【文章內(nèi)容簡介】 段圍巖分級(jí)的評定因素在三個(gè)因素中，最困難的是圍巖完整性程度的評定，研究的重點(diǎn)是如何根據(jù)掌子面的地質(zhì)數(shù)據(jù)評價(jià)圍巖的完整程度。由于隧道開挖，掌子面的地質(zhì)狀態(tài)暴露無遺，為評定掌子面的穩(wěn)定，提供了充分的基礎(chǔ)。根據(jù)對國內(nèi)外施工階段圍巖分級(jí)的調(diào)查，應(yīng)采用多種方法對圍巖完整程度進(jìn)行分級(jí)，采用定性和定量相結(jié)合的方法， 圍巖壓力的確定 圍巖壓力的概念 人們對圍巖壓力的認(rèn)識(shí)，是從開挖侗穴后圍巖的出現(xiàn)初坍塌的現(xiàn)象開始的。隨著隧道和地下工程的發(fā)展，人們從支撐和襯砌的變形、開裂和破壞現(xiàn)象，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到圍巖壓力的存在。在穩(wěn)定的地層中開挖坑道，由于圍巖在爆破后發(fā)生松動(dòng)以及暴露后受到風(fēng)化，個(gè)別落石現(xiàn)象也不可避免。在完整而堅(jiān)硬的巖層中開挖隧道，也會(huì)遇到小塊巖石突然脫離巖體向隧道內(nèi)彈出，人們稱為“巖爆”，這些都是圍巖壓力的現(xiàn)象，為了保證隧道有足夠的凈空，就要修建支護(hù)結(jié)構(gòu)，以阻止圍巖的移動(dòng)和崩塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)就是用來承受圍巖壓力。本節(jié)所闡述的圍巖壓力系指松動(dòng)壓力，至于所涉及的彈塑性理論在“新奧法”一節(jié)中介紹。圍巖壓力的產(chǎn)生是隧道工程的一個(gè)重要的力學(xué)特征，隧道是在具有一定的應(yīng)力歷史和應(yīng)力場的圍巖中修建的。所以，圍巖的初始應(yīng)力場的狀態(tài)極大地影響著在其中發(fā)生的一切力學(xué)現(xiàn)像，這是和地面工程極其不同的。因此，我們需要研究隧道開挖前后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，這對指導(dǎo)我們隧道的設(shè)計(jì)與施工有著重要意義。（一）圍巖的初始地應(yīng)力場通常所指的初始應(yīng)力場泛指隧道開挖前巖體的初始靜應(yīng)力場，它的形成與巖體構(gòu)造、性質(zhì)、埋藏條件以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的歷史等有密切關(guān)系。在隧道開挖前是客觀存在的，在這種應(yīng)力場中修建隧道就必須了解它的狀態(tài)及其影響。巖體的初應(yīng)力狀態(tài)與施工引起的附加應(yīng)力狀態(tài)是不同的，它對坑道開挖后圍巖的應(yīng)力分布、變形和破壞有著極其重要的影響?？梢哉f，不了解巖體初應(yīng)力狀態(tài)就無法對隧道開挖后一系列力學(xué)過程和現(xiàn)象作出正確的評價(jià)， 巖體的初應(yīng)力狀態(tài)一般受到兩類因素的影響：第一類因素有重力、溫度、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體的構(gòu)造、地形等經(jīng)常性的因素；第二類因素有地殼運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、人類的長期活動(dòng)等暫時(shí)性的或局部性的因素。因此，初應(yīng)力場是由兩種力系構(gòu)成，即 σ＝σγ+στ () 式中：σγ一 自重應(yīng)力分量；στ 一 構(gòu)造應(yīng)力分量。 在上述因素中，目前主要研究和使用的是由巖體的體力或重力形成的應(yīng)力場，稱為自重應(yīng)力場。而其它因素只認(rèn)為是改變了由重力造成的初應(yīng)力狀態(tài)。一般來說，重力應(yīng)力場可以采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法。它的可靠性則決定于對巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及巖體的構(gòu)造一力學(xué)性質(zhì)的研究，其誤差通常是較大的。而其它因素造成的初應(yīng)力場，主要是用實(shí)驗(yàn)（現(xiàn)場試驗(yàn)）方法完成的。 1．自重應(yīng)力場我們研究具有水平成層。地面平坦的情況。，設(shè)巖體是線性變形的，在xz平面內(nèi)是均質(zhì)的，沿y軸方向是非均質(zhì)的，設(shè)E、μ分別為沿垂直方向的巖體彈性模量和泊松比， Eμ1為沿水平方向的巖體彈性模量和泊松比。因巖體的變形性質(zhì)沿深度而變，故可假定：E＝E（y）； μ=μ(y) ； E1＝E1（y）；μ1=μ1(y)。單位體積重量也認(rèn)為是沿深度而變，即γ＝γ(y)。這樣，其計(jì)算式可表示如下： σy=∫γ(y)dy σx=σx(y) () σz=σz(y) τxy=τxz=τyz= 0 式滿足了地面的邊界條件，h＝0，σy＝0。 一般認(rèn)為，處于靜力平衡狀態(tài)的巖體內(nèi)，沿水平方向的變形等于零，故 σx=σz＝(E/E1)μ1 /(1μ) σy () 當(dāng)E＝E1=常數(shù)，μ＝μ1＝常數(shù)時(shí)，則得出大家熟知的公式 σx=σz＝μ/(1μ) σy （） 設(shè)λ=μ/(1μ),稱之謂側(cè)壓力系數(shù)，則上式可寫成 σx=σz＝λσy () 顯然當(dāng)垂直應(yīng)力已知時(shí)，水平應(yīng)力的大小決定于圍巖的泊松比?！虼?，在自重應(yīng)力場。水平應(yīng)力通常是小于垂直應(yīng)力的。 深度對初始應(yīng)力狀態(tài)有著重大影響。隨深度的增力，σy 和σx（σz）都在增大，但圍巖本身的強(qiáng)度是有限的，因此當(dāng)σy 和σx增加到一定值后，各向受力的圍巖將處于隱塑性狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，圍巖物性值（E、μ）是變化的，λ值也是變化的，并隨深度的增加，λ值趨于1，即與靜水壓力相似，此時(shí)圍巖接近流動(dòng)狀態(tài)。上述各式所表達(dá)的應(yīng)力場是理論性的，實(shí)際情況中，由于地殼運(yùn)動(dòng)，巖層會(huì)產(chǎn)生各種變動(dòng)，如形成向斜、背斜、斷裂等，在這種情況下，圍巖的初始應(yīng)力場也有所變化。如以垂直成層為例，由于各層的物理力學(xué)性質(zhì)不同，在同一水平面上的應(yīng)力分布可能是不同的；在背斜情況下，由于巖層成拱狀分布，使上層巖層重量向兩側(cè)傳遞，直接處于背斜下的巖層受到較小的應(yīng)力（），在被斷層分割的楔形巖塊情況中（）也可觀察到類似情況。在實(shí)際工作的應(yīng)用中是不能忽視的。 背斜構(gòu)造的自重應(yīng)力場 斷層構(gòu)造的自重應(yīng)力場2．構(gòu)造應(yīng)力場地層的應(yīng)力場是由自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場構(gòu)成的。地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為：地層各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂都是地應(yīng)力作用的結(jié)果，因而地質(zhì)力學(xué)就把構(gòu)造體系和構(gòu)造形式在形成過程中的應(yīng)力狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場。構(gòu)造應(yīng)力場是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)場。由于構(gòu)造應(yīng)力場的不確定性，很難用函數(shù)形式表達(dá)。它在整個(gè)初始應(yīng)力場中的作用只能通過某些量測數(shù)據(jù)來分析，在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。一般認(rèn)為，構(gòu)造應(yīng)力場具有以下特性：（1）地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不僅改變了重力應(yīng)力場，而且以各種構(gòu)造形態(tài)獲得釋放，還以各種形式積蓄在巖體內(nèi)，這種殘余構(gòu)造應(yīng)力將對隧道工程產(chǎn)生重大影響。（2）構(gòu)造應(yīng)力場在較淺的地層中已普遍存在，而且最大構(gòu)造應(yīng)力場的方向，近似為水平，其值常常大于重力應(yīng)力場中的水平應(yīng)力分量，甚至大于垂直應(yīng)力分量，這與重力應(yīng)力場有較大的差異。（3）構(gòu)造應(yīng)力場是不均勻的，它的參數(shù)在空間和時(shí)間上都有較大的變化，尤其是它的主應(yīng)力軸的方向和絕對值的變化很大。求解初始應(yīng)力場，結(jié)果常常有極大的偏差。因此，在理論分析中，常把初始應(yīng)力場按靜水應(yīng)力場來處理。在某些重要的工程中，多采用實(shí)地量測的方法，來判斷主應(yīng)力的大小及其方向的變化規(guī)律。（二）隧道開挖后的應(yīng)力場隧道的開挖，移走了隧道內(nèi)原來受力的部分巖體，破壞了圍巖初始應(yīng)力場的平衡狀態(tài)，圍巖從相對靜止的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽儎?dòng)的狀態(tài)。圍巖力圖達(dá)到一個(gè)新的平衡，其應(yīng)力和應(yīng)變開始一個(gè)新的變化運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，使得圍巖的應(yīng)力重新分布并向開挖的隧道空間變形。理論和實(shí)驗(yàn)證明，隧道開挖后，解除了部分圍巖的約束，在隧道周圍初始應(yīng)力將沿隧道一定范圍重新分布，一般情況下，形成三個(gè)區(qū)域。 隧道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)I區(qū)域稱為低應(yīng)力區(qū)，在有裂隙和破碎的巖石中，或松軟圍巖中，由于巖體強(qiáng)度小，隧道開挖后，巖體不能承受急劇增大的周邊應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形，使隧道周邊的圍巖應(yīng)力松弛而形成一個(gè)應(yīng)力降低的區(qū)域，使高應(yīng)力向巖體深處轉(zhuǎn)移，被擾動(dòng)的這部分巖體就開始向隧道內(nèi)變形。變形值超過一定數(shù)值，巖體則出現(xiàn)移動(dòng)、坍塌或處于蠕動(dòng)狀態(tài)。 II區(qū)域稱為高應(yīng)力區(qū)，這一部分巖缽也受到了擾動(dòng)，在應(yīng)力重分布的過程中使這個(gè)范國內(nèi)巖體的應(yīng)力升高，但強(qiáng)度尚未被破壞，實(shí)際相當(dāng)于形成了一個(gè)承載環(huán)，起到承載的作用。 III區(qū)域?yàn)樵紤?yīng)為區(qū)，距離隧道較遠(yuǎn)的巖體未受到開挖的影響，仍處于原始的應(yīng)力狀態(tài)。 在極堅(jiān)硬面完整的圍巖中，隧道周邊應(yīng)力急劇增高，由于巖體強(qiáng)度大，未形成如松軟破碎巖體那種變形過大和開裂坍塌的情況，因而不存在應(yīng)力降低區(qū)，而只有高應(yīng)力向原始應(yīng)力過渡的重分布特點(diǎn)，所以往往不需要設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)來提供外加平衡力。換句話說，這種隧道是自穩(wěn)的。 綜上所述，隧道的開挖，破壞了圍巖原有的平衡，產(chǎn)生了變形和應(yīng)力重新分布。但是這種變化發(fā)展不是無限的，它總是為了達(dá)到新的平衡而處在一種新的應(yīng)力狀態(tài)中。上述分析說明開挖隧道對圍巖穩(wěn)定的影響是較大的，影響的程度視地質(zhì)條件、隧道形狀、施工方法而異。公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，隧道開挖破壞了的巖體的重量就是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上圍巖壓力的來源。當(dāng)然，現(xiàn)代隧道施工技術(shù)是不會(huì)讓這種現(xiàn)象自由發(fā)展，從爆破手段和初期支護(hù)上采取措施，阻止隧道周邊巖體過大的變形和坍塌，使圍巖成為主要的承載體。圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法：1．直接量測法； 是一種切合實(shí)際的方法，對隧道工程而言，也是研究發(fā)展的方向；但由于受量測設(shè)備和技術(shù)水平的制約，目前還不能普遍常用。2．經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法； 是根據(jù)大量以前工程的實(shí)際資料的統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，按不同圍巖分級(jí)提出圍巖壓力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，作為后建隧道工程確定圍巖壓力的依據(jù)的方法。是目前使用較多的方法。3．理論估算法； 是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上從理論上研究圍巖壓力的方法。由于地質(zhì)條件的不確定性，影響圍巖壓力的因素又非常多，這些因素本身及它們之間的組合也帶有一定的偶然性，企圖建立一種完善的和適合各種實(shí)際情況的通用圍巖壓力理論及計(jì)算方法是困難的，因此，現(xiàn)有的圍巖壓力理論都不十分切合實(shí)際情況。在理論計(jì)算方法中，考慮幾個(gè)主要因素，使其結(jié)果相對地接近實(shí)際圍巖壓力的情況，是目前隧道工程設(shè)計(jì)中采用較多的方法。一般來講，都是以某種簡化的假設(shè)為前提，或以實(shí)際工程的統(tǒng)計(jì)分析資料為基礎(chǔ)。（一） 深埋隧道圍巖壓力的確定 目前我國公路隧道和鐵路隧道所采用的計(jì)算圍巖豎向勻布?jí)毫Φ挠?jì)算式，是以工程類比為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析了我國數(shù)百座