山岩压力

1、围岩的初始地应力场

通常所指的初始应力场泛指硐室开挖前岩体的初始静应力场，它的形成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系。在硐室开挖前是客观存在的，在这种应力场中修建硐室就必须了解它的状态及其影响。

岩体的初应力状态与施工引起的附加应力状态是不同的，它对坑道开挖后围岩的应力分布、变形和破坏有着极其重要的影响。可以说，不了解岩体初应力状态就无法对硐室开挖后一系列力学过程和现象作出正确的评价。

2、硐室开挖后的应力场

硐室的开挖，移走了硐室内原来受力的部分岩体，破坏了围岩初始应力场的平衡状态，围岩从相对静止的状态转变为变动的状态。围岩力图达到一个新的平衡，其应力和应变开始一个新的变化运动，运动的结果，使得围岩的应力重新分布并向开挖的硐室空间变形。理论和实验证明，硐室开挖后，解除了部分围岩的约束，在硐室周围初始应力将沿硐室一定范围重新分布，一般情况下，应力状态如图1所示，形成三个区域。

I区域称为低应力区，在有裂隙和破碎的岩石中，或松软围岩中，由于岩体强度小，硐室开挖后，岩体不能承受急剧增大的周边应力而产生塑性变形，使硐室周边的围岩应力松弛而形成一个应力降低的区域，使高应力向岩体深处转移，被扰动的这部分岩体就开始向硐室内变形。变形值超过一定数值，岩体则出现移动、坍塌或处于蠕动状态。

II区域称为高应力区，这一部分岩钵也受到了扰动，在应力重分布的过程中使这个范国内岩体的应力升高，但强度尚未被破坏，实际相当于形成了一个承载环，起到承载的作用。

III区域为原始应为区，距离硐室较远的岩体未受到开挖的影响，仍处于原始的应力状态。

在极坚硬面完整的围岩中，硐室周边应力急剧增高，由于岩体强度大，未形成如松软破碎岩体那种变形过大和开裂坍塌的情况，因而不存在应力降低区，而只有高应力向原始应力过渡的重分布特点，所以往往不需要设置支护结构来提供外加平衡力。换句话说，这种硐室是自稳的。

综上所述，硐室的开挖，破坏了围岩原有的平衡，产生了变形和应力重新分布。但是这种变化发展不是无限的，它总是为了达到新的平衡而处在一种新的应力状态中。

上述分析说明开挖硐室对围岩稳定的影响是较大的，影响的程度视地质条件、硐室形状、施工方法而异。公路硐室设计规范规定，硐室开挖破坏了的岩体的重量就是作用在支护结构上围岩压力的来源。当然，现代硐室施工技术是不会让这种现象自由发展，从爆破手段和初期支护上采取措施，阻止硐室周边岩体过大的变形和坍塌，使围岩成为主要的承载体。

围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：

1．直接量测法

是一种切合实际的方法，对硐室工程而言，也是研究发展的方向；但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。

实测作用在支护结构上的围岩压力的方法很多，归纳起来可分为两类：直接量测法和间接量测法。直接量测作用在支护结构上的压力（接触压力）的方法，主要采用各种类型的压力盒。压力盒按工作原理分为机械作用式、电测式和液压式等。目前使用较多的是钢弦式压力盒。各类电测式压力盒都需要专门的接收器。液压式压力盒的优缺点与机械式相似。在硐室施工阶段中量测临时支护上的压力，从而推断作用在结构上的压力的方法得到普遍应用。这种方法采用各种类型的支柱测力计。支柱测力计按工作原理分为机械式、电测式和液压式等。

利用量测硐室衬砌的应变来推算作用在其上的围岩压力的方法，是一种间接量测方法。这种方法需要在衬砌内埋设各种应变量测元件。如电阻应变片、钢筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖等。这些量测元件，都是基于电阻的变化来量测应变的，应变量测元件都需要有相应的接收器。

围岩压力的实测一般都要与围岩物理力学性质的试验、围岩的变形量测、围岩的初始应力量测等相配合。

2．经验法或工程类比法

是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建硐室工程确定围岩压力的依据的方法。是目前使用较多的方法。

3．理论估算法

是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素又非常多，这些因素本身及它们之间的组合也带有一定的偶然性，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的，因此，现有的围岩压力理论都不十分切合实际情况。

在理论计算方法中，考虑几个主要因素，使其结果相对地接近实际围岩压力的情况，是目前硐室工程设计中采用较多的方法。一般来讲，都是以某种简化的假设为前提，或以实际工程的统计分析资料为基础。 2100433B

硐室周围的山岩压力随着时间的发展可以分为三个阶段：

第I阶段：由于岩体的变形，在硐室的周界上产生一般的挤压，同时，在两侧的岩石因剪切破坏而形成了楔形岩块，这两个楔形岩块有朝着硐室内部移动的趋向。

第Ⅱ阶段：在侧向楔形体发生某种变形以后，在岩体内形成了一个椭圆形的高压力区，在椭圆曲线与硐室周界线间的岩体发生了松动。

第Ⅲ阶段：洞顶和洞底的松动岩体开始变形，并向着洞内移动，洞顶松动岩石在重力作用下有掉落的趋势，山岩压力逐渐增加。

山岩压力的形成是与硐室开挖后岩体的变形、松动和破坏分不开的。通常将由于岩体变形而对支护或衬砌给予的压力，称为变形压力；将岩体破坏和松动对支护或衬砌造成的压力，称为松动压力。变形量的大小以及破坏程度的强弱就决定着山岩压力的大小。

1、自重应力场

我们研究具有水平成层。地面平坦的情况。如图2所示，设岩体是线性变形的，在xz平面内是均质的，沿y轴方向是非均质的，设E、μ分别为沿垂直方向的岩体弹性模量和泊松比， E₁、μ₁为沿水平方向的岩体弹性模量和泊松比。

实际情况中，由于地壳运动，岩层会产生各种变动，如形成向斜、背斜、断裂等，在这种情况下，围岩的初始应力场也有所变化。如以垂直成层为例，由于各层的物理力学性质不同，在同一水平面上的应力分布可能是不同的；在背斜情况下，由于岩层成拱状分布，使上层岩层重量向两侧传递，直接处于背斜下的岩层受到较小的应力，在被断层分割的楔形岩块情况中也可观察到类似情况。在实际工作的应用中是不能忽视的。

2．构造应力场

地层的应力场是由自重应力场和构造应力场构成的。地质学家认为：地层各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果，因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称为构造应力场。构造应力场是随时间变化的动态场。

由于构造应力场的不确定性，很难用函数形式表达。它在整个初始应力场中的作用只能通过某些量测数据来分析，在实际工程中应用较少。一般认为，构造应力场具有以下特性：

（1）地质构造形态不仅改变了重力应力场，而且以各种构造形态获得释放，还以各种形式积蓄在岩体内，这种残余构造应力将对硐室工程产生重大影响。

（2）构造应力场在较浅的地层中已普遍存在，而且最大构造应力场的方向，近似为水平，其值常常大于重力应力场中的水平应力分量，甚至大于垂直应力分量，这与重力应力场有较大的差异。

（3）构造应力场是不均匀的，它的参数在空间和时间上都有较大的变化，尤其是它的主应力轴的方向和绝对值的变化很大。

求解初始应力场，结果常常有极大的偏差。因此，在理论分析中，常把初始应力场按静水应力场来处理。在某些重要的工程中，多采用实地量测的方法，来判断主应力的大小及其方向的变化规律。

3、岩土体结构状态

岩土体结构是长时间地质运动的产物，在地质因素的影响中起着主要作用。

围岩的结构状态通常用其破碎程度或完整状态来表示。处于原始状态的岩土体，在长期的地质构造运动的作用下，产生各种结构面、形变、错动、断裂等使其破碎，在不同程度上丧失了其原有的完整状态。因此，结构状态的完整程度或破碎状态，在一定程度上是表征岩土体受地质构造运动作用的严重程度。对硐室围岩的稳定与否，起着主导作用。实践指出，在相同岩性的条件下，岩体愈破碎，硐室就易于失稳。因此，在各种分级方法中，都把岩体的破碎程度作为分类的基础指标。

岩体的完整状态或破碎程度有两个含义，一是构成岩体的岩块大小，二是这些岩块的组合形态。前者一般是采用裂隙的密集程度(裂隙率、裂隙间距、体裂隙率等)来表达，即沿结构面法线方向上每单位长度内结构面的数目或结构面的平均间距，或采用单位体积中的裂隙数等来表示。后者主要考虑构成岩体的完整状态的各种岩块的组合比例。

4、岩石的工程性质

岩石的工程性质是多方面的，一般主要指岩石的强度或坚固性。在岩体结构状态成为控制围岩稳定的主要因素时，强调岩石强度意义是不大的。例如，在碎块状岩体中，岩石强度再大也阻止不了硐室围岩的坍落。但在较为完整的岩体结构中，如整体的巨块状结构，或大块状结构，岩石强度就具有一定的意义。所以岩石强度在完整的岩体中是起主要作用的。

完整岩体，一般都是认为均质的连续介质。硐室开挖后，围岩强度高，具有极大的稳定性，仅在个别情况下有局部的碎块、剥离现象。在这种情况下进行理论分析也是以岩石强度为依据。此外，在决定某些裂隙岩体的强度时，也是要以岩石强度为基础。

在围岩分级中，岩石的坚固性或强度都是以岩石的单轴饱和极限抗压强度为基准，这是因为它的试验方法简便，数据分散性小，且与其它物性指标有着良好的互换性。依岩石试件抗压强度进行岩石分级的基准。

5、地下水的作用和影响

硐室施工的大量实践证明，水是造成施工坍方、使硐室围岩丧失稳定的重要原因之一。因此，在硐室围岩分级中水的影响是不容忽视的。在不同的围岩中水的影响是不相同的，一般有下列几种情况：

a．使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显，对土体则可促使其液化或流动；

b．在有软弱结构面的围岩中，会冲走充填物或使夹层液化，减少层间摩阻力促使岩块滑动；

c．在某些围岩中，如石膏、岩盐和蒙脱石为主的粘土岩中，遇水后产生膨胀，在未胶结或弱胶结的砂岩中可产生流砂和潜蚀。

因此，在围岩分级中都考虑了水的影响。在同级围岩中，遇水后则适当降低围岩级别。降低的幅度主要视：围岩的岩性及结构面的状态、地下水的性质和大小、流通条件、对围岩浸润状况和危害程度而确定。

6、施工因素的影响

人为的因素也是造成硐室丧失稳定的重要条件，其中硐室的形状和尺寸，尤其是跨度影响较为显著。实践证明，在同类围岩中，跨度愈大，硐室围岩的稳定性就愈差。例如，大块状岩体是指裂隙间距在0．4m～1．0m左右的岩体。这是对中等跨度硐室(B=5m—15m)而言的，若跨度较大(大于15m)或较小(小于5m)，岩体的破碎程度就不同。因此，有的分级就明确指出分级的适用跨度范围。

在围岩分级中也曾有人建议用相对裂隙间距，即裂隙间距与硐室跨度的比值，来进行硐室围岩稳定性的分级。例如，当相对裂隙间距大于1/5时，即可认为岩体是完整的；在1/5—1/20范围内，岩体则处于不同的破碎状态；而小于1/20，则可视为极度破碎的。

在施工因素中，支护结构的类型及架设时间也对硐室围岩的稳定性产生重要影响。其中比较重要的是硐室开挖后，围岩在无支护条件下的允许暴露时间及无支护地段的长度，也就是围岩的自稳时间，因此，有的围岩分级就是以这个时间进行分级的。硐室自稳时间是指从开挖后到顶部开始发生可以察觉到的移动、松弛时为止所经历的时间。实际上它是岩石类型、硐室未支护地段长度、硐室宽度，以及开挖时围岩被扰动、破坏程度的函数。

此外，施工方法也有影响，在同类岩体中，采用普通爆破法施工和控制爆破法施工，采用矿山法施工和盾构法或掘进机施工，采用大断面开挖和小断面分部开挖，对硐室稳定性的影响都不相同。

埋深的影响也不能忽视。随着埋深的增加，初始应力场也随之增大，因此，在施工过程中也可能出现诸如岩爆或大变形现象。因此，在高应力场或极高应力场的条件下，围岩级别应适当降低。

7、风化作用

风化时，岩石产生风化裂隙使水易于浸入，岩体湿润，减少了岩石晶粒间的联系，因而强度减小，故试验时多以湿饱和强度为基准。

关于粗面安山岩的成因﹐通常有以下3种看法：

（1）分异说。认为粗面安山岩是玄武岩浆分异产物﹐其主要根据是﹐粗面安山岩常与玄武岩共生﹐而且两者的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr初始值相似。

（2）同化说。认为粗面安山岩是玄武岩浆同化花岗质大陆壳的结果﹐其主要根据是﹐粗面安山岩成分介于玄武岩与花岗岩之间﹐而粗面且安山岩主要分布于大陆壳区。

（3）从板块构造观点认为，安山岩浆起源于大洋板块俯冲于大陆板块之下时﹐洋壳及其上覆沉积物受高温﹑高压影响﹐转变为角闪岩﹑石英榴辉岩﹐再经部分熔融可形成安山岩浆﹔此岩浆上升进入地幔楔形区后可与地幔岩反应成辉石岩﹐再经部分熔融﹐能形成安山岩浆﹔大洋沉积物中水及水化的大洋壳中水﹐在俯冲到一定深度时脱出﹐上升至上覆的地幔楔形区﹐使地幔富水﹐富水地幔部分熔融也能形成粗面安山岩。实验资料证明﹐在压力3×10⁹帕时﹐粗面安山岩的熔点最低﹔而且1～1.5×10⁹帕时﹐富水橄榄岩部分熔融即可产生安山质熔体。第三种安山岩成因观点被多数人接受。