地下工程論文范文

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第1篇

摘要：隨著城市建設(shè)的大力發(fā)展，地下工程建設(shè)越來(lái)越多，由此引發(fā)的各類工程地質(zhì)問題也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，根據(jù)城市地下工程的特點(diǎn)，對(duì)地下工程開挖引起的工程地質(zhì)問題進(jìn)行了分析并提出了預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：地下工程；工程地質(zhì)問題；預(yù)防

城市地下工程具有現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件復(fù)雜、施工難度大、技術(shù)要求高、工期長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境影響控制要求高等特點(diǎn)，是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的高風(fēng)險(xiǎn)性系統(tǒng)工程。但是，地下工程建設(shè)一般都在市區(qū)內(nèi)，在其施工過程中常常會(huì)引起周圍地層的位移、變形、沉降與塌陷等環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)，對(duì)周圍地面建筑物及基礎(chǔ)、地下早期人防和其他構(gòu)筑物、公共地下管線和各種地下設(shè)施以及城市道路的路基、路面等都可能構(gòu)成不同程度的危害，已經(jīng)出現(xiàn)并且孕育諸多工程地質(zhì)問題。

1地下工程開挖引起的工程地質(zhì)問題

1.1地面沉降

1.1.1地層初始應(yīng)力狀態(tài)的改變引起的地表沉降：地下工程開挖是在存在初始應(yīng)力場(chǎng)的地層中進(jìn)行的，開挖引起地層初始應(yīng)力狀態(tài)的改變，即二次應(yīng)力場(chǎng)，它是由地層初始應(yīng)力場(chǎng)與開挖引起的附加應(yīng)力場(chǎng)的疊加應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)應(yīng)二次應(yīng)力場(chǎng)開挖的位移場(chǎng)僅是由開挖引起的附加應(yīng)力場(chǎng)。地表沉降的主要機(jī)理是由開挖面的應(yīng)力釋放，附加應(yīng)力等引起地層的彈塑性變形。引起初始地應(yīng)力狀態(tài)改變的主要原因有：

（1）地下工程開挖引起的附加應(yīng)力；

（2）地下工程施工對(duì)地層的擾動(dòng)和地層損；

（3）地下水滲流引起的地下水位的變化。

1.1.2土體的固結(jié)沉降：地下工程施工引起的地表沉降與時(shí)間有關(guān)。土體內(nèi)部含水滲出，體積逐漸減少，這一現(xiàn)象成為土的“固結(jié)”。隨著土體的固結(jié)，土體的壓縮變形和強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)。因此，土的固結(jié)所產(chǎn)生的沉降是城市地下工程施工中最值得注意的問題之一。根據(jù)地下工程施工的特點(diǎn)總結(jié)固結(jié)沉降的主要原因有：

（1）地下水位下降引起的固結(jié)沉降；

（2）土體空隙水壓力變化，引起土體的固結(jié)沉降；

（3）土體擾動(dòng)后，重新固結(jié)后產(chǎn)生沉降；

（4）土體的次固結(jié)和流變。

1.2洞室圍巖失穩(wěn)

地下開挖后，洞壁圍巖由于失去了原有的巖體的支持而向洞內(nèi)產(chǎn)生松脹變形，如果變形超過了圍巖所能承受的能力，圍巖就會(huì)被破壞。圍巖的變形破壞程度常取決于圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)和洞室的斷面形狀等。洞室開挖使地下原來(lái)的應(yīng)力狀態(tài)被破壞，圍巖應(yīng)力重分布，產(chǎn)生變形位移。

均質(zhì)巖土體中應(yīng)力未達(dá)到或未超過其強(qiáng)度以前，在開挖過程中的變形，以彈性變形為主，變形速度快，變量小，瞬時(shí)完成，一般不易察覺；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過巖土體強(qiáng)度時(shí)，塑性變形十分明顯，發(fā)生壓碎、拉裂或剪破。當(dāng)巖體強(qiáng)度主要由結(jié)構(gòu)面控制時(shí)，與上述情況基本一樣，但當(dāng)結(jié)構(gòu)面組合構(gòu)成圍巖不穩(wěn)定條件時(shí)，巖體除了彈性變形外，塑性變形也比較明顯，它表現(xiàn)為圍巖分離體（巖塊）的相互錯(cuò)動(dòng)，圍巖松動(dòng)時(shí)圍巖穩(wěn)定性降低，為進(jìn)一步松動(dòng)創(chuàng)造了條件。

1.3斜坡破壞

斜坡破壞主要發(fā)生在山區(qū)城市，除直接經(jīng)濟(jì)損失外，還可能造成人員傷亡，其原因主要是:由于自然地質(zhì)作用和工程地質(zhì)作用引發(fā)的，而工程地質(zhì)作用造成的斜坡破壞較自然地質(zhì)作用頻率大。當(dāng)然決非任何斜坡破壞都能稱為地質(zhì)災(zāi)害，但斜坡破壞確屬重大的地質(zhì)災(zāi)害類型之一。

斜坡破壞主要形式為滑坡，其影響因素主要有巖性、構(gòu)造、地形、地震、降雨及人類活動(dòng)等。其中，許多山體滑坡現(xiàn)象是由地下工程活動(dòng)引發(fā)的，即主要是由于地下工程的開挖或采掘影響到了上部的山體，使巖體開裂，地面傾斜，并在一定條件的配合下，導(dǎo)致山體失穩(wěn)形成滑坡。在隧道建設(shè)中，滑坡現(xiàn)象主要發(fā)生在淺埋、偏壓及進(jìn)出口等地段，其危害常常比較嚴(yán)重。為評(píng)價(jià)斜坡巖土的穩(wěn)定性，預(yù)防斜坡破壞導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害，認(rèn)識(shí)引起斜坡破壞的內(nèi)在原因與外部條件，掌握其運(yùn)動(dòng)發(fā)展規(guī)律顯得非常重要，尤其是當(dāng)前在城市這個(gè)人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的密集區(qū)，斜坡破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡都是巨大的，都是由于工程活動(dòng)不合理造成的。

1.4地下水污染

在城市環(huán)境地質(zhì)中地下水的不良作用主要表現(xiàn)為地下水的侵蝕。地下水的不良作用和地下水污染主要由人為引起。隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，人類活動(dòng)加劇，對(duì)地下水的污染越來(lái)越嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為：多數(shù)城市垃圾隨意堆放；工業(yè)廢水和廢液不經(jīng)處理或初步處理后任意排放。首先污染地表水，經(jīng)地表水補(bǔ)給地下水或滲入地下水，再污染地下水，使地下水具有侵蝕性，對(duì)城市的建筑物基礎(chǔ)及地下工程不斷侵蝕破壞。

2防治措施

2.1開展詳盡的工程地質(zhì)勘察

工程地質(zhì)勘察資料是地下工程施工的重要依據(jù)，通過詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察，為設(shè)計(jì)施工提供需要的參數(shù)和指標(biāo)，確定合理的開挖方案、開挖步驟，如果地下工程建設(shè)所涉及勘察資料不詳細(xì)、不準(zhǔn)確，勢(shì)必給支護(hù)工程帶來(lái)事故隱患。

2.2做好開挖方案的優(yōu)化選擇

地下工程的開挖方法很多，以基坑工程為例，有分層全開挖、中心島式開挖等等。開挖順序不同，引起的位移不同，中心島法的開挖順序就比從一個(gè)方向按順序向另一個(gè)方向的開挖方法，對(duì)基底隆起和樁后地面沉降有一定程度地減少。因此，基坑開挖時(shí)應(yīng)做好開挖方案的優(yōu)化選擇。

2.3實(shí)行科學(xué)的降水設(shè)計(jì)

水是影響基坑工程穩(wěn)定的重要因素之一，從實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，約有70%的基坑事故與地下水有關(guān)，因此，地下工程建設(shè)中應(yīng)特別注意地下水的影響。地下工程建設(shè)絕大多數(shù)都需要進(jìn)行人工降低地下水。要降低地下水位，就要合理地選擇降水方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行人工降水的方案設(shè)計(jì)，以及進(jìn)行降水方案的水位預(yù)測(cè)，通過預(yù)測(cè)進(jìn)行降水方案的優(yōu)化，從而達(dá)到最佳的降水方案。

2.4做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，開展信息化施工技術(shù)

地下工程是土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)體相互共同作用的一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng)，僅依靠理論分析和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)是難以把握在復(fù)雜的開挖和降雨等條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的變形破壞，也難以完成可靠而經(jīng)濟(jì)的開挖設(shè)計(jì)。通過施工時(shí)對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，可以了解變化的態(tài)勢(shì)，利用監(jiān)測(cè)信息的反饋分析，就能較好地預(yù)測(cè)系統(tǒng)的變化趨勢(shì)。當(dāng)出現(xiàn)險(xiǎn)情預(yù)兆時(shí)，可做出預(yù)警，及時(shí)采取措施，保證施工和環(huán)境的安全；當(dāng)安全儲(chǔ)備過大時(shí)，可及時(shí)修改設(shè)計(jì)，削減圍護(hù)措施。

2.5積極采用新技術(shù)、新方法

工程實(shí)踐證明，采用基坑內(nèi)降水、坑內(nèi)側(cè)土體加固（化學(xué)灌漿、石灰樁加固等）、及時(shí)支撐并預(yù)加軸力、增加擋墻的入土深度、墻外地層中筑帷幕、坑內(nèi)降水坑外注水、分步開挖、逆作法施工、信息反饋施工法的采用等，對(duì)改善基坑變形、提高其穩(wěn)定性有重要意義。計(jì)算機(jī)技術(shù)方法應(yīng)廣泛地應(yīng)用到地下工程建設(shè)中，如進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與計(jì)算、計(jì)算機(jī)制圖、計(jì)算機(jī)輔助深基坑設(shè)計(jì)、信息施工與管理等領(lǐng)域具有十分廣闊的前景。

第2篇

巖爆是深埋地下工程施工過程中常見的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，它是由于巖石積聚的應(yīng)變能大于巖石破壞所消耗的能量時(shí)，多余的能量導(dǎo)致巖石碎片從巖體中剝離、崩出。強(qiáng)烈的巖爆常常帶來(lái)災(zāi)難性的后果，如人員傷亡、施工設(shè)備毀損甚至地下工程報(bào)廢等等。針對(duì)這一問題，很多學(xué)者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)巖爆的發(fā)生機(jī)理、預(yù)測(cè)方法、及控制手段等方面做了大量的工作[1-9]。但由于巖石固有的一些特性如各相異性、不均勻性，許多研究成果僅限于某些方面的事后驗(yàn)證，沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。因此巖爆問題的研究還遠(yuǎn)沒有形成系統(tǒng)的研究成果。

本文簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外目前在巖爆的數(shù)學(xué)描述、發(fā)生條件以及預(yù)測(cè)方面進(jìn)行的工作，旨在為相關(guān)的研究工作提供借鑒。

2．巖爆的數(shù)學(xué)描述

在分析巖爆發(fā)生機(jī)制時(shí)，人們注意到，地下洞室?guī)r爆是巖體由于幾何及力的邊界條件發(fā)生變化導(dǎo)致巖石材料力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致巖體突然失穩(wěn)。這種失穩(wěn)是一種突變現(xiàn)象，它具有多個(gè)平衡位置、突跳、滯后、發(fā)散和不可達(dá)等特點(diǎn)。應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)中的突變理論可以對(duì)此過程進(jìn)行較好的描述，例如初等突變理論中的尖點(diǎn)突變模型[10,11]。

尖點(diǎn)突變模型的標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)函數(shù)為[12]：

（1）

式中，為勢(shì)函數(shù)，為狀態(tài)變量，為控制變量。

令，可以確定其平衡位置，如下式。

（2）

方程實(shí)根的數(shù)目由判別式?jīng)Q定。

根據(jù)突變理論，為穩(wěn)定的平衡，為不穩(wěn)定平衡，為兩者間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。同時(shí)，在狀態(tài)－控制變量空間中，曲面M:稱為平衡曲面，參數(shù)空間曲面B:稱為分叉集，如圖1所示。在平衡曲面的上、中、下三葉分別代表可能的三個(gè)平衡位置，其中上下葉為穩(wěn)定平衡，中葉為不穩(wěn)定平衡。

圖1尖點(diǎn)突變模型[12]

用尖點(diǎn)突變模型可以對(duì)巖爆現(xiàn)象進(jìn)行解釋。設(shè)為表征洞室穩(wěn)定狀態(tài)的變量，為影響洞室穩(wěn)定性的變量，在圖1中可以觀察到不同的路徑上洞室的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生的變化。

路徑始終處于上葉，在該路徑上洞室一直處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。雖然該路徑上洞室也有可能進(jìn)入破壞狀態(tài)，但這種破壞是一個(gè)連續(xù)的過程，如圍巖較軟，其單軸抗壓強(qiáng)度較低，高地應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力值超過了巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，洞室出現(xiàn)加速蠕變直至破壞的一種流變過程，而不是突然失穩(wěn)。路徑開始處于穩(wěn)定平衡的上葉，當(dāng)?shù)竭_(dá)上葉與中葉的皺折時(shí)，系統(tǒng)由穩(wěn)定向非穩(wěn)定過渡。此時(shí)若圍巖受到輕微的擾動(dòng)，如爆破振動(dòng)導(dǎo)致控制變量發(fā)生微小變化，路徑繼續(xù)往前時(shí)，洞室的狀態(tài)不可能進(jìn)入中葉，因?yàn)橹腥~是不穩(wěn)定的亦即不可能達(dá)到的狀態(tài)，洞室控制變量經(jīng)過調(diào)整，其狀態(tài)直接跳躍到下葉，發(fā)生巖爆，洞室失穩(wěn)。該路徑下洞室的狀態(tài)的不連續(xù)變化稱之為突變。

由于巖爆與圍巖的儲(chǔ)存和釋放的能量有關(guān)，因此一般從能量角度對(duì)洞室和圍巖組成的系統(tǒng)進(jìn)行定量分析。

文獻(xiàn)[10]根據(jù)最小位能原理建立圓形洞室的尖點(diǎn)突變模型并定量地研究了巖爆的發(fā)生過程，得出了巖爆發(fā)生時(shí)系統(tǒng)必須滿足的條件。

假設(shè)外力作用在圓形洞室外的無(wú)限遠(yuǎn)處，在圍巖應(yīng)力作用下，圍巖分為彈性區(qū)和軟化區(qū)，相應(yīng)的應(yīng)變能分別為e和s。

（3）

（4）

總應(yīng)變能：

（5）

系統(tǒng)的勢(shì)能由應(yīng)變能和外力功組成，外力作用點(diǎn)在無(wú)限遠(yuǎn)處，該處位移為零，故外力勢(shì)能為零，。

當(dāng)勢(shì)能取極值時(shí)，系統(tǒng)處于平衡位置即，或

（6）

將（6）式變換成（2）相同的形式：（7）

（8）

（9）

各符號(hào)的意義見文獻(xiàn)[10]。

為圍巖彈性區(qū)廣義剛度與軟化區(qū)廣義剛度絕對(duì)值之比。

發(fā)生巖爆時(shí)，系統(tǒng)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，此時(shí)，得。

由（8）可知，若，則。根據(jù)的定義，發(fā)生巖爆時(shí)彈性區(qū)廣義剛度小于軟化區(qū)廣義剛度。廣義剛度不僅與巖石參數(shù)，，而且與外荷載有關(guān)。由于該條件是在發(fā)生巖爆的前提下得出的，故稱為圍巖發(fā)生巖爆的必要條件。

3．與巖爆事件相關(guān)的幾個(gè)因素

巖爆的發(fā)生與很多因素有關(guān)，一般分為以巖性為主的內(nèi)因條件和以圍巖應(yīng)力、結(jié)構(gòu)及施工荷載為主的外因條件。

3.1巖性因素

巖爆是由于圍巖儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能大于巖石破碎所消耗的能量，引發(fā)巖石碎片從巖壁突然飛崩出來(lái)。因此，發(fā)生巖爆的圍巖必然有較高的儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能的能力。一般來(lái)講，堅(jiān)硬、完整的巖體，其儲(chǔ)存應(yīng)變能的能力高，發(fā)生巖爆的傾向性也高。

判斷巖石發(fā)生巖爆的傾向性大小可以通過多種指標(biāo)測(cè)試，目前較常用的指標(biāo)有巖石的脆性系數(shù)，彈性變形能指數(shù)，巖石沖擊能指標(biāo)。

人們很早就注意到巖爆與巖石脆性有很大的關(guān)系，巖石的脆性越大，巖爆的傾向越高。現(xiàn)代細(xì)觀力學(xué)通過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)采樣的斷口掃描電鏡分析[1，2]，也證明了這種關(guān)系。文獻(xiàn)[2]研究發(fā)現(xiàn)，巖爆是一漸進(jìn)破壞過程：劈裂成板剪斷成塊片、塊彈射，在這個(gè)過程中，最基本的現(xiàn)象就是巖體脆性斷裂破壞。從這個(gè)意義上講，可以認(rèn)為巖爆與巖石的脆性破裂有關(guān)。

巖石的破裂是巖石內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生、發(fā)展的宏觀結(jié)果。脆性破裂是指巖石破裂之前末出現(xiàn)任何明顯永久變形的破裂形態(tài)。由于巖石結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（非均質(zhì)、不連續(xù)），因此宏觀破裂之前的巖石形態(tài)決不是純彈性的，故脆性破裂概念指的是那種在很小(與彈性應(yīng)變相比)的非彈性應(yīng)變之后發(fā)生的破壞。巖石的單軸和三軸壓縮試驗(yàn)均可以看出，脆性大的巖石峰值后很快發(fā)生宏觀破壞，相對(duì)來(lái)講破壞消耗的能量較少。

由巖爆的破壞過程可知，巖石的脆性破壞是巖爆發(fā)生的必不可少的先決條件之一，因此巖爆傾向性指數(shù)在很大程度上取決于巖石的脆性。

巖石的脆性系數(shù)用下式表示：

文獻(xiàn)[14]建議根據(jù)下式計(jì)算巖石的脆性系數(shù)，并劃分巖石的巖爆傾向：

式中為調(diào)節(jié)參數(shù)，一般取0.1，、分別為巖石單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度（），、分別為單軸壓縮條件下峰值前后的應(yīng)變。

無(wú)巖爆；輕微巖爆；嚴(yán)重巖爆。

彈性變形能系數(shù)是通過巖石單軸壓縮試驗(yàn)得出的結(jié)果。當(dāng)軸向荷載時(shí)，卸載，求出卸載過程中試樣所釋放的彈性變形能及巖石發(fā)生塑性變形和微破壞所消耗的能量，如圖2。兩者的比值稱為彈性變形能指數(shù)。根據(jù)KwasnieskiM1994年研究結(jié)果[15]，越大，發(fā)生巖爆的強(qiáng)度越高。以下是根據(jù)煤巖試驗(yàn)得出的指標(biāo)：

當(dāng)時(shí)，無(wú)巖爆;

當(dāng)時(shí)，弱到中等程度巖爆；

當(dāng)時(shí)，強(qiáng)巖爆。

圖2巖石的加載卸載曲線[15]

巖石的沖擊能指標(biāo)是指巖石在單軸壓縮的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線中，以應(yīng)力峰值為界的左右部分曲線與應(yīng)變坐標(biāo)所圍成的面積，亦即巖石加載過程中所吸收的能量與破壞過程中所消耗的能量，，如圖3

圖3應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線

沖擊能指標(biāo)旨在建立巖石在破裂過程中釋放的能量與消耗能量的關(guān)系，當(dāng)時(shí)，認(rèn)為該巖石有發(fā)生巖爆的傾向。實(shí)際上，該指標(biāo)僅對(duì)堅(jiān)硬的巖石才有意義，如前所述，中包含巖石發(fā)生塑性變形和微破壞所消耗的能量，而不是峰值后區(qū)巖石破裂所釋放的能量。對(duì)堅(jiān)硬巖石才幾乎等于巖石中儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能。因此，該指標(biāo)在預(yù)測(cè)巖石的巖爆傾向時(shí)較彈性變形能系數(shù)方法偏保守。文獻(xiàn)[9]建議在中減去巖石加載過程中所消耗的能量，即取卸載曲線下的面積代替加載曲線下的面積，見圖3，用該方法確定的沖擊能指標(biāo)的更能反應(yīng)巖石的巖爆傾向。

除了上述三種關(guān)系外，有些學(xué)者還提出其它方法確定巖石的巖爆傾向，如松弛試驗(yàn)法，能量比及動(dòng)態(tài)法等等，并建立了相應(yīng)的判別準(zhǔn)則，這些方法在一定程度上預(yù)測(cè)巖石巖爆的傾向。

3.2巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件

在有巖爆傾向的巖體中進(jìn)行地下工程施工時(shí)，高的地應(yīng)力使巖體聚集較高的應(yīng)變能，在滿足一定的條件時(shí)導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。根據(jù)國(guó)內(nèi)一些工程統(tǒng)計(jì)，地應(yīng)力場(chǎng)中最大主應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度滿足以下關(guān)系時(shí)有可能發(fā)生巖爆[14]：

地下工程施工過程中，開挖卸載使圍巖應(yīng)力重新分布，和按一定的比例同步上升，洞壁上，巖爆在和上升的過程中發(fā)生[6]。此時(shí)控制洞室穩(wěn)定的主導(dǎo)因素為洞室的切向應(yīng)力，據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)果，切向應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度間滿足以下關(guān)系時(shí)有可能發(fā)生巖爆：

3.3工程地質(zhì)與水文地質(zhì)因素

由于圍巖是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，其結(jié)構(gòu)面對(duì)地下工程的穩(wěn)定性將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。就巖爆而言，巖體的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)上的各相異性對(duì)巖爆起控制作用，表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)面的巖體其儲(chǔ)能和釋放能量的差異很大，文獻(xiàn)[3]稱之為巖體的“巖爆的結(jié)構(gòu)效應(yīng)”。當(dāng)主節(jié)理與最大主應(yīng)力夾角為時(shí)，儲(chǔ)存與釋放的能量較小，常產(chǎn)生剪切破壞，而不產(chǎn)生巖爆；時(shí)，儲(chǔ)能能力越強(qiáng)，產(chǎn)生劇烈?guī)r爆；或大于時(shí)，由于能量被結(jié)構(gòu)面本身的永久變形所消耗，儲(chǔ)存下來(lái)的彈性能量較少，即使產(chǎn)生巖爆，強(qiáng)度不高。

巖爆的發(fā)生與圍巖的水文地質(zhì)情況也有關(guān)。相同巖性及構(gòu)造的圍巖，干燥的圍巖較存在裂隙水的圍巖更容易發(fā)生巖爆。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面中的裂隙水使巖石的破裂強(qiáng)度降低，其儲(chǔ)存與釋放能量的能力比圍巖處于干燥環(huán)境下的能力低。

另外，巖爆還與地下空間的剖面形狀，施工順序，支護(hù)方式及爆破、地震有關(guān)，這些因素表現(xiàn)為影響圍巖的應(yīng)力分布，或是當(dāng)圍巖處于臨界平衡時(shí)，動(dòng)力擾動(dòng)使圍巖失穩(wěn)。

4．巖爆的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

以上分析可知，巖爆的影響因素很多。雖然各判別準(zhǔn)則都是建立在室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，但僅憑一兩個(gè)巖石指標(biāo)就對(duì)巖體巖爆進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)很不現(xiàn)實(shí)。因此，在預(yù)測(cè)巖爆時(shí)有必要全面綜合考慮這些因素。

眾所周知，巖體是一種多相不連續(xù)介質(zhì)，其工程力學(xué)行為及變形和破壞機(jī)制在主客觀兩方面的相當(dāng)程度上都是隨機(jī)的，模糊的，也就是不確定的，且更由于獲取信息與數(shù)據(jù)等方面限制和不完全，不充分，它又是不確知的，因此通過經(jīng)典的力學(xué)方法對(duì)其描述往往不完備[17]，對(duì)于巖爆尤其如此。馮夏庭教授開創(chuàng)的智能巖石力學(xué)在巖爆預(yù)測(cè)方面獨(dú)樹一幟，它撇開數(shù)學(xué)力學(xué)對(duì)巖體的精確描述，通過專家經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)例，建立輸出模式到輸出模式的非線性映射，再通過網(wǎng)絡(luò)推理待識(shí)別巖爆發(fā)生的可能性及烈度。該方法綜合考慮了各方面的因素，如巖石的性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、洞室結(jié)構(gòu)、開挖和支護(hù)方式等等，是其它方法無(wú)法比擬的。采用智能巖石力學(xué)方法開發(fā)的綜合智能系統(tǒng)成功地預(yù)測(cè)了南非金礦中的一些巖爆事件[16，17]。

根據(jù)對(duì)一些巖爆事件的統(tǒng)計(jì)，巖爆一般發(fā)生在洞室開挖后幾小時(shí)到幾十小時(shí)，因此洞室開挖過程中的巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)對(duì)保證施工安全有重要的意義。

從巖爆發(fā)生的機(jī)制可知，巖爆發(fā)生的過程實(shí)際上是圍巖應(yīng)變能釋放、應(yīng)力重新分布的過程，可以通過對(duì)洞室的微地震事件（或聲發(fā)射）的監(jiān)測(cè)來(lái)反映能量釋放過程[18,19]。然而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，微地震事件的頻度與巖爆事件并不存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系。文獻(xiàn)[20]發(fā)現(xiàn)，地下洞室開挖過程中的微地震事件的位置分布具有分形特征，其分形維數(shù)與能量釋放率間存在某種關(guān)系。用分形幾何對(duì)巖爆描述為：巖爆實(shí)際上等效于巖體內(nèi)破裂的一個(gè)分形集聚，這個(gè)破裂的分形集聚所需能量耗散隨分形維數(shù)的減少而按指數(shù)率增加，即：

如果將其監(jiān)測(cè)結(jié)果采用分形幾何進(jìn)行處理，可以較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)巖爆事件。

5．結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，巖爆的產(chǎn)生過程是一個(gè)突變過程，可以通過尖點(diǎn)突變模型進(jìn)行解釋；巖爆產(chǎn)生的最主要因素包括巖石性質(zhì)，圍巖應(yīng)力狀態(tài)，水文與工程地質(zhì)條件等；地下工程巖爆預(yù)測(cè)必須綜合考慮各種相關(guān)因素。

隨著能源地下儲(chǔ)存、核廢料深埋處理、深部礦產(chǎn)資源開采及高地應(yīng)力地區(qū)的隧道建設(shè)等大量地下工程建設(shè)的發(fā)展，巖爆問題成為人們成為目前巖石力學(xué)研究的焦點(diǎn)問題之一。深入分析巖爆發(fā)生機(jī)理、條件、提出巖爆的預(yù)測(cè)和控制方法對(duì)于確保工程安全具有非常重要的意義。

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第3篇

1防水設(shè)計(jì)的新理念

近幾年來(lái)，隨著新材料的推廣應(yīng)用和技術(shù)進(jìn)步，促使我們以全新的角度對(duì)原有建筑工程地下混凝土防水體系的設(shè)計(jì)理念，以及技術(shù)特性和優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行了總體分析和研究，指出了傳統(tǒng)防水體系設(shè)計(jì)方面存在的一些誤區(qū)和缺陷，并打破傳統(tǒng)的“一剛一柔”的保守防水理念，提出了以“剛性為主，柔性為輔”的防水結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的新理念[1]。新設(shè)計(jì)理念根據(jù)目前防水新材料、新技術(shù)方面的應(yīng)用效果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了注重結(jié)構(gòu)剛性自防水的防水結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)新觀點(diǎn)、新方案，并指出地下混凝土自身防水是解決問題的關(guān)鍵，并根據(jù)防水等級(jí)和設(shè)計(jì)要求，輔以與混凝土基層具有粘結(jié)牢固、且不會(huì)引起防水層層間竄水的、剛性或剛?cè)嵝偷姆浪繉酉嘟Y(jié)合的防水結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案，放棄使用各類改性瀝青基和橡膠類防水卷材做外防水層的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2防水機(jī)理和解決方案

2.1混凝土剛性防水體系的防水機(jī)理

主要是通過封閉混凝土中水泥砂漿內(nèi)部的毛細(xì)孔和孔洞缺陷等連通的孔隙結(jié)構(gòu)，來(lái)達(dá)到防水的目的。根據(jù)所用材料不同，封閉微孔的方式也不同。其一，利用混凝土外加劑（如防水劑及水泥基滲透結(jié)晶性防水材料中的活性化學(xué)物質(zhì)）在水的作用下，與未水化水泥顆粒所形成的不溶于水的凝膠體，來(lái)填充混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)或微裂縫。其二，利用外加劑（如膨脹劑）或膨脹水泥中的無(wú)機(jī)膨脹結(jié)晶組分，填充水泥石水化硬化初期的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了混凝土內(nèi)部的密實(shí)度，堵塞透水通道。其三，利用水性高分子聚合物滲透和填充到水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)中（如聚合物混凝土和聚合物水泥防水砂漿、聚合物乳液防水涂料和聚合物水泥防水涂料），直接封閉透水通道。

2.2剛性防水材料的特點(diǎn)和種類

剛性防水材料主要是指將防水材料摻入混凝土和水泥砂漿中，或?qū)⑵渑涑蓾{料涂刷（抹）或滲透于混凝土或水泥砂漿表面，與其共同組成剛性自防水結(jié)構(gòu)體系的材料。它們主要包括：（1）混凝土、砂漿的外加劑（如：各種混凝土、砂漿防水劑、膨脹劑、引氣劑和減水劑等）。注：完全剛性。（2）水性高分子聚合物樹脂（如：改性乙烯—醋酸乙烯乳液EVA、丙烯酸酯乳液、水性聚氨酯和環(huán)氧樹脂、可分散乳膠粉、有機(jī)硅橡膠等）。注：剛?cè)峥烧{(diào)。（3）水泥基防水材料（如防水寶、確保時(shí)和水不漏等）。注：完全剛性。（4）水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，簡(jiǎn)稱CCCW。注：完全剛性，并有自修復(fù)混凝土微裂縫的功能。

2.3混凝土剛性防水體系的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)：在混凝土或水泥砂漿內(nèi)部形成了自身整體的防水能力，從微觀結(jié)構(gòu)上看，處處都形成可靠的防水屏障。（2）缺點(diǎn)：不能適應(yīng)應(yīng)力變形所引起的混凝土或水泥砂漿裂縫的發(fā)生。但該體系發(fā)生裂縫引起滲漏時(shí)，要進(jìn)行修復(fù)是非常簡(jiǎn)單的，且費(fèi)用也較低。對(duì)該體系通常采取綜合堵漏的處理方法，作為出現(xiàn)滲漏的補(bǔ)充防范手段。

2.4解決方案及說(shuō)明

當(dāng)前最簡(jiǎn)單和最省錢的解決方案，就是在設(shè)計(jì)時(shí)不使用（或淘汰）瀝青基或橡膠類防水卷材做地下混凝土的外防水層，而只使用普通硅酸鹽水泥和混凝土復(fù)合防水劑，來(lái)配制高質(zhì)量的自防水混凝土作為防水設(shè)防，必要時(shí)輔以聚合物水泥（乳液）防水涂料或水泥基滲透結(jié)晶型防水材料做補(bǔ)充，以提高系統(tǒng)的防水等級(jí)。說(shuō)明一：為什么要淘汰防水卷材眾所周知，傳統(tǒng)的地下混凝土工程的防水設(shè)計(jì)，一般要將防水卷材做在混凝土底板的墊層上面，形成一層膜防水層，再將混凝土結(jié)構(gòu)底板澆筑在防水層之上，這種設(shè)計(jì)方案已經(jīng)延續(xù)了幾十年，很少有人提出異議。但實(shí)踐證明，在工程的實(shí)際使用中，這層防水卷材是不可能承受結(jié)構(gòu)混凝土底板與混凝土墊層之間的壓應(yīng)力的，此時(shí)防水卷材被建筑物上部重量傳遞下來(lái)的力完全擠壓破壞了，早已失去整體防水層的作用了。因此，地下混凝土工程的防水設(shè)計(jì)只能采用剛性防水為主的防水結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)方案，所以做好混凝土自身的防水才是關(guān)鍵所在。說(shuō)明二：為什么要用混凝土防水劑。因?yàn)榉浪畡┰诨炷林信c未水化的水泥顆粒反應(yīng)產(chǎn)生的是微膨脹不溶于水的凝膠體，其防水效果是持久可靠的。而有些工程上使用的膨脹劑所產(chǎn)生的是相對(duì)不穩(wěn)定的礦物結(jié)晶體，僅有短期效果，而且應(yīng)用條件也是有限的，用其做混凝土防水是錯(cuò)誤的，效果較差風(fēng)險(xiǎn)很大，尤其是在混凝土的耐久性方面是十分不利的[2]。因此，在設(shè)計(jì)自防水混凝土?xí)r應(yīng)優(yōu)先考慮使用混凝土防水劑而非膨脹劑。說(shuō)明三：防水設(shè)計(jì)規(guī)范的限制規(guī)范規(guī)定對(duì)地下工程的防水設(shè)計(jì)，除了必須有自防水混凝土這道防水措施之外，還要有附加外防水層的設(shè)計(jì)要求，而且強(qiáng)調(diào)要做到剛?cè)嵯酀?jì)，這就是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的“一剛一柔”的防水設(shè)計(jì)理念。在現(xiàn)實(shí)中，由于往往不太重視對(duì)自防水混凝土的設(shè)計(jì)和施工要求，而所做的柔性防水層又出了上述差錯(cuò)，這就是我們現(xiàn)在地下工程滲漏問題嚴(yán)重的根源所在。綜上所述，地下混凝土防水工程要做好自防水混凝土是關(guān)鍵，而自防水混凝土的關(guān)鍵是選用何種混凝土外加劑。

3推薦選用的首選設(shè)計(jì)方案

目前，解決自防水混凝土的設(shè)計(jì)方案有如下幾種：（1）采用復(fù)合防水劑配制自防水混凝土的方案。通常是將混凝土防水劑與一些高效減水劑或泵送劑復(fù)合使用，替代膨脹劑和其他減水劑的方案。目前工程應(yīng)用效果比較好的是混凝土防水復(fù)合液（如北京大胡子商標(biāo)的產(chǎn)品），在全國(guó)和山東省已有眾多工程應(yīng)用，效果良好。（2）是用水泥基滲透結(jié)晶型防水材料。如中核公司的2000或加拿大進(jìn)口的XYPEX（賽柏斯）等，摻入混凝土或在其表面涂刷使用，使其活性成分激發(fā)混凝土中的水泥顆粒，形成新的凝膠物質(zhì)封閉混凝土內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)，達(dá)到防水目的。但此方案有時(shí)因材料價(jià)格較貴，防水費(fèi)用相對(duì)較高。（3）選用與混凝土粘結(jié)力好、不會(huì)引起結(jié)合（粘接）層間竄水的剛?cè)嵝曰騽傂裕ㄈ缇酆衔锼啵ㄈ橐海┓浪苛虾途酆衔锼喾浪皾{等）防水材料，涂（抹）敷在混凝土表面，起到防水層的作用。這些材料可以與基層混凝土結(jié)合牢固，甚至可以滲透到混凝土的表層內(nèi)部，但對(duì)混凝土基層的整體性能要求較高，一般可以作為附加的輔助防水措施使用。上述做法的共同優(yōu)勢(shì)都是防水材料與混凝土基層結(jié)合形成一個(gè)整體的防水機(jī)制，即使防水系統(tǒng)個(gè)別部位(如結(jié)構(gòu)因溫度或受力變形引起的開裂等)破壞致使?jié)B漏發(fā)生，也不會(huì)引起像柔性卷材防水系統(tǒng)那樣發(fā)生大面積滲漏，而且堵漏和維修操作簡(jiǎn)便，費(fèi)用也較低。因此，我們建議應(yīng)從設(shè)計(jì)著手，直接采用第一種方案，即用復(fù)合防水劑及其設(shè)計(jì)方案，在混凝土施工時(shí)就配制優(yōu)質(zhì)的自防水混凝土，做好混凝土自身的剛性防水體系。如設(shè)計(jì)有需求時(shí)，再輔以第二或第三種方案中涂層的一種，以提高地下混凝土的防水等級(jí)和可靠性。這樣做的優(yōu)勢(shì)是只稍微增加或基本不增加現(xiàn)澆自防水混凝土的成本，并節(jié)省了原設(shè)計(jì)防水卷材的費(fèi)用，或者將其換成了更可靠的防水涂層材料，而且施工技術(shù)和條件比防水卷材要求低、速度快、質(zhì)量好、綜合造價(jià)低、后期維護(hù)費(fèi)用少，建設(shè)方比較容易接受。

4要注意或應(yīng)避免發(fā)生的問題

（1）地下混凝土工程發(fā)生滲漏的現(xiàn)象多種多樣，情況也比較復(fù)雜。在制定處理方案時(shí)，應(yīng)仔細(xì)分析，判明原因，再對(duì)癥處理。尤其是對(duì)底板和側(cè)墻的裂縫處理應(yīng)十分謹(jǐn)慎，不要輕易使用水性聚氨酯等有機(jī)聚合物的壓力灌漿材料堵漏。應(yīng)查看裂縫的位置與受力關(guān)系，盡可能選用水泥基滲透結(jié)晶型防水材料進(jìn)行堵漏和防水處理，使修復(fù)后的混凝土能通過自愈形成同類材料的結(jié)構(gòu)整體，不要留下結(jié)構(gòu)方面的隱患。（2）對(duì)于地下混凝土防水設(shè)計(jì)方案中，在自防水混凝土表面設(shè)計(jì)選用聚合物水泥（乳液）防水涂料做防水附加層時(shí)，此時(shí)該附加層一般可以設(shè)計(jì)做在混凝土的背水面上[3]，這樣施工簡(jiǎn)便，不影響工期，費(fèi)用也較低。若地下水對(duì)混凝土有腐蝕性時(shí)，再做在迎水面上，以保護(hù)混凝土不受侵蝕。

5結(jié)束語(yǔ)