淺談水利工程山巖壓力與洞室圍巖的穩定性

□ 張智勇 張美紅

在巖體內開挖洞室以后，巖體的原始平衡狀態被破壞，發生應力重分布。隨著應力的重分布，圍巖不斷變形并向著洞室逐漸位移。一些強度較低的巖石由于應力達到強度的極限值而可能破壞，產生裂縫或剪切位移，破壞了的巖石在重力作用下甚至大量塌落，造成所謂“冒頂”現象，特別是節理、裂隙等軟弱結構面發育的巖石更為顯著。為了保證圍巖的穩定以及地下洞室結構的安全，常常必須在洞室中進行必要的支護與襯砌。當然，實踐中并不是所有的洞室都要支護與襯砌，有些情況，特別是巖石較好、地質條件簡單的情況下可不需進行支護與襯砌；而另一些情況是非進行支護與襯砌不可的。因此，在進行地下洞室設計和施工時，工程技術人員和地質人員必須進行圍巖的穩定分析和計算。由于支護與襯砌的目的是防止巖石塌落和變形，所以支護和襯砌上必然要受到巖石的壓力。在水工建設中，把由于洞室圍巖變形和破壞作用在支護或初砌上的壓力，稱為山巖壓力，有的稱為“地層壓力”、“圍巖壓力”、“地壓”、“巖石壓力”。

由于山巖壓力是作用在支護或襯砌上的重要荷載，如果對山巖壓力沒有正確的估計，也就不可能合理地設計支護和襯砌的尺寸。正確決定山巖壓力的大小，探求其變化規律和特點，對于地下工程、水工隧洞、采礦、交通隧道、戰備工程等工程建設都具有重要的意義。例如，若設計支護和襯砌時考慮的山巖壓力值遠遠大于實際所產生的數值，則設計出來的支護或襯砌的尺寸必然過大，這就浪費了國家建設極為寶貴的木材、水泥及鋼材，也浪費了人力。反之，所考慮的山巖壓力過小，所設計的支護或襯砌的尺寸太小，不能負擔實際產生的山巖壓力，支護或襯砌被破壞，這不僅會使所建造的地下工程不能應用，而且還會造成工傷事故。

多年來，各國巖石力學工作者對于山巖壓力的計算進行了一系列的研究，建立了各種理論。但盡管如此，到目前為止這一問題還是沒有得到圓滿的解決。這是因為山巖壓力不僅與巖石性質和洞室形狀有關，而且還與巖體的初始天然應力狀態、襯砌或支護的剛度和施工的快慢有關。確定山巖壓力的大小和方向是一個極為復雜的問題。

一、山巖壓力的形成

假設圍巖沒有受到其他洞室的影響，并且開挖爆破過程中沒有受到破壞，則洞室周圍的山巖壓力隨著時間的發展可分為三個階段：

在第一階段內，由于巖體的變形，在洞室的周界上產生一般的擠壓，同時，在兩側的巖石因剪切破壞而形成了楔形巖塊，這兩個楔形巖塊就有朝著洞室內部移動的趨向。

在第二階段內，側向楔形體發生某種變形以后，巖體內形成了一個橢圓形的高壓力區，在橢圓曲線與洞室周界線間的巖體發生了松動。

在第三階段，洞頂和洞底的松動巖體開始變形，并向著洞內移動，洞頂松動巖石在重力作用下有掉落的趨勢，山巖壓力逐漸增加。

從山巖壓力的形成機理可見，山巖壓力的形成是與洞室開挖后巖體的變形、松動和破壞分不開的。通常將由于巖體變形而對支護或襯砌給予的壓力稱為變形壓力；將巖體破壞和松動對支護或襯砌造成的壓力稱為松動壓力。變形量的大小以及破壞程度的強弱就決定著山巖壓力的大小。在不同性質的巖石中，由于它們的變形和破壞性質不同，所以產生山巖壓力的主導因素也就不同。通常有以下三種情況。

（一）在整體性良好、裂隙節理不發育的堅硬巖石中，洞室圍巖的應力一般總是小于巖石強度。因此，巖石只有彈性變形而無塑性變形，巖石沒有破壞和松動。由于彈性變形在開挖過程中就已產生，開挖結束，彈性變形也就完成，洞室外不會坍落。如果在開挖完成后進行支護或襯砌，則說明支護上沒有山巖壓力。在這種巖石中的洞室支護主要用來防止巖石的風化以及剝落碎塊的掉落。

（二）在中等質量的巖石中，洞室圍巖的變形較大，不僅有彈性變形，而且還有塑性變形和少量巖石破碎。由于洞室圍巖的應力重分布需要一定的時間，所以在進行支護或襯砌以后圍巖的變形受到支護或襯砌的約束，于是就產生山巖壓力。因此支護的澆筑時間和結構剛度對山巖壓力影響較大。在這類巖石中，山巖壓力主要是由較大的變形所引起，巖石的松動坍落甚小，這類巖石中主要是產生“變形壓力”。

（三）在破碎和軟弱巖石中，由于裂隙縱橫切割，巖體強度很低，圍巖應力超過巖體強度很多。在這類巖石中，坍落和松動是產生山巖壓力的主要因素，而松動壓力是主要的山巖壓力。當沒有支護或襯砌時，巖石的破壞范圍可能逐漸擴大發展，故需要立即進行支護或襯砌，支護或襯砌的作用主要是支承坍落巖塊的重量，并阻止巖體繼續變形、松動和破壞。

二、影響山巖壓力的因素

（一）洞室的形狀和大小。洞室的形狀對于圍巖應力分布會產生影響，同樣，洞室的形狀對山巖壓力的大小也有影響。一般而言，圓形、橢圓形和拱形洞室的應力集中程度較小，破壞也少，巖石比較穩定，山巖壓力也就較小。矩形斷面的洞室的應力集中程度較大，尤以轉角處最大，因而山巖壓力比其他形狀的山巖壓力要大些。

從前面的介紹中知道，當洞室的形狀相同時，圍巖應力與洞室的尺寸無關，即與洞室的跨度無關。但是山巖壓力一般是與洞室的跨度有關的，它可以隨著跨度的增加而增大。目前，從有些山巖壓力公式中就可以看出壓力是隨著跨度成正比增加的。但是根據經驗，這種正比關系只對跨度不大的洞室適用。對于跨度很大的洞室，由于往往容易發生局部坍塌和不對稱的壓力，山巖壓力與跨度之間不一定成正比關系。根據我國鐵路隧道的調查，人為單線隧道與雙線隧道的跨度相差為80%，而山巖壓力與跨度成正比的關系會造成襯砌過厚的浪費現象。

（二）地質構造。地質構造對于圍巖的穩定性及山巖壓力的大小有著重要影響。目前，有關圍巖分類和山巖壓力的經驗公式大都是建立在這一基礎上的，地質構造簡單，地層完整，無軟弱結構面，圍巖就穩定，山巖壓力也就小。反之，地質構造復雜，地層不完整，有軟弱結構面，圍巖就不穩定，山巖壓力也就大。在斷層破碎帶、褶皺破壞帶和裂隙發育的地段，山巖壓力一般都較大，因為這些地質的洞室開挖過程中常常會有大量的較大范圍的崩坍，造成較大的松動壓力。另外，如果巖層傾斜、節理不對稱以及地形傾斜，都能引起不對稱的山巖壓力。在估計山巖壓力的大小時，應當特別重視地質構造的影響。

（三）支護的形式和剛度。山巖壓力有松動壓力和變形壓力之分。當松動壓力作用時，支護的作用就是承受松動巖體或塌落巖體的重量，支護主要起承載作用。當變形壓力作用時，它的作用主要是限制圍巖的變形，以維持圍巖的穩定，也就是說支護主要起約束作用。在一般情況下，支護可能同時具有上述兩種作用。目前采用的支護可分為兩類，一類叫做外部支護，也稱普通支護或老式支護。這種支護作用在圍巖的外部，依靠支護結構的承載能力來承受山巖壓力。在與巖石緊密接合或者回填密實的情況下，這種支護也能起到限制圍巖變形、維持圍巖穩定的作用。另一類是近代發展起來的支護形式，叫做內承支護或自承支護，它是通過化學灌漿或水泥灌漿、錨桿支護、預應力錨桿支護和噴混凝土支護等方式，加固圍巖，使圍巖處于穩定狀態。這種支護的特點是依靠增加圍巖的自承作用來穩固洞室，比較經濟實用。

支護的剛度和支護時間的早晚都對山巖壓力有較大的影響。支護的剛度愈大，則允許的變形就愈小，山巖壓力就愈大；反之則山巖壓力愈小。洞室開挖后，圍巖會產生變形。根據研究，在一定的變形范圍內，支護上的山巖壓力是隨著支護以前圍巖的變形增加而減少的。目前常常采用薄層混凝土支護或具有一定柔性的外部支護。這兩種支護都能夠充分利用圍巖的自承能力，以達到減少支護上的山巖壓力的目的。

（四）洞室深度。洞室深度與山巖壓力的關系目前仍有各種說法。在有些公式中山巖壓力與深度無關，有些公式中山巖壓力與深度有關。一般說來，當圍巖處于彈性狀態時，山巖壓力不應當與洞室的埋深有關。但當圍巖中出現塑性區時，洞室的埋置深度應當對山巖壓力有影響。這是由于埋置深度對圍巖的應力分布有影響，同時對初始側壓力系數K0也有影響，從而對塑性區的形狀和大小以及山巖壓力的大小均有影響。研究表明，當圍巖通常處于高壓塑性狀態時，洞室埋置愈深，山巖壓力也就愈大。深洞室的圍巖通常處于高壓塑性狀態，所以它的山巖壓力隨著深度的增加而增加，在這種情況下宜采用柔性較大的支護，以發揮圍巖的自承作用，降低山巖壓力。

（五）時間。由于山巖壓力主要是由于巖體的變形和破壞而造成的，而巖體的變形和破壞都有一個時間過程，所以山巖壓力一般都與時間有關。

（六）施工方法。山巖壓力的大小與洞室的施工方法和施工速度也有較大關系。施工方法主要是指掘進的方法。在巖體較差的地層中，如采用鉆眼爆破，尤其是放大炮，或采用高強度的炸藥，都會引起圍巖的破碎而增加山巖壓力。用鑿巖機掘進，光面爆破，減少超挖量，采用合理的施工方法可以降低山巖壓力。在易風化的巖層中，需加快施工速度和迅速進行襯砌，以便盡可能地減少這些地層與水的接觸，減輕它們的風化過程，避免山巖壓力增長。