岩石力学在工程中的若干应用提要.docx
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岩石力学在工程中的若干应用提要
岩石力学在工程中的若干应用提要
1.采矿工程涉及的岩石力学问题
（1）矿山地应力场测量；
（2）露天采矿边坡设计及稳定加固技术；
（3）井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题，特别是软岩巷道和深部开采地压控制问题；
（4）采矿设计优化,包括采矿方法选择、开采总体布置、采场结构、开采顺序、开挖步骤、地压控制、支护加固的优化等；
（5）岩爆、煤与瓦斯突出、矿井突水预测、预报及预处理理论和技术；
（6）采空区处理及地面沉降问题。
2.构皮滩水电站岩石力学研究
乌江构皮滩水电站由混凝土双曲拱坝、右岸地下电站以及左岸通航建筑物（缓建）组成，最大坝高232.5m，总装机容量为3000MW。
发电建筑物采用地下厂房，装机5台，穿越Ｐ2ｗ～Ｏ31ｍ各个岩层，引水隧洞、主厂房、主变洞、调压室、尾水隧洞构成了错落分布的大型地下洞室群，其中主厂房轴线方向NE75°,跨度27M，高度75.02m，属大跨度高边墙的超大型地下洞室。
根据坝址区工程地质条件和建筑物布置特点，主要存在以下岩石力学与工程问题。
（1）坝基及拱座岩体变形稳定问题。
坝基和拱端附近的Fb112、Fb113等层间错动、沿NWW向断裂等发育规模较大的溶洞以及NW、NWW向陡倾角断裂，其方向与拱端推力方向夹角较小，构成拱座滑动失稳的侧向边界，且沿岸坡发育卸荷带，直接影响坝基和拱座变形稳定。
（2）地下洞室群围岩变形稳定问题。
地下电站洞室群中层间错动、断层、溶蚀等地质缺陷以及尾水洞粘土岩、页岩等软弱岩体影响地下洞室群围岩变形稳定性，特殊的地质条件和大跨度、高边墙的地下洞室群稳定性问题给地下洞室开挖方式、支护措施带来一系列的工程问题。
（3）边坡稳定问题。
水垫塘两岸边坡高陡,基脚开挖将改变边坡的应力平衡状态，工程运行期间，泄洪雨雾将造成岸坡岩体中动、静水压力增加，岩体及结构面强度降低，对边坡稳定不利。
3.深层岩石力学研究及其应用
在深层岩石力学研究中，所涉及的地层深度大多在2000～8000m范围内，研究对象以沉积岩层为主体，岩石处于较高的围压（可达200MPa）、较高的温度（可达200℃）和较高的孔隙压力（可达200MPa）作用下。
这与水电站的坝基设计、高边坡稳定、隧道和巷道的开挖及支护、建筑的桩基工程、地下洞室、城市地铁建造等不超过1000m深度的地表或浅层岩石力学问题不同，也不同于以火成岩和变质岩为研究主体，深度超过万米的下地壳、上地幔岩石物理力学问题。
深层岩石力学所涉及的围压可达200MPa。
事实上，地层的围压来源于非均匀的原地应力场，若垂向应力源于地层自重，那么应力梯度平均为0.023MPa/m，多数地区最大水平应力往往大于垂向应力，且2个水平地应力梯度的比值常达1.4以上。
在山前构造带地区，不但地应力梯度高，而且水平最大、最小地应力的比值也很大。
因此，在研究地应力分布规律（包括数值大小及主方向）时，主要依靠水压致裂、岩石声发射试验、岩石剩磁分析、差应变分析、地震和构造资料反演、测井资料解释等间接方法。
深层岩石力学所涉及的温度可达200℃。
一般的地温梯度是3℃/100m，高的可超过4℃/100m，具体的地温梯度往往需要实际测定。
当温度超过150℃后，温度对岩石性质的影响是十分显著的。
深层岩石力学所涉及的沉积岩层孔隙和裂隙中高压流体（包括各种液体和气体）的孔隙压力可达200MPa。
常规的静水孔隙压力梯度为0.01MPa/m，而异常高压地层的孔隙压力梯度可超过0.02MPa/m。
深层岩石力学所研究的地层力学性质在高围压、高温度和高孔隙压力状态下，已完全不同于浅部地层，它可能从弹脆性转变成粘塑性，也可能由于高孔隙压力的作用使得原本延性的岩石呈现脆性破坏。
20世纪60年代以来，随着我国大庆油田等油田的开发，岩石力学在石油工程中日益显示了其重要性。
主要研究范围包括：
（1）深层地应力测量理论与技术；
（2）深部地层环境下的岩石力学性质；
（3）岩石应力、渗透性的声学响应特性及岩石物理力学性质的地球物理解释；
（4）构造应力场的数值模拟及其在油气勘探与开发中的应用；
（5）深层岩石中天然裂缝的形态、分布和预测理论；
（6）岩石的固液耦合理论及在油藏工程中的应用；
（7）岩石破坏机理与高效破岩方法研究；
（8）井眼稳定机理与控制技术；
（9）人工裂缝的起裂、扩展及水力压裂工程设计；
（10）弱固结地层的固相产出问题；
（11）地层错动、蠕变与套管损坏问题。
4.支井河特大桥隧道锚碇岩石力学性质试验
沪蓉国道主干线宜昌至恩施段支井河特大桥设计方案拟采用悬索桥型，主跨为676m，单根主缆最大拉力1.56×105kN，采用隧道锚方式。
大桥桥址基岩为三叠系大冶组上段薄层、中厚层~厚层泥质、白云质灰岩。
桥址区位于构造溶蚀峰丛峡谷地貌单元、深切峡谷，两岸岸坡陡峻，悬崖耸立。
由于卸荷带范围大，卸荷裂隙、溶蚀作用及断层、软弱夹层等都将对隧道锚碇岩体变形稳定带来不利影响，因此,锚碇区岩体力学特性研究是大桥设计的关键问题之一。
为此，长江科学院于2003年8～10月进行了支井河悬索桥隧道锚碇区岩石力学特性研究。
岩石力学试验取于开挖平洞，勘探平洞位于西桥头（恩施岸），洞口桩号K120+660右15m，坐标为X=389925，Y=422638，轴线方向269o33"。
平洞围岩为三叠系大冶组上段（T1d2）薄层、中厚层及厚层泥质、白云质灰岩。
洞口段岩层产状215o∠19°，到洞深65m处岩层产状逐渐变为185o∠10°。
平洞围岩处于强卸荷带，0～49m洞段强风化、49～65m洞段弱风化。
0～10m段岩体为镶嵌碎裂结构，其余为层状结构。
18～28m洞段夹薄层、极薄层较破碎灰岩，其上、下部发育泥化夹层。
中厚层、厚层灰岩的层面一般充填少量钙质或泥质，闭合~微张开。
5.矿山岩石力学问题在地下开采中的研究与应用
地下采矿过程中的岩石问题是影响矿山发展的技术难题,开采较深的矿山遇到这一问题更加突出,由于大部分有色矿山面临着资源的减少或枯竭,许多矿山逐渐转入深部矿床的开采,随着开采深度的增加,地压活动加剧,岩石力学问题也越来越突出,某些矿山已被日益加剧的地压活动所困扰,安全事故频繁,采矿效率低,甚至造成大量资源的损失。
因此重视和加强岩石力学问题的研究,有待于今后指导矿山地下开采最关键的技术课题之一。
地下开采的某些矿山矿床开采的岩石力学条件差,工程地质复杂,矿岩松软破碎,开采过程中的岩石力学问题也更加突出。
⑴采场冒顶事故频繁。
地下矿床在开采时,采场顶板管理是关键,但多数采场管理效果不好,安全事故不断,致使生产条件恶化,难以进行正常采矿,甚至造成采场垮冒报废。
四川金川锂矿矿区内F1～F3断层和P1、P2两条较大的破碎带,节理发育,在断层中布置采场时,在回采中经常发生冒顶事故,工人进入采场工作面,往往进行几个小时的敲帮问顶,个别采场刚刚做完切割工程,采场就发生大面积塌冒,人员无法进入矿房采矿,以致造成大量的矿量无法回收。
⑵巷道地压显现剧烈。
吐鲁番某铜矿许多巷道位于宽而破碎的构造带中,围岩极不稳固,掘进过程中时常发生垮冒,有的一掘即垮,不采用超前支护手段则难以通过。
⑶区域地压增大,空区处理困难。
一些采用留矿法开采的矿山,在开采过程中,由于没有及时处理采空区,遗留下一定规模的空场群,随开采范围不断扩大,空场之间矿柱逐渐失稳,空场暴露面积越来越大,使区域地压活动加剧,给相邻矿块和下部矿体的开采带来严重影响,也使大量的矿柱矿量难以回收。
⑷地表沉陷控制难度增大。
四川金川李家沟锂辉石矿区是森林覆盖区,由于受国家天然林保护政策限制,地表不允许塌陷,控制采场地压活动是开采过程中的关键。
6.西部大开发中的岩石力学与工程地质问题
中国的西部大开发对中国的社会主义建设有着至关重要的、深远而伟大的意义，目前西部大开发的一系列基础建设和重点建设项目相继开工，这对促进中国西部的发展有重大的意义，但在西部开发中除了要关注的环境问题之外还要十分关注岩土力学与工程地质问题，因为岩土力学与工程地质问题是关系到项目的成败、项目的质量的千秋大事。
（1）湿陷黄土问题
我国的湿陷黄土主要分布在山西、陕西、甘肃的大部分地区，河南西部和宁夏、青海、河北的部分地区，此外新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区局部地区也有湿陷黄土。
湿陷黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔隙和垂直节理，在天然湿度下，其压缩性极低，强度较高，但遇水浸湿时，土的强度则显著降低，在附加压力或在附加压力与土的饱和自重压力下引起的湿陷变形是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形，对建筑物破坏的可能性大。
湿陷黄土分布地区遇到的主要工程灾害是地基沉降引起的建筑物变形破坏，另外还会引起边坡变形和滑坡问题。
例如：
宝天铁路葡萄园车站东的K1357滑坡，1981年11月19日突然滑下60×104m3，山体滑出约400m，将铁路明洞摧毁75m，中断行车13d，使渭河断流。
葡萄园以西一个黄土滑坡在1985年9月15日30×104m3的土体将高30m的路堤连同钢轨、枕木推出100余米。
洒勒山滑坡摧毁四个村庄，227人死亡。
天水锻压机床厂黄土滑坡摧毁了6个车间，造成7人死亡，造成2000万元的损失。
兰州南北两山灌溉绿化后，引起湿陷黄土变形和滑坡、坍塌，其中最突出的是造成元代古白塔倾斜变形，其原因既有不均匀的湿陷变形，也有向临空面的滑动。
（2）长年冻土与季节性冻土
我国冻土地区包括黑龙江、内蒙古、甘肃、青海、西藏。
在甘肃乌鞘岭公路施工中就遇到过季节性冻土路段。
青藏铁路格尔木至拉萨全长1118km，海拔4000m以上路段965km，其中多年冻土地段550km（望昆至望唐路段），多年冻土地段施工是一项世界性技术难题。
中国科学院冰川冻土所与中国铁路专家对冻土地区的筑路技术进行了40多年的研究，目前在采用片石通风路基、片石通风护道、热棒、以桥代路、通风管路基等主动保护冻土措施，以及保温材料、填土等被动保护冻土措施，为青藏铁路建设打下了坚实的技术基础。
（3）滑坡和泥石流
滑坡地质灾害在我国重庆、四川、广西、贵州、云南、甘肃、西藏都有较多的分布，每年都因滑坡灾害造成大量的人员伤亡和财产的损失，滑坡灾害已成为近几十年受工程地质工作者工作关注的热点。
以三峡库区为例，目前已查出两岸规模较大的崩滑体2490多处，此外还有大小泥石流90余条，况且蓄水后水库塌岸还将诱发新的地质滑坡灾害。
三峡库区以滑坡和泥石流为主的地质灾害防治的目标分为近期、中期、远期，对地质灾害进行充分的估计和预测，使其得到有效的防治。
（4）高陡边坡的研究
随着我国大规模的向西部开发，高山峡谷区的一系列重大工程涉及了大量高陡边坡问题。
边坡的高度已远远的打破了我国的历史纪录和世界纪录，西南雅砻江锦屏一级水电站等工程涉及的陡峻斜坡高度已经达到900m以上，西北新疆塔里木河流域下坂地水库等与工程相关的斜坡高度已超过1000m，边坡规模增大，边坡工程地质条件更加复杂，使我国高边坡变形与稳定性研究成为一个新的热点。
我国近期高陡边坡研究的热点将是高陡边坡的变形模式和尺寸效应、动力变形与动力稳定性、监测与工程处理等问题。
（5）深埋长隧道工程地质研究
深埋长隧道是我国西部大规模建设中一个重要的工程类型。
南水北调西线一期工程93.8%的线路为隧道。
我国第一、世界第二的特长公路隧道——陕西终南山秦岭高速公路隧道，隧道全长18km。
位于甘肃金昌的引硫济金引水隧道海拔在3000～4000m，隧道长6km多，是我国高海拔最长的隧道之一。
7.深部硬岩开采的岩石力学问题
地下开采方式是目前我国获得多种能源资源与矿产资源的重要途径。
随着浅部资源的逐渐减少和枯竭,地下开采陆续转入深部开采,向深部资源进军就成为一种必然趋势。
有色金属资源方面,一批矿山近年已先后或即将进入深部开采,如红透山铜矿采深已达900～1100ｍ深度;冬瓜山铜矿已建成2条超1000ｍ的竖井,并即将进行日产达10000ｔ矿石量的大规模强化开采实践;湘西金矿采深也达到地表以下850ｍ;夹皮沟金矿二道沟坑口矿体延深至1050ｍ。
此外,寿王坟铜矿、凡口铅锌矿、金川二矿区以及已探明百万t级矿山江西银山深部铜矿等都将进行深部开采。
随着开采深度的增加,地应力呈线性或非线性增加趋势,地温升高,岩体变硬变脆,地质条件恶化,由此带来运输提升、岩石力学、通风降温、充填工艺以及生产成本等许多技术问题。
鉴于我国硬岩矿山的开采现状,对以上问题的研究还处于探索阶段,许多方面还仍然是空白,因此亟待进行深入系统的研究。
其中,岩石力学问题的研究是深部矿山开采面临的突出研究课题,因为它直接关系到矿山安全生产和经济效益,也是深部矿山开采工艺选取与变革的基础。
概括起来,深部硬岩开采岩石力学的研究目前主要侧重于以下几个方面：
（1）对深部原岩应力场的研究；
（2）对深埋岩体物理力学性质及其本构关系的研究；
（3）对岩爆孕育机理及其倾向性的预测预报理论与方法研究；
（4）对高应力下岩层控制和支护方法的研究等。
8.南水北调中线工程总干渠岩石力学与工程问题
南水北调中线工程全长约1240km,沿线主要经过冲洪积平原、岗地和丘陵区,间夹河谷地形,分布地层岩性主要为第四系砂壤土、粉质壤土、粉质粘土、黄土状土、淤泥质粘土和砂砾石,第三系粘土岩、砂岩、砂砾岩、泥灰岩等,少数渠段出露第三系以前地层,岩性主要有大理岩、片岩、灰岩、白云质灰岩、白云岩、砂岩、页岩等。
根据南水北调中线工程可行性研究报告,渠线通过岩体段累计长度91km,土/岩体双层结构段累计长度194.3km,通过煤矿采空区长度13km,压煤段总长47.3km,穿越大小河流219条。
由此带来以下岩石工程问题：
（1）软岩工程力学特性与渠坡稳定性及支护措施问题;
（2）膨胀岩渠坡稳定性及支护技术问题；
（3）跨河建筑物软岩地基强度及桩基承载力问题；
（4）煤矿采空区塌陷变形及渠道的稳定性问题。
9.卸荷岩体力学在三峡船闸中的应用
三峡永久船闸陡高边坡稳定是世界上前沿性的工程课题,被国家列为“七五”、“八五”重点科技攻关项目，我国许多科研单位与院校、众多学术权威参与攻关,资料十分丰富，这些成果定会略显不同,但宜昌片出现了使人难以接受的数量级差异。
在工程实施中,布置了全面系统的观测工作,为比较鉴别与反馈设计提供了最权威性的证据。
陡高边坡稳定问题也是西部大开发将面临的挑战性课题,这些成果是其工作中指导与参考的宝贵财富。
过去水电工程所遇边坡问题,如五强溪水电站左岸船闸边坡、天生桥Ⅱ级水电站厂房后边坡、漫湾水电站右岸厂坝边坡等,研究所作预测预报与实际发展不符,使岩石力学信誉频遭挫折。
现有关三峡永久船闸陡高边坡变形研究的论文,在各种技术刊物上广泛发表,并都自称其与实际一致。
自然客观实际反映是最好的权威鉴别,经客观比较,即可找出较符合实际的成果。
以其作为西部大开发中类似问题的指导与参考,避免作无用之功
在三峡工程永久船闸与升船机的高坡实施中,其位移变形量、变形时效与影响范围的演绎,是检验所有研究成果的唯一准绳。
经比较鉴别,只有卸荷岩体力学的预测与实际一致，其所选宏观岩体力学参数与计算中的分带,经用实际展现的迹象信息作反馈求算,所得结果与先前的设定完全相符，用此新理论研究西部大开发中的高边坡工程,具有很强的参考与指导意义。
10.江口水电站岩石力学试验研究
江口水电站位于重庆市武隆县江口镇芙蓉江河口以上约2km。
大坝采用双曲拱坝,最大坝高139m。
地下电站主厂房洞室81.8m×16m×46.45m（长×宽×高）。
坝区出露岩层为寒武系毛田组、奥陶系南津关组白云岩、灰岩、页岩及含灰质串珠体的页岩。
坝址断层、裂隙主要有3组：
NEE组，NW组，NNE组。
坝址缓倾角裂隙不发育。
坝址软弱夹层按成因、物质组成及性状分为3类:
Ⅰ类泥化夹层;Ⅱ类破碎夹层;Ⅲ类风化溶蚀填泥软弱夹层带。
主要岩石力学与工程问题:
岩体中存在大量的软弱夹层;右岸ＮＥＥ组裂隙、左岸ＮＷ组裂隙较发育,可能形成侧滑面;坝基抗滑稳定。
进行了岩体及夹层变形特性试验,混凝土与基岩、结构面以及岩体本身的抗剪强度试验,岩体声波测试,地应力测试以及室内岩石力学试验研究,并据此提出了岩石单轴抗压强度,变形模量、抗剪强度等参数的建议值。
11.三峡永久船闸高边坡开挖中的岩石力学问题
永久船闸在三峡左岸修建,开挖深切山体形成最大深度170M、W型的双向岩石高边坡,两线闸槽两壁为直立边墙,中间保留宽约60ｍ、高45～68ｍ的中隔墩。
5级船闸全长达1607ｍ。
中隔墩和两侧高边坡岩体中各有一条贯穿全线的输水廊道,还有36个竖井和14条排水洞,结构十分复杂。
整个开挖工程分两期施工。
第一期从地表一直开挖到闸槽顶板（闸室直立墙顶）以上10～20m高程,完成了石方1162万m3开挖、各类喷护约15万m2、锚杆2800多根、锚索429根。
一期开挖中,上部边坡出现的问题主要是开挖技术掌握不好、爆破不规范,致使边坡成型差、进度慢,但岩体开裂和塌方问题并不突出。
第二期主要是开挖闸槽,两期总共完成石方开挖2300万m3（闸室段）、锚索4364根、各种锚杆10万余根。
第二期开挖工程虽然石方工程量只占一半,但是因为要深挖切槽,形成闸室、门槽,开挖轮廓十分复杂,体形要求很高,并且开挖造成岩体剧烈卸荷,稳定问题突出。
还有大量立体交错的洞室开挖工程,工序复杂,施工干扰很大,整个工程难度比第一期大得多。
除石方开挖外,各种锚固工程量（锚索、锚杆等）也比第一期工程大得多。
二期开挖工程中陆续出现闸顶、直立边墙成型困难,边坡岩体松动,中隔墩开裂和块体崩塌等问题。
虽然不断研究,改进了爆破、开挖方法和工艺,加强了施工地质测绘、安全监测和预报,大量增加了随即锚索和锚杆以加固岩体,但是工程进展还是较慢,工期长达3年半,比之第一期长了两年。
12.油气开发中的岩石力学问题
近年来,随着石油勘探开发工作的不断深入,岩石力学在石油开发领域的应用受到了许多有识之士的高度重视,它在解决油气藏开发中复杂技术问题的同时,也促进了与油气开发相关的岩石力学的飞速发展。
目前国内外油气开发中岩石力学的研究主要集中在以下几方面:
（1）实际环境下的岩石力学性质及在开采过程中的变化规律;
（2）石油开采中的流固耦合问题及孔隙结构的变形和跨塌;
（3）应力场、渗流场和温度场作用下的流固耦合分析;
（4）油气藏开采引起的地层错动、蠕变和地面沉降研究;
（5）地应力测试技术;
（6）地应力场的演变及天然裂缝的形成与扩展的分布规律;
（7）实际地层环境下的岩石物性和声学的响应特性;
（8）岩石物理力学性质的井下地球物理解释;
（9）井眼稳定、储层出砂、优化射孔、稠油冷热采等井下工程研究;
（10）水力压裂力学研究;
（11）流固耦合油气藏数值模拟理论和方法研究。
在以上众多的研究方向上,油气开发过程中的岩石力学性质求取及变化规律、油气储层流固耦合理论、水力压裂理论、地应力测试技术和流固耦合油气藏数值模拟理论以及这些理论方法在油气开发中的应用等课题均为当前国内外研究的热门项目。
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