淺談破碎圍巖的穩定性

摘要：破碎巖體是隧道工程常見的巖體類型，其整體強度低，自穩能力差，隧道開挖后自穩時間較短，易出現剝落破壞，造成安全事故。在此類巖體中開挖隧道難度很大，支護技術以及維持該類圍巖的穩定性一直是研究的重點問題，文章主要對破碎圍巖的穩定性進行分析。

關鍵詞：破碎圍巖；隧道；初始應力狀態；巖體及結構；穩定性

中圖分類號：U455.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937(2011)24-0135-01

破碎圍巖是隧道工程中常見的一種圍巖，在圍巖類型劃分中屬于穩定性較差的Ⅲ、Ⅳ、V級圍巖。此類圍巖穩定較差，特別是拱部的圍巖，在隧道開挖失去支承后極易出現滑落現象，由于圍巖自穩時間很短，往往來不及完成臨時支護。所以保證破碎圍巖的穩定性是相當重要的。

巖體的破碎程度有兩個含義，一是構成巖體的巖塊大小，二是這些巖塊的組合形態。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。后者主要考慮了構成巖體的完整狀態的各種巖塊的組合比例。

影響隧道圍巖穩定性的地質環境因素大體上可分為兩大類：一類是客觀存在的地質環境因素(內在因素)；一類是人為的主觀因素(外部環境因素)。內在因素主要有圍巖初始應力場狀態、圍巖的巖性及結構和地下水狀態等。外部環境因素主要有施工方法、隧道的形狀和尺寸以及隧道的埋深等。

文章主要討論圍巖的初始應力狀態、圍巖的巖性及結構對其穩定性的影響以及有利于破碎圍巖穩定的施工方法。

1 圍巖初始應力狀態

隧道開挖后圍巖發生松弛破壞是一個動態的變化過程，只要洞壁各點的應力均未超過能夠導致巖體破壞的臨界值，那么圍巖就能保持完好；反之，任何圍巖的破壞必先從隧道內部墻面開始。從而可以看出，隧道周邊應力的集中規律和特點對評價圍巖的穩定性有著十分重要的意義。

現有的研究成果表明：構造應力場是普遍存在的而且是不均勻的，大量的實踐資料證明，大多數地區的巖體的天然應力狀態有兩種，一種是水平應力，另一種是垂直應力，但主要是以前者為主。與重力應力場有很大不同，它的參數不是固定的，而是處于變化中，一般是從空間和時間上的變化較大。除此之外，變化幅度大的還有主應力軸的方向和絕對值。巖體天然應力的形成不是隨機的，存在一些內在原因。它是巖體的自重應力、構造應力、變異及殘余應力三者相互作用而成。一般情況下，讓隧道軸向與水平主應力形成垂直狀態可以改善隧道周邊的應力狀態。遇特殊情況，水平應力很大時，則隧道方向最好與之平行以保證邊墻的穩定性。地質構造形態不僅改變了重力應力場，而且除了以各種構造形態獲得釋放外，還以各種能量形式積聚在巖體內，這種殘余構造應力將對某些隧道工程產生重大的影響。

2 圍巖的巖性及結構

巖土體在地質構造的作用下，會產生各種結構面、斷裂、形變、錯動等使其破碎，在不同程度上喪失了其原有的完整狀態。因此，結構狀態的完整程度對隧道圍巖的穩定與否，起著相當重要的作用。從巖體的結構角度，可將巖體結構劃分為整體塊狀結構(整體結構和塊狀結構)、層狀結構(薄層狀結構和厚層狀結構)、碎裂結構(構鑲嵌結構和層狀碎裂結構)、散體結構(破碎結構和松散結構)。軟弱夾層對圍巖穩定性的影響主要取決于它的性狀和分布。一般認為軟弱夾層的粗細顆粒含量、礦物成分、易溶鹽、含水量和有機質等的含量是決定其性質的主要因素，對不同類型的軟弱夾層，這些因素是不大相同的。由于軟弱夾層的抗強度較低，故它不利與隧道圍巖的穩定。而圍巖可分為脆性圍巖和塑性圍巖兩大類。脆性圍巖主要指各類堅硬及半堅硬巖體。巖石自身的特性對結構面有直接影響，巖石帶有一些自身的特點，這些特點決定了結構面穩定情況。所以結構面強度要看巖體本身的情況。塑性圍巖大部分有很相似的特點，大多具有遇水易于軟化、力學強度低、風化速度快、膨脹或崩解等不良性質。在此類圍巖中，穩定性最差的是碎裂結構，第二是薄層狀結構，厚層狀及塊體狀巖體是穩定性最高的。如果隧道圍巖沒有損壞，結構完好，那么，隧道開挖后，圍巖產生的二次應力一般不會使巖體發生破壞，即使發生破壞，變形的量值也是較少的。

3 破碎圍巖施工方法

在破碎圍巖的隧道施工中要注意以下觀念：依據隧道結構和開挖的自穩性，選擇一個合理的施工方案。這就可以預防出現塌方和各種病害，安全優質地建成隧道；設計和施工是一個整體，所以在施工過程中，我們一定要選擇合理的施工方法。

實踐表明通過對破碎圍巖施加強預支護，圍巖在發生位移之前就受到限制，開挖暴露出的圍巖是經過改造強化的巖體，所以圍巖自承能力得到了提高，在一定時間內實現了自穩的效果，為進一步施工創造了有利條件。其中強行預支護結構中的小導管、錨桿、插板、管棚等金屬構件與四周的巖土體或注漿體共同組成沿隧道縱向的整體構件，在斷面內各構件組成拱形的連續殼體，殼體承擔上方破碎圍巖的自重，起到支護作用。但是破碎圍巖的強預支護還應注意一些問題：對于堆積碎石土、地下水活動較強且節理裂隙較發育的巖體，不宜直接使用錨噴支護，而應把超前小鋼管加注漿或鋼插板作為縱向預支撐，鋼拱架作為環向支撐，這樣一來結構的整體剛度較大，有利于限制圍巖的不理變形。對于穩定性極差的破碎圍巖，宜使用分步開挖，并制定合理的開挖與支護順序，其施工順序一般為：洞身開挖一初噴一錨桿施作一掛鋼筋網一噴射混凝土。加強圍巖初期形變增強了圍巖的自承能力，確定圍巖的初期支護結構級順序亦是相當重要的。

另外隧道圍巖分級的是對隧道開挖后，圍巖作用在隧道支護上的壓力，是隧道支撐或襯砌結構的主要荷載之一。其性質、大小、方向以及發生和發展的規律，這為保證正確的隧道設計做了提前工作，對后期的施工也有很大影響。隧道工程實踐前做一些相關的準備工作是工程順利完成的前提。如：圍巖穩定程度的分級和評價構成圍巖分級等。圍巖分級可以作為施工方法的重依據；進行科學管理及正確評價經濟效益等。在圍巖分級時，主要考慮影響圍巖穩定性的因素或其組合因素。在歸納、統計分析類似地質條件的基礎，通過定量和定性確定影響隧道圍巖穩定性的因素，就得到隧道圍巖的分級。

最后不論是選擇隧道位置，還是對隧道進行襯砌、考慮隧道的施工方法以及對隧道圍巖穩定性進行維護，必須考慮巖體結構、巖石的性質、巖體結構、地下構造、天然應力狀態、地下水以及施工方法、隧道的埋深以及隧道的形狀和尺寸等這些自然因素對隧道圍巖穩定性的影響。