，尤其是水电部门许多重 要的地下厂房、引水隧洞方面得到了广泛应用，并与r m r 分类法以及各行 业规范中所要求的分类法等其它分类方法相比较，得到了较好的效果。但还 存在以下三方面的问题： 没有直接考虑岩石强度，而是通过应力折减系数间接考虑岩石强度； 考虑最不利结构面，但没有考虑结构面的不利组合情况； 还有许多问题需要探索，如岩爆烈度等级与围岩类别的关系等尚不 清楚。 ， 近年来，人们正在探索q 值与开挖影响范围、岩体弹性模量、纵波速度 之间的关系，无疑，这些问题的解决对q 系统的发展、完善将起到更大的推 动作用。 ( 2 ) r m r 分类 r m r 分类，即“岩体评分”，又称地质力学系统，是1 9 7 3 年由比尼奥 斯基( b i e n i a w s k i ) 提出的，早期主要用于隧洞等地下洞室围岩分类，目前 也逐渐广泛地运用于水电工程边坡、坝基等工程的岩体分类，在国内外有广 泛的应用扭”。它给出了一个总的岩体评分值( r m r ) 作为衡量岩体工程质量 的“综合特征值，原理是通过对六个参数对岩体质量的贡献的综合进行分 类。这六个参数为：岩石的单轴抗压强度；岩石质量指标；结构 面间距；结构面状况；地下水状况；结构面方位。 尉缎= 墨+ 足+ 忍+ r + 足+ r( 卜5 ) 在具体评价时，因为不同参数对岩体综合质量的重要性不同，因此对不 同的参数及其每一参数不同的变化值范围赋予了不同的权值，评分值越好， 则岩体质量越好。r m r 分类方法的不足之处在于：没有考虑地应力的影响。 1 2 3 存在的问题 目前，随着“长、大 隧洞的不断增多，在应用常用围岩分类方法的过 程中暴露出这些分类方法存在的一系列问题，主要归纳为以下几点： ( 1 ) 没有直接考虑洞室几何形状、洞室跨度，这些因素恰恰是影响围岩 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 应力分布的重要因素，因而也是围岩分类的主要参数。围岩分类中要考虑这 些因素，还有赖于洞室围岩应力计算方法的改进，特别是被节理切割的围岩 应力计算方法的改进； ( 2 ) 没有直接考虑结构面的组合，虽然考虑了最不利于稳定的结构面状 况，但结构面的组合显然比某单一结构面对围岩稳定的影响大。把块体分析 理论引入围岩分类，通过引入块体分析方法考虑结构面的组合关系，提高围 岩分类的可靠度，是未来发展的方向； ( 3 ) 目前的围岩分类多是在一维，二维的空间内进行的，很少能扩展到 三维空间。实现三维空间的围岩分类还受到c a d 技术发展的制约，现有c a d 软件绘制的立体展示图不够直观，开发专用的展示隧道结构面组合关系的三 维c a d 绘图软件，将使围岩分类变得更加准确、直观； ( 4 ) 低地应力、低外水压力下的围岩分类方法比较成熟，以往的围岩分 类多是在这种条件下，所得到的结果也比较令人满意。但高地应力、高外水 压力条件下的围岩分类方法还不成熟，需要进一步探索； ( 5 ) 岩爆与围岩类别的关系、软岩塑性流动对围岩类别的影响等问题还 不清楚，尚需进一步研究； ( 6 ) 围岩分类定量分类方法处于理论阶段，在工程实践中应用得不多； ( 7 ) 围岩分类影响因素的选取与实际情况适应性不强，各因素之间关系 的表征和判别方法不明确。 1 2 4围岩分类发展趋势 ( 1 ) 采用定量评价为主，定性描述为辅的分类方法 对反映岩体形状固有的许多地质特征的定性描述，是正确认识岩体的第 一步，是划分岩体类别的依据。因此分类参数的半定量、定量评价应建立在 定性描述的基础上。只有前者而无后者的分类，意味着缺乏判别级别的明确 标准，应用时随意性大，失去了分类的意义。围岩分类定量化包括两个方面： 一是分类因素的定量化；二是总体判别准则的定量化。定量化是学科发展的 趋势，也是隧道围岩分类成熟的标志。岩体力学的最新研究成果使隧道围岩 分级定量化成为可能，三维数码摄像、数码摄影地质编录、激光扫描技术等 的开发和应用，将会为隧道围岩分类的定量化研究提供强有力的技术保障。 ( 2 ) 采用多因素多指标的综合分类 岩体的工程地质特征，取决于多因素的共同作用。因此，分类时都力图 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 充分考虑各种因素的影响和相互关系，强调其中影响岩体工程地质特性的主 要因素和指标，综合评价岩体质量。 ( 3 ) 分类与先进地质勘测手段联系起来 欧美等国家广泛采用的以岩石质量指标尺q d 为主的分类，是采用由金 刚石钻头钻取的岩芯复原率为基础的。又如日本、东欧和中国以弹性波速度 为主的分类，也是在弹性波勘测技术广泛应用的基础上提出的。 ( 4 ) 结合具体工程，建立围岩稳定性分类方案 结合具体工程，考虑不同的施工方式、隧道类型、洞跨等因素，在围岩 分类的基础上建立围岩稳定性分类方案。 ( 5 ) 分类与新兴的数学理论及先进的计算机智能化系统相结合 引入如模糊理论、人工神经网络、灰色预测、分形几何等非线性理论， 利用先进的计算机软件工具，实现围岩分类的智能化判别。 1 3 围岩稳定性分析方法研究现状及存在的问题 为了适应隧道设计与施工技术的发展需求，国内外学者自1 9 世纪开始， 对隧道围岩稳定性进行了大量的理论与实验研究，理论研究主要表现在：力 学分析方法、数值分析方法、人工智能方法、围岩分类法、反分析法；实验 研究主要表现在：相似模型实验、底面摩擦实验、离心模型实验n ，。 从稳定性分析方法的发展历史来看，2 0 世纪2 0 年代以前，主要是以海 姆、朗肯和金尼克理论为代表的古典压力理论阶段；随着发展，出现了以太 沙基和普氏理论为代表的散体压力理论；2 0 世纪3 0 年代后期，主要是以芬 涅一塔罗勃公式和卡斯特奈公式为代表的弹塑性理论；2 0 世纪6 0 年代末， 主要考虑了支护与围岩共同作用、节理、裂隙的弹塑性理论解扭”。 1 3 1 围岩稳定性分析方法理论研究现状 ( 1 ) 力学分析方法 从1 9 世纪人类对松散地层( 主要是土层) 围岩稳定和围岩压力理论进行 研究开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力理论及 现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论。实际工程中，隧道开挖后由 于卸荷作用使围岩应力进行重分布，并出现应力集中。如果围岩应力处处小 于岩体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态。反之，围岩将部分进入塑性状 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 态，但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳。因而研究 围岩稳定就不能不考虑塑性问题，随着半解析元法以有限厚条法的形式提出， 林银飞、郑颖人将有限厚条法和弹塑性分析结合在一起，提出了弹塑性有限 厚条法，采用大单元内划分小网格的方法判断塑性区范围，在弹性区及塑性 区内采用统一的解析函数级数，以修正常刚度增量法为迭代方法，推导出了 塑性系数矩阵及塑性刚度矩阵。并将其应用于地下工程三维弹塑性围岩稳定 性分析中b ”。 1 9 5 8 年前苏联学者k a c h a n o v 在研究蠕变断裂时首先提出了损伤的概念， 后经法国学者l e m a i t r e 与c h a b o c h e ( 1 9 7 7 ) 、美国学者k r a j c i n o v a ( 1 9 8 1 ) 等人利用连续介质力学方法，根据不可逆热力学原理，建立了“损伤力学 这 一学科后，国内外许多学者将其应用于节理岩体的力学分析中。如日本学者 k a w a m o t o b 订及国内学者孙钧、李术才等。学者李术才采用损伤力学方法得到 的加锚节理裂隙岩体的本构关系及其损伤演化方程来评价此类岩体的稳定 性和变形行为。 工程师们越来越注重掘进面附近范围内隧道三维空间效应( 包括掘进面 推进时效) 的研究。我国同济大学孙钧及朱合华等对此作了大量的数值模拟 和现场实测研究工作，认为隧道掘进面的空间几何效应在洞轴纵断面方向上 表现为“半圆穹 约束，在洞室横断面方向上则表现为“环形”约束。用“位 移释放系数 来反映掘进面对围岩的空间约束程度，提出了广义虚拟支撑力 法，并成功地将其应用于隧道围岩稳定性分析中b ”2 ”。 ( 2 ) 数值计算方法 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，各种数值计算方法越来越多地被 应用到围岩稳定性的分析中，如有限差分法、有限元法、边界元法、离散元 法等。有限元法是一种较早、较成熟的岩体数值分析方法，其有限元模型一 般有弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性、粘弹塑性等b ”。为了克服有限元法在 无限域问题应用中的限制，b e t t e s s 于1 9 7 7 年提出无限单元这一单元形式后。 印度的p k u m a r b 门结合无限单元与有限单元，运用有限元计算程序，对围岩稳 定性问题进行了一系列的计算分析。边界元法是继有限差分法、有限元法之 后发展起来的又一数值计算方法，与有限元法相比，它具有降二维的特性及 占计算机内存小、计算时间省等优点。特别是由于边界元法本身适用于无限 域和半无限域的特点而在岩土工程中得到特有的青睐。边界元法分为直接边 界元和间接边界元，间接边界元法是依据求解对象的微分控制方程的基本解 与假想的虚拟量在边界上的分布密度的乘积建立基本积分方程的方法。同济 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 大学的朱合华等对边界元法在隧道等岩土工程中的应用进行了大量研究。台 湾的k j s h o u 采用模拟地下洞室的虚拟力法和求解不连续面问题的位移不 连续法两者相结合的混合模型，提出了三维混合边界元法b ”。除有限元法和 边界元法外，离散元法是用来计算具有不连续变形性质的节理岩层的一种新 的数值计算方法，它不受节理岩体相对微小位移的限制，即使是不稳定的围 岩，变形可以计算到围岩坍落。c h a r l e sf a i r h u r s t 等对运用离散元法和有限元 法分析节理岩层中洞室围岩稳定性进行了比较b ”。 ( 3 ) 人工智能方法 国内外许多的学者利用神经网络、遗传算法等人工智能的理论基础，提 出了围岩稳定性分析的新方法。如北方交通大学的y y a n g 和q z h a n g 利用 b p 神经网络找出了影响围岩稳定性的关键因素，建立了一种等级分析方法 b “。胡建华等利用改进的m b p 神经网络进行围岩稳定性的识别，建立了围岩 稳定性的神经网络识别模型b “。安红刚、冯夏庭将遗传进化算法与有限元相 结合，对大型洞室围岩稳定性进行最优建模和获得全局最优解b “。冯夏庭、 马平波运用知识发现技术中的数据挖掘环节，对大量的工程实例数据进行知 识发现，找出蕴含于工程实例数据中的内在关系，进而利用这些关系可对类 似条件下的围岩稳定性做出合理的判断b ”。 ( 4 ) 围岩分类法 在实际工程的计算与设计中，因围岩分类法简单明了而被广泛使用。围 岩稳定性分类方法主要有s t i n i 法、f r a n k l i n 法、b i e n i a w a s k i 的r m r 法和 b a r t o n 等人的q 法1 ，以及a r i l dp a l m s t r o m 于1 9 9 5 年提出的r m i ( r o c km a s s i n d e x ) 法b ”。但此分类方法中包含参数较多，而有些参数难以准确测定，加之 岩体工程力学行为及其变形、破坏机理的不确定性和不确知性。对此情况， 不少学者采用模糊数学的方法加以处理。日本的铃木昌次等提出了采用模糊 回归分析进行岩体分类的方法，对花岗岩、粘板岩及片岩地层中隧道围岩分 类基准式进行了推导盯1 。中国地质大学的于震平等以渗水结果、r q d 值及 r c o 为评定因子，且在假定评定因子的隶属函数为正态函数的基础上，对围 岩的类别进行了模糊综合评判”。铁二院莫君政等对i i 、类围岩的既有1 1 7 座隧道洞口的围岩分类、洞身的埋置深度及施工安全程度等情况进行统计， 求得不同洞身埋置深度对于围岩稳定性的隶属函数，从而推导出围岩稳定性 的隶属函数”。同济大学黄宏伟等采用模糊数学及层次分析法，分析了围岩 稳定性分类中的不确定因素，提出了工程类比模糊经验法，。武汉科技大学 的雷学文等运用人工神经网络理论，建立了围岩稳定性分类的人工神经网络 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 识别模型h ”。针对围岩受动压后结构的演化，田敬学等提出了围岩稳定性动 态工程分类法t ”。 ( 5 ) 反分析法 自奥地利地质学家l 缪勒提出以充分发挥围岩自承能力为基本原理， 以锚喷支护及复合柔性衬砌为主要特征的新奥法以来，改变了过去设计与施 工的一些传统思路。它依据现场监控量测结果和信息反馈来指导施工和设 计。因此，以现场监控信息为依据，通过反演计算围岩物理力学参数来评价隧 道围岩稳定性的反演分析方法日趋完善。印度的b s i n 曲等认为由于隧洞围 岩裂隙传播受到周围岩体约束及初始地应力对岩体的预应力作用，其强度将 会有显著的提高。并通过反分析得出了变化的强度参数及变形模量”。李世 辉提出了典型类比分析法隧道位移反分析技术，并编制了反分析程序 ( b m p 9 0 ) h “。针对用隧道位移量测结果进行反分析中存在的结果可靠度与精 度问题，日本的谷河正也等提出用三维反分析及双重反分析来提高结果的可 靠度与精度”。 1 3 2围岩稳定性分析方法试验研究现状 隧道围岩稳定性问题的研究始终与模型试验相伴随，模型与实际工程问 题的相似性是模型试验解决问题的关键。针对理论分析中的种种缺陷和不 足，国内外不少学者开展了大量的模型试验研究工作，得出了许多有益的结 论。 其中，节理、破碎岩体中围岩稳定性的模型试验研究开展得最多。中科 院武汉岩土力学研究所的朱维申、陈卫忠等开展了节理围岩变形特性和锚固 效应的模型试验研究，得到了不同初始应力场条件下，隧道分布开挖的围岩 力学行为的变化规律帅1 ；交通部重庆公路科学研究所的黄伦海通过相似模 型试验得到了两车道公路隧道围岩的位移发展规律哺2 】大连理工大学朱玮等 通过底面摩擦试验系统，提出了碎裂围岩按其力学作用规律存在有四种力学 介质类型的观点3 儿叫强“。 对于三车道及其以上车道的大跨度扁坦隧道的围岩稳定性研究，上世纪 8 0 年代，西南交通大学王明年等利用平面应力模型进行了研究晦气交通部重 庆公路科研所的蒋树屏等利用“公路隧道结构与围岩综合实验系统 对三车 道公路隧道进行相似模型试验”。 对于深埋隧道，传统理论一般认为由于高地应力的作用，各向异性岩体 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 可作为准各向异性处理。但荷兰的s c b a n d i s 等进行了模拟高地应力条件下 的圆形洞室开挖模型试验后认为：即使在超高地应力条件下，围岩的各向异 性性质还是很明显，其二次应力和变形都由岩体构造控制”。 针对我国岩溶分布广泛的现状，吴梦军、赵明阶、刘绪华、连晋兴等利 用“公路隧道结构与围岩综合实验系统( c t s s s r h ) ”对岩溶区公路隧道 围岩稳定性进行