隧道工程：围岩稳定性的影响因素

影响围岩稳定性的因素很多，就其性质来说，基本上可以归纳为两大类：第一类是属于地质环境方面的自然因素，是客观存在的，它们决定了隧道围岩的质量；第二类则属于工程活动的人为因素，如隧道的形状、尺寸、施工方法、支护措施等，它们虽然不能决定围岩质量的好坏，但却能给围岩的质量和稳定性带来不可忽视的影响。

1．地质因素

开挖隧道时围岩的稳定程度是岩体力学性质的一种表现形式。因此，影响围岩稳定性的地质因素可归纳为岩体结构特征、结构面性质和空间组合、岩石的力学性质、围岩的初始应力场和地下水状况。

（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。

岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小，以及这些岩块的组合排列形态。岩块的大小通常用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙间距等指标表示。所谓裂隙率就是指沿裂隙法线方向单位长度内的裂隙数目，裂隙间距则是指沿裂隙法线方向上裂隙间的距离。在分类中常将裂隙间距大于1.0～1.5 m的岩体视为整体的，而将裂隙间距小于0.2 m的岩体视为碎块状的。当然，这些数字都是相对的，仅适用于跨度在5～15 m范围内的地下工程。据此，岩体可按裂隙间距的方法分类，如图2-3-1所示。

图2-3-1　岩体按裂隙间距的分类

这里所说的裂隙都是广义的，包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。硅质、钙质胶结的，具有很高节理强度的裂隙不包括在内。

（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，以及它们的空间组合状态。对于隧道工程来说，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，才能构成容易坠落的分离岩块。例如有两组平行但倾向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。因此，可以从下述五个方面来研究结构面对隧道围岩稳定性影响的大小：

① 结构面的成因及其发展史，例如，次生的破坏夹层比原生的软弱夹层的力学性质差得多，如果再发生次生泥化作用，则性质更差。

② 结构面的平整、光滑程度。

③ 结构面的物质组成及其充填物质情况。

④ 结构面的规模与方向性。

⑤ 结构面的密度与组数。

（3）岩石的力学性质。(www.xing528.com)

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。在围岩分级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，这种强度的试验方法简便，数据离散性小，而且与其他物理力学指标有良好的换算关系。

此外，岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态：强度高的硬岩多表现为脆性破坏，在隧道内可能发生岩爆现象；而在强度低的软岩中，则以塑性变形为主，流变现象较为明显。

（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一。地下水对围岩的影响主要表现在：

① 软化围岩：使岩质软化、强度降低，对软岩尤其突出，对土体则可促使其液化或流动，但对坚硬致密的岩石则影响较小，故水的软化作用与岩石的性质有关。

② 软化结构面：在有软弱结构面的岩体中，水会冲走充填物或使夹层软化，从而减少层间摩阻力，促使岩块滑动。

③ 承压水作用：承压水可增加围岩的滑动力，使围岩失稳。

2．工程活动所造成的人为因素

施工等人为因素也是造成围岩失稳的重要条件，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，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。例如，裂隙间距在0.4～1.0 m的岩体，对中等跨度（5～10 m）的坑道而言，可算是大块状的，但对大跨度（＞15 m）的坑道来说，只能算是碎块状的。

坑道的形状主要影响开挖隧道后围岩的应力状态。圆形或椭圆形隧道围岩应力状态以压应力为主，对维持围岩的稳定性是有好处的；而矩形或梯形隧道，在顶板处的围岩中将出现较大的拉应力，从而导致岩体张裂破坏。目前，深埋隧道的断面形状大多是接近圆形或椭圆形。

（2）施工中所采用的开挖方法。

从目前的施工技术水平来看，开挖方法对隧道围岩稳定性的影响较为明显，例如采用普通的爆破法和控制爆破法、矿山法和掘进机法、全断面一次开挖和小断面分部开挖，对隧道围岩稳定性的影响都各不相同。目前，多数围岩分级方法都是建立在相应施工方法基础上的。