圍巖失穩及其影響因素初步探討

陳欣 姚延化

摘要：隧道及地下工程設計與施工技術的發展，對隧道工程理論和實驗的研究提出了新的挑戰，許多學者對隧道硐室的圍巖穩定做了大量的工作，并對影響圍巖穩定性的因素、圍巖強度判據和圍巖失穩的力學機理進行了分析，取得了許多成果。

關鍵詞 隧道硐室 穩定性 強度判據 圍巖失穩

一、隧道圍巖失穩形式

周圍巖體作用于隧道或地下硐室襯砌或支護上的荷載，稱為地層壓力。地層壓力產生效應，使圍巖及硐室支護失穩破壞，這就是隧道及地下硐室圍巖破壞的起因。人們通過對開挖后或者襯砌與支護后硐室圍巖的變形與破壞，開始認識到地層壓力，目前的研究與實踐表明，隧道開挖后，應力狀態可分為三個區域，即應力降低區、應力升高區、初始應力區。圍巖壓力類型則一般分為松動壓力、形變壓力、膨脹壓力、沖擊壓力四種。

工程實際中，由于地質結構的不同，隧道破壞的類型也不近相同，但地下硐室圍巖的破壞類型一般分為以下幾種：

（1）圍巖的局部坍塌。這種破壞大多在硐室的拱部發生，在硐室的側壁也會偶爾出現，對于大塊律巖體，因為結構面切割巖體后產生了許多形狀各異不穩定結構體，而硐室在開挖后，這些結構體之間的摩擦力朝洞內滑移，使圍巖坍塌。此類坍塌的規模一般比較小，高度一般在0.5米至2.5米，在2類及2類以上的硬巖中容易出現.

（1）圍巖的拱形塌方。這類破壞形式一般在層狀巖體或碎塊狀巖體等節理巖體中發生。它分二類：―類是在硐室截面范圍之內，只是在拱部出現；另一類是擴大形的拱形塌方，塌方在側壁等位置也會出現。此類塌方大多在2類以下的軟弱地層中出現。

（2）圍巖的異形破壞。異形破壞是由于硐室圍巖存在溶洞、陷穴、淺埋、偏壓等工程地質缺陷而產生的。在有上述特殊工程地質條件下的巖體中進行隧道施工時，應查明上述工程地質規模和對隧道的影響。

（3）膨脹巖硐室破壞。產生此類塌方的主要原因是由于膨脹壓力很高，作用于硐室支護上，使圍巖的穩定性和強度受到損失。

（3）大變形失穩和巖爆。巖爆是高地應力地區硐室中圍巖彈性變形勢能突然猛烈釋放造成的巖體爆裂并彈射出來的現象。巖爆一般發生在有較大埋深硬脆巖體區，巖爆危害較大，嚴重威脅施工人員與施工設備的安全。巖爆產生的巖體結構為塊狀巖體，與斷層、節理構造密切相關，軟弱結構面不發育。

二、圍巖穩定性判據

圍巖的穩定性研究一直是研究隧道工程的熱門問題，也是研究隧道等地下工程無法規避的一個問題。但是圍巖穩定的判據到目前為止，仍然沒有一個統一的標準，這主要因為在實際工程中所面對的情況太復雜了。通過大量的總結工作，當前的圍巖穩定性判據一般分為以下三種：

（1）圍巖強度判據：圍巖強度判據是以巖石強度理論理論為基礎建立的，如Drucker-Prager和Mohr-Coulomb準則等，從力學觀點看，圍巖喪失穩定就是其中應力達到或超過巖體強度的范圍比較大，最后形成一個連續貫通的塑性區和滑裂面，因此，圍巖穩定性評價實質上就是巖體應力和變形的分析。

（2）圍巖極限應變判據：巖體處于破壞極限時的應變稱為極限應變，極限應變一般要由巖石的室內單軸壓縮試驗才能得到，許多試驗也表明，室內試驗和原位試驗的結果比較符合。雖然巖石的極限應變可以通過室內試驗確定確定，但是在工程實際中如何確定卻是一件很困難的事。所以圍巖極限應變判據在工程實際中難以實施。

（3）圍巖向洞內收斂位移判據：巷道圍巖周邊各點趨向于巷道中心的變形稱為收斂，隧道收斂位移是指周邊各點趨向于巷道中心的位移量。

三、隧道圍巖穩定性影響因素

很多因素對圍巖的穩定性產生影響，但是從性質上來說，一般分為兩大類：第一類為客觀存在的地質環境因素，如巖石的物理力學性質、巖體的結構與構造、地下水、巖體的天然應力狀態等，它們決定了圍巖的質量；第二類則屬于工程活動的人為因素，如隧道的形狀、尺寸、施工方法、支護措施等。

（1）巖體的結構特征

巖體的結構對圍巖的穩定具有重大的影響，通過對圍巖強度產生作用而使圍巖的穩定狀態受到影響。可以通過圍巖的完整程度上來判斷圍巖的穩定狀況，假如圍巖較為完整，在隧道開挖后，當地應力較小時，應力重分布產生的作用一般不會使巖體破壞，即使巖體遭到破壞，所產生的破壞變形也較小。

（2）地下水的作用

圍巖巖體中地下水賦存條件與活動狀況，不管是對應力狀態還是圍巖強度，都有較大影響，從而影響險道圍巖的穩定性。按照巖體中含水量的不同，可分為三級，即干燥、有滲水、潮濕，如表。大量的工程實踐證明，水是影響隧道圍巖穩定性的一個重要原因。地下水對圍巖的影響一般有四個方面。1、靜水壓力作用，靜水壓力使圍巖增加了額外的外在荷載，使作用于硐室圍巖的荷載增加，對圍巖穩定不利。2、動水壓力作用，水流的流動帶走了部分較小的巖土，從而破壞了巖石的整體穩定性。、潤滑作用，地下水的作用，使巖體不連續面上產生潤滑作用，從而導致摩擦阻力減小，即抗剪強度降低，巖體更易被破壞。3、軟化作用，地下水的作用，使巖體的含水量增加，從而影響了巖體的強度性質，使巖體強度降低，增大了圍巖的塑性變形或破壞區域的范圍。

（3）隧道形狀和埋深

隧道的截面形狀和尺寸對隧道圍巖穩定具有重大影響，主要體現在對圍巖應力重分布的影響上。許多理論與實踐證明，隧道的截面形狀和尺寸，尤其是隧道的跨度，對開挖過程中的應力重分布具有顯著的作用，在巖體性質與結構較為相似時，開挖跨度愈大，穩定性就愈差。把未幵挖前的巖體作為一個整體來看，開挖的跨度越大，巖體的破壞程度越高，從而導致穩定性越差。此外增加硐室的高度時，硐室兩邊的穩定性將受到影響。隧道的截面形狀對隧道周邊的應力集中程度有重要影響。對于圓形或者橢圓形隧道，室周邊上可能出現的最大拉應力或最大壓應力的部位在巖體內初始最大主應力軸和最小主應力軸與周邊垂直相交的，兩點，這兩點之間所產生的應力值介于兩個極值之間，并逐漸過渡。埋深對隧道穩定性的影響主要體現在增加圍巖的初始地應力方面，深埋硐室導致高地應力，從而使圍巖的穩定性降低，可能使硐室周邊產生很大的塑性區域，并加大破壞程度。

參考文獻：

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