《板岩隧道施工期围岩力学效应与变形特征》综合运用岩体力学、弹塑性力学、流变学、非连续介质力学、地下工程、工程地质学及现代数学等学科的相关理论，着力研究板岩的水理特性、力学特性及蠕变特性，从室内试验的角度探明板岩的膨胀和崩解机理，研究不同含水率条件下板岩的力学特性，建立考虑时间效应的蠕变本构方程，揭示板岩隧道在不同施工方法下的力学特征和变形破坏规律；提出板岩隧道围岩大变形控制技术，为板岩隧道围岩的长期稳定性研究及大变形防控提供理论依据和技术支持。

第1章 绪 论
1.1 板岩的工程性质
板岩是一种极细粒-隐晶质、岩性较致密、通常具有密集板状劈理（简称板理）的区域变质岩，其板理面平滑，变余泥质结构，板岩的可能原岩主要是页岩、泥岩或凝灰岩，显微镜下的板岩微观结构如图1-1 所示。板岩在无水环境下单轴抗压强度可达100～200MPa ，可归为硬岩。但是，在水的物理化学作用下，其微观组构和细观结构会发生改变，进而会影响其水理和力学特性，如板岩遇水发生软化、膨胀和崩解。尤其对于板理极发育以及富含易溶性、膨胀性矿物和有机质的板岩，水岩作用下的泥化现象更明显，如图1-2 所示。因此，对于板岩这类特殊的岩体，不能简单地将其归为软岩，应单独地对其进行研究。板岩在世界范围内分布较广，遍布六大洲，我国是板岩分布区域*广的**之一，遍及华北、华中、华南、西北及西南地区。
图1-1 板岩微观结构 图1-2 板岩结构性弱化
对于处于富水条件下的板岩隧道工程，��地下水的作用下，板岩会表现出强烈的水理性质，进而使隧道围岩表现出塑性挤出或膨胀内鼓，从而导致隧道支护结构泥化、开裂、侵限（图1-3～图1-5）。随着**基础建设不断推进，在板岩分布的区域进行隧道工程建设将会遭受此类岩的困扰，对隧道工程建设造成极大影响，如工程改线、反复施工、追加投资、延长工期、影响运营等。
图1-4 隧道支护结构开裂图1-5 隧道初支侵限
1.2 板岩水理特性研究现状
地下水渗入至岩石或岩体的裂缝、孔隙和断层之中，岩石矿物或结构的性质会发生改变，矿物与地下水之间发生化学反应，导致岩石和结构面的性质发生变化，例如软化、膨胀和崩解等，进而造成岩体的力学性质发生改变。
目前，关于岩体水理性质的研究，主要集中于岩石和地下水的相互作用过程，通过试验分析岩石在不同含水状态下的变形和强度性质以及确定岩石的本构关系。国外一些学者（T.r.k et al.，2010；Erguler et al.，2009；Vásárhelyi et al.，2006；Kenis et al.，2004；Heggheim et al.，2004；Risnes et al.，2003；Gomez et al.，1997；Glover et al.，1997；Hadizadeh，1991）通过室内试验，结合声波测试，证实了岩石的力学性能指标在地下水的影响下发生了不同程度的降低。但此类试验只是注重了对数据的简单处理，未进行深入系统的研究。少量学者探讨了地下水和岩体的相互作用机理，但是相应本构模型的研究相对甚少。
国内部分学者对不同含水条件下的岩石力学性质进行了研究。吴景浓（1990）研究了地壳岩石的渗透性状和孔隙水对岩石力学性质的影响，指出了孔隙压的形成及分布，孔隙度、渗透率与孔隙压的关系。葛洪魁等（1994）通到对8 块砂岩岩样的测试，得出了饱和水砂岩波速和动静态弹性参数随应力状态变化的基本规律。曾云（1994）通过有围压作用的软岩三轴压缩试验，分别测定第三系（古近-新近系）软弱岩石天然、饱和两种状态的强度和变形，论证浸水软化对其主要力学特性的影响。兰光裕（1997）分析了水对岩石力学参数的影响，主要表现为板岩经水饱和后，其抗压、抗拉强度和弹性模量均有不同程度的降低。冯启言等（1999）采用X-衍射仪、扫描电镜、压汞仪及液压伺服机等手段进行了红层软岩的物质组成、微孔结构和渗透性的试验研究，探讨了红层软岩的渗透机理及遇水失稳机理。刘新荣等（2000）研究了水对岩石力学特性影响，研究表明水对岩石力学特性的影响主要与岩石的硬石膏含量和岩芯采取率有关。王桂花等（2001）利用人造岩样，对地层的弹性模量、泊松比和抗压强度等参数随含水饱和度的变化规律进行了试验研究。许波涛等（2001）研究了岩石在饱和和干燥状态下动静弹性模量的关系特征。谢和平等（2004）利用软化系数描述岩石强度的变化，建立了岩石强度与含水率之间的本构关系。冒海军等（2006a）引入了相对含水率的定义，分析了含水率变化对板岩强度、弹性模型和泊松比等力学参数的影响，并从微观的角度研究了力学参数变化的机理。包宏涛（2007）选取两组板岩进行了饱水状态下的三轴压缩试验，试验结果表明地下水对板岩力学性质的影响较大，饱水后板岩沿层理面破坏的内摩擦角和黏聚力均减小，影响了隧道围岩的应力状态和稳定性。
关于软岩的膨胀特性研究，国内外学者已取得诸多成果（陈福榜等，2020；左清军等，2015；Wang et al.，2015；Fu et al.，2008；冒海军等，2006a，b；朱珍德等，2005；Einstein，1989）。在宏观层面，欧孝夺等（2013）对南宁膨胀性泥岩开展膨胀力试验，分析了影响膨胀力的因素，得到膨胀力与含水率之间呈半对数关系；钟志彬等（2019）基于川中红层泥岩时效膨胀性试验，认为岩石的结构性是影响泥岩膨胀程度的重要因素，岩石的颗粒粒径组成通过影响含水率进而表征为膨胀变形；左清军等（2016a）将板岩的吸水膨胀时间引入到膨胀本构方程中，修正了膨胀的一维本构关系，分段描述了含时间因子的三维膨胀本构模型。在微细观层面，冒海军等（2010）利用扫描电镜（scanning electron microscope，SEM ）等细观试验手段，探究了泥页岩、板岩水化过程的内在影响因素；刘镇等（2011）针对华南地区的红层软岩软化问题，从软岩饱水后的微细观结构变化出发，建立了微细观结构模型，对软岩软化力学机制进行了定量化研究；Guo 等（2015）对天然软岩在高应力状态下的亲水性进行了分析，结合X 射线衍射和压汞试验，研究了影响软岩亲水性的主要影响因素；戴张俊等（2013 ）通过对南水北调中的强、中膨胀岩，开展了系列微细观试验，研究了膨胀性与矿物成分的关系，分析了膨胀岩细观结构的演化特征；谭罗荣等（2006）提出了渗透吸力势理论，并将其用以研究膨胀岩、土的胀缩机制。
关于软岩的崩解性，许多学者已从室内试验、分形理论、断裂力学理论、能量耗散理论、数值模拟等角度进行了大量研究，如余宏明等（2002）、赵明华等（2005）、曹运江等（2006）、Erguler 等（2009a）、吴道祥等（2012）、郑明新等（2018）采用室内试验方法对软岩的崩解特性开展了研究，赵明华等（2007，2003）、刘晓明等（2008）、苏永华等（2006，2005）从分形理论的角度建立了软岩的崩解的数学模型，潘艺等（2017）基于断裂力学理论建立了红层软岩遇水崩解的界面模型，黄明等（2015）采用能量耗散理论建立了在酸碱溶液环境下泥质页岩崩解过程中相关指标的表征规律。刘长武等（2000）、颜波等（2009）、郭永春等（2010）、张抒等（2013）、柴肇云等（2015）研究了软岩或风化土的崩解与微观组构之家的关系。对于板岩这一类变质岩的崩解特性，仍少有涉及。
1.3 板岩蠕变特性研究现状
关于岩石的蠕变现象，早在18 世纪就引起了学者们的注意。1910 年，英国物理学家Andrade **提出蠕变这个名词。对岩石蠕变的研究可以追溯到20 世纪30 年代，1939 年Griggs 提出砂岩、泥板岩和粉砂岩等岩石中，当荷载达到破坏荷载的12.5%～80% 时，就发生蠕变的观点。之后岩石的蠕变现象受到国外学者的广泛关注（Chan，1997；Zaman et al.，1995；Brignoli et al.，1993）。纵观国内外关于蠕变的众多研究，主要集中于蠕变本构模型的建立、蠕变参数的反演和蠕变试验的研究。
1.岩体蠕变本构模型研究现状
岩体蠕变本构模型分为两大类：元件组合模型和数学模型（经验模型）。元件组合模型是用模型元件的组合来模拟岩土体的流变行为。肖树芳（1987）在研究岩体泥化夹层的蠕变时，提出了采用开尔文模型串联宾厄姆流体表示初始蠕变及等速蠕变阶段，采用黏滞系数随时间改变的牛顿粘壶模型描述加速蠕变阶段。宋德彰等（1991）提出了岩质材料的黏滞系数是加载应力大小和加载持续作用时间的非线性函数。袁静等（2001）基于岩土流变模型的研究现状，把各种流变模型分成4 类：元件模型、屈服面模型、内时模型和经验模型，从横向和纵向两个方面对各类模型进行了比较研究。曹树刚等（2002）通过对岩石的全应力-应变曲线和蠕变曲线的分析，将黏滞性体模型中的黏滞系数修正为非线性，提出了一种改进的西原正夫模型，能较好地反映岩石的非衰减蠕变特性。这些模型的提出，初步形成了岩石流变的非线性模型理论。元件组合模型理论在非线性方面的进展还处在初始阶段，远不能满足当前工程建设的需要。数学模型（经验模型）与元件组合模型的研究方法相类似，它也是在岩石流变试验的基础上，通过假设—实验—理论的方法来建立岩石的应力、应变和时间的函数关系模型。经验模型中以老化理论（Vanhoenacker et al.，2004）、流动理论（Nei-Che et al.，1996）、强化理论（Brooks et al.，1995）等具有代表性。但是，经验模型是根据不同试验条件及不同岩石类型求得的近似数学模型，尽管它们对于模拟具体岩石的流变，效果较好，但正是这种“具体”，使其适用条件苛刻，从而限制了它们在一般情况下的推广应用。
2.岩体蠕变参数反演的研究现状
岩体蠕变理论分析及其工程应用均基于正确的流变模型和较符合实际的蠕变力学参数。由室内及现场实验确定蠕变参数，往往受岩样尺寸效应的影响而具有一定的离散性和不确定性。20 世纪70 年代末发展起来的反分析法在某种意义上不仅具有消除试验尺寸效应影响的作用，而且由于实测位移包含工程因素的影响，使得以反分析所获参数进行实际工程岩体的蠕变分析能取得与现场较一致的预测结果。因而，许多研究者对蠕变参数的反演理论及其工程应用做了大量研究，提出了逆解法（Sakurai et al.，1983）、直接法（冯夏庭等，1999；王芝银等，1990）、实验设计反演法（刘怀恒，1988）。另外还提出了基于上述逆解法与直接法发展而来的逆解优化法和逆解回归法、增量位移反分析法（王芝银等，1993）；基于随机数据的不确定性反分析方法，如黏弹性参数的随机反演理论与方法（孙钧等，1996）等。位移反分析涉及各种模型、不同本构关系的黏弹性解析反演（杨林德，1996）、黏弹性和黏弹塑性数值反分析理论、方法及软件开发（王芝银等，2008；杨志法等，2002；吕爱钟等，1998）等方面，均取得了丰硕的成果，并在实际岩体工程中得到了应用。
3.蠕变试验的研究现状
试验是岩石力学的基础，是研究岩石力学与工程的重要手段。蠕变试验是研究岩石蠕变性能的重要途径。近年来，对岩石（完整岩块）在单轴压缩、三轴压缩等受力条件下的流变特性、岩体及结构面剪切蠕变特性研究方面有许多新的进展。日本学者Ito 等（1987）从1957 年开始对花岗岩试件进行了历时30 年的弯曲蠕变试验，研究结果表明花岗岩之类的硬岩同样会出现黏滞性流动。Haupt（1991）研究了岩盐的应力松弛特性，指出在整个应力松弛过程中岩石内部的细观结构仍保持不变，应力松弛则在另一侧面反映了岩盐内部组织受力后的黏性效应。Maranini 等（1999）对Pietra Leccese 灰岩进行了单轴压缩和三轴压剪蠕变试验，认为灰岩蠕变的变形机制主要为低围压下的裂隙扩展与高应力下的孔隙塌陷，蠕变对灰岩本构行为的主要影响为其屈服应力降低。Fujii 等（1999）对Inada 花岗岩和Kamisunagawa 砂岩进行了三轴蠕变试验，得到了轴向应变、环向应变和体积应变三种蠕变曲线，指出环向应变可以作为蠕变试验和常应变速率试验中用以判断岩石损伤的一项重要指标。在国内，随着近20 年来许多大型岩石工程的兴建，极大地促进了国内科技工作者对岩石蠕变特性的研究，开展了大量的岩石蠕变力学试验。陈宗基等（1991）**对湖北宜昌地区的砂岩进行了8 400 h 的扭转

目录 第1章 绪论 1 1.1 板岩的工程性质 1 1.2 板岩水理特性研究现状 2 1.3 板岩蠕变特性研究现状 3 1.4 隧道施工期围岩力学效应研究现状 6 1.5 研究区工程及工程地质概况 8 1.5.1 研究区工程概况 8 1.5.2 研究区工程地质概况 8 第2章 板岩的力学特性 11 2.1 板岩单轴压缩特性 11 2.1.1 试验方法 11 2.1.2 试验结果 11 2.1.3 结果分析 14 2.2 板岩三轴压缩特性 16 2.2.1 试验方法 16 2.2.2 试验结果 16 2.2.3 结果分析 20 第3章 板岩的水理特性 21 3.1 板岩的微观组构 21 3.1.1 矿物成分和含量 21 3.1.2 内部结构 23 3.2 板岩的吸水特性 23 3.2.1 试验设备 23 3.2.2 试验方法 23 3.2.3 计算方法 24 3.2.4 试验结果 24 3.2.5 结果分析 25 3.3 板岩的膨胀特性 27 3.3.1 试验设备 28 3.3.2 试验内容及结果分析 28 3.3.3 板岩膨胀机理 37 3.4 板岩的崩解特性 38 3.4.1 试验设备 38 3.4.2 试样制备 39 3.4.3 试验方法 39 3.4.4 结果分析 39 3.4.5 板岩崩解机理 42 3.5 不同含水率条件下板岩的力学特性 43 3.5.1 板岩单轴压缩特性 43 3.5.2 板岩三轴压缩特性 45 3.6 板岩的水理机制 51 3.6.1 地下水在板岩中的物理状态 51 3.6.2 板岩软化机理 52 第4章 板岩的蠕变特性 55 4.1 板岩蠕变特性试验 56 4.1.1 试验过程及方法 56 4.1.2 试验结果及分析 57 4.2 板岩蠕变本构模型 59 4.2.1 蠕变本构理论基础 59 4.2.2 蠕变本构模型构建 63 4.3 水对板岩蠕变特性的影响 66 第5章 板岩隧道围岩分级 69 5.1 板岩隧道围岩分级方法概述 70 5.1.1 板岩的工程地质特性 70 5.1.2 分级指标确定 70 5.2 围岩分级方法 71 5.2.1 选择评价指标 71 5.2.2 建立隶属函数 72 5.2.3 确定权重值 74 5.2.4 模糊综合评判 75 5.3 应用实例 76 5.3.1 油坊坪隧道概况 76 5.3.2 油坊坪隧道围岩分级 76 第6章 板岩隧道施工期围岩力学特性数值模拟 78 6.1 板岩隧道开挖与支护数值模拟 78 6.1.1 黏弹塑性有限元模拟基本理论 78 6.1.2 ANSYS模拟隧道开挖过程实现 85 6.1.3 应用实例 87 6.2 膨胀作用下板岩隧道支护结构力学响应数值模拟 106 6.2.1 理论基础 107 6.2.2 计算假定 110 6.2.3 计算模型与边界条件 110 6.2.4 支护结构变形响应 113 6.2.5 支护结构内力和应力响应 119 6.2.6 隧道围岩动力响应 130 第7章 板岩隧道施工期围岩变形时空效应 143 7.1 板岩隧道监控量测 143 7.1.1 监测内容及测点布置 143 7.1.2 监测断面布置及监测频率 144 7.1.3 监测仪器 144 7.1.4 隧道初期支护极限相对位移 145 7.1.5 数据处理分析方法 146 7.2 板岩隧道施工期围岩变形特征 147 7.2.1 隧道施工的时空效应 147 7.2.2 隧道施工期围岩时间效应 149 7.2.3 隧道围岩施工期空间效应 164 7.2.4 板岩隧道施工期围岩变形机制 168 7.3 板岩隧道围岩大变形控制技术 172 7.3.1 软岩隧道支护原理 172 7.3.2 板岩隧道围岩大变形控制方法 172 参考文献 176