围岩影响围岩稳定性的因素

围岩地质因素

围岩在开挖隧道时的稳定程度乃是岩体力学性质的一种表现形式。因此，影响岩体力学性质的各种因素在这里同样起作用，只是各自的重要性有所不同。

1、岩体结构特征

岩体的结构特征是长时间地质构造运动的产物，是控制岩体破坏形态的关键。从稳定性分类的角度来看，岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示。在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用严重的程度。实践证明，围岩的破碎程度对坑道的稳定与否起主导作用，在相同岩性的条件下，岩体愈破碎，坑道就愈容易失稳。因此，在近代围岩分类法中，都已将岩体的破碎或完整状态作为分类的基本指标之一。

2、结构面性质和空间的组合

在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质，以及它们在空间的组合状态。对于隧道来说，围岩中存在单一的软弱面，一般并不会影响坑道的稳定性。只有当结构面与隧道轴线相互关系不利时，或者出现两组或两组以上的结构面时，才能构成容易堕落的分离岩块。例如有两组平行但倾问相反的结构面和一组与之垂直或斜交的陡倾结构面，就可能构成屋脊形分离岩块。至于分离岩块是否会塌落或滑动，还与结构面的抗剪强度以及岩块之间的相互联锁作用有关。

3、岩石的力学性质

在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质，尤其是岩石的强度。一般来说，岩石强度越高坑道越稳定。在围岩分类中所说的岩石强度指标，都是指岩石的单轴饱和极限抗压强度。因为这种强度的试验方法简便，数据离散性小，而且与其它物理力学指标有良好的换算关系。

4、围岩的初始应力场

围岩的初始应力场是隧道围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。

5、地下水状况

隧道施工的实践证明，地下水是造成施工坍方，使隧道围岩丧失稳定的最重要因素之—，因此，在围岩分类中切不可忽视。

围岩人为因素

施工等人为因素也是造成围岩失稳的重要条件。其中尤其以坑道的尺寸（主要指跨度）形状以及施工中所采用的开挖方法等影响较为显著。

1、坑道尺寸和形状

实践证明，在同—类围岩中，坑道跨度愈大，坑道围岩的稳定性就愈差，因为岩体的破碎程度相对加大了。

2、 施工中所采用的开挖方法

从施工技术水平来看，开挖方法对隧道围岩稳定性的影响较为明显，在分类中必须予以考虑。例如，在同一类岩体中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用矿山法和采用掘进机法，采用全断面一次开挖和采用小断面分部开挖，对隧道围岩的影响都各不相同。所以，大多数围岩分类法都是建立在相应的施工方法的基础上的。

隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广。包括地层特征，地下水状况，开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态，以及地温梯度等。

但对隧道工程来说，最关心的问题则是地层被挖成隧道后的稳定程度。这是不言而喻的，因为地层稳定就意味着开挖隧道所引起的地层向隧道内的变形很小，而且在较短的时间内就可基本停止，这对施工过程和支护结构都是非常有利的。

地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩的稳定性，这是一个反映地质环境的综合指标。

围岩的工程性质，—般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。而对围岩稳定性最有影响的则是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能。围岩既可以是岩体、也可以是土体。

岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。它被许许多多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为大小不等，形状各异的各种块体。

工程地质学中将这些地质界面称之为结构面或不连续面，将这些块体称之为结构体，并将岩体看作是由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。

所以，岩体的力学性质性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特征以及结构面的特性。

环境因素尤其是地下水和地温对岩体的力学性质影响也很大。在众多的因素中，哪个起主导作用需视具体条件而定。

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）。

围岩分类原则

围岩分类的原则有多种，它是在人们对隧道工程的不断实践和对围岩的地质条件逐渐加深了解的基础上发展起来的。不同的国家，不同的行业都根据各自的工程持点提出了各自的围岩分类原则。现行的许多围岩分类方法中，作为分类的基本要素大致有三大类：

第Ⅰ类

与岩性有关的要素。例如分为硬岩、软岩、膨胀性岩等，其分类指标是采用岩石强度和变形性质等，如岩石的单轴抗压强度、岩石的变形模量或弹性波速度等。

第Ⅱ类

与地质构造有关的要素。如软弱结构面的分布与性态、风化程度等。其分类指标采用岩石质量指标、地质因素评分法等等。这些指标实质上是对岩体完整性或结构状态的评价。这类指标在划分围岩的类别中一般占有重要的地位。

第Ⅲ类

与地下水有关的要素。

围岩分类方法

(一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分类方法

1、以岩石强度为基础的分类方法

这种围岩分类单纯以岩石的强度为依据，例如我国解放前及解放初期(如修建成渝线时)的土石分类法。即把岩石分为坚石、次坚石、松石及土四类。并设计出相应的四种隧道衬砌结构类型。

2、以岩石的物性指标为基础的分类方法

在这种分类方法中，具有代表性的是前苏联普洛托季雅柯诺夫教授提出的“岩石坚固性系数”分类法(或称“”值分类法，也叫普氏分类法)。它把围岩分成10类。这种分类法曾在我国的隧道工程中得到广泛的应用。

(二)以岩体构造、岩性特征为代表的分类方法

1、这种分类法以泰沙基分类法为代表

此法是在早期提出的，限于当时的条件仅把不同岩性、不同构造条件的围岩分成九类，每类都有一个相应的地压范围值和支护措施。在考虑问题时是以坑道有水的条件为基础的，当确认无水时，4～7类围岩的地压值应降低50%。这一分类方法曾长期被各国所采用，仍有广泛的影响。

2、以岩体综合物性为指标的分类方法

60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分类法”，并于1975年经修正后正式作为铁路隧道围岩分类方法，1986年再作修订后列入我国现行的《铁路隧道设计规范》。

(三)与地质勘探手段相联系的分类方法

1、按弹性波(纵波)速度的分类方法

随着工程地质勘探方法，尤其是物探方法的进展。1970年前后，日本提出了按围岩弹性波速度进行分类的方法。围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可反映岩石软硬，又可表明岩体结构的破碎程度。根据岩性、地质状况及土压状态，将围岩分成七类。我国从1986年起也开始将围岩弹性波(纵波)速度引入我国分类法中。

2、以岩石质量为指标的分类方法

所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯的复原率，或称岩芯采取率，这是美国伊利诺大学迪尔等人提出的，认为钻探获得的岩芯其完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均质性等状态有关，因此可用岩芯复原率来表达岩体质量。

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

围岩压力直接量测法

直接量测法是指采用各种压力盒量测围岩作用在衬砌或支护结构上的接触压力的方法。这种方法是将压力盒（或称压力传感器）放置在衬砌或支护结构与围岩之间，并紧密接触，使二者之间的压力直接由压力盒反映出来。用于这种量测的压力盒主要有电阻式、电容式、电压式和振弦式等几种。

围岩压力间接量测法

通过对衬砌或支护及围岩的应力或应变的量测来推求围岩压力的方法称为间接量测法。其中最为常用的方法是对围岩变形（位移）的量测，在反演围岩压力的同时，用于评价围岩的稳定性以及确定围岩松弛带的范围。 2100433B

围岩压力问题是与围岩的稳定性问题相关联的，稳定性越好的围岩所产生的围岩压力就越小。因此，影响围岩稳定性的因素也就是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。

不论何种围岩，在隧道开挖后的暴露时间均是越短越好。“新奥法”的原则中指出，隧道开挖后应尽快施作初期支护（喷锚支护），及时封闭围岩，防止围岩的松动、风化，也防止围岩强度的丧失。然后通过监控量测掌握围岩的收敛变形动态规律，当围岩的变形基本稳定后再施作永久性衬砌。应该指出，这一原则是建立在围岩具有良好的自稳性能的基础上的，如果围岩不具有良好的自稳性能，将会由变形而出现塑性破坏，这种情况下不能仅依靠初期支护来维持围岩的稳定，而必须及时施作永久性衬砌，给围岩提供所需的支护力，有效地阻止围岩变形的发展，防止围岩的松动坍塌而形成的松动压力对支护的作用。因此，支护的是否及时就成为了围岩压力性质及大小的一个关键性的重要因素。

围岩压力的确定方法一般有：现场量测法、理论计算法、统计法等。量测法是运用仪器实地量测围岩压力的大小，应该说是最具有说服力。但因量测技术手段方面的因素影响，量测的结果往往不能充分反映真实情况。理论计算是在对洞室围岩及地质环境作一些简化假设的条件下运用一些成熟的计算理论对围岩压力进行计算，但由于围岩的地质条件复杂多变，计算时所用的各种参数难免与实际不符，因此现阶段理论计算方法往往还需要配合其它方法进行验证和校核。通过对实际工程的围岩压力值的统计分析而形成的经验计算方法，因具有简单、可靠等特点而被广泛应用。在实际工程中往往采用上述几种方法互相验证。