隧道工程安全：影响围岩稳定性的因素

隧道围岩分级的是对隧道开挖后，围岩稳定程度的分级和评价。构成围岩分级的前提是大量的隧道工程实践，在归纳、统计分析类似地质条件的基础，通过定量和定性确定影响隧道围岩稳定性的因素，就得到隧道围岩的分级。因此，围岩分级的因素，也就是影响隧道围岩稳定性的因素。

影响坑道围岩稳定性的因素一般认为有两类：一类是客观存在的地质因素；另一类是设计和施工因素，或称为人为因素。前者是基本的，后者是通过前者而起作用的。

2.1.3.1　地质因素的影响

岩土体结构状态岩土体结构是长时间地质运动的产物，在地质因素的影响中起着主要作用。

围岩的结构状态通常用其破碎程度或完整状态来表示。处于原始状态的岩土体，在长期的地质构造运动的作用下，产生各种结构面、形变、错动、断裂等使其破碎，在不同程度上丧失了其原有的完整状态。因此，结构状态的完整程度或破碎状态，在一定程度上是表征岩土体受地质构造运动作用的严重程度。对隧道围岩的稳定与否，起着主导作用。实践指出，在相同岩性的条件下，岩体愈破碎，隧道就易于失稳。因此，在各种分级方法中，都把岩体的破碎程度作为分类的基础指标。

岩体的完整状态或破碎程度有两个含义，一是构成岩体的岩块大小，二是这些岩块的组合形态。前者一般是采用裂隙的密集程度（裂隙率、裂隙间距、体裂隙率等）来表达，即沿结构面法线方向上每单位长度内结构面的数目或结构面的平均间距，或采用单位体积中的裂隙数等来表示。后者主要考虑构成岩体的完整状态的各种岩块的组合比例。

所指的裂隙是广义的，它包括层理、节理、断裂及夹层等；具有很大节理强度的裂隙不包括在内，如硅质、钙质胶结的等。

岩体结构状态的特征是相互联系的，构成了裂隙岩体的基本特性。是影响围岩分级的重要因素。

岩石的工程性质是多方面的，一般主要指岩石的强度或坚固性。在岩体结构状态成为控制围岩稳定的主要因素时，强调岩石强度意义是不大的。例如，在碎块状岩体中，岩石强度再大也阻止不了隧道围岩的坍落。但在较为完整的岩体结构中，如整体的巨块状结构，或大块状结构，岩石强度就具有一定的意义。所以岩石强度在完整的岩体中是起主要作用的。

完整岩体，一般都是认为均质的连续介质。隧道开挖后，围岩强度高，具有极大的稳定性，仅在个别情况下有局部的碎块、剥离现象。在这种情况下进行理论分析也是以岩石强度为依据。此外，在决定某些裂隙岩体的强度时，也是要以岩石强度为基础。

在围岩分级中，岩石的坚固性或强度都是以岩石的单轴饱和极限抗压强度为基准，这是因为它的试验方法简便，数据分散性小，且与其他物性指标有着良好的互换性。依岩石试件抗压强度进行岩石分级的基准。

岩石的强度因风化作用和水的作用会大大降低。风化时，岩石产生风化裂隙使水易于浸入，岩体湿润，减少了岩石晶粒间的联系，因而强度减小，故试验时多以湿饱和强度为基准。

地下水的作用和影响隧道施工的大量实践证明，水是造成施工塌方、使隧道围岩丧失稳定的重要原因之一。因此，在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的。在不同的围岩中水的影响是不相同的，一般有下列几种情况：

使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显，对土体则可促使其液化或流动。(www.xing528.com)

在有软弱结构面的围岩中，会冲走充填物或使夹层液化，减少层间摩阻力促使岩块滑动。

在某些围岩中，如石膏、岩盐和蒙脱石为主的黏土岩中，遇水后产生膨胀，在未胶结或弱胶结的砂岩中可产生流沙和潜蚀。

因此，在围岩分级中都考虑了水的影响。在同级围岩中，遇水后则适当降低围岩级别。降低的幅度主要视围岩的岩性及结构面的状态、地下水的性质和大小、流通条件、对围岩浸润状况和危害程度而确定。

围岩的初应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定影响的。它在某些分级中曾有所反映，例如K.泰沙基的分级，曾把同样是挤压变形缓慢的岩层视其埋深的不同分为两类，其荷载值有很大差异（约差1倍），这是考虑初应力状态的结果。又如岩体质量Q法的分级，在考虑初应力状态的影响方面，就更进一步了，如将初应力分为低应力（接近地表的）、中等应力的及高应力的几种情况，还划分出在高应力作用下产生溯流的岩体等。但多数分级是没有反应初应力的影响。

在围岩分级中，如何根据地质构造的特征引进初应力的影响，是需要进一步研究的问题。

2.1.3.2　施工因素的影响

人为的因素也是造成隧道丧失稳定的重要条件，其中隧道的形状和尺寸，尤其是跨度影响较为显著。实践证明，在同类围岩中，跨度愈大，隧道围岩的稳定性就愈差。例如，大块状岩体是指裂隙间距在0.4～1.0m左右的岩体。这是对中等跨度隧道（B=5m-15m）而言的，若跨度较大（大于15m）或较小（小于5m），岩体的破碎程度就不同。因此，有的分级就明确指出分级的适用跨度范围。

在围岩分级中也曾有人建议用相对裂隙间距，即裂隙间距与隧道跨度的比值，来进行隧道围岩稳定性的分级。例如，当相对裂隙间距大于1/5时，即可认为岩体是完整的；在1/5～1/20范围内，岩体则处于不同的破碎状态；而小于1/20，则可视为极度破碎的。

在施工因素中，支护结构的类型及架设时间也对隧道围岩的稳定性产生重要影响。其中比较重要的是隧道开挖后，围岩在无支护条件下的允许暴露时间及无支护地段的长度，也就是围岩的自稳时间。因此，有的围岩分级就是以这个时间进行分级的。隧道自稳时间是指从开挖后到顶部开始发生可以察觉到的移动、松弛时为止所经历的时间。实际上它是岩石类型、隧道未支护地段长度、隧道宽度，以及开挖时围岩被扰动、破坏程度的函数。

此外，施工方法也有影响，在同类岩体中，采用普通爆破法施工和控制爆破法施工，采用矿山法施工和盾构法或掘进机施工，采用大断面开挖和小断面分部开挖，对隧道稳定性的影响都不相同。

埋深的影响也不能忽视。随着埋深的增加，初始应力场也随之增大，因此，在施工过程中也可能出现诸如岩爆或大变形现象。因此，在高应力场或极高应力场的条件下，围岩级别应适当降低。

隧道围岩稳定性与围岩分级是息息相关的。隧道稳定性的分类对选择和确立围岩的分级指标有直接意义。因此，所做的分析和说明也仅是与其有关的一些方面。