地下工程围岩

地下工程开挖后，天然地应力状态受到扰动，围岩应力重新分布，并发生应力集中现象。洞室孔口部位的法向应力下降，在洞室边界上为零。有的部位环向压应力增加，而有的部位则下降甚至还会出现拉应力。它们在洞室边界上变化最大，向岩体深部逐渐转化为天然应力状态。

围岩应力集中程度主要取决于岩体开挖前的天然地应力状态、地下洞室的几何形状及围岩的力学性状。

(1)地应力。岩体天然地应力状态十分复杂，地应力场是重力场和构造应力场的耦合。地应力不仅与深度有关，而且受地质环境和地形条件的影响，目前还不能通过理论分析进行计算，只能通过试验测定。在地下工程设计中，取洞轴线与最大主应力方向一致或小角度相交，围岩的应力集中就较缓和，因此根据地应力的最大主应力方向选择洞室走向十分重要。

(2)洞室形状。对于带有尖锐轮廓的洞室，局部应力集中十分严重，应该予以避免。当地下洞室的方向确定之后，应根据与洞轴线垂直平面上的地应力分量选择合理的断面形状。

(3)围岩的力学性状。地下工程所处岩体的地质背景、岩石力学性质和应力集中程度不同，围岩可能出现不同的力学性状。在均匀岩体中，围岩可能处于弹性状态，也可能进入塑性状态、黏弹塑性状态，甚至产生脆性破坏。在脆性破坏时，轻微的表现为岩石剥离，严重的出现喷射现象。在层状岩体及松散破碎岩体中，围岩可能失去平衡而沿岩体软弱结构面滑动或脱落，甚至发生坍方事故。

作为地下开挖工程环境的岩体。岩体在开挖地下洞室以前处于天然地应力的平衡状态，是稳定的。开挖地下洞室以后，天然应力状态受到扰动，应力重新分布，而在洞室周围一定范围内形成局部应力集中带。由于地下工程所处岩体的地质环境，岩石力学性质和应力集中程度的不同，可能在临空面处形成新的平衡而趋于稳定，也可能超过极限状态而趋于失稳。实际工程中，常采用工程类比的围岩分类法，或基于各种假定的解析或数值分析方法，判别围岩的稳定程度，而确定衬砌和支护的类型及其布置。

根据围岩的地质条件、结构面状况和岩石(体)力学性质指标对岩体进行分类。目前，国内外提出了多种分类系统，如N.K.巴顿(N.K.Barton)等人的NGI分类等。

在地下洞室开挖及运行过程中，要防止围岩失稳，保持其长期稳定性，有时需要对围岩进行加固处理。加固方式有混凝土衬砌、钢板衬砌、锚喷及各种支护、灌浆等。早期的地下工程重视衬砌和支护建设，将岩体仅仅作为衬砌和支护承受的载荷源，并假定岩体为松散介质建立了山岩压力理论。近代地下工程设计理论认为围岩既是载荷源，又是一种承载结构，应充分发挥岩石本身的强度，只在岩体本身不能维持稳定时，才进行加固处理。衬砌和支护的设计中也考虑与岩体的联合作用。围岩应力与稳定分析主要依靠有限元、边界元、离散元及块体理论等数值分析方法，在特殊条件下也可以用解析法求解。

水工隧洞要承受内水压力作用，同时有平整度要求，多数情况下要采用混凝土衬砌，有的甚至要进行钢板衬砌。这时围岩的应力状态是开挖后的应力重分布与承受内水压力后的组合状态，围岩的变形性能决定了它分担内水压力的比例。设计中要考虑围岩与衬砌的共同作用。对于圆形隧洞，基于弹性理论中的厚壁圆筒公式，根据岩体与衬砌的变形连续条件，建立了围岩和衬砌的应力计算理论。对于任意形状的压力隧洞，基于弹性地基梁的地基反力系数假定，用结构力学或其他数值分析方法计算衬砌的内力。2100433B

内容介绍

郑颖人、朱合华、方正昌、刘怀恒编著的《地下工程围岩稳定分析与设计理论》从力学理论与地下工程设计角度详细阐述了地下工程围岩稳定分析的解析解、数值分析和数值极限分析，包括岩体原岩应力、围岩应力的线弹性分析、弹塑性分析、黏弹塑性分析、弱面体分析、线弹性分析有限元法、弹塑性分析有限元法、结构面分析有限元法、动力分析有限元法、围岩有限元反分析法、地下工程分析软件介绍、有限元极限分析法、隧洞围岩破坏机理、围岩压力理论、隧洞设计方法等内容。

《地下工程围岩稳定分析与设计理论》适用于岩土工程勘察、设计和施工人员，亦可供大专院校相关专业师生使用。

2100433B

围岩定义

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力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用。

围岩产生背景

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；既包括作用在普通传统支护，也包括锚喷和压力灌浆等现代支护的方法中所显示的力学性质。

从狭义来理解，围岩力是指围岩作用在支护结构上的压力。

人们从开挖洞穴后围岩变形和坍塌，衬砌或支护产生变形和开裂等现象，逐步认识到围岩压力的存在。影响围岩压力的因素有：洞室形状或大小、地质构造、支护型式和刚度、洞室埋深，以及时间因素和施工方法等。围岩压力的性质、大小和分布规律是正确进行隧道和洞室支护、结构设计和选择施工方案的重要依据。

洞室开挖前，岩体处在相对静止状态，其中任何一点的岩土都受到周围地层的挤压，称为初始应力状态或一次应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的构造应力以及地下水流动等因素所决定的。

洞室开挖以后，解除了部分围岩的约束，原始的应力平衡和稳定状态被破坏，围岩中出现了应力的重分布，进入二次应力状态。围岩向洞室内部空间变形，并力图达到新的平衡。

围岩应力状态

由弹塑性理论和现场量测表明，隧道开挖后的围岩应力状态可概括为三个区域：

应力降低区

在松软围岩中，岩体的强度很小，不能承受开挖后急剧增大的洞室周边应力而产生塑性变形，沿坑道周边围岩应力松弛而形成一个应力降低了的区域，高应力向围岩深部转移。

扰动了的岩体向坑道内变形，如果变形超过一定数值就会出现围岩失稳和坍塌。

在坚硬而完整的围岩中，由于岩体强度大，坑道周边未达到开裂和坍塌，故无应力降低区，这种洞室往往是自稳的。

应力升高区

围岩深部应力升高的区域，但其强度尚未被破坏，相当于一个承载环。坑道上方形成承载拱，承受上覆地层的自重，并将荷载向两侧地层传递。此即围岩的成拱作用。

初始应力区

距离坑道较远的岩体所受开挖的影响较小，仍处于初始的一次应力状态。

围岩基本类型

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为松动压力。松动压力按作用在支护上的力的位置不同，分为竖向压力和侧向压力。

形变压力

围岩变形受到支护约束而产生的压力。除与围岩应力有关外，还与支护时间及其刚度有关。柔性支护可产生一定位移而使形变压力减小，宜大力推广。但需及时设置衬砌，以免围岩位移过大而形成松动压力，不利于结构受力和正常施工。

按围岩的本构特性(主要指岩土材料的应力-应变关系)和受力程度，可以有弹性、塑性和粘性等不同性质的形变压力。

松动压力和形变压力经常同时存在。但以地质条件、支护类型和施工方法等不同而以某一种为主。

如在松散地层中采用现浇混凝土衬砌而回填不密实时，通常以松动压力为主，及时作柔性的喷锚支护则以形变压力为主。形变压力常随时间推移而逐渐加大，最终才趋于稳定。

膨胀压力

当岩体具有吸水、应力解除等膨胀性特征时，由于围岩膨胀所引起的压力称为膨胀压力。它与变形压力的基本区别在于它是有吸水、应力解除等膨胀引起的。

冲击压力

围岩产生岩爆或瓦斯突发，在支护结构上产生的动压力。其特点是冲击地压大小与岩爆规模、岩爆强烈程度和支护结构的刚度有关，另外冲击压力总体上是一种瞬间压力。

围岩理论发展

在20世纪20年代以前，主要是古典理论阶段。认为作用在支护上的压力是支护结构上方覆盖岩层的全部重量，如海姆和兰金理论。

其后，出现了各种散体理论，即认为使围岩塌落拱以内的岩体重量作用于衬砌，如泰尔扎吉和普罗托季亚科诺夫理论。塌落拱的高度和洞室跨度及围岩性质有关。当掘进和支护所需时间较长，支护与围岩又不能紧密贴接，就会使围岩最终有一部分破坏塌落而形成松动压力。

50年代起，弹塑性理论被运用于隧道的计算，如芬纳、卡斯特纳公式等。同时，开始研究围岩压力和变形的时间效应。

60年代末，出现了考虑地下结构与地层相互作用的弹塑性理论。由于将围岩与衬砌视为一个统一的结合整体，围岩压力不再单独进行计算。

70年代以来，将工程地质和数学计算相结合，出现了研究块状和层状岩体的块体力学理论。

现行围岩压力理论包括：

岩土柱理论

开挖坑道以后，由于支护或拱圈向坑道内部位移，引起其顶部上覆岩土柱的下沉，两侧地层对柱体产生与下沉反向的摩擦力，故上覆岩层重量减去岩土柱两侧的摩擦力即为围岩压力。

中国铁路部门的方法认为：拱顶土柱的下沉，将带动两侧三棱体下滑，由三角楔体的平衡条件求出与土柱间的摩阻力，土柱重量减去此摩阻力即为土体竖直压力。

该理论多用于浅埋隧道，但也可推广用于深埋隧道。当隧道埋置极浅或遇软土层时，土柱两边的摩阻力接近于零，故围岩压力直接为土柱全重。

压力拱理论

对埋置较深的隧道，顶部岩体失去稳定，产生坍塌而形成不延向地表的局部破裂区。该区内的岩体自重即洞室支护上的荷载。破裂区上部边界线有抛物线、椭圆、半圆和三角形等不同假定，如科默雷尔岩体破碎理论等。

中国在50年代初期以来，曾广泛采用普氏地压理论。假定岩体为松散体，其压力拱承受上覆土柱的全部均布重量，根据散粒材料不能承受拉应力，即弯矩为零的条件，得到拱形为抛物线，其矢高h=b/f(b为压力拱跨度之半，f为岩层坚固系数)。塌落拱岩体重量即为竖直地层压力。

弹塑性理论

利用弹塑性理论可求出沿洞室周边地层内产生塑性区的范围。设置衬砌后，利用地下结构与地层的位移协调条件，可求得塑性区半径和围岩压力值。

极限平衡理论

岩体内有各种各样的结构面。开挖坑道后，洞周的围岩出现与整个岩体相脱离的岩块。它的自重对衬砌产生压力。故用地质分析法时，需先查明断层、节理和软弱夹层的分布情况及其组合。自重减去结构面阻力即为地层压力，必要时也可计及围岩应力对地压的影响，采用赤平极射投影方法，确定岩石块体的空间位置和形状。

当分离体由数组平行节理面组成时，可用裂隙岩石的极限平衡理论计算；当节理呈随机分布时，可用块体力学理论计算。

数值解法

除简单边界条件的圆形洞室有较严格的解析解以外，对其他断面形状的洞室可采用有限元法或其他数值方法计算弹性、弹塑性或粘弹与粘(弹)塑性的围岩压力值。

如已给出垂直压力，则侧向压力可视具体情况采用主动、静止和被动抗力等理论进行计算。如底部地层较差而承载力不好，处于极限状态，产生塑流，岩土将向洞室底部隆起；或遇膨胀地层时，均需要考虑底部围岩的隆起压力。

由于地层初始压力和岩土参数不易准确测定，上述各种地压理论，实际应用时会受到一定限制，因此还较多地采用工程类比法。在对已建成洞室的围岩压力大小和分布规律观察统计的基础上，全面分析研究其影响因素，得出围岩压力的经验公式，用以确定作用在衬砌上的围岩压力。

长期以来，人们都想通过量测作用在隧道上的围岩压力及围岩和衬砌的变形，得出可靠的围岩压力分布和数值。近期兴起的综合量测方法，如以洞径位移量测为主的收敛约束法，强调施工期间进行量测，并反馈信息而后修改原设计，称为现场监控法。

依靠实测来求得围岩压力值是当前的发展方向。围岩压力理论虽有很大的发展，但仍未臻完善。围岩性质千变万化，支护形式多种多样，施工方法各不相同，故应综合经验、理论和实测的成果，针对不同情况，采用不同的理论和方法。2100433B

工程地质学中把重分布应力影响范围内的岩体称为围岩。绝大部分为6r（r为洞室半径 ）。

一、地质学名词，相对于某种地壳物质周围的岩石。常见的有岩浆的围岩和矿体的围岩。煤层围岩指的是煤层周围一定范围内，对煤层的稳定有影响的岩(土)体。

二、在岩石地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。

围岩是洞室四周围绕的岩石，这个洞室可以是人工开凿的（例如各种隧道、地下仓库等等），也可以是天然形成的（例如山洞、溶洞等等）。