凝灰岩地层大断面隧道围岩流变特性及变形控制技术研究.pdf

中图分类号 u d c u 2 5 6 2 4 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 凝灰岩地层大断面隧道围岩流变特性 及变形控制技术研究 r e s e a r c ho nr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dd e f o r m a t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g yo fs u r r o u n d i n gr o c ki nt u f f f o r m a t i o nl a r g e - - s e c t i o nt u n n e l 作者姓名： 学科专业： 研究方向： 学院( 系、所) ： 指导教师： 副指导教师： 李习平 土木工程 桥梁与隧道工程 土木工程 阳军生教授 张学民副教授 答辩委员会主席术 中南大学 2 0 1 3 年5 月 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：垂鱼年 日期：4 芝j l 年五月土日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储虢地l 翩签名递吼止年月卫日 凝灰岩地层大断面隧道围岩流变特性 及变形控制技术研究 摘要：本文以六沾复线三联隧道凝灰岩地段为依托，基于现场调研、 室内试验、现场监测和数值分析四种手段，研究了凝灰岩地层的物理 力学特性，探讨了凝灰岩地层大断面隧道的大变形机理、大变形分级 以及大变形控制技术。 本文主要内容和研究成果如下： ( 1 ) 基于现场监测与测试，探讨了凝灰岩地层的大变形机理， 得出三联隧道凝灰岩地段变形的最大特点在于变形持续时间长、变形 量大，且水平收敛比拱项沉降大； ( 2 ) 通过物理性质试验、三轴压缩试验和三轴流变试验，获得 了凝灰岩的物理力学特性参数。室内试验结果表明，三联隧道凝灰岩 具有明显的流变性，采用h - k 模型可较好地描述其流变特性； ( 3 ) 采用“考虑流变”和“不考虑流变 两种思路对凝灰岩地 层大变形进行了数值模拟，“考虑流变”情形的模拟结果更接近实际 情况，验证了h - k 模型的适用性： ( 4 ) 研究了围岩与支护结构的共同作用机理，确定了不同岩性 组合情况的预留变形量，并制定了其控制标准；采用综合系数法对隧 道围岩大变形进行等级划分，并给出了相应大变形等级的防治措施。 以上研究成果在三联隧道凝灰岩地段施工中获得了应用。实践表 明，该成果有效地确保了凝灰岩地层隧道的施工安全和质量，并可为 后续类似工程提供一定的参考。 本文有图4 1 幅，表3 1 个，参考文献1 0 0 篇。 关键词：凝灰岩地层；大断面隧道；数值分析；流变试验；大变形控 制技术 分类号：u 2 5 r e s e a r c ho nr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dd e f o r m a t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g yo fs u r r o u n d i n gr o c k i nt u f ff o r m a t i o n l a r g e - s e c t i o nt u n n e l a b s t r a c t ：b a s e do nc o n s t r u c t i o no fs a n l i a nt u n n e li nt u f fg r o u n di n l i u z h a nd o u b l et r a c k i n gr a i l w a y s ，t h i sa r t i c l es t u d i e so nt h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft u f ff o r m a t i o n ，a n dd i s c u s s e st h em e c h a n i s m ， c l a s s i f i c a t i o na n dc o n t r o l t e c h n o l o g y o f l a r g e d e f o r m a t i o ni n l a r g e s e c t i o na n dt u f ft u n n e lb ym e a n so f f i e l di n v e s t i g a t i o n s ，i n d o o rt e s t s ， f i e l dm o n i t o r i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b yf i e l dm o n i t o r i n ga n dt e s t s ，t h i sp a p e rs t u d i e so nt h el a r g e d e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft u f fs t r a t u m ，w h i c hs h o w st h a tt h em o s t p r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i c so f s a n l i a nt u n n e li nt u f ff o r m a t i o na r el o n gt i m e o fl a s t i n gd e f o r m a t i o na sw e l la sl a r g e - s c a l ed e f o r m a t i o n ，a n dh o r i z o n t a l c o n v e r g e n c ei sl a r g e rt h a nc o r r e s p o n d i n gc r o w ns e t t l e m e n t ( 2 ) b a s e do ne x p e r i m e n t so fp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，t r i a x i a lc o m p r e s s i o n t e s t sa n dt i a x i a lc r e e pt e s t s ，t h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r so ft u f fa r e o b t a i n e d 1 1 1 er e s u l t so fi n d o o rt e s t si n d i c a t et h a tt u f fi ns a n l i a nt u n n e li s at y p eo fr o c kw i t ho b v i o u sr h e o l o g y , a n dh - km o d e lc a nd e s c r i b et h e c r e e pc h a r a c t e r i s t i c so f t u f fa p p r o p r i a t e l y ( 3 ) t w om e h o d sa r ea d o p t e dt os i m u l a t et h el a r g ed e f o r m a t i o no f t u f fg r o u n d ，o n et a k e st h er h e o l o g yo ft u f fi n t oc o n s i d e r a t i o nw h i l e a n o t h e rn o t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef o r m e ri sm o r ec l o s et o t h er e a lc o n d i t i o n ，w h i c hv e r i f i e st h es u i t a b i l i t yo fh km o d e l ( 4 ) i ts t u d i e st h ec o m b i n e da c t i o nm e c h a n i s mo fs u r r o u n d i n gr o c k a n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，a n dp r e s e n t sr e s e r v e dd e f o r m a t i o na n di t s c o n t r o ls t a n d a r dw i t hd i f f e r e n tr o c k s b e s i d e s ，c o m p r e h e n s i v ec o e f f i c i e n t m e t h o di sa d o p t e dt od e t e r m i n et h ec l a s s i v i c a t i o no fl a r g ed e f o r m a t i o ni n s a n l i a nt u n n e l ，a n dt h er e l e v a n tp r e v e n t i o na n dt r e a t m e n tm e a s u r e sf o r d i f f e r e n t - l e v e ll a r g ed e f o r m a t i o na r ep r e s e n t e d t h es t u d yr e s u l t sm e n t i o n e da b o v eh a v eb e e na p p l i e di nc o n s t r u c t i o n o fs a n l i a nt u n n e li nt u f fs t r a t u m ，w h i c he n s u r e st h ec o n s t r u c t i o ns a f e t y a n dq u a l i t yo ft h et u n n e ls t r u c t u r e e f f e c t i v e l y , a n dp r o v i d e s s o m e g u i d a n c ef o rs i l i m a re n g i n e e r i n gi nf u t u r e t h e r ea r e41p i c t u r e s ，31t a b l e sa n d10 0r e f e r e n c e si nt h i sa r t i c l e k e y w o r d s ：t u f ff o r m a t i n ；l a r g e s e c t i o nt u n n e l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； r h e o l o g i c a lt e s t ；c o n t r o lt e c h n o l o g yo fl a r g ed e f o r m a t i o n c l a s s i f i c a t i o n ：u 2 5 目录 原创性声明i 摘要i i 目录v 1 绪论一1 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 典型工程实例2 1 2 2 隧道大变形理论研究综述3 1 2 3 软岩隧道围岩大变形机理研究5 1 2 4 软岩流变试验及模型研究6 1 2 5 隧道大变形控制技术研究4 0o00 41 00 0t6 8 1 3 研究内容8 2 三联隧道工程概况1 0 2 1 工程背景1 0 2 1 1 整体概况1 0 2 1 2 地质情况1 1 2 1 3 工程特点一1 2 2 2 设计概况1 3 2 2 1 原设计概况一1 3 2 2 2 变更设计概况一1 4 2 3 施工现场大变形情况1 4 2 3 1 平导和联络通道变形情况1 5 2 3 2 正洞洞身变形情况1 5 2 3 3 仰拱及二次衬砌变形情况1 7 2 4 现场监测情况18 2 4 1 位移监测情况18 2 4 2 内力测试情况一1 9 2 5 凝灰岩地层大变形机理2 2 2 5 1 凝灰岩地段大变形特点2 2 2 5 2 大变形机理分析一2 4 2 6 本章小结2 5 v 3 三联隧道凝灰岩物理力学特性试验研究2 6 3 1 引言2 6 3 2 物理性质试验2 6 3 2 1 钻孔取芯及岩性情况2 6 3 2 2 试验及其成果一2 9 3 3 三轴压缩试验3 0 3 3 1 凝灰岩试样3 0 3 3 2 试验设备31 3 3 3 试验结果与分析3l 3 4 三轴流变试验3 4 3 4 1 试验装置一3 5 3 4 2 凝灰岩试样3 5 3 4 3 试验条件及过程一3 5 3 4 4 试验结果与分析一3 6 3 5 流变特性拟合分析一3 7 3 5 1 三参量h - k 流变模型3 7 3 5 2b u r g e r s 流变模型3 8 3 5 3 模型参数确定3 9 3 5 4 流变模型拟合分析4 0 3 6 本章小结4 2 4 三联隧道凝灰岩地层围岩流变特性数值模拟4 3 4 1 计算概况4 3 4 2 不考虑流变的大变形数值模拟4 4 4 2 1 模型建立及参数选取4 4 4 2 2 模拟思路及工况4 5 4 2 3 模拟结果分析4 6 4 3 考虑流变的大变形数值模拟5 0 4 3 1 模型建立及参数选取5 0 4 3 2 模拟思路及工况5 1 4 3 3 模拟结果分析一5 2 4 4 本章小结5 5 5 凝灰岩地层隧道大变形控制技术及工程应用5 6 5 1 引言5 6 5 2 凝灰岩地段合理支护形式研究一5 6 5 2 1支护与围岩共同作用5 6 5 2 2 预留变形量确定5 9 5 2 3 凝灰岩地层隧道支护形式5 9 5 3 凝灰岩地段大变形施工控制技术6 0 5 3 1 大变形分级标准研究6 0 5 - 3 2 位移控制标准6 1 5 3 3 大变形控制施工技术6 2 5 4 凝灰岩地段隧底结构隆起变形控制技术6 4 5 4 1 隧底隆起段概况6 4 5 4 2 地质补勘情况6 5 5 4 3 隧底隆起原因分析6 8 5 4 4 隧底隆起整治方案6 8 5 5 本章小结7 2 6 结论及展望7 4 6 1 结论7 4 6 2 展望7 5 参考文献7 6 攻读硕士学位期间主要的研究成果目录8 2 致谢8 3 v 硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1引言 作为一种地下建筑物，隧道在交通、水利、电力和地下开矿等工程领域起着 举足轻重的作用。随着国内外众多铁路隧道、公路隧道、水工隧道、电缆隧道和 地铁的修建，人类积累了越来越多的复杂条件下修筑隧道的宝贵经验，推动隧道 工程技术不断发展进步。2 0 世纪初，新普伦i 线隧道【l j 成为第一例发生软岩大变 形的交通隧道，之后国内外类似的工程实例屡见不鲜，国内如青藏线关角隧道【2 j 、 南昆线家竹箐隧道【3 】、宝中线大寨岭隧道【4 】、国道3 1 7 线鹧鸪山隧道【5 】、新兰渝 线木寨岭隧道【6 1 、兰武二线乌鞘岭隧道【7 1 、宜万铁路堡镇隧道【8 】等，国外如奥地 利陶恩隧道、阿尔贝格隧道、日本惠那山隧道等【9 】，这些典型隧道大变形问题一 直困扰着地下工程界，给隧道设计和施工带来极大的挑战。此类隧道施工时若支 护过早，则需要非常大的支护力，技术上、经济上和管理上难以做到，而支护过 慢，则容易造成软岩过度松弛，最终引发坍塌等问题，例如高地应力条件下家竹 箐隧道施工时喷锚支护变形严重，水平收敛达5 0 6 0 c m ，拱顶沉降达8 0 1 0 0 c m ， 底板隆起达5 0 8 0 c m ，发生钢拱架扭曲、初期支护开裂等大变形现象，最终延误 4 个多月工期【l 】。据计算，整治大变形费用惊人，考虑材料费、整治费等，其费 用已基本接近隧道工程成洞造价。 凝灰岩是火山喷出地表时细颗粒飘落地表堆积固结成岩的产物，是一种 分布广泛的火山碎屑岩，岩屑主要为岩屑、玻屑、晶屑和火山灰，粒径一 般小于2 m m 。该岩石主要以中酸性为主，大部分出露于晚侏罗系【l0 1 1 】。根 据其含有的火山碎屑成分，可以分为晶屑凝灰岩、玻屑凝灰岩和岩屑凝灰 岩三种。凝灰岩属于软岩，含粘土矿物，如蒙脱石和绿泥石，遇水易膨胀 和崩解【1 2 。13 1 。实际上，人们对于凝灰岩这种岩石并不陌生，国内外已经出现 了不少修建在凝灰岩地层中的地下工程，包括以色列卡迈尔隧道【l4 | 、印尼a s a h a nn o 1 水电站、大丽线禾洛山隧道【1 5 。1 6 】、台缙高速苍岭隧道【1 7 】、元宝山隧道1 18 1 、 石郎山隧道【1 9 】和三联隧道【2 0 】等，部分典型凝灰岩隧道见表1 1 。 针对上述凝灰岩地层工程实践，虽然已有关于凝灰岩含水率、崩解、微观、 膨胀、点荷载等方面的试验研究【l 卜1 3 j ，也有关于凝灰岩地层设计与施工技术的探 讨 1 4 , 2 1 - 2 2 】，但研究程度还不够深入，对凝灰岩的特性认识不够全面，尤其是已有 研究成果基本没有考虑凝灰岩的流变性。鉴于此，本文依托六沾复线三联隧道， 结合施工时凝灰岩地段出现大变形问题这一实际，研究流变性对隧道围岩大变形 的影响，探讨有效控制该类隧道大变形的技术。 硕士学位论文 1 绪论 表1 1 国内外凝灰岩公路f k 路隧道简况表 隧道 国家 工况概况围岩 施工 备注 名称( 时间)方法 双线公路隧道，全长3 1 0 9 m ，最大埋 凝灰 卡迈尔以色列 深2 1 0 m ，开挖断面为1 1 4 m 1 0 4 m ， 岩、砾上下台 文献 初期支护，q 2 8 锚杆，格栅拱架间距 【1 4 】 隧道 ( 2 0 0 9 ) 岩、白阶法 1 5 m ，c 3 0 钢纤维混凝土，不设二次 衬砌。 垩岩等 单线三线铁路隧道，全长5 8 4 8 m ，最 玄武岩三台阶 文献禾洛山 中国 大埋深2 2 0 m ，开挖断面1 9 7 m x l 3 9 m ， 夹凝灰预留核 隧道( 2 0 0 7 ) 初期支护，9 4 2 小导管，长5 m ，1 8 号 【1 5 】 石心土法 工字钢，间距0 5 m 。 苍岭中国 双线公路隧道，全长7 6 9 2 m ，最大埋 凝灰 全断面文献 岩、花 隧道 ( 2 0 0 8 )深7 5 6 m ，开挖断面l1 1 m 9 o m 。开挖法 【1 7 】 岗斑岩 双线公路隧道，全长6 5 0 m ，最大埋深 元宝山中国 2 5 m ，开挖断面1 3 o m 6 5 m ，初期支 全风化预留核 文献 护用c p 2 5 中空注浆锚杆，长3 5 m ，1 8 【1 8 j 隧道( 2 0 1 0 )凝灰岩 心土法 号工字钢，间距0 5 m ，二次衬砌为4 5 c m 钢筋混凝土。 双线公路隧道，全长3 2 7 0 m ，初期支 凝灰 石郎山 中国 护，c p 2 5 中空注浆锚杆，长3 5 m ，1 8 岩、角 预留核文献 隧道( 2 0 1 2 )号工字钢，间距0 5 m ，二次衬砌为钢心土法 f 1 9 】 筋混凝土。 砾岩 单线铁路隧道，全长1 2 2 1 4 m ，最大埋 双侧壁 三联中国 深2 8 0 m ，开挖断面1 3 6 m 1 2 2 m ，初凝灰 期支护，9 4 2 小导管，长3 5 m ，2 0 号 岩、玄 导坑 文献 隧道 ( 2 0 1 2 )法、三 【2 0 】 工字钢，间距o 5 m ，二次衬砌为c 3 0武岩等 台阶法 钢筋混凝土。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 典型工程实例 2 0 世纪以来，随着隧道建设的不断推进，越来越多的隧道工程修建于复杂 的环境中，比如高地应力、富水地层、岩溶、高瓦斯煤系地层、大跨度等，在这 些复杂环境条件下修建隧道，往往容易产生产生大变形问题，国内外出现了不少 隧道大变形工程实例，部分典型实例总结见表l 一2 。 2 硕士学位论文1 绪论 表1 - 2 国内外部分典型大变形隧道实例 隧道地点 名称 ( 时间) 大变形特征工程概况 备注 新普伦 瑞士意 大利 施工期间，多处发生大变形；围岩主要为石灰质云母片 文献 隧道 运营期间，隧道底部隆起。岩，最大埋深1 8 0 0 m 。 【l 】 ( 1 9 0 6 ) 陶恩奥地利 洞壁变形5 0 12 0 c m ，变形速率长6 3 0 0 m ，最大埋深1 0 0 0 文献 达2 0 c m d a y ，世界上第一座典 m ，围岩为绿泥岩、千枚岩， 【9 】 隧道( 1 9 7 5 ) 型的大变形隧道。初始地应力为16 2 7 m p a 。 阿尔贝 奥地利 洞壁变形最大达7 0 c m ，且加强 长1 3 9 8 0 m ，最大埋深7 4 0 文献 支护后变形有2 0 3 5 c m ，最大m ，围岩为千枚岩、片麻岩 【9 】 格隧道( 1 9 7 9 ) 变形速率为l1 5 c m d a y 。 等，也是地应力1 3 m p a 。 惠那山日本 拱顶下沉最大9 4 c m ，水平收敛双洞隧道，长分别为8 3 0 0 m 文献 最大5 2 c m ，采用1 2 0 c m 厚的和8 6 3 5 m ，最大埋深4 0 0 m ， 隧道 ( 1 9 8 5 ) 【9 】 二次衬砌仍变形开裂。初始地应力1 0 11m p a 。 中屋日本 最大水平收敛1 3 c m ，拱顶沉降长1 2 6 0 m ，软弱黏土层和 文献 隧道( 一) 2 2 c m 。强风化的凝灰岩。 【2 3 】 崔家沟中国运营后发生底鼓，达2 0 6 c m ，围岩为泥质页岩和砂质泥文献 隧道 ( 1 9 7 6 )并出现3 3 0 处横向裂纹。岩。 f 2 4 】 关角中国 施工期间底板隆起达l o o c m ，最大埋深约5 0 0 m ，围岩为 文献 隧道( 1 9 7 7 )运营后底板上鼓3 0 c m 。泥质片岩。 【2 】 清凉山中国 运营期间拱腰发生掉块，掉块 隧道围岩为砂、页岩。 文献 隧道 ( 1 9 9 3 )体积约5 m 3 。 2 5 】 木栅中国最大拱顶沉降15 0 c m ，最大收 长1 8 7 5 m ，通过潭湾断层， 文献 隧道 ( 1 9 9 6 ) 敛7 0 c m ，变形段长达2 0 5 m 。原始地应力3 6 m p a 。 【2 6 】 家竹箐中国 最大拱顶沉降2 4 0 c m ，最大收 长4 9 9 0 m ，最大埋深4 0 4 m ， 文献 以泥质砂岩、煤层和页岩 隧道 ( 1 9 9 7 )敛1 6 0 c m ，最大底鼓lo o c m 。 【3 】 为主，地应力8 5 1 6 m p a 。 木寨岭中国 最大拱项下沉15 5 c m ，严重变最大埋深1 2 0 m ，以炭质板文献 隧道( 2 0 0 2 )形地段换拱次数达4 次。岩为主，夹泥岩。 【6 】 乌鞘岭 中国兰武最大拱顶沉降1 0 5 c m ，平均下存在以角砾岩为主的断层文献 隧道 ( 2 0 0 6 ) 沉速率3 3 5 c m d a y 。层，最大地应力2 2 2 1 m p a 。 1 7 1 1 2 2 隧道大变形理论研究综述 大变形问题是困扰隧道工程界的一大难题。许多学者对岩体大变形理论进行 了大量研究，并指出工程岩体大多处于广义的流变变形之中，岩体大变形问题与 岩体的流变性能密切相关。岩体的流变性使岩体产生随时间的变形、应力松弛、 时效特性和流变损伤断裂等，造成工程结构与环境介质产生长期变形，可能由小 硕士学位论文 1 绪论 变形发展为大变形，由静态过程转变为动态过程，从而导致工程失稳。 相比浅埋隧道，深埋隧道由于存在高地应力、多相介质和复杂的环境场，更 容易发生大变形问题，因此，通常隧道大变形问题研究针对的是深埋隧道。与其 他工程岩体相比，深埋隧道的围岩应力状态十分复杂，具有很多不同的特征，主 要体现在如下几个方面l lj ： ( 1 ) 围岩存在高地应力现象 高地应力问题是影响工程岩体安全的主要因素，高地应力对地下工程最典型 危害为岩爆( 针对硬脆性岩体情形) 和洞室大变形( 针对软岩情形) 。国内外很 多地下岩石工程都不同程度地受到高地应力的困扰，在中国( 特别是西南部地区) ， 如渔子溪、二滩、锦屏和拉西瓦等水电工程，开滦煤矿、金川镍矿等。在国外， 如目本歌立山隧道与平石线隧道、奥地利刚史塔隧道与塔威龙隧道、陶恩隧道和 阿尔贝格隧道、南非金矿巷洞以及前苏联和欧洲国家的很多地下工程。这些地下 工程岩体不同程度地承受着高地应力。 ( 2 ) 岩体介质多相且相互作用 岩体是赋存于一定地质环境中由岩块和围着岩块的不连续面组成的地质体， 其形成经历了一个漫长的地质历史过程，并不断经受变形和破坏，从而使得岩体 处于复杂的环境场( 应力场、温度场和渗流场) 中，人类工程活动之前，周围岩 体处于一个相对的稳态平衡。岩体应力场和渗流场既是岩体的赋存环境，又是岩 体的组成部分，具有两重性。工程岩体大部分或多或少赋存于地下水环境中，地 下水通过长期的水岩作用，软化岩体使其力学性能降低。此外，地下水产生静水 压力和动水压力，影响岩体应力场。研究表明，温度也能对岩石变形、强度和破 坏特征产生影响，温度变化和岩体内部温度差会引起温度应力，从而改变原有应 力状态。总之，岩体处于一个多相介质相互作用的复杂环境场中，通过物理、化 学或力学作用，岩体物理、力学性质和应力场不断发生变化。 ( 3 ) 围岩能量释放能使岩体破坏 固体力学相关理论认为材料破坏发生在吸收外界能量的过程中，但是深埋岩 体中储存着很多流体膨胀能与固体应变能，这些能量在工程岩体开挖扰动后可能 瞬时释放，从而造成工程岩体破坏，特别是当工程岩体具有高地应力或极高地应 力或含有高压流体时，能量释放可能引发爆炸性破坏，如瓦斯突出、岩爆等。岩 体释放能量和吸收能量产生的破坏机理不同，岩体释放能量造成的破坏是一种在 卸载条件下造成的破坏，试验已证实在卸压条件下岩石靠自身的能量释放可导致 岩石破坏，岩体吸收能量造成的破坏是一种在加载条件下的破坏。因此，研究岩 体的破坏机理和破坏过程需要充分考虑其应力条件。 ( 4 ) 围岩具有自承能力 4 硕士学位论文 1 绪论 目前，针对高地应力条件下隧道支护对象问题，存在两种主要观点【2 7 2 引，观 点一认为围岩应力是导致围岩变形破坏的原因，因而围岩应力( 比如“碎胀力”、 “膨胀力”等) 是支护对象；观点二则认为，围岩的变形与破坏是围岩的支护对 象。新奥法通过监控量测结果进行隧道支护，对隧道变形采取措施，同时考虑围 岩自承能力，本质上也属于观点二。根据国内外许多隧道工程支护实践和研究表 明，最佳围岩支护途径在于充分考虑围岩的自承能力，即将围岩考虑成支护结构 的一部分，这样以最低的支护成本满足工程稳定性和安全性要求。根据“承载圈” 理论，围岩自身形成主动承载圈，承担一定比例的围岩应力。因此，围岩的支护 对象不是变形和破坏，也不是围岩应力，而应该是围岩及其结构。 1 2 3 软岩隧道围岩大变形机理研究 吴丹泽【2 9 】依托安远隧道研究了大变形主要原因和相应处理方案。郭富利【3 0 】 对堡镇隧道大变形机理和控制技术进行了研究，并将堡镇隧道围岩变形分为围岩 岩性控制类、围岩赋存环境控制类和层状岩层控制类三种模式。张源【3 l 】研究了 不稳定覆岩条件下沿空掘巷围岩大变形的机理，研究表明其大变形的关键原因在 于基本项的断裂、滑移和回转，控制该类大变形的基本思路在于控制基本顶断裂 后的关键块滑移与回转。沈峰【3 2 j 研究了十房高速通省隧道施工时大变形问题， 指出其发生大变形的主要原因是隧道区域的软弱围岩和地质条件，而前期施工不 当是发生大变形的诱因。李海洋【3 3 l 以十漫高速火车岭隧道为依托，结合数值分 析和现场数据，分析了软弱围岩的变形机制和防控措施。杨峰，阳军生等1 3 4 ”j 基于线性规划模型和六节点三角形单元，研究了上限有限元理论及其实现方法。 王琨1 3 6 1 研究了北岗隧道花岗岩蚀变带大变形机理，探讨了产生隧道围岩大变形 的岩体结构类型。肜建波【3 7 】以瑞赣高速钟公山隧道为例，分析煤系地层隧道的 大变形机理，得出了该隧道发生大变形的主要原因是岩体结构和地下水协同作用。 李树军【3 8 】以都汶高速龙溪隧道为依托，分析了隧道大变形机理，得出了该隧道 大变形的主要原因在于高地应力。刘志春【39 j 结合乌鞘岭隧道工程实例，探讨了 挤压性围岩隧道大变形的主要特征，提出了基于综合指标评定法的隧道大变形的 分级标准和防治措施。杨宝山【4 0 l 对米家寨1 f j 隧道大变形的发生机理和治理措施 开展了研究。张连成【4 1 1 依托郭家川2 ! 隧道，全面分析了隧道大变形特征和机理， 指出了隧道大变形的主要原因在于赋存环境和前期施工不当。赵峰【4 2 】依托槽渔 滩隧道，详细分析了软岩段大变形机理，指出产生大变形主要原因在于地质条件 与施工质量缺陷。 产生大变形的围岩一般被称为软岩、膨胀岩或挤出性围岩。由于现行铁路隧 道设计与施工规范把岩石明确界定为极软岩、软岩、硬岩和极硬岩四类，因此， 将软岩、膨胀岩和挤出性围岩统称为软岩。隧道工程围岩的变形破坏形式主要有 硕士学位论文 1 绪论 岩爆、坍塌和大变形三种。岩爆是某种硬岩在高地应力或极高地应力下的脆性破 坏，坍塌是围岩的一种局部变形破坏现象，而岩体大变形属于隧道工程围岩另一 类变形破坏方式。 目前隧道围岩大变形问题研究存在两方面问题，其一，理论研究方面没有建 立一个关于大变形的明确定义，这不利于勘察设计与施工各方统一认识和岩体大 变形研究工作的深入。其二，学者们都是仅从各自角度( 如高地应力引起的大变 形、地下水引起的大变形、软岩引起的大变形等) 展开某一情形下隧道工程的围 岩大变形问题研究，而少见关于岩体大变形综合作用机理方面的研究。 1 2 4 软岩流变试验及模型研究 软岩流变试验能较真实地反映隧道洞室实际状态的岩石流变特性，为流变模 型研究提供基础数据，具有重要的学术和工程意义。岩石流变试验研究建立在岩 石流变理论基础之上，岩石流变试验研究可以追溯到上世纪三十年代，1 9 3 9 年， g r i g g s 4 3 】研究并提出泥板岩、砂岩和粉砂岩等软岩当试验加载值达破坏荷载的1 2 5 8 0 的时候，将会发生蠕变，指出可以采用经验公式来描述岩石流变的本 构关系。c r u d e n 和d r a g o n 研究了常温脆性岩石的蠕变特性，认为岩石蠕变主要 是与时间相关的一个微破裂过程，并且建立了岩石的粘塑性蠕变模型。日本学者 i t o 4 4 舶】等先后对辉长岩和花岗岩进行了蠕变试验，该试验是目前为止世界上持 续时间最长的岩石蠕变试验。o k u b o 4 7 j 等自制试验机对砂岩、安山岩和大理岩等 岩石进行蠕变试验，获取了岩石加速阶段应变时间曲线，且提出了岩石的本构方 程。m a l a n 4 8 5 0 】以南非金矿为依托，指出岩石( 即便是石英岩和火成岩) 当埋深 大于2 0 0 0 m 时，其也会有显著的流变效应。v o u i l l e 等【5 l 】人系统开展了岩盐在不 同偏应力、围压和温度下的蠕变试验，研究了岩盐的松弛特性和蠕变破坏准则。 在国内，近几十年来我国兴建了许多大型岩土工程与地下工程，这极大地促 进了国内学者对岩石流变特性研究，并展开了大量的岩石流变试验【5 2 1 。作为我 国岩土流变学奠基人，陈宗基1 9 4 8 年率先对土体流变学进行了系统的研究，通 过土样的扭转试验，提出了b i g h a m 粘滞塑性流动定律对土的适用性，并建立了 岩石流变的扩容方程，这不仅考虑蠕变变形，而且也考虑其扩容变形也随时间而 变化。孙钧等1 5 3 5 8 】系统地研究了多种岩石和结构面的蠕变特性，全面探讨了岩石 流变的试验技术和本构模型理论等，对岩石流变方面做出了伟大的贡献。白世伟、 吴玉山等 5 9 - 6 0 】采用刚性垫板法对金川矿山二辉橄榄岩岩体进行了增量循环加载 流变试验，提出了模拟该类岩石的损伤演化方程。张向阳、李娜【6 1 舵】结合分级增 量加卸载条件下岩石蠕变试验，研究了金) l l - 矿深部岩石力学流变特性和流变损 伤，提出了一种基于西原蠕变模型的非线性黏性本构关系，并建立了能较好地描 述矿区岩石的流变模型。赵延林、曹平【6 3 j 等人对金川三矿进行了蠕变试验，讨 硕士学位论文i 绪论 论了软弱节理矿岩的黏弹塑性特性，引入裂隙闭合体与非线性牛顿体两种非线性 元件，提出了一个新的复合元件组合流变模型，能较好地描述矿区软弱岩体的蠕 变特性。朱杰兵【6 4 】通过页岩的卸荷流变试验，探讨了页岩的三轴卸荷流变特性， 得出了h k 三元件模型能较好地描述页岩的卸荷流变行为。赵法锁【6 5 j 研究发现 水能够改变岩石的起始流变应力，往往浸水试件在较小的应力下就会发生流变现 象。朱合华【6 6 】等对比分析了饱水和干燥条件下两种凝灰岩蠕变试验结果，讨论 了水影响岩石蠕变的规律，研究结果表明：含水量对岩石极限蠕变应变量有显著 影响，饱水试样和干燥试样蠕变应变试验结果相差5 6 倍，且干燥试样比饱水试 样进入稳定蠕变阶段的时间短得多。 阳军生等1 6 7 】研究了大断面隧道下穿既有高压输电铁塔施工方案比选及应用 研究。石钰锋，阳军生等【6 8 】进行了软弱围岩大断面隧道相向施工围岩稳定性分 析与掌子面加固研究。胡鑫，阳军生等【6 9 】研究了山谷地带浅埋大跨隧道地表竹 管注浆地层预加固方法。黄书岭【_ 7 0 j 对锦屏深埋大理岩进行了水力耦合三轴蠕变 试验，多方面分析了脆性岩石的变形时效特性，明确了脆性岩石的时效破裂机理， 提出了一个脆性岩石非定常黏弹塑性流变本构模型。陈沅江【7 l j 自制了一台适合 软岩流变研究的蠕变松弛耦合实验仪，研究了一种软岩相似材料，探讨了软岩 流变的尺寸效应，提出了一种新的软岩复合非线性流变模型。丁秀丽【7 2 j 依托三 峡、构皮滩和锦屏一级等大型水电工程，开展了岩体与结构面蠕变特性的试验研 究，基于蠕变试验结果探讨了岩体流变本构模型辨识方法。宋飞【73 j 基于神经网 络法建立了在分级加载条件下岩土流变的人工神经网络模型，并模拟了具体岩石 的蠕变试验曲线，该模型可以较好地描述岩体流变，提供了一条研究岩土流变特 性的新途径。杨文东【7 4 】依托大岗山水电站，对坝基辉绿岩进行了三轴流变试验， 详细分析了辉绿岩流变特性，提出了适合辉绿岩的非线性流变模型。石振明1 7 5 j 依托锦屏二级水电站引水隧道，对其围岩开展了分级加载流变试验，提出锦屏绿 片岩单轴流变特性采用b u r g e r s 模型描述比较合适。于德海【7 6 】对云母石片岩和绿 泥石片岩开展了蠕变试验，探讨了两种片岩的蠕变变形特性。朱定华【77 】基于南 京红层软岩流变试验结果，提出其本构关系符合b u r g e r s 模型，且得出红层软岩 初期强度约为单轴抗压强度的6 3 7 0 。张向东 7 8 1 采用自制重力杠杆式岩石蠕 变试验装置对泥岩开展了三轴蠕变试验，建立了适合泥岩的非线性蠕变方程。曹 平【7 9 】以金川2 矿为研究背景，研究了深埋斜长角闪岩的蠕变与松弛特性，指出 西原模型能较好地描述该矿区深部斜长角闪岩的流变特性。 上述岩石蠕变试验研究探讨了岩石在拉、压、弯曲和扭转等应力作用下蠕变 特性，但研究凝灰岩蠕变特性的试验很少。地下工程施工经常遇到如凝灰岩这样 的软岩，其抗压强度较低，具有明显流变特性，蠕变变形往往是引起围岩大变形 硕士学位论文 1 绪论 的主要因素。考虑到越来越多的工程将会修建在凝灰岩地层中，因此，很有必要 针对凝灰岩展开蠕变试验研究，将研究成果应用于工程实际。 1 2 5 隧道大变形控制技术研究 王树栋和郭富利 1 , 3 0 l 结合堡镇隧道工程，研究了大变形类型、大变形预测、 大变形机理和反分析，制定了适应堡镇隧道的大变形分级标准和位移控制标准， 提出了隧道大变形段支护原则。聂林、周德培【8 0 1 等以新建洛湛铁路清水隧道为 背景，针对花岗岩富水蚀变带不良地质，研究提出了减小蚀变岩软化或弱化的开 挖方法和施工工艺，有效地保证了蚀变带施工时隧道结构和人员安全。 孙绍峰【8 i 】基于兰渝铁路毛羽山隧道、木寨岭隧道、两水隧道和天池坪隧道 等软岩隧道，系统分析了碳质千枚岩、板岩地层的变形与受力特征，研究了大变 形分级标准和相应防治措施。张文强、李建伟等【8 2 1 针对木寨岭隧道高地应力段 大变形情况，研究了大变形段的支护结构及其措施。李国良【_ 玛针对乌鞘岭隧道挤 压构造带和断层带大变形问题，提出了能有效控制该类地层的相应技术措施及原 则。苟彪【8 3 1 依托新蜀河隧道，研究了炭质片岩地层初期支护大变形施工控制措 施，并指出三台阶临时仰拱法对控制该类地层大变形有较为明显的效果。乔卖青 嫡4 j 依托大相岭隧道，研究了其断层破碎带地层的大变形机理，对隧道原有设计 进行了多方面优化，提出了大变形预测程序g a b p 。覃业艳【2 3 】依托色尔古水电