第八章自围岩压力隧洞开挖后，围岩应力若超过了岩体的强度，隧洞周围将会出现一定范围的破坏区。破坏区内岩体不仅变形大，而且比较破碎，自身的稳定性大大降低，因此必须借助人工的力量使其稳定，即进行必要的支护，否则，隧洞将会发生塌方或产生很大的变形，影响隧洞的正常使用。开挖后，洞壁围岩的应力状态由三维应力状态变成了二维应力状态，使应力莫尔圆变大，稳定性降低。支护使围岩的应力状态又重新恢复到三维应力状态，莫尔圆减小，所以提高了围岩的稳定性。隧洞支护的目的主要是为了保持围岩的稳定和减小围岩的变形，以充分发挥岩体自身的支撑能力。然而地下工程支护结构处于周围围岩的约束之下，它不同于一般的建筑结构，因此进行支护结构设计时，必须考虑支护与围岩的相互作用问题。8.1围岩与支护的相互作用现以图8-1为例加以说明，此图表示用钻爆法全断面掘进的一条隧道，在每次出碴循环结束后立即架设钢支架。设原岩水平应力与垂直应力相等，数值为P。。第1步隧道掘进面尚未达到预定的研究断面，即X-X断面。图中，虚线表示该道的设计断面形状，可见，设计断面内所包含的岩体与巷道围岩处于平衡状态。此时，作用在设计整个边界上支护围岩的内压力等于原岩应力Po，用图中的点A表示。第2步掘进面往前推进，越过X-X剖面，此时，原来的内压力降为零。然而隧道并不垮塌，其原因是：由于掘进面靠近，它产生很大的约束力限制了隧道的径向变形，如果没有工作面提供的这种限制，则需要一个内支撑压力（此压力在图中曲线上由B点及C点给出），以将径向变形u限制为与有工作面时一样的值。必须指出，限制顶板变形所需的支护压力要大于限制侧帮变形所需的压力值，因为要限制应力引起的顶板位移，必须在支护压力上加上隧道顶板松动区的岩石重量。第3步出碴循环已告结束，并紧靠掘进面架设了钢支架。在这一阶段，因为隧道尚未产生进一步的变形，故支架并不受力，隧道的径向变形仍可用点B和点C确定之。第4步掘进面已推进到X-X部面约1.5倍隧道直径以远处，此时由掘进面附近产生的约束力对X-X剖面的影响已大为减弱。于是，引起了顶板和侧帮的进一步变形隧道向内的径向变形或收敛使支护系统受力，这时支架的作用类似一刚性弹簧，洞周围岩的位移受到支护约束，而支护也受到围岩挤压而受力，并与围岩共同变形。随着巷道径向变形的增加，加有背板的金属支架所提供的支护压力也相应加大。第5步掘进面已离X-X剖面相当远，使得该面的约束力对X-X剖面的岩体毫无189
189 第八章 围岩压力 隧洞开挖后，围岩应力若超过了岩体的强度，隧洞周围将会出现一定范围的破坏区。 破坏区内岩体不仅变形大，而且比较破碎，自身的稳定性大大降低，因此必须借助人工 的力量使其稳定，即进行必要的支护，否则，隧洞将会发生塌方或产生很大的变形，影 响隧洞的正常使用。 开挖后，洞壁围岩的应力状态由三维应力状态变成了二维应力状态，使应力莫尔圆 变大，稳定性降低。支护使围岩的应力状态又重新恢复到三维应力状态，莫尔圆减小， 所以提高了围岩的稳定性。 隧洞支护的目的主要是为了保持围岩的稳定和减小围岩的变形，以充分发挥岩体自 身的支撑能力。然而地下工程支护结构处于周围围岩的约束之下，它不同于一般的建筑 结构，因此进行支护结构设计时，必须考虑支护与围岩的相互作用问题。 8.1 围岩与支护的相互作用 现以图 8-1 为例加以说明，此图表示用钻爆法全断面掘进的一条隧道，在每次出碴 循环结束后立即架设钢支架。设原岩水平应力与垂直应力相等，数值为 0 p 。 第 1 步 隧道掘进面尚未达到预定的研究断面，即 X-X 断面。图中，虚线表示该 巷道的设计断面形状，可见，设计断面内所包含的岩体与巷道围岩处于平衡状态。此时， 作用在设计整个边界上支护围岩的内压力等于原岩应力 0 p ，用图中的点 A 表示。 第 2 步 掘进面往前推进，越过 X-X 剖面，此时，原来的内压力降为零。然而， 隧道并不垮塌，其原因是：由于掘进面靠近，它产生很大的约束力限制了隧道的径向变 形，如果没有工作面提供的这种限制，则需要一个内支撑压力（此压力在图中曲线上由 B 点及 C 点给出），以将径向变形 u 限制为与有工作面时一样的值。必须指出，限制顶 板变形所需的支护压力要大于限制侧帮变形所需的压力值，因为要限制应力引起的顶板 位移，必须在支护压力上加上隧道顶板松动区的岩石重量。 第 3 步 出碴循环已告结束，并紧靠掘进面架设了钢支架。在这一阶段，因为隧道 尚未产生进一步的变形，故支架并不受力，隧道的径向变形仍可用点 B 和点 C 确定之。 第 4 步 掘进面已推进到 X-X 剖面约 1.5 倍隧道直径以远处，此时由掘进面附近 产生的约束力对 X-X 剖面的影响已大为减弱。于是，引起了顶板和侧帮的进一步变形， 隧道向内的径向变形或收敛使支护系统受力，这时支架的作用类似一刚性弹簧，洞周围 岩的位移受到支护约束，而支护也受到围岩挤压而受力，并与围岩共同变形。随着巷道 径向变形的增加，加有背板的金属支架所提供的支护压力也相应加大。 第 5 步 掘进面已离 X-X 剖面相当远，使得该面的约束力对 X-X 剖面的岩体毫无
影响。若未曾架设支架，则巷道的径向变形势必按图中的虚线EG和FH的形式增加。对侧帮而言，限制继续变形所需的压力减为零，如点G所示。此时侧帮会是稳定的因为已不存在引起进一步变形的残余主动力。反之，限制顶板变形所需的支护力先减到最低限度，接着又重新增加，这是因为顶板松动区岩石的下沉引起上部岩石松动，而新产生的岩石重量势必加到原有的支护压力上。在本例中，如果巷道未曾支护，那么顶板就会冒落。JCX-X削面径向变形开挖断画4线卵性变形实际断面潮馨照洲车岸路6装护压力港道国岩破坏起点护反大卷道顶板的款荷一变形曲线茶老道划帮的软荐一变形曲线径尚变形图8-1围岩特性曲线、支护特性曲线、围岩与支护相互作用原理如图所示，加背板的钢支架的支护反力曲线与隧道侧帮和顶板的载荷一一变形曲线交于点E和F。在此两点上，限制侧帮和顶板进一步变形所需的支护压力恰好与钢支架190
190 图 8-1 围岩特性曲线、支护特性曲线、围岩与支护相互作用原理 影响。若未曾架设支架，则巷道的径向变形势必按图中的虚线 EG 和 FH 的形式增加。 对侧帮而言，限制继续变形所需的压力减为零，如点 G 所示。此时侧帮会是稳定的， 因为已不存在引起进一步变形的残余主动力。反之，限制顶板变形所需的支护力先减到 最低限度，接着又重新增加，这是因为顶板松动区岩石的下沉引起上部岩石松动，而新 产生的岩石重量势必加到原有的支护压力上。在本例中，如果巷道未曾支护，那么顶板 就会冒落。 如图所示，加背板的钢支架的支护反力曲线与隧道侧帮和顶板的载荷——变形曲线 交于点 E 和 F。在此两点上，限制侧帮和顶板进一步变形所需的支护压力恰好与钢支架
的压力平衡，于是隧道和支护系统处于稳定平衡。围岩变形的规律是：支架反力越小，围岩变形越大，直至塌方。支架的变形特性是：围岩施加于支架的压力越大，支架变形越大，直至破环。支护特性曲线与围岩特性曲线的交点就是围岩与支护的共同作用点，在此二者处于平衡，围岩不会进一步变形。如果支架的刚性大，即支架特性曲线的斜率高，则共同工作点的压力高、变形小。如果待围岩有一定变形后再安设支架，或围岩与支架之间有一定的间隙，则相当于把支架特性曲线向右移动，其工作点也可能较低，但有可能处于最低点之后的回升段。由此可见，支架上的压力与地面建筑上的负荷不同，不是一个定值，而是一个变值。它不仅与围岩性质有关，而还与支架性质有关，这就是围岩一一支护相互作用原理，8.2围岩压力分类围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形、破坏的作用力，它包括由地应力（即原岩应力）引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的总作用力，围岩压力也称地压。由围岩压力引起的围岩与支护的变形、流动和破环等现象称为围岩压力显现或地压显现。因此，从广义方面理解，围岩压力既包括围岩有支护情况，也包括围岩无支护情况：既包括在普通的传统支护上所显示的性态，也包括在锚喷和压力灌浆等现代支护方法中所显示的性态。从狭义方面理解，围岩压力是指围岩作用在衬砌上的压力，本章主要从这一角度研究围岩压力的计算。目前，国内外对围岩压力尚无统一的分类方法。1963年，卡斯特奈根据围岩压力成因，把围岩压力分为松散压力、真正地层压力和膨胀压力三类。自七十年代中期起，在我国一些教科书和文章中也提出了类似的分类方法。分类的依据除考虑围岩压力的成因外，还考虑了围岩压力的特征，应用较广的分法是把围岩压力分成松动压力、变形压力、冲击压力和膨胀压力四类。8.2.1松动压力由于开挖而松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力称为松动压力。这种压力直接表现为荷载的形式，顶压大，侧压小。松动压力通常由下述三种情况形成：1）在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石对支护造成的落石压力：2）在松散软弱的岩体中，隧洞顶部和两侧片帮冒落对支护造成的散体压力3）在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位的岩体沿弱面发生剪切破坏或拉坏形成了局部落的松动压力。造成松动压力的因素很多，如围岩地质条件，岩体破碎程度，开挖施工方法，爆破作用，支护设置早晚，回填密实程度，洞形和支护形式等。而岩体破碎、与临空面组合成不稳定岩块体、洞顶平缓、爆破作用大、支护不及时，以及回填不密实等都容易造成松动压力。191
191 的压力平衡，于是隧道和支护系统处于稳定平衡。 围岩变形的规律是：支架反力越小，围岩变形越大，直至塌方。 支架的变形特性是：围岩施加于支架的压力越大，支架变形越大，直至破坏。 支护特性曲线与围岩特性曲线的交点就是围岩与支护的共同作用点，在此二者处 于平衡，围岩不会进一步变形。 如果支架的刚性大，即支架特性曲线的斜率高，则共同工作点的压力高、变形小。 如果待围岩有一定变形后再安设支架，或围岩与支架之间有一定的间隙，则相当于把支 架特性曲线向右移动，其工作点也可能较低，但有可能处于最低点之后的回升段。 由此可见，支架上的压力与地面建筑上的负荷不同，不是一个定值，而是一个变值。 它不仅与围岩性质有关，而且还与支架性质有关，这就是围岩——支护相互作用原理。 8.2 围岩压力分类 围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形、破坏的作用力，它包括由地 应力（即原岩应力）引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的总作用力， 围岩压力也称地压。由围岩压力引起的围岩与支护的变形、流动和破坏等现象称为围岩 压力显现或地压显现。因此，从广义方面理解，围岩压力既包括围岩有支护情况，也包 括围岩无支护情况；既包括在普通的传统支护上所显示的性态，也包括在锚喷和压力灌 浆等现代支护方法中所显示的性态。从狭义方面理解，围岩压力是指围岩作用在衬砌上 的压力，本章主要从这一角度研究围岩压力的计算。 目前，国内外对围岩压力尚无统一的分类方法。1963 年，卡斯特奈根据围岩压力 成因，把围岩压力分为松散压力、真正地层压力和膨胀压力三类。自七十年代中期起， 在我国一些教科书和文章中也提出了类似的分类方法。分类的依据除考虑围岩压力的成 因外，还考虑了围岩压力的特征，应用较广的分法是把围岩压力分成松动压力、变形压 力、冲击压力和膨胀压力四类。 8.2.1 松动压力 由于开挖而松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力称为松动压力。 这种压力直接表现为荷载的形式，顶压大，侧压小。松动压力通常由下述三种情况形成： １) 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石对支护造成的落石压力； ２) 在松散软弱的岩体中，隧洞顶部和两侧片帮冒落对支护造成的散体压力； ３) 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位的岩体沿弱面发生剪切破坏或拉坏， 形成了局部塌落的松动压力。 造成松动压力的因素很多，如围岩地质条件，岩体破碎程度，开挖施工方法，爆破 作用，支护设置早晚，回填密实程度，洞形和支护形式等。而岩体破碎、与临空面组合 成不稳定岩块体、洞顶平缓、爆破作用大、支护不及时，以及回填不密实等都容易造成 松动压力
8.2.2变形压力松动压力是以重力形式直接作用在支护上的，而变形压力则是由于围岩变形受到支护的抑制而产生的。所以变形压力除与围岩应力有关外，还与支护时间和支护刚度等有关。按其成因可进一步分为下述几种情况。1弹性变形压力当采用紧跟开挖面进行支护的施工方法时，由于存在着开挖面的“空间效应”而使支护受到一部分围岩的弹性变形的作用，由此而形成的变形压力称为弹性变形压力。2塑性变形压力由于围岩塑性变形（有时还包括一部分弹性变形）而使支护受到的压力称为塑性变形压力，这是最常见的一种围岩变形压力。3流变压力围岩产生显著的随时间增长而增加的变形或流动。压力是由岩体变形、流动引起的有显著的时间效应，它能使围岩鼓出、闭合，甚至完全封闭。流变压力的表现形式有两种：一种是稳定压力，这种压力同时具有弹性或弹塑性固体和粘性流体的性质，但其变形速度随时间增长而趋于零，即变形逐渐趋于稳定。因此，从实质上讲，它属于弹性或弹塑性固体的范畴。另一种压力同时具有弹性固体和粘性流体的性质，但它的变形速率随时间增长而趋于某一常数，即最终变形以等速无限发展或导致破坏。所以称它为不稳定压力。从实质上讲，它属于粘性流体范畴。变形压力是由围岩变形表现出来的压力，所以变形压力的大小，既决定于原岩应力大小，岩体力学性质，也决定于支护结构刚度和支护时间。8.2.3膨胀压力岩体具有吸水膨胀崩解的特性，其胀、崩解、体积增大可以是物理性的，也可以是化学性的。由于围岩膨胀崩解而引起的压力称为膨胀压力。膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。从现象上看，它与流变压力有相似之处，但两者的机理完全不同，日此对它们的处理方法也各不相同。岩体的膨胀性，既决定于其含蒙脱石、伊利石和高岭土的含量，也决定于其胶结物成分和胶结状态。当含有蒙脱石、伊利石和高岭主的围岩，无胶结物胶结时，可崩解头松散粘土，而当有有机质、游离SiO2、FeO3、Al2O3等非晶质胶结物胶给时，或者破裂成小碎块、粉未或鳞片（弱胶结状态），或者劈裂为大片或块状（强胶结状态）。特别是风干再吸水的围岩，其膨胀崩解性更严重。8.2.4冲击压力冲击压力又称岩爆，它是在围岩积累了大量的弹性变形能之后突然释放出来时所产生的压力。由于冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与岩体弹性模量直接相关。弹192
192 8.2.2 变形压力 松动压力是以重力形式直接作用在支护上的，而变形压力则是由于围岩变形受到支 护的抑制而产生的。所以变形压力除与围岩应力有关外，还与支护时间和支护刚度等有 关。按其成因可进一步分为下述几种情况。 １ 弹性变形压力 当采用紧跟开挖面进行支护的施工方法时，由于存在着开挖面的“空间效应”而使 支护受到一部分围岩的弹性变形的作用，由此而形成的变形压力称为弹性变形压力。 ２ 塑性变形压力 由于围岩塑性变形（有时还包括一部分弹性变形）而使支护受到的压力称为塑性变 形压力，这是最常见的一种围岩变形压力。 ３ 流变压力 围岩产生显著的随时间增长而增加的变形或流动。压力是由岩体变形、流动引起的， 有显著的时间效应，它能使围岩鼓出、闭合，甚至完全封闭。 流变压力的表现形式有两种：一种是稳定压力，这种压力同时具有弹性或弹塑性固 体和粘性流体的性质，但其变形速度随时间增长而趋于零，即变形逐渐趋于稳定。因此， 从实质上讲，它属于弹性或弹塑性固体的范畴。另一种压力同时具有弹性固体和粘性流 体的性质，但它的变形速率随时间增长而趋于某一常数，即最终变形以等速无限发展或 导致破坏。所以称它为不稳定压力。从实质上讲，它属于粘性流体范畴。 变形压力是由围岩变形表现出来的压力，所以变形压力的大小，既决定于原岩应力 大小，岩体力学性质，也决定于支护结构刚度和支护时间。 8.2.3 膨胀压力 岩体具有吸水膨胀崩解的特性，其膨胀、崩解、体积增大可以是物理性的，也可以 是化学性的。由于围岩膨胀崩解而引起的压力称为膨胀压力。膨胀压力与变形压力的基 本区别在于它是由吸水膨胀引起的。从现象上看，它与流变压力有相似之处，但两者的 机理完全不同，日此对它们的处理方法也各不相同。 岩体的膨胀性，既决定于其含蒙脱石、伊利石和高岭土的含量，也决定于其胶结物 成分和胶结状态。当含有蒙脱石、伊利石和高岭土的围岩，无胶结物胶结时，可崩解为 松散粘土，而当有有机质、游离 SiO2、FeO3、Al2O3 等非晶质胶结物胶给时，或者破裂 成小碎块、粉未或鳞片（弱胶结状态），或者劈裂为大片或块状（强胶结状态）。特别是 风干再吸水的围岩，其膨胀崩解性更严重。 8.2.4 冲击压力 冲击压力又称岩爆，它是在围岩积累了大量的弹性变形能之后突然释放出来时所产 生的压力。 由于冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与岩体弹性模量直接相关。弹
性模量较大的岩体在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件它就会突然猛烈地大量释放。8.3影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类：一类是地质因素，它包括原岩应力状态、岩石力学性质、岩体结构和岩石组成及其物理化学性质等；另一类是工程因素，包括开挖方法和手段、支护设置时间、隧洞形状和轴比、支护支承条件、支护截面厚度、支护材料、回填层等。8.3.1地质因素1原岩应力状态的影响原岩应力是引起围岩变形、破坏的根本作用力，原岩体中主应力的大小和方向不同，对隧洞的作用力也不同：因而直接影响着围岩压力。通常，原岩应力随深度的增加而增加，所以隧洞埋深越大，围岩压力一般也就越大。另外，原岩应力方向对围岩压力也有显著影响。一般情况下，当隧洞轴向与最大主应力的方向垂直时，围岩压力就大，平行时围岩压力就小。这是因为隧洞方向不同，原岩应力对其作用不同。前者隧洞横截面受到的作用力大，而后者受到的作用力小。有时发现：当隧洞轴向位于某一方位时，隧洞破坏严重，一旦改变轴向，破坏情况显著改善，甚至安全无恙。这都表明原岩应力方向对围岩压力的影响是很大的。静止侧压力系数元对围岩压力的大小和分布都有影响。一般来说，元值越大，围岩压力越大，入值越小，围岩压力越小。但对支护而言，则是入值偏离1越大越危险，因为入值偏离1越大，围岩压力分布越不均匀，2值越接近1，围岩压力分布越均匀。2岩石力学性质的影响岩石的力学性质是指它的强度（包括各种强度和C、、E等值）和屈服值，以及它的力学属性。不言而喻，强度小的岩体，围岩压力必然大，反之亦然。变形模量E、粘结力C、内摩擦角@大的岩体，其围岩压力小：E、C、β值小的岩体，其围岩压力大。其中@的影响要较C大。岩体的属性是指它的弹性、塑性和粘性。岩体的塑性变形和粘性流动是影响围岩压力大小的重要因素，许多围岩压力较大的工程，常常是由于它而引起的。3岩体结构的影响当结构面强度远小于结构体强度时，结构面对围岩压力的影响就显得十分重要。通常岩体破坏首先从弱面开始，这是围岩压力在节理、破碎带、断层和褶皱区表现显著的重要原因。由于层状岩体具有定向弱面，所以层状岩体的走向和倾角也与围岩压力密切相关。如果岩层走向与隧洞轴向平行或夹角很小，则岩体结构容易写隧洞轴线形成不稳定的松动体，因而围岩压力显著要大，所以设计隧洞方向时，应尽可能使洞轴与岩层走193
193 性模量较大的岩体在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件， 它就会突然猛烈地大量释放。 8.3 影响围岩压力的因素 影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类：一类是地质因素，它包括原岩应力 状态、岩石力学性质、岩体结构和岩石组成及其物理化学性质等；另一类是工程因素， 包括开挖方法和手段、支护设置时间、隧洞形状和轴比、支护支承条件、支护截面厚度、 支护材料、回填层等。 8.3.1 地质因素 1 原岩应力状态的影响 原岩应力是引起围岩变形、破坏的根本作用力，原岩体中主应力的大小和方向不同， 对隧洞的作用力也不同；因而直接影响着围岩压力。 通常，原岩应力随深度的增加而增加，所以隧洞埋深越大，围岩压力一般也就越大。 另外，原岩应力方向对围岩压力也有显著影响。一般情况下，当隧洞轴向与最大主应力 的方向垂直时，围岩压力就大，平行时围岩压力就小。这是因为隧洞方向不同，原岩应 力对其作用不同。前者隧洞横截面受到的作用力大，而后者受到的作用力小。有时发现： 当隧洞轴向位于某一方位时，隧洞破坏严重，一旦改变轴向，破坏情况显著改善，甚至 安全无恙。这都表明原岩应力方向对围岩压力的影响是很大的。 静止侧压力系数 对围岩压力的大小和分布都有影响。一般来说， 值越大，围 岩压力越大， 值越小，围岩压力越小。但对支护而言，则是 值偏离 1 越大越危险， 因为 值偏离 1 越大，围岩压力分布越不均匀， 值越接近１，围岩压力分布越均匀。 ２ 岩石力学性质的影响 岩石的力学性质是指它的强度（包括各种强度和 C、 、E 等值）和屈服值，以及 它的力学属性。不言而喻，强度小的岩体，围岩压力必然大，反之亦然。变形模量 E、 粘结力 C、内摩擦角 大的岩体，其围岩压力小；E、C、 值小的岩体，其围岩压力 大。其中 的影响要较Ｃ大。岩体的属性是指它的弹性、塑性和粘性。岩体的塑性变 形和粘性流动是影响围岩压力大小的重要因素，许多围岩压力较大的工程，常常是由于 它而引起的。 ３ 岩体结构的影响 当结构面强度远小于结构体强度时，结构面对围岩压力的影响就显得十分重要。通 常岩体破坏首先从弱面开始，这是围岩压力在节理、破碎带、断层和褶皱区表现显著的 重要原因。由于层状岩体具有定向弱面，所以层状岩体的走向和倾角也与围岩压力密切 相关。如果岩层走向与隧洞轴向平行或夹角很小，则岩体结构容易与隧洞轴线形成不稳 定的松动体，因而围岩压力显著要大，所以设计隧洞方向时，应尽可能使洞轴与岩层走