第四章圍巖分類及圍巖壓力

第一節(jié)隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)

一、隧道圍巖的概念

圍巖是指隧道開(kāi)挖后其周圍產(chǎn)生應(yīng)力重分布范圍內(nèi)的巖體，或指隧道開(kāi)挖后對(duì)其穩(wěn)定性

產(chǎn)生影響的那部分巖體（這里所指的巖體是土體與巖體的總稱）。應(yīng)該指出，這里所定義的圍

巖并不具有尺寸大小的限制。它所包括的范圍是相對(duì)的，視研究對(duì)象而定，從力學(xué)分析的角

度來(lái)看，圍巖的邊界應(yīng)劃在因開(kāi)挖隧道而引起的應(yīng)力變化可以忽略不計(jì)的地方，或者說(shuō)在圍

巖的邊界上因開(kāi)挖隧道而產(chǎn)生的位移應(yīng)該為零，這個(gè)范圍在橫斷面上約為6?10倍的洞徑.

當(dāng)然，若從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的觀點(diǎn)來(lái)研究圍巖，其范圍要比上述數(shù)字大得多。

二、圍巖的工程性質(zhì)

圍巖的工程性質(zhì)，一般包括三個(gè)方面：物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。而對(duì)圍巖穩(wěn)定

性最有影響的則是力學(xué)性質(zhì)，即圍巖抵抗變形和破壞的性能。圍巖既可以是巖體、也可以是

土體。本書(shū)僅涉及巖體的力學(xué)性質(zhì)，有關(guān)土體的力學(xué)性質(zhì)將在《土力學(xué)》中研究。

巖體是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，經(jīng)過(guò)巖石建造、構(gòu)造形變和次生蛻變而形成的地質(zhì)體。它

被許許多多不同方向、不同規(guī)模的斷層面、層理面、節(jié)理面和裂隙面等各種地質(zhì)界面切割為

大小不等，形狀各異的各種塊體。工程地質(zhì)學(xué)中將這些地質(zhì)界面稱之為結(jié)構(gòu)面或不連續(xù)面，

將這些塊體稱之為結(jié)構(gòu)體，并將巖體看作是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組合而成的具有結(jié)構(gòu)特征的地

質(zhì)體。所以，巖體的力學(xué)性質(zhì)性質(zhì)主要取決于巖體的結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)體巖石的特征以及結(jié)構(gòu)

面的特性。環(huán)境因素尤其是地下水和地溫對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)影響也很大。在眾多的因素中，

哪個(gè)起主導(dǎo)作用需視具體條件而定。

在軟弱圍巖中，節(jié)理和裂隙比較發(fā)育，巖體被切割得很破碎，結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的變形和破

壞都不起什么作用，所以，巖體的特性與結(jié)構(gòu)體巖石的特性并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。當(dāng)然，在完整而

連續(xù)的巖體中也是如此。反之，在堅(jiān)硬的塊狀巖體中，由于受軟弱結(jié)構(gòu)面切割，使塊體之間

的聯(lián)系減弱，此時(shí)，巖體的力學(xué)性質(zhì)主要受結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其在空間的位置所控制。

由此可見(jiàn)，巖體的力學(xué)性質(zhì)必然是諸因素綜合作用的結(jié)果，只不過(guò)有些巖體是巖石的力

學(xué)性質(zhì)起控制作用：而有些巖體則是結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)占主導(dǎo)地位。

巖體與巖石相比，兩者有著很大的區(qū)別，和工程問(wèn)題的尺度相比，巖石幾乎可以被認(rèn)為

是均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的介質(zhì)。而巖體則具有明顯的非均質(zhì)性，不連續(xù)性和各向異性。關(guān)

于巖體的力學(xué)性質(zhì)，包括變形破壞特性和強(qiáng)度，一般都需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位試驗(yàn)才能獲得較

為真實(shí)的結(jié)果。但現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)需要花費(fèi)大量資金和時(shí)間，而且隨著測(cè)點(diǎn)位置和加載方式不

同，試驗(yàn)結(jié)果的離散性也很大。因此。常常用取樣在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)代替。但室內(nèi)試驗(yàn)

較難模擬巖體真正的力學(xué)作用條件。更重要的是對(duì)于較破碎和軟弱不均質(zhì)的巖體，不易取得

供試驗(yàn)用的試樣。究竟采用何種試驗(yàn)方法，應(yīng)視巖體的結(jié)構(gòu)特征而定。一般來(lái)說(shuō)，破裂巖體

以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為主，較完整的巖體以做室內(nèi)試驗(yàn)為宜。

(一)巖體的變形特性

巖體的抗拉變形能力很低?；蛘吒揪蜎](méi)有，因此，巖體受拉后立即沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生斷裂。

一般沒(méi)有必要專門(mén)來(lái)研究巖體的受拉變形特性。

1.受壓變形

巖體的受壓變形特性，可以用它在受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，亦稱本構(gòu)關(guān)系來(lái)說(shuō)明。我

們知道，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性關(guān)系比較明顯，說(shuō)明它是以彈性變形為主。軟弱結(jié)構(gòu)面

的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性特征，說(shuō)明了它是以塑性變形為主。而巖體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

則要復(fù)雜得多了，圖4-1中分別繪出了典型的巖石、軟弱結(jié)構(gòu)面和巖體的單軸受壓時(shí)的全應(yīng)

力-應(yīng)變曲線。

從圖中可以看出：典型的巖體全應(yīng)力-應(yīng)變曲

線可以分解為四個(gè)階段：

(1)壓密階段(0A)：主要是由于巖體中結(jié)構(gòu)

面的閉合和充填物的壓縮而產(chǎn)生的，形成了非線

性凹狀曲線，變形模量小，總的壓縮量取決了結(jié)

構(gòu)面的性態(tài)。

(2)彈性階段(AB)：巖體充分壓密后便進(jìn)入

彈性階段。所出現(xiàn)的彈性變形是巖體的結(jié)構(gòu)面和

結(jié)構(gòu)體共同產(chǎn)生的，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈直線型。

(3)塑性階段(BC)：巖體繼續(xù)受力、變形發(fā)

圖4一1

展到彈性極限后便進(jìn)入塑性階段，此時(shí)巖體的變

形特性受結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的變形特性共同制約。整體性好的巖體延性小、塑性變形不明顯。

達(dá)到強(qiáng)度極限后迅速破壞。破裂巖體塑性變形大，甚至有的從壓密階段直接發(fā)展到塑性階段,

而不經(jīng)過(guò)彈性階段。

(4)破裂和破壞階段(CD)：應(yīng)力達(dá)到峰值后，巖體即開(kāi)始破裂和破壞。破壞開(kāi)始時(shí)，應(yīng)

力下降比較緩慢，說(shuō)明破裂面上仍具有一定摩擦力，巖體還能承受?定的荷載。而后，應(yīng)力

急劇下降，巖體全面崩潰。

從巖體的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的分析中可以看-出，巖體既不是簡(jiǎn)單的彈性體，也不是簡(jiǎn)單

的塑性體、而是較為復(fù)雜的彈塑性體。整體性好的巖體接近彈性體，破裂巖體和松散巖體則

偏向于塑性體。

2.剪切變形

巖體受剪時(shí)的剪切變形特性主要受結(jié)構(gòu)面控制。根據(jù)結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面的具體性態(tài)，巖體

的剪切變形可能有三種方式：

(1)沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)，所以，結(jié)構(gòu)面的變形特性即為巖體的變形特性。

(2)結(jié)構(gòu)面不參與作用，沿結(jié)構(gòu)體巖石斷裂。所以，巖石的變形特性即起主導(dǎo)作用。

(3)在結(jié)構(gòu)面影響下，沿巖石剪斷。此時(shí)，巖體的變形特性介乎上述二者之間。

試驗(yàn)和實(shí)踐還發(fā)現(xiàn)，無(wú)論巖體是受壓或受剪切，它們所產(chǎn)生的變形都不是瞬時(shí)完成的，

而是隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸達(dá)到最終值的。巖體變形的這種時(shí)間效應(yīng)，我們稱之為巖體的流變

特性。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，流變包括兩方面：一種是指作用的應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時(shí)間而增長(zhǎng)，即所

圖4-2

謂蠕變；另一種則是作用的應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時(shí)間而衰減，即所謂松弛，如圖4—2所示。

對(duì)于那些具有較強(qiáng)的流變性的巖體，在隧道工程的設(shè)計(jì)和施工中必須加以考慮。例如，

成渝復(fù)線上的金家?guī)r隧道，埋深120m,圍巖為泥巖，開(kāi)挖后圍巖基本上是穩(wěn)定的，并及時(shí)進(jìn)

行了初次支護(hù)。但初次支護(hù)250天后拱頂下沉達(dá)40.2cm,侵入建筑限界，只好挖掉重做。屬

于這類的巖體大概有兩類：一類是軟弱的層狀巖體，如薄層狀巖體、含有大量軟弱層的互層

或間層巖體；另一類是含有大量泥質(zhì)物的，受軟弱結(jié)構(gòu)面切割的破裂巖體。整體狀、塊狀、

堅(jiān)硬的層狀等類巖體，其流變性不明顯，但是，在這些巖體中為數(shù)不多的軟弱結(jié)構(gòu)面，具有

相當(dāng)強(qiáng)的流變性，有時(shí)將對(duì)巖體的變形和破壞起控制作用。

(-)巖體的強(qiáng)度

從上述可知，巖體和巖石的變形、破壞機(jī)理是很不相同的，前者主要受宏觀的結(jié)構(gòu)面所

控制，而后者則受巖石的微裂隙所制約。因而巖體的強(qiáng)度要比巖石的強(qiáng)度低得多，并具有明

顯的各向異性。例如、志留紀(jì)泥巖的單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果將能很好地說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)層面傾

角大于50°時(shí)，以層間剪切形式破壞；32。?45°時(shí)，為軸向劈裂和層間剪切混合形式破壞;

小于32°時(shí)，為軸向劈裂形式破壞。由此可見(jiàn)，巖體的抗壓強(qiáng)度不僅因?qū)用鎯A角增大而減小,

同時(shí)其破壞形式也發(fā)生變化，如圖4-3所示。只有當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面的規(guī)模較小，結(jié)合力很

強(qiáng)時(shí)，巖體的強(qiáng)度才能與巖石的強(qiáng)度相接近。一般情況下，巖體的抗壓強(qiáng)度只有巖石的70?

80%,結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體，僅有5?10%。

和抗壓強(qiáng)度一樣，巖體的抗剪強(qiáng)度主要也是取決于巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的性態(tài)。包括它的力學(xué)

性質(zhì)、充填狀況、產(chǎn)狀、分布和規(guī)模等。同時(shí)還受剪切破壞方式所制約。當(dāng)巖體沿結(jié)構(gòu)面滑

(

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N

)

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四

5萬(wàn)

G

圖4—3圖4—4

移時(shí)，多屬于塑性破壞。峰值剪切強(qiáng)度較低，其強(qiáng)度參數(shù)°（內(nèi)摩擦角）一般變化于10°?

45°之間；c（粘結(jié)力）變化于0?0.3MPa之間，殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度比較接近。沿巖石剪斷

屬脆性破壞。剪斷的峰值剪切強(qiáng)度較上述的高得多，其S值約在30°?60°之間，c值有高

達(dá)幾十MPa的，殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度之比隨峰值強(qiáng)度的增大而減小，變化于0.3~0.8之間.

受結(jié)構(gòu)面影響而沿巖石剪斷，其強(qiáng)度介于上述兩者之間。在T-。平面上畫(huà)出巖體、巖石和

結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線就能看出這三者之間的關(guān)系（圖4-4）?

第二節(jié)圍巖的穩(wěn)定性

一、研究圍巖穩(wěn)定性的意義

隧道工程所賦存的地質(zhì)環(huán)境的內(nèi)涵很廣。包括地層特征，地下水狀況，開(kāi)挖隧道前就存

在于地層中的原始地應(yīng)力狀態(tài)，以及地溫梯度等。但對(duì)隧道工程來(lái)說(shuō)，最關(guān)心的問(wèn)題則是地

層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度。這是不言而喻的，因?yàn)榈貙臃€(wěn)定就意味著開(kāi)挖隧道所引起的地

層向隧道內(nèi)的變形很小，而且在較短的時(shí)間內(nèi)就可基本停止，這對(duì)施工過(guò)程和支護(hù)結(jié)構(gòu)都是

非常有利的。地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度稱為隧道圍巖的穩(wěn)定性，這是一個(gè)反映地質(zhì)環(huán)境

的綜合指標(biāo)。因此，研究隧道工程地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，歸根到底就是研究隧道圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題。

二、影響圍巖穩(wěn)定性的因素

影響圍巖穩(wěn)定性的因素很多，就其性質(zhì)來(lái)說(shuō)，基本上可以歸納分為兩大類：第一類是屬

于地質(zhì)環(huán)境方面的自然因素，是客觀存在的，它們決定了隧道圍巖的質(zhì)量；第二類則屬于工

程活動(dòng)的人為因素，如隧道的形狀、尺寸、施工方法、支護(hù)措施等等。它們雖然不能決定圍

巖質(zhì)量的好壞，但卻能給圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性帶來(lái)不可忽視的影響。

由于下一節(jié)述及的圍巖分類即是對(duì)圍巖穩(wěn)定程度的劃分，在圍巖分類中必定會(huì)考慮到這

兩大類因素的影響，所以卜面不僅簡(jiǎn)要地說(shuō)明各項(xiàng)因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，還介紹各因素

在圍巖分類中的作用和地位。

（-）地質(zhì)因素。

圍巖在開(kāi)挖隧道時(shí)的穩(wěn)定程度乃是巖體力學(xué)似性質(zhì)的一種表現(xiàn)形式。因此，影響巖體力

學(xué)性質(zhì)的各種因素在這里同樣起作用，只是各自的重要性有所不同。

1.巖體結(jié)構(gòu)特征

巖體的結(jié)構(gòu)特征是長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，是控制巖體破壞形態(tài)的關(guān)鍵。從穩(wěn)定性

分類的角度來(lái)看，巖體的結(jié)構(gòu)特征可以簡(jiǎn)單地用巖體的破碎程度或完整性來(lái)表示。在某種程

度上它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用嚴(yán)重的程度。實(shí)踐證明，圍巖的破碎程度對(duì)坑道的穩(wěn)定與

否起主導(dǎo)作用，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，坑道就愈容易失穩(wěn)。因此，在近代圍巖

分類法中，都已將巖體的破碎或完整狀態(tài)作為分類的基本指標(biāo)之-0

巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小，以及這些巖塊的組合排列形態(tài)。

關(guān)于巖塊的大小通常都是用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙間距等指標(biāo)表示。所謂裂隙率

就是指沿裂隙法線方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的裂隙數(shù)目，裂隙間距則是指沿裂隙法線方向上裂隙間的

距離。在分類中常將裂隙間距大于1.0~l.5m者視為整體的，而將小于0.2m視為碎塊狀的。

當(dāng)然，這些數(shù)字都是相對(duì)的，僅適用于跨度在5?15m范圍內(nèi)的地F工程。據(jù)此，可以按裂

隙間距將巖體分為：

圍巖

I巖I體III土體1

整體狀大塊狀塊石狀碎石塊土石狀松散狀松軟狀

d>I.Omd=0.4-1.0md=0.2?0.4d<0.2m

d為裂隙間距。這里所說(shuō)的裂隙都是廣義的，包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結(jié)構(gòu)面。

硅質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的，具有很高節(jié)理強(qiáng)度的裂隙不包括在內(nèi)。

2.結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合

在塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)，以及它們

在空間的組合狀態(tài)。對(duì)于隧道來(lái)說(shuō)，圍巖中存在單一的軟弱面，一般并不會(huì)影響坑道的穩(wěn)定

性。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)面與隧道軸線相互關(guān)系不利時(shí)，或者出現(xiàn)兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面時(shí)，才能

構(gòu)成容易墮落的分離巖塊。例如有兩組平行但傾問(wèn)相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或斜交的陡

傾結(jié)構(gòu)面，就可能構(gòu)成屋脊形分離巖塊。至于分離巖塊是否會(huì)塌落或滑動(dòng)，還與結(jié)構(gòu)血的抗

剪強(qiáng)度以及巖塊之間的相互聯(lián)鎖作用有關(guān)。因此，在圍巖分類中，可以從下述的五個(gè)方面來(lái)

研究結(jié)構(gòu)面對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響的大??；

(1)結(jié)構(gòu)面的成因及其發(fā)展史，例如，次生的破壞夾層比原生的軟弱夾層的力學(xué)性質(zhì)差

得多，如再發(fā)生次生泥化作用，則性質(zhì)更差；

(2)結(jié)構(gòu)面的平整、光滑程度；

(3)結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及其充填物質(zhì)情況：

(4)結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與方向性；

(5)結(jié)構(gòu)面的密度與組數(shù)。

3.巖石的力學(xué)性質(zhì)

在整體結(jié)構(gòu)的巖體中，控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學(xué)性質(zhì)，尤其是巖石的強(qiáng)

度。一般來(lái)說(shuō)，巖石強(qiáng)度越高坑道越穩(wěn)定。在圍巖分類中所說(shuō)的巖石強(qiáng)度指標(biāo)，都是指巖石

的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度。因?yàn)檫@種強(qiáng)度的試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)離散性小，而且與其它物理

力學(xué)指標(biāo)有良好的換算關(guān)系。

此外，巖石強(qiáng)度還影響圍巖失穩(wěn)破壞的形態(tài)，強(qiáng)度高的硬巖多表現(xiàn)為脆性破壞，在隧道

內(nèi)可能發(fā)生巖爆現(xiàn)象。而在強(qiáng)度低的軟巖中，則以塑性變形為主，流變現(xiàn)象較為明顯。

4.圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)

圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)是隧道圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。所

以，在某些分類方法中曾有所反映，例加，泰沙基(KTerzaghi)分類法中，曾將同樣是擠壓變

形緩慢的巖層視其埋深不同分為兩類，其預(yù)計(jì)的巖石荷載值相差一倍左右，這就是考慮初始

應(yīng)力的結(jié)果。

在圍巖分類中，如何根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特征引進(jìn)圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的影響，仍是一個(gè)需要進(jìn)一

步研究解決的問(wèn)題。

5.地下水狀況。

隧道施工的實(shí)踐證明，地下水是造成施工坍方，使隧道圍巖喪失穩(wěn)定的最重要因素之一,

因此，在圍巖分類中切不可忽視。當(dāng)然，在巖性不同的巖體中，水的影響也是不相同的，歸

納起來(lái)有如下幾種：

(1)使巖質(zhì)軟化，強(qiáng)度降低，對(duì)軟巖尤其突出。對(duì)土體則可促使其液化或流動(dòng)；

(2)在有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體中，會(huì)沖走充填物質(zhì)或使夾層軟化，減少層間摩阻力促使巖

塊滑動(dòng)；

(3)在某些巖體中，如含有生石膏、巖鹽，或以蒙脫土為主的粘土巖，遇水后將產(chǎn)生膨

脹，其勢(shì)能很大。在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中，水的存在可以產(chǎn)生流砂和潛蝕。

因此，在圍巖分類中，對(duì)軟巖、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)巖體、有軟弱結(jié)構(gòu)面的層狀巖體，

以及膨脹巖等，應(yīng)著重考慮地下水的影響。

在目前的分類法中，對(duì)地下水的處理方法有三種：①在分類時(shí)不將水的影響直接考慮進(jìn)

去，而是根據(jù)圍巖受地下水影響的程度，適當(dāng)降低圍巖的等級(jí)；②分類時(shí)按有水情況考慮，

當(dāng)確認(rèn)圍巖無(wú)水則可提高圍巖的等級(jí)；③直接將地下水的狀況(水質(zhì)、水量、流通條件、靜

水壓等)作為一個(gè)分類的指標(biāo)。前兩種方法是定性的，后一種方法雖可定量，但對(duì)這些量值

的確定，在很大程度上還是要靠經(jīng)驗(yàn)。例如在某些分類法中，先按巖性分類，而后再按地下

水涌出量分為：0~100L/min；101-1000L/min；>1000L/min三種,最后定出它們對(duì)圍巖

穩(wěn)定性的影晌系數(shù)，如表4-1所示。

表4一1地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響系數(shù)

硬質(zhì)巖石軟質(zhì)巖石

涌水

比較完整比較破碎比較完整比較破碎

0~100L/min1.00.91.00.9

101~1000L/min0.90.80.80.7

>1000L/min0.80.70.70.6

在有些分類中，除了考慮上述因素外，還補(bǔ)充了結(jié)構(gòu)面狀態(tài)和地下水壓力的影響，將地

下水的作用進(jìn)一步細(xì)分。

(二)工程活動(dòng)所造成的人為因素

施工等人為因素也是造成圍巖失穩(wěn)的重要條件。其中尤其以坑道的尺寸(主要指跨度)

形狀以及施工中所采用的開(kāi)挖方法等影響較為顯著。

1.坑道尺寸和形狀

實(shí)踐證明，在同-類圍巖中，坑道跨度愈大，坑道圍巖的穩(wěn)定性就愈差，因?yàn)閹r體的破

碎程度相對(duì)加大了。例如，裂隙間距在0.4?1.0m左右的巖體，對(duì)中等跨度(5?10m)的坑道

而言，可算是大塊狀的，但對(duì)大跨度(>15m)的坑道來(lái)說(shuō)，只能算是碎塊狀的。因此，在近

代的圍巖分類法中，有的就明確指出分類法的適用跨度范圍。有的則采用相對(duì)裂隙間距，即

裂隙間距與坑道跨度的比值作為分類的指標(biāo)。例如，相對(duì)裂隙間距為1/5的屬完整的；1/5?

1/20范圍內(nèi)的屬破碎的；>1/20的屬極度破碎的。但也有人反對(duì)這樣做，認(rèn)為將跨度引進(jìn)

圍巖分類法中會(huì)造成對(duì)巖體結(jié)構(gòu)概念的混亂和誤解。比較通用的做法，是將跨度的影響放在

確定圍巖壓力值和支護(hù)結(jié)構(gòu)類型和尺寸時(shí)考慮，這樣將分類的問(wèn)題簡(jiǎn)化了。

坑道的形狀主要影響開(kāi)挖隧道后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。圓形或橢圓形隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)以壓

應(yīng)力為主，這對(duì)維持圍巖的穩(wěn)定性是有好處的。而矩形或梯形隧道，在頂板處的圍巖中將出

現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致巖體張裂破壞。但是，在目前的各種分類法中都沒(méi)有考慮這個(gè)因

素，可能是因?yàn)樯盥袼淼赖臄嗝嫘螤罱^大部分都接近圓形或橢圓形的緣故。

2.施工中所采用的開(kāi)挖方法

從目前的施工技術(shù)水平來(lái)看,開(kāi)挖方法對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響較為明顯，在分類中必

須予以考慮。例如，在同一類巖體中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用礦山法和

采用掘進(jìn)機(jī)法，采用全斷面一次開(kāi)挖和采用小斷面分部開(kāi)挖，對(duì)隧道圍巖的影響都各不相同。

所以，目前大多數(shù)圍巖分類法都是建立在相應(yīng)的施工方法的基礎(chǔ)上的。

以上所述的工程活動(dòng)所造成的人為因素，雖然對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響很大，但為了簡(jiǎn)

化圍巖分類問(wèn)題一般都是以分類的適用條件來(lái)控制,而分類的本身則主要從地質(zhì)因素考慮。

第三節(jié)圍巖分類

一、概述

上面已敘及判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性，而針對(duì)圍巖穩(wěn)定的程度制定相應(yīng)的工程措施——最

佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)，乃是研究隧道地質(zhì)環(huán)境需要解決的兩個(gè)基本問(wèn)題。對(duì)此，工程界

歷來(lái)都并存著兩種截然不同的方法可供采用：經(jīng)驗(yàn)方法和理論方法。由于隧道工程所處地質(zhì)

環(huán)境十分復(fù)雜，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到完善的地步，所以至今隧道工程的設(shè)計(jì)和施工仍

多采用經(jīng)驗(yàn)類比法，此法的基礎(chǔ)是圍巖分類。因?yàn)?，隧道工程所賦存的地質(zhì)環(huán)境下差萬(wàn)別，

它給隧道工程所帶來(lái)的問(wèn)題也是各式各樣的，人們不可能對(duì)每一種特定情況都有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)

和行之有效的處理方法。根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，工程師們認(rèn)識(shí)到各種圍巖的物理性質(zhì)之間存

在著一定的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，因此，有必要根據(jù)一個(gè)或幾個(gè)主要指標(biāo)將無(wú)限的巖體序列劃分

為具有不同穩(wěn)定程度的有限個(gè)類別，即將穩(wěn)定性相似的一些圍巖劃歸為一類，將全部的圍巖

劃分為若干類，這就是隧道圍巖穩(wěn)定性分類，或簡(jiǎn)稱為圍巖分類。在圍巖分類的基礎(chǔ)上再依

照每一類圍巖的穩(wěn)定程度給出最佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？梢哉f(shuō)，圍巖分類是選擇施

工方法的依據(jù)，是進(jìn)行科學(xué)管理及正確評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益、確定結(jié)構(gòu)上的荷載（松散荷載）、確

定襯砌結(jié)構(gòu)的類型及其尺寸、制定勞動(dòng)定額、材料消耗標(biāo)準(zhǔn)等的基礎(chǔ)。

二、圍巖分類的方法

圍巖分類的原則有多種，它是在人們對(duì)隧道工程的不斷實(shí)踐和對(duì)圍巖的地質(zhì)條件逐漸加

深了解的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。不同的國(guó)家，不同的行業(yè)都根據(jù)各自的工程持點(diǎn)提出了各自的

圍巖分類原則?，F(xiàn)行的許多圍巖分類方法中，作為分類的基本要素大致有三大類：

第I類與巖性有關(guān)的要素。例如分為硬巖、軟巖、膨脹性巖等，其分類指標(biāo)是采用

巖石強(qiáng)度和變形性質(zhì)等，如巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的變形模量或彈性波速度等。

第n類與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的要素。如軟弱結(jié)構(gòu)面的分布與性態(tài)、風(fēng)化程度等。其分類指

標(biāo)采用巖石質(zhì)量指標(biāo)、地質(zhì)因素評(píng)分法等等。這些指標(biāo)實(shí)質(zhì)上是對(duì)巖體完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)的

評(píng)價(jià)。這類指標(biāo)在劃分圍巖的類別中一般占有重要的地位。

第川類與地卜.水有關(guān)的要素。

目前國(guó)內(nèi)外圍巖的分類方法，考慮上述三大基本要素，按其性質(zhì)主要有下列幾種：

（一）以巖石強(qiáng)度或巖石的物性指標(biāo)為代表的分類方法

1.以巖石強(qiáng)度為基礎(chǔ)的分類方法

這種圍巖分類單純以巖石的強(qiáng)度為依據(jù)，例如我國(guó)解放前及解放初期（如修建成渝線時(shí)）

的土石分類法。即把巖石分為堅(jiān)石、次堅(jiān)石、松石及土四類。并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的四種隧道襯砌

結(jié)構(gòu)類型。在國(guó)外，有日本初期采用的“國(guó)鐵土石分類法”。

這種分類方法認(rèn)為坑道開(kāi)挖后，它的穩(wěn)定性主要取決于巖石的強(qiáng)度，巖石愈堅(jiān)硬，坑道

愈穩(wěn)定，反之，巖石愈松軟，坑道的穩(wěn)定性就愈差。實(shí)踐證明，這種認(rèn)識(shí)是不全面的，例如

我國(guó)陜北的老黃土，無(wú)水時(shí)直立性很強(qiáng)，穩(wěn)定性相當(dāng)高，在無(wú)支護(hù)條件下能維持十幾年、甚

至幾十年之久，但其單軸抗壓強(qiáng)度卻很低。又如江西、福建一帶的紅砂巖，整體性好，坑道

開(kāi)挖后的穩(wěn)定性較好，但其強(qiáng)度卻不高，因此單純以巖石強(qiáng)度為基礎(chǔ)的分類方法需要改進(jìn)并

完善。

2.以巖石的物性指標(biāo)為基礎(chǔ)的分類方法

在這種分類方法中，具有代表性的是前蘇聯(lián)普洛托季雅柯諾夫教授提出的“巖石堅(jiān)固性

系數(shù)”分類法（或稱“/”值分類法，也叫普氏分類法）。它把圍巖分成10類。這種分類法

曾在我國(guó)的隧道工程中得到廣泛的應(yīng)用。值是一個(gè)綜合的物性指標(biāo)值，它表示巖石在

采礦中各個(gè)方面的相對(duì)堅(jiān)固性，如巖石的抗鉆性、抗爆性、強(qiáng)度……等。但以往人們確定“一”

值主要采用強(qiáng)度試驗(yàn)方法，即題羽=―—Re（R,——巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度），再

兼顧其它指標(biāo)，它仍是巖石強(qiáng)度指標(biāo)的反映。

我國(guó)把“了”值應(yīng)用到隧道工程的設(shè)計(jì)、施工時(shí)，考慮了地質(zhì)條件的影響，即考慮圍巖

的節(jié)理、裂隙、風(fēng)化等條件,實(shí)質(zhì)上是把由強(qiáng)度決定的“值適當(dāng)降低，即：f巖體=k.f巖石（k

——地質(zhì)條件折減系數(shù)）。這樣的“/”值就是巖體堅(jiān)固性系數(shù)。

（-）以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分類方法

1.這種分類法以泰沙基分類法為代表

此法是在早期提出的，限于當(dāng)時(shí)的條件僅把不同巖性、不同構(gòu)造條件的圍巖分成九類，

每類都有一個(gè)相應(yīng)的地壓范圍值和支護(hù)措施。在考慮問(wèn)題時(shí)是以坑道有水的條件為基礎(chǔ)的，

當(dāng)確認(rèn)無(wú)水時(shí)，4?7類圍巖的地壓值應(yīng)降低50%。這?分類方法曾長(zhǎng)期被各國(guó)所采用，至

今仍有廣泛的影響。

2.以巖體綜合物性為指標(biāo)的分類方法

60年代我國(guó)在積累大量鐵路隧道修建經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了以巖體綜合物性指標(biāo)為基礎(chǔ)

的“巖體綜合分類法”，并于1975年經(jīng)修正后正式作為鐵路隧道圍巖分類方法，1986年再作

修訂后列入我國(guó)現(xiàn)行的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》。

（三）與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分類方法

1.按彈性波（縱波）速度的分類方法

隨著工程地質(zhì)勘探方法，尤其是物探方法的進(jìn)展。1970年前后，日本提出了按圍巖彈性

波速度進(jìn)行分類的方法。圍巖彈性波速度是判斷巖性、巖體結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo)，它既可反映巖

石軟硬，又可表明巖體結(jié)構(gòu)的破碎程度。根據(jù)巖性、地質(zhì)狀況及土壓狀態(tài)，將圍巖分成七類。

我國(guó)從1986年起也開(kāi)始將圍巖彈性波（縱波）速度引入我國(guó)分類法中。

2.以巖石質(zhì)量為指標(biāo)的分類方法——RQD方法

所謂巖石質(zhì)量指標(biāo)是指鉆探時(shí)巖芯的復(fù)原率，或稱巖芯采取率，這是美國(guó)伊利諾大學(xué)迪

爾等人提出的，認(rèn)為鉆探獲得的巖芯其完整程度與巖體的原始裂隙、硬度、均質(zhì)性等狀態(tài)有

關(guān)，因此可用巖芯復(fù)原率來(lái)表達(dá)巖體質(zhì)量。所謂巖芯復(fù)原率即單位長(zhǎng)度的鉆孔中10cm以h

的巖芯占有的比例，可寫(xiě)為

10cm以上巖芯累計(jì)長(zhǎng)度

RQD(%)=(4-1)

單位鉆孔長(zhǎng)度

這個(gè)分類方法將圍巖分成五類，認(rèn)為：>90%為優(yōu)質(zhì)，75%<RQOV90%為

良好，50%VR。。<75%為好，25%VRQD<50%為差，及<25%為很差。

（四）組合多種因素的分類方法

比較完善的是1974年挪威地質(zhì)學(xué)家巴頓等人提出的“巖體質(zhì)量——Q”的分類方法。

這個(gè)分類方法是把表明巖體質(zhì)量的六個(gè)地質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)為

絲￡土色（4-2）

JhhSRF

式中RQO一巖石質(zhì)量指標(biāo)；

Jh——節(jié)理組數(shù)目，巖體愈破碎，右取值愈大，例如，整體沒(méi)有或很少有節(jié)理的巖體,

（=0.5?1.0；兩個(gè)節(jié)理組時(shí)乙=4；破碎巖體，類似土的乙,=20等等；

Jr——節(jié)理粗糙度，節(jié)理愈光滑，取值愈小，例如，不連續(xù)節(jié)理=4；平整光滑

的（=0.5等等；

Ja——節(jié)理蝕變值，蝕變愈嚴(yán)重，■/“取值愈大。例I如，節(jié)理面緊密結(jié)合，夾有堅(jiān)硬不

軟化的充填物時(shí)，（=0.75,節(jié)理中夾有膨脹性粘土，如蒙脫土?xí)r，Ja=8~

12等等；

J,——節(jié)理含水折減系數(shù)，節(jié)理滲水量愈大，水壓愈高，兒,取值愈小，例如，干燥或

微量滲水，水壓<0.1Mpa,=而滲水量特別大，或水壓特別高，持續(xù)無(wú)

明顯衰減的J,,.=0.1-0.05等等；

SRF——應(yīng)力折減系數(shù)，圍巖初始應(yīng)力愈高，SRF取值愈大。例如：脆性而堅(jiān)硬的巖石,

有嚴(yán)重巖爆現(xiàn)象時(shí)，SRk=10?20；堅(jiān)硬巖石有單一剪切帶的，SRF=2.5。

關(guān)于以上六個(gè)參數(shù)的詳細(xì)說(shuō)明和取值標(biāo)準(zhǔn)可參閱有關(guān)專著。

通過(guò)進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，（理）表示巖塊的大小，（心）表示巖塊間的抗剪強(qiáng)度，

L,Ja

（工）表示作用應(yīng)力。所以巖體質(zhì)量值實(shí)質(zhì)上是巖塊尺寸、抗剪強(qiáng)度和作用力的復(fù)合指

SRF

標(biāo)。根據(jù)不同的。值，將巖體質(zhì)量評(píng)為九等，即：。=400?1000為特別好；。=100?400

為極好；。=40?100為良好；。=10?40為好；。=4?10為中等；。=1?4為不良；。

=0.1?1為壞；Q=0.01?0.1為極壞；Q=0.001?0.01為特別壞。

綜上所述，圍巖分類是多種多樣的，至今還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的分類方法，但從發(fā)展趨勢(shì)看,

圍巖的分類方法應(yīng)沿以下幾個(gè)方面發(fā)展：

（1）分類應(yīng)主要以巖體為對(duì)象。單一的巖石只是分類中的一個(gè)要素，巖體則包括巖塊和

各巖塊之間的軟弱結(jié)構(gòu)面，因此分類的重點(diǎn)應(yīng)放在巖體的研究上。

（2）分類宜與地質(zhì)勘探手段有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。這樣才有一個(gè)方便而又較可靠的判斷手段,

隨著地質(zhì)勘探技術(shù)的發(fā)展，這將使分類指標(biāo)更趨定量化。

（3）分類要有明確的工程對(duì)象和工程目的。目前多數(shù)的分類方法都與坑道支護(hù)相聯(lián)系。

坑道圍巖的穩(wěn)定性，坑道開(kāi)挖后暫時(shí)穩(wěn)定時(shí)間等與支護(hù)方法和類型密切相關(guān)。因而進(jìn)行分類

時(shí)以此來(lái)體現(xiàn)工程目的是不可缺少的。

（4）分類宜逐漸定量化。目前大多數(shù)的分類指標(biāo)是經(jīng)驗(yàn)或定性的，只有少數(shù)分類是半定

量的，這是由于客觀條件的地質(zhì)體非常復(fù)雜的緣故。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)圍巖分類定量化的研

究取得了一定的進(jìn)展，已提出了一些定量評(píng)價(jià)圍巖分類的指標(biāo)值。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者提出了采用模糊數(shù)學(xué)分類、根據(jù)坑道周邊量測(cè)的收斂值分類、采

用人工智能——專家系統(tǒng)分類等等的建議，這些設(shè)想都將使圍巖分類方法II趨完善。

三、我國(guó)公路與鐵路隧道的圍巖分類方法

在我國(guó)1986年修訂的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中，明確規(guī)定了目前鐵路隧道圍巖分類所

采用的兩種方法，即：以圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的分類方法和按彈性波（縱波）速度的分類方法。

交通部于1992年制訂的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中，圍巖分類采用了與鐵路隧道完全相同的

分類方法。

（-）以圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的分類方法

這種分類方法主要考慮如下三個(gè)基本因素：

1.巖體的結(jié)構(gòu)特征與完整狀態(tài)

對(duì)于受軟弱面控制的巖體，按軟弱面的產(chǎn)狀、貫通性、充填情況分為：整體結(jié)構(gòu)、塊狀

結(jié)構(gòu)、碎裂（鑲嵌）結(jié)構(gòu)、疏松結(jié)構(gòu)、松軟結(jié)構(gòu)等五類；由于圍巖的完整性與其所受的構(gòu)造

變動(dòng)程度直接相關(guān)，所以，將圍巖分為構(gòu)造變動(dòng)輕微、較重、嚴(yán)重、很嚴(yán)重等四級(jí)，作為巖

體受地質(zhì)構(gòu)造作用影響程度的定性描述，詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)表4-2；同時(shí)，還采用了節(jié)理（裂隙）發(fā)

育程度，作為圍巖完整性的定量指標(biāo)。根據(jù)節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度的不同，將圍巖分為：節(jié)理

不發(fā)育、節(jié)理較發(fā)育、節(jié)理發(fā)育、節(jié)理很發(fā)育等四級(jí)，見(jiàn)表4-3；風(fēng)化作用使巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生

變化時(shí)，應(yīng)結(jié)合因風(fēng)化作用造成的各種狀態(tài)，綜合考慮確定圍巖的結(jié)構(gòu)完整狀態(tài)；對(duì)于層狀

巖體，以厚度大于0.5m者為厚層，0.1?0.5m之間的為中層，小于0.Im的為薄層。

2.巖石強(qiáng)度

將巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖按巖性、物理力學(xué)參數(shù)、耐風(fēng)化能力和作為建筑材料的要求

劃分為：硬質(zhì)巖石和軟質(zhì)巖石二級(jí)，又根據(jù)單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度此與工程的關(guān)系（例如，

與開(kāi)挖工作的關(guān)系）分為四種，其標(biāo)準(zhǔn)及代表性巖石見(jiàn)表4-4。當(dāng)風(fēng)化作用使巖石成分改變，

溫度降低時(shí)，應(yīng)按風(fēng)化后的強(qiáng)度確定巖石的等級(jí)。

_________表4-2圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響程度等級(jí)劃分_________________________

等級(jí)|地質(zhì)構(gòu)造作川特征

輕微圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)小，無(wú)斷裂（層）：層狀巖體斜構(gòu)造；節(jié)理不發(fā)育

圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)較大，位于斷裂（層）或褶曲軸的鄰近地段；可有小斷層，節(jié)理較發(fā)

較重

育

圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)較強(qiáng)烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內(nèi)；軟巖多見(jiàn)扭曲及拖拉現(xiàn)象；

嚴(yán)重

節(jié)理發(fā)育

很嚴(yán)重位于斷裂（層）破碎帶內(nèi)；節(jié)理很發(fā)育；巖體呈碎石、角礫狀有的甚至呈粉末泥土狀

表4-3圍巖節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度劃分

等級(jí)地質(zhì)構(gòu)造作用特征

節(jié)理（裂隙）1?2組，規(guī)則，為原生型或構(gòu)造型，多數(shù)的間距在1.0m以上，為密

節(jié)理不發(fā)育

閉型。巖體被切割成塊狀

節(jié)理（裂隙）2?3組，呈x型，較規(guī)則，以構(gòu)造型為主，多數(shù)的間距大于0.4m,

節(jié)理較發(fā)育

多為密閉。部分微張開(kāi)，少有填充物。巖體被切割成大塊狀

節(jié)理（裂隙）3組以上，不規(guī)則，呈x型或米字形，以構(gòu)造型或風(fēng)化型為主，多數(shù)

節(jié)理發(fā)育間距小于0.4m,大部分微張開(kāi)，部分張開(kāi)，大部分為粘性土充填。巖體被切割成塊、

碎石狀

節(jié)理（裂隙）3組以上，雜亂，以風(fēng)化型和構(gòu)造型為主，多數(shù)間距小于0.2m,微張

節(jié)理很發(fā)育

開(kāi)或張開(kāi)，部分為粘上充填。巖體被切割成碎石狀

表4一4巖石強(qiáng)度劃分

單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度

巖石類別代表性巖石

Rh（MPa）

1.花崗巖，閃長(zhǎng)巖，玄武巖等

60以上

極硬巖2.硅質(zhì)，鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖及砂巖，石灰

硬質(zhì)巖石石，N石等

硬質(zhì)巖30以上~603.片麻巖，石英巖，大理巖，板巖，片

巖等

1.凝灰?guī)r等。

軟質(zhì)巖5以上~30

2.泥礫巖，泥質(zhì)砂巖,泥質(zhì)頁(yè)巖,灰質(zhì)頁(yè)

軟質(zhì)巖石

巖,泥灰?guī)r，泥巖，煤等

極軟巖5以下3.云母片巖或千枚巖等

3.地下水

在隧道圍巖分類中，對(duì)地下水的處理采用降級(jí)的方法。在整體狀的硬質(zhì)巖石中，?般的

地下水對(duì)它的穩(wěn)定性影響不大，可不考慮降級(jí)；在塊狀硬質(zhì)巖石和整體狀軟質(zhì)巖石中，而根

據(jù)地下水的類型、水量和危害程度調(diào)整圍巖類別，當(dāng)?shù)叵滤绊憞鷰r穩(wěn)定，產(chǎn)生局部坍塌，

或軟化軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，可酌情降低1級(jí)；在碎石狀松散結(jié)構(gòu)的巖體中，當(dāng)裂隙中夾有泥質(zhì)充

填物時(shí)，地下水對(duì)穩(wěn)定性的影響很大，可根據(jù)地下水類型、水量、滲水條件、動(dòng)水和靜水壓

力等條件，判斷它對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響程度，可酌情降低1~2級(jí)；在強(qiáng)烈的斷裂帶內(nèi)，或軟

塑狀粘性土和潮濕的粉細(xì)砂中，分類已經(jīng)考慮了般的含水狀態(tài)，可不再降級(jí)。若遇特殊含

水地層，如已達(dá)飽和狀態(tài)或具有較大承壓水流時(shí)，需另作處理。

4.彈性波傳播速度

鐵路隧道圍巖分類中還指出，如有彈性波（縱波）傳播速度的測(cè)試資料?，亦可作為判斷圍

巖類別的根據(jù)。彈性波縱波速度Vp與圍巖類別的關(guān)系見(jiàn)表4-50

表4一5彈性波（縱波）速度分類

圍巖類別VIVIVUI11I

彈性波（縱波）速度vp,km/sec>4.53.5-4.52.4~4.01.5?3.01.0~2.0<1.0

*飽和土壤；vp(1.5km/sec)

（三）公路與鐵路隧道圍巖的分類表

根據(jù)以上對(duì)分類因素和指標(biāo)的分析，本分類中將隧道圍巖共分為六類，并給出了各類圍

巖的主要工程地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)特征和完整性等的指標(biāo)。并預(yù)測(cè)了隧道開(kāi)挖后，可能出現(xiàn)塌方、

滑動(dòng)、膨脹、擠出、巖爆、突然涌水及瓦斯突出等失穩(wěn)的部位和地段，給出了相應(yīng)的工程措

施的意見(jiàn)。具體分類表見(jiàn)表4-6。

表4-6鐵路與公路隧道圍巖分類

類別圍巖主要工程地質(zhì)條伸圍巖開(kāi)挖后

（級(jí)別）主要工程地質(zhì)特征結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)

硬質(zhì)巖石（飽和抗壓極限強(qiáng)度R>60MPa）,受地質(zhì)構(gòu)造

VIb圍巖穩(wěn)定，無(wú)坍塌，

影響輕微，節(jié)理不發(fā)育，無(wú)軟弱面（或夾層）；層狀巖呈巨塊狀整體結(jié)構(gòu)

(1)可能產(chǎn)生巖爆

層為厚層，層間結(jié)合良好

硬質(zhì)巖石（R}>30MPa）,受地質(zhì)構(gòu)造影響較重，節(jié)理較

發(fā)育，有少量軟弱面（或夾層）和貫通微張節(jié)理，但其暴露時(shí)間長(zhǎng)，可能

產(chǎn)狀及組合關(guān)系不致產(chǎn)生滑動(dòng)；層狀巖層為中層或厚呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)局部小坍

V

層，層間結(jié)合?般，很少有分離現(xiàn)象；或?yàn)橛操|(zhì)巖石偶塌，側(cè)壁穩(wěn)定，層

(II)

夾軟質(zhì)巖石間結(jié)合差的平緩巖

軟質(zhì)巖石（R）^BOMPa）,受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微，節(jié)理

呈巨塊狀整體結(jié)構(gòu)層，頂板易塌落

不發(fā)育，層狀巖層為厚層，層間結(jié)合良好

硬質(zhì)巖石（曷,>30MPa）,受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)

呈塊（石）碎（石）狀

育，有層狀軟弱面（或夾層），但其產(chǎn)狀及組合關(guān)系尚拱部無(wú)支護(hù)時(shí)可產(chǎn)

不致產(chǎn)生滑動(dòng)；層狀巖層為薄層或中層，層間結(jié)合差，鑲嵌結(jié)構(gòu)

IV生小坍塌，側(cè)壁基

多有分離現(xiàn)象；或?yàn)橛病④涃|(zhì)巖石夾層

(III)本穩(wěn)定，爆破震動(dòng)

軟質(zhì)巖石（R=5以上~30Mpa）,受地質(zhì)構(gòu)造影響較重,

h過(guò)大易坍塌

節(jié)理較發(fā)育；層狀巖層為薄層、中層或厚層，層間結(jié)合呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)

一般

硬質(zhì)巖石（R/,〉30MPa）受地質(zhì)構(gòu)造影響很嚴(yán)重，節(jié)理很

呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)

發(fā)育，層狀軟弱面（或夾層）已基本被破壞

拱部無(wú)支護(hù)時(shí)可產(chǎn)

III軟質(zhì)巖石（R%=5以上?30MPa）,受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重,呈塊（石）碎（石）狀

鑲嵌結(jié)構(gòu)生較大的坍塌，側(cè)

(IV)節(jié)理發(fā)育

壁有時(shí)失去穩(wěn)定

土：1.略具壓密或成巖作用的黏土及砂類土1、2呈大塊狀壓密結(jié)

2.黃土（Qi，Q2）構(gòu)：3呈巨塊狀整體結(jié)

3.一般鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的碎、卵石土、大塊石土構(gòu)

石質(zhì)圍巖位于擠壓強(qiáng)烈的斷裂帶內(nèi)，裂隙雜亂，呈石夾呈角（礫）碎（石）狀圍巖易坍塌，處理

11土或土夾石狀松散結(jié)構(gòu)不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大坍

塌，側(cè)壁經(jīng)常小坍

(V)非粘性土呈松散結(jié)構(gòu)；

一般第四系的半干硬?硬塑的粘性土及稍濕至潮濕的塌，淺埋時(shí)易出現(xiàn)

粘性上及黃土呈松軟

一般碎、卵石土、圓礫、角礫土及黃土（Q.Q）地表下沉（陷）或

4結(jié)構(gòu)

坍塌至地表

石質(zhì)圍巖位于擠壓極強(qiáng)烈的斷裂帶內(nèi)，呈角礫、砂、泥

呈松軟結(jié)構(gòu)圍巖極易坍塌變

松軟體狀

I形，有水時(shí)土砂常

粘性土呈易蠕動(dòng)的

與水一齊涌出，淺

(VI)軟塑狀粘性土及潮濕的粉細(xì)砂等松軟結(jié)構(gòu)，砂性土呈

埋時(shí)易坍塌至地表

潮濕松散結(jié)構(gòu)

注：1999年頒布的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》在原來(lái)圍巖分類方法的基礎(chǔ)上，改為以圍巖級(jí)別代表圍巖類

別，從1級(jí)到VI級(jí)表示圍巖的穩(wěn)定性從好到差，故括號(hào)內(nèi)的圍巖級(jí)別是針對(duì)鐵路隧道而言，而公路

隧道仍采用圍巖類別。

在隧道施工過(guò)程中，根據(jù)對(duì)隧道圍巖的直接觀察、量測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果，可進(jìn)一步核定巖層

構(gòu)造、巖性及地下水等情況，從而可以判斷圍巖的穩(wěn)定程度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件與實(shí)際情況不

相符合時(shí)，應(yīng)及時(shí)修改圍巖類別，并變更支護(hù)設(shè)計(jì)。

應(yīng)當(dāng)指出。我國(guó)鐵路與公路隧道圍巖分類方法與全國(guó)的圍巖分類方法并不統(tǒng)一。今后應(yīng)

當(dāng)研究全國(guó)統(tǒng)一的隧道圍巖分類辦法，以便各部門(mén)間的彼此交流。

第四節(jié)圍巖壓力

一、巖體初始應(yīng)力狀態(tài)

巖體初始應(yīng)力狀態(tài)，是指隧道開(kāi)挖前未擾動(dòng)的巖體應(yīng)力狀態(tài)。任何物體受著地心引力的

作用都處于自重力作用狀態(tài)。對(duì)于地殼巖體來(lái)說(shuō)，它還經(jīng)歷了長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖體處

于更為復(fù)雜的受力狀態(tài)，這種受力狀態(tài)我們稱之為巖體的初始應(yīng)力（也稱原始應(yīng)力、地應(yīng)力

或一次應(yīng)力）。

瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆通過(guò)對(duì)大型越嶺隧道圍巖的工作狀態(tài)觀察，首先提出地應(yīng)力的概念。

1905年至1912年.海姆假定巖體中有一個(gè)垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力，并認(rèn)為垂直應(yīng)力與上覆巖層

重量有關(guān)，水平應(yīng)力與垂宜應(yīng)力相等。

1915年瑞典人哈斯特首先在斯堪的納維亞半島開(kāi)創(chuàng)了地應(yīng)力的量測(cè)工作，通過(guò)量測(cè)與理

論分析證明，地應(yīng)力是個(gè)非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)，它是時(shí)間與空間的函數(shù)。但對(duì)人類工程活動(dòng)所涉

及的那一部分地殼巖體，在工程活動(dòng)期限內(nèi)除少數(shù)構(gòu)造活動(dòng)帶外，時(shí)間上的變化可不予考慮。

地應(yīng)力著重考慮重力和構(gòu)造應(yīng)力，但由于地下工程所處范圍內(nèi)情況十分復(fù)雜，對(duì)構(gòu)造應(yīng)

力目前尚難完全搞清楚，因此目前主要研究巖體重

力所形成的應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于需要確切了解包含有構(gòu)造U1/HIIII/I1///IIIfII/f//flf/

應(yīng)力的地應(yīng)力，一般宜通過(guò)實(shí)地量測(cè)加以確定。

對(duì)于自重形成的應(yīng)力場(chǎng)，是建立在假定巖體是01q

03

均勻連續(xù)介質(zhì)這一基礎(chǔ)上的，可運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)理論

進(jìn)行分析。

02-----------02_

設(shè)巖體為半無(wú)限體，地血為水平，距地表深

度〃處取一個(gè)單元體，其上作用有應(yīng)力,、。2、/

03

01

圖4-5

%，如圖4-5所示。該單元體處于受力的平衡狀態(tài)，變形運(yùn)動(dòng)相對(duì)為靜止?fàn)顟B(tài)、在上覆巖體

自重作用下，其垂直應(yīng)力?為：

5=yh（4-3）

式中/——巖體容重；

h——單元體所處的深度。

若巖體由多種不同的水平巖層所組成，每一巖層的厚度為4,容重為九，則巖體的垂直

應(yīng)力為

%=工九%（4-4）

,=1

式中n——水平巖層的層數(shù)。

由于單元體的側(cè)向變形受到周圍地層的限制，從而產(chǎn)生了側(cè)向應(yīng)力%和。3,其數(shù)值山

上覆巖體的自重和地層的物理力學(xué)性質(zhì)所決定。如把巖體看作各向同性的彈性體，則

=Xb]=A/Il

或O~2=/=（4-5）

r=l

式中2一一側(cè)壓力系數(shù)。

根據(jù)例向變形（三，與）為零的條件，由物理方程有

則CT,=----CF](4-6)

1一〃

式中〃——巖體的泊松比。

顯然.當(dāng)垂直應(yīng)力已知時(shí)，側(cè)向應(yīng)力的大小，決定于巖體的泊松比。大多數(shù)巖體的泊松

比變化在0.15-0.35的范圍內(nèi).則計(jì)算所得的幾值在0.18~0.54之間、因此在自重應(yīng)力場(chǎng)

中，通常側(cè)向應(yīng)力小于垂直應(yīng)力。

深度對(duì)初始應(yīng)力狀態(tài)有著重大的影響，隨著深度的增加，歷和a2（5。也在增大，但巖

體本身的強(qiáng)度是有限的，當(dāng)6和?增加到一定值后，其物性值（E和〃）及幾值開(kāi)始發(fā)生變

化，并隨著深度的增加幾值將趨于1,此時(shí)與靜水壓力相似，巖體接近流動(dòng)狀態(tài)。

由此可見(jiàn)，巖體自重應(yīng)力場(chǎng)中的垂直應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力隨深度而變化，巖體的應(yīng)力狀態(tài)可

能是處于彈性、隱塑性或流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)量測(cè)資料分析，在通常隧道的埋深情況下，巖體可

近似認(rèn)為處于彈性狀態(tài)。

二、圍巖壓力及其分類

（-）圍巖壓力

圍巖壓力是指引起地下開(kāi)挖空間周圍巖體和支護(hù)變形或破壞的作用力。它包括由地應(yīng)力

引起的圍巖應(yīng)力及圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力。因此，從廣義來(lái)理解，圍巖

壓力既包括圍巖有支護(hù)的情況，也包括圍巖無(wú)支護(hù)的情況；既包括作用在普通的傳統(tǒng)支護(hù)如

架設(shè)的支撐或施作的襯砌上所顯示的力學(xué)性態(tài)，也包括在錨噴和壓力灌漿等現(xiàn)代支護(hù)的方法

中所顯示的力學(xué)性態(tài)。從狹義來(lái)理解.圍巖壓力是圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。在工程中

一般研究狹義圍巖壓力。

(二)圍巖壓力分類

圍巖壓力按作用力發(fā)生的形態(tài)分類，一般可分為如下幾種類型。

1.松動(dòng)壓力

由于開(kāi)挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力稱松動(dòng)(散)壓

力，松動(dòng)壓力按作用在支護(hù)上的位置不同分為豎向壓力、側(cè)向壓力和底壓力。松動(dòng)壓力通常

在下列三種情況下發(fā)生：

(1)在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個(gè)別松動(dòng)掉塊的巖石；

(2)在松散軟弱的巖體中，坑道項(xiàng)部和兩側(cè)邊幫冒落；

(3)在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿軟弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。

2.形變壓力

它是由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)如錨噴等的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形

過(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。所以形變壓力除與圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與支

護(hù)時(shí)間和支護(hù)剛度有關(guān)。

3.膨脹壓力

當(dāng)巖體具有吸水膨脹崩解的特征時(shí)，由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱為膨脹壓

力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。

4.沖擊壓力

它通常是由“巖爆”引起的。當(dāng)圍巖中積累了大量的彈性變形能之后，在開(kāi)挖時(shí)，隧道

由于圍巖的約束被解除，被積累的彈性變形能會(huì)突然釋放，引起巖塊拋射所產(chǎn)生的壓力。

由于沖擊壓力是巖體能量的積累和釋放問(wèn)題，所以它與彈性摸量直接相關(guān)，彈性摸量

大的巖體，在高地應(yīng)力作用下，易于積累大量的彈性變形能，一旦遇到適宜條件，它就會(huì)

突然猛烈地大量釋放。

三、影響圍巖壓力的因素

影響圍巖壓力的因素很多.通?？煞譃閮纱箢?。一類是地質(zhì)因素，它包括原始應(yīng)力狀態(tài)、

巖石力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面等；另一類是工程因素，它包括施工方法、支護(hù)設(shè)置時(shí)間、支護(hù)

本身剛度、坑道形狀等。

在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，由于受到開(kāi)挖面的約束，使其附近的圍巖不能立即釋放全部瞬時(shí)彈

性位移，這種現(xiàn)象稱為開(kāi)挖面的“空間效應(yīng)”。如在“空間效應(yīng)”范圍(一般為1~1.5倍洞

跨)內(nèi)，設(shè)置支護(hù)就可減少支護(hù)前的圍巖位移值。所以采用緊跟開(kāi)挖面支護(hù)的施工方法.可

提高圍巖的穩(wěn)定性。

四、圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定方法

(-)圍巖松動(dòng)壓力的形成

開(kāi)挖隧道所引起的圍巖松動(dòng)和破壞范圍有大有小，如有的可達(dá)地表，有的

則影響較小。對(duì)于一般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅涉及隧道周圍一定深度。所以

作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆地層自重所造成的壓力。這可以用圍巖的

“成拱作用”來(lái)解釋，以水平巖層中開(kāi)挖一個(gè)矩形坑道，來(lái)說(shuō)明坑道開(kāi)挖后圍巖由變形

到坍塌成拱的整個(gè)變形過(guò)程，如