圍巖簡介

工程地質學中把重分布應力影響范圍內的巖體稱為圍巖。絕大部分為6r（r為洞室半徑 ）。

一、地質學名詞，相對于某種地殼物質周圍的巖石。常見的有巖漿的圍巖和礦體的圍巖。煤層圍巖指的是煤層周圍一定范圍內，對煤層的穩(wěn)定有影響的巖(土)體。

二、在巖石地下工程中，由于受開挖影響而發(fā)生應力狀態(tài)改變的周圍巖體。

圍巖是洞室四周圍繞的巖石，這個洞室可以是人工開鑿的（例如各種隧道、地下倉庫等等），也可以是天然形成的（例如山洞、溶洞等等）。

圍巖的工程性質，—般包括三個方面：物理性質、水理性質和力學性質。而對圍巖穩(wěn)定性最有影響的則是力學性質，即圍巖抵抗變形和破壞的性能。圍巖既可以是巖體、也可以是土體。

巖體是在漫長的地質歷史中，經過巖石建造、構造形變和次生蛻變而形成的地質體。它被許許多多不同方向、不同規(guī)模的斷層面、層理面、節(jié)理面和裂隙面等各種地質界面切割為大小不等，形狀各異的各種塊體。

工程地質學中將這些地質界面稱之為結構面或不連續(xù)面，將這些塊體稱之為結構體，并將巖體看作是由結構面和結構體組合而成的具有結構特征的地質體。

所以，巖體的力學性質性質主要取決于巖體的結構特征、結構體巖石的特征以及結構面的特性。

環(huán)境因素尤其是地下水和地溫對巖體的力學性質影響也很大。在眾多的因素中，哪個起主導作用需視具體條件而定。

隧道工程所賦存的地質環(huán)境的內涵很廣。包括地層特征，地下水狀況，開挖隧道前就存在于地層中的原始地應力狀態(tài)，以及地溫梯度等。

但對隧道工程來說，最關心的問題則是地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度。這是不言而喻的，因為地層穩(wěn)定就意味著開挖隧道所引起的地層向隧道內的變形很小，而且在較短的時間內就可基本停止，這對施工過程和支護結構都是非常有利的。

地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度稱為隧道圍巖的穩(wěn)定性，這是一個反映地質環(huán)境的綜合指標。

圍巖地質因素

圍巖在開挖隧道時的穩(wěn)定程度乃是巖體力學性質的一種表現(xiàn)形式。因此，影響巖體力學性質的各種因素在這里同樣起作用，只是各自的重要性有所不同。

1、巖體結構特征

巖體的結構特征是長時間地質構造運動的產物，是控制巖體破壞形態(tài)的關鍵。從穩(wěn)定性分類的角度來看，巖體的結構特征可以簡單地用巖體的破碎程度或完整性來表示。在某種程度上它反映了巖體受地質構造作用嚴重的程度。實踐證明，圍巖的破碎程度對坑道的穩(wěn)定與否起主導作用，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，坑道就愈容易失穩(wěn)。因此，在近代圍巖分類法中，都已將巖體的破碎或完整狀態(tài)作為分類的基本指標之一。

2、結構面性質和空間的組合

在塊狀或層狀結構的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是軟弱結構面的性質，以及它們在空間的組合狀態(tài)。對于隧道來說，圍巖中存在單一的軟弱面，一般并不會影響坑道的穩(wěn)定性。只有當結構面與隧道軸線相互關系不利時，或者出現(xiàn)兩組或兩組以上的結構面時，才能構成容易墮落的分離巖塊。例如有兩組平行但傾問相反的結構面和一組與之垂直或斜交的陡傾結構面，就可能構成屋脊形分離巖塊。至于分離巖塊是否會塌落或滑動，還與結構面的抗剪強度以及巖塊之間的相互聯(lián)鎖作用有關。

3、巖石的力學性質

在整體結構的巖體中，控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學性質，尤其是巖石的強度。一般來說，巖石強度越高坑道越穩(wěn)定。在圍巖分類中所說的巖石強度指標，都是指巖石的單軸飽和極限抗壓強度。因為這種強度的試驗方法簡便，數(shù)據(jù)離散性小，而且與其它物理力學指標有良好的換算關系。

4、圍巖的初始應力場

圍巖的初始應力場是隧道圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。

5、地下水狀況

隧道施工的實踐證明，地下水是造成施工坍方，使隧道圍巖喪失穩(wěn)定的最重要因素之—，因此，在圍巖分類中切不可忽視。

圍巖人為因素

施工等人為因素也是造成圍巖失穩(wěn)的重要條件。其中尤其以坑道的尺寸（主要指跨度）形狀以及施工中所采用的開挖方法等影響較為顯著。

1、坑道尺寸和形狀

實踐證明，在同—類圍巖中，坑道跨度愈大，坑道圍巖的穩(wěn)定性就愈差，因為巖體的破碎程度相對加大了。

2、 施工中所采用的開挖方法

從施工技術水平來看，開挖方法對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響較為明顯，在分類中必須予以考慮。例如，在同一類巖體中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用礦山法和采用掘進機法，采用全斷面一次開挖和采用小斷面分部開挖，對隧道圍巖的影響都各不相同。所以，大多數(shù)圍巖分類法都是建立在相應的施工方法的基礎上的。

圍巖分類原則

圍巖分類的原則有多種，它是在人們對隧道工程的不斷實踐和對圍巖的地質條件逐漸加深了解的基礎上發(fā)展起來的。不同的國家，不同的行業(yè)都根據(jù)各自的工程持點提出了各自的圍巖分類原則?，F(xiàn)行的許多圍巖分類方法中，作為分類的基本要素大致有三大類：

第Ⅰ類

與巖性有關的要素。例如分為硬巖、軟巖、膨脹性巖等，其分類指標是采用巖石強度和變形性質等，如巖石的單軸抗壓強度、巖石的變形模量或彈性波速度等。

第Ⅱ類

與地質構造有關的要素。如軟弱結構面的分布與性態(tài)、風化程度等。其分類指標采用巖石質量指標、地質因素評分法等等。這些指標實質上是對巖體完整性或結構狀態(tài)的評價。這類指標在劃分圍巖的類別中一般占有重要的地位。

第Ⅲ類

與地下水有關的要素。

圍巖分類方法

(一)以巖石強度或巖石的物性指標為代表的分類方法

1、以巖石強度為基礎的分類方法

這種圍巖分類單純以巖石的強度為依據(jù)，例如我國解放前及解放初期(如修建成渝線時)的土石分類法。即把巖石分為堅石、次堅石、松石及土四類。并設計出相應的四種隧道襯砌結構類型。

2、以巖石的物性指標為基礎的分類方法

在這種分類方法中，具有代表性的是前蘇聯(lián)普洛托季雅柯諾夫教授提出的“巖石堅固性系數(shù)”分類法(或稱“”值分類法，也叫普氏分類法)。它把圍巖分成10類。這種分類法曾在我國的隧道工程中得到廣泛的應用。

(二)以巖體構造、巖性特征為代表的分類方法

1、這種分類法以泰沙基分類法為代表

此法是在早期提出的，限于當時的條件僅把不同巖性、不同構造條件的圍巖分成九類，每類都有一個相應的地壓范圍值和支護措施。在考慮問題時是以坑道有水的條件為基礎的，當確認無水時，4～7類圍巖的地壓值應降低50%。這一分類方法曾長期被各國所采用，仍有廣泛的影響。

2、以巖體綜合物性為指標的分類方法

60年代我國在積累大量鐵路隧道修建經驗的基礎上，提出了以巖體綜合物性指標為基礎的“巖體綜合分類法”，并于1975年經修正后正式作為鐵路隧道圍巖分類方法，1986年再作修訂后列入我國現(xiàn)行的《鐵路隧道設計規(guī)范》。

(三)與地質勘探手段相聯(lián)系的分類方法

1、按彈性波(縱波)速度的分類方法

隨著工程地質勘探方法，尤其是物探方法的進展。1970年前后，日本提出了按圍巖彈性波速度進行分類的方法。圍巖彈性波速度是判斷巖性、巖體結構的綜合指標，它既可反映巖石軟硬，又可表明巖體結構的破碎程度。根據(jù)巖性、地質狀況及土壓狀態(tài)，將圍巖分成七類。我國從1986年起也開始將圍巖彈性波(縱波)速度引入我國分類法中。

2、以巖石質量為指標的分類方法

所謂巖石質量指標是指鉆探時巖芯的復原率，或稱巖芯采取率，這是美國伊利諾大學迪爾等人提出的，認為鉆探獲得的巖芯其完整程度與巖體的原始裂隙、硬度、均質性等狀態(tài)有關，因此可用巖芯復原率來表達巖體質量。

圍巖定義

指引起地下開挖空間周圍巖體和支護變形或破壞的作用力。它包括由地應力引起的圍巖力以及圍巖變形受阻而作用在支護結構上的作用。

圍巖產生背景

從廣義來理解，圍巖壓力既包括圍巖有支護的情況，也包括圍巖無支護的情況；既包括作用在普通傳統(tǒng)支護，也包括錨噴和壓力灌漿等現(xiàn)代支護的方法中所顯示的力學性質。

從狹義來理解，圍巖力是指圍巖作用在支護結構上的壓力。

人們從開挖洞穴后圍巖變形和坍塌，襯砌或支護產生變形和開裂等現(xiàn)象，逐步認識到圍巖壓力的存在。影響圍巖壓力的因素有：洞室形狀或大小、地質構造、支護型式和剛度、洞室埋深，以及時間因素和施工方法等。圍巖壓力的性質、大小和分布規(guī)律是正確進行隧道和洞室支護、結構設計和選擇施工方案的重要依據(jù)。

洞室開挖前，巖體處在相對靜止狀態(tài)，其中任何一點的巖土都受到周圍地層的擠壓，稱為初始應力狀態(tài)或一次應力狀態(tài)。它是由上覆地層自重、地殼運動的構造應力以及地下水流動等因素所決定的。

洞室開挖以后，解除了部分圍巖的約束，原始的應力平衡和穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，圍巖中出現(xiàn)了應力的重分布，進入二次應力狀態(tài)。圍巖向洞室內部空間變形，并力圖達到新的平衡。

圍巖應力狀態(tài)

由彈塑性理論和現(xiàn)場量測表明，隧道開挖后的圍巖應力狀態(tài)可概括為三個區(qū)域：

應力降低區(qū)

在松軟圍巖中，巖體的強度很小，不能承受開挖后急劇增大的洞室周邊應力而產生塑性變形，沿坑道周邊圍巖應力松弛而形成一個應力降低了的區(qū)域，高應力向圍巖深部轉移。

擾動了的巖體向坑道內變形，如果變形超過一定數(shù)值就會出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)和坍塌。

在堅硬而完整的圍巖中，由于巖體強度大，坑道周邊未達到開裂和坍塌，故無應力降低區(qū)，這種洞室往往是自穩(wěn)的。

應力升高區(qū)

圍巖深部應力升高的區(qū)域，但其強度尚未被破壞，相當于一個承載環(huán)?？拥郎戏叫纬沙休d拱，承受上覆地層的自重，并將荷載向兩側地層傳遞。此即圍巖的成拱作用。

初始應力區(qū)

距離坑道較遠的巖體所受開挖的影響較小，仍處于初始的一次應力狀態(tài)。

圍巖基本類型

松動壓力

由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結構上的壓力稱為松動壓力。松動壓力按作用在支護上的力的位置不同，分為豎向壓力和側向壓力。

形變壓力

圍巖變形受到支護約束而產生的壓力。除與圍巖應力有關外，還與支護時間及其剛度有關。柔性支護可產生一定位移而使形變壓力減小，宜大力推廣。但需及時設置襯砌，以免圍巖位移過大而形成松動壓力，不利于結構受力和正常施工。

按圍巖的本構特性(主要指巖土材料的應力-應變關系)和受力程度，可以有彈性、塑性和粘性等不同性質的形變壓力。

松動壓力和形變壓力經常同時存在。但以地質條件、支護類型和施工方法等不同而以某一種為主。

如在松散地層中采用現(xiàn)澆混凝土襯砌而回填不密實時，通常以松動壓力為主，及時作柔性的噴錨支護則以形變壓力為主。形變壓力常隨時間推移而逐漸加大，最終才趨于穩(wěn)定。

膨脹壓力

當巖體具有吸水、應力解除等膨脹性特征時，由于圍巖膨脹所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與變形壓力的基本區(qū)別在于它是有吸水、應力解除等膨脹引起的。

沖擊壓力

圍巖產生巖爆或瓦斯突發(fā)，在支護結構上產生的動壓力。其特點是沖擊地壓大小與巖爆規(guī)模、巖爆強烈程度和支護結構的剛度有關，另外沖擊壓力總體上是一種瞬間壓力。

圍巖理論發(fā)展

在20世紀20年代以前，主要是古典理論階段。認為作用在支護上的壓力是支護結構上方覆蓋巖層的全部重量，如海姆和蘭金理論。

其后，出現(xiàn)了各種散體理論，即認為使圍巖塌落拱以內的巖體重量作用于襯砌，如泰爾扎吉和普羅托季亞科諾夫理論。塌落拱的高度和洞室跨度及圍巖性質有關。當掘進和支護所需時間較長，支護與圍巖又不能緊密貼接，就會使圍巖最終有一部分破壞塌落而形成松動壓力。

50年代起，彈塑性理論被運用于隧道的計算，如芬納、卡斯特納公式等。同時，開始研究圍巖壓力和變形的時間效應。

60年代末，出現(xiàn)了考慮地下結構與地層相互作用的彈塑性理論。由于將圍巖與襯砌視為一個統(tǒng)一的結合整體，圍巖壓力不再單獨進行計算。

70年代以來，將工程地質和數(shù)學計算相結合，出現(xiàn)了研究塊狀和層狀巖體的塊體力學理論。

現(xiàn)行圍巖壓力理論包括：

巖土柱理論

開挖坑道以后，由于支護或拱圈向坑道內部位移，引起其頂部上覆巖土柱的下沉，兩側地層對柱體產生與下沉反向的摩擦力，故上覆巖層重量減去巖土柱兩側的摩擦力即為圍巖壓力。

中國鐵路部門的方法認為：拱頂土柱的下沉，將帶動兩側三棱體下滑，由三角楔體的平衡條件求出與土柱間的摩阻力，土柱重量減去此摩阻力即為土體豎直壓力。

該理論多用于淺埋隧道，但也可推廣用于深埋隧道。當隧道埋置極淺或遇軟土層時，土柱兩邊的摩阻力接近于零，故圍巖壓力直接為土柱全重。

壓力拱理論

對埋置較深的隧道，頂部巖體失去穩(wěn)定，產生坍塌而形成不延向地表的局部破裂區(qū)。該區(qū)內的巖體自重即洞室支護上的荷載。破裂區(qū)上部邊界線有拋物線、橢圓、半圓和三角形等不同假定，如科默雷爾巖體破碎理論等。

中國在50年代初期以來，曾廣泛采用普氏地壓理論。假定巖體為松散體，其壓力拱承受上覆土柱的全部均布重量，根據(jù)散粒材料不能承受拉應力，即彎矩為零的條件，得到拱形為拋物線，其矢高h=b/f(b為壓力拱跨度之半，f為巖層堅固系數(shù))。塌落拱巖體重量即為豎直地層壓力。

彈塑性理論

利用彈塑性理論可求出沿洞室周邊地層內產生塑性區(qū)的范圍。設置襯砌后，利用地下結構與地層的位移協(xié)調條件，可求得塑性區(qū)半徑和圍巖壓力值。

極限平衡理論

巖體內有各種各樣的結構面。開挖坑道后，洞周的圍巖出現(xiàn)與整個巖體相脫離的巖塊。它的自重對襯砌產生壓力。故用地質分析法時，需先查明斷層、節(jié)理和軟弱夾層的分布情況及其組合。自重減去結構面阻力即為地層壓力，必要時也可計及圍巖應力對地壓的影響，采用赤平極射投影方法，確定巖石塊體的空間位置和形狀。

當分離體由數(shù)組平行節(jié)理面組成時，可用裂隙巖石的極限平衡理論計算；當節(jié)理呈隨機分布時，可用塊體力學理論計算。

數(shù)值解法

除簡單邊界條件的圓形洞室有較嚴格的解析解以外，對其他斷面形狀的洞室可采用有限元法或其他數(shù)值方法計算彈性、彈塑性或粘彈與粘(彈)塑性的圍巖壓力值。

如已給出垂直壓力，則側向壓力可視具體情況采用主動、靜止和被動抗力等理論進行計算。如底部地層較差而承載力不好，處于極限狀態(tài)，產生塑流，巖土將向洞室底部隆起；或遇膨脹地層時，均需要考慮底部圍巖的隆起壓力。

由于地層初始壓力和巖土參數(shù)不易準確測定，上述各種地壓理論，實際應用時會受到一定限制，因此還較多地采用工程類比法。在對已建成洞室的圍巖壓力大小和分布規(guī)律觀察統(tǒng)計的基礎上，全面分析研究其影響因素，得出圍巖壓力的經驗公式，用以確定作用在襯砌上的圍巖壓力。

長期以來，人們都想通過量測作用在隧道上的圍巖壓力及圍巖和襯砌的變形，得出可靠的圍巖壓力分布和數(shù)值。近期興起的綜合量測方法，如以洞徑位移量測為主的收斂約束法，強調施工期間進行量測，并反饋信息而后修改原設計，稱為現(xiàn)場監(jiān)控法。

依靠實測來求得圍巖壓力值是當前的發(fā)展方向。圍巖壓力理論雖有很大的發(fā)展，但仍未臻完善。圍巖性質千變萬化，支護形式多種多樣，施工方法各不相同，故應綜合經驗、理論和實測的成果，針對不同情況，采用不同的理論和方法。2100433B

圍巖壓力直接量測法

直接量測法是指采用各種壓力盒量測圍巖作用在襯砌或支護結構上的接觸壓力的方法。這種方法是將壓力盒（或稱壓力傳感器）放置在襯砌或支護結構與圍巖之間，并緊密接觸，使二者之間的壓力直接由壓力盒反映出來。用于這種量測的壓力盒主要有電阻式、電容式、電壓式和振弦式等幾種。

圍巖壓力間接量測法

通過對襯砌或支護及圍巖的應力或應變的量測來推求圍巖壓力的方法稱為間接量測法。其中最為常用的方法是對圍巖變形（位移）的量測，在反演圍巖壓力的同時，用于評價圍巖的穩(wěn)定性以及確定圍巖松弛帶的范圍。 2100433B

圍巖壓力問題是與圍巖的穩(wěn)定性問題相關聯(lián)的，穩(wěn)定性越好的圍巖所產生的圍巖壓力就越小。因此，影響圍巖穩(wěn)定性的因素也就是影響圍巖壓力的因素。影響圍巖壓力的因素很多，通?？煞譃閮纱箢?。一類是地質因素，它包括原始應力狀態(tài)、巖石力學性質、巖體結構面等；另一類是工程因素，它包括施工方法、支護設置時間、支護本身剛度、坑道形狀等。

不論何種圍巖，在隧道開挖后的暴露時間均是越短越好?！靶聤W法”的原則中指出，隧道開挖后應盡快施作初期支護（噴錨支護），及時封閉圍巖，防止圍巖的松動、風化，也防止圍巖強度的喪失。然后通過監(jiān)控量測掌握圍巖的收斂變形動態(tài)規(guī)律，當圍巖的變形基本穩(wěn)定后再施作永久性襯砌。應該指出，這一原則是建立在圍巖具有良好的自穩(wěn)性能的基礎上的，如果圍巖不具有良好的自穩(wěn)性能，將會由變形而出現(xiàn)塑性破壞，這種情況下不能僅依靠初期支護來維持圍巖的穩(wěn)定，而必須及時施作永久性襯砌，給圍巖提供所需的支護力，有效地阻止圍巖變形的發(fā)展，防止圍巖的松動坍塌而形成的松動壓力對支護的作用。因此，支護的是否及時就成為了圍巖壓力性質及大小的一個關鍵性的重要因素。

圍巖壓力的確定方法一般有：現(xiàn)場量測法、理論計算法、統(tǒng)計法等。量測法是運用儀器實地量測圍巖壓力的大小，應該說是最具有說服力。但因量測技術手段方面的因素影響，量測的結果往往不能充分反映真實情況。理論計算是在對洞室圍巖及地質環(huán)境作一些簡化假設的條件下運用一些成熟的計算理論對圍巖壓力進行計算，但由于圍巖的地質條件復雜多變，計算時所用的各種參數(shù)難免與實際不符，因此現(xiàn)階段理論計算方法往往還需要配合其它方法進行驗證和校核。通過對實際工程的圍巖壓力值的統(tǒng)計分析而形成的經驗計算方法，因具有簡單、可靠等特點而被廣泛應用。在實際工程中往往采用上述幾種方法互相驗證。