隧道圍巖分級(jí)及其應(yīng)用與圍巖壓力

1、PAGE PAGE 94隧道圍巖分級(jí)及其應(yīng)用與圍巖壓力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、開挖隧道前就存在于地層中的原始地應(yīng)力狀態(tài)、地溫梯度等。因此，隧道圍巖的穩(wěn)定性是反映地質(zhì)環(huán)境的綜合指標(biāo)。也是我們修建隧道工程對(duì)圍巖特征研究的重要內(nèi)容之一。隧道圍巖壓力是指隧道開挖后，圍巖作用在隧道支護(hù)上的壓力，是隧道支撐或襯砌結(jié)構(gòu)的主要荷載之一。其性質(zhì)、大小、方向以及發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，對(duì)正確地進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)與施工有很重要的影響。5.1 隧道圍巖分級(jí)及其應(yīng)用 隧道圍巖分級(jí)是正確地進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)與施工的基礎(chǔ)。一個(gè)較好的、符合地下工程實(shí)際情況的圍巖分級(jí)，多改善地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)展新的隧道施工工

2、藝，降低工程蟄價(jià)，多快好省地修建隧道，有著十分重要的意義。 借用蘇聯(lián)的巖石堅(jiān)固系數(shù)進(jìn)行分類，即通常所謂的普氏系數(shù)（f值）。在長期大量的地下工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：這種單純以巖石堅(jiān)固性（主要是強(qiáng)度）指標(biāo)為基礎(chǔ)的分類方法，不能全面反映隧道圍巖的實(shí)際狀態(tài)。逐漸認(rèn)識(shí)到：隧道的破壞，主要取決于圍巖的穩(wěn)定性，而影響圍巖穩(wěn)定性的因素是多方面的，其中隧道圍巖結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)，是影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素。隧道圍巖體的強(qiáng)度，對(duì)隧道的穩(wěn)定性有著重要的影響，地下水、風(fēng)化程度也是隧道圍巖喪失穩(wěn)定性的重要原因。從圍巖的穩(wěn)定性出發(fā)，1975年編制了我國“鐵路隧道圍巖分類”，這個(gè)分類由穩(wěn)定到不穩(wěn)定共分六類，代替了多年沿用的從巖石堅(jiān)

3、固性系數(shù)來分級(jí)的方法。我國公路隧道圍巖分級(jí)起步較晚，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路交通得到較大的發(fā)展，大量的公路隧道修建，需要有一個(gè)適合我國工期的公路隧道圍巖分級(jí)，于1990年，根據(jù)我國鐵路隧道的圍巖分級(jí)為基礎(chǔ)，編制了我國“公路隧道圍巖分級(jí)”。 從國內(nèi)外的發(fā)展中可以看出，以隧道圍巖的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)進(jìn)行分級(jí)是總的趨勢(shì)。但分級(jí)指標(biāo)方面，大多數(shù)正在從定性描述、經(jīng)驗(yàn)判斷向定量描述發(fā)展。5.1.1隧道圍巖分級(jí)的因素指標(biāo)及其選擇圍巖分級(jí)的指標(biāo)，主要考慮影響圍巖穩(wěn)定性的因素或其組合的因素，大體有以下幾種：1單一的巖性指標(biāo)一般有巖石的抗壓和抗拉強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)；巖石的抗鉆性、抗爆性等工程指標(biāo)。在一些特定的

4、分級(jí)中，如確定鉆眼功效、炸藥消耗量等，土石方工程中劃分巖石的軟硬、開挖的難易，均可采用巖石的單一巖性指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)。一般多采用巖石的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度作為基本的分級(jí)指標(biāo)，具有試驗(yàn)簡單，數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點(diǎn)。但單一巖性指標(biāo)只能表達(dá)巖體特征的一個(gè)方面，用來作為分級(jí)的唯一指標(biāo)是不合適的。如老黃土地層，在無水的條件下，強(qiáng)度雖然低，但穩(wěn)定性卻很高。2單一的綜合巖性指標(biāo)以單一的指標(biāo)，反映巖體的綜合因素。這些指標(biāo)有巖體的彈性波傳播速度 彈性波傳播速度與巖體的強(qiáng)度和完整性成正比，其指標(biāo)反映了巖石的力學(xué)性質(zhì)和巖體的破碎程度的綜合因素。巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD） 是綜合反映巖體的強(qiáng)度和巖體的破碎程度的指標(biāo)。所謂巖石質(zhì)量指標(biāo)

5、是指鉆探時(shí)巖心復(fù)原率，或稱為巖芯采取率。鉆探時(shí)巖芯的采取率、巖芯的平均和最大長度是受巖體原始的裂隙、硬度、均質(zhì)性的影響的，巖體質(zhì)量的好壞主要取決于巖芯采取長度小于10cm以下的細(xì)小巖塊所占的比例。因此，巖芯采取率是以單位長度鉆孔中10cm以上的巖芯占有的比例來判斷的。即 RQD（） 10cm以上巖芯累計(jì)長度 100 （5.1.1）單位鉆孔長度 巖石質(zhì)量指標(biāo)分級(jí)認(rèn)為： RQD 90 為優(yōu)質(zhì)； 75 RQD 90 為良好； 50 RQD 75 為好； 25 RQD 50 為差；RQD 25 為很差。圍巖的自穩(wěn)時(shí)間 以被認(rèn)為是綜合巖性指標(biāo)，隧道開挖后，圍巖通常都有一段暫時(shí)穩(wěn)定的時(shí)間，不同的地質(zhì)環(huán)境，

6、自穩(wěn)時(shí)間是不同的，勞費(fèi)（H.Lauffer）認(rèn)為隧道圍巖的自穩(wěn)時(shí)間ts可用下式表示：ts = 常數(shù) L(1a) （5.1.2）式中：L 隧道未支護(hù)地段的長度；a 視圍巖情況在01之間變化，好的巖體可取 a =0;極差的 a = 1。勞費(fèi)（H.Lauffer）根據(jù)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間和未支護(hù)地段的長度，將圍巖分為： 穩(wěn)定的、易掉塊的、極易掉塊的、破碎的、很破碎的、有壓力的、有很大壓力的七級(jí)。具體的取值標(biāo)準(zhǔn)可參考有關(guān)專著。單一綜合巖性指標(biāo)一般與地質(zhì)勘察技術(shù)的水平有關(guān)，因此，其應(yīng)用受到一定的限制。3復(fù)合指標(biāo)是一種用兩個(gè)或兩個(gè)以上的巖性指標(biāo)或綜合巖性指標(biāo)所表示的復(fù)合性指標(biāo)。具有代表性的復(fù)合指標(biāo)分級(jí)，是巴頓（

7、N.Barton）等人提出的巖體質(zhì)量Q指標(biāo)，Q綜合表達(dá)了巖體質(zhì)量的六個(gè)地質(zhì)參數(shù)，見下式： Q （ RQD/ Jh）( Jr/ Ja) ( Jw / SRF) （5.1.3） 式中 RQD 巖石質(zhì)量指標(biāo)，其取值方法見式（51）； Jh 節(jié)理組數(shù)目，巖體愈破碎，Jh取值愈大，可參考下列經(jīng)驗(yàn)數(shù)值； 沒有或很少節(jié)理， Jh 0.51.0； 兩個(gè)節(jié)理組時(shí)， Jh 4； 破碎巖體時(shí)， Jh 20。 Jr 節(jié)理粗糙度，節(jié)理愈光滑，Jr取值愈小，可參考下列經(jīng)驗(yàn)數(shù)值； 不連續(xù)節(jié)理， Jr 4； 平整光滑節(jié)理， Jr 0.5等。 Ja 節(jié)理蝕變值，蝕變愈嚴(yán)重，Ja取值愈大，可參考下列經(jīng)驗(yàn)數(shù)值； 節(jié)理面緊密結(jié)合，節(jié)

8、理中填充物堅(jiān)硬不軟化，Ja 0.75； 節(jié)理中填充物是膨脹性粘土，如蒙脫土，Ja 812等。 Jw 節(jié)理含水折減系數(shù)，節(jié)理滲水量愈大，水壓愈高，Jw取值愈小，可參考下列經(jīng)驗(yàn)數(shù)值； 微量滲水，水壓 1.0為原生型或構(gòu)造型密閉巨塊狀結(jié)構(gòu)較發(fā)育23組平均間距0.4呈X形，較規(guī)則，以構(gòu)造型為主，多數(shù)為密閉部分微張，少有充填物大塊狀結(jié)構(gòu)發(fā)育3組平均間距3組，雜亂，平均間距9585757586507525504.53.54.52.54.01.53.01.02.01.01.5（飽和粘土）I0.81.00.60.80.40.60.20.40.2 錘擊法時(shí)采用低值（I）劃分。（四）隧道施工圍巖分級(jí)施工階段圍巖級(jí)

9、別的判定是一個(gè)重要而現(xiàn)實(shí)的問題。施工階段圍巖分級(jí)的評(píng)定因素采用圍巖堅(jiān)硬程度、圍巖完整性程度、和地下水狀態(tài)三項(xiàng)因素，細(xì)分為十三個(gè)子因素，見圖5.1.2。 圖5.1.2 施工階段圍巖分級(jí)的評(píng)定因素在三個(gè)因素中，最困難的是圍巖完整性程度的評(píng)定，研究的重點(diǎn)是如何根據(jù)掌子面的地質(zhì)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)圍巖的完整程度。由于隧道開挖，掌子面的地質(zhì)狀態(tài)暴露無遺，為評(píng)定掌子面的穩(wěn)定，提供了充分的基礎(chǔ)。根據(jù)對(duì)國內(nèi)外施工階段圍巖分級(jí)的調(diào)查，應(yīng)采用多種方法對(duì)圍巖完整程度進(jìn)行分級(jí)，采用定性和定量相結(jié)合的方法，如可采用圖5.1.3的指標(biāo) 圖5.1.3施工階段圍巖分級(jí)完整程度的分級(jí)指標(biāo)5.2 圍巖壓力的確定 5.2.1 圍巖壓力的概念

10、人們對(duì)圍巖壓力的認(rèn)識(shí)，是從開挖侗穴后圍巖的出現(xiàn)初坍塌的現(xiàn)象開始的。隨著隧道和地下工程的發(fā)展，人們從支撐和襯砌的變形、開裂和破壞現(xiàn)象，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到圍巖壓力的存在。在穩(wěn)定的地層中開挖坑道，由于圍巖在爆破后發(fā)生松動(dòng)以及暴露后受到風(fēng)化，個(gè)別落石現(xiàn)象也不可避免。在完整而堅(jiān)硬的巖層中開挖隧道，也會(huì)遇到小塊巖石突然脫離巖體向隧道內(nèi)彈出，人們稱為“巖爆”，這些都是圍巖壓力的現(xiàn)象，為了保證隧道有足夠的凈空，就要修建支護(hù)結(jié)構(gòu)，以阻止圍巖的移動(dòng)和崩塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)就是用來承受圍巖壓力。本節(jié)所闡述的圍巖壓力系指松動(dòng)壓力，至于所涉及的彈塑性理論在“新奧法”一節(jié)中介紹。5.2.2圍巖壓力的產(chǎn)生圍巖壓力的產(chǎn)生是隧道工程的一個(gè)重

11、要的力學(xué)特征，隧道是在具有一定的應(yīng)力歷史和應(yīng)力場(chǎng)的圍巖中修建的。所以，圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)極大地影響著在其中發(fā)生的一切力學(xué)現(xiàn)像，這是和地面工程極其不同的。因此，我們需要研究隧道開挖前后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，這對(duì)指導(dǎo)我們隧道的設(shè)計(jì)與施工有著重要意義。（一）圍巖的初始地應(yīng)力場(chǎng)通常所指的初始應(yīng)力場(chǎng)泛指隧道開挖前巖體的初始靜應(yīng)力場(chǎng)，它的形成與巖體構(gòu)造、性質(zhì)、埋藏條件以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的歷史等有密切關(guān)系。在隧道開挖前是客觀存在的，在這種應(yīng)力場(chǎng)中修建隧道就必須了解它的狀態(tài)及其影響。巖體的初應(yīng)力狀態(tài)與施工引起的附加應(yīng)力狀態(tài)是不同的，它對(duì)坑道開挖后圍巖的應(yīng)力分布、變形和破壞有著極其重要的影響。可以說，不了解巖體初應(yīng)力狀

12、態(tài)就無法對(duì)隧道開挖后一系列力學(xué)過程和現(xiàn)象作出正確的評(píng)價(jià)， 圖5.2.1地表水平時(shí)的自重應(yīng)力場(chǎng) 巖體的初應(yīng)力狀態(tài)一般受到兩類因素的影響：第一類因素有重力、溫度、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體的構(gòu)造、地形等經(jīng)常性的因素；第二類因素有地殼運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、人類的長期活動(dòng)等暫時(shí)性的或局部性的因素。因此，初應(yīng)力場(chǎng)是由兩種力系構(gòu)成，即 + (5.2.1) 式中：一 自重應(yīng)力分量； 一 構(gòu)造應(yīng)力分量。 在上述因素中，目前主要研究和使用的是由巖體的體力或重力形成的應(yīng)力場(chǎng)，稱為自重應(yīng)力場(chǎng)。而其它因素只認(rèn)為是改變了由重力造成的初應(yīng)力狀態(tài)。一般來說，重力應(yīng)力場(chǎng)可以采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法。它的可靠性則決定于對(duì)巖石的物理力學(xué)

13、性質(zhì)及巖體的構(gòu)造一力學(xué)性質(zhì)的研究，其誤差通常是較大的。而其它因素造成的初應(yīng)力場(chǎng)，主要是用實(shí)驗(yàn)（現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)）方法完成的。 1自重應(yīng)力場(chǎng)我們研究具有水平成層。地面平坦的情況。如圖5.2.1所示，設(shè)巖體是線性變形的，在xz平面內(nèi)是均質(zhì)的，沿y軸方向是非均質(zhì)的，設(shè)E、分別為沿垂直方向的巖體彈性模量和泊松比， E1、1為沿水平方向的巖體彈性模量和泊松比。因巖體的變形性質(zhì)沿深度而變，故可假定：EE（y）； =(y) ； E1E1（y）；1=1(y)。單位體積重量也認(rèn)為是沿深度而變，即(y);這樣，距地表面h深處一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)如圖5.2.1所示，其計(jì)算式可表示如下： y=(y)dy x=x(y) (5.2.2

14、) z=z(y) xy=xz=yz= 0 式滿足了地面的邊界條件，h0，y0。 一般認(rèn)為，處于靜力平衡狀態(tài)的巖體內(nèi)，沿水平方向的變形等于零，故 x=z(E/E1)1 /(1-) y (5.2.3) 當(dāng)EE1=常數(shù)，1常數(shù)時(shí)，則得出大家熟知的公式 x=z/(1-) y （5.2.4） 設(shè)=/(1-),稱之謂側(cè)壓力系數(shù)，則上式可寫成 x=zy (5.2.5) 顯然當(dāng)垂直應(yīng)力已知時(shí)，水平應(yīng)力的大小決定于圍巖的泊松比。大多數(shù)圍巖的泊松比變化在0.150.35之間，因此，在自重應(yīng)力場(chǎng)。水平應(yīng)力通常是小于垂直應(yīng)力的。 深度對(duì)初始應(yīng)力狀態(tài)有著重大影響。隨深度的增力，y 和x（z）都在增大，但圍巖本身的強(qiáng)度是

15、有限的，因此當(dāng)y 和x增加到一定值后，各向受力的圍巖將處于隱塑性狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，圍巖物性值（E、）是變化的，值也是變化的，并隨深度的增加，值趨于1，即與靜水壓力相似，此時(shí)圍巖接近流動(dòng)狀態(tài)。上述各式所表達(dá)的應(yīng)力場(chǎng)是理論性的，實(shí)際情況中，由于地殼運(yùn)動(dòng)，巖層會(huì)產(chǎn)生各種變動(dòng)，如形成向斜、背斜、斷裂等，在這種情況下，圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)也有所變化。如以垂直成層為例，由于各層的物理力學(xué)性質(zhì)不同，在同一水平面上的應(yīng)力分布可能是不同的；在背斜情況下，由于巖層成拱狀分布，使上層巖層重量向兩側(cè)傳遞，直接處于背斜下的巖層受到較小的應(yīng)力（圖5.2.2），在被斷層分割的楔形巖塊情況中（圖5.2.3）也可觀察到類似情況。

16、在實(shí)際工作的應(yīng)用中是不能忽視的。圖5.2.2 背斜構(gòu)造的自重應(yīng)力場(chǎng) 圖5.2.3 斷層構(gòu)造的自重應(yīng)力場(chǎng)2構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)地層的應(yīng)力場(chǎng)是由自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)成的。地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為：地層各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂都是地應(yīng)力作用的結(jié)果，因而地質(zhì)力學(xué)就把構(gòu)造體系和構(gòu)造形式在形成過程中的應(yīng)力狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)場(chǎng)。由于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的不確定性，很難用函數(shù)形式表達(dá)。它在整個(gè)初始應(yīng)力場(chǎng)中的作用只能通過某些量測(cè)數(shù)據(jù)來分析，在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。一般認(rèn)為，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有以下特性：（1）地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不僅改變了重力應(yīng)力場(chǎng)，而且以各種構(gòu)造形態(tài)獲得釋放，還以各種形式積蓄在巖體內(nèi)，這種殘余構(gòu)造應(yīng)力將

17、對(duì)隧道工程產(chǎn)生重大影響。（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在較淺的地層中已普遍存在，而且最大構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向，近似為水平，其值常常大于重力應(yīng)力場(chǎng)中的水平應(yīng)力分量，甚至大于垂直應(yīng)力分量，這與重力應(yīng)力場(chǎng)有較大的差異。（3）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是不均勻的，它的參數(shù)在空間和時(shí)間上都有較大的變化，尤其是它的主應(yīng)力軸的方向和絕對(duì)值的變化很大。求解初始應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果常常有極大的偏差。因此，在理論分析中，常把初始應(yīng)力場(chǎng)按靜水應(yīng)力場(chǎng)來處理。在某些重要的工程中，多采用實(shí)地量測(cè)的方法，來判斷主應(yīng)力的大小及其方向的變化規(guī)律。（二）隧道開挖后的應(yīng)力場(chǎng)隧道的開挖，移走了隧道內(nèi)原來受力的部分巖體，破壞了圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)，圍巖從相對(duì)靜止的狀態(tài)轉(zhuǎn)變

18、為變動(dòng)的狀態(tài)。圍巖力圖達(dá)到一個(gè)新的平衡，其應(yīng)力和應(yīng)變開始一個(gè)新的變化運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，使得圍巖的應(yīng)力重新分布并向開挖的隧道空間變形。理論和實(shí)驗(yàn)證明，隧道開挖后，解除了部分圍巖的約束，在隧道周圍初始應(yīng)力將沿隧道一定范圍重新分布，一般情況下，應(yīng)力狀態(tài)如圖5.2.4所示，形成三個(gè)區(qū)域。 圖5.2.4 隧道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)I區(qū)域稱為低應(yīng)力區(qū)，在有裂隙和破碎的巖石中，或松軟圍巖中，由于巖體強(qiáng)度小，隧道開挖后，巖體不能承受急劇增大的周邊應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形，使隧道周邊的圍巖應(yīng)力松弛而形成一個(gè)應(yīng)力降低的區(qū)域，使高應(yīng)力向巖體深處轉(zhuǎn)移，被擾動(dòng)的這部分巖體就開始向隧道內(nèi)變形。變形值超過一定數(shù)值，巖體則出現(xiàn)移動(dòng)、坍塌

19、或處于蠕動(dòng)狀態(tài)。 II區(qū)域稱為高應(yīng)力區(qū)，這一部分巖缽也受到了擾動(dòng)，在應(yīng)力重分布的過程中使這個(gè)范國內(nèi)巖體的應(yīng)力升高，但強(qiáng)度尚未被破壞，實(shí)際相當(dāng)于形成了一個(gè)承載環(huán)，起到承載的作用。 III區(qū)域?yàn)樵紤?yīng)為區(qū)，距離隧道較遠(yuǎn)的巖體未受到開挖的影響，仍處于原始的應(yīng)力狀態(tài)。 在極堅(jiān)硬面完整的圍巖中，隧道周邊應(yīng)力急劇增高，由于巖體強(qiáng)度大，未形成如松軟破碎巖體那種變形過大和開裂坍塌的情況，因而不存在應(yīng)力降低區(qū)，而只有高應(yīng)力向原始應(yīng)力過渡的重分布特點(diǎn)，所以往往不需要設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)來提供外加平衡力。換句話說，這種隧道是自穩(wěn)的。 綜上所述，隧道的開挖，破壞了圍巖原有的平衡，產(chǎn)生了變形和應(yīng)力重新分布。但是這種變化發(fā)展不是

20、無限的，它總是為了達(dá)到新的平衡而處在一種新的應(yīng)力狀態(tài)中。上述分析說明開挖隧道對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響是較大的，影響的程度視地質(zhì)條件、隧道形狀、施工方法而異。公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，隧道開挖破壞了的巖體的重量就是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上圍巖壓力的來源。當(dāng)然，現(xiàn)代隧道施工技術(shù)是不會(huì)讓這種現(xiàn)象自由發(fā)展，從爆破手段和初期支護(hù)上采取措施，阻止隧道周邊巖體過大的變形和坍塌，使圍巖成為主要的承載體。5.2.3圍巖壓力的確定方法圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法：1直接量測(cè)法； 是一種切合實(shí)際的方法，對(duì)隧道工程而言，也是研究發(fā)展的方向；但由于受量測(cè)設(shè)備和技術(shù)水平的制約，目前還不能普遍常用。2經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法； 是根據(jù)大量以

21、前工程的實(shí)際資料的統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，按不同圍巖分級(jí)提出圍巖壓力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，作為后建隧道工程確定圍巖壓力的依據(jù)的方法。是目前使用較多的方法。3理論估算法； 是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上從理論上研究圍巖壓力的方法。由于地質(zhì)條件的不確定性，影響圍巖壓力的因素又非常多，這些因素本身及它們之間的組合也帶有一定的偶然性，企圖建立一種完善的和適合各種實(shí)際情況的通用圍巖壓力理論及計(jì)算方法是困難的，因此，現(xiàn)有的圍巖壓力理論都不十分切合實(shí)際情況。在理論計(jì)算方法中，考慮幾個(gè)主要因素，使其結(jié)果相對(duì)地接近實(shí)際圍巖壓力的情況，是目前隧道工程設(shè)計(jì)中采用較多的方法。一般來講，都是以某種簡化的假設(shè)為前提，或以實(shí)際工程的統(tǒng)計(jì)分析資料為基礎(chǔ)。深埋隧

22、道圍巖壓力的確定 目前我國公路隧道和鐵路隧道所采用的計(jì)算圍巖豎向勻布?jí)毫Φ挠?jì)算式，是以工程類比為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析了我國數(shù)百座隧道坍方調(diào)查資料而擬定的。圍巖豎向勻布?jí)毫按下式計(jì)算： q = 0.45 26-s (kN/m2) (5.2.6)式中 S 圍巖級(jí)別，如屬II級(jí)，則S2； 圍巖容重， (kN/m2)； 1+ i(B-5) 寬度影響系數(shù)； B 隧道寬度，（m）；以B5m為基準(zhǔn)，B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率。當(dāng)B 5m.,取i 0.1。公式（5.2.6）的適用條件為：H/B 1.7， 式中H 為隧道高度；深埋隧道；不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧道；采用鉆爆法施工的隧道。圍巖的水平勻布?jí)毫?/p>

23、e ，按表5.2.1中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。 表5.2.1 圍巖水平勻布?jí)毫鷰r級(jí)別VI、VIVIIIIII水平勻布?jí)毫? 1.0m 大塊狀 d = 0.41.0m 巖體 碎石塊石狀 d = 0.20.4m 碎石狀 d 0.2m圍巖 土石狀 松散狀 土體 松軟狀 圖 5.3.2 巖土體類型圖中d為裂隙間距。所指的裂隙是廣義的，它包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等；具有很大節(jié)理強(qiáng)度的裂隙不包括在內(nèi)，如硅質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的等。 考慮到巖體的結(jié)構(gòu)形態(tài)、巖塊的大小、以及結(jié)構(gòu)面的特征，隧道圍巖分級(jí)采用的巖體構(gòu)造特征及其分類如表5.3.1所示。表中簡要地多各類巖體結(jié)構(gòu)的工程地質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)土體的分類及其評(píng)價(jià)見表5.3.2

24、。表5.3.1 巖體結(jié)構(gòu)類型及其特征類 型狀態(tài)結(jié)構(gòu)面特征工程地質(zhì)評(píng)價(jià)間距m)性質(zhì)張開程度充填情況整體結(jié)構(gòu)巨塊狀多數(shù)10多為原生型或構(gòu)造型多密閉延展不長巖體的整體強(qiáng)度較大，變形特征接近于均質(zhì)、彈性、各向同性體砌體結(jié)構(gòu)大塊狀多數(shù)04以構(gòu)造型為主多密閉部分微張少有充填同上，但要注意不利于巖體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合，如平緩節(jié)理鑲嵌結(jié)構(gòu)塊(石)碎(石)狀多數(shù)04以構(gòu)造型或風(fēng)化型為主大部分微張或部分張開部分為粘性土充填巖體在整體上強(qiáng)度仍高，但不連續(xù)性較為顯著，受過度震動(dòng)易坍，壓碎結(jié)構(gòu)碎石狀多數(shù)02以風(fēng)化型或構(gòu)造型為主微張或張開部分為粘性大充填巖體完整性破壞較大，強(qiáng)度受斷層及弱面控制，并易受地下水影響，巖體穩(wěn)定差

25、松散結(jié)構(gòu)角礫碎石狀巖體強(qiáng)度遭到極大破壞，接近松散介質(zhì)，穩(wěn)定性極差松軟結(jié)構(gòu)泥砂角礫狀同上，但粘土性成分較多，易于蠕動(dòng)表5.3.2 土體類型及其評(píng)價(jià)類 型土 體 狀 態(tài)工程地質(zhì)評(píng)價(jià)粘 性 土非 粘 性 土硬士類略具壓密或成巖作用的粘性土，老黃土略具壓密或成巖作用的非粘性土，泥質(zhì)膠結(jié)的碎、卵石土，大塊石或大漂石土結(jié)構(gòu)密實(shí)，具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，小跨度時(shí)土體穩(wěn)定普通土類一般第四紀(jì)成因的可塑的粘性土，新黃土一般第四紀(jì)成因的稍濕至潮濕的非粘性土、包括一般碎、卵、礫石土結(jié)構(gòu)中等密實(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小，土體不夠穩(wěn)定 松軟土類 軟塑狀粘性土 潮濕的粉細(xì)砂易蛹動(dòng)，液體，土體穩(wěn)定性最差 巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征是相互聯(lián)系的，構(gòu)

26、成了裂隙巖體的基本特性。是影響圍巖分級(jí)的重要因素。 巖石的工程性質(zhì) 巖石的工程性質(zhì)是多方面的，一般主要指巖石的強(qiáng)度或堅(jiān)固性。在巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)成為控制圍巖穩(wěn)定的主要因素時(shí)，強(qiáng)調(diào)巖石強(qiáng)度意義是不大的。例如，在碎塊狀巖體中，巖石強(qiáng)度再大也阻止不了隧道圍巖的坍落。但在較為完整的巖體結(jié)構(gòu)中，如整體的巨塊狀結(jié)構(gòu)，或大塊狀結(jié)構(gòu)，巖石強(qiáng)度就具有一定的意義。所以巖石強(qiáng)度在完整的巖體中是起主要作用的。 完整巖體，一般都是認(rèn)為均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)。隧道開挖后，圍巖強(qiáng)度高，具有極大的穩(wěn)定性，僅在個(gè)別情況下有局部的碎塊、剝離現(xiàn)象。在這種情況下進(jìn)行理論分析也是以巖石強(qiáng)度為依據(jù)。此外，在決定某些裂隙巖體的強(qiáng)度時(shí)，也是要以巖石強(qiáng)度為

27、基礎(chǔ)。 在圍巖分級(jí)中，巖石的堅(jiān)固性或強(qiáng)度都是以巖石的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，這是因?yàn)樗脑囼?yàn)方法簡便，數(shù)據(jù)分散性小，且與其它物性指標(biāo)有著良好的互換性。依巖石試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行巖石分級(jí)的基準(zhǔn)。 巖石的強(qiáng)度因風(fēng)化作用和水的作用會(huì)大大降低。風(fēng)化時(shí)，巖石產(chǎn)生風(fēng)化裂隙使水易于浸入，巖體濕潤，減少了巖石晶粒間的聯(lián)系，因而強(qiáng)度減小，故試驗(yàn)時(shí)多以濕飽和強(qiáng)度為基準(zhǔn)。地下水的作用和影響 隧道施工的大量實(shí)踐證明，水是造成施工坍方、使隧道圍巖喪失穩(wěn)定的重要原因之一。因此，在隧道圍巖分級(jí)中水的影響是不容忽視的。在不同的圍巖中水的影響是不相同的，一般有下列幾種情況： a使巖質(zhì)軟化，強(qiáng)度降低，對(duì)軟巖尤為明顯，對(duì)土體則可促

28、使其液化或流動(dòng)； b在有軟弱結(jié)構(gòu)面的圍巖中，會(huì)沖走充填物或使夾層液化，減少層間摩阻力促使巖塊滑動(dòng)； c在某些圍巖中，如石膏、巖鹽和蒙脫石為主的粘土巖中，遇水后產(chǎn)生膨脹，在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中可產(chǎn)生流砂和潛蝕。 因此，在圍巖分級(jí)中都考慮了水的影響。在同級(jí)圍巖中，遇水后則適當(dāng)降低圍巖級(jí)別。降低的幅度主要視：圍巖的巖性及結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)、地下水的性質(zhì)和大小、流通條件、對(duì)圍巖浸潤狀況和危害程度而確定。在圍巖分級(jí)中，關(guān)于地下水影響的定量考慮可參考表5.3.3和表5.3.4。表5.3.3 地下水狀態(tài)的分級(jí) 級(jí)別 狀 態(tài) 每10m的涌水量(l/min)IIIIII 干燥或潮濕 偶有滲水 經(jīng)常滲水 10 1025 25325表5.3.4 地下水影響的修正 修正級(jí)別地下水狀態(tài)圍巖的基本分級(jí)VIVIVIIIIIIIIIVIVIII（IV）III（II）IIIVIIVIIIIIIIVIVIIIIII圍巖的初應(yīng)力狀態(tài) 圍巖的初應(yīng)力狀態(tài)對(duì)巖體的構(gòu)造一力學(xué)特征是有一定影響的。它在某些分級(jí)中曾有所反映，例如K泰沙基的分級(jí)，曾把同樣是擠壓變形緩慢的巖層視其埋深的不同分為兩類，其荷載值有很大差異(約差1倍)，這是考慮初應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)果。又如巖體質(zhì)量Q法的分級(jí)，在考慮初應(yīng)力狀態(tài)的影響方面，就更進(jìn)一步了，如將初應(yīng)力分為低應(yīng)力(接近地表的)、中等應(yīng)力的及高應(yīng)力的幾種