发布时间 : 星期一 文章围岩分类与围岩压力更新完毕开始阅读d346c101cf84b9d528ea7aad
一、岩体初始应力状态
岩体初始应力状态，是指隧道开挖前未扰动的岩体应力状态。任何物体受着地心引力的作用都处于自重力作用状态。对于地壳岩体来说，它还经历了长期的地质构造运动，岩体处于更为复杂的受力状态，这种受力状态我们称之为岩体的初始应力(也称原始应力、地应力或一次应力)。
瑞土地质学家海姆通过对大型越岭隧道围岩的工作状态观察，首先提出地应力的概念。 1905年至1912年．海姆假定岩体中有一个垂直应力和水平应力,并认为垂直应力与上覆岩层重量有关，水平应力与垂直应力相等。 l915年瑞典人哈斯特首先在斯堪的纳维亚半岛开创了地应力的量测工作，通过量测与理论分析证明，地应力是个非稳定的应力场，它是时间与空间的函数。但对人类工程活动所涉及的那—部分地壳岩体，在工程活动期限内除少数构造活动带外，时间上的变化可不予考虑。 地应力着重考虑重力和构造应力，但由于地下工程所处范围内情况十分复杂，对构造应力目前尚难完全搞清楚，因此目前主要研究岩体重力所形成的应力场。对于需要确切了解包含有构造应力的地应力，一般宜通过实地量测加以确定。 对于自重形成的应力场，是建立在假定岩体是均匀连续介质这一基础上的，可运用连续介质理论进行分析。 设岩体为半无限体，地面为水平，距地表深度h处取一个单元体，其上作用有应力?1、?2、σσσ32σ2?3，如图4-5所示。该单元体处于受力的平衡状态，变形运动相对为静止状态、在上覆岩体自重作用下，其垂直应力?1为： 式中 ?——岩体容重； σ3σ1图 4-5?1??h (4-3) h——单元体所处的深度。 若岩体由多种不同的水平岩层所组成，每一岩层的厚度为hi，容重为?i，则岩体的垂直
应力为
?i???ihi (4-4)
i?1n式中 n——水平岩层的层数。
由于单元体的侧向变形受到周围地层的限制，从而产生了侧向应力?2和?3，其数值由上覆岩体的自重和地层的物理力学性质所决定。如把岩体看作各向同性的弹性体，则
?2??3???1???h
或 ?2??3????h (4-5)
ii?1n式中 ?一一侧压力系数。
根据例向变形(?2，?3)为零的条件，由物理方程有
? 2 1 ?4?3－13
?2?E?E??E??0h1则 ?2??1???1 (4-6)
??式中 ?——岩体的泊松比。
?1?? 显然．当垂直应力已知时，侧向应力的大小，决定于岩体的泊松比。大多数岩体的泊松比变化在0.15～0.35的范围内．则计算所得的?值在0.18～0.54之间、因此在自重应力场中，通常侧向应力小于垂直应力。
深度对初始应力状态有着重大的影响，随着深度的增加，?1和?2(?3)也在增大，但岩体本身的强度是有限的，当?1和?2增加到—定值后，其物性值(E和?)及?值开始发生变化，并随着深度的增加?值将趋于l，此时与静水压力相似，岩体接近流动状态。 由此可见，岩体自重应力场中的垂直应力和侧向应力随深度而变化，岩体的应力状态可能是处于弹性、隐塑性或流动状态。根据量测资料分析，在通常隧道的埋深情况下，岩体可近似认为处于弹性状态。
二、围岩压力及其分类
（一）围岩压力
围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。因此，从广义来理解，围岩压力既包括围岩有支护的情况，也包括围岩无支护的情况；既包括作用在普通的传统支护如架设的支撑或施作的衬砌上所显示的力学性态，也包括在锚喷和压力灌浆等现代支护的方法中所显示的力学性态。从狭义来理解．围岩压力是围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义围岩压力。 （二）围岩压力分类
围岩压力按作用力发生的形态分类，一般可分为如下几种类型。
1．松动压力
由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称松动(散）压力，松动压力按作用在支护上的位置不同分为竖向压力、侧向压力和底压力。松动压力通常在下列三种情况下发生：
(1) 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石； (2) 在松散软弱的岩体中，坑道项部和两侧边帮冒落；
(3) 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。
2．形变压力
它是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。所以形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。
3．膨胀压力
当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压
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力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。
4．冲击压力
它通常是由“岩爆”引起的。当围岩中积累了大量的弹性变形能之后,在开挖时，隧道由于围岩的约束被解除，被积累的弹性变形能会突然释放，引起岩块抛射所产生的压力。
由于冲击压力是岩体能量的积累和释放问题，所以它与弹性摸量直接相关，弹性摸量 大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能， —旦遇到适宜条件，它就会突然猛烈地大量释放。
三、影响围岩压力的因素
影响围岩压力的因素很多．通常可分为两大类。一类是地质因素，它包括原始应力状态、岩石力学性质、岩体结构面等；另一类是工程因素，它包括施工方法、支护设置时间、支护本身刚度、坑道形状等。
在隧道开挖过程中，由于受到开挖面的约束，使其附近的围岩不能立即释放全部瞬时弹性位移，这种现象称为开挖面的“空间效应”。如在“空间效应”范围(一般为1～1.5倍洞跨)内，设置支护就可减少支护前的围岩位移值。所以采用紧跟开挖面支护的施工方法．可提高围岩的稳定性。
四、围岩松动压力的形成和确定方法
(一) 围岩松动压力的形成 则影响较小。对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅涉及隧道周围—定深度。所以作用在支护结构上的围岩松动压力远远小于其上覆地层自重所造成的压力。这可以用围岩的 开挖隧道所引起的围岩松动和破坏范围有大有小，如有的可达地表，有的 “成拱作用”来解释，以水平岩层中开挖一个矩形坑道，来说明坑道开挖后围岩由变形 到坍塌成拱的整个变形过程，如图4-6所示。 2．顶板中间部分的裂纹发展并张开，逐渐变松动，石块开始掉落，支护所受的垂直压力急剧增加[图4－6(b)]。 3．顶板向上继续坍落，石块与围岩母体分离，其界面多为拱形。此时垂直压力稳定在一定的数值内，但侧向压力增加，即地层中原存应力沿两侧传递[图4－6(c)]。 4．顶板停止塌落，垂直压力和侧向压力都趋于稳定[图4－6(d)]。 将坑道上方所形成的相对稳定的拱形范围称为自然拱，其过程也称为“成拱作用”。支护只承受其上部坍落岩石的重量，即自然拱范围内破碎岩体的重量。这也就是作用在支护结构上的围岩松动压力。 (二)确定围岩松动压力的方法 4－15 图 4－6 1．坑道开挖后，在围岩重分布过程中．顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹[图4－6(a)]。 确定围岩的松动压力的方法有：现场实地测量法；理论公式计算法；统计法。应该说，实地测量是今后的努力方向，但按目前的量测手段和技术水平来看，量测的结果尚不能充分反映真实情况。理论计算则由于围岩地质条件的千变万化，使所引用的计算参数难以确切取值，因此目前也还没有一种能适合于各种客观实际情况的统一理论。在大量施工坍方事件的统计基础上建立起来的统计方法，在一定程度上能反映围岩压力的真实情况。在目前，采用几种方法相互验证参照取值是确定围岩压力较通用的方法。 1．深埋隧道围岩松动压力的确定方法
当隧道的埋置深度超过一定限值后，按围岩的“成拱作用”计算松动压力时，仅是隧道周边某一破坏范围(自然拱)内岩体的重量，而与隧道埋置深度无关，故解决这一破坏范围的大小就成为问题的关键。从上述分析说明，围岩的松动压力是和围岩分类成反比的（和围岩分级成正比）。在同样的围岩条件下，隧道的跨度越大，围岩的稳定性也越差，围岩松动压力就越大。这说明围岩的松动压力是和隧道的跨度成正比的。
（1）我国隧道设计规范所推荐的方法
确定围岩松动压力的关键是找出其破坏范围的规律性，而这种规律性只有通过大量的实际破坏性态的统计分析才能发现围岩破坏的直接表现形式是施工中产生的坍方，因此，可根据大量铁路隧道坍方资料的统计分析，找出适用铁路隧道的围岩破坏范围形状和大小的规律性，从而得出计算围岩松动压力的统计公式。由于所统计的坍方资料是有限的，加上资料的可靠性也是相对的，所以这种统计公式也只能在一定程度上反映围岩松动压力的真实情况。现行我国《铁路隧道设计规范》中推荐的计算围岩垂直匀布松动压力q的计算公式就是根据西南地区127座单线铁路隧道357个坍方点的资料进行统计分析而拟定的，根据隧道结构按破损阶段法或概率极限状态法设计的不同而采用不同的公式。
Ⅰ. 采用破损阶段法设计隧道结构 公路隧道：
q?0.45?26?s??? (4-7) 式中 s—一围岩类别，如Ⅲ类围岩，则s＝3；
3
?——围岩容重，kN／m；
?——宽度影响系数，且??1?i(B?5) B——坑道的宽度，m ；
i一一以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率，当B＜5m时，取i＝0.2，
B＞5m时，取i＝0.1。
对于铁路隧道，采用围岩分级时，以上公式改为:
q?0.45?2s?1??? (4-8) 式中 s—一围岩级别，如Ⅲ级围岩，则s=3； 其它符号意义同上。
以上两个公式是在坍方统计的基础上，考虑地质条件及坑道宽度建立的。两个公式的适用条件为：
① HtB＜1.7, Ht坑道净高度，m； ② 深埋隧道；
② 不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；
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