工程建设中的岩土工程

工程建设中的岩土工程第1页/共104页岩土工程来源于工程实际研究目的是解决工程建设中遇到的问题岩土工程的定义第2页/共104页

岩土工程：是以工程地质学、岩石力学、土力学与基础工程学等学科为基础理论，研究和解决工程建设中与岩土有关的一门应用科学（中国土木建筑百科词典）。岩土工程定义可概括为以下三个层次：第3页/共104页岩土工程是以土力学与基础工程学、岩石力学与工程为基础，并和工程地质学密切结合的综合学科。环境岩土工程与化学、土壤学、生物学、医学等学科有关。它是一门多学科相融合的交叉性综合学科第4页/共104页岩土工程以岩石和土的利用、整治或改造作为研究内容。岩土工程以工程为目的研究岩石和土的工程性质，当岩土的工程性质或岩土环境不能满足工程需要时，就要采取工程措施对岩土进行整治和改造。第5页/共104页岩土工程服务于各类主体工程的勘察、设计与施工的全过程，是这些主体工程的组成部分。岩土工程不是一门独立于土木工程之外的学科。没有不从属于主题工程的岩土工程，但岩土工程又有不同于上部结构的自身规律和研究方法。第6页/共104页岩土工程的发展历史

岩土工程学是土木工程的重要分支，是一门涵盖工程地质学、土力学、岩石力学、基础工程学和地下工程的综合性学科，是在20世纪发展并不断成熟起来的。太沙基的第一部经典著作《土力学》在1925年出版，是近代土力学的开端；第7页/共104页

第二次世界大战后，大规模的工程建设实践推动了土力学的进步，岩石力学也相应的形成和发展。因而以土力学和岩石力学为基础理论的基础工程和地下工程的设计理论与施工技术也受到了巨大的推动。1948年英国《岩土工程》杂志的创刊和1974年美国《土力学与基础工程》杂志更名为《岩土工程》标志岩土工程学科逐步得到工程界和学术界的公认。第8页/共104页

岩土工程的工作方法是：调查勘察、试验测定、分析计算、方案论证、监测控制、反演分析、修改定案，岩土工程的研究方法是：以三种基本手段，即数学模拟（建立岩土本构模型进行数值分析）、物理模拟（离心机模型试验或其它的土工试验）、原位观测（实际工程长期或短期观测）综合而成的。第9页/共104页

岩土工程学科是在岩土工程实践与技术的发展历史长河中形成的，是随着人类的出现与发展不断获得进展的工程技术。岩土工程学科的发展历史可概括为以下三个历史时期：第10页/共104页

第一历史时期

18世纪工业革命以前，人们在实践中积累了一些零星的工程经验，未能提炼成系统的科学理论，由于受当时生产力发展水平的限制，这一历史时期自史前一直延续到18世纪60年代，经历了漫长的岁月。岩土工程第一历史时期的主要特征是：第11页/共104页缺乏对地质勘察的认识与手段，不可能了解地基深部的情况；无地基基础设计，凭经验施工；施工消耗大、周期长、效率低；建筑材料以天然材料为主，建筑物高度低、体重轻，对地基承载力要求不高。第12页/共104页

第二历史时期

18世纪60年代的欧洲工业革命和19世纪中叶的第二次工业革命，推动了社会生产力的发展，工程建设中提出了许多有待解决的岩土工程问题，促使人们进行土力学理论探索和岩土工程的技术创新，拉开了岩土工程学术研究的序幕。岩土工程第二历史时期的主要特征是：第13页/共104页工程规模和技术难度要求使用机械化的施工方法和理论的指导；机械化的施工方法使岩土工程施工技术发生根本的变化，并为理论的产生提供了丰富的工程经验；通过试验、观察和数学力学分析计算，提出了一系列理论和方法，奠定了近代岩土工程的理论基础。第14页/共104页

第三历史时期

20世纪初，大型土木工程的兴建，为岩土工程的发展提供了客观条件；以太沙基提出的“有效应力原理”为代表，在试验技术和计算方法方面形成了完整的土力学体系，标志着岩土工程进入成熟的第三历史时期。岩土工程第三历史时期的主要特征是：第15页/共104页岩土工程涉及的领域由传统的水利、建筑、公路工程扩大至地震工程、海洋工程、环境保护、地热开发、地下蓄能、地下空间开发等领域；新材料（土工合成材料）的使用，为重大工程和岩土工程疑难问题的解决提供了新的技术途径和方法；第16页/共104页3

新型施工装备使用，为大型、深层、深水条件下的岩土工程施工创造了物质条件，促进桩型和地基处理方法的不断创新；4

现代计算方法和工具的出现，以及先进量测手段、试验设备的问世，是岩土工程复杂问题的研究、计算与验证成为可能，促进了岩土工程学科的不断发展。第17页/共104页成功的经验

都江堰水利工程在四川都江堰市，是全世界至今为止，年代（2200多年）最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程第18页/共104页重庆南川水库湖北头堰水库第19页/共104页湖南莲(花冲)易(家湾)高速公路重庆渝长高速公路第20页/共104页

赵洲桥建成1300多年，桥基两端下沉的水平差只有5厘米。据测定，石桥及其载重对地面所形成的压力，恰好在桥基那粗沙层可随的耐压力的幅度之内。计算得如此精确，实在惊人。第21页/共104页大雁塔人民大会堂第22页/共104页南京地铁站上海地铁站第23页/共104页青藏铁路成昆铁路我国在山区和高寒地区修建的铁路第24页/共104页上海港大连港第25页/共104页失败的教训广线冲毁102公里，中断行车16天，直接经济损失近百亿元，成为世界最大最惨烈的水库垮坝惨剧。“75.8”特大洪水板桥水库溃坝失事

1975年8月河南驻马店等地区1万多km2的土地上，共计60多水库相继发生垮坝，近60亿m3的洪水肆意横流。1015万人受灾，超过2.6万人死难，倒塌房屋524万间，冲走耕畜30万头。京第26页/共104页Teton大坝位于美国爱达荷州，高

93m

的土坝，建于1972-75年，1976年6月失事第27页/共104页98年九江大堤决口长江堤防坍塌第28页/共104页韩国首尔南加佐洞京义线铁路地基塌陷，导致两侧铁路悬浮在空中第29页/共104页1996年发生在美国加州的

LaConchita滑坡，未造成人员伤亡。第30页/共104页2001年1月13日，萨尔瓦多发生了里氏7.6级的强震，在SantaTecla造成山体滑坡，最终导致700多人遇难。第31页/共104页港岛1972滑坡(20,000m3)，(67死、20伤)楼房倒塌楼房损坏第32页/共104页1954年兴建的上海工业展览馆中央大厅，因地基约有14m厚的淤泥质软粘土，尽管采用了7.27m的箱形基础，建成后当年下沉60cm。1957年6月展览馆大厅四角沉降最大达146.6cm，最小沉降量为1228mm。第33页/共104页1173年9月8日动工，1178年到第4层中部，高度约29m时，因塔明显倾斜而停工。94年后复工，6年时间建完第7层，高48m，再次停工，于1360年复工至1370年竣工。全塔共8层，高度55m，基础底面平均压力约50kPa。该塔诞生了物理学中的自由落体定律。成为世界上最珍贵的历史文物。

目前塔向南倾斜，南北两端沉降差1.8m，塔顶离中心线5.27m，倾斜5.5°,成为危险建筑。意大利比萨斜塔第34页/共104页

塔身向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线已达2.31m，底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑物而封闭。

坐落于由上至下依次为杂填土、块石填土、亚粘土夹块石、风化岩石、基岩等地基上，产生不均匀沉降。第35页/共104页墨西哥城的土层为深厚的湖相沉积层，土的天然含水量高达650%

，液限500%，塑性指数350，孔隙比为15，具有极高的压缩性。图中可清晰地看见发生的沉降及不均匀沉降。第36页/共104页该工程1911年动工，1913年秋完工。同年9月开始向谷仓中装谷物，10月17日谷仓1小时内竖向沉降30.5cm，并向西倾斜，24小时内倾倒，倾斜度达26°53′，西侧下陷7.32m，东侧抬高1.52m。后用388个50T千斤顶纠正后继续使用，但位置较原先下降4m。加拿大特朗斯康谷仓第37页/共104页日本关西机场1986年开工，1990年人工岛完成，1994年机场运营。面积4370×1250m2，平均厚度33m设计沉降：5.7-7.5m完成时(1990年)实际沉降：8.1m，5cm/月。沉降大且不均匀第38页/共104页城市建设中环境岩土工程的发展

随着人口的不断增长，城市化进程的速度加快，城市建设中的环境岩土工程问题日益突出。与城市建设有关的岩土工程问题有：城市规划中的环境灾害海岸、河岸稳定及海水浸入；港口航道的淤塞城市防洪及减灾泥石流第39页/共104页城市建设和生产活动中的环境地质灾害地面沉降和地面塌地裂缝浅层抽汲地下水打桩挤土深基坑开挖地下掘进城市废弃物的管理和处置有毒有害物质的污染及管理废弃物的处理第40页/共104页一.城市环境灾害1.洪涝灾害洪涝灾害发生的原因有：围护造地使湖泊面积大幅度减小，蓄洪和调节洪水的能力大为减弱；掠夺性开发森林和土地资源造成水土流失加剧；河道设障严重，影响行洪；堤防标准低，隐患多，抗洪能力差；城市排水系统标准低，淤塞严重。第41页/共104页2.泥石流

泥石流是威胁山区城镇安全的一种环境灾害，全国有100多座县（市）级政府驻地及城镇曾遭受泥石流的威胁和危害。泥石流对道路桥梁、水利设施、城市建设会造成巨大的破坏。

防治泥石流必须保护好山地环境，工程建设要按照自然规律办事，尽可能减少改变自然环境的已有平衡，并对可能发生泥石流的区域采取避让、预检测报、拦挡疏导等措施。第42页/共104页3.海岸灾害海岸灾害包括热带风暴、海啸以及海浪冲刷等营力作用对海岸的破坏。海滨的沙滩在波浪长期作用下，拍浪区和冲击区的沙粒不断搬移。由于波浪的切割作用，逐渐造成岸坡坍塌，海岸向后移动。第43页/共104页二.城市建设引发的环境灾害

城市化进程中，由于抽汲地下水、地下工程掘进、打桩挤土及深基坑开挖等引起地层产生位移，会对周围建筑物、地下管线、路面交通构成严重威胁。1.城市地面沉降与地裂缝造成城市地面沉降与地裂缝的原因除地质条件外，主要是人为过量开采地下水所致。第44页/共104页

墨西哥城累计地面沉降9m，沉降盆地影响范围225km2；天津市自1958~1985年，累计沉降量2.83m；上海市1921年至1965年，累计沉降量2.63m。受海水入浸的地段主要分布在辽东半岛、山东半岛，山东省受到海水入浸面积达400km2。地裂缝主要发生在西安、大同和邯郸等地。西安共有地裂缝10条，以1~2km的等距排列，总长度40km，分布面积150km2。最大裂缝宽度80mm，垂直错距140mm，可见深度17m。第45页/共104页2.地下掘进对地面环境的影响城市地铁隧道采用盾构法施工，施工过程中由于挤土和盾尾地层损失，盾构到达时地面发生隆起，盾尾脱离引起地面沉陷，对地面环境造成影响。沿海地区地铁隧道多位于淤泥质灰色粘土和粉质粘土，土层具有孔隙比大、含水率高、渗透性弱、灵敏度高、固结变形大等特点。第46页/共104页3.打桩挤土效应对周围环境的影响城市建设中，桩基施工往往会导致附近建筑物或地下设施（地铁隧道、上下水管道、通讯电缆等）受到损坏。如上海某高层建筑桩基施工，因附近民房结构较差，基础埋深浅，造成房屋开裂；同时附近煤气管道因土体侧向位移而开裂，引起煤气泄漏。第47页/共104页4.深基坑开挖对城市环境的影响

20世纪末，随着高层建筑的发展，基坑工程的规模迅速增大，北京京城大厦基坑深23.76m,上海港汇广场大厦基坑开挖面积50000m2。城市建成区的建筑物密度一般比较大，地下市政管线密集，深大基坑开挖引起的土体位移，容易导致相邻建筑物的不均匀沉降和地下管线变形，严重时会造成建筑物的倾斜、结构开裂甚至倒塌。第48页/共104页三.城市废弃物的岩土工程处置

城市化进程的加快，产生了大量的人们已经无法容忍的废弃物，这些废弃物中含有大量的有毒有害成分，处置不当，会危及人的生命安全。1985年9月13日福建某化工厂芒硝库基槽扩建施工现场发生H2S、CS2污染环境，造成8人死亡，21人中毒。城市废气物的处置有资源化、无害化、焚烧处理、岩土工程处理。第49页/共104页

废气物的岩土工程处理，采用卫生填埋、矿井储存、深井压裂等方法。岩土工程处理的优点是处理量大，能源消耗低，但缺点是占地多，要有严格的环境监测配套。填埋处置首先选择填埋场，填埋场要有足够的消纳能力，要防止地面和地下水受到废弃物渗液的污染；填埋场设计基本要求是对人类无害；填埋场结构包括：底部衬垫隔离系统、帽盖封闭系统、排水和渗漏液采集系统、污染监控系统。第50页/共104页水利、水电建设中的岩土工程

岩土工程在水利水电工程建设中具有极为广阔的领域。如坝堤基础的稳定、地下电站建设、引水隧洞建设、高边坡的计算与建设、深水围堰的建设、库区滑坡体的分析、水利水电的建设环境和地下水的渗流等。第51页/共104页

水电可提供清洁与重复性的能源，21世纪我国要大规模开发水电。俄罗斯的罗贡斯克土坝高325m，我国二滩拱坝高245m。高坝建设中，面临一系列岩土工程技术难题：如船闸高边坡的计算与建设；建坝岩基面的力学分级、稳定性评价及多裂隙岩体的强度与变形分析。高坝建设中遇到的岩土工程问题主要有：一.高坝建设中的岩土工程第52页/共104页1.勘探技术高坝基岩勘探，遇到许多与工程地质、岩体力学有关的难题，如区域性的构造稳定、复杂岩基、风化岩基的力学特性等。高坝工程要求对复杂岩体构造作出较详细的稳定分析与随机分析。目前用于高坝建设中的勘探技术有：切层扫描技术（类似地质雷达）、GPS技术、CT技术等。第53页/共104页2.岩体质量分级岩体质量分级有单因素分级法和多因素综合分级法。单因素分级法是按照单一的特性指标进行分级：如按抗压强度分级、按风化等级分级；多因素分级法综合考虑了岩体的强度、变形和渗透性，裂隙岩体分布的密度，裂隙的连续性，裂隙面的特性及充填物的特性等。第54页/共104页3.坝基岩体稳定评价方法评价方法有：模型试验法和计算分析法。模型试验法有地质力学模型、脆性材料模型。计算分析法有限元法刚性极限平衡法平面线形法、平面非线形夹层法空间复合模型法、空间非先行夹层法图解法数值法整体转动法、矢量分析法平面分层、空间整体分析法等K值法单面赤平投影双面赤平投影第55页/共104页二.土坝工程

土坝是水利水电工程中的重要建筑物，国外土坝高度已达325m，远高于砼坝，我国土坝数量占大坝总数的90%。随着岩土技术的发展，土坝设计已逐步提高到科学理论的高度，在以下方面有突出进展：

1.土坝的稳定分析已经从古典的圆弧滑动面假定，发展到考虑条间力的任意滑动面的计算方法。第56页/共104页2.用有限元方法模拟土坝渗流，使许多复杂渗流问题得到数值解。

3.引入仿真破坏模型研究坝体的变形和裂缝。通过剪切带的发展、裂缝处的分叉及应力局部化问题模拟大坝的破坏，估算大坝的破坏安全度。

4.提出了根据初始渗流坡降和侧向变形的固结与变形分析方法，使孔隙压力和变形计算更能反映真实情况。第57页/共104页5.坝坡稳定的动力分析方法，可将地震波的性质和土的抗震特性合在一起进行动力分析。

6.土坝建设的材料由最初的土料与砂卵石料，发展到任何土石料，如砾质土、风化岩以及开挖建筑物基础的石渣等。

7.沉降计算与固结理论有了较大的发展，大坝沉降由计算单一固结沉降到计算初始沉降、固结沉降和次固结沉降。第58页/共104页三.地下水电站建设中岩土工程的成就

地下水电站是指引水道、调压井、压力管道、主厂房及其一部分附属洞室、尾水洞室等均位于地下的电站。在地质条件允许情况下，可充分利用围岩的承载能力减少支承结构、节省材料，降低造价。随着岩石力学的发展和施工水平的提高，地下厂房开挖断面越来越大。第59页/共104页几个典型地下水电站厂房尺寸水电站国家长*宽*高(m)罗贡俄罗斯200*28*68拉格郎德二级加拿大483*26*47玉原日本114*27*50刘家峡中国86*25*59白山中国121*25*54地下厂房建设的成就有以下几点：第60页/共104页1.设计理论：将洞室围岩由外载转变为承载结构，设计理论由散粒体理论变为弹塑性体理论，建立了岩体支护的概念。

2.地下洞室的计算方法由定性经验法发展到数值模拟法。

3.稳定的判据：根据不连续介质及连续介质的变形稳定进行分析，利用弹塑性理论和不连续体理论计算岩体的屈服变形、快体滑动变形，看是否达到稳定收敛作为判据。第61页/共104页4.喷锚支护的分析中引入损伤力学、断裂力学、弹塑性力学理论，是喷锚技术的理论分析更加完善。

5.洞室群的施工优化：水电站地下洞室往往是成群出现（主厂房、引水管及副厂房、交通洞、调压井），规模巨大，在施工安排上，可以有许多不同的配置，从中可以找出有利于围岩稳定而且经济的施工方案。第62页/共104页铁路建设中的岩土工程

自1887年我国修建第一条铁路至今已有一百多年的历史，新中国成立后我国开始大规模的铁路建设，进行了高速、重载铁路的一系列研究，在铁路岩土工程技术方面解决了不少难题。许多新建铁路穿越地形困难、地质条件复杂的地区。铁路建设中的岩土工程包括铁路岩土工程勘探、路基、桥梁基础及隧道。第63页/共104页一.铁路岩土工程的勘探技术

铁路工程依地质条件选线反映了铁路岩土工程勘探的综合水平。衡广复线大瑶山、大秦山隧道等把岩石力学、构造地质学和区域地质学等理论以及航测遥感技术与铁路岩土工程结合，提高了铁路岩土工程勘探技术水平；西康铁路秦岭段采用遥感、地面测绘、多种物探和钻探相结合的勘探方法，提出了齐全的分析资料，查明了地质构造格局，了解了不良地质现象的类型和分布。第64页/共104页二.复杂地质条件下的铁路工程1.滑坡我国是个多山国家，山区铁路占已有铁路总长的60%以上，而滑坡崩塌是山区铁路常发生的地质灾害，占山区地质灾害的80%以上。山区铁路的大规模建设和地质灾害的严重性促使了滑坡研究的开展，探讨了各类滑坡发生发展的机理、滑坡监测、滑坡预报，研究了滑坡稳定性评价理论和滑坡整治措施。第65页/共104页我国铁路部门滑坡研究特点是：

1）重视滑坡本身岩土体及其周围环境地质条件，分析滑坡发育和控制条件，用地质力学理论确定滑坡的边界条件和定量数值，并以勘探手段证实动力条件和边界条件。

2）按滑坡的不同发育阶段、特点确定滑带土的抗剪强度。对于土质滑坡，以实际滑坡反算值为主，综合分析，对比确定。

3）稳定性评价多采用工程地质比拟法分析。第66页/共104页我国铁路部门在滑坡整治中的主要措施是：

1）滑坡排水。采用地表水和地下水的排水措施相结合，以排除地下水为主。排水措施有：边坡渗沟、支撑渗沟、排水平孔、截水渗沟等。

2）支撑（挡）工程。采用各种支挡结构在滑坡前部支撑滑坡，主要有抗滑挡墙、锚杆挡墙、抗滑桩。抗滑桩是利用桩与其周围的岩土的共同作用，把滑坡推力传递到稳定地层，以地层的锚固作用和被动抗力平衡滑坡推力的工程措施。第67页/共104页2.泥石流泥石流是我国铁路部门仅次于滑坡、崩塌的地质灾害。我国铁路泥石流沟月1400多条，成昆铁路从1970~1981年间，沿线有47条沟爆发60余次较大的泥石流。为了防治泥石流铁路部门进行了大量研究，在对泥石流成因分析的基础上提出多项影响因素及量级评价、统计分析和量化处理方法，提出了泥石流的综合评判法则。第68页/共104页

在泥石流预报方面，研制了多探头流位报警器、地面震动报警器等装置，并提出了中短期区域性预报方法。对泥石流的防治，建立了“绕”、“拦”、“排”的工程措施原则和“避重就轻”、“宁宽勿窄”、“按沟设桥”、“隧道绕避”、“生物防治”等工程措施。第69页/共104页3.岩溶岩溶地区铁路岩土工程的突出问题是准确查明岩溶的具体位置和发育形态，以及地下工程中岩溶突发性涌水、突泥的评估和预报。铁路部门从岩溶发育条件出发进行综合研究，基本了解了岩溶发育规律，进行了岩溶地面塌陷模型试验和观测，对岩溶塌陷防治积累了较丰富的经验。第70页/共104页三.特殊土条件下的铁路工程1.软土地区的铁路工程随着沿海地区铁路建设的发展，软土路基加固处理的技术（包括设计计算、测试技术、施工技术）水平不断提高。数值分析推动了软土本构模型的发展；精密的试验控制和原位测试为工程设计与理论研究提供了可靠的依据；施工技术和新材料的应用为软土地基加固开拓了新方法。第71页/共104页软土路基加固处理措施有：排水固结法，常用袋装砂井和塑料板排水固结，有效处理深度在20m以内。粉体深层喷射搅拌法，采用生石灰粉和水泥粉，利用粉喷搅拌机械加固，有效处理深度不大于13m。土工合成材料加固，将合成材料设置在路堤底部的砂垫层上，使垫层起反滤、排水、隔离、加固和增强的作用。挤密桩法、石灰桩、旋喷法。第72页/共104页2.膨胀土地区的铁路工程膨胀土对铁路路基的破坏主要是：基床隆起和边坡变形。工程中采取的主要措施有：

1）基床变形的防治。在基床部分掺土、掺砂或掺石灰，改良膨胀土的性质。

2）边坡防护工程。可用浆砌片石护坡、护墙防护、植物防护、土工网垫、土工纤维护坡等。

3）边坡支撑工程。可采用改性土桩或加筋土挡土墙支撑边坡。第73页/共104页3.其他特殊土地区的铁路工程铁路部门对黄土、盐渍土、多年冻土、和风沙土等特殊土类均进行了多年研究，掌握了他们的基本特性，提出了工程防治措施，并成功的应用于铁路建设中。青藏铁路穿越察尔汗盐湖和青藏高原多年冻土区；兰新铁路经过上千公里的戈壁沙漠地区；第74页/共104页四.路基支护与防护工程

我国铁路路基抗滑支挡工程主要采用挡土墙，20世纪60年代以前，以浆砌石重力式挡土墙为主；以后出现了不少新型抗滑支挡结构，如锚杆挡土墙、加筋土挡墙、锚定板挡土墙、桩板墙、排架抗滑桩、拉杆锚固桩、扶壁式挡土墙、预应力锚索抗滑桩。第75页/共104页五.土工合成材料的应用

土工合成材料的开发和应用，在我国起步较晚。我国铁路部门于1982年率先在国内应用土工合成材料防治铁路路基基床翻浆冒泥，其后应用于软土路基、支挡结构以及路堤填土边坡加强。第76页/共104页1.路基基床翻浆冒泥整治工程在路基基床表层铺设土工合成材料复合沙垫层，形成路基下的复合结构层，利用土工合成材料的分布荷载作用、隔离作用、反滤作用及加筋作用等改善基床的工作状态，达到防治翻浆冒泥的目的。该工程采用的土工合成材料主要有：土工织物（无纺）；土工格室；聚合胶板；塑料（聚乙烯）排水板；复合土工织物等。第77页/共104页2.软土路基地基加固工程采用土工织物袋装砂井排水固结法加固软土路基地基。采用土工织物、土工格栅铺设在路基基底垫层中，构成加筋垫层可有效加固地基。3.支挡建筑物及土体加固工程在铁路路堤边坡部位铺设一定间隔多层土工织物或土工格栅，可提高土质路堤的整体性和边坡的稳定性。第78页/共104页六.铁路隧道工程

我国在铁路建设中综合运用各种科技成果，解决在不良地质现象条件下，隧道设计与施工中有关岩土工程的五个难题，积累了大量经验。1.隧道综合地质勘探与施工阶段地质预报地质勘探的发展水平是体现隧道科技水平和修建能力的重要标志之一，综合地质勘探和强化施工地质预报是目前发展的重要趋势。第79页/共104页

及时准确的预报开挖面前沿近距离内围岩已存在的地质现象（静态的），及施工引起的地质变化（动态的），对安全施工非常重要。地质勘探采用大地电磁法、航空重磁法、地震反击法、高密度电法、钻孔水压致裂地应力测试法、钻孔瓦斯参数测定、微构造地应力分析法、地下水参数数值法、水域地质影象法等综合勘察手段和技术。第80页/共104页2.铁路隧道围岩分类的发展围岩分类不仅用于指导隧道施工，还是初设阶段选定支护结构的依据，是控制隧道投资的基本指标。我国20世纪50~70年代采用岩石坚固性系数分类；70年代中期以围岩结构特性和完整状态为指标分类；90年代以后采用多变量分析数量化理论，确定围岩等级判定系数。第81页/共104页3.信息化设计与施工在隧道施工阶段及时监测开挖后围岩的变形状态，并以此评价围岩的稳定性，适时调整支护参数甚至施工工艺，以充分发挥围岩自稳能力。使支护和工法获得最佳效果。信息化设计的另一重要方面是反演分析，即根据量测信息反求各种参数，利用反求的参数对原设计进行修改或验证。第82页/共104页4.铁路隧道的可靠度设计中国铁路在20世纪80年代开始对隧道可靠度设计进行准备，90年代初立项开展“按可靠度理论修建隧道设计规范的可行性研究”，以“荷载—结构”模式为突破口，按通用广义抗力R和广义效应SA建立功能函数，进行概率极限状态设计。随后对“深埋隧道荷载统计特征”、“隧道素砼偏心构件抗压强度统计特征及抗力计算公式”和“铁路隧道衬砌几何尺寸变异结构可靠度分析”研究，并将研第83页/共104页究成果应用于1998年修订的《铁路隧道设计规范》中。该规范不包括喷锚支护和复合衬砌，原因是隧道围岩各种岩类及相关随机系数的试验研究未开展，不具备按可靠度设计的条件。5.不良地质条件下的铁路隧道建设我国铁路隧道建设遇到的不良地质现象有：断层破碎带、岩溶、岩爆、瓦斯、大量涌水、富水软岩、大变形、地下泥石流、风积沙层等。在治理中开发了一系列适用的设计施工技术。第84页/共104页矿山开采中岩土工程的发展

采矿工程在地下岩体内开凿井筒、巷道、洞室等，破坏了岩体内部原来的应力平衡状态。随着生产规模的扩大，开采深度和围岩暴露面积增大，引起的力学现象更趋复杂和严重。解决采矿工程的岩层控制问题，涉及到岩体的力学性质、岩体在力场作用下的变形和破坏规律及其稳定性问题。矿山开采岩土工程具有以下特色：第85页/共104页

采矿工程的地下结构大都位于较深地层内，深部岩体的应力状态和变形破坏比地表附近的复杂得多；我国煤矿大多位于强度低、较松软的泥质沉积岩内，软岩一直是困扰矿井开采的难题。采矿形成百万平方米的硕大空间，由此引起采空区上方岩层剧烈移动、破坏和开采沉陷，对采矿工程和井上下环境造成严重损害。深井、软岩、采动岩层是采矿工程中的难题。第86页/共104页一.采动巷道的围岩压力及控制1.采动巷道的围岩压力规律和巷道布置原理我国曾对数千条采动巷道进行了长期的矿压测试和研究，得出了开采深度、围岩性质、向道位置周围采动状况及护巷方法等与巷道矿压显现之间的关系。阐明了采动巷道的矿压规律，并揭示其与回采空间多维、动态的时空关系，形成了融巷道布置、巷道保护、围岩卸压和巷道支护为一体的采动巷道围岩综合控制技术。第87页/共104页2.采动巷道布置与无煤柱护巷技术在掌握了采动巷道矿压规律的基础上，我国形成了完善的厚煤层倾斜分层采煤法的巷道布置方式，煤层群巷道的合理布置开拓部署方式，回采工作面在底板岩巷和邻近煤层巷道上方跨越开采的巷道布置系统。我国在系统研究和掌握无煤柱护巷的矿压规律和力学机理的基础上，改革了自古沿用的煤柱护巷方法，使煤炭回采率提高10%~20%。第88页/共104页3.大变形巷道支架—围岩关系采动、软岩巷道的围岩变形量远超过现有岩石力学理论的计算值，经常达到量级之差。围岩大变形主要是在岩体屈服后体积碎胀引起的，因此采动、软岩巷道稳定性问题的核心是研究围岩损伤过程和破坏后的变形机理和规律。我国在大量测试的基础上，弄清了各种地质开采条件下采动巷道的围岩变形规律，采动过程中不同时期的第89页/共104页围岩变形量和流变速度，及其与原岩应力、采动应力、护巷方式、围岩性质、水的浸蚀等之间的关系。查明了支架阻力对围岩变形的控制作用与围岩属性和结构的关系，得出围岩愈松软，支护阻力对控制围岩变形的作用愈大，以及不同围岩条件下巷道支护阻力与围岩变形之间呈负指数曲线的定量关系。第90页/共104页4.围岩大变形巷道的支护技术软岩巷道的围岩变形量少则300~500mm，多则2~3m。控制其变形的关键是：确保支架迅速均匀承载，具有较高的初撑力和增阻速度，充分发挥支架与围岩的承载能力，并使支架在围岩变形过程中始终保持较高的支护阻力。同时支架应具有可缩性，允许围岩产生一定变形，以释放能量。软岩巷道多采用U型钢支架；坚硬岩石巷道采用技术经济效益显著的锚杆支护。第91页/共104页二.采场矿山压力及其控制

煤层及矿体的开采过程中，采煤或采有用矿物的工作空间称为回采工作面或采场。采矿过程中采场周围岩体的破裂范围和程度非常大，采场围岩控制是通过改进采矿方法、支护手段、采空区处理及其它综合技术措施，促使采场围岩形成可控的、有序的移动，以确保高效安全生产。我国通过研究，掌握了采场矿山压力规律，建立了煤矿采场矿山压力理论，发展了采场围岩控制的综合机械化技术，解决了坚硬顶板、破碎顶板的围岩控制难题。第92页/共104页三.特殊凿井技术

我国华北、东北、华东等地煤层上覆盖着深厚的含水率高、不稳定的表土层，必须采用井巷特殊施工技术，才能确保工程顺利进行。

1.冻结凿井法。通过冻结设备对土层先冻结再凿井，该方法在我国已有40多年历史，最大冻结深度435m。

2.钻井法。我国已形成了钻井、泥浆护壁、井壁制作、井壁下沉