1.2 国内外研究现状

1.2.1 围岩质量分类研究

围岩作为地下工程的特殊岩体，不仅具备自然岩体的地质复杂性，而且直接受到人为开挖扰动，进一步增加了结构面、受力状态以及赋存环境等因素的不确定性，为了避免工程地质灾害发生，必须对围岩质量进行科学合理的评价。国内外相关学者很早就对围岩质量分类进行了研究，诞生了许多围岩分类方法（表1.1）。另外，随着计算机技术的不断完善，应用数理统计法、聚类划分法以及模糊数学等理论对岩体质量进行划分成为可能，如模糊数学法、灰色理论法、神经网络法、Fisher判别分析法、概率论分类法和可拓分类法等，使得围岩稳定性评价更趋于科学合理。对这些分类方法进行研究发现，在对岩体质量进行评价时几乎均考虑了岩石强度、岩体完整性及结构面特性和岩体周围地下水、地应力等环境条件。而这些方法也带有各自的缺点，如模糊数学方法的隶属度权重太过主观和随意；灰色理论无法准确预测数据信息波动大且分散的工程问题；神经网络虽然避免了人为确定权重的不合理性，但是对训练样本数有一定限制；Fisher判别分析法对工程实例数据要求较高，需要依靠训练样本尽可能有大的容量来满足精度要求；概率论分类法假设各个分类标准相互独立，并且认为各分类标准判定围岩类别的作用等同，这与实际不符；可拓分类法具有隶属度对评价因素的模糊性反映不够充分和权重计算过于单一的缺点。

本书以可拓理论为基础，针对其在隶属函数和权重取值方面存在的不足进行改进，试图对围岩质量进行更合理的评价。

1.2.2 层状岩体力学特性与稳定性研究

1.2.2.1 层状岩体的各向异性

岩体的各向异性很早就被岩石力学界所认识，由于层状岩体具有层理结构，在其平行和垂直层理面上的力学性质差别很大，考虑到研究问题过于复杂，提出在不失真的条件下可将层状岩体简化成横观各向同性介质岩体，从而将复杂问题进行合理简化。但是并未间断对岩体各向异性特性的研究。

20世纪70年代，Lekhnitskii借助广义胡克定律得到各向异性体弹性理论的一般方程。Pinto以片岩单轴试验为基础证实层状岩体弹性模量具有各向异性。Pinto、Liu等和Read等分别对泥质板岩和片岩进行参数各向异性试验并总结了试验参数的变化规律。Jeage首次得出单一结构面与岩石强度各向异性的关系，其在岩体力学各向异性方面的研究具有相当高的学术价值。Rarnamurth通过改变结构面和外力的夹角观察岩体力学特性的变化情况，得出岩体参数具有各向异性特性的结论。Amadei基于丰富的室内和室外试验资料，归纳出力学参数弹性各向异性的变化规律。Salamon、Wardle和Gerrard立足岩体强度和变形等参数具有各向异性的特征，提出层状岩体等效各向异性体理论框架。Sngh将等效介质理论应用到层状岩体的变形和参数特性中。Lashkaripou和Passaris建立了岩体变形模量的预测模型，并将模型中涉及的单轴抗压强度看作已知量。

在国外学者不断对岩体各向异性特征进行深入研究的同时，国内许多学者也在此方面进行了科学探索，并取得了丰硕的成果。周大千以砂岩和油页岩试验为基础，对三类各向异性岩石的强度理论进行了深入分析。赵平劳立足各向异性特征试验，得到层状岩体结构具有各向异性规律的结论。刘殿名借助声学手段来探求岩石的各向异性特征，并对岩石各向异性的影响因素和产生机制进行了讨论。席道英和陈林等基于砂岩变形参数单轴压缩试验，将横观各向同性理论与动态参数进行对比，发现其变化规律近似椭圆形。曹文贵和颜荣贵采用单轴压缩试验的方式对各向异性凝灰岩相关参数进行测试。刘东燕和朱可善采用Hoek-Brown准则并结合节理岩体力学效应和层状岩体断裂特征，提出了一种物理力学参数的相关关系。曾纪全和杨宗才以相关岩石模型试验的结构面倾角为突破点，研究层状体验变形和强度的变化规律。宋建波提出一种能够近似估算层状岩体强度的模型，并用试验进行合理性验证。冒海军等根据单弱面理论分析了一维和三维抗压强度与结构面方位之间的关系。田象燕等立足砂岩和大理岩的单轴压缩试验，得出砂岩和大理岩均具有各向异性特征。

1.2.2.2 层状岩体工程稳定性研究现状

20世纪以来，由于交通、水电、能源等大规模的建设，涉及大量层状岩体边坡和地下层状岩体洞室的防治与治理工作，为了更准确地建立层状岩体的治理方法，研究者采用多种方法对该类型边坡和地下洞室的稳定性、破坏机制、破坏过程、变形特征以及治理方式等问题进行研究，取得了大量有价值的研究成果。层状岩体边坡方面的有以下研究。

Jose对层状岩体结构面和折断面参数进行了较为详细的研究，认为参数对剪切强度影响不明显。Bobet立足Hoek、Bray和Aydan等的研究成果，考虑渗流对块体倾倒的影响，并对极限平衡方法进行了分析。Duncan以G-B模型为基础，增加水压力以及上覆荷载对岩体的作用，并给出了基本解析式。肖远和王思敬以最大拉应力作为岩体破坏准则，将层状岩体边坡的弯曲失稳问题转化为平面应变问题进行计算。程谦恭等将塑性极限理论应用于层状岩质边坡的稳定性分析中，并推导出滑坡判据表达式。李云鹏等针对顺产边坡产生屈曲失稳的因素较多的问题，提出了一种新的边坡稳定性位移判据。孙红月和尚岳全通过分析总结实际水电站顺层边坡实例，提出对顺层边坡的变形破坏类型进行科学分类。陈志坚等经过对边坡结构深入分析，认为层状岩体边坡存在最不稳定滑动面，并提出了基于能量准则的最不利滑动面定位方法。任光明等以物理模型试验为手段研究了层状岩体边坡滑坡失稳的内在原因，并以能量法为理论基础推导出边坡失稳时的临界坡长。邓荣贵等立足实际设计资料，推导出顺层边坡失稳的理论计算公式。李树森等采用能量守恒原理求出边坡破坏的临界坡长和载荷。刘小丽和周培德依据弹性力学能量法理论，在考虑边坡长度的条件下推导出顺层岩质边坡发生失稳的力学公式。刘钧分析了顺层边坡在竖向和横向力共同作用下发生弯曲失稳的现象。陈祖煜等、汪小刚等将改进的G-B法应用于反倾向层状边坡工程的抗倾覆计算中，得到的计算结果与实际相符。

地下工程经常建造在层状岩体中，层状结构的围岩稳定性由于层状岩体力学的各向异性和结构面强度低的特点而变得十分复杂，鉴于此，国内外学者进行了研究。Tonon和Amadei采用边界元法分析了围岩力学参数各向异性对隧道围岩变形的影响。Hoek利用组合悬臂梁理论，对岩体弯曲折断位置进行了有效的估计。孙广忠将层状岩体破坏的形式分为三种：倾倒变形、溃曲破坏和弯折破坏。蒋臻蔚等立足层状岩体的破坏特征，认为顺层滑移和弯折破坏是岩体破坏的主要形式。苏永华等将薄板理论应用到直立层状岩体稳定性分析中。周应麟和邱喜华在分析层状围岩隧道受力特征的基础上，提出围岩受力特征与岩体产状有直接关系，总结出隧道破坏机理及几种典型失稳模式。姜伟和吴爱国经过研究发现拱腰和拱肩在陡倾状层理隧道中稳定性最差。肖明等通过有限元对研究工程地下厂房稳定性进行分析，为了符合岩体实际情况，将层状岩体力学参数的各向异性特性考虑到模型中，分析结果与实际吻合。

目前，针对在陡倾层状岩体中开挖隧洞的研究较少，而且许多研究仅仅从单一的角度利用数值软件分析实际问题，鲜有借助理论进行研究。

1.2.3 块体理论在实际工程中的应用研究

20世纪80年代初，石根华博士与Goodman教授使块体理论在实际工程中的应用由稚嫩走向成熟。在各国学者的不断努力下，该方法在相关领域得到广泛的应用。Chan在岩石工程选址和方案设计优选中应用了块体理论。Hoerger、Stone将参数的随机性和不确定性考虑到关键块体中。Kusmual为了正确估算地下工程在开挖过程中产生的关键块体体积大小，提出将节理间距、数值分析和随机统计法应用到块体大小的计算中。刘锦华、吕祖珩最早向国内引入了块体理论，并结合自己经验对块体理论进行了全面介绍，为使国内学者很快掌握该理论奠定了良好基础。

王思敬等为了方便确定多种形状的块体边界条件、关键块体滑动方式和进行安全性评价，采用矢量分析法进行分析研究。方玉树结合赤平投影法在关键块体稳定性分析中的应用，给出针对不稳定块体如何选择支护方式的理论依据，具有一定的应用价值。张菊明和王思敬认为四面体块体往往由两组结构面相互切割产生，该块体的稳定性与结构面的摩阻力分布有关系。李华晔从理论层面对块体理论进行了详细的分析，认为某些块体滑动失稳很可能具有一定的规模性。徐明毅等认为块体滑动并非单独存在，而是具有一定的块体组合形式，其中一个块体滑动可能引起多个块体的滑动，产生连锁反应，进而造成工程岩体的破坏。邬爱清等在研究三峡工程时对块体理论的工程应用技术进行了深入研究。其中包括不定位块体分析、定位块体分析、随机块体分析、块体形态分析与显示及不稳定块体锚固方式。

然而块体理论假定结构面贯穿所研究的岩体，得出的关键块体是临界情况，这与结构面（节理、断层等）的有限迹线长度极不相符，使得以往用块体理论确定的关键块体中的一部分将转变成无限块体，实际开挖岩体中的关键块体的数量要大为减少。

目前对有限长结构面的块体理论研究并不多，赵文、王英学、谢全敏等将概率理论应用到块体理论中，对结构面迹线由原来假设的无线长变为有限长，更符合实际情况。张子新和孙钧考虑实际结构面迹线概率分布规律，计算得到块体滑落概率和块体的大小及分布密度。许研等认为关键块体的产生与节理切割密不可分，并将考虑概率理论的节理应用到关键块体分析中，结果部分关键块体由于节理并未贯穿而变为稳定块体。

综合分析国内外学者对块体理论的研究发现，关键块体理论的研究虽然较为成熟，但迄今为止尚未有人将关键块体产生概率与结构面迹线长度和块体锥棱长度相结合进行研究，也并未将关键块体概率考虑到围岩安全系数中，本书试图对关键块体产生的概率进行研究，并对传统安全系数进行修正。

1.2.4 岩爆预测研究

一直以来，岩爆都是深部岩体工程中经常发生的地质灾害，而且岩爆本身产生机制非常复杂，国内外学者虽然对其进行了大量研究，但是仍然没有找到如何有效地避免岩爆以及准确预测岩爆的方法。目前对岩爆的预测理论源于对岩石破坏试验中观察到的微破裂现象的认识。

岩体在开挖扰动以后，应力重新分布过程中会在岩体中积蓄能量，积蓄能量的多少与岩体本身性质有关，当岩体发生破坏的时候，岩体中储存的大部分能量就会以微破裂的形式被释放，岩体内部破裂会伴随有声发射，能量释放的大小与工程结构临近失稳状态有关，因此可以通过能量释放的大小判断或者预测岩体稳定状态。

国内外专家在岩爆预测方面做了许多有益的工作，常用来对岩爆发生情况进行预测的方法包括微重力法、流变法、回弹法、钻筒屈服法、微地震法、光弹模拟技术、岩石冲击倾向性指标预测的钻屑法、刚度法以及区域地质和应力测试的动力区划法等，随着人们对岩爆机制的不断深入研究，越来越多的学者从强度、刚度、稳定、断裂、损伤、突变、分形和能量等方面对岩爆进行分析，提出了各种假设和判据，如王元汉等的岩爆判别准则、徐林生等的施工地质超前预报法和侯发亮的临界深度预测法等。随着人工智能和非线性理论的发展，有限元计算、模糊综合评判、人工神经网络等近现代方法也逐渐应用于岩爆预测预报工作中。

虽然世界各国学者对岩爆预测的研究做了大量工作，但是岩石本身具有的复杂性和工程地质条件的多样性等决定了岩爆预测研究存在一定难度，对岩爆的预测方法还不完善，如岩爆的预测缺乏将实际工程与已发生岩爆工程进行结合以及岩爆的评价标准的界定和评价因子的权重计算难以体现其模糊性和不确定性等。

1.2.5 层状围岩隧洞施工爆破数值模拟分析

为了保证隧洞在施工中的围岩稳定和地下结构的安全，国内外相关学者长期以来对爆破震动的传播规律和质点震动速度进行了大量深入研究，主要是通过结合爆破震动的现场测试和试验室试验，利用概率统计的方法来研究相关问题。由于爆破震动传播的介质是十分复杂而且具有不确定性，所以目前主要是以质点振动速度或者峰值加速度等作为测试参数来研究爆破震动波的传播和衰减规律。Sharpel研究了在均匀并且无限大的弹性介质中球形空腔所受爆炸压力的问题。Starfield研究了孔型边壁上的压力时程特性。加拿大的R.F.Favrean弹性波理论模型提出了质点的速度是延迟的时间与距离之间的函数。斯托克斯（GGstockes）建立了黏滞性内摩擦能量损耗的波动方程。伽坦逊（Kjartanssion）的CQ理论提出了关于地震波衰减规律的数学表达式。Hustrulid利用Starfield Pugiiese提出用球形单元代替柱状装药，在空间域和时间域上数值计算模拟某点应变，效果比较好。Blai Minchinion通过借助Flac软件，模拟了炮孔的压力函数，并计算了围岩震速的计算公式。丁桦等是利用点源矩和等效孔穴理论，运用侵彻的空腔膨胀理论，研究了爆炸波的传播机制。许多学者还通过利用大型商用AUTODYN、LS-DYNA、ADINA、ANSYS等有限元数值模拟软件，进行了施工爆炸过程、岩土爆破破坏过程、震动波传播过程（近场和远场）等一系列规律的研究。

李玉民等在现场实测数据的基础上，总结得到如下结论：地下工程产生的水平振动的主频与建筑物的自振频率十分接近，相比垂向振动更容易引起建筑物的共振。间隔为100ms的微差爆破不会产生叠加现象，间隔为25ms的微差则会产生波形叠加。王民寿等同时指出：岩体由于构造的差异和岩性各向异性，使得爆破振动的动力响应也同样具有各向异性的特点，即在装药量相同、等测距的条件下测得的实测质点的振动频率和振速是不一样的。

李铮与朱瑞赓等根据岩体强度和隧洞所受静、动之和相平衡条件，结合应力波理论，求得无衬砌隧道在处于弹性状态的条件下出现局部崩塌、大面积坍塌以及裂隙时岩土介质质点振动速度，推导出质点振动峰值的临界值计算公式。边克信和林学文与欧阳戬等在论述和分析了地下构筑物受到爆破作用时的破坏特征和破坏作用的基础上，找出了评价爆破振动对地下洞室稳定性的标准。吴从根根据弹性振动理论，推导出符合弹性岩体条件的最大应力和速度计算公式。杨昇田等发现在隧洞的不同部位，其质点加速度峰值的分布规律是大不相同的，并统计分析得到大型地下洞室的岩土质点振动加速度峰值在受到爆破地震波作用下与距离、比例、介质动力特征、装药量和爆破方式的经验关系式，洞室在受到临近洞室爆破影响下的振动衰减规律。楼沩寿主要针对地下核爆炸，从现场试验中观测研究得到了爆心距与质点振动位移的衰减规律。由于岩体结构构造十分复杂多变，爆破地震波传播受到岩土结构构造性质的影响，运动动力学参数的测量结果有限，很难直接真实反映出动力参数的实际规律。刘兴昌则指出，天然地震波的高频影响和建筑物受到地下洞室的爆破不但有区别，还存在冲击波的作用。在基本封闭的地下洞室中冲击波沿管状传播，反射条件、传播条件十分复杂多变，没有露天爆破的扩散效应，建筑物的质点振动速度受到极大影响，特别是岩壁梁的条状结构，有发生整体振动的可能。在冲击波和地震波的共同作用下，很容易发生刚性传播的整体振动，造成质点振动速度大的假象。

与此同时，计算机的应用得到了迅猛发展，同时在力学计算中有限元、边界元等也被广泛、深入地应用，使得系统地研究隧道围岩在爆破作用下的动、静应力场的叠加作用机理和动应力场的分布规律成为可能。赵以贤等应用有限元方法，分析了地下结构拱形结构在爆炸荷载作用下和土介质的动力相互作用，并提出弹性解和弹塑性解之间有较大差别，弹性解不宜被用于地下结构。钟放庆等利用透射系数矩阵、离散波数和广义反射的方法，计算了近场速度垂直分量在水平分层花岗岩介质中的波形，并通过拟合实测的波形，得到了爆炸激发的地震震源函数。卢文波等通过研究爆破地震波在传播过程中的衰减规律，提出了用单孔爆破振动波形来确定常规生产爆破，从而模拟爆破中远区的爆破振动场的一种新的模拟方法。

贾光辉等采用非线性有限元分析方法，对地下结构物受到爆破地震波的影响进行了数值模拟，得出两个主要结论：①介质质点振动速度的传播规律，即随传播距离的增大有效峰值随时间呈增大趋势；②结构响应特征，即爆破地震波作用下结构振动主要是垂直振动。杨升田等运用动态有限元法，分析了在一空腔耦合的条形爆源作用下某一地下岩洞的动力反应（主要针对爆炸荷载波形）。李铮等运用动态有限元法，研究了一系列关于岩洞在爆炸应力波作用下的动力稳定性问题；谭忠盛等采用有限元法，分析了爆破振动在复线隧道掘进施工时对隧道的影响，得出了各振动参数的时间历程。随着计算机的不断发展完善，数值方法已经可以用来模拟更加复杂多变的各类工程问题。

1.2.6 深斜（竖）井开挖技术

（1）竖井开挖。对于小断面或井下部无通道的浅竖井（小于50m），多用自上而下的全断面开挖方法和深孔分段爆破法施工；对井下部有通道的竖井，多用吊罐法、爬罐法和反井钻机法施工；对于大、中断面且井下部有通道的竖井，多用先导井后扩挖的施工方法，导井的施工与小断面竖井的开挖方法相同。

（2）斜井开挖。对小断面斜井开挖，多采用自上而下分段钻孔的全断面开挖方法。当倾角小于25°时，多采用斗车出渣；当倾角大于25°时，多采用箕斗出渣。对大、中断面斜井开挖，多采用导井扩大法施工。当倾角在45°左右可以自行溜渣时，多采用自上而下分段钻孔爆破，利用导井溜渣从底部出渣；当倾角在35°左右不能自行溜渣时，多用自下而上分段钻孔爆破、边开挖边铺设钢板或钢轨进行溜渣、从井底出渣的方法。

对于斜井和竖井的区分，国内外有不同的定义：一些专家认为，倾斜度大于75°的井为竖井，倾斜度在6°～75°之间的井为斜井；另一些专家认为，倾斜度大于48°的井为竖井，倾斜度在6°～48°之间的井为斜井。但不管怎么说，国内外目前对于倾斜度为45°～90°的斜（竖）井开挖，其发展趋势是采用反井钻机法施工工艺，国外生产的反机钻机最大开挖直径可达7m，开挖深度可达600～800m，国内生产的反机钻机最大开挖直径达2m，开挖深度达90m左右。

1.2.7 深斜（竖）井支护与衬砌技术

对临时性支护，多采用喷锚支护的方法，对危险性较大的部位，辅助以型钢钢肋结构，目前，这种支护型式有逐渐替代永久性支护与衬砌的趋势。

对于倾斜度不太大的斜井的永久性衬砌，多用钢模台车法施工，尤其是对于圆形断面斜井的一次性浇筑衬砌，多用针梁式钢模台车法施工；对于倾斜度较大的斜竖井和竖井永久性衬砌，多用滑模法施工。衬砌用的混凝土多为常规混凝土，混凝土运输方式多采用混凝土泵输送。

现代混凝土技术的重点研究方向之一就是大掺量粉煤灰混凝土，无论是从环境保护还是经济技术的角度上来说，大掺量粉煤灰混凝土都有其不可替代的重要地位。但现有工程中大掺量粉煤灰混凝土还仅仅是应用于大体积素混凝土的部分部位，尚未应用于水利工程的深斜井衬砌中，尤其是大掺量Ⅱ级粉煤灰混凝土在深（竖）斜井衬砌中的配合比及施工技术还没有得到研究。

目前，国内外采用自密实混凝土进行斜井衬砌的工程案例中以缓倾角斜井的衬砌居多，而陡深斜井衬砌的工程案例并不多，并且其衬砌分段长度大多为30～40m，分段长度较短，斜井的轴线倾角达到60°的只有缅甸电源电站长斜井和缅甸瑞丽江一级水电站长斜井，并且两者的海拔最高不超过700m，海拔较低，施工过程中不会受到高海拔所带来的恶劣因素的影响。

而采用常规混凝土进行衬砌的陡倾角斜井，大多施工速度缓慢，施工工序复杂，安全性差，施工质量不易保证，已经不再能够满足未来快速、安全施工的要求。

因而，在高海拔地区，采用自密实混凝土进行60°倾角、长1267m、最大分段施工长度160m的陡深斜井快速衬砌，并对其施工技术的研究，目前在国内外还没有先例，而布仑口-公格尔水电站高压管道上斜井段衬砌施工过程中出现了上述种种不利于安全施工的因素。