圍巖分類與圍巖壓力

1、第四章 圍巖分類及圍巖壓力第一節(jié) 隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)一、隧道圍巖的概念 圍巖是指隧道開(kāi)挖后其周圍產(chǎn)生應(yīng)力重分布范圍內(nèi)的巖體，或指隧道開(kāi)挖后對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖體(這里所指的巖體是土體與巖體的總稱)。應(yīng)該指出，這里所定義的圍巖并不具有尺寸大小的限制。它所包括的范圍是相對(duì)的，視研究對(duì)象而定，從力學(xué)分析的角度來(lái)看，圍巖的邊界應(yīng)劃在因開(kāi)挖隧道而引起的應(yīng)力變化可以忽略不計(jì)的地方，或者說(shuō)在圍巖的邊界上因開(kāi)挖隧道而產(chǎn)生的位移應(yīng)該為零，這個(gè)范圍在橫斷面上約為610倍的洞徑。當(dāng)然，若從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的觀點(diǎn)來(lái)研究圍巖，其范圍要比上述數(shù)字大得多。二、圍巖的工程性質(zhì)圍巖的工程性質(zhì)，般包括三個(gè)方面：物理性質(zhì)

2、、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。而對(duì)圍巖穩(wěn)定性最有影響的則是力學(xué)性質(zhì)，即圍巖抵抗變形和破壞的性能。圍巖既可以是巖體、也可以是土體。本書(shū)僅涉及巖體的力學(xué)性質(zhì)，有關(guān)土體的力學(xué)性質(zhì)將在土力學(xué)中研究 。巖體是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，經(jīng)過(guò)巖石建造、構(gòu)造形變和次生蛻變而形成的地質(zhì)體。它被許許多多不同方向、不同規(guī)模的斷層面、層理面、節(jié)理面和裂隙面等各種地質(zhì)界面切割為大小不等，形狀各異的各種塊體。工程地質(zhì)學(xué)中將這些地質(zhì)界面稱之為結(jié)構(gòu)面或不連續(xù)面，將這些塊體稱之為結(jié)構(gòu)體，并將巖體看作是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組合而成的具有結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)體。所以，巖體的力學(xué)性質(zhì)性質(zhì)主要取決于巖體的結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)體巖石的特征以及結(jié)構(gòu)面的特性。環(huán)境因素尤

3、其是地下水和地溫對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)影響也很大。在眾多的因素中，哪個(gè)起主導(dǎo)作用需視具體條件而定。 在軟弱圍巖中，節(jié)理和裂隙比較發(fā)育，巖體被切割得很破碎，結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的變形和破壞都不起什么作用，所以，巖體的特性與結(jié)構(gòu)體巖石的特性并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。當(dāng)然，在完整而連續(xù)的巖體中也是如此。反之，在堅(jiān)硬的塊狀巖體中，由于受軟弱結(jié)構(gòu)面切割，使塊體之間的聯(lián)系減弱，此時(shí)，巖體的力學(xué)性質(zhì)主要受結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其在空間的位置所控制。 由此可見(jiàn)，巖體的力學(xué)性質(zhì)必然是諸因素綜合作用的結(jié)果，只不過(guò)有些巖體是巖石的力學(xué)性質(zhì)起控制作用：而有些巖體則是結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)占主導(dǎo)地位。 巖體與巖石相比，兩者有著很大的區(qū)別，和工程問(wèn)題的尺度相比

4、，巖石幾乎可以被認(rèn)為是均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的介質(zhì)。而巖體則具有明顯的非均質(zhì)性，不連續(xù)性和各向異性。關(guān)于巖體的力學(xué)性質(zhì)，包括變形破壞特性和強(qiáng)度，一般都需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位試驗(yàn)才能獲得較為真實(shí)的結(jié)果。但現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)需要花費(fèi)大量資金和時(shí)間，而且隨著測(cè)點(diǎn)位置和加載方式不同，試驗(yàn)結(jié)果的離散性也很大。因此。常常用取樣在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)代替。但室內(nèi)試驗(yàn)較難模擬巖體真正的力學(xué)作用條件。更重要的是對(duì)于較破碎和軟弱不均質(zhì)的巖體，不易取得供試驗(yàn)用的試樣。究竟采用何種試驗(yàn)方法，應(yīng)視巖體的結(jié)構(gòu)特征而定。一般來(lái)說(shuō)，破裂巖體以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為主，較完整的巖體以做室內(nèi)試驗(yàn)為宜。 (一)巖體的變形特性巖體的抗拉變形能力很低?；蛘吒?/p>

5、就沒(méi)有，因此，巖體受拉后立即沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生斷裂。般沒(méi)有必要專門(mén)來(lái)研究巖體的受拉變形特性。1受壓變形巖體的受壓變形特性，可以用它在受壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，亦稱本構(gòu)關(guān)系來(lái)說(shuō)明。我們知道，巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線線性關(guān)系比較明顯，說(shuō)明它是以彈性變形為主。軟弱結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性特征，說(shuō)明了它是以塑性變形為主。而巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線則要復(fù)雜得多了，圖41中分別繪出了典型的巖石、軟弱結(jié)構(gòu)面和巖體的單軸受壓時(shí)的全應(yīng)力應(yīng)變曲線。 從圖中可以看出：典型的巖體全應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分解為四個(gè)階段：(1) 壓密階段(OA)：主要是由于巖體中結(jié)構(gòu)面的閉合和充填物的壓縮而產(chǎn)生的，形成了非線性凹狀曲線，變形模量小，總的壓縮

6、量取決了結(jié)構(gòu)面的性態(tài)。(2) 彈性階段(AB)：巖體充分壓密后便進(jìn)入彈性階段。所出現(xiàn)的彈性變形是巖體的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體共同產(chǎn)生的，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈直線型。 (3) 塑性階段(BC)：巖體繼續(xù)受力、變形發(fā)展到彈性極限后便進(jìn)入塑性階段，此時(shí)巖體的變形特性受結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的變形特性共同制約。整體性好的巖體延性小、塑性變形不明顯。達(dá)到強(qiáng)度極限后迅速破壞。破裂巖體塑性變形大，甚至有的從壓密階段直接發(fā)展到塑性階段，而不經(jīng)過(guò)彈性階段。(4) 破裂和破壞階段(CD)：應(yīng)力達(dá)到蜂值后，巖體即開(kāi)始破裂和破壞。破壞開(kāi)始時(shí)，應(yīng)力下降比較緩慢，說(shuō)明破裂面上仍具有一定摩擦力，巖體還能承受一定的荷載。而后，應(yīng)力急劇下降，巖體全

7、面崩潰。 從巖體的全應(yīng)力應(yīng)變曲線的分析中可以看出，巖體既不是簡(jiǎn)單的彈性體，也不是簡(jiǎn)單的塑性體、而是較為復(fù)雜的彈塑性體。整體性好的巖體接近彈性體，破裂巖體和松散巖體則偏向于塑性體。 2. 剪切變形巖體受剪時(shí)的剪切變形特性主要受結(jié)構(gòu)面控制。根據(jù)結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面的具體性態(tài)，巖體的剪切變形可能有三種方式： (1) 沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，所以，結(jié)構(gòu)面的變形特性即為巖體的變形特性。 (2) 結(jié)構(gòu)面不參與作用，沿結(jié)構(gòu)體巖石斷裂。所以，巖石的變形特性即起主導(dǎo)作用。 (3) 在結(jié)構(gòu)面影響下，沿巖石剪斷。此時(shí)，巖體的變形特性介乎上述二者之間。試驗(yàn)和實(shí)踐還發(fā)現(xiàn)，無(wú)論巖體是受壓或受剪切，它們所產(chǎn)生的變形都不是瞬時(shí)完成的，而是隨

8、著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸達(dá)到最終值的。巖體變形的這種時(shí)間效應(yīng)，我們稱之為巖體的流變特性。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，流變包括兩方面：一種是指作用的應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時(shí)間而增長(zhǎng)，即所謂蠕變；另一種則是作用的應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時(shí)間而衰減，即所謂松弛，如圖42所示。對(duì)于那些具有較強(qiáng)的流變性的巖體，在隧道工程的設(shè)計(jì)和施工中必須加以考慮。例如，成渝復(fù)線上的金家?guī)r隧道，埋深120m，圍巖為泥巖，開(kāi)挖后圍巖基本上是穩(wěn)定的，并及時(shí)進(jìn)行了初次支護(hù)。但初次支護(hù)250天后拱頂下沉達(dá)40.2cm，侵入建筑限界，只好挖掉重做。屬于這類的巖體大概有兩類：一類是軟弱的層狀巖體，如薄層狀巖體、含有大量軟弱層的互層或間層巖體；另一類是含有大量泥質(zhì)物的，

9、受軟弱結(jié)構(gòu)面切割的破裂巖體。整體狀、塊狀、堅(jiān)硬的層狀等類巖體，其流變性不明顯，但是，在這些巖體中為數(shù)不多的軟弱結(jié)構(gòu)面，具有相當(dāng)強(qiáng)的流變性，有時(shí)將對(duì)巖體的變形和破壞起控制作用。(二) 巖體的強(qiáng)度 從上述可知，巖體和巖石的變形、破壞機(jī)理是很不相同的，前者主要受宏觀的結(jié)構(gòu)面所控制，而后者則受巖石的微裂隙所制約。因而巖體的強(qiáng)度要比巖石的強(qiáng)度低得多，并具有明顯的各向異性。例如、志留紀(jì)泥巖的單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果將能很好地說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)層面傾角大于50時(shí)，以層間剪切形式破壞；3245時(shí)，為軸向劈裂和層間剪切混合形式破壞；小于32時(shí)，為軸向劈裂形式破壞。由此可見(jiàn)，巖體的抗壓強(qiáng)度不僅因?qū)用鎯A角增大而減小，同時(shí)其破

10、壞形式也發(fā)生變化，如圖43所示。只有當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面的規(guī)模較小，結(jié)合力很強(qiáng)時(shí)，巖體的強(qiáng)度才能與巖石的強(qiáng)度相接近。一般情況下，巖體的抗壓強(qiáng)度只有巖石的7080，結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體，僅有510。和抗壓強(qiáng)度一樣，巖體的抗剪強(qiáng)度主要也是取決于巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的性態(tài)。包括它的力學(xué)性質(zhì)、充填狀況、產(chǎn)狀、分布和規(guī)模等。同時(shí)還受剪切破壞方式所制約。當(dāng)巖體沿結(jié)構(gòu)面滑移時(shí)，多屬于塑性破壞。峰值剪切強(qiáng)度較低，其強(qiáng)度參數(shù) (內(nèi)摩擦角)一般變化于1045之間；(粘結(jié)力)變化于00.3MPa之間，殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度比較接近。沿巖石剪斷屬脆性破壞。剪斷的峰值剪切強(qiáng)度較上述的高得多，其值約在3060之間，值有高達(dá)幾十MPa的，殘余強(qiáng)

11、度與峰值強(qiáng)度之比隨峰值強(qiáng)度的增大而減小，變化于0.30.8之間。受結(jié)構(gòu)面影響而沿巖石剪斷，其強(qiáng)度介于上述兩者之間。在平面上畫(huà)出巖體、巖石和結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線就能看出這三者之間的關(guān)系（圖44）。第二節(jié) 圍巖的穩(wěn)定性一、研究圍巖穩(wěn)定性的意義隧道工程所賦存的地質(zhì)環(huán)境的內(nèi)涵很廣。包括地層特征，地下水狀況，開(kāi)挖隧道前就存在于地層中的原始地應(yīng)力狀態(tài)，以及地溫梯度等。但對(duì)隧道工程來(lái)說(shuō)，最關(guān)心的問(wèn)題則是地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度。這是不言而喻的，因?yàn)榈貙臃€(wěn)定就意味著開(kāi)挖隧道所引起的地層向隧道內(nèi)的變形很小，而且在較短的時(shí)間內(nèi)就可基本停止，這對(duì)施工過(guò)程和支護(hù)結(jié)構(gòu)都是非常有利的。地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度稱為隧

12、道圍巖的穩(wěn)定性，這是一個(gè)反映地質(zhì)環(huán)境的綜合指標(biāo)。因此，研究隧道工程地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，歸根到底就是研究隧道圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題。二、影響圍巖穩(wěn)定性的因素影響圍巖穩(wěn)定性的因素很多，就其性質(zhì)來(lái)說(shuō)，基本上可以歸納分為兩大類：第一類是屬于地質(zhì)環(huán)境方面的自然因素，是客觀存在的,它們決定了隧道圍巖的質(zhì)量；第二類則屬于工程活動(dòng)的人為因素，如隧道的形狀、尺寸、施工方法、支護(hù)措施等等。它們雖然不能決定圍巖質(zhì)量的好壞，但卻能給圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性帶來(lái)不可忽視的影響。 由于下一節(jié)述及的圍巖分類即是對(duì)圍巖穩(wěn)定程度的劃分，在圍巖分類中必定會(huì)考慮到這兩大類因素的影響，所以下面不僅簡(jiǎn)要地說(shuō)明各項(xiàng)因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，還介紹各因素在圍

13、巖分類中的作用和地位。(一) 地質(zhì)因素。圍巖在開(kāi)挖隧道時(shí)的穩(wěn)定程度乃是巖體力學(xué)似性質(zhì)的一種表現(xiàn)形式。因此，影響巖體力學(xué)性質(zhì)的各種因素在這里同樣起作用，只是各自的重要性有所不同。l.巖體結(jié)構(gòu)特征巖體的結(jié)構(gòu)特征是長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，是控制巖體破壞形態(tài)的關(guān)鍵。從穩(wěn)定性分類的角度來(lái)看，巖體的結(jié)構(gòu)特征可以簡(jiǎn)單地用巖體的破碎程度或完整性來(lái)表示。在某種程度上它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用嚴(yán)重的程度。實(shí)踐證明，圍巖的破碎程度對(duì)坑道的穩(wěn)定與否起主導(dǎo)作用，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，坑道就愈容易失穩(wěn)。因此，在近代圍巖分類法中，都已將巖體的破碎或完整狀態(tài)作為分類的基本指標(biāo)之一。巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成

14、巖體的巖塊大小，以及這些巖塊的組合排列形態(tài)。關(guān)于巖塊的大小通常都是用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙間距等指標(biāo)表示。所謂裂隙率就是指沿裂隙法線方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的裂隙數(shù)目，裂隙間距則是指沿裂隙法線方向上裂隙間的距離。在分類中常將裂隙間距大于1.01.5m者視為整體的，而將小于0.2m視為碎塊狀的。當(dāng)然，這些數(shù)字都是相對(duì)的，僅適用于跨度在515m范圍內(nèi)的地下工程。據(jù)此，可以按裂隙間距將巖體分為：圍巖巖 體土體整體狀大塊狀塊石狀碎石塊土石狀松散狀松軟狀d1.0md=0.41.0md=0.20.4d0.2m d為裂隙間距。這里所說(shuō)的裂隙都是廣義的，包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結(jié)構(gòu)面。硅質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的，具有

15、很高節(jié)理強(qiáng)度的裂隙不包括在內(nèi)。2.結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合在塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)，以及它們?cè)诳臻g的組合狀態(tài)。對(duì)于隧道來(lái)說(shuō)，圍巖中存在單一的軟弱面，一般并不會(huì)影響坑道的穩(wěn)定性。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)面與隧道軸線相互關(guān)系不利時(shí)，或者出現(xiàn)兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面時(shí)，才能構(gòu)成容易墮落的分離巖塊。例如有兩組平行但傾問(wèn)相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或斜交的陡傾結(jié)構(gòu)面，就可能構(gòu)成屋脊形分離巖塊。至于分離巖塊是否會(huì)塌落或滑動(dòng)，還與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度以及巖塊之間的相互聯(lián)鎖作用有關(guān)。因此，在圍巖分類中，可以從下述的五個(gè)方面來(lái)研究結(jié)構(gòu)面對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響的大??； (1) 結(jié)構(gòu)面的成因及其發(fā)展

16、史，例如，次生的破壞夾層比原生的軟弱夾層的力學(xué)性質(zhì)差得多，如再發(fā)生次生泥化作用，則性質(zhì)更差； (2) 結(jié)構(gòu)面的平整、光滑程度； (3) 結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及其充填物質(zhì)情況； (4) 結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與方向性； (5) 結(jié)構(gòu)面的密度與組數(shù)。3.巖石的力學(xué)性質(zhì)在整體結(jié)構(gòu)的巖體中，控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學(xué)性質(zhì)，尤其是巖石的強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，巖石強(qiáng)度越高坑道越穩(wěn)定。在圍巖分類中所說(shuō)的巖石強(qiáng)度指標(biāo)，都是指巖石的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度。因?yàn)檫@種強(qiáng)度的試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)離散性小，而且與其它物理力學(xué)指標(biāo)有良好的換算關(guān)系。 此外，巖石強(qiáng)度還影響圍巖失穩(wěn)破壞的形態(tài)，強(qiáng)度高的硬巖多表現(xiàn)為脆性破壞，在隧道內(nèi)可能發(fā)生

17、巖爆現(xiàn)象。而在強(qiáng)度低的軟巖中，則以塑性變形為主，流變現(xiàn)象較為明顯。4.圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)是隧道圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。所以，在某些分類方法中曾有所反映，例加，泰沙基(K.Terzaghi)分類法中，曾將同樣是擠壓變形緩慢的巖層視其埋深不同分為兩類，其預(yù)計(jì)的巖石荷載值相差一倍左右，這就是考慮初始應(yīng)力的結(jié)果。 在圍巖分類中，如何根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特征引進(jìn)圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的影響，仍是一個(gè)需要進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題。5.地下水狀況。隧道施工的實(shí)踐證明，地下水是造成施工坍方，使隧道圍巖喪失穩(wěn)定的最重要因素之，因此，在圍巖分類中切不可忽視。當(dāng)然，在巖性不同的巖體中，水的影響

18、也是不相同的，歸納起來(lái)有如下幾種： (1) 使巖質(zhì)軟化，強(qiáng)度降低，對(duì)軟巖尤其突出。對(duì)土體則可促使其液化或流動(dòng)； (2) 在有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體中，會(huì)沖走充填物質(zhì)或使夾層軟化，減少層間摩阻力促使巖塊滑動(dòng)； (3) 在某些巖體中，如含有生石膏、巖鹽，或以蒙脫土為主的粘土巖，遇水后將產(chǎn)生膨脹，其勢(shì)能很大。在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中，水的存在可以產(chǎn)生流砂和潛蝕。 因此，在圍巖分類中，對(duì)軟巖、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)巖體、有軟弱結(jié)構(gòu)面的層狀巖體，以及膨脹巖等，應(yīng)著重考慮地下水的影響。在目前的分類法中，對(duì)地下水的處理方法有三種：在分類時(shí)不將水的影響直接考慮進(jìn)去，而是根據(jù)圍巖受地下水影響的程度，適當(dāng)降低圍巖的等級(jí)；分

19、類時(shí)按有水情況考慮，當(dāng)確認(rèn)圍巖無(wú)水則可提高圍巖的等級(jí)；直接將地下水的狀況(水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓等)作為一個(gè)分類的指標(biāo)。前兩種方法是定性的，后一種方法雖可定量，但對(duì)這些量值的確定，在很大程度上還是要靠經(jīng)驗(yàn)。例如在某些分類法中，先按巖性分類，而后再按地下水涌出量分為：0100 L/min；1011000L/min；1000 L/min三種，最后定出它們對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影晌系數(shù)，如表41所示。表41 地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響系數(shù)破碎程度涌水量巖性硬 質(zhì) 巖 石軟 質(zhì) 巖 石比較完整比較破碎比較完整比較破碎0100 L/min1.00.91.00.91011000L/min0.90.80.80.

20、71000 L/min0.80.70.70.6在有些分類中，除了考慮上述因素外，還補(bǔ)充了結(jié)構(gòu)面狀態(tài)和地下水壓力的影響，將地下水的作用進(jìn)一步細(xì)分。(二) 工程活動(dòng)所造成的人為因素施工等人為因素也是造成圍巖失穩(wěn)的重要條件。其中尤其以坑道的尺寸(主要指跨度) 形狀以及施工中所采用的開(kāi)挖方法等影響較為顯著。l.坑道尺寸和形狀實(shí)踐證明，在同類圍巖中，坑道跨度愈大，坑道圍巖的穩(wěn)定性就愈差，因?yàn)閹r體的破碎程度相對(duì)加大了。例如，裂隙間距在O.4l.0m左右的巖體，對(duì)中等跨度(510m)的坑道而言，可算是大塊狀的，但對(duì)大跨度(l5m)的坑道來(lái)說(shuō)，只能算是碎塊狀的。因此，在近代的圍巖分類法中，有的就明確指出分類法

21、的適用跨度范圍。有的則采用相對(duì)裂隙間距，即裂隙間距與坑道跨度的比值作為分類的指標(biāo)。例如，相對(duì)裂隙間距為l5的屬完整的；1/51/20范圍內(nèi)的屬破碎的；1/20的屬極度破碎的。但也有人反對(duì)這樣做，認(rèn)為將跨度引進(jìn)圍巖分類法中會(huì)造成對(duì)巖體結(jié)構(gòu)概念的混亂和誤解。比較通用的做法，是將跨度的影響放在確定圍巖壓力值和支護(hù)結(jié)構(gòu)類型和尺寸時(shí)考慮，這樣將分類的問(wèn)題簡(jiǎn)化了。 坑道的形狀主要影響開(kāi)挖隧道后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。圓形或橢圓形隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)以壓應(yīng)力為主，這對(duì)維持圍巖的穩(wěn)定性是有好處的。而矩形或梯形隧道，在頂板處的圍巖中將出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致巖體張裂破壞。但是，在目前的各種分類法中都沒(méi)有考慮這個(gè)因素，可能

22、是因?yàn)樯盥袼淼赖臄嗝嫘螤罱^大部分都接近圓形或橢圓形的緣故。2. 施工中所采用的開(kāi)挖方法從目前的施工技術(shù)水平來(lái)看,開(kāi)挖方法對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響較為明顯，在分類中必須予以考慮。例如，在同一類巖體中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用礦山法和采用掘進(jìn)機(jī)法，采用全斷面一次開(kāi)挖和采用小斷面分部開(kāi)挖，對(duì)隧道圍巖的影響都各不相同。所以，目前大多數(shù)圍巖分類法都是建立在相應(yīng)的施工方法的基礎(chǔ)上的。 以上所述的工程活動(dòng)所造成的人為因素，雖然對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響很大,但為了簡(jiǎn)化圍巖分類問(wèn)題一般都是以分類的適用條件來(lái)控制,而分類的本身則主要從地質(zhì)因素考慮。第三節(jié) 圍巖分類一、概述上面已敘及判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性，

23、而針對(duì)圍巖穩(wěn)定的程度制定相應(yīng)的工程措施最佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)，乃是研究隧道地質(zhì)環(huán)境需要解決的兩個(gè)基本問(wèn)題。對(duì)此，工程界歷來(lái)都并存著兩種截然不同的方法可供采用：經(jīng)驗(yàn)方法和理論方法。由于隧道工程所處地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到完善的地步，所以至今隧道工程的設(shè)計(jì)和施工仍多采用經(jīng)驗(yàn)類比法，此法的基礎(chǔ)是圍巖分類。因?yàn)?，隧道工程所賦存的地質(zhì)環(huán)境千差萬(wàn)別，它給隧道工程所帶來(lái)的問(wèn)題也是各式各樣的，人們不可能對(duì)每一種特定情況都有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)和行之有效的處理方法。根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，工程師們認(rèn)識(shí)到各種圍巖的物理性質(zhì)之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，因此，有必要根據(jù)一個(gè)或幾個(gè)主要指標(biāo)將無(wú)限的巖體序列劃分

24、為具有不同穩(wěn)定程度的有限個(gè)類別，即將穩(wěn)定性相似的一些圍巖劃歸為一類，將全部的圍巖劃分為若干類，這就是隧道圍巖穩(wěn)定性分類，或簡(jiǎn)稱為圍巖分類。在圍巖分類的基礎(chǔ)上再依照每一類圍巖的穩(wěn)定程度給出最佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？梢哉f(shuō)，圍巖分類是選擇施工方法的依據(jù)，是進(jìn)行科學(xué)管理及正確評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益、確定結(jié)構(gòu)上的荷載（松散荷載）、確定襯砌結(jié)構(gòu)的類型及其尺寸、制定勞動(dòng)定額、材料消耗標(biāo)準(zhǔn)等的基礎(chǔ)。二、圍巖分類的方法 圍巖分類的原則有多種，它是在人們對(duì)隧道工程的不斷實(shí)踐和對(duì)圍巖的地質(zhì)條件逐漸加深了解的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。不同的國(guó)家，不同的行業(yè)都根據(jù)各自的工程持點(diǎn)提出了各自的圍巖分類原則?，F(xiàn)行的許多圍巖分類方法中，作

25、為分類的基本要素大致有三大類：第類 與巖性有關(guān)的要素。例如分為硬巖、軟巖、膨脹性巖等，其分類指標(biāo)是采用巖石強(qiáng)度和變形性質(zhì)等，如巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的變形模量或彈性波速度等。第類 與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的要素。如軟弱結(jié)構(gòu)面的分布與性態(tài)、風(fēng)化程度等。其分類指標(biāo)采用巖石質(zhì)量指標(biāo)、地質(zhì)因素評(píng)分法等等。這些指標(biāo)實(shí)質(zhì)上是對(duì)巖體完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)價(jià)。這類指標(biāo)在劃分圍巖的類別中一般占有重要的地位。 第類 與地下水有關(guān)的要素。 目前國(guó)內(nèi)外圍巖的分類方法，考慮上述三大基本要素，按其性質(zhì)主要有下列幾種： (一)以巖石強(qiáng)度或巖石的物性指標(biāo)為代表的分類方法1以巖石強(qiáng)度為基礎(chǔ)的分類方法這種圍巖分類單純以巖石的強(qiáng)度為依據(jù)，例

26、如我國(guó)解放前及解放初期(如修建成渝線時(shí))的土石分類法。即把巖石分為堅(jiān)石、次堅(jiān)石、松石及土四類。并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的四種隧道襯砌結(jié)構(gòu)類型。在國(guó)外，有日本初期采用的“國(guó)鐵土石分類法”。這種分類方法認(rèn)為坑道開(kāi)挖后，它的穩(wěn)定性主要取決于巖石的強(qiáng)度，巖石愈堅(jiān)硬，坑道愈穩(wěn)定，反之，巖石愈松軟，坑道的穩(wěn)定性就愈差。實(shí)踐證明，這種認(rèn)識(shí)是不全面的，例如我國(guó)陜北的老黃土，無(wú)水時(shí)直立性很強(qiáng)，穩(wěn)定性相當(dāng)高，在無(wú)支護(hù)條件下能維持十幾年、甚至幾十年之久，但其單軸抗壓強(qiáng)度卻很低。又如江西、福建一帶的紅砂巖，整體性好，坑道開(kāi)挖后的穩(wěn)定性較好，但其強(qiáng)度卻不高，因此單純以巖石強(qiáng)度為基礎(chǔ)的分類方法需要改進(jìn)并完善。2以巖石的物性指標(biāo)為基礎(chǔ)

27、的分類方法在這種分類方法中，具有代表性的是前蘇聯(lián)普洛托季雅柯諾夫教授提出的“巖石堅(jiān)固性系數(shù)”分類法(或稱“”值分類法，也叫普氏分類法)。它把圍巖分成10類。這種分類法曾在我國(guó)的隧道工程中得到廣泛的應(yīng)用?！啊敝凳且粋€(gè)綜合的物性指標(biāo)值，它表示巖石在采礦中各個(gè)方面的相對(duì)堅(jiān)固性，如巖石的抗鉆性、抗爆性、強(qiáng)度等。但以往人們確定“”值主要采用強(qiáng)度試驗(yàn)方法，即（巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度)，再兼顧其它指標(biāo)，它仍是巖石強(qiáng)度指標(biāo)的反映。 我國(guó)把“”值應(yīng)用到隧道工程的設(shè)計(jì)、施工時(shí)，考慮了地質(zhì)條件的影響，即考慮圍巖的節(jié)理、裂隙、風(fēng)化等條件,實(shí)質(zhì)上是把由強(qiáng)度決定的“”值適當(dāng)降低，即：(地質(zhì)條件折減系數(shù))。這樣的“”值就

28、是巖體堅(jiān)固性系數(shù)。 (二)以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分類方法1這種分類法以泰沙基分類法為代表此法是在早期提出的，限于當(dāng)時(shí)的條件僅把不同巖性、不同構(gòu)造條件的圍巖分成九類，每類都有一個(gè)相應(yīng)的地壓范圍值和支護(hù)措施。在考慮問(wèn)題時(shí)是以坑道有水的條件為基礎(chǔ)的，當(dāng)確認(rèn)無(wú)水時(shí)，47類圍巖的地壓值應(yīng)降低50。這一分類方法曾長(zhǎng)期被各國(guó)所采用，至今仍有廣泛的影響。2以巖體綜合物性為指標(biāo)的分類方法60年代我國(guó)在積累大量鐵路隧道修建經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了以巖體綜合物性指標(biāo)為基礎(chǔ)的“巖體綜合分類法”，并于1975年經(jīng)修正后正式作為鐵路隧道圍巖分類方法，1986年再作修訂后列入我國(guó)現(xiàn)行的鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范。 (三)與地質(zhì)勘探

29、手段相聯(lián)系的分類方法1按彈性波(縱波)速度的分類方法隨著工程地質(zhì)勘探方法，尤其是物探方法的進(jìn)展。1970年前后，日本提出了按圍巖彈性波速度進(jìn)行分類的方法。圍巖彈性波速度是判斷巖性、巖體結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo)，它既可反映巖石軟硬，又可表明巖體結(jié)構(gòu)的破碎程度。根據(jù)巖性、地質(zhì)狀況及土壓狀態(tài)，將圍巖分成七類。我國(guó)從1986年起也開(kāi)始將圍巖彈性波(縱波)速度引入我國(guó)分類法中。2. 以巖石質(zhì)量為指標(biāo)的分類方法方法所謂巖石質(zhì)量指標(biāo)是指鉆探時(shí)巖芯的復(fù)原率，或稱巖芯采取率，這是美國(guó)伊利諾大學(xué)迪爾等人提出的，認(rèn)為鉆探獲得的巖芯其完整程度與巖體的原始裂隙、硬度、均質(zhì)性等狀態(tài)有關(guān)，因此可用巖芯復(fù)原率來(lái)表達(dá)巖體質(zhì)量。所謂巖芯復(fù)

30、原率即單位長(zhǎng)度的鉆孔中10cm以上的巖芯占有的比例，可寫(xiě)為 (4-1) 這個(gè)分類方法將圍巖分成五類，認(rèn)為：90為優(yōu)質(zhì)，7590為良好，5075為好，2550為差，及25為很差。 (四)組合多種因素的分類方法比較完善的是1974年挪威地質(zhì)學(xué)家巴頓等人提出的“巖體質(zhì)量”的分類方法。這個(gè)分類方法是把表明巖體質(zhì)量的六個(gè)地質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)為 （4-2）式中 巖石質(zhì)量指標(biāo)； 節(jié)理組數(shù)目，巖體愈破碎，取值愈大，例如，整體沒(méi)有或很少有節(jié)理的巖體，0.51.0；兩個(gè)節(jié)理組時(shí)4；破碎巖體，類似土的=20等等； 節(jié)理粗糙度，節(jié)理愈光滑，取值愈小，例如，不連續(xù)節(jié)理4；平整光滑的0.5等等； 節(jié)理蝕變值，蝕變愈嚴(yán)重

31、，取值愈大。例如，節(jié)理面緊密結(jié)合，夾有堅(jiān)硬不軟化的充填物時(shí)，0.75，節(jié)理中夾有膨脹性粘土，如蒙脫土?xí)r，812等等； 節(jié)理含水折減系數(shù)，節(jié)理滲水量愈大，水壓愈高，取值愈小，例如，干燥或微量滲水，水壓4.53.54.52.44.01.53.01.02.030MPa)，受地質(zhì)構(gòu)造影響較重，節(jié)理較發(fā)育，有少量軟弱面（或夾層）和貫通微張節(jié)理，但其產(chǎn)狀及組合關(guān)系不致產(chǎn)生滑動(dòng)；層狀巖層為中層或厚層，層間結(jié)合一般，很少有分離現(xiàn)象；或?yàn)橛操|(zhì)巖石偶夾軟質(zhì)巖石呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)暴露時(shí)間長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)局部小坍塌，側(cè)壁穩(wěn)定，層間結(jié)合差的平緩巖層，頂板易塌落軟質(zhì)巖石(30MPa)， 受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微, 節(jié)理不發(fā)育，層狀

32、巖層為厚層，層間結(jié)合良好呈巨塊狀整體結(jié)構(gòu)（）硬質(zhì)巖石(30MPa)， 受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育，有層狀軟弱面（或夾層），但其產(chǎn)狀及組合關(guān)系尚不致產(chǎn)生滑動(dòng)；層狀巖層為薄層或中層，層間結(jié)合差，多有分離現(xiàn)象；或?yàn)橛病④涃|(zhì)巖石夾層呈塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)拱部無(wú)支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生小坍塌，側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破震動(dòng)過(guò)大易坍塌軟質(zhì)巖石(=5以上30MPa)， 受地質(zhì)構(gòu)造影響較重，節(jié)理較發(fā)育；層狀巖層為薄層、中層或厚層，層間結(jié)合一般呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)（）硬質(zhì)巖石(30MPa) 受地質(zhì)構(gòu)造影響很嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育，層狀軟弱面（或夾層）已基本被破壞呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)拱部無(wú)支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生較大的坍塌，側(cè)壁有時(shí)失去穩(wěn)定軟質(zhì)巖石(

33、=5以上30MPa)，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育呈塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)土：1.略具壓密或成巖作用的黏土及砂類土2.黃土（Q1，Q2）3.一般鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的碎、卵石土、大塊石土1、2呈大塊狀壓密結(jié)構(gòu)；3呈巨塊狀整體結(jié)構(gòu)（）石質(zhì)圍巖位于擠壓強(qiáng)烈的斷裂帶內(nèi)，裂隙雜亂，呈石夾土或土夾石狀呈角（礫）碎（石）狀松散結(jié)構(gòu)圍巖易坍塌，處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大坍塌，側(cè)壁經(jīng)常小坍塌，淺埋時(shí)易出現(xiàn)地表下沉（陷）或坍塌至地表一般第四系的半干硬硬塑的粘性土及稍濕至潮濕的一般碎、卵石土、圓礫、角礫土及黃土（Q3，Q4）非粘性土呈松散結(jié)構(gòu)；粘性土及黃土呈松軟結(jié)構(gòu)（）石質(zhì)圍巖位于擠壓極強(qiáng)烈的斷裂帶內(nèi)，呈角礫、砂、泥松軟體狀

34、呈松軟結(jié)構(gòu)圍巖極易坍塌變形，有水時(shí)土砂常與水一齊涌出，淺埋時(shí)易坍塌至地表軟塑狀粘性土及潮濕的粉細(xì)砂等粘性土呈易蠕動(dòng)的松軟結(jié)構(gòu)，砂性土呈潮濕松散結(jié)構(gòu)注：1999年頒布的鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范在原來(lái)圍巖分類方法的基礎(chǔ)上，改為以圍巖級(jí)別代表圍巖類別，從級(jí)到級(jí)表示圍巖的穩(wěn)定性從好到差，故括號(hào)內(nèi)的圍巖級(jí)別是針對(duì)鐵路隧道而言，而公路隧道仍采用圍巖類別。 在隧道施工過(guò)程中，根據(jù)對(duì)隧道圍巖的直接觀察、量測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果，可進(jìn)一步核定巖層構(gòu)造、巖性及地下水等情況，從而可以判斷圍巖的穩(wěn)定程度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件與實(shí)際情況不相符合時(shí)，應(yīng)及時(shí)修改圍巖類別，并變更支護(hù)設(shè)計(jì)。應(yīng)當(dāng)指出。我國(guó)鐵路與公路隧道圍巖分類方法與全國(guó)的圍巖分類方法

35、并不統(tǒng)一。今后應(yīng)當(dāng)研究全國(guó)統(tǒng)一的隧道圍巖分類辦法，以便各部門(mén)間的彼此交流。第四節(jié) 圍巖壓力一、巖體初始應(yīng)力狀態(tài) 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)，是指隧道開(kāi)挖前未擾動(dòng)的巖體應(yīng)力狀態(tài)。任何物體受著地心引力的作用都處于自重力作用狀態(tài)。對(duì)于地殼巖體來(lái)說(shuō)，它還經(jīng)歷了長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖體處于更為復(fù)雜的受力狀態(tài)，這種受力狀態(tài)我們稱之為巖體的初始應(yīng)力(也稱原始應(yīng)力、地應(yīng)力或一次應(yīng)力)。 瑞土地質(zhì)學(xué)家海姆通過(guò)對(duì)大型越嶺隧道圍巖的工作狀態(tài)觀察，首先提出地應(yīng)力的概念。 1905年至1912年海姆假定巖體中有一個(gè)垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力,并認(rèn)為垂直應(yīng)力與上覆巖層重量有關(guān)，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力相等。 l915年瑞典人哈斯特首先在斯堪的納

36、維亞半島開(kāi)創(chuàng)了地應(yīng)力的量測(cè)工作，通過(guò)量測(cè)與理論分析證明，地應(yīng)力是個(gè)非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)，它是時(shí)間與空間的函數(shù)。但對(duì)人類工程活動(dòng)所涉及的那部分地殼巖體，在工程活動(dòng)期限內(nèi)除少數(shù)構(gòu)造活動(dòng)帶外，時(shí)間上的變化可不予考慮。 地應(yīng)力著重考慮重力和構(gòu)造應(yīng)力，但由于地下工程所處范圍內(nèi)情況十分復(fù)雜，對(duì)構(gòu)造應(yīng)力目前尚難完全搞清楚，因此目前主要研究巖體重力所形成的應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于需要確切了解包含有構(gòu)造應(yīng)力的地應(yīng)力，一般宜通過(guò)實(shí)地量測(cè)加以確定。 對(duì)于自重形成的應(yīng)力場(chǎng)，是建立在假定巖體是均勻連續(xù)介質(zhì)這一基礎(chǔ)上的，可運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)理論進(jìn)行分析。設(shè)巖體為半無(wú)限體，地面為水平，距地表深度處取一個(gè)單元體，其上作用有應(yīng)力、，如圖4-5所示。該

37、單元體處于受力的平衡狀態(tài)，變形運(yùn)動(dòng)相對(duì)為靜止?fàn)顟B(tài)、在上覆巖體自重作用下，其垂直應(yīng)力為： (4-3)式中 巖體容重；單元體所處的深度。若巖體由多種不同的水平巖層所組成，每一巖層的厚度為，容重為，則巖體的垂直應(yīng)力為 (4-4)式中 水平巖層的層數(shù)。由于單元體的側(cè)向變形受到周圍地層的限制，從而產(chǎn)生了側(cè)向應(yīng)力和，其數(shù)值由上覆巖體的自重和地層的物理力學(xué)性質(zhì)所決定。如把巖體看作各向同性的彈性體，則或 (4-5)式中 一一側(cè)壓力系數(shù)。根據(jù)例向變形(，)為零的條件，由物理方程有則 (4-6)式中 巖體的泊松比。 顯然當(dāng)垂直應(yīng)力已知時(shí)，側(cè)向應(yīng)力的大小，決定于巖體的泊松比。大多數(shù)巖體的泊松比變化在0.150.35

38、的范圍內(nèi)則計(jì)算所得的值在0.180.54之間、因此在自重應(yīng)力場(chǎng)中，通常側(cè)向應(yīng)力小于垂直應(yīng)力。 深度對(duì)初始應(yīng)力狀態(tài)有著重大的影響，隨著深度的增加，和()也在增大，但巖體本身的強(qiáng)度是有限的，當(dāng)和增加到定值后，其物性值(和)及值開(kāi)始發(fā)生變化，并隨著深度的增加值將趨于l，此時(shí)與靜水壓力相似，巖體接近流動(dòng)狀態(tài)。 由此可見(jiàn)，巖體自重應(yīng)力場(chǎng)中的垂直應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力隨深度而變化，巖體的應(yīng)力狀態(tài)可能是處于彈性、隱塑性或流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)量測(cè)資料分析，在通常隧道的埋深情況下，巖體可近似認(rèn)為處于彈性狀態(tài)。二、圍巖壓力及其分類 （一）圍巖壓力 圍巖壓力是指引起地下開(kāi)挖空間周圍巖體和支護(hù)變形或破壞的作用力。它包括由地應(yīng)力引起

39、的圍巖應(yīng)力及圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力。因此，從廣義來(lái)理解，圍巖壓力既包括圍巖有支護(hù)的情況，也包括圍巖無(wú)支護(hù)的情況；既包括作用在普通的傳統(tǒng)支護(hù)如架設(shè)的支撐或施作的襯砌上所顯示的力學(xué)性態(tài)，也包括在錨噴和壓力灌漿等現(xiàn)代支護(hù)的方法中所顯示的力學(xué)性態(tài)。從狹義來(lái)理解圍巖壓力是圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。在工程中一般研究狹義圍巖壓力。 （二）圍巖壓力分類 圍巖壓力按作用力發(fā)生的形態(tài)分類，一般可分為如下幾種類型。1松動(dòng)壓力由于開(kāi)挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力稱松動(dòng)(散）壓力，松動(dòng)壓力按作用在支護(hù)上的位置不同分為豎向壓力、側(cè)向壓力和底壓力。松動(dòng)壓力通常在下列三種情況下發(fā)生

40、： (1) 在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個(gè)別松動(dòng)掉塊的巖石； (2) 在松散軟弱的巖體中，坑道項(xiàng)部和兩側(cè)邊幫冒落； (3) 在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿軟弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。2形變壓力它是由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)如錨噴等的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形過(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。所以形變壓力除與圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與支護(hù)時(shí)間和支護(hù)剛度有關(guān)。3膨脹壓力當(dāng)巖體具有吸水膨脹崩解的特征時(shí)，由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。4沖擊壓力它通常是由“巖爆”引起的。當(dāng)圍巖中積累了大量的彈性變形能之后,在開(kāi)

41、挖時(shí)，隧道由于圍巖的約束被解除，被積累的彈性變形能會(huì)突然釋放，引起巖塊拋射所產(chǎn)生的壓力。由于沖擊壓力是巖體能量的積累和釋放問(wèn)題，所以它與彈性摸量直接相關(guān)，彈性摸量 大的巖體，在高地應(yīng)力作用下，易于積累大量的彈性變形能， 旦遇到適宜條件，它就會(huì)突然猛烈地大量釋放。三、影響圍巖壓力的因素 影響圍巖壓力的因素很多通?？煞譃閮纱箢?。一類是地質(zhì)因素，它包括原始應(yīng)力狀態(tài)、巖石力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面等；另一類是工程因素，它包括施工方法、支護(hù)設(shè)置時(shí)間、支護(hù)本身剛度、坑道形狀等。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，由于受到開(kāi)挖面的約束，使其附近的圍巖不能立即釋放全部瞬時(shí)彈性位移，這種現(xiàn)象稱為開(kāi)挖面的“空間效應(yīng)”。如在“空間效應(yīng)”范

42、圍(一般為11.5倍洞跨)內(nèi)，設(shè)置支護(hù)就可減少支護(hù)前的圍巖位移值。所以采用緊跟開(kāi)挖面支護(hù)的施工方法可提高圍巖的穩(wěn)定性。四、圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定方法(一) 圍巖松動(dòng)壓力的形成 開(kāi)挖隧道所引起的圍巖松動(dòng)和破壞范圍有大有小，如有的可達(dá)地表，有的 則影響較小。對(duì)于一般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅涉及隧道周圍定深度。所以作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆地層自重所造成的壓力。這可以用圍巖的“成拱作用”來(lái)解釋，以水平巖層中開(kāi)挖一個(gè)矩形坑道，來(lái)說(shuō)明坑道開(kāi)挖后圍巖由變形 到坍塌成拱的整個(gè)變形過(guò)程，如圖4-6所示。 1坑道開(kāi)挖后，在圍巖重分布過(guò)程中頂板開(kāi)始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋圖46(a)。

43、2頂板中間部分的裂紋發(fā)展并張開(kāi)，逐漸變松動(dòng)，石塊開(kāi)始掉落，支護(hù)所受的垂直壓力急劇增加圖46(b)。 3頂板向上繼續(xù)坍落，石塊與圍巖母體分離，其界面多為拱形。此時(shí)垂直壓力穩(wěn)定在一定的數(shù)值內(nèi)，但側(cè)向壓力增加，即地層中原存應(yīng)力沿兩側(cè)傳遞圖46(c)。 4頂板停止塌落，垂直壓力和側(cè)向壓力都趨于穩(wěn)定圖46(d)。 將坑道上方所形成的相對(duì)穩(wěn)定的拱形范圍稱為自然拱，其過(guò)程也稱為“成拱作用”。支護(hù)只承受其上部坍落巖石的重量，即自然拱范圍內(nèi)破碎巖體的重量。這也就是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力。 (二)確定圍巖松動(dòng)壓力的方法 確定圍巖的松動(dòng)壓力的方法有：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量法；理論公式計(jì)算法；統(tǒng)計(jì)法。應(yīng)該說(shuō)，實(shí)地測(cè)量是

44、今后的努力方向，但按目前的量測(cè)手段和技術(shù)水平來(lái)看，量測(cè)的結(jié)果尚不能充分反映真實(shí)情況。理論計(jì)算則由于圍巖地質(zhì)條件的千變?nèi)f化，使所引用的計(jì)算參數(shù)難以確切取值，因此目前也還沒(méi)有一種能適合于各種客觀實(shí)際情況的統(tǒng)一理論。在大量施工坍方事件的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的統(tǒng)計(jì)方法，在一定程度上能反映圍巖壓力的真實(shí)情況。在目前，采用幾種方法相互驗(yàn)證參照取值是確定圍巖壓力較通用的方法。 1深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 當(dāng)隧道的埋置深度超過(guò)一定限值后，按圍巖的“成拱作用”計(jì)算松動(dòng)壓力時(shí)，僅是隧道周邊某一破壞范圍(自然拱)內(nèi)巖體的重量，而與隧道埋置深度無(wú)關(guān)，故解決這一破壞范圍的大小就成為問(wèn)題的關(guān)鍵。從上述分析說(shuō)明，圍巖的松動(dòng)壓力是和圍巖分類成反比的（和圍巖分級(jí)成正比）。在同樣的圍巖條件下，隧道的跨度越大，圍巖的穩(wěn)定性也越差，圍巖松動(dòng)壓力就越大。這說(shuō)明圍巖的松動(dòng)壓力是和隧道的跨度成正比的。（1）我國(guó)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范所推薦的方法確定圍巖松動(dòng)壓力的關(guān)鍵是找出其破壞范圍的規(guī)律性，而這種規(guī)律性只有通過(guò)大量的實(shí)際破壞性態(tài)