什么是围岩压力?

什么是围岩压力?

[拼音]：weiyan yali

[外文]：rock pressure

周围岩体作用于隧道和地下洞室衬砌或支护上的荷载，也称地层压力。广义地讲，围岩压力是开挖隧道后围岩变形和应力重新分布的一种物理现象。

人们从开挖洞穴后围岩变形和坍塌，衬砌或支护产生变形和开裂等现象，逐步认识到围岩压力的存在。影响围岩压力的因素有：洞室形状或大小、地质构造、支护型式和刚度、洞室埋深，以及时间因素和施工方法等。围岩压力的性质、大小和分布规律是正确进行隧道和洞室支护、结构设计和选择施工方案的重要依据。洞室开挖前，岩体处在相对静止状态，其中任何一点的岩土都受到周围地层的挤压，称为初始应力状态或一次应力状态（见岩体中应力）。它是由上覆地层自重、地壳运动的构造应力以及地下水流动等因素所决定的。洞室开挖以后，解除了部分围岩的约束，原始的应力平衡和稳定状态被破坏，围岩中出现了应力的重分布，进入二次应力状态。围岩向洞室内部空间变形，并力图达到新的平衡。

围岩应力状态

由d塑性理论和现场量测表明，隧道开挖后的围岩应力状态可概括为三个区域：

应力降低区

在松软围岩中，岩体的强度很小，不能承受开挖后急剧增大的洞室周边应力而产生塑性变形，沿坑道周边围岩应力松弛而形成一个应力降低了的区域，高应力向围岩深部转移。扰动了的岩体向坑道内变形，如果变形超过一定数值就会出现围岩失稳和坍塌。在坚硬而完整的围岩中，由于岩体强度大，坑道周边未达到开裂和坍塌，故无应力降低区，这种洞室往往是自稳的。

应力升高区

围岩深部应力升高的区域，但其强度尚未被破坏，相当于一个承载环。坑道上方形成承载拱，承受上覆地层的自重，并将荷载向两侧地层传递。此即围岩的成拱作用。

初始应力区

距离坑道较远的岩体所受开挖的影响较小，仍处于初始的一次应力状态。

围岩压力分类

可分以下两类：

松动压力

松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力。岩体可以由于节理裂隙或岩石强度破坏而引起松动，直至坑道的顶部和侧部产生坍落。

形变压力

围岩变形受到支护约束而产生的压力。除与围岩应力有关外，还与支护时间及其刚度有关。柔性支护可产生一定位移而使形变压力减小，宜大力推广。但需及时设置衬砌，以免围岩位移过大而形成松动压力，不利于结构受力和正常施工。按围岩的本构特性（主要指岩土材料的应力-应变关系）和受力程度，可以有d性、塑性和粘性等不同性质的形变压力。

松动压力和形变压力经常同时存在。但以地质条件、支护类型和施工方法等不同而以某一种为主。如在松散地层中采用现浇混凝土衬砌而回填不密实时，通常以松动压力为主；及时作柔性的喷锚支护则以形变压力为主。形变压力常随时间推移而逐渐加大，最终才趋于稳定。

此外，在膨胀地层中，还会产生水和化学作用引起岩土体积膨胀的膨胀压力，这也是形变压力的一种。在脆性岩层中，因坑道开挖，使围岩原先的高压力突然释放引起岩爆而产生的冲击压力，则属松动压力范畴。

围岩压力理论的发展

在20世纪20年代以前，主要是古典理论阶段。认为作用在支护上的压力是支护结构上方覆盖岩层的全部重量，如海姆和兰金理论。其后，出现了各种散体理论，即认为使围岩塌落拱以内的岩体重量作用于衬砌，如泰尔扎吉和普罗托季亚科诺夫理论。塌落拱的高度和洞室跨度及围岩性质有关。当掘进和支护所需时间较长，支护与围岩又不能紧密贴接，就会使围岩最终有一部分破坏塌落而形成松动压力。50年代起，d塑性理论被运用于隧道的计算，如芬纳、卡斯特纳公式等。同时，开始研究围岩压力和变形的时间效应。60年代末，出现了考虑地下结构与地层相互作用的d塑性理论。由于将围岩与衬砌视为一个统一的结合整体，围岩压力不再单独进行计算。70年代以来，将工程地质和数学计算相结合，出现了研究块状和层状岩体的块体力学理论。

现行围岩压力理论包括：

（1）岩土柱理论。开挖坑道以后，由于支护或拱圈向坑道内部位移，引起其顶部上覆岩土柱的下沉，两侧地层对柱体产生与下沉反向的摩擦力，故上覆岩层重量减去岩土柱两侧的摩擦力即为围岩压力。中国铁路部门的方法认为:拱顶土柱的下沉，将带动两侧三棱体下滑，由三角楔体的平衡条件求出与土柱间的摩阻力，土柱重量减去此摩阻力即为土体竖直压力。该理论多用于浅埋隧道，但也可推广用于深埋隧道。当隧道埋置极浅或遇软土层时，土柱两边的摩阻力接近于零，故围岩压力直接为土柱全重。

（2）压力拱理论。对埋置较深的隧道，顶部岩体失去稳定，产生坍塌而形成不延向地表的局部破裂区。该区内的岩体自重即洞室支护上的荷载。破裂区上部边界线有抛物线、椭圆、半圆和三角形等不同假定，如科默雷尔岩体破碎理论等。中国在50年代初期以来，曾广泛采用普氏地压理论。假定岩体为松散体，其压力拱承受上覆土柱的全部均布重量，根据散粒材料不能承受拉应力，即弯矩为零的条件，得到拱形为抛物线，其矢高h＝b/f(b为压力拱跨度之半，f为岩层坚固系数)。 塌落拱岩体重量即为竖直地层压力。

（3）d塑性理论。利用d塑性理论可求出沿洞室周边地层内产生塑性区的范围。设置衬砌后，利用地下结构与地层的位移协调条件，可求得塑性区半径和围岩压力值。

（4）极限平衡理论。岩体内有各种各样的结构面。开挖坑道后，洞周的围岩出现与整个岩体相脱离的岩块。它的自重对衬砌产生压力。故用地质分析法时，需先查明断层、节理和软弱夹层的分布情况及其组合。自重减去结构面阻力即为地层压力，必要时也可计及围岩应力对地压的影响，采用赤平极射投影方法，确定岩石块体的空间位置和形状。当分离体由数组平行节理面组成时，可用裂隙岩石的极限平衡理论计算；当节理呈随机分布时，可用块体力学理论计算。

（5）数值解法。除简单边界条件的圆形洞室有较严格的解析解以外，对其他断面形状的洞室可采用有限元法或其他数值方法计算d性、d塑性或粘d与粘（d）塑性的围岩压力值。

如已给出垂直压力，则侧向压力可视具体情况采用主动、静止和被动抗力等理论进行计算。如底部地层较差而承载力不好，处于极限状态，产生塑流，岩土将向洞室底部隆起；或遇膨胀地层时，均需要考虑底部围岩的隆起压力。

由于地层初始压力和岩土参数不易准确测定，上述各种地压理论，实际应用时会受到一定限制，因此目前还较多地采用工程类比法。在对已建成洞室的围岩压力大小和分布规律观察统计的基础上，全面分析研究其影响因素，得出围岩压力的经验公式，用以确定作用在衬砌上的围岩压力。

长期以来，人们都想通过量测作用在隧道上的围岩压力及围岩和衬砌的变形，得出可靠的围岩压力分布和数值。近期兴起的综合量测方法，如以洞径位移量测为主的收敛-约束法，强调施工期间进行量测，并反馈信息而后修改原设计，称为现场监控法。依靠实测来求得围岩压力值是当前的发展方向。围岩压力理论虽有很大的发展，但至今仍未臻完善。围岩性质千变万化，支护形式多种多样，施工方法各不相同，故应综合经验、理论和实测的成果，针对不同情况，采用不同的理论和方法。