【正文】 狀 性 應(yīng) 尺 時 態(tài) 質(zhì) 力 寸 間 場圖 影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素 巖土體結(jié)構(gòu)狀態(tài) 巖土體結(jié)構(gòu)是長時間地質(zhì)運動的產(chǎn)物，在地質(zhì)因素的影響中起著主要作用。 圍巖的結(jié)構(gòu)狀態(tài)通常用其破碎程度或完整狀態(tài)來表示。處于原始狀態(tài)的巖土體，在長期的地質(zhì)構(gòu)造運動的作用下，產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)面、形變、錯動、斷裂等使其破碎，在不同程度上喪失了其原有的完整狀態(tài)。因此，結(jié)構(gòu)狀態(tài)的完整程度或破碎狀態(tài)，在一定程度上是表征巖土體受地質(zhì)構(gòu)造運動作用的嚴(yán)重程度。對隧道圍巖的穩(wěn)定與否，起著主導(dǎo)作用。實踐指出，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，隧道就易于失穩(wěn)。因此，在各種分級方法中，都把巖體的破碎程度作為分類的基礎(chǔ)指標(biāo)。 巖體的完整狀態(tài)或破碎程度有兩個含義，一是構(gòu)成巖體的巖塊大小，二是這些巖塊的組合形態(tài)。前者一般是采用裂隙的密集程度(裂隙率、裂隙間距、體裂隙率等)來表達(dá)，即沿結(jié)構(gòu)面法線方向上每單位長度內(nèi)結(jié)構(gòu)面的數(shù)目或結(jié)構(gòu)面的平均間距，或采用單位體積中的裂隙數(shù)等來表示。后者主要考慮構(gòu)成巖體的完整狀態(tài)的各種巖塊的組合比例。按結(jié)構(gòu)面切割的巖塊大小。 整體狀或巨塊狀 d 大塊狀 d = ～ 巖體 碎石塊石狀 d = ～ 碎石狀 d 圍巖 土石狀 松散狀 土體 松軟狀 圖 巖土體類型圖中d為裂隙間距。所指的裂隙是廣義的，它包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等；具有很大節(jié)理強度的裂隙不包括在內(nèi)，如硅質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的等。 考慮到巖體的結(jié)構(gòu)形態(tài)、巖塊的大小、以及結(jié)構(gòu)面的特征。表中簡要地多各類巖體結(jié)構(gòu)的工程地質(zhì)進(jìn)行評價。 巖體結(jié)構(gòu)類型及其特征類 型狀態(tài)結(jié)構(gòu)面特征工程地質(zhì)評價間距[m)性質(zhì)張開程度充填情況整體結(jié)構(gòu)巨塊狀多數(shù)＞1．0多為原生型或構(gòu)造型多密閉延展不長－巖體的整體強度較大，變形特征接近于均質(zhì)、彈性、各向同性體砌體結(jié)構(gòu)大塊狀多數(shù)＞0．4以構(gòu)造型為主多密閉部分微張少有充填同上，但要注意不利于巖體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合，如平緩節(jié)理鑲嵌結(jié)構(gòu)塊(石)碎(石)狀多數(shù)＜0．4以構(gòu)造型或風(fēng)化型為主大部分微張或部分張開部分為粘性土充填巖體在整體上強度仍高，但不連續(xù)性較為顯著，受過度震動易坍，壓碎結(jié)構(gòu)碎石狀多數(shù)＜0．2以風(fēng)化型或構(gòu)造型為主微張或張開部分為粘性大充填巖體完整性破壞較大，強度受斷層及弱面控制，并易受地下水影響，巖體穩(wěn)定差松散結(jié)構(gòu)角礫碎石狀－－－－巖體強度遭到極大破壞，接近松散介質(zhì)，穩(wěn)定性極差松軟結(jié)構(gòu)泥砂角礫狀－－－－同上，但粘土性成分較多，易于蠕動 土體類型及其評價類 型土 體 狀 態(tài)工程地質(zhì)評價粘 性 土非 粘 性 土硬士類略具壓密或成巖作用的粘性土，老黃土略具壓密或成巖作用的非粘性土，泥質(zhì)膠結(jié)的碎、卵石土，大塊石或大漂石土結(jié)構(gòu)密實，具有一定的結(jié)構(gòu)強度，小跨度時土體穩(wěn)定普通土類一般第四紀(jì)成因的可塑的粘性土，新黃土一般第四紀(jì)成因的稍濕至潮濕的非粘性土、包括一般碎、卵、礫石土結(jié)構(gòu)中等密實，結(jié)構(gòu)強度較小，土體不夠穩(wěn)定 松軟土類 軟塑狀粘性土 潮濕的粉細(xì)砂易蛹動，液體，土體穩(wěn)定性最差 巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征是相互聯(lián)系的，構(gòu)成了裂隙巖體的基本特性。是影響圍巖分級的重要因素。 巖石的工程性質(zhì) 巖石的工程性質(zhì)是多方面的，一般主要指巖石的強度或堅固性。在巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)成為控制圍巖穩(wěn)定的主要因素時，強調(diào)巖石強度意義是不大的。例如，在碎塊狀巖體中，巖石強度再大也阻止不了隧道圍巖的坍落。但在較為完整的巖體結(jié)構(gòu)中，如整體的巨塊狀結(jié)構(gòu)，或大塊狀結(jié)構(gòu)，巖石強度就具有一定的意義。所以巖石強度在完整的巖體中是起主要作用的。 完整巖體，一般都是認(rèn)為均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)。隧道開挖后，圍巖強度高，具有極大的穩(wěn)定性，僅在個別情況下有局部的碎塊、剝離現(xiàn)象。在這種情況下進(jìn)行理論分析也是以巖石強度為依據(jù)。此外，在決定某些裂隙巖體的強度時，也是要以巖石強度為基礎(chǔ)。 在圍巖分級中，巖石的堅固性或強度都是以巖石的單軸飽和極限抗壓強度為基準(zhǔn)，這是因為它的試驗方法簡便，數(shù)據(jù)分散性小，且與其它物性指標(biāo)有著良好的互換性。依巖石試件抗壓強度進(jìn)行巖石分級的基準(zhǔn)。 巖石的強度因風(fēng)化作用和水的作用會大大降低。風(fēng)化時，巖石產(chǎn)生風(fēng)化裂隙使水易于浸入，巖體濕潤，減少了巖石晶粒間的聯(lián)系，因而強度減小，故試驗時多以濕飽和強度為基準(zhǔn)。地下水的作用和影響 隧道施工的大量實踐證明，水是造成施工坍方、使隧道圍巖喪失穩(wěn)定的重要原因之一。因此，在隧道圍巖分級中水的影響是不容忽視的。在不同的圍巖中水的影響是不相同的，一般有下列幾種情況： a．使巖質(zhì)軟化，強度降低，對軟巖尤為明顯，對土體則可促使其液化或流動； b．在有軟弱結(jié)構(gòu)面的圍巖中，會沖走充填物或使夾層液化，減少層間摩阻力促使巖塊滑動； c．在某些圍巖中，如石膏、巖鹽和蒙脫石為主的粘土巖中，遇水后產(chǎn)生膨脹，在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中可產(chǎn)生流砂和潛蝕。 因此，在圍巖分級中都考慮了水的影響。在同級圍巖中，遇水后則適當(dāng)降低圍巖級別。降低的幅度主要視：圍巖的巖性及結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)、地下水的性質(zhì)和大小、流通條件、對圍巖浸潤狀況和危害程度而確定。在圍巖分級中。 地下水狀態(tài)的分級 級別 狀 態(tài) 每10m的涌水量(l/min)IIIIII 干燥或潮濕 偶有滲水 經(jīng)常滲水 ＜10 10～25 25～325 地下水影響的修正 修正級別地下水狀態(tài)圍巖的基本分級VIVIVIIIIIIIIIVIVIII（IV）III（II）I－IIVIIVIIIIII－IVIVIIIIII－圍巖的初應(yīng)力狀態(tài) 圍巖的初應(yīng)力狀態(tài)對巖體的構(gòu)造一力學(xué)特征是有一定影響的。它在某些分級中曾有所反映，例如K．泰沙基的分級，曾把同樣是擠壓變形緩慢的巖層視其埋深的不同分為兩類，其荷載值有很大差異(約差1倍)，這是考慮初應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)果。又如巖體質(zhì)量Q法的分級，在考慮初應(yīng)力狀態(tài)的影響方面，就更進(jìn)一步了，如將初應(yīng)力分為低應(yīng)力(接近地表的)、中等應(yīng)力的及高應(yīng)力的幾種情況，還劃分出在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑流的巖體等。但多數(shù)分級是沒有反應(yīng)初應(yīng)力的影響。在圍巖分級中，如何根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造的特征引進(jìn)初應(yīng)力的影響，是需要進(jìn)一步研究的問題。 人為的因素也是造成隧道喪失穩(wěn)定的重要條件，其中隧道的形狀和尺寸，尤其是跨度影響較為顯著。實踐證明，在同類圍巖中，跨度愈大，隧道圍巖的穩(wěn)定性就愈差。例如，大塊狀巖體是指裂隙間距在0．4m～1．0m左右的巖體。這是對中等跨度隧道(B＝5m—15m)而言的，若跨度較大(大于15m)或較小(小于5m)，巖體的破碎程度就不同。因此，有的分級就明確指出分級的適用跨度范圍。在圍巖分級中也曾有人建議用相對裂隙間距，即裂隙間距與隧道跨度的比值，來進(jìn)行隧道圍巖穩(wěn)定性的分級。例如，當(dāng)相對裂隙間距大于1／5時，即可認(rèn)為巖體是完整的；在1／5—1／20范圍內(nèi)，巖體則處于不同的破碎狀態(tài)；而小于1／20，則可視為極度破碎的。 在施工因素中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型及架設(shè)時間也對隧道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。其中比較重要的是隧道開挖后，圍巖在無支護(hù)條件下的允許暴露時間及無支護(hù)地段的長度，也就是圍巖的自穩(wěn)時間，因此，有的圍巖分級就是以這個時間進(jìn)行分級的。隧道自穩(wěn)時間是指從開挖后到頂部開始發(fā)生可以察覺到的移動、松弛時為止所經(jīng)歷的時間。實際上它是巖石類型、隧道未支護(hù)地段長度、隧道寬度，以及開挖時圍巖被擾動、破壞程度的函數(shù)。此外，施工方法也有影響，在同類巖體中，采用普通爆破法施工和控制爆破法施工，采用礦山法施工和盾構(gòu)法或掘進(jìn)機施工，采用大斷面開挖和小斷面分部開挖，對隧道穩(wěn)定性的影響都不相同。 埋深的影響也不能忽視。隨著埋深的增加，初始應(yīng)力場也隨之增大，因此，在施工過程中也可能出現(xiàn)諸如巖爆或大變形現(xiàn)象。因此，在高應(yīng)力場或極高應(yīng)力場的條件下，圍巖級別應(yīng)適當(dāng)降低。 隧道圍巖穩(wěn)定性與圍巖分級是息息相關(guān)的。隧道穩(wěn)定性的分類對選擇和確立圍巖的分級指標(biāo)有直接意義。因此，所作的分析和說明也僅是與其有關(guān)的一些方面。有關(guān)隧道圍巖穩(wěn)定性的詳細(xì)討論請參考有關(guān)專著。思考題1．圍巖的初始應(yīng)力場的基本概念，如何評價初始應(yīng)力場？2．圍巖完整性包括什么內(nèi)容？在圍巖分級中的作用？3．決定隧道圍巖穩(wěn)定性的因素有哪些？如何認(rèn)識這些因素的影響？4．為什么要進(jìn)行圍巖分級和怎樣進(jìn)行圍巖分級？5．隧道各階段圍巖分級考慮的因素有哪些不同？ 93 / 2