隧道工程施工技术：围岩压力确定

2.1.2.1　围岩压力的概念

人们对围岩压力的认识，是从开挖侗穴后围岩的出现初坍塌的现象开始的。随着隧道和地下工程的发展，人们从支撑和衬砌的变形、开裂和破坏现象，进一步认识到围岩压力的存在。

在稳定的地层中开挖坑道，由于围岩在爆破后发生松动以及暴露后受到风化，个别落石现象也不可避免。在完整而坚硬的岩层中开挖隧道，也会遇到小块岩石突然脱离岩体向隧道内弹出，人们称为“岩爆”，这些都是围岩压力的现象，为了保证隧道有足够的净空，就要修建支护结构，以阻止围岩的移动和崩塌，支护结构就是用来承受围岩压力。本节所阐述的围岩压力系指松动压力，至于所涉及的弹塑性理论在“新奥法”一节中介绍。

2.1.2.2　围岩压力的产生

围岩压力的产生是隧道工程的一个重要的力学特征，隧道是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的。所以，围岩的初始应力场的状态极大地影响着在其中发生的一切力学现象，这是和地面工程极其不同的。因此，我们需要研究隧道开挖前后围岩的应力状态，这对指导我们隧道的设计与施工有着重要意义。

（1）围岩的初始应力场

通常所指的初始应力场泛指隧道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。在隧道开挖前是客观存在的，在这种应力场中修建隧道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隧道开挖后一系列力学过程和现象做出正确的评价。

岩体的初应力状态一般受到两类因素的影响：第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质、岩体的构造、地形等经常性的因素；第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。因此，初应力场是由两种力系构成，目前主要研究和使用的是由岩体的体力或重力形成的应力场，称为自重应力场。而其他因素只认为是改变了由重力造成的初应力状态。一般来说，重力应力场可以采用连续介质力学的方法。它的可靠性则决定于对岩石的物理力学性质及岩体的构造一力学性质的研究，其误差通常是较大的。而其他因素造成的初应力场，主要是用实验（现场试验）方法完成的。

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隧道工程产生重大影响。

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。

（2）隧道开挖后的应力场

隧道的开挖，移走了隧道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隧道空间变形。理论和实验证明，隧道开挖后，解除了部分围岩的约束，在隧道周围初始应力将沿隧道一定范围重新分布，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，隧道开挖后，岩体不能承受急剧增大的周边应力而产生塑性变形，使隧道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隧道内变形。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，这一部分岩体也受到了扰动，在应力重分布的过程中使这个范围内岩体的应力升高，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，距离隧道较远的岩体未受到开挖的影响，仍处于原始的应力状态。(www.xing528.com)

在极坚硬面完整的围岩中，隧道周边应力急剧增高，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，这种隧道是自稳的。

综上所述，隧道的开挖，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。

上述分析说明开挖隧道对围岩稳定的影响是较大的，影响的程度视地质条件、隧道形状、施工方法而异。公路隧道设计规范规定，隧道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，现代隧道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，阻止隧道周边岩体过大的变形和坍塌，使围岩成为主要的承载体。

2.1.2.3　围岩压力的确定方法

围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：

（1）直接量测法

直接量测法是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，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。

（2）经验法或工程类比法

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，作为后建隧道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

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，是目前隧道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。

在确定了围岩压力的数值后，一个重要的问题是考虑压力分布特征。根据我国隧道围岩压力的一些量测结果表明：作用在支护结构上的荷载是不均匀的，这是因为在V及Ⅳ级围岩中，局部塌方是主要的，而其他级别的围岩中，岩体破坏范围的形状和大小受岩体结构、施工方法等因素的控制，也是极不规则的。用等效荷载即非匀布压力的总和应与匀布压力的总和相等的方法，来确定各种荷载图形的最大压力值。另外，还应考虑围岩水平压力分布情况。

在分析支护结构时，一般以竖向和水平的匀布荷载图形为主，并用局部压力、偏压以及非匀布的荷载图形进行校核，较好的围岩着重于局部压力校核，

长期以来，从事隧道工程的人们都想直接量测作用在隧道上的围岩应力及围岩变形，从而为隧道结构的设计和施工提供可靠数据，并验证现有的地压计算理论。为此，发展了各种实地量测的方法，并在实验室内作了大量的模拟试验分析研究工作，取得了不少有实用价值的成果。

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。在隧道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。

利用量测隧道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。