（岩土工程专业论文）隧道围岩力学参数估计及应用研究.pdf

硕上学位论文 摘要 围岩力学参数是影响隧道工程设计、施工、安全、造价的主要因素之一和重 要指标。在隧道稳定分析中，如何相对合理地估计岩体力学参数，对于隧道工程 的设计和施工，以及准确地估计隧道工程的变形和稳定十分重要。 本文在追踪h o e k b r o w n 准则利用岩块力学参数估算岩体力学参数所采取方 法的进展及各种改进措施的基础上，指出h o e k 创立的最新方法一地质强度指标 ( g s l ) 法完全依赖定性描述和个人主观经验的不足，揭示决定地质强度指标的内在 因素是岩体结构类型，外在因素是岩石风化状况。从岩体的宏观和微观特征出发， 对两个因素进行了定量化描述，以弥补g s i 指标法的不足。 在岩体宏观特征的研究基础上，分别引入基于弹性波测试技术的岩体完整性 系数凰和基于岩体表面粗糙程度的粗糙度系数j r c ，对岩体的结构类型及风化程 度进行定量化描述，建立了基于岩体宏观特征g s i 指标定量化表格。限于此宏观 定量化的不足，于是，在岩体微观特征的研究基础上，引入基于钻孔岩芯不同完 整长度的岩体块度指数，以定量地表征岩体结构；分析岩石风化在化学上是原生 矿物水解、淋失促使矿物蚀变而导致岩性改变的过程，依此提出表征岩石风化状 况的定量指标一岩石绝对风化指数，同时研究推出其计算方法。将岩体块度指数、 绝对风化指数在地质强度指标的区间范围概化表上有机结合起来，构成了基于岩 体微观特征的g s i 指标表格定量化确定方法。利用该方法估计一公路隧道围岩的 变形模量、抗拉、抗压及抗剪强度等力学参数，并计算塌落拱高度。与实测数据 对比，其最大误差在1 4 左右，验证了该方法的有效性和实用性。 最后，以张家界阳和至黄龙洞公路梨子坪隧道的现场施工监测数据为依据， 建立a n s y s 隧道断面丌挖模型，进行开挖模拟，并与实测结果进行对比，证明 了本文改进的有效性和合理性。 关键词：岩体参数估计：地质强度指标；完整性系数；粗糙度系数；块度指数； 风化指数；霍克一布朗准则 隧道闸岩力学参数估计及应用研究 a b s t r a c t o n eo ft h ei n f l u e n c ef a c t o r sa n di m p o r t a n tt a r g e t f o rt u n n e l i n g d e s i g n , c o n s t r u c t i o n ，s e c u r i t y , c o n s t r u c t i o nc o s tw e r em e c h a n i c sp a r a m e t e r so fr o c km a s s i n s t a b i l i t ya n a l y s i so ft u n n e l ，h o wt o e s t i m a t er e a s o n a b l er o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r r e l a t i v e l y , t h a tw a sv e r yi m p o r t a n t , f o rt u n n e l i n gd e s i g n ，c o n s t r u c t i o n , a sw e l l a s e s t i m a t i n gt h ed i s t o r t i o na n ds t a b i l i t yi nt u n n e l i n ga c c u r a t e l y t h ed e v e l o p m e n to fr o c km e c h a n i c sp a r a m e t e re s t i m a t i n gm e t h o d su s i n gr o c k m a s sm e c h a n i c sp a r a m e t e r si nh o e k - b r o w nc r i t e r i o n ，a sw e l la sa d o p t e dm e a s u r e so f i m p r o v e m e n ti nt h ep r o c e s sa r et r a c e dt ot h es o u r c e b u t ，g e o l o g ys t r e n g t hi n d e x ，t h e n e w e s tm e t h o dc r e a t e db ye h o c k ，h a st w od e f i c i e n c i e s ：d e p e n d i n go nq u a l i t a t i v e d e s c r i p t i o nc o m p l e t e l ya n ds u b j e c t i v ee x p e r i e n c e sb yi n d i v i d u a l s b y f u r t h e rs t u d y ，i ti s d i s c o v e r e dt h a tt h ei n t r i n s i cf a c t o rw h i c hd e t e r m i n e sg e o l o g ys t r e n g t hi n d e xi st h et y p e o fr o c ks t r u c t u r e ，a n dt h ee x t e r n a ld e t e r m i n i n gf a c t o ri sw e a t h e r i n gc o n d i t i o n d u et o t h el a c ko fg s ii n d e x ，t h et w of a c t o r sw e r ed e s c r i b e dq u a l i t a t i v e l yb yt h es t u d yo f m a c r o a n dm i c r o - c h a r a c t e r i s t i c so f r o c km a s s b a s eo nt h es t u d yo fm a c r o c h a r a c t e r i s t i c so fr o c km a s s ，r o c k m a s si n t e g r i t y c o e f f i c i e n t 凰o nt h eb a s i so fe l a s t i cw a v et e s t i n gt e c h n i q u ea n dr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t j r cb a s i so fs u r f a c er o u g h n e s so fr o c km a s sa r ei n t r o d u c e d , t h es t r u c t u r et y p ea n d w e a t h e r i n gd e g r e eo fr o c km a s sa r ed e s c r i b e dq u a n t i f i c a t i o n a l l y ；t h eq u a n t i t a t i v et a b l e o fg s i n d e xb a s e do nm a c r o c h a r a c t e r i s t i c so f r o c km a s sw a se s t a b l i s h e d l i m i tt ot h e l a c ko fi m p r o v e m e n t t h e n ，t h r o u g ht h es t u d yo fm i c r o c h a r a c t e r i s t i c so fr o c km a s s ， q u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no fr o c ks t r u c t u r ei sa c h i e v e db yi n t r o d u c i n gr o c k m a s sb l o c k i n d e x b a s e do nd r i l l e dr o c ks a m p l eo fd i f f e r e n tc o m p l e t el e n g t h s m e a n w h i l e ，a b s o l u t e w e a t h e r i n gi n d e x ，w h i c hd e n o t e sr a t i o ni n d e x o fw e a t h e r i n gc o n d i t i o n ，i sp u tf o r w a r d b a s e do nt h ef a c tt h a tr o c kw e a t h e r i n gi st h ep r o c e s so fl i t h o l o g yc h a n g i n gc a u s e db y o r i g i n a lm i n e r a lh y d r o l y z a t i o na n dm i n e r a la l t e r a t i o n l e db yl e a c h i n go u t ，a n dt h e c a l c u l a t i o nm e t h o di ss t u d i e da sw e l l t h e n ，t h r o u g ho r g a n i cc o m b i n a t i o no f r o c k m a s sb l o c ki n d e xa n da b s o l u t ew e a t h e r i n gi n d e xi nt h eg e n e r a ls e c t o rs c o p et a b l e ， t h eq u a n t i t a t i v em e t h o do fg s i sc o n s t i t u t e d f i n a l l y ，t h em e c h a n i c sp a r a m e t e r so f s u r r o u n d i n gr o c ki nh i g h w a yt u n n e l ，s u c ha s d e f o r m a t i o nm o d u l u s ，t e n s i l e ， c o m p r e s s i v ea n ds h e a r i n gs t r e n g t he t c ，a n dt h ep i t c ho fc a v e d a r c ha r ee s t i m a t e db yt h e m e t h o d r e l a t i v ee r r o ri sa r o u n d14 c o m p a r i n gw i t hm e a s u r e dd a t a ，s ot h ef e a s i b i l i t y o ft h eq u a n t i t a t i v em e t h o di sc o n f i r m e d 硕十学位论文 f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h em o n i t o r i n go fj o bl o c a t i o ni nl i z i p i n gt u n n u l ，f r o m y a n g h et oh u a n g l o n g d o n g ，o nz h a n gj i aj i ea r e a , t h et u n n e l i n ge x c a v a t i o nw a s s i m u l a t e d ，a f t e re x c a v a t i n gm o d e lo f t u n n e l i n gs e c t i o nw a sc r e a t e d ，t h e n ，t h ef e a s i b i l i t y a n dr a t i o n a l i t yw a sp r o v e d ，c o m p a r e dt ot h em e a s u r e dv a l u e k e yw o r d s ：p a r a m e t e re s t i m a t i o no fr o c km a s s ；g e o l o g ys t r e n g t hi n d e x ( g s i ) ； i n t e g r i t yc o e f f i c i e n t ；r o u g h n e s sc o e f f i c i e n t ；r o c k - m a s sb l o c ki n d e x ；w e a t h e r i n gi n d e x ； h o e k b r o w l lc r i t e f l o n i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：韬主炒日期：p 夕年r 月f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：铭鑫 剔磁名渤竿 别1 日期：巧年 日期：哆年 歹只f ob 媚f 9 日 硕一l 二学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自从人类出现以来，己有3 0 0 万年以上的历史。在这段漫长的时间内，地下 空间作为人类防御自然和外敌侵袭的防御设施而被利用。随着科学技术和人类文 明的发展，这种技术也从自然洞穴的利用向人工洞室方向发展。到现在地下空间 的利用形式已千姿百态，远远超出为个人生活服务的利用领域，而扩大到为了保 持作为集团的居民的生活需要空间。地下空间的利用形态是多种多样的，归纳起 来大致有以下几种【l 】： ( 1 ) 以人类生存、确保安全为目的：如粮食的地下储藏、地下式住宅等； ( 2 ) 伴随城市的现代化发展而存在的：如城市有轨交通系统、上下水道、电力 及瓦斯管道、地下商业街、地下停车场等； ( 3 ) 伴随科学技术的发展而存在的：如地下水力发电站、地下能源发电站及地 下工厂、地下核能发电设施等； ( 4 ) 大规模国土的有效利用：如城市间交通( 铁路、公路、跨海通道工程) 设施 等： ( 5 ) 防御和减少灾害的地下设施：如人防避难工程、各种储备设施、防御洪水 灾害的地下坝、地下河、防灾型城市的构思等。 隧道作为地下空问利用形态的一种，近些年来越来越受到重视。隧道根据应 用的领域可分为交通隧道、矿山平巷、水工隧洞、坑道等岩石地下工程，其中交 通隧道与我们的同常生活联系的最紧密。因为根据联合国的预测，目前城市的人 口约占总人口的一半，到2 0 2 5 年，将达到2 3 。今后的1o 年，人口的7 0 在城 市。发展中国家更为显著，从19 8 0 年到2 0 2 5 年第三世界的城市人口从2 亿增加 到31 5 亿，增加了近l5 倍。世界上人口10 0 0 万以上的城市，在5 0 年前，只有 一座，而到了2 l 世纪初，将变成2 5 座 u 。大城市的效率和城市居住者的生活水 平，在很大程度上，依靠于交通基础设施及整备，对经济增长和提高生产、充分 利用集积在大城市的物质的、文化的资产是不可缺少的。因此，效率高、成本低、 对资源的有效利用和维持生态系统的交通系统的整备，势在必行。而交通隧道由 于可提供安全的、环保的、高速而经济的交通手段，这些年来在世界各国得到的 广泛重视和大力发展。 1 1 1 交通隧道工程在国外的发展 交通隧道按照采用交通工具的不同可以划分为铁路隧道、公路隧道及城市地 隧道丽岩力学参数估计及应用研究 铁工程；按照跨越障碍物的不同可以划分为陆地隧道和跨海峡隧道。从1 8 2 9 年开 始兴建铁路隧道以来到l9 9 0 年的16 0 年间，在世界各国的铁路上已建成了 1 2 0 0 0 k m 的各种类型的隧道，约占世界铁路总长的1 左右。其中最长的铁路隧 道是日本的青函隧道，全长5 3 8 5 k m ；其次是日本的大清水隧道，长度为2 2 2 2 8 k m 。 目前正在修建的穿越阿尔卑斯山的勒奇山隧道长度达3 6 k m ，哥特哈德隧道长度 达5 7 k m 。 公路隧道作为一种地下建筑物，是交通道路的一个组成部分。相对于铁路隧 道的建设，公路隧道的建设相对迟缓。目前世界上己建成的公路隧道最长的首推 挪威的a u r l a n d l a e r d a l 公路隧道，长达2 4 5 k m 。随着铁路与公路建设向山区发展， 隧道越来越显示其优越性。如大幅度缩短线路长度、降低线路标高，改善通过不 良地质地段的条件，降低铁路、公路造价等。因此隧道占线路的比重越来越大。 近年来跨海、江、河高速交通隧道的建设也引起了世界各国政府的重视。例如， 被称为“2 0 0 0 年梦幻 的英法海峡隧道，己经投入运营。从丹麦的日德兰半岛， 经菲英岛、横断赫新岛，到达斯塔的纳维亚地区的桥梁工程，横断直布罗陀的海 峡隧道工程，联络意大利本土和西西里岛的墨西拿海峡隧道工程以及博斯普鲁海 峡隧道工程等，都在规划和调查中。 表1 1 列出了世界上已建成和在建长大公路隧道的概况【2 1 1 1 2 交通隧道工程在国内的发展 随着我国经济的持续发展，综合国力的不断增强，我国交通隧道发展的前景 是非常广阔的，同时交通隧道的发展也是我国国民经济发展、国家西部大开发战 略、开边通海战略的迫切需要。铁路隧道目前在数量、长度、设计及施工技术上 在我国处于领先地位，截至19 9 8 年，在我团的铁路线上己建成并正式交付运营的 2 硕l 学位论文 隧道大约5 3 3 6 座，总长度2 5 6 5 k m 。目前我国已建成铁路中隧道占线路长度在3 0 以上的就有襄渝线、成昆线，在建铁路中隧道占线路长度比例最大的是西康线， 达到5 0 4 2 。目前己建成的最长隧道是西康线的秦岭单线隧道，长1 8 4 6 k m ，其 它较长的还有1 9 8 7 年建成衡广铁路复线上的大瑶山双线隧道，长1 4 2 9 5 k m ，南 昆线上的米花岭隧道，长9 3 8 3 k m 。 表1 2 我国已建成和在建的长度大于3 k m 的公路隧道 公路隧道的建设，相对迟缓。近l o 年来，顺应社会需要，在国家加大公路基 础设施建设的东风吹动下，随着高速公路建设的加快，公路隧道的数量己经开始 成倍地增长。据不完全统计，到2 0 0 8 年底，我国已建成的公路隧道达l7 8 2 座， 总长7 0 4 k m 。表1 2 列出了我国已建成和正在建设的长度超过3 k m 以上的隧道概 况。 在跨海、跨江隧道方面，目前我国国内己对琼州海峡隧道完成了可行性研究。 不少有识人士也己提出了跨越渤海湾联接辽东与胶州半岛的南桥北隧的固定联络 通道；跨越长江入海口连接上海一崇明一启东的江底隧道；京沪、京广高速铁路 跨越长江的沉管隧道，甚至提出了兴建台湾海峡隧道的设想。 1 2 我国交通隧道主要施工方法及新技术 1 2 1 我国交通隧道的主要施工方法 世界发达国家己有的交通隧道施工技术，大部分己在我国丌发利用，并在工 程实践中结合中国的国情得到不断的改进和发展。交通隧道施工方法的选择主要 依据工程地质和水文地质条件并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使 用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究决定，根据隧道穿越地层的不同情况 和目前隧道施工方法的发展，交通隧道施工方法可可分以下几种1 31 ，如图1 1 所 3 隧道同岩力学参数估计及应用研究 不 隧道施工方法 山岭隧道施工方法 矿山法 c 钻爆法， 传蓑篓尝法 掘进机法 浅埋及软土隧道施工方法 明挖法 地下连续墙法 盖挖法 浅埋暗挖法 盾构法 水底隧道施工方法 誓荔萋 图1 1 交通隧道施工方法分类 1 2 2 选择施工方法的基本因素 ( 1 ) 施工条件：实践证明，施工条件是决定施工方法的最基本因素，它包括一 个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。目前我国隧道施工队伍的素 质和施工装备水平，有高有低，参差不齐，因此，在选择施工方法时，不能不考 虑这个因素的影响。 ( 2 ) 围岩条件：也就是地质条件，其中包括围岩级别、地下水及不良地质现象 等。围岩级别是对围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至 决定性的作用。 ( 3 ) 隧道断面积：隧道尺寸和形状，对施工方法选择也有一定的影响。目前隧 道断面有向大断面方向发展的趋势，如公路隧道已经开始修建3 车道甚至4 车道 的大断面，在这种情况下，施工方法必须适应其发展。 ( 4 ) 埋深：隧道埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关，通常将埋深分为浅 埋和深埋两类，有时将浅埋又分为超浅埋和浅埋两类。在同样地质条件下，由于 埋深的不同，施工方法也将有很大差异。 ( 5 ) 工期：作为设计条件之一的施工工期，在一定程度上会影响基本旌工方法 的选择。因为工期决定了在均衡生产的条件下，对开挖、运输等综合生产能力的 基本要求，即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。 ( 6 ) 环境条件：当隧道施工对周围环境产生如爆破振动、地表下沉、噪声、地 下水条件的变化等不良影响时，环境条件也应成为选择隧道施工方法的重要因素 之一，在城市条件下，甚至会成为选择施工方法的决定性因素。 一4 硕j ：学位论文 1 2 3 我国交通隧道施工的新技术 我国交通隧道的施工技术自8 0 年代以来，得到了快速发展，代表隧道工程施 工新技术发展水平的隧道凿岩机( t b m ) 和盾构机，不断被引入我国，并在实践中 不断被改进和国产化，以l9 8 1 年1 1 月开工，l9 8 7 年12 月竣工的大瑶山双线铁 路隧道的施工为代表和开始，成功地推广了锚喷支护新奥法大断面开挖施工技术， 9 0 年代采用新奥法又一次成功修建了号称“天下第一险洞”( 高地应力、高地热、 多瓦斯、多断层、多地层塌方) 的南昆铁路家竹警隧道，这标志着我国新奥法隧道 施工技术达到和接近了世界先进水平。新奥法作为一种新的隧道施工技术在我国 的交通隧道施工中将越来越多地被广泛采用。 新奥法”】，1 5 1 是奥地利隧道工程新方法( n e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ，缩写 n a t m ) 的简称。它是2 0 世纪4 0 年代开始发展起来的，是以喷射混凝土和锚钎为 主要支护手段的一种新的设计施工方法，这种支护起到加固围岩的作用，在确保 隧道稳定的基础上，使设计更加合理、经济。其设计思路是最大限度地发挥围岩 的自承能力，要求修建隧道过程中尽可能保持围岩的原始状态。新奥法不同于传 统隧道工程中应用厚壁混凝土结构支护松动围岩的理论，而是把岩体视为连续介 质，在粘弹、塑性理论指导下，根据在岩体中开挖隧道后，从围岩产生变形到岩 体破坏要一个时间效应，适时地构筑柔性、薄壁且能与围岩紧贴的喷射混凝土和 锚杆的支护结构来保护围岩的天然承载力，变围岩本身为支护结构的重要组成部 分，使围岩与支护结构共同形成坚固的承载环，共同形成长期稳定的支护结构。 与传统矿山法相比，更能结合实际地质条件，对地质勘察的准确性要求更高。由 于地质勘察的局限性和地质条件的复杂性及多变性，隧道施工过程中经常会遇到 突然变化的地质条件、意外情况( 如塌方、涌水等) ，如果支护设计或施工方法不 当，极易引起工程事故。根据统计，在隧道工程事故中，大约有三分之一至二分 之一是由于支护不当所造成的。所以，在隧道施工中，提供准确的围岩力学参数 是隧道围岩支护满足稳定性需要的关键。 1 3h o e k b r o w n 强度准则研究进展 h o e k 和b r o w n ( 1 9 8 0 ) j 起初是为了给在峰硬岩层条件下进行地下开采设计分 析提供输入参数而引入的破坏准则，h o e k & b r o w n 最大的贡献就是用方程将 b i e n i a w s k i 的r m r 的形式与现场地质调查联系起来，假定岩体破坏只是由岩块平 移或旋转控制，完整岩石的破坏假定在整个破坏过程未起重要作用和结构面的分 布形式是杂乱无章的，因此没有考虑破坏的方向，岩体被认为是均质的。该准则 是从h o e k ( 1 9 6 8 ) j 的未扰动岩体的脆性破坏研究结果和b r o w n ( 1 9 7 0 ) 1 8 j 的节理岩 体特性的模型研究派生出来的结论，首先是研究完整岩体特性接着在单个岩体中 5 一 隧道嗣岩力学参数估汁及应用研究 的节理特性的基础上引入折减系数进行研究。h o e k 、b r o w n ( 1 9 8 0 ) t 6 1 结合岩石性念 方面理论和实践经验，通过对几百组岩石三轴试验资料和大量岩体现场试验成果 的统计分析，并参考格里菲斯经典理论公式，得到了完整岩石破坏时有效主应力 之间的关系式如下： f ，啪、0 5 盯= 以+ 仃，i = 生毋+ s ( 1 1 ) 。 。l 吒。 式中：q 为岩体破坏时的最大主应力；o - 3 为岩体破坏时的最小主应力；以为 组成岩体完整岩块的单轴抗压强度；和s 为反映岩体岩质和构造的材料常数， 取决于岩石性质以及在达到吼和以之前岩石的破坏程度。的取值范围为 0 0 0 l - - - 2 5 ，对严重扰动岩体取0 0 0 l ，对坚硬完整岩块取2 5 ；s 的取值范围为0 l ，对完整岩石s = l ，对于有破损的岩石s o 0 4 疋+ 0 4 时，应以k ，= o 0 4 r + o 4 和r 代入计算b q 值。 2 5 4 围岩详细定级 围岩详细定级时，如遇下列情况之一，应对岩体基本质量指标b q 进行修正。 2 0 ( 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。 围岩基本质量指标修正值【b q 】按式2 7 计算。 【b q 】= b 9 1 0 0 ( k + 如+ 墨) ( 2 7 ) 式中：b q 一围岩基本质量指标； k 一地下水影响修j 下系数； 如主要软弱结构面产状影响修正系数； 坞初始应力状态影响修j 下系数。 k 、必、坞值可分别按照表2 8 、表2 9 、表2 10 确定。 表2 8 地下水影响修正系数k 主要软弱结构面产状影响修正系数心值按表2 9 确定。 表2 9 主要软弱结构面产状影响修正系数k 隧道刚岩力学参数估计及心用研究 2 6 其他经验方法估算围岩力学参数 2 6 1r m i 法 挪威学者p a l m s t r o m ( 1 9 9 6 ) 【3 3 1 在对大量现场岩体试验的分析和反分析的基础 上，提出了一种新的岩体分类指标【3 4 1 。岩体的抗压强度由下面的公式给出： r m i = o c j p ( 2 8 ) 吒一岩块单轴抗压强度，由直径为5 0 r a m 的岩石试件测得； 表2 11 结构面粗糙性系数j r 的评分值 注：对充填结构面j r = 1 表2 1 2 结构面尺寸和连续度系数的评分值 注：不连续结构面终止于较大的岩体 卯一结构面参数，反映结构面切割而成的块体体积、结构面摩擦特性和规模 对岩块强度的弱化效应，取值在0 一l 之间，对于完整岩块取1 ，破碎岩体取0 。 j p 由下面的式子计算： j p = o 2 石即 d = 0 3 j 2 2 j c = j | j x 0 j r j 一2 2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 11 ) 硕上学位论文 表2 1 3 结构面蚀变影响系数以的评分值 其中：圪一结构面切割的块体体积( 聊3 ) ：以一结构面尺寸与连续性系数； 表2 1 4 岩体分类 以一结构面条数系数；以一结构面粗糙性系数；以一蚀变系数。块体积k 从野外 测量得到，以、以及r m i 指标岩体分类分别从表2 1l 一表2 1 4 中估计。 由以上表格，可知r m i 指标分类也是一种定性评价方法，主观随意性也很大， 应用范围不是很大。 2 3 隧道l 嗣岩力学参数估计及成用研究 2 6 2m g e r g i 法 m g e r g i ( 1 9 7 0 ) 3 5 1 通过大量试验及调查研究，发现由下述经验公式可将岩石的 内聚力e 换算成岩体的内聚力q q = c j lo 1 1 4 e x p ( - 0 4 8 ( i - 2 ) + 0 0 2i ( 2 1 2 ) 式中i 为岩体的裂隙密度，条m 2 6 3b p 神经网络法 b p 神经网络( b a c kp r o p a g a t i o n ，误差反向传播多层前馈神经网络) 是目前应用最广 泛也是最成熟的一种神经网络模型。它是按层次结构构造的，包括一个输入层、 一个输出层和一个或多个隐含层。该网络的学习过程由正向传播和反向传播两个 过程组成。网络的学习过程从给出一组随机的权值开始，选取学习样本集中的 个模式( 输入和期望输出对) 作为输入，然后按前馈的方式计算输出值，该输出值 和期望输出值之间的误差一般是相当大的，这就迫使权值必须改变，利用反向传 播过程，计算所有权值的改变量，修正权值后，又以前馈的方式重新计算输出值。 如此循环，在一次成功的学习中，系统误差或单个输入模式的误差将随着迭代次 数的增加而减小，系统的权值最终收敛到一组稳定的权值。 其计算方法与步骤如下：( 1 ) 收集相关的岩体的变形与力学参数的数据样本； ( 2 ) 用收集到的样本来训练b p 神经网络，确定网络的参数，使其学习效果比较满 意为止；( 3 ) 用观测的数据进行学习，反演出力学参数；( 4 ) 输出计算结果。 2 7 本章小结 本章首先概述了现有各种岩体力学参数估算方法的发展现状及工程应用中的 不足和缺陷，认识到现阶段对岩体参数的估算仍是以经验方法为主，然后详细介 绍了目前应用较广泛的各个经验方法的估算指标及它们各自的优缺点。 通过将g s i 指标与r m r 指标、q 指标、8 q 指标各自的决定因素对比可知， g s i 指标具有以下优点： ( 1 ) 准确的抓住了决定岩体质量的两个主要因素，减少了估值过程中误差出现 的几率和工作量。 ( 2 ) g s l 指标表格简单，直观、便于工程应用，既没有r m r 指标、q 指标繁 杂的描述，又不需要如b q 指标确定中那么步骤复杂。 其不足就是两个因素只有定性描述，在估计g s i 值时受人为经验影响大。 2 4 硕f j 学位论文 第3 章岩体结构形成和风化演变过程 岩体( r o c km a s s ) 是在成岩过程和后来的长期内外动力作用下，经过变形、破 坏，形成一定的岩石成分和结构、赋存于一定的地质环境，并作为力学作用研究 对象的地质体。它由被各种不连续的宏观地质界面( 5 0 层理、节理、片理、断层、 破碎带、接触带、不整合面等) ，分割形成的不连续块体组成。这些地质界面统称 为结构面。具有一定的结构是岩体的显著特征之一。受这些结构面的交切，使岩 体形成一种独特的割裂结构。而岩体中被结构面切割成的块体称为结构体或岩块， 简称岩石( r o c k ) 【2 9 1 。它是由具有一定结构构造的矿物( 含结晶和非结晶的) 集合 体组成的。组成结构体的矿物成分及其相对含量决定了它的力学性质。因此，岩 体的力学性质及其力学作用不仅受岩石类型控制，更主要的是受岩体中结构面以 及由此形成的岩体结构所控制。 地表或接近地表的岩石，在温度、大气、水和生物活动等因素的综合影响下， 发生物理的和化学的变化，致使岩体崩解、剥落、破碎，变成松散的碎屑性物质 的作用成为风化作用【36 1 。风化作用在地表处最为明显，往深处则逐渐消失。风化 作用不仅使原岩破裂，产生大量的风化裂隙，破坏原岩的组织结构、构造，还可 使原岩矿物成分改变，矿物产生蚀变或次生矿物的生成，从而改变了原岩的物理、 力学、水理状态，大大降低了岩体强度。风化作用使得原岩遭到不同程度的破坏。 原岩受风化作用影响，构成岩体的矿物成分，岩体结构会发生改变，各种性质会 大大降低。因此，了解风化作用，认识风化现象，分析岩体的风化程度，对估算 岩体力学参数的准确性十分必要。 3 1 岩体成因及特征 按成因岩体可分为岩浆岩、沉积岩及变质岩三大类。各类岩体的成因及工程 特征如下： 3 1 1 岩浆岩 岩浆经常处于活动状态中，当地壳发生变动或受到其他内力作用时，承受巨 大压力的岩浆，就会沿着构造薄弱带上升，侵入地壳或喷出地面。岩浆在上升过 程中，压力减小，热量散失，经过复杂的物理化学过程，最后冷却凝结，就形成 了岩浆岩。 岩浆岩在我国分布较广，其中以花岗岩类和玄武岩类最为常见。特点是无层 理，产状复杂，其岩相则表现在结晶程度上。根据岩浆活动方式，岩浆岩可分为 2 5 隧道例岩力学参数估计及膨用研究 深成岩、浅成岩和喷出岩三类。由于生成条件不同，因而其矿物组成、工程地质 特征也各不相同。 ( 1 ) 深成岩：多为巨大的侵入体，岩性均一，变化较小。岩体呈整体状或块状 结构，只在边缘相岩体中常存在流线、流面和各种原生节理。岩体结构相对较简 单，多为粗粒结构，颗粒均匀，且致密坚硬，空隙率低，力学性质好，强度高。 ( 2 ) 浅成岩：多呈岩床、岩墙和岩脉等小型侵入体。岩石多为斑状结构，均一 性较差。岩石力学性质较好，抗风化能力强。 ( 3 ) 喷出岩：火山喷出的熔岩凝固而成，由于火山喷发的多期性，火山熔岩往 往与火山碎屑岩相间分布，呈似层状产出。岩石多呈玻璃质，结构致密。气孔构 造、杏仁构造或流动构造( 流线流面) 及原生节理发育。这些构造的存在使得喷 出岩岩体结构较为复杂，均一性差，各向异性显著，并有软弱夹层( 带) 发育， 岩体的力学性质变差。 3 1 2 沉积岩 在地壳表层常温常压条件下，由先期岩石的风化产物、有机质和其他物质， 经搬运、沉积和成岩等一系列地质作用，就形成了沉积岩。沉积岩在体积上占地 壳的7 9 ，覆盖陆地表面的7 5 ，绝大部分洋底也被沉积岩覆盖，它是地表最常 见的岩石类型。 沉积岩的形成是一个长期而复杂的地质作用过程，一般可分为4 个阶段： ( 1 ) 风化阶段：地表或接近地表的岩石受温度、水、氧气和生物等因素作用， 在原地发生机械崩解或化学分解，形成松散碎屑物质、新的矿物或溶解物质。这 些风化产物就构成了沉积岩的物质来源。 ( 2 ) 搬运阶段：原岩风化产物除一部分留在原地外，大部分被流水、风、冰川、 重力及生物等搬运到其他地方。搬运方式包括机械搬运和化学搬运两种。 ( 3 ) 沉积阶段：当搬运能力减弱或物理化学环境改变时，被搬运的物质逐渐沉 积下来。一般分为机械沉积、化学沉积和生物化学沉积。机械沉积作用是受重力 支配的，碎屑物质通常按照颗粒大小顺序沉积，即沿着搬运方向依次沉积砾粒、 砂粒、粉粒和粘粒。化学沉积包括胶体溶液和真溶液的沉积。生物化学沉积主要 是生物遗体沉积及生物活动所引起的，如藻类进行光合作用，吸收c 0 2 ，促进碳 酸盐的沉淀。 ( 4 ) 硬接成岩阶段：松散沉积物经压实、固结后形成坚硬的沉积岩。固结成岩 作用方式有三种：压实，即上覆沉积物的重力压固，导致下伏沉积物孔隙减小， 水分挤出，从而变得紧密曙硬；胶结，其他沉积物充填到碎屑沉积物粒间空隙 中，使其胶结变硬；重结晶作用，新成长的矿物产生结品质问联结。 由于物质来源、搬运营力及沉积环境不同，形成的岩石类型、岩相及物理力 一2 6 硕十学位论文 学性质差异很大。沉积岩包括他生沉积岩和自生沉积岩两大类。其共同特点是具 有层理构造，岩体呈层状结构。 3 1 3 变质岩 组成地壳的岩石( 包括前述的岩浆岩和沉积岩) 都有自己的结构、构造、矿 物成分。在地球内外力作用下，地壳处于不断地演化过程中，因此岩体所处的地 质环境也在不断的变化。为了适应新的地质环境和物理化学条件，先期的结构、 构造和矿物成分将产生一系列的改变，这种引起岩体产生结构、构造和矿物成分 改变的地质作用称为变质作用，在变质作用下形成的岩体称为变质岩。 多数岩石经过变质后都经历了不同程度的重结晶作用，结构较致密，抗水性 增强，空隙率较低，透水性弱，抗变形性能好，强度高。因此与沉积岩相比，变 质岩的性质一般要好些。但是，变质岩中常发育有片理及片麻理等结构面，使岩 体的链接力减弱并呈明显的各向异性。变质岩按其成因不同可分为接触变质岩、 动力变质岩及区域变质岩三类。 ( 1 ) 接触变质岩：出现在岩浆岩与围岩的接触部位，其范围和性质取决于岩浆 侵入体的大小、类型和围岩性质。岩石强度由于重结晶作用而有所提高。但由于 侵入体的挤压作用，在接触带附近形成挤压破碎带，降低了岩体的完整性，岩体 的抗风化能力和强度都将降低。 ( 2 ) 动力变质岩：是构造地质作用形成的，又称构造岩，主要沿较大的断层分 布。其特点是构造破碎、胶结不良，裂隙很发育，岩体呈破碎结构或散体结构。 岩体的力学性质很差常构成软弱结构面( 带) 。 ( 3 ) 区域变质岩：分布范围较广，厚度大，变质程度在一定范围内较为均一。 按其变质程度可分为深变质、中变质和浅变质三种。深变质岩是在高温高压条件 下形成的，岩石重结晶程度高，矿物静静较粗，因而岩体较完整坚硬，呈块状或 整体状结构。但岩体中发育的片麻理等结构面往往使岩体性质具有各向异性，降 低了岩体的强度。中变质岩主要由各类片岩构成，其突出的特点是具有发育完善 的片理构造。片岩的种类很多由于原岩性质、矿物组成及片理构造的差异，岩体 的物理力学性质相差很大。浅变质岩主要包括板岩和千枚岩类。特点是具有不完 整的片理构造，鳞片状矿物富集。 3 2 岩体结构面 结构面( s t r u c t u r a lp l a n e ) 是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定 的延伸方向和长度、厚度相对较小的地质界面或带。它包括物质分异面和不连续 面，如层面、不整合面、节理面、断层、片理面等。因此又称不连续面( d i s c o n t i n u i t i e s ) 或节理( j o i n t ) 。这些结构而将岩体切割成不同形状和大小的结构体，从而形成岩 2 7 隧道用岩力学参数估计及府用研究 体的复杂结构，它们是岩体特性的决定因素，其直接影响岩体力学性质。 表3 1 岩体结构面的类型及其特征【2 9 1 2 8 硕士学位论文 3 2 1 结构面的成因及类型 3 2 1 1 地质成因类型 根据地质成因的不同，可将结构面划分为原生结构面、构造结构面和次生结 构面三类，各类结构