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隧道围岩分级及围岩压力

隧道所穿过的地层是千变方化的，可能遇到各种工程性质不同的围岩。隧道

围岩分级是评价隧道围岩稳定性的重要参数，也是隧道支护方案设计和施工工艺

确定的主要依据。分级的正确与否直接影响着隧道施工和运营安全，因此，正确

划分隧道围岩分级就显得尤为重要。在围岩分级确定的情况下，如何确定支护结

构上的作用力（即围岩压力）就成为正确、合理设计隧道结构的关键。

4.1围岩岩性与初始应力

4.1.1围岩岩性

隧道工程围岩是指地壳中受开挖活动影响的那一部分岩土体。这个范围在横

断面上约为6～10倍的洞径。围岩的工程性质，一般包括三个方面：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。本书仅涉及岩体的力学性质。

岩体是在漫长的地质历史中形成的地质体，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。这些地质界面称为结构面或不连续面，这些块体称为结构体，岩体

可以看作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

学性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特性及结构面的特性。环境因

素，尤其地下水和地应力对岩体的力学性质影响也很大。

在软弱围岩中，节理和裂隙比较发育，岩体被切割破碎，结构面对岩体的变

形和破坏都不起主导作用，所以岩体的特性与结构体岩石的特性并无本质区别。

在完整而连续的岩体中亦是如此。反之，在坚硬的块状岩体中，由于受软弱结构

面切割，块体之间的联系减弱，此时，岩体的力学性质主要受结构面的性质及其

在空间的组合所控制。

由此可见，岩体的力学性质必然是诸因素综合作用的结果。

岩体与岩石相比，两者有着很大的区别：与工程总体尺度相比，岩石几乎可

以被认为是均质、连续和各向同性的介质；而岩体则具有明显的非均质性、不连

续性和各向异性。岩体抗拉变形能力差，因此，岩体受拉后很容易沿结构面发生

断裂。

试验和实践证实，岩体受力产生的变形都不是瞬时完成的，而是随着时间的

增长不断增长的。岩体变形的这种时间效应，我们称之为岩体的流变特性。它包

括两方面：一种是指作用的应力不变，而应变随时间增长，称为蠕变；另一种则

是作用的应变不变，而应力随时间衰减，称为松弛。

岩体和岩石的变形、破坏机理是不相同的，前者主要受宏观的结构面所控制，

而后者则受岩石的微裂隙所制约。因而岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具

有明显的各向异性。只有当岩体中结构面的规模较小、结合力很强时，岩体的强

度才能与岩石的强度相接近。一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石的70%～

80%，对于结构面发育的岩体，此比例仅有5%～10%。

岩体力学性质，除了受结构体岩石和结构面控制外，还有一个重要因素，就

是岩体的构造特征。不同块度、形状、产状的结构体构成了各种岩体结构类型。

人们根据它们对岩体力学性质和围岩稳定性的影响，将岩体划分为4种结构类

型：整体结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。

整体结构岩体的变形主要是结构体的变形；块状和层状结构岩体的变形主要

是结构面的变形，岩体的破坏则是沿软弱结构面滑动：碎裂和散体结构岩体的变

形，开始是将裂隙或孔隙压密，随后是结构体变形，并伴随有结构面张开，破坏

形式主要为剪切破裂和塑性变形。

隧道工程围岩变形、破坏大致有以下5种情况，图4-1中给出了其中最为典

型的4种情况。

图4-1隧道工程围岩失稳破坏形态

1.脆性破裂

整体状和块状结构岩体，岩性坚硬，在一般工程开挖条件下表现稳定，仅产

生局部掉块。但在高应力区，洞周应力集中可引起“岩爆”，岩石成碎片射出并

发出破裂响声，属于脆性破裂。

2.块状运动

当块状或层状岩体受明显的少数软弱结构面切割而形成块体或数量有限的

块体时，由于块体间的联系很弱，在自重作用下，块体有向临空面运动的趋势，

逐渐形成块体塌落、滑动、转动、倾倒以及块体挤出等失稳破坏性态。块体挤出

是块体受到周围岩体传来的应力作用的结果。

3.弯曲折断

层状岩体尤其是有软弱夹层的互层岩体，由于层间结合力差，易于错动，所

以抗弯能力较低。洞顶岩体受重力作用易产生下沉弯曲，进而张裂、折断形成塌

落体。边墙岩体在侧向水平力作用下弯曲变形而鼓出，也将对支护结构产生压力，

严重时可使支护结构