基本介紹
- 中文名：圍岩壓力
- 外文名：Surrounding rock pressure
- 狹義理解：作用在支護結構上的壓力
- 影響因素：形狀大小地質構造時間
- 圍岩應力狀態：應力降低區應力升高區初始應力區
- 學科：交通工程
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產生背景
從廣義來理解，圍岩壓力既包括圍岩有支護的情況，也包括圍岩無支護的情況；既包括作用在普通傳統支護，也包括錨噴和壓力灌漿等現代支護的方法中所顯示的力學性質。從狹義來理解，圍岩力是指圍岩作用在支護結構上的壓力。
人們從開挖洞穴後圍岩變形和坍塌，襯砌或支護產生變形和開裂等現象，逐步認識到圍岩壓力的存在。影響圍岩壓力的因素有：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。圍岩壓力的性質、大小和分布規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。洞室開挖前，岩體處在相對靜止狀態，其中任何一點的岩土都受到周圍地層的擠壓，稱為初始應力狀態或一次應力狀態。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。洞室開挖以後，解除了部分圍岩的約束，原始的應力平衡和穩定狀態被破壞，圍岩中出現了應力的重分布，進入二次應力狀態。圍岩向洞室內部空間變形，並力圖達到新的平衡。
應力狀態
由彈塑性理論和現場量測表明，隧道開挖後的圍岩應力狀態可概括為三個區域：
1、應力降低區
在鬆軟圍岩中，岩體的強度很小，不能承受開挖後急劇增大的洞室周邊應力而產生塑性變形，沿坑道周邊圍岩應力鬆弛而形成一個應力降低了的區域，高應力向圍岩深部轉移。擾動了的岩體向坑道內變形，如果變形超過一定數值就會出現圍岩失穩和坍塌。在堅硬而完整的圍岩中，由於岩體強度大，坑道周邊未達到開裂和坍塌，故無應力降低區，這種洞室往往是自穩的。
2、應力升高區
圍岩深部應力升高的區域，但其強度尚未被破壞，相當於一個承載環。坑道上方形成承載拱，承受上覆地層的自重，並將荷載向兩側地層傳遞。此即圍岩的成拱作用。
3、初始應力區
距離坑道較遠的岩體所受開挖的影響較小，仍處於初始的一次應力狀態。
基本類型
鬆動壓力
由於開挖而鬆動或坍塌的岩體以重力形式直接作用在支護結構上的壓力稱為鬆動壓力。鬆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
圍岩變形受到支護約束而產生的壓力。除與圍岩應力有關外，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。但需及時設定襯砌，以免圍岩位移過大而形成鬆動壓力，不利於結構受力和正常施工。按圍岩的本構特性（主要指岩土材料的應力-應變關係）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。
鬆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。如在鬆散地層中採用現澆混凝土襯砌而回填不密實時，通常以鬆動壓力為主；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，最終才趨於穩定。
膨脹壓力
當岩體具有吸水、應力解除等膨脹性特徵時，由於圍岩膨脹所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與變形壓力的基本區別在於它是有吸水、應力解除等膨脹引起的。
衝擊壓力
圍岩產生岩爆或瓦斯突發，在支護結構上產生的動壓力。其特點是衝擊地壓大小與岩爆規模、岩爆強烈程度和支護結構的剛度有關，另外衝擊壓力總體上是一種瞬間壓力。
圍岩壓力的影響因素
圍岩壓力問題是與圍岩的穩定性問題相關聯的，穩定性越好的圍岩所產生的圍岩壓力就越小。因此，影響圍岩穩定性的因素也就是影響圍岩壓力的因素。影響圍岩壓力的因素很多，通常可分為兩大類。一類是地質因素，它包括原始應力狀態、岩石力學性質、岩體結構面等；另一類是工程因素，它包括施工方法、支護設定時間、支護本身剛度、坑道形狀等。
不論何種圍岩，在隧道開挖後的暴露時間均是越短越好。“新奧法”的原則中指出，隧道開挖後應儘快施作初期支護（噴錨支護），及時封閉圍岩，防止圍岩的鬆動、風化，也防止圍岩強度的喪失。然後通過監控量測掌握圍岩的收斂變形動態規律，當圍岩的變形基本穩定後再施作永久性襯砌。應該指出，這一原則是建立在圍岩具有良好的自穩性能的基礎上的，如果圍岩不具有良好的自穩性能，將會由變形而出現塑性破壞，這種情況下不能僅依靠初期支護來維持圍岩的穩定，而必須及時施作永久性襯砌，給圍岩提供所需的支護力，有效地阻止圍岩變形的發展，防止圍岩的鬆動坍塌而形成的鬆動壓力對支護的作用。因此，支護的是否及時就成為了圍岩壓力性質及大小的一個關鍵性的重要因素。
圍岩壓力的確定
目前圍岩壓力的確定方法一般有：現場量測法、理論計算法、統計法等。量測法是運用儀器實地量測圍岩壓力的大小，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岩及地質環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岩壓力進行計算，但由於圍岩的地質條件複雜多變，計算時所用的各種參數難免與實際不符，因此現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岩壓力值的統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套用。目前，在實際工程中往往採用上述幾種方法互相驗證。
圍岩壓力的實測方法
直接量測法
直接量測法是指採用各種壓力盒量測圍岩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（或稱壓力感測器）放置在襯砌或支護結構與圍岩之間，並緊密接觸，使二者之間的壓力直接由壓力盒反映出來。目前用於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。
間接量測法
通過對襯砌或支護及圍岩的應力或應變的量測來推求圍岩壓力的方法稱為間接量測法。其中最為常用的方法是對圍岩變形（位移）的量測，在反演圍岩壓力的同時，用於評價圍岩的穩定性以及確定圍岩鬆弛帶的範圍。
