山岩壓力

山岩壓力，又稱圍岩壓力是指在水工建設中，把由於硐室圍岩的變形和破壞而作用在支護或襯砌上的壓力。

其性質、大小、方向以及發生和發展的規律，對正確地進行隧道設計與施工有很重要的影響。在穩定的地層中開挖坑道，由於圍岩在爆破後發生鬆動以及暴露後受到風化，個別落石現象也不可避免。在完整而堅硬的岩層中開挖隧道，也會遇到小塊岩石突然脫離岩體向隧道內彈出，人們稱為“岩爆”，這些都是圍岩壓力的現象，為了保證隧道有足夠的淨空，就要修建支護結構，以阻止圍岩的移動和崩塌，支護結構就是用來承受圍岩壓力。

基本介紹

• 中文名：山岩壓力
• 外文名：mountain rock pressure
• 學科：工程地質學
• 釋義：作用在支護或襯砌上的壓力
• 單位：帕
• 原因：硐室圍岩的變形和破壞

形成階段

硐室周圍的山岩壓力隨著時間的發展可以分為三個階段：

第I階段：由於岩體的變形，在硐室的周界上產生一般的擠壓，同時，在兩側的岩石因剪下破壞而形成了楔形岩塊，這兩個楔形岩塊有朝著硐室內部移動的趨向。

第Ⅱ階段：在側向楔形體發生某種變形以後，在岩體內形成了一個橢圓形的高壓力區，在橢圓曲線與硐室周界線間的岩體發生了鬆動。

第Ⅲ階段：洞頂和洞底的鬆動岩體開始變形，並向著洞內移動，洞頂鬆動岩石在重力作用下有掉落的趨勢，山岩壓力逐漸增加。

山岩壓力的形成是與硐室開挖後岩體的變形、鬆動和破壞分不開的。通常將由於岩體變形而對支護或襯砌給予的壓力，稱為變形壓力；將岩體破壞和鬆動對支護或襯砌造成的壓力，稱為鬆動壓力。變形量的大小以及破壞程度的強弱就決定著山岩壓力的大小。

產生原因

1、圍岩的初始地應力場

通常所指的初始應力場泛指硐室開挖前岩體的初始靜應力場，它的形成與岩體構造、性質、埋藏條件以及構造運動的歷史等有密切關係。在硐室開挖前是客觀存在的，在這種應力場中修建硐室就必須了解它的狀態及其影響。

岩體的初應力狀態與施工引起的附加應力狀態是不同的，它對坑道開挖後圍岩的應力分布、變形和破壞有著極其重要的影響。可以說，不了解岩體初應力狀態就無法對硐室開挖後一系列力學過程和現象作出正確的評價。

2、硐室開挖後的應力場

硐室的開挖，移走了硐室內原來受力的部分岩體，破壞了圍岩初始應力場的平衡狀態，圍岩從相對靜止的狀態轉變為變動的狀態。圍岩力圖達到一個新的平衡，其應力和應變開始一個新的變化運動，運動的結果，使得圍岩的應力重新分布並向開挖的硐室空間變形。理論和實驗證明，硐室開挖後，解除了部分圍岩的約束，在硐室周圍初始應力將沿硐室一定範圍重新分布，一般情況下，應力狀態如圖所示，形成三個區域。

I區域稱為低應力區，在有裂隙和破碎的岩石中，或鬆軟圍岩中，由於岩體強度小，硐室開挖後，岩體不能承受急劇增大的周邊應力而產生塑性變形，使硐室周邊的圍岩應力鬆弛而形成一個應力降低的區域，使高應力向岩體深處轉移，被擾動的這部分岩體就開始向硐室內變形。變形值超過一定數值，岩體則出現移動、坍塌或處於蠕動狀態。

II區域稱為高應力區，這一部分岩缽也受到了擾動，在應力重分布的過程中使這個范國內岩體的應力升高，但強度尚未被破壞，實際相當於形成了一個承載環，起到承載的作用。

III區域為原始應為區，距離硐室較遠的岩體未受到開挖的影響，仍處於原始的應力狀態。

在極堅硬面完整的圍岩中，硐室周邊應力急劇增高，由於岩體強度大，未形成如鬆軟破碎岩體那種變形過大和開裂坍塌的情況，因而不存在應力降低區，而只有高應力向原始應力過渡的重分布特點，所以往往不需要設定支護結構來提供外加平衡力。換句話說，這種硐室是自穩的。

綜上所述，硐室的開挖，破壞了圍岩原有的平衡，產生了變形和應力重新分布。但是這種變化發展不是無限的，它總是為了達到新的平衡而處在一種新的應力狀態中。

上述分析說明開挖硐室對圍岩穩定的影響是較大的，影響的程度視地質條件、硐室形狀、施工方法而異。公路硐室設計規範規定，硐室開挖破壞了的岩體的重量就是作用在支護結構上圍岩壓力的來源。當然，現代硐室施工技術是不會讓這種現象自由發展，從爆破手段和初期支護上採取措施，阻止硐室周邊岩體過大的變形和坍塌，使圍岩成為主要的承載體。

影響因素

1、自重應力場

我們研究具有水平成層。地面平坦的情況。如上圖所示，設岩體是線性變形的，在xz平面內是均質的，沿y軸方向是非均質的，設E、μ分別為沿垂直方向的岩體彈性模量和泊松比， E₁、μ₁為沿水平方向的岩體彈性模量和泊松比。

實際情況中，由於地殼運動，岩層會產生各種變動，如形成向斜、背斜、斷裂等，在這種情況下，圍岩的初始應力場也有所變化。如以垂直成層為例，由於各層的物理力學性質不同，在同一水平面上的應力分布可能是不同的；在背斜情況下，由於岩層成拱狀分布，使上層岩層重量向兩側傳遞，直接處於背斜下的岩層受到較小的應力，在被斷層分割的楔形岩塊情況中也可觀察到類似情況。在實際工作的套用中是不能忽視的。

2．構造應力場

地層的應力場是由自重應力場和構造應力場構成的。地質學家認為：地層各處發生的一切構造變形與破裂都是地應力作用的結果，因而地質力學就把構造體系和構造形式在形成過程中的應力狀態稱為構造應力場。構造應力場是隨時間變化的動態場。

由於構造應力場的不確定性，很難用函式形式表達。它在整個初始應力場中的作用只能通過某些量測數據來分析，在實際工程中套用較少。一般認為，構造應力場具有以下特性：

（1）地質構造形態不僅改變了重力應力場，而且以各種構造形態獲得釋放，還以各種形式積蓄在岩體內，這種殘餘構造應力將對硐室工程產生重大影響。

（2）構造應力場在較淺的地層中已普遍存在，而且最大構造應力場的方向，近似為水平，其值常常大於重力應力場中的水平應力分量，甚至大於垂直應力分量，這與重力應力場有較大的差異。

（3）構造應力場是不均勻的，它的參數在空間和時間上都有較大的變化，尤其是它的主應力軸的方向和絕對值的變化很大。

求解初始應力場，結果常常有極大的偏差。因此，在理論分析中，常把初始應力場按靜水應力場來處理。在某些重要的工程中，多採用實地量測的方法，來判斷主應力的大小及其方向的變化規律。

3、岩土體結構狀態

岩土體結構是長時間地質運動的產物，在地質因素的影響中起著主要作用。

圍岩的結構狀態通常用其破碎程度或完整狀態來表示。處於原始狀態的岩土體，在長期的地質構造運動的作用下，產生各種結構面、形變、錯動、斷裂等使其破碎，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或破碎狀態，在一定程度上是表征岩土體受地質構造運動作用的嚴重程度。對硐室圍岩的穩定與否，起著主導作用。實踐指出，在相同岩性的條件下，岩體愈破碎，硐室就易於失穩。因此，在各種分級方法中，都把岩體的破碎程度作為分類的基礎指標。

岩體的完整狀態或破碎程度有兩個含義，一是構成岩體的岩塊大小，二是這些岩塊的組合形態。前者一般是採用裂隙的密集程度(裂隙率、裂隙間距、體裂隙率等)來表達，即沿結構面法線方向上每單位長度內結構面的數目或結構面的平均間距，或採用單位體積中的裂隙數等來表示。後者主要考慮構成岩體的完整狀態的各種岩塊的組合比例。

4、岩石的工程性質

岩石的工程性質是多方面的，一般主要指岩石的強度或堅固性。在岩體結構狀態成為控制圍岩穩定的主要因素時，強調岩石強度意義是不大的。例如，在碎塊狀岩體中，岩石強度再大也阻止不了硐室圍岩的坍落。但在較為完整的岩體結構中，如整體的巨塊狀結構，或大塊狀結構，岩石強度就具有一定的意義。所以岩石強度在完整的岩體中是起主要作用的。

完整岩體，一般都是認為均質的連續介質。硐室開挖後，圍岩強度高，具有極大的穩定性，僅在個別情況下有局部的碎塊、剝離現象。在這種情況下進行理論分析也是以岩石強度為依據。此外，在決定某些裂隙岩體的強度時，也是要以岩石強度為基礎。

在圍岩分級中，岩石的堅固性或強度都是以岩石的單軸飽和極限抗壓強度為基準，這是因為它的試驗方法簡便，數據分散性小，且與其它物性指標有著良好的互換性。依岩石試件抗壓強度進行岩石分級的基準。

5、地下水的作用和影響

硐室施工的大量實踐證明，水是造成施工坍方、使硐室圍岩喪失穩定的重要原因之一。因此，在硐室圍岩分級中水的影響是不容忽視的。在不同的圍岩中水的影響是不相同的，一般有下列幾種情況：

a．使岩質軟化，強度降低，對軟岩尤為明顯，對土體則可促使其液化或流動；

b．在有軟弱結構面的圍岩中，會沖走充填物或使夾層液化，減少層間摩阻力促使岩塊滑動；

c．在某些圍岩中，如石膏、岩鹽和蒙脫石為主的粘土岩中，遇水後產生膨脹，在未膠結或弱膠結的砂岩中可產生流砂和潛蝕。

因此，在圍岩分級中都考慮了水的影響。在同級圍岩中，遇水後則適當降低圍岩級別。降低的幅度主要視：圍岩的岩性及結構面的狀態、地下水的性質和大小、流通條件、對圍岩浸潤狀況和危害程度而確定。

6、施工因素的影響

人為的因素也是造成硐室喪失穩定的重要條件，其中硐室的形狀和尺寸，尤其是跨度影響較為顯著。實踐證明，在同類圍岩中，跨度愈大，硐室圍岩的穩定性就愈差。例如，大塊狀岩體是指裂隙間距在0．4m～1．0m左右的岩體。這是對中等跨度硐室(B=5m—15m)而言的，若跨度較大(大於15m)或較小(小於5m)，岩體的破碎程度就不同。因此，有的分級就明確指出分級的適用跨度範圍。

在圍岩分級中也曾有人建議用相對裂隙間距，即裂隙間距與硐室跨度的比值，來進行硐室圍岩穩定性的分級。例如，當相對裂隙間距大於1/5時，即可認為岩體是完整的；在1/5—1/20範圍內，岩體則處於不同的破碎狀態；而小於1/20，則可視為極度破碎的。

在施工因素中，支護結構的類型及架設時間也對硐室圍岩的穩定性產生重要影響。其中比較重要的是硐室開挖後，圍岩在無支護條件下的允許暴露時間及無支護地段的長度，也就是圍岩的自穩時間，因此，有的圍岩分級就是以這個時間進行分級的。硐室自穩時間是指從開挖後到頂部開始發生可以察覺到的移動、鬆弛時為止所經歷的時間。實際上它是岩石類型、硐室未支護地段長度、硐室寬度，以及開挖時圍岩被擾動、破壞程度的函式。

此外，施工方法也有影響，在同類岩體中，採用普通爆破法施工和控制爆破法施工，採用礦山法施工和盾構法或掘進機施工，採用大斷面開挖和小斷面分部開挖，對硐室穩定性的影響都不相同。

埋深的影響也不能忽視。隨著埋深的增加，初始應力場也隨之增大，因此，在施工過程中也可能出現諸如岩爆或大變形現象。因此，在高應力場或極高應力場的條件下，圍岩級別應適當降低。

7、風化作用

風化時，岩石產生風化裂隙使水易於浸入，岩體濕潤，減少了岩石晶粒間的聯繫，因而強度減小，故試驗時多以濕飽和強度為基準。

確定方法

圍岩壓力的確定目前常用有下列三種方法：

1．直接量測法

是一種切合實際的方法，對硐室工程而言，也是研究發展的方向；但由於受量測設備和技術水平的制約，目前還不能普遍常用。

實測作用在支護結構上的圍岩壓力的方法很多，歸納起來可分為兩類：直接量測法和間接量測法。直接量測作用在支護結構上的壓力（接觸壓力）的方法，主要採用各種類型的壓力盒。壓力盒按工作原理分為機械作用式、電測式和液壓式等。目前使用較多的是鋼弦式壓力盒。各類電測式壓力盒都需要專門的接收器。液壓式壓力盒的優缺點與機械式相似。在硐室施工階段中量測臨時支護上的壓力，從而推斷作用在結構上的壓力的方法得到普遍套用。這種方法採用各種類型的支柱測力計。支柱測力計按工作原理分為機械式、電測式和液壓式等。

利用量測硐室襯砌的應變來推算作用在其上的圍岩壓力的方法，是一種間接量測方法。這種方法需要在襯砌內埋設各種應變數測元件。如電阻應變片、鋼筋應變計、遙測應變計、混凝土應變磚等。這些量測元件，都是基於電阻的變化來量測應變的，應變數測元件都需要有相應的接收器。

圍岩壓力的實測一般都要與圍岩物理力學性質的試驗、圍岩的變形量測、圍岩的初始應力量測等相配合。

2．經驗法或工程類比法

是根據大量以前工程的實際資料的統計和總結，按不同圍岩分級提出圍岩壓力的經驗數值，作為後建硐室工程確定圍岩壓力的依據的方法。是目前使用較多的方法。

3．理論估算法

是在實踐的基礎上從理論上研究圍岩壓力的方法。由於地質條件的不確定性，影響圍岩壓力的因素又非常多，這些因素本身及它們之間的組合也帶有一定的偶然性，企圖建立一種完善的和適合各種實際情況的通用圍岩壓力理論及計算方法是困難的，因此，現有的圍岩壓力理論都不十分切合實際情況。

在理論計算方法中，考慮幾個主要因素，使其結果相對地接近實際圍岩壓力的情況，是目前硐室工程設計中採用較多的方法。一般來講，都是以某種簡化的假設為前提，或以實際工程的統計分析資料為基礎。