（建筑工程管理）隧道工程教案 - 图文

（建筑工程管理）隧道工

程教案

第5章隧道围岩分级与围岩压力

隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水状况、开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态、地温梯度等。因此，隧道围岩的稳定性是反映地质环境的综合指标。也是我们修建隧道工程对围岩特征研究的重要内容之一。

隧道围岩压力是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌结构的主要荷载之一。其性质、大小、方向以及发生和发展的规律，对正确地进行隧道设计与施工有很重要的影响。 5.1隧道围岩分级及其应用

隧道围岩分级是正确地进行隧道设计与施工的基础。一个较好的、符合地下工程实际情况的围岩分级，多改善地下结构设计，发展新的隧道施工工艺，降低工程蛰价，多快好省地修建隧道，有着十分重要的意义。

借用苏联的岩石坚固系数进行分类，即通常所谓的普氏系数（f值）。在长期大量的地下工程实践中发现：这种单纯以岩石坚固性（主要是强度）指标为基础的分类方法，不能全面反映隧道围岩的实际状态。逐渐认识到：隧道的破坏，主要取决于围岩的稳定性，而影响围岩稳定性的因素是多方面的，其中隧道围岩结构特征和完整状态，是影响围岩稳定性的主要因素。隧道围岩体的强度，对隧道的稳定性有着重要的影响，地下水、风化程度也是隧道围岩丧失稳定性的重要原因。

从围岩的稳定性出发，1975年编制了我国“铁路隧道围岩分类”，这个

分类由稳定到不稳定共分六类，代替了多年沿用的从岩石坚固性系数来分级的方法。

我国公路隧道围岩分级起步较晚，随着我国经济的发展，公路交通得到较大的发展，大量的公路隧道修建，需要有一个适合我国工期的公路隧道围岩分级，于1990年，根据我国铁路隧道的围岩分级为基础，编制了我国“公路隧道围岩分级”。

从国内外的发展中可以看出，以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是总的趋势。但分级指标方面，大多数正在从定性描述、经验判断向定量描述发展。 5.1.1隧道围岩分级的因素指标及其选择

围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素，大体有以下几种：

1．单一的岩性指标

一般有岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量等物理力学参数；岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。在一些特定的分级中，如确定钻眼功效、炸药消耗量等，土石方工程中划分岩石的软硬、开挖的难易，均可采用岩石的单一岩性指标进行分级。一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级指标，具有试验简单，数据可靠的优点。但单一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，用来作为分级的唯一指标是不合适的。如老黄土地层，在无水的条件下，强度虽然低，但稳定性却很高。

2．单一的综合岩性指标

以单一的指标，反映岩体的综合因素。这些指标有

岩体的弹性波传播速度弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比，其指标反映了岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合因素。

岩石质量指标（RQD）是综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率。钻探时岩芯的采取率、岩芯的平均和最大长度是受岩体原始的裂隙、硬度、均质性的影响的，岩体质量的好坏主要取决于岩芯采取长度小于10cm以下的细小岩块所占的比例。因此，岩芯采取率是以单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例来判断的。即

RQD（％）＝10cm以上岩芯累计长度×100（5.1.1）

单位钻孔长度

岩石质量指标分级认为：RQD>90％为优质； 75％

RQD<25％为很差。

围岩的自稳时间以被认为是综合岩性指标，隧道开挖后，围岩通常都有一段暂时稳定的时间，不同的地质环境，自稳时间是不同的，劳费（H.Lauffer）认为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示：

ts=常数×L－(1＋a)（5.1.2）

式中：L－隧道未支护地段的长度；

a－视围岩情况在0～1之间变化，好的岩体可取a=0;极差的a=1。 劳费（H.Lauffer）根据围岩的自稳时间和未支护地段的长度，将围岩分为：稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的七级。具体的取值标准可参考有关专著。

单一综合岩性指标一般与地质勘察技术的水平有关，因此，其应用受到一定的限制。

3．复合指标

是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。具有代表性的复合指标分级，是巴顿（N.Barton）等人提出的岩体质量－Q指标，Q综合表达了岩体质量的六个地质参数，见下式：

Q＝（RQD/Jh）(Jr/ Ja)(Jw/SRF)（5.1.3）

式中RQD－岩石质量指标，其取值方法见式（5－1）；

Jh－节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大，可参考下列经验数值； 没有或很少节理，Jh＝0.5～1.0； 两个节理组时，Jh＝4； 破碎岩体时，Jh＝20。

Jr－节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小，可参考下列经验数值； 不连续节理，Jr＝4； 平整光滑节理，Jr＝0.5等。

Ja－节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大，可参考下列经验数值； 节理面紧密结合，节理中填充物坚硬不软化，Ja＝0.75； 节理中填充物是膨胀性粘土，如蒙脱土，Ja＝8～12等。

Jw－节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，Jw取值愈小，可参考下列经验数值；

微量渗水，水压<0.1Mpa,Jw=1.0；

渗水量大，水压特别高，持续时间长，Jw＝0.1～0.05等。

SRF－应力折减系数，围岩初始应力愈高，SRF取值愈大。可参考下列经验数值；

脆性而坚硬、有严重岩爆现象的岩石，SRF＝10～20； 坚硬、有单一剪切带的岩石，SRF＝2.5。

以上六个参数的详细说明和取值标准可参考有关专著。这六个地质参数表达了岩体的岩块大小（RQD/Jh）、岩块的抗剪强度（Jr/Ja）、作用应力（Jw/SRF）。因此，岩体质量Q实际上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力的复合指标。根据不同的Q值，岩体质量评为九级，见表5.1.1。

表5.1.1岩体质量评估

岩体质量 Q 特别好 400～1000 极好 100～400 良好 40～100 好 10～40 中等 4～10 不良 1～4 坏 0.1～1 极坏 0.001~0.1 特别坏 0.001～0.01

复合指标是考虑多种因素的影响，对判断隧道围岩的稳定性是比较合理

可靠的，它可以根据工程对象的要求，选择不同的指标。但是，复合指标的定量数值，一般是通过试验、现场实测或凭经验确定的，带有较大的主观因素。

通过以上分析，对隧道围岩的分级，首先应考虑选择的围岩稳定性有重大影响的主要因素，如岩石强度、岩体的完整性、地下水、地应力、结构面产状、以及他们的组合关系作为分级指标；其次选择测试设备比较简单、人为因素小、科学性较强的定量指标；在考虑分级指标要有一定的综合性，如复合指标等。总之，应有足够的实测资料为基础，能全面反映围岩的工程性质。

5.1.2隧道围岩分级的方法

国内外隧道围岩分级的方法较多，所采用的指标也不同，但都是在隧道工程的实践基础上逐步建立起来的，随着人们对隧道工程、地质环境之间相互关系的认识和理解，其围岩分级方法也在逐步深化和提高。发展过程大体有以下几类型：

1．按岩石强度为单一岩性指标的分级法，具有代表意义的是我国工程界广泛采用的岩石坚固系数“f”值分级法。这种方法的优点是指标单一，使用方便，尤其是在f值分类法中，还将定量指标f值与作用在支护结构上的围岩压力直接联系起来，给设计和施工带来较大的方便。缺点是不能全面地反映岩体固有的性态。

2．按岩体构造和岩性特征为代表的分级法，如泰沙基分级法，1975年我国

铁路工程技术规范中所采用的铁路隧道围岩分级法，属于这一类。这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。缺点是分级指标还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法，在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。

3．与地质勘察手段相联系的分级法。如1979年前后日本提出的按围岩弹性波速度进行分级方法、岩芯复原率分级法等，属于这一范畴。这类方法的优点是分级指标大体上是半定量的，同时考虑了多种因素的影响；其点是分级的判断还带有一定的主观性，如弹性波速度低，可能是有岩体完整，但岩质松软；地质坚硬，但比较破碎；地形上局部高低相差悬殊等几种原因引起的，就弹性波速度这一个指标，就很难客观地下出正确的结论。

4．多种因素的组合分级法。如岩体质量“Q”法，我国国防工程围岩分级法等，属于这个范畴。这类方法是当前围岩分类法的发展方向，优点很多，只是部分定量指标仍需凭经验确定。

5．以工程对象为代表的分类法。如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分类法(1979年)，苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法(1966年)，属于这一范畴。这类方法的优点是目的明确，而且和支护尺寸直接挂钩，使用方便，能指导施工。但分级指标以定性描述为主，带有很大的人为因素。

根据上述介绍可知，隧道围岩分类方法有简有繁，并无统一格式。目前，国

内外许多学者都认为，隧道围岩分级的详细程度，在工程建设的不同阶段应有所不同。在工程规划和初步期计阶段的围岩分级，可以定性评价为主，判别的依据主要来源于地表的地质测绘以及部分的勘察工作，在工程设计和施工阶段，围岩分级应为专门的目的服务。如为设计提供依据的围岩分级，其判别依据主要是地质测绘资料、地质详勘资料、岩石和岩体的室内和现场试验数据。分级指标一般是半定量和定性的。为隧道施工钻爆提供依据的围岩分级，主要利用各种量测和观测到的实际资料对围岩分级进行补充修正，此时的分级的依据是岩体暴露后的实际值。

围岩分级的分阶段实施，是因为围岩分级除了取决于地质条件外，还和工程规模、形状、施工工艺等技术条件有关。不同阶段的地质勘察、试验研究、工作顺序可用图5.1.1所示的框图来表示。

图5.1.1段围岩框图 5.1.3隧道围

经隧道工

我国公路岩分级 过长期的程实践，工程各阶分级系统

我国公路隧道以铁路隧道围岩分级的标准为基础，参考了国内外有关围岩分

级的成果，提出了适合我国公路隧道实情的围岩分级标准，下面介绍围岩分级的出发点和依据。

（一）公路隧道围岩分级的出发点 主要考虑了以下几点：

1． 强调岩体的地质特征的完整性和稳定性，避免单一的岩石强度指标分级的方法；

2． 分级指标应采用定性和定量指标相结合的方式； 3． 明确工程目的和内容，并提出相应的措施； 4． 分级应简明，便于使用；

5． 应考虑吸收其它围岩分级的优点，并尽量和我国其它工程分级一致。 （二）分级的指标和因素

主要考虑了以下几类影响围岩稳定性的因素； 1．岩体的结构特征与完整性

岩体结构的完整状态是影响围岩稳定性的主要因素，目前主要是根据表5.1.2进行划分的，当风化作用使岩体结构发生变化，松散、破碎、软硬不一时，应结合因风化作用造成的各种状况，综合考虑确定围岩的结构完整状态；结构面（节理）发育程度应根据结构面特征，按表5.1.3确定；地质构造影响程度按表5.1.4确定。

表5.1.2岩体完整程度的等级划分

等级 完整 结构面发育程度 不发育 地质构造影响程度 轻微 较完整 较破碎 破碎 极破碎 较发育、不发育 发育、较发育 极发育、发育 极发育 较严重、轻微 严重、较严重 极严重、严重 极严重

表5.1.3围岩结构面(节理)发育程度等级划分 等级 不发育 较发育 发育 很发育

表5.1.4围岩受地质构造影响程度等级划分 等级 轻微 育 层，节理较发育 围岩地质构造变动强烈，位于褶曲轴部或断裂影响带内；软岩多见扭曲及拖拉现象；节理发育 呈粉末、土状 地质构造作用特征 围岩地质构造变动小，无断裂(层)；层状岩一般呈单斜构造；节理不发结构面（节理）组数及平均间距（m） 1—2组 平均间距>1.0 2～3组 平均间距>0.4 >3组 平均间距<0.4 >3组，杂乱， 平均间距<0.2 结构面（节理）发育程度 主要结构面（节理）的类型 为原生型或构造型密闭 呈X形，较规则，以构造型为主， 多数为密闭部分微张，少有充填物 不规则，呈X形或米字形；以构造型或 风化型为主，大部分张开，部分有充填物 以风化型和构造型为主， 微张或张开，均有充填物 岩体结构类型 巨块状结构 大块状结构 块石和碎石状 碎石状 较重 围岩地质构造变动较大，位于断裂(层)或褶曲轴的邻近地段，可有小断 严重 很严位于断裂破碎带内，节理很发育；岩体破碎呈碎石、角砾状，有的甚至重

2．岩石强度

将岩浆岩、沉积岩、变质岩按岩性、物理力学参数、耐风化能力和作为建筑材料的要求划分为硬质岩石及软质岩石二级，依饱和抗压极限强度Rb与工程的关系分为四种，其标准及代表性岩石见表5.1.5；当风化作用使岩石成分改变、强度降低时，应按风化后之强度确定岩石等级。 表5.1.5岩石等级划分

岩石等级 极 石 ＞60 饱和抗压 极限强度 Rb(MPa) 程度 现象 暴年不露1．花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆尚2．硅质、铁质胶结的砾岩及砂岩、易石灰岩、白云岩等沉积岩类 片岩等变质岩类 硬 质 岩 软 质 岩 石 软 质 岩 ＞30 5以上～30 暴弱 后 数至 数即 出风 极 软 岩 ≤5 化壳 现月露1．凝灰岩等喷出岩类 2．泥砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、日灰质页岩、泥灰岩、泥岩、劣煤等沉积岩类 3．云母片岩和干枚岩等变质岩类 耐风化能力 代表性岩石 硬 岩 石 强 后1、2岩类 质 硬 风化 3．片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、3．地下水

在公路隧道围岩的分级中，遇有地下水时，一般的处理采用降级的方法，

可按下列原则调整围岩级别：

在VI级围岩或属于V级的硬质岩石中，一般地下水对其稳定性影响不大，可不考虑降低；

在VI级围岩或属于V级的软质岩石，应根据地下水的性质、水量大小和危害程度调整围岩级别，当地下水影响围岩稳定产生局部坍塌或软化软弱面时，可酌情降低l级；

III级、II级围岩已成碎石状松散结构，裂隙中有粘性土充填物，地下水对围岩稳定性影响较大，可根据地下水的性质、水量大小、渗流条件、动水和静水压力等情况，判断其对围岩的危害程度，可降低1～2级；

在I级围岩中，分级中已考虑了一般含水地质情况的影响，在特殊含水地层，需另作处理。

（三）公路隧道围岩分级

根据以上对分级因素和指标的分析，公路隧道围岩分级将围岩分为六级，给出了各级围岩的主要工程地质特征、结构特征和完整性等指标并预测了隧道开挖后，可能出现的坍方、滑动、膨胀、挤出、岩爆、突然涌水及瓦斯突出等失稳的部位和地段，给出了相应的工程措施。见表5.1.6。

表5.1.6公路隧道围岩分类

级别 V1 围岩主要工程地质条件 主要工程地质条件 硬质岩石(饱和抗压极限强度Rb＞60MPa)，受地质构造影响轻微，节理围岩开挖后的稳定状态 结构特征和完整状态 呈巨块状整体结构 围岩稳定、无坍 不发育，无软弱面(或夹层)；层状岩层为厚层，层间结合良好 塌，可能产少岩爆 呈大块状砌体结构 暴露时间长，可能出现局部小坍塌；侧壁稳定；层间结合差的平缓岩层，顶板易塌落 V 硬质岩石(Rb＞30MPa)，受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面(或夹层)和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动，层状岩层为中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩石偶夹软质岩石 软质岩石(Rb≈30MPa)，受地质构造影层间结合良好 响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，呈巨块状整体结构 IV 硬质岩石(Rb＞30MPa)，受地质构造影夹层)，但其产状及组合关系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多有分离现象；或为硬、软质岩石互层 软质岩石(Rb＝5以上~30MPu)，受地质构造影响严重，节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合一般 III 硬质岩石(Rb(＞30MPa)，受地质构造影响很严重，节理很发育，层状软弱面(或夹层)巳基本被破坏 受地质构造影响严重，节理发育 结构 1．略具压密或成岩作用的粘性土及砂1．呈大块状压密结构 性土 大块石土 3．黄土(Q1，Q2) II 石质图岩位于挤压强烈的断裂带内，裂呈角(砾)碎(石)状松散围岩易坍塌，处隙杂乱，呈石夹土或土夹石状 结构 理不当会出现大坍塌，侧壁经常2．呈巨块状整体结构 2．一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、3．呈巨块状整体结构 呈碎石状压碎结构 拱部无支护时，可产 生较大的坍塌；时失去稳定 呈大块状砌体结构 结构 拱部无支护时可小坍塌，则壁基本稳定，爆破振动过大易塌 响严重，节理发育，有层伏软弱面(或呈块(石)碎(石)状镶嵌产中 软质岩石((Rb＝5以上～3．0助Pa)，呈块(石)碎(石)状镶嵌侧壁有 一般第四系的半干硬～硬塑的粘性土非钻性土呈松散结构，小坍塌；浅埋时及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土、圆砾、粘性土及黄土呈松软结易出现地表下沉角砾土及黄土(Q3、Q4) 构 (陷)或坍至地表 I 石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥松软体 软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等 呈松软结构 围岩极易坍塌变形，有水时土砂粘性土呈易蠕动的松软常与水一齐涌结构砂性土呈潮湿松散出；浅埋时易坍结构 至地 表

公路隧道围岩分级表中“级别”和“围岩主要工程地质条件”栏，不包括特殊地质条件的围岩，如膨胀性围岩、多年冻土等。层状岩层的层厚划分为：

厚层：大于0.5m； 中层：0.1～0.5m； 薄层：小于0.1m。

公路隧道设计规范中，还提出按岩石质量指标（RQD）、岩体弹性波纵波速度Vp、岩体完整性系数I的围岩分级，可供学习的参考。见表5.1.7。

表5.1.7按（RQD）、Vp、I的围岩分级 级 参数 RQD（％） >95 Vp(km/s) I >4.5 85~75 3.5~4.5 0.8～1.0 0.6~0.8 0.4~0.6 0.2~0.4 75~86 2.5~4.0 50~75 1.5~3.0 25~50 1.0~2.0 <25 <1.0<1.5（饱和粘土） <0.2 VI V VI III II I 锤击法时采用低值（I）划分。 （四）隧道施工围岩分级

施工阶段围岩级别的判定是一个重要而现实的问题。

施工阶段围岩分级的评定因素采用围岩坚硬程度、围岩完整性程度、和地下水状态三项因素，细分为十三个子因素，见图5.1.2。

图5.1.2施工阶段围岩分级的评定因素

在三个因素中，最困难的是围岩完整性程度的评定，研究的重点是如何根据掌子面的地质数据评价围岩的完整程度。由于隧道开挖，掌子面的地质状态暴露无遗，为评定掌子面的稳定，提供了充分的基础。根据对国内外施工阶段围岩分级的调查，应采用多种方法对围岩完整程度进行分级，采用定性和定量相结合的方法，如可采用图5.1.3的指标

图5.1.3施工阶段围岩分级完整程度的分级指标

5.2围岩压力的确定

5.2.1围岩压力的概念

人们对围岩压力的认识，是从开挖侗穴后围岩的出现初坍塌的现象开始的。随着隧道和地下工程的发展，人们从支撑和衬砌的变形、开裂和破坏现象，进一步认识到围岩压力的存在。

在稳定的地层中开挖坑道，由于围岩在爆破后发生松动以及暴露后受到风化，个别落石现象也不可避免。在完整而坚硬的岩层中开挖隧道，也会遇到小块岩石突然脱离岩体向隧道内弹出，人们称为“岩爆”，这些都是围岩压力的现象，为了保证隧道有足够的净空，就要修建支护结构，以阻止围岩的移动和崩塌，支护结构就是用来承受围岩压力。本节所阐述的围岩压力系指松动压力，至于所涉及的弹塑性理论在“新奥法”一节中介绍。

5.2.2围岩压力的产生

围岩压力的产生是隧道工程的一个重要的力学特征，隧道是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的。所以，围岩的初始应力场的状态极大地影响着在其中发生的一切力学现像，这是和地面工程极其不同的。因此，我们需要研究隧道开挖前后围岩的应力状态，这对指导我们隧道的设计与施工有着重要意义。

（一）围岩的初始地应力场

通常所指的初始应力场泛指隧道开挖前岩体的初始静应力场，它的形成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系。在隧道开挖前是客观存在的，在这种应力场中修建隧道就必须了解它的状态及其影响。

岩体的初应力状态与施工引起的附加应力状态是不同的，它对坑道开挖后围岩的应力分布、变形和破坏有着极其重要的影响。可以说，不了解岩体初应力状态就无法对隧道开挖后一系列力学过程和现象作出正确的评价， 岩体的初应力状态一般受到两类因素的影响：第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质、岩体的构造、地形等经常性的因素；第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。因此，初应力场是由两种力系构成，即 σ＝σ

γ

+σ

τ

(5.2.1)

图5.2.1地表水平时的自重应力场

式中：σ

γ

一自重应力分量；σ

τ

一构造应力分量。

在上述因素中，目前主要研究和使用的是由岩体的体力或重力形成的应力场，称为自重应力

场。而其它因素只认为是改变了由重力造成的初应力状态。一般来说，重力应力场可以采用连续介质力学的方法。它的可靠性则决定于对岩石的物理力学性质及岩体的构造一力学性质的研究，其误差通常是较大的。而其它因素造成的初应力场，主要是用实验（现场试验） 方法完成的。

1．自重应力场

我们研究具有水平成层。地面平坦的情况。如图5.2.1所示，设岩体是线性变形的，在xz平面内是均质的，沿y轴方向是非均质的，设E、μ分别为沿垂直方向的岩体弹性模量和泊松比， E1、μ

1

为沿水平方向的岩体弹性模量和泊松比。因岩体的变形性质沿深度

而变，故可假定：

E＝E（y）；μ=μ(y)；E1＝E1（y）；μ1=μ1(y)。

单位体积重量也认为是沿深度而变，即γ＝γ(y);这样，距地表面h深处一点的应力状态如图5.2.1所示，其计算式可表示如下： σy=∫γ(y)dy

σx=σx(y)(5.2.2)

σz=σz(y)

τxy=τxz=τyz=0

式满足了地面的边界条件，h＝0，σy＝0。

一般认为，处于静力平衡状态的岩体内，沿水平方向的变形等于零，故 σx=σz＝(E/E1)μ1/(1-μ)σy(5.2.3)

当E＝E1=常数，μ＝μ1＝常数时，则得出大家熟知的公式

σx=σz＝μ/(1-μ)σy（5.2.4）

设λ=μ/(1-μ),称之谓侧压力系数，则上式可写成 σx=σz＝λσy(5.2.5)

显然当垂直应力已知时，水平应力的大小决定于围岩的泊松比。大多数围岩的泊松比变化在0.15～0.35之间，因此，在自重应力场。水平应力通常是小于垂直应力的。

深度对初始应力状态有着重大影响。随深度的增力，σ增大，但围岩本身的强度是有限的，因此当σ

y

y

和σx（σz）都在

和σx增加到一定值后，各向

受力的围岩将处于隐塑性状态。在这种状态下，围岩物性值（E、μ）是变化的，λ值也是变化的，并随深度的增加，λ值趋于1，即与静水压力相似，此时围岩接近流动状态。

上述各式所表达的应力场是理论性的，实际情况中，由于地壳运动，岩层会产生各种变动，如形成向斜、背斜、断裂等，在这种情况下，围岩的初始应力场也有所变化。如以垂直成层为例，由于各层的物理力学性质不同，在同一水平面上的应力分布可能是不同的；在背斜情况下，由于岩层成拱状

分布，使上层岩层重量向两侧传递，直接处于背斜下的岩层受到较小的应力（图5.2.2），在被断层分割的楔形岩块情况中（图5.2.3）也可观察到类似情况。在实际工作的应用中是不能忽视的。

图5.2.2背斜构造的自重应力场图5.2.3断层构造的自重应力场

2．构造应力场

地层的应力场是由自重应力场和构造应力场构成的。地质学家认为：地层各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果，因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称为构造应力场。构造应力场是随时间变化的动态场。

由于构造应力场的不确定性，很难用函数形式表达。它在整个初始应力场中的作用只能通过某些量测数据来分析，在实际工程中应用较少。一般认为，构造应力场具有以下特性：

（1）地质构造形态不仅改变了重力应力场，而且以各种构造形态获得释放，还以各种形式积蓄在岩体内，这种残余构造应力将对隧道工程产生重大影响。

（2）构造应力场在较浅的地层中已普遍存在，而且最大构造应力场的方向，近似为水平，其值常常大于重力应力场中的水平应力分量，甚至大于垂直应力分量，这与重力应力场有较大的差异。

（3）构造应力场是不均匀的，它的参数在空间和时间上都有较大的变化，尤其是它的主应力轴的方向和绝对值的变化很大。

求解初始应力场，结果常常有极大的偏差。因此，在理论分析中，常把初始应力场按静水应力场来处理。在某些重要的工程中，多采用实地量测的方法，来判断主应力的大小及其方向的变化规律。 （二）隧道开挖后的应力场

隧道的开挖，移走了隧道内原来受力的部分岩体，破坏了围岩初始应力场的平衡状态，围岩从相对静止的状态转变为变动的状态。围岩力图达到一个新的平衡，其应力和应变开始一个新的变化运动，运动的结果，使得围岩的应力重新分布并向开挖的隧道空间变形。理论和实验证明，隧道开挖后，解除了部分围岩的约束，在隧道周围初始应力将沿隧道一定范围重新分布，一般情况下，应力状态如图5.2.4所示，形成三个区域。

图5.2.4隧道开

挖后的应力状态

I区域称为低应力区，在有裂隙和破

碎的岩石中，或松软围岩中，由于岩体强度小，隧道开挖后，岩体不能承受急剧增大的周边应力而产生塑性变形，使隧道周边的围岩应力松弛而形成一个应力降低的区域，使高应力向岩体深处转移，被扰动的这部分岩体就开始向隧道内变形。变形值超过一定数值，岩体则出现移动、坍塌或处于蠕动状态。

II区域称为高应力区，这一部分岩钵也受到了扰动，在应力重分布的过程中使这个范国内岩体的应力升高，但强度尚未被破坏，实际相当于形成了一个

承载环，起到承载的作用。

III区域为原始应为区，距离隧道较远的岩体未受到开挖的影响，仍处于原始的应力状态。

在极坚硬面完整的围岩中，隧道周边应力急剧增高，由于岩体强度大，未形成如松软破碎岩体那种变形过大和开裂坍塌的情况，因而不存在应力降低区，而只有高应力向原始应力过渡的重分布特点，所以往往不需要设置支护结构来提供外加平衡力。换句话说，这种隧道是自稳的。

综上所述，隧道的开挖，破坏了围岩原有的平衡，产生了变形和应力重新分布。但是这种变化发展不是无限的，它总是为了达到新的平衡而处在一种新的应力状态中。

上述分析说明开挖隧道对围岩稳定的影响是较大的，影响的程度视地质条件、隧道形状、施工方法而异。公路隧道设计规范规定，隧道开挖破坏了的岩体的重量就是作用在支护结构上围岩压力的来源。当然，现代隧道施工技术是不会让这种现象自由发展，从爆破手段和初期支护上采取措施，阻止隧道周边岩体过大的变形和坍塌，使围岩成为主要的承载体。 5.2.3围岩压力的确定方法

围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：

1．直接量测法；是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向；但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。

2．经验法或工程类比法；是根据大量以前工程的实际资料的统计和总

结，按不同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。是目前使用较多的方法。

3．理论估算法；是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素又非常多，这些因素本身及它们之间的组合也带有一定的偶然性，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的，因此，现有的围岩压力理论都不十分切合实际情况。

在理论计算方法中，考虑几个主要因素，使其结果相对地接近实际围岩压力的情况，是目前隧道工程设计中采用较多的方法。一般来讲，都是以某种简化的假设为前提，或以实际工程的统计分析资料为基础。 （一） 深埋隧道围岩压力的确定

目前我国公路隧道和铁路隧道所采用的计算围岩竖向匀布压力的计算式，是以工程类比为基础，统计分析了我国数百座隧道坍方调查资料而拟定的。

围岩竖向匀布压力q按下式计算： q=0.45×26-s×γω(kN/m2)(5.2.6) 式中S—围岩级别，如属II级，则S＝2； γ—围岩容重，(kN/m2)； ω＝1+i(B-5)—宽度影响系数； B—隧道宽度，（m）；

i— 以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。

当B<5m，取i＝0.2；当B>5m.,取i＝0.1。 公式（5.2.6）的适用条件为： 1． 2． 3． 4．

H/B<1.7，式中H为隧道高度； 深埋隧道；

不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道； 采用钻爆法施工的隧道。

围岩的水平匀布压力e，按表5.2.1中的经验公式计算。 表5.2.1围岩水平匀布压力

围岩级别 水平匀布压力 VI、V 0 IV <0.15q III (0.15～0.3)q II (0.3～0.5)q I (0.5～1.0)q

在确定了围岩压力的数值后，一个重要的问题是考虑压力分布特征。根据我国隧道围岩压力的一些量测结果表明：作用在支护结构上的荷载是不均匀的，这是因为在V及IV级围岩中，局部塌方是主要的，而其它级别的围岩中，岩体破坏范围的形状和大小受岩体结构、施工方法等因素的控制，也是极不规则的。根据统计资料，围岩竖向压力的分布图大致如图5.2.5所示。用等效荷载即非匀布压力的总和应与匀布压力的总和相等的方法，来确定各种荷载图形的最大压力值。另外，还应考虑围岩水平压力分布情况。

上述压力分布图形只概括一般情况，当地质、地形或其它原因可能产生特殊荷载时，围岩压力的大小和分布应根据实际情况分析确定。

在分析支护结构时，一般以竖向和水平的匀布荷载图形为主，并用局部压力、偏压以及非匀布的荷载图形进行校核，较好的围岩着重于局部压力校核， （二）浅埋隧道围岩压力的计算

浅埋隧道一般出现在山岭隧道的洞口附近，埋置深度较浅，深埋和浅埋隧道的分界，按荷载等效高度值，井结合地质条件、施工方法等因素综合判定，接荷载等效高度的判定式为： Hp＝（2～2．5）hq(5.2.7) 式中Hp—深浅埋隧道分界深度; hq—荷载等效高度，按下式计算： hq＝q/γ（5.2.8）

q—深埋隧道竖向均布压力（kN／m2）； γ—围岩客重（kN／m2）。

在矿山法施工的条件下，I一III级围岩取 Hp＝2．5hq(5.2.9) IV～VI类围岩取 Hp＝2hq(5.2.10)

浅埋隧道围岩压力分下述两种情况分别计算：

1．埋深（H）小于或等于等效荷载高度hq时，荷载视为均布竖向压力 q=γH(5.2.11)

式中q—匀布布竖向压力；

γ—深度上覆围岩容重；

H—隧道埋深，抬隧道顶至地面的距离。 侧向压力e，按匀布考虑时，其值为： e=γ(H+1/2Hi)tg2(450–Φ/2)(5.2.12) 式中e—侧向匀布压力； γ—围岩容重； H—隧道埋深； Hi—隧道高度；

Φ一围岩计算摩擦角，其值可查有关规范。

2．埋深大于hq、小于等于Hp时，为便于计算，作如下假定：假定土体中形成的破裂面是一条与水平成β角的斜直线，如图5.2.6所示；EFHG岩（土）体下沉，带动两侧三棱土体（如图中FDB及ECA）下沉，整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩（土）体的阻力；斜直线AC或BD是假定的破裂面，分析时考虑内聚力C，并采用了计算摩擦角Ф；另一滑面FH或EG则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂滑面的阻力，若该滑面的摩擦角为θ，则θ值应小于φ值。

图5.2.6浅埋隧道围岩压力

设图5.2.6中隧道上覆岩体EFHG的重力为W，两侧三梭岩体FDB或ECA的重量为W1，未扰动岩体对整个滑动土体的阻力为F，当EFEG下沉，两侧受到的阻力为T或T、，可见作用于HG面上的垂直压力总值Q浅为： Q浅＝W一2T，＝W一2Tsinθ（5.2.13） 三棱中自重为：

W1=1/2γh(h/tgβ)（5.2.14） 式中γ—围岩容重；

h一隧道底部到地面的距离；

β一破裂面与水平置的夹角。

由正弦定律可得

T=｛sin(β+Φ)/sin[900-(β-Φ+θ)]｝W1(5.2.15) 将式（5.2.14）代入可得 T＝1/2γh2λ/cosθ(5.2.16)

λ=(tgβ-tgΦ)/｛tgβ[1+tgβ(tgΦ-tgθ)+tgΦtgθ]｝(5.2.17)

tgβ=tgΦ+｛(tg2Φ+1)tgΦ/(tgΦ-tgθ)｝1/2(5.2.18) 式中λ一侧压力系数;其他符号意义同前。

至此，极限最大阻力T值可求得。得到T值后，代人（5.2.11）式，可求得作用在HG面上的总竖向压力Q浅：

Q浅＝W一2Tsinθ＝W一γh2λtgθ(5.2.19)

由于GC、HD与EG、FH相比往往较小，而且衬砌与土之间的摩擦角也不同，前面分析列按θ计，当中间土块下滑时，由FH及EG面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩擦力不计隧道部分而只计洞顶部分，即在计算中用埋深H代替h，式（5.2.19）为

Q浅＝W一γH2λtgθ 由于W＝BtHγ

故Q浅＝γH（Bt－Hλtgθ）(5.2.20) 式中Bt—隧道宽度；

H—洞顶至地面距离，即埋深；其他符号意义同前。 换算为作用在支护结构上的匀布荷载如图5.2.7所示。

图5.2.7浅埋隧道换算匀布荷载

q

浅＝Q浅/Bt=γ

H（1－H/Bt·λtgθ）(5.2.21)

式中q浅—作用在支护结构上的匀布荷载；

其它符号意义同前。

作用在支护结构两侧的水平侧压力为 e1=γHλ e2=γhλ(5.2.22)

式中符号意义同前。侧压力视为匀布时，侧压力为 e=1/2(e1+e2)(5.2.23) （三）围岩应力的现场量测

前述的围岩应力的计算理论，都是以一定的工程实践为基础的。长期以来，从事隧道工程的人们都想直接量测作用在隧道上的围岩应力及围岩变形，从而为隧道结构的设计和施工提供可靠数据，并验证现有的地压计算理论。为此，发展了各种实地量测的方法，并在实验室内作了大量的模拟试验分析研究工作，取得了不少有实用价值的成果。

实测作用在支护结构上的围岩压力的方法很多，归纳起来可分为两类：直接量测法和间接量测法。直接量测作用在支护结构上的压力（接触压力）的方法，主要采用各种类型的压力盒。压力盒按工作原理分为机械作用式、电测式和液压式等。目前使用较多的是钢弦式压力盒。各类电测式压力盒都需要专门的接收器。液压式压力盒的优缺点与机械式相似。在隧道施工阶段中量测临时支护上的压力，从而推断作用在结构上的压力的方法得到普遍应用。这种方法采用各种类型的支柱测力计。支柱测力计按工作原理分为机械式、电测式和液压式等。

利用量测隧道衬砌的应变来推算作用在其上的围岩压力的方法，是一种间接量测方法。这种方法需要在衬砌内埋设各种应变量测元件。如电阻应变片、钢筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖等。这些量测元件，都是基于电阻的变化来量测应变的，应变量测元件都需要有相应的接收器。

围岩压力的实测一般都要与围岩物理力学性质的试验、围岩的变形量测、围岩的初始应力量测等相配合。 5.3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。包括的内容见图5.3.1所示。 5.3.1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。

按结构面切割的岩块大小，可将岩土体分成图5.3.2所示的几种类型。

整体状或巨块状 d > 1.0m 大块状 d = 0.4～1.0m 岩体 碎石块石状 d = 0.2～0.4m 碎石状 d < 0.2m 围岩 土石状 图5.3.2岩土体类型 图中d为裂隙间距。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。

松散状 土体 考虑到岩体的结构形态、岩块的大小、以及结构面的特征，隧道围岩分级采用的岩体构造特征及其分类如表5.3.1所示。表中简要地多各类岩体结构的工程地质进行评价。对土体的分类及其评价见表5.3.2。

表5.3.1岩体结构类型及其特征

类型 整体结构 砌体结构 构 压碎结构 块(石) 状态 间距[m) 1．0 0．4 0．4 0．2 大块状 多数＞结构面特征 性质 多为原生型 或构造型 以构造型为主 以构造型或 主 以风化型或 构造型为主 碎石状 多数＜张开程度 多密闭 延展不长 多密闭 部分微张 大部分微 分张开 张开 大充填 岩体完整性破坏较大，强度受水影响，岩体 稳定差 微张或部分为粘性断层及弱面控制，并易受地下 部分为粘性土充填 少有充填 － 岩体的整体强度较大，变形特征接近 于均质、弹性、各向同性体 同上，但要注意不利于岩体稳定的结 构面组合，如平缓节理 岩体在整体上强度仍高，但不连续性 较为显著，受过度震动易坍， 巨块状 多数＞充填情况 工程地质评价 松软状 镶嵌结碎(石)状 多数＜风化型为张或部 构 松软结构 角砾 － － － － － － － － 岩体强度遭到极大破坏，接近松散介 质，稳定性极差 同上，但粘土性成分较多，易于蠕动 松散结碎 石状 泥砂角砾状

表5.3.2土体类型及其评价

类型 普通土类 类 松软土软塑状粘性土 粘 性土，新黄土 砾石土 潮湿的粉细砂 粘性土 土体状态 非粘性土 工程地质评价 略具压密或成岩作用的粘略具压密或成岩作用的非粘性结构密实，具有一定土，泥质胶结的碎、卵石土，的结构强度，小跨度大块石或大漂石土 的 定 易蛹动，液体，土体稳定性最差 时土体稳定 强 硬士类 性土，老黄土 一般第四纪成因的可塑的一般第四纪成因的稍湿至潮湿结构中等密实，结构非粘性土、包括一般碎、卵、度较小，土体不够稳

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，且与其它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，水是造成施工坍方、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： a．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；

b．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；

c．在某些围岩中，如石膏、岩盐和蒙脱石为主的粘土岩中，遇水后产生膨胀，在未胶结或弱胶结的砂岩中可产生流砂和潜蚀。

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。

在围岩分级中，关于地下水影响的定量考虑可参考表5.3.3和表5.3.4。

表5.3.3地下水状态的分级

级别 III II I

表5.3.4地下水影响的修正

修正级别 地下水状态 III II I VI VI VI V V V IV IV

围岩的初应力状态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塑流的岩体等。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

围岩的基本分级 IV III（IV） III III III III（II） II II II I I I I － － － 状态 干燥或潮湿 偶有渗水 经常渗水 每10m的涌水量(l/min) ＜10 10～25 25～325 一步研究的问题。 5.3.2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0．4m～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，所作的分析和说明也仅是与其有关的一些方面。有关隧道围岩稳定性的详细讨论请参考有关专著。 思考题

1．围岩的初始应力场的基本概念，如何评价初始应力场？ 2．围岩完整性包括什么内容？在围岩分级中的作用？

3．决定隧道围岩稳定性的因素有哪些？如何认识这些因素的影响？ 4．为什么要进行围岩分级和怎样进行围岩分级？ 5．隧道各阶段围岩分级考虑的因素有哪些不同？