隧道工程學讀書報告

1、讀書報告一：巖爆一、巖爆現象及其研究現狀巖爆是圍巖處于高應力場條件下所產生的巖片（塊）飛射拋撒，以及洞壁片狀剝落等的現象。巖體內開挖地下廠房、隧道、礦山地下巷道、采場等地下工程，引起挖空區(qū)圍巖應力重新分布和集中，當應力集中到一定程度后就有可能產生巖爆。在地下工程開挖過程中，巖爆是圍巖各種失穩(wěn)現象中反映最強烈的一種，是地下施工的一大地質災害。國內外眾多巖爆研究成果和大量巖爆實際資料和試驗數據表明：發(fā)生巖爆，除了巖體應力（地應力或初始應力）必須大于巖石單軸抗壓強度的某一百分數之外，巖石還應該是脆性的、堅硬和完整的或比較完整的，同時巖石的彈性應變能需要比巖石破壞耗損應變能大很多。反之，不會發(fā)生巖爆。

2、對于巖爆的研究現狀，國內外學者提出了多種巖爆判據和巖爆分級，分析了巖爆的發(fā)生機制，提出了各種巖爆預測的方法。二、巖爆的分類及其發(fā)生機制探討巖爆的特征可從多個角度去描述，目前主要是根據現場調查所得到的巖爆特征,考慮巖爆危害方式、危害程度以及對其防治策略等因素，分為破裂松脫型、爆裂彈射型、爆炸拋射型。從規(guī)模來看，巖爆可分為小規(guī)模巖爆（壁面附近淺層厚度小于25cm部分的破壞）、中等規(guī)模巖爆（形成厚度0.250.75m的環(huán)狀松弛區(qū)域的破壞）和大規(guī)模巖爆（超過0.75m的巖體顯著突變，很大的巖塊彈射出來）。根據發(fā)生的條件和機制，巖爆可分為應變型、應變-結構面滑移型和斷裂滑移型。不同類型的巖爆孕育規(guī)律和機

3、制不同。從發(fā)生的時間來看，巖爆分可為即時型巖爆和時滯型巖爆。由于巖爆是極為復雜的動力現象，至今對地下工程中巖爆的形成條件及機理還沒有形成統(tǒng)一的認識。有的學者認為巖爆是受剪破裂，有的學者認為是張破裂；還有一種觀點把產生巖爆的巖體破壞過程分為：劈裂成板條、剪（折）斷成塊、塊片彈射三個階段式破壞。文獻23對巖爆及其附近區(qū)域實時監(jiān)測到的微震信息進行了矩張量分析，研究了即時型巖爆和時滯型巖爆的機制。結論是：1.對于即時型巖爆，巖爆孕育過程經歷了張拉破壞、剪切破壞、拉剪混合型破壞或（和）壓剪混合型破壞；2.對于時滯型巖爆，巖爆區(qū)初期微震事件以拉伸、剪切及拉剪混合型破壞為主，再以沿破壞面擴展的拉伸破壞為主，

4、之后由一個明顯的“平靜期，最后以剪切破壞為主導。三、巖爆預測現狀巖爆至今仍是巖石力學世界性難題之一，目前國內外還沒有關于巖爆預測預報公認的、成熟的理論和方法。我國一般巖爆按設計和施工兩階段進行預測預報。在設計階段，根據隧道工程地質勘察資料，結合現場實測諸鉆點的地應力值，通過反演得出隧道區(qū)域內的初始應力場。然后通過數值分析所得隧道各分段洞周應力值，結合室內巖石試驗，利用不同判據，得出設計階段各洞段可能發(fā)生巖爆及其級別、并在設計中提出相應對策。在施工階段，隧道開挖后，及時采用應力解除法，對洞壁直接進行應力測試，同時采集隧道內巖樣進行室內試驗或用回彈儀測出該洞段巖石抗壓強度，利用不同判據，得出比設計

5、階段更為符合實際的該洞段的巖爆發(fā)生及其級別，以便及時采取防治對策。在此階段有兩個值得注意的問題：1.勘測期的地應力值與施工階段實測的不一定一致，因此施工期要直接對圍巖進行表面或淺部應力進行測試；2.數值分析方法要選擇合適的本構方程和恰當的巖體力學參數。此外，還可以在現場利用聲發(fā)射法進行監(jiān)測。無論是室內試驗還是現場監(jiān)測資料均表明，巖體（石）破裂聲發(fā)射信號急劇增加都超前巖石（體）的變形破壞。利用聲發(fā)射儀可探測潛在的巖爆位置。聲發(fā)射法是最直接的預報方法。知道隧道巖爆可能發(fā)生部位，則可及時采取相應的防治措施。在巖爆預測預報方法中，巖體電磁輻射監(jiān)測預報法被認為是很有前途的。這一方法是依據完整巖石壓縮變形

6、破壞過程中，彈性范圍內不產生電磁輻射，峰值強度附近時電磁輻射最強，軟化后無電磁輻射的原理，采用特制的儀器，現場監(jiān)測巖體變形破裂過程中發(fā)出的電磁輻射“脈沖”信號，通過數據處理和分析研究，預報巖爆。四、巖爆防治現狀我國關于巖爆的防治也是按設計和施工兩階段進行。在設計階段，對于隧道線路選擇，應該盡量避開易發(fā)生巖爆的高地應力集中地區(qū)。當難以避開高地應力集中地區(qū)時，要盡量使隧道軸線與最大主應力方向平行布置，以減小應力集中系數，防止發(fā)生巖爆或能夠降低巖爆級別。隧道斷面選擇盡可能用圓形，不可能時可用城門洞形(即上圓下方形)，使隧道斷面有利于減少應力集中。在施工階段，目前已有許多行之有效的治理巖爆的措施。歸納

7、起來有：加固圍巖、加防護措施、完善施工方法、改善圍巖應力條件以及改變圍巖性質等。具體情況舉例說明如下。為了改善圍巖應力條件，可以采用應力解除法，即在圍巖內部造成一個破碎帶，形成一個低彈性區(qū)，從而使掌子面及洞室周邊應力降低，使高應力轉移到圍巖深部。為達到這一目的，可以打超前鉆孔或在超前鉆孔中進行松動爆破。為了改變圍巖性質，目前廣泛采用注水軟化法。煤層壓力注水一般有兩種方式：一是在煤層開采前進行壓力預注水，使煤體濕潤，減緩和消除煤的沖擊能力；二是對工作面前方局部應力集中帶進行高壓注水，以減緩應力集中，這是一種局部解危措施。對于施工安全措施，主要有躲避及清除浮石兩種。巖爆一般在爆破后1h左右比較激烈

8、，且多數發(fā)生在1倍洞室直徑范圍內，所以躲避是一種行之有效的方法。在拱頂部位由于巖爆所產生的松動石塊必須清除，以保證施工的安全。對于破裂松脫型巖爆，彈射危害不大，可采用清除浮石的方法來保證施工安全。五、巖爆預測不足在設計階段，巖爆的預測方法主要根據隧道或礦采區(qū)地質勘察資料和獲得的現場諸鉆點地應力值，反演得出隧道區(qū)域或礦采區(qū)初始應力場，然后通過數值分析得到隧道或礦井各分段洞周應力值，結合室內巖石試驗，利用不同判據，得出各洞段可能發(fā)生巖爆及其級別。但是，巖爆的發(fā)生是多種因素共同作用的結果，目前許多判據是在不同角度對巖爆現象分析研究基礎上提出的，而且往往通過單一因素或很少因素對巖爆預測，這難免具有局限

9、性和人為因素的影響，使得預報巖爆發(fā)生與否具有不確定性。在施工階段，巖爆的預測預報方法主要是對隧道或礦井圍巖(煤巖)直接進行測試，利用不同判據，得出比設計階段更符合實際的巖爆發(fā)生及其級別.這同樣因許多判據只考慮了單一因素或很少因素，使得巖爆發(fā)生與否仍有不確定性。因此，至今尚無一套公認完善的巖爆預測方法，仍需進一步共同研究。六、巖爆預測發(fā)展方向國內外眾多學者先后從不同角度，運用不同手段對巖爆現象進行了分析，許多系統(tǒng)工程的理論也應用于巖爆預測中。目前研究較多的有模糊數學、突變理論、遺傳算法以及BP神經網絡等，這些方法都取得了一定的效果，但所考慮的巖爆影響因素較少，且各影響因素的重要性主次關系也不明確

10、，具有一定局限性。文獻4采用了一種新的數學方法，將層次分析法(AHP)和逼近理想解排序法(TOPSIS)相結合應用于巖爆預測中。文獻運用TOPSIS法綜合考慮了巖爆發(fā)生的十多種因素，同時AHP法可以較為客觀地給出各影響因素的權值，使二者的結合使用為提高巖爆預測的準確性提出了新的思路。另外，用地震學方法預測預報巖爆是值得重視的，可作研究方向之一。巖爆實質上是因在高地應力巖體或礦體中進行掘進或開采，引起巖體或礦體中聚集的應變能突然釋放，誘導了人工地震即巖爆的發(fā)生。因此，有學者基于地震學提出了一種巖爆預報的物理學方法。目前該方法的預報成功率可達35%60%。文獻5提到，用真三軸試驗機對可能發(fā)生巖爆區(qū)

11、的巖石試件進行實際巖爆仿真試驗是更具有前途的巖爆預測預報的方法。目前，以何滿潮教授為首的科研小組用真三軸試驗機進行的巖爆仿真試驗，可以判斷該巖石所在區(qū)是否發(fā)生巖爆，什么情況下發(fā)生巖爆，是對巖爆預測更具有工程試用性的方法。參考文獻1 張永興,賀永年.巖石力學(第二版)M.中國建筑工業(yè)出版社，2008.2 馮夏庭，陳炳瑞，明華軍，吳世勇，肖亞勛，豐光亮，周輝，邱士利. 深埋隧洞巖爆孕育規(guī)律與機制: 即時型巖爆J.巖石力學與工程學報，2012, 31（3）：433-4443 陳炳瑞，馮夏庭，明華軍，周輝，曾雄輝，豐光亮，肖亞勛.深埋隧洞巖爆孕育規(guī)律與機制：時滯型巖爆J.巖石力學與工程學報，2012,

12、 31（3）：561-5694 龔劍，胡乃聯，崔翔，王孝東. 基于AHP-TOPSIS評判模型的巖爆傾向性預測J. 巖石力學與工程學報，2014，33（7）：1442-14485 張鏡劍、傅冰駿.巖爆及其判據和防治J.巖石力學與工程學報，2008, 27（10）：2034-20426 張光存，高謙，杜聚強，李鏗鏗.基于人工神經網絡及非線性回歸的巖爆判據J. 中南大學學報(自然科學版)，2013,44（7）：2977-2981讀書報告二：圍巖分級一、圍巖分級概念及研究現狀地下工程圍巖是指地殼中受地下工程開挖影響的那一部分巖體,其范圍通常等于地下工程橫剖面中最大尺寸的35倍，可分為巖質圍巖和土質圍

13、巖。根據地下工程的性質和要求，將圍巖體的某種或某些屬性加以概略的劃分，稱為圍巖分類或圍巖分級。地下工程圍巖分級的理論和方法較多，有的方法比較成熟（如Q系統(tǒng)法、RMR法等），在國內外的地下工程中得到了較為廣泛的應用。在這些分級方法中，大部分選取了一些能綜合反映圍巖特性的指標，并建立了巖質圍巖和土質圍巖統(tǒng)一的分級標準。當前國內外的圍巖分級方法有定性、定量、定性與定量相結合三種基本方法，且多以前兩種方法為主。定性類的做法是在現場對影響巖體質量的諸因素進行定性描述、鑒別或對主要因素做出描述、打分，有的還引入部分量化指標進行綜合分類。定量分級的做法是根據對圍巖性質進行測試的指標給予評分，再根據相關公式計

14、算后得出圍巖的質量指標，并以該指標值進行分類，如Q系統(tǒng)法、RMR法、RQD值法等。我國公路隧道圍巖分級方法主要依照工程巖體分類標準，同時參照鐵路隧道的圍巖分級方法。公路隧道設計規(guī)范（JTG D70-2004）中修正了公路隧道圍巖分級的方法，采用了定性分級與定量分級相結合的方式。具體方法為：首先對巖石的堅硬程度和巖體完整程度進行定性評價，根據定性評價的結果初步劃分圍巖等級；再根據規(guī)范給出的公式計算BQ值，并根據地下水狀態(tài)、主要軟弱結構面產狀和初始地應力狀態(tài)三個指標修正BQ值；最后根據修正后的BQ值與定性劃分的結果得出最后的圍巖分級。該分級方法將圍巖從好到差分為IVI級，I圍巖質量最好，VI級圍巖

15、質量最差。此種方法也是目前主要的公路隧道圍巖級別評價方法。二、當前圍巖分級方法的不足之處1.圍巖分級定性方法存在人為不確定性圍巖分級以定性為主的方法，經驗的成分較大，有一定的人為因素和不確定性。由于勘察人員認識和經驗的差別，對同一圍巖分類級別的判斷，可能會出現12級的差別。2.各圍巖分級定量類方法的指標選擇差異較大總體而言，絕大多數學者都認識到，影響圍巖級別的因素主要包括巖石堅硬程度、巖體完整程度和地下水、結構面狀態(tài)與地應力。但是目前圍巖分級的定量類方法中，選用的定量指標數目相差甚遠，少則1個，多則近10個，反映了研究者對巖體圍巖分級定量指標選擇上認識不一致。一般而言，僅選用少量指標難以全面、

16、準確地描述圍巖的性質，其可靠程度不高，而且指標參數測試數據的代表性和抽樣的代表性均存在一定的局限；但指標越過多，不但要增加測試工作量，而且指標間存在的相關性、互換性、相克性會增加分級工作的難度，分級的適用性變差。因此，有必要對分級定量指標的優(yōu)選和優(yōu)化組合問題做必要的數學論證。3.未充分考慮圍巖的不確定性目前國內外較常用的巖體質量分級方法（如RMR法、BQ法以及Q系統(tǒng)法等），大多數都是采用選取幾個因子指標，然后以某種相對固定的模式（如和差法、積商模式），將影響巖體質量的某幾種主要因素進行簡單的描述、定量評分和分級。但這些方法對于影響隧道圍巖質量分級的其他因素考慮不足，而圍巖分級具有很多的不確定性

17、。例如RMR方法在高地應力條件下的適用性較差。4.沒有統(tǒng)一的施工階段圍巖亞級分級標準國內以往的隧道工程建設實踐表明：公路隧道設計規(guī)范中、V級圍巖劃分跨度較大，不能滿足施工需要，可以通過對各級圍巖進行亞級劃分，從而最大限度地滿足安全且經濟地建設隧道的基本原則。公路隧道設計細則已經提出設計階段的圍巖亞級分級，但由于圍巖地質條件的復雜性和勘察技術的局限性，在施工過程中出現很多實際圍巖情況與設計不符的情況，施工階段圍巖分級具有很大的主觀性，從而引起很多設計變更。為此，很多設計單位根據實際條件，對III、V級圍巖進行了亞級劃分的嘗試。但文獻3指出，目前這些嘗試的研究成果主要體現在隧道開挖方法和隧道支護結

18、構參數方面，均未以圍巖穩(wěn)定性為研究基礎，因此實際上也都不是真正的圍巖亞級分級。另外，由于目的不同，這些圍巖亞級的劃分方法和采用的指標體系不同，缺乏可比性。目前尚且沒有統(tǒng)一的施工階段圍巖亞級分級標準。三、一些嘗試改進的圍巖分級方法文獻4研究選取圍巖自穩(wěn)性為統(tǒng)一亞級分級標準的建立依據，通過大量的數值計算和室內模型試驗對公路隧道圍巖亞級分級標準進行了詳細系統(tǒng)的研究，取得一定成果：(1)確定了以圍巖自穩(wěn)跨度為公路隧道圍巖亞級分級標準建立的基礎，并將圍巖自穩(wěn)跨度分為長期穩(wěn)定跨度、基本穩(wěn)定跨度、暫時穩(wěn)定跨度和不穩(wěn)定跨度。(2)針對公路隧道設計規(guī)范中較為復雜的III、和V級巖質圍巖穩(wěn)定性分別進行研究，獲得了

19、各自的自穩(wěn)性分組及各組自穩(wěn)跨度。(3)將土質圍巖分為黏質土圍巖、砂質土圍巖及碎石土圍巖，并分別獲得了3種圍巖的分級指標值組合分組和各組圍巖穩(wěn)定性。(4)依據巖質圍巖和土質圍巖的穩(wěn)定性，并結合現有規(guī)范，得到了公路隧道圍巖亞級分級統(tǒng)一標準。文獻5以巖石堅硬程度和巖體完整程度作為分級基本指標，地下水狀態(tài)和主要軟弱結構面產狀作為分級修正因素，建立了基于數量化理論的施工階段的巖質圍巖亞級分級模型。該文獻還進行了施工階段巖質圍巖亞級分級計算機輔助系統(tǒng)的開發(fā)，能夠初步實現亞級分級自動化與分級信息的智能管理。文獻6在圍巖亞級分級的基礎上，結合資料調研、模型試驗及數值分析等方法，對公路隧道巖質圍巖各亞級和土質圍

20、巖各分級指標的取值范圍進行研究。為與現行規(guī)范一致，該文獻采用的圍巖物理力學指標為容重、變形模量、泊松比、黏聚力和內摩擦角。具體而言，對于巖質圍巖，按巖石堅硬程度、結構面構造和結構面結合程度進行組合，分別進行數值計算，得到各組合的物理力學參數值；對于土質圍巖，主要是通過大量現場試驗及資料調研，獲得各指標的取值范圍，然后通過室內土工試驗進行檢驗修正，最終確定土質圍巖各分級指標的取值范圍。文獻7提及到目前公路隧道圍巖分級方法在確定地應力修正系數值時的不足之處。一方面，公路隧道圍巖分級方法對地應力狀態(tài)的判別采用很粗略的定性和半定量的手段，修正值的取值范圍偏大，在不同的基本質量級別存在交叉選取的情況下，

21、影響了圍巖級別的準確判定。另一方面，考慮地應力影響的圍巖級別修正多是采取直接修正法或者根據高地應力現象進行細化，并未增加對地應力狀態(tài)判別的定性和定量指標，如最大水平主應力方向等。因此，基于以上不足，該文獻探討了地應力側壓力系數、最大水平主應力方向與洞軸線夾角對圍巖級別和圍巖穩(wěn)定性的影響。得到如下成果：(1)高地應力對圍巖分級的主要影響因素有側壓系數、最大水平主應力與洞軸線的夾角等；(2)確定了考慮地應力修正的公路隧道圍巖分級方法：對，和V級進行亞級分級，分級的界限從原來的100降一級到現在的50降半級或3035降三分之一級，更加細化了圍巖基本質量值。文獻8利用TSP超前預報系接收由地震產生的地

22、震波信息，利用計算機獲得圍巖的一系列定量化指標值。結合數量化理論，建立圍巖定量判定的數學模型，求出圍巖亞級分級的判別系數，從而建立了圍巖亞級分級方程。另外，該文獻針對圍巖級別為級、級、級、級及其亞級進行研究，基于不同圍巖級別下，對拱頂沉降和周邊收斂的監(jiān)控量測數據進行統(tǒng)計分析研究與擬合，推得各圍巖級別的圍巖變形在正態(tài)分布下的區(qū)間概率，總結得出圍巖拱頂與周邊收斂變形穩(wěn)定期望值與各圍巖級別之間的概略數量關系式。通過研究周邊位移與圍巖級別之間的定量關系，能夠使得現場工程人員對隧道圍巖變形的評價更為方便，實現隧道的信息化施工。四、圍巖分級發(fā)展趨勢1采用定性描述和定量評價相結合的方法對反應巖體性狀固有的許

23、多地質特征的定性描述，是正確認識巖體的第一步，是劃分巖體類別的依據。因此分類參數的半定量、定量評價應建立在定性描述的基礎上。圍巖分級定量化包括兩個方面：一是分級因素的定量化；二是總體判別準則的定量化。巖體力學的最新研究成果使隧道圍巖分級定量化成為可能，三維數碼攝像、數碼攝影地質編錄、激光掃描技術等的開發(fā)和應用，將會為隧道圍巖分級的定量化研究提供強有力的技術保障。2采用多因素多指標的綜合類別巖體的工程地質特征，決定于多因素的共同作用。因此，分級時都力圖充分考慮各種因素的影響和相互關系，強調其中影響巖體工程地質特征的主要因素和指標，綜合評價巖體質量。3分級與先進地質勘測手段聯系起來歐美等國家廣泛采

24、用的以巖石質量指標RQD為主的分類，是采用由金剛石鉆頭鉆取的巖芯復原率為基礎的。又如日本、東歐和中國以彈性波速度為主的分類，也是在彈性波勘測技術廣泛應用的基礎上提出的。4結合具體工程，建立圍巖穩(wěn)定性分級方案目前各大多數的圍巖分級研究都認識到設計階段的圍巖分級結果與實際相差較大，因此研究重點將逐漸轉移到施工階段圍巖分級的方法上。結合具體工程，考慮不同的施工方式、隧道類型、洞跨等因素，在圍巖分類的基礎上建立圍巖穩(wěn)定性分級方案。同時，圍巖分級、隧道結構設計標準化、施工過程規(guī)范化不再為獨立的存在，而是將它們緊密的結合在一塊研究。5.分級與新興的數學理論及先進的計算機智能化系統(tǒng)相結合引入如模糊理論、人工

25、神經、灰色預測、分形幾何等非線性理論，利用先進的計算機工具軟件，實現圍巖分類的智能化判別。6.圍巖分級精確化圍巖分級的劃分將來會越來越精確，土質圍巖將從體系中分離出來獨立研究，自成一套的分級方法。參考文獻1 張永興,賀永年.巖石力學(第二版)M.中國建筑工業(yè)出版社，20082 丁文其,楊林德.隧道工程M.人民交通出版社，20123 陳安凡.公路隧道圍巖分級專家系統(tǒng)研究J.重慶大學碩士學位論文（2013）4 江勇順. 山區(qū)高速公路隧道圍巖分級方法及應用研究以西攀、攀田高速公路隧道為例J.成都理工大學碩士學位論文（2007）5 王明年，陳煒韜，劉大剛，童建軍.公路隧道巖質和土質圍巖統(tǒng)一亞級分級標準

26、研究J.巖土力學，2010,31（2）：547-5526 王明年，魏龍海，李海軍，劉彪.公路隧道圍巖亞級物理力學參數研究J.巖石力學與工程學報，2008，27（11）：2252-22597 余莉，尤哲敏，陳建平，孫洋，鄭維.高地應力地區(qū)隧道圍巖分級研究J. 現代隧道技術，2015，52（3）：23-308 趙俊峰.基于TSP超前地質預報與監(jiān)控量測信息的隧道圍巖亞級分級方法及應用研究J.武漢理工大學碩士研究生學位論文（2014）9 任洋，李天斌，熊國斌，林之恒.基于可拓理論的高地應力隧道圍巖分級法及應用J.工程地質學報，2012，20（1）：67-7310 鄧皇根，周群立.公路隧道巖質圍巖亞級分

27、級研究與應用J.現代隧道技術，2013,50（1）：98-10211 于麗，王明年，房敦敏，陳煒韜.巖質圍巖施工階段亞級分級的數量化理論研究J.巖土力學，2009,30（12）：3846-385012 劉大剛. 公路隧道施工階段巖體圍巖亞級分級研究J.西南交通大學博士研究生學位論文（2007）讀書報告三：膨脹巖一、膨脹巖的基本概念在水的物理化學作用下，能產生體積膨脹、物性軟化、碎裂和泥化等現象的一類巖石被稱為膨脹巖。我國是膨脹巖分布最廣的國家之一。由于膨脹巖復雜的變形力學機制，常常引起許多工程事故。膨脹巖親水性強是由于其所含蒙脫石、伊利石、高嶺石的粘土礦物親水性較強，遇水后對水產生強烈的吸附作

28、用，使顆粒間粘結力大大削弱、間距增大、體積膨脹。膨脹巖具有強親水性，再加之其孔隙度大，孔隙率一般在25%35%，因此遇水便產生較高的膨脹率和膨脹壓力。此外，膨脹巖浸水或遇水后可產生較強的崩解性。隨著礦山開采和巖土工程的大規(guī)模進行，以及地下開采深度的增加，膨脹巖對井巷、峒室的維護難度越來越大，特別是巷道底板為膨脹巖時，底鼓現象更為嚴重，對礦井安全生產是一大威脅。因此，尋找維護好膨脹巖巷道的有效措施，是十分迫切的。二、膨脹巖的研究現狀目前膨脹圍巖對巷道穩(wěn)定影響的機制以及從施工方面針對膨脹圍巖的措施已較為成熟。1.膨脹巖影響巷道穩(wěn)定的原因在地下開采時，巷道圍巖應力場重新分布，膨脹巖巷道周邊發(fā)生變形進

29、入塑性狀態(tài)，圍巖松動，裂隙擴大，孔隙度增加。膨脹圍巖在自有的含水量或工程引起的含水量增加條件下產生膨脹變形。如果巷道不及時支護或支護形式不當、支護強度不足，就會引起巷道過大的變形，最終破壞。若巷道圍巖未進行加固，且支架為剛性，則圍巖膨脹產生的圍巖壓力作用在支架上，隨著膨脹圍巖含水量的增加和時間的增長，膨脹的圍巖巖體范圍越來越大，支架所受的膨脹壓力也隨之增大，結果剛性支架失穩(wěn)破壞、巷道垮落。通常，對于未封底的巷道，膨脹引起巷道底鼓更為嚴重，巷道頂板及兩幫圍巖膨脹壓力向底板傳遞，底板在強烈的膨脹壓力作用下首先失穩(wěn)，底板向巷道空間移動形成流變現象，巷道頂板及兩幫圍巖也向底板流動，加劇底鼓。經歷一次或

30、多次失穩(wěn)破壞的膨脹巖巷道，翻修維護更為困難，因此對于膨脹巖巷道應力求掘進時一次支護成功，避免翻修。2.膨脹圍巖巷道的維護措施根據對巷道穩(wěn)定性的影響，巷道維護應采取下列措施：1.優(yōu)化斷面形式。單線隧道盡量采用圓形或接近圓形斷面，對于雙線隧道采用栗子型或帶仰拱的馬蹄形。2.防止水對巷道的影響。巷道通過含水豐富的巖層或斷層，應采取疏干裂隙水或斷層水，必要時進行圍巖注漿堵水和防滲水；及時抽排隧道內的滲水及施工廢水，避免人為造成圍巖膨脹軟化，并加強通風，防止潮濕空氣對圍巖表面的侵蝕。3.巷道掘進后，應及時錨噴，防止圍巖風化膨脹。4.加強初期支護力度，盡量減少圍巖變形。在施工過程中可以采用由鋼拱架、系統(tǒng)錨

31、桿和噴射鋼纖維混凝土組成的聯合支護系統(tǒng)來加強初期支護的剛度。5.巷道支護材料應具有一定收縮性和較高的支護強度，采用壁后填充，使支架整體受力均勻穩(wěn)定。采用剛度較大的鋼筋混凝土二次襯砌，并根據初期支護變形量測參數，確定其有效施作時機。6.及時有效地施作仰拱，使支護閉合城環(huán)，可采用大曲率、大厚度的鋼筋混凝土仰拱，以抑制膨脹壓力，實現整體受力。7.巷道支護應重視封閉底板，防止底鼓。主要措施有：封閉支架壁后填充、底板注漿或錨噴加固、混凝土或鋼筋混凝土底板反拱。8.注漿加固巷道圍巖，以提高圍巖的強度及膨脹圍巖的粘聚力和內摩擦角，降低其孔隙率；并起到堵水防滲作用。根據實際工程需要可在透水層和膨脹圍巖的交界處

32、進行注漿，以形成止水圍幕，隔絕地層。9.加強監(jiān)督量測，合理安排施工工序。文獻1針對是膨脹型軟巖結構致密，沒有明顯的結構面或只有弱結構面，注漿難以滲透到巖體內部，從而使得采用注漿強化效果較差的現實，提出對受工程應力影響結構面小于0.10mm的細小裂隙，采用壓水擴縫，而后進行水泥注漿的壓水擴縫加固巖體工藝。三、當前膨脹巖研究的不足之處及發(fā)展趨勢目前對于膨脹巖的研究主要是從施工角度探討對膨脹圍巖的應對措施，基于數值模擬的對實際指導案例則相對較少。因此，今后的研究可以更多地從數值模擬的角度來指導實際工程的施工過程和結構維護。以下簡要介紹當前采用數值模擬方法針對膨脹巖影響的案例及其成果。文獻2通過有線差

33、分數值模擬軟件FLAC3D，模擬膨脹巖隧道不同斷面開挖方法，在一定程度上可以較好地對不同隧道斷面開挖方法下圍巖的穩(wěn)定性做出評價，這一點對于隧道的設計和施工來說具有一定的現實意義。文獻3對膨脹巖體遇水作用的濕度應力場進行了分析。該文獻基于濕度應力場理論，利用濕度應力場與溫度應力場的物理相似性，建立了相應的數值模擬方法，并用通用有限元分析軟件ANSYS中溫度應力場模塊，有效地模擬了圓形洞室遇水作用的應力場分布規(guī)律，取得了與圓形洞室遇水作用解析解相一致的結果。文獻4利用濕度應力場的數值模擬方法，對遇水作用巷道圍巖的應力和變形分布規(guī)律進行了系統(tǒng)的研究，得到了一些有用成果：1.得到了巷道圍巖的頂板下沉量

34、、兩幫移近量、底板底鼓變形量及其隨含水量的變化規(guī)律。結果表明，濕度變化對巷道圍巖的變形影響較大，如果考慮巷道圍巖的流變效應，這種影響將更大。2.遇水作用膨脹軟巖巷道的圍巖應力隨著含水率的增加而減少。這并不表示巷道的穩(wěn)定性得到改善，而是更加惡化，其原因是遇水作用后巷道圍巖巖性軟化、強度降低。膨脹土體產生的膨脹力定義為：土體在不允許側向變形下充分吸水，使其保持不發(fā)生豎向膨脹所需施加的最大壓力值。由于膨脹土因膨脹效應而作用于實際結構上的力稱之為膨脹接觸壓力，其定義為：在結構橫向變形穩(wěn)定后, 由于膨脹效應作用在結構上的壓力值。文獻5選用ANSYS有限元程序對膨脹巖的膨脹力和對盾構隧道結構產生的膨脹接觸

35、壓力進行二維平面應變數值模擬分析，發(fā)現作用在結構上的膨脹接觸壓力與膨脹力不完全等同，與膨脹巖的分布、厚度、膨脹力變化、自身及結構剛度等密切相關，且通常膨脹接觸壓力大小約為膨脹力的3070；當盾構隧道結構計算采用“梁-彈簧”模型時，接頭鉸剛度的取值對結構內力的大小及分布有較大影響，因此接頭鉸剛度取值應以相關研究成果作為依據。參考文獻1 李國富、戴鐵丁、呂芳禮、楊捷.膨脹巖變形機理與注漿強化技術J.采礦與安全工程學報，2007,24（4）：444-4482 王超朋、王丙坤.FLAC3D在膨脹巖隧道穩(wěn)定性分析中的應用J.山西建筑，2013,39（4）：199-2003 盧愛紅、茅獻彪. 濕度應力場的

36、數值模擬J. 巖石力學與工程學報，2002,21（增2）：2470-24734 郁時煉、茅獻彪、盧愛紅. 濕度場對膨脹巖巷道圍巖變形影響規(guī)律的研究J. 采礦與安全工程學報，2006,23（4）：402-4055 林剛、羅世培、郭俊、鄒永堯.膨脹巖土地層盾構隧道結構力學行為研究J.現代隧道技術，2011,48（3）：74-796 朱葉艇.膨脹巖在隧道工程中的特性危害及施工對策研究J.科協(xié)論壇2010年第七期（下）：137 葛家良、趙國堂.膨脹巖的特征及其對巷道穩(wěn)定性影響J.江蘇煤炭.1994年第4期，34-35讀書報告四：TBM一、TBM概念及研究現狀TBM（隧道掘進機）是一種用于開挖地下通道工

37、程的大型高科技專用施工裝備，具有快速、優(yōu)質、安全、經濟、有利于環(huán)境保護和降低勞動強度等優(yōu)點。其最大特點是廣泛運用遙測、遙控、電子、信息技術對作業(yè)全過程進行制導和監(jiān)控，通過采用機械、電氣、液壓和自動控制一體化、智能化設備使掘進過程始終處于最佳狀態(tài)。TBM技術體現了計算機、新材料、自動化、信息化、系統(tǒng)科學、管理科學等高新技術的綜合和密集，反映了一個國家的綜合國力和科技水平。隧道掘進機用于全斷面隧道開挖，主要有開式掘進機和閉式掘進機兩大類型。目前，TBM的典型形式有支撐式TBM、擴孔式TBM、護盾式TBM、雙護筒TBM和支撐盾殼TBM。基于不同巖土體內掘進機工作模式和工程難點的不同，TBM技術的研究

38、重點和熱點問題也存在差異。如何加快巖石掘進機的掘進速率和優(yōu)化開挖過程是巖石隧道工程的主要問題，故TBM技術的研究熱點問題主要集中在TBM滾刀的破巖機制和施工預測模型兩方面。1.TBM滾刀破巖機制TBM的掘進過程是通過滾刀切割巖石和刀盤旋轉完成連續(xù)破巖的，可分為兩個階段：第一階段是刀盤在正推力作用下，滾刀對巖體產生壓入作用，巖體產生變形和破壞，裂紋由滾刀接觸部位產生，并且向四周擴展；第二階段是滾刀之間裂紋的連接、貫通，形成巖片，完成破巖過程。因此，TBM滾刀的破巖機制研究可以分為以下方面：1）滾刀的壓入過程，主要采用壓頭實驗和數值模擬研究；2）滾刀間的切割破巖過程，采用線性切割實驗和數值模擬研究

39、。2.TBM施工預測模型TBM施工預測模型主要是用于掘進性能的評價和預測，不同的研究者針對不同的工程提出了多種預測模型，但這些模型都是基于大量不同巖性地層、不同TBM機器類型的工程數據上發(fā)展起來的，針對性較強，在其他實際工程運用中預測精度不高，應用效果不理想，截至目前還沒有一種普遍適用于不同工程的通用預測模型。TBM預測模型的適用性與工程巖體特性和TBM機器參數緊密相關，從這個意義上來說，每個獨立的TBM工程其適用的預測模型是不一樣的。因此，預測模型的研究更多是要專注于形成一套建立模型的方法和流程，而這些需要對不同工程巖體特性下TBM滾刀破巖機制的深入了解，進而選擇合理、合適的影響參數。二、T

40、BM技術研究的不足之處TBM適用地層范圍越來越廣，已經從相對單一的巖石或者土類巖土體發(fā)展到混合地層交替，高地應力或者節(jié)理、斷層發(fā)育的復雜巖土體中，但對其在復雜地層中的掘進理論、施工力學理論以及環(huán)境影響控制方面的研究還不夠深入徹底，還有以下問題和工作需要深入分析和研究。1.TBM掘進機制深入系統(tǒng)的研究和預測模型建立TBM破巖機制直接關系到TBM刀盤選型、設計和開挖性能的評價。目前，硬巖條件下TBM破巖機制的研究主要是通過理論分析、實驗研究以及數值模擬3個方面進行的。國內外學者對此提出了很多種破巖理論，但對TBM滾刀作用下巖石的破壞過程、破壞作用方式和破巖現象研究還不夠深入透徹。2.地應力影響下的掘進機制和施工預測模型的研究目前，世界范圍內將有一批水電引水隧洞、調水隧洞以及交通隧道規(guī)劃修建，而它們都處于高山峽谷地區(qū)，會面臨埋深大、