围岩压力与成拱作用在隧道工程中的应用

1．围岩压力的概念

围岩压力是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应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。因此，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；既包括作用在普通的传统支护，如架设的支撑或施作的衬砌上所显示的力学性态，也包括在锚喷和压力灌浆等现代支护的方法中所显示的力学性态。从狭义来理解，围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。

2．围岩压力的分类

围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型：

（1）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。这种压力可采用松散介质极限平衡理论或块体极限平衡理论进行计算分析。

松动压力按作用在支护上力的位置不同，分为竖向压力、侧向压力和底压力，它们分别作用在隧道支护的顶部、侧帮及底部，如图6-2-1所示。在某些倾斜岩层中，因隧道平面布置方向不同，可能在横断面或纵断面上出现倾斜围岩压力，后者又称纵向压力。对水平隧道来说，垂直围岩压力是主要的，而且是围岩压力理论研究中的基本对象。

松动压力常通过下列三种情况表现：① 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；② 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；③ 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。

（2）形变压力。

形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而在围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。所以形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。围岩的塑性变形又分两种情况：一种是开挖前岩体处于弹性状态，开挖后由于围岩周边应力集中，其值超过了围岩的屈服极限，使围岩产生塑性变形圈，从而对支护衬砌产生压力；另一种是开挖前岩体就处于潜塑状态，此种岩体一旦开挖，围岩就向洞内产生塑性变形，对支护衬砌作用以很大压力。这两种形变围岩压力都可采用塑性理论计算。

图6-2-1　松动压力

（3）膨胀压力。

当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它实际上也是一种形变围岩压力。它与形变压力的基本区别在于引起形变的原因是亲水性矿物组成的某些围岩吸水膨胀。这种围岩压力至今还没有比较好的计算方法，但原则上可以采用弹塑性理论配合流变性理论进行分析。

（4）冲击压力。

冲击压力是指岩爆引起的压力，是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。由于冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，它就会突然猛烈地大量释放。这种压力目前还无法计算。

此外，还应指出的是时间因素对围岩压力的产生与发展具有重要的意义。但目前常用的围岩压力计算公式都没有考虑时间因素，只考虑最终可能达到的最大压力值，而且一般都是针对松动围岩压力进行计算的。这些不足之处已开始引起工程界的注意。

3．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，它包括初始应力状态、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、支护刚度、坑道形状等。例如在隧道开挖过程中，由于受到开挖面的约束，其附近的围岩不能立即释放全部瞬时弹性位移，这种现象称为开挖面的“空间效应”。如在“空间效应”范围（一般为1～1.5倍洞径）内设置支护，就可减少支护前的围岩位移值。所以当采用紧跟开挖面支护的施工方法时，支护时间的迟早必然大大地影响围岩的稳定和围岩压力的数值。因此，一般宜尽快地施作支护，封闭岩层。(https://www.xing528.com)

4．围岩压力的产生

隧道开挖前，在距地表深h处的平面上，垂直应力都相等，如图6-2-2所示，各点均处于三向应力状态。由于在h水平面开挖坑道，原先的平衡状态被破坏了，坑道周边处的应力得到重新分布。对于坚硬岩层，坑道周边应力急剧增长、经一定距离后逐渐减小到初始的应力状态；对于松软或破碎岩层，则由于岩体强度低，不能承受急剧增大的周边应力而形成一低应力区，高应力向岩体深部移动，到一定距离后亦逐渐减小到初始应力状态。

也就是说，坑道开挖后，在坑道周围一定范围内影响了初始应力状态，这个范围的大小与地质条件有关，一般为坑道开挖跨度的0.5～2.5倍。岩体强度高，影响范围小，亦即由于坚硬岩层能承受周边急剧增大的应力，可使坑道保持稳定，一般只有弹性变形而不破坏。而在松软、破碎岩体中，由于岩体不能承受增大的应力，在一定范围内的土石就要松动、破坏，向坑道内坍塌。可见，在软弱、破碎岩体中，开挖坑道后在一定范围内的围岩要松动、坍塌，该范围内的围岩就会对支护结构施加力，这也就是所谓的围岩压力。岩体强度低、松软，则松动破坏范围就大，严重情况下，不但坑道顶部围岩下塌，甚至底部围岩也会上拱而产生侧压和底压。可见，隧道模筑衬砌所受的围岩压力，是衬砌为了阻止岩块松弛或岩块移动下塌等形成的荷载。

图6-2-2　围岩压力的产生

对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅局限在隧道周围一定深度。所以作用在支护结构上的围岩松动压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力。这可以用围岩的“成拱作用”来解释。下面以水平岩层中开挖一个矩形坑道，来说明坑道开挖后围岩由形变到坍塌成拱的整个变形过程，如图6-2-3所示。

图6-2-3　松动压力的形成

（1）隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹［图6-2-3（a）］，可视为变形阶段。

（2）顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因，逐渐转变为松动［图6-2-3（b）］，可视为松动阶段。

（3）顶板岩体视其强度的不同而逐步塌落［图6-2-3（c）］，可视为塌落阶段。

（4）顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形［图6-2-3（d）］，可视为成拱阶段。

实践证明，自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等因素影响外，还取决于以下诸因素：① 隧道的形状和尺寸。隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩的松动压力也越大。② 隧道的埋深。人们从实践中得知，只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱，习惯上，将这种隧道称为深埋隧道，否则称为浅埋隧道。由于浅埋隧道不能形成自然拱，所以，它的围岩压力的大小与埋置深度直接相关。③ 施工因素。如爆破的影响，爆破所产生的震动常常是引起坍方的重要原因之一，造成围岩压力过大；又如分部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。

5．确定围岩压力的方法

围岩压力是作用在隧道等地下结构物上的主要计算荷载，它的性质、大小与分布与隧道临时支护和永久衬砌结构的合理类型、形状与尺寸以及与之相适应的施工方法关系密切。因此，比较详细地了解不同条件下的围岩压力计算方法是极为必要的。确定围岩压力的方法有：

（1）现场实地量测法；这是一种切合实际的方法，也是研究发展的方向，但受目前的量测手段和技术水平的制约，目前还未普遍推广。

（2）按理论公式估算法；这是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法，由于围岩地质条件千变万化，所用计算参数难以确切取值，影响围岩压力的因素非常多，这些因素本身及它们之间的组合也带有一定的偶然性，所以目前的围岩压力理论都不十分切合实际情况。

（3）经验法或工程类比法。它是根据大量的工程实际资料，进行统计和总结，按不同的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，在一定程度上能反映围岩压力的真实情况，是目前规范要求采用的方法。原来工程界通常采用普氏计算法、太沙基计算方法等经验简化方法来求解围岩压力。下面主要介绍我国常用的围岩压力的确定方法。