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在工程中，最重要的沉积岩是砂（沙），泥质（粘土）和钙质（石灰岩）岩。典型的砂岩由碎屑矿物组成，如石英和长石，由粘土，方解石或热液石英基质粘合在一起。因此，当砂岩破裂时，裂缝跟随较弱的粘土或钙质水泥，而不是通过较强的颗粒传播。泥质岩石，如页岩，由微弱的微粒组成，主要由高岭石组成。钙质岩石由有机残余物或沉淀物组成，主要以方解石形式存在。
变质被定义为这样的过程的结果，除风化之外，它导致火成岩或沉积岩石材料的再结晶。在变质过程中，岩石基本上保持坚实;如果发生重熔，就会产生岩浆，而变质岩则成为岩浆作用。在固体岩石中变质是由温度（200-800℃），压力和化学环境的推动变化引起的。这些变化影响矿物组合的物理和化学稳定性，并且由建立新的平衡而导致变质作用。在新的条件下，岩石的组成变为更稳定的矿物，矿物通过产生更适合新环境的纹理自行排列它们。因此变质作用导致部分或完全的岩石再结晶，产生新的纹理和新的矿物。
热，压力和化学活性流体是变质作用的驱动力。热量可以通过随着深度增加温度或通过连续的岩浆而产生。有两种压力：静压（均匀）压力，导致体积变化;和导向（剪切）压力，这导致形状变形。均匀压力导致产生颗粒状，非定向结构;定向压力导致平行或带状结构的产生。均匀压力通过促进体积减少，即形成更高密度的矿物来影响化学平衡。化学活性流体的作用对于变质作用至关重要，因为即使它不从岩石中添加或分离出物质，它也会通过溶液和再沉积来促进反应。当它增加或减少材料时，这个过程称为交代。一定程度的交代作用可能伴随着变质作用。水是主要的化学活性流体，它通过二氧化碳，硼酸，氢氟酸和盐酸以及其他常常是岩浆来源的物质来辅助。
人们普遍认识到两种主要类型的变质作用：热（接触）变质作用和区域变质作用。接触变质作用是在丰富的岩石体周围形成的。在这种情况下，变质作用的温度主要是由侵入岩浆的接近度决定的，这也可能释放出化学活性流体，促进了围岩的再结晶作用。正如其名称所暗示的，区域变质作用是在大区域发展的变质作用，通常在褶皱山根部地区和前寒武纪地区的数千平方千米。 （表2.1.-4）
地壳由95％的火成岩，5％的沉积岩和少量的变质岩组成。但是，这并不是完全准确的。在工程项目中可能遇到的那种岩石的图片。假设地壳厚30-50公里。几乎所有重大项目都发生在含有大部分沉积岩的地表的最初几公里范围内。 在地表或其附近工作的工程师通常必须与主要是沉积或变质的岩石相抗衡。另外，高比例的沉积岩是泥质的，而其余大部分是砂质或钙质的。
表2.1.-4 最常见变质岩的地质分类：
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分类 |
岩石 |
描述 |
主要矿物质成分 |
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联系 |
角岩 |
微细颗粒 |
石英，云母 |
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区域 |
石英 |
细粒度 |
石英，长石 |
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大理石 |
细到粗粒 |
方解石或白云石 |
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片麻岩 |
中等 - 细粒度 |
长石, 角闪石 |
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板岩 |
岩石解理 |
高岭石，云母 |
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千枚岩 |
解理面 |
云母，高岭石 |
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片岩 |
细薄片状 |
长石，石英，云母 |
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长石片麻岩 |
粗薄片状、带状 |
长石，石英，云母 |
泥质岩石主要由两种类型的页岩组成：固结和胶结。两者通常紧密层合或层压。前者在干燥状态下相当强壮，但在潮湿时较弱; 后者在大多数情况下倾向于具有中等强度，但在压力下容易变形。采矿，隧道或建筑基础在这种岩石类型中遇到的问题立即显现出来。
岩体不连续
在没有关于岩体不连续性的具体信息的情况下，岩体通常被认为是线性弹性材料。大多数岩层在一定程度上断裂; 裂缝平面代表了其他连续介质中的非连续结构单元。岩石边坡和地下开挖的稳定性是地质工程的两个领域，其中完整岩石性质的影响可能不如岩体不连续性的影响。
岩层的构造映射包括识别岩石类型，其分布和压裂程度，以及评价主要类型的不连续性。对于实际使用，这些信息必须由专门设计用于预测岩石结构稳定性和开采性能的岩石质量行为的岩土分类系统精确构建。（图2.1.-3）
图2.1.-3。 典型的裂隙岩体由一组“关节”组成; 以及由相似强度的规则间隔接缝组成的简化土工模型。
节理面
完整岩石
裂隙岩体 岩土工程解释
当岩体中存在两个或更多相交裂缝组时，基于累积体积裂缝平面面积的等效或平均裂缝间距为：
Omean =（·1 / Oset）-1 =（·每立方米的破裂面积3）-1 = [m2 / m 3] -1
Omean = [ 1-1 0.5-1 0.5-1 ]-1 = 0.2m
在NTH隧道掘进性能分级系统中，根据断裂强度（孔径或开放程度，持久性，表面粗糙度和波纹度以及填充材料）将裂缝类型分为四类：
- 系统性裂隙岩体，其特征在于：
- 平行导向接头组（额定Sp）
- 平行取向的裂隙组（额定St）
- 涂层或垫层平面，或分型装置（额定St）
- 非破裂岩体（额定St 0）
- 标记单接头（额定ESP）
- 剪切区 - 需要评估必要的地面支持工作，而不是提高净膨胀率
断裂类型或断裂强度等级，断裂设定间距和断裂面取向与隧道轴线的组合形成岩石断裂因子。裂缝和叶理面的断裂系数如图2.1所示。
图2.1.-4。作为函数的全面隧道掘进性能预测的断裂系数裂隙等级评定，角度alpha;和弱面之间的平均间距。
TBM提前率或多或少与断裂因子成比例。然而，与全面隧道掘进机不同的是，与TM60一样，局部切割机床通常配备了一种型材切割控制系统，该系统将切割深度保持在预设值。因此，岩石破裂的程度不会影响TM60的净切削速率（除非操作员改变设定值），但是在挖掘越来越多的裂隙岩石时会导致平均工具力的降低。
micro; = arcsin [ sin f bull; sin ( r - s ) ]
2.2力学性能和岩石性能
岩石强度或岩石抗负荷下的破坏是一种机械岩石性质，主要取决于岩石本身的性质。另一方面，岩石可切割性不仅取决于岩石，还取决于工作条件以及切割过程（切割深度，工具尺寸，切割速度，轴向力，存在和润湿的程度等）。因此，随着岩石开采方法的改进，评价岩石可切割性/可钻性的环境也在不断变化。
针对特定切割/钻孔方法（例如冲击钻孔，旋转钻孔，牵引工具和滚筒切割等）对岩石可切割性和可钻性进行评级的系统已经开发完成，因此每种方法都有单独的评分系统。评级系统不直接连接，难以比较不同的切割/钻孔方法。另外，随着切割/钻孔技术的发展，它们往往过时。
已经开发了多种仪器和程序来测量机械岩石的性能。这简化了对切割/钻孔过程的研究，包括各种机械岩石特性和其他因素对岩石切割/钻孔性能的影响。
机械岩石特性可以分组如下：
1.强度
- 在压缩，拉伸或拉伸等基本应力下耐（批量）失效剪断
- 围压，温度，应变率，孔隙流体压力，试样的影响，尺寸等强度属性
2.变形能力
- 抵抗形状或体积的变化
- 弹性和热膨胀常数
3.硬度
- 通过压痕或刮擦来抵抗局部（表面）失效
4.断裂韧性
- 抵抗裂缝扩展
TBM提前率或多或少与断裂因子ks成比例。然而，与全面隧道掘进机不同的是，与TM60一样，局部切割机床通常配备了一种型材切割控制系统，该系统将切割深度保持在预设值。因此岩石破裂的程度不会影响TM60的净切割
5.摩擦系数
- 抵抗与平面接触的两个物体的滑动
6.易碎性和研磨性
- 耐粉碎（将物质还原成粉末）
7.“提取性”
- 通过不同的提取过程（例如）来抵抗碎裂和破坏如岩石可切割性，可钻性，可爆性，爆破岩石的可载荷性以及在某些“理想化”或标准操作条件下钻屑的可泵性。
8.磨损性
- 岩石能够引起机械工具和设备的磨损
大多数物理测试都包含一系列读数的列表和计算代表整体的平均值。
这个问题代表了这个平均值如何代表被调查的特征。三个重要因素挑战结果：
- 仪器和程序错误
- 正在测试的岩石标本的变化
- 选定的岩石标本作为整体研究下的岩层或地层的表现
确定岩层或岩层的机械岩石特性时，最大的误差来源无疑是所选岩石样品的可代表性。
2.3评定岩体的可切割性和可钻性
虽然基于原始，矿物质含量和地质结构的岩石地质分类通常对于指示某些强度参数和趋势有用，但这种分类为工程师设计或挖掘岩石提供了很少的信息。 工程师需要对岩体特性进行功能性地质力学分类，以用作设计和性能预测标准。
对于列出的岩石切割工具，以下用于评估岩石质量可切割性和可钻性以便进行性能预测的测试方法是有效的：
-滚筒盘和镶块滚筒盘切割器
-旋转三牙轮钻头
-拖动工具
-凿岩钻头
最简单的岩石可切割性和可钻性定义为与净切割或净渗透率或特定切割/钻探能量成正比的因子。但是，具体能源与确定的设备或钻井设备密切相关。岩石可切割性的另一个更准确的定义是，对于单位切削深度的工具压痕，例如辊盘切割中的临界法向力Fn1，或冲击式钻孔的K1，对于工具压痕的抗性。
今天，用于评估岩石质量可切割性和可钻性的若干经验性测试方法用于性能预测目的。这些方法可以分为以下几组：
1.通过将标准岩石类型获得的结果的净渗透率参考给定的切割/钻探设备和工具组合，编制历史性能数据（通常为净切削或净渗透率），作为评级岩石可切割性和可钻性的依据。最常用的标准岩石类型是：
- 美国佛蒙特州的Barre花岗岩
- 美国威斯康星州的Dresser玄武岩
- 芬兰坦佩雷的Myllypuro花岗闪长岩
- 通过将特定的切割能量与岩石的机械特性相结合，作为评价岩石可切割性/可钻性的手段，编制历史性能数据，包括给定切割/钻探设备和工具组合的使用功率水平。最常用的机械岩石特性是：
- UCS的抗压强度
- Brazilian拉伸强度，BTS
- 点负荷指数，
3.基于冲击载荷和压实完整岩石的密实固体或聚集特性的试验。由于压碎测试的冲击载荷和破碎性质 - 它们表示破坏给定岩石体积所需的相对能量; 从而允许现场的切割/钻孔性能或比能量与压碎测试指标值相关。
最常用的评分可钻性压痕测试包括：
- 钻速指数，DRI
- 普罗特维克诺夫岩石硬度，fnof;
- 岩石冲击硬度值，RIHN
基于岩石可切割性/可钻性指数的性能预测模型通常包括孔隙度和岩体不连续性的影响，方法是通过对实验现场性能数据的反向分析，结合这些岩体特征的修正因子或修正因子。
4.辊盘和拖曳工具的实验室线性切割测试
切割评级岩石的可切割性。此外，通过将线性切割测试结果与刀盘花边设计相结合，可以使用分析模型进行作为非破裂岩体条件下净切削速率函数的刀盘力预测。参考章节3.7。
5.有限元和粒子流代码的数值模拟。通过滚盘式切割机加载岩石会导致宏观裂缝从工具边缘的角落开始，并以弯曲的轨迹向侧向和向上推进。初步结果还表明，约小的剪切载荷。法向力的十分之一明显改变了刀具路径周围岩石中的应力。更重要的是，在切缝切割中，拉应力可能从邻近的切口产生;因此宏观裂缝扩展可能从邻近的切口以及从当前切割的切口处发生。
6.应力波传播与钻头压痕试验（静态或动态K1值）相结合的分析和模拟，结合了冲击钻中岩石加载和钻头压痕的动态特性。这种方法的一个例子是Sandvik Mining and Construction开发的CASE程序。
变形岩石切割
当弹性变形导致失效时，材料通过
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