連 凌 云

(遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，遼寧 大連 116037)

1 概述

隨著國(guó)家高速公路網(wǎng)的擴(kuò)展與完善，山嶺公路隧道在高速公路建設(shè)項(xiàng)目中的占比逐漸增大，圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題引起的關(guān)注程度顯著提高，因此在公路隧道設(shè)計(jì)與施工當(dāng)中，對(duì)圍巖壓力的全面和深入認(rèn)識(shí)必須引起足夠重視。圍巖是隧道施工過(guò)程中初始應(yīng)力受到擾動(dòng)而發(fā)生應(yīng)力重分布的那部分巖體[1]，一般范圍為開挖跨徑的3倍～5倍。圍巖壓力對(duì)于隧道工程來(lái)講，應(yīng)該是決定性的因素，其性質(zhì)、分布與量值等均對(duì)隧道工程的設(shè)計(jì)與施工等產(chǎn)生重要影響[2-7]。

2 圍巖壓力分類

2.1 松散壓力

隧道開挖后初始應(yīng)力的重分布往往伴隨著圍巖的變形與破壞，并逐步形成新的平衡狀態(tài)，達(dá)到新平衡狀態(tài)的標(biāo)志往往是平衡壓力拱的形成，壓力拱之內(nèi)的巖體一般以重力失穩(wěn)的形式坍塌掉落與襯砌結(jié)構(gòu)上，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用。一般圍巖完整性較差的地段往往會(huì)形成較大的松散壓力。現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》當(dāng)中所計(jì)算的圍巖壓力就是此類松散壓力。

2.2 形變壓力

因?yàn)榈刭|(zhì)體是一種彈塑性介質(zhì)，隧道開挖前由于受原始地應(yīng)力的影響，其處于擠壓狀態(tài)，必然儲(chǔ)存一定的變形能。隧道開挖后，由于創(chuàng)造了臨空面，圍巖內(nèi)部所儲(chǔ)存的彈性變形能必然會(huì)釋放。一般情況下，彈性變形釋放速度較快，由于支護(hù)機(jī)構(gòu)設(shè)立的滯后性，彈性變形對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力較為有限。但對(duì)于塑性變形，由于其具有隨時(shí)間增長(zhǎng)而變化的特點(diǎn)，這種由圍巖的塑性變形而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力稱為形變壓力。

2.3 膨脹壓力

許多巖石當(dāng)中都含有吸水能發(fā)生膨脹的黏土性礦物，如蒙脫石、伊利石、高嶺石等，這些礦物由于特殊的晶格組成構(gòu)造，水分子極易嵌入其中而產(chǎn)生膨脹，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)膨脹的限制而產(chǎn)生在支護(hù)結(jié)構(gòu)上形成膨脹壓力。膨脹壓力形成的必要條件有兩個(gè)：一是膨脹性黏土礦物的存在；二是地下水的存在。雖然膨脹壓力與形變壓力均為圍巖產(chǎn)生變形而對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力，但二者產(chǎn)生機(jī)理不同，膨脹壓力是由巖石吸水礦物因吸水膨脹而在支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力，而形變壓力是由圍巖塑性形變產(chǎn)生的壓力，兩者有本質(zhì)的區(qū)別。

2.4 沖擊壓力

對(duì)于堅(jiān)硬、完整性好、干燥且處于高地應(yīng)力環(huán)境之中的巖體，當(dāng)隧道開挖提供臨空面后，圍巖彈性變形能的釋放往往表現(xiàn)的非常劇烈，常見的形式是巖爆，這種動(dòng)態(tài)作用產(chǎn)生的壓力為沖擊壓力。

隧道施工過(guò)程當(dāng)中主要采用強(qiáng)化圍巖或弱化圍巖兩種方式來(lái)預(yù)防沖擊壓力的破壞作用。強(qiáng)化圍巖主要包括錨噴支護(hù)使圍巖應(yīng)力狀態(tài)由二向調(diào)整為三向，弱化圍巖主要包括注水軟化圍巖使其儲(chǔ)存的應(yīng)變能提前釋放。

3 影響圍巖壓力的因素

3.1 客觀地質(zhì)因素

3.1.1巖石物理力學(xué)性質(zhì)

巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是指巖石的強(qiáng)度指標(biāo)與變形指標(biāo)等及其對(duì)應(yīng)的力學(xué)行為特性。例如，巖石強(qiáng)度低，圍巖壓力大，反之亦然。巖石變形模量大，圍巖壓力相對(duì)較小等。作為宏觀地質(zhì)體的巖體，其彈性、塑性和黏性屬性的差異均對(duì)圍巖壓力產(chǎn)生影響，如前述的形變壓力主要由塑性變形引起，沖擊壓力主要由彈性變形引起，圍巖的黏性對(duì)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力的時(shí)間效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。

3.1.2巖體結(jié)構(gòu)

巖體結(jié)構(gòu)控制論指出，巖體的變形與破壞受巖體結(jié)構(gòu)所控制，從另一個(gè)角度來(lái)理解即為巖體結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖壓力產(chǎn)生重要影響。巖體結(jié)構(gòu)包括整體塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)等，不同的結(jié)構(gòu)形式，巖體的變形與破壞形式不僅相同。完整性好的巖體以形變壓力為主，而完整性差的巖體以松散壓力為主。

3.1.3初始應(yīng)力

任何隧道工程都是修建于一定的地質(zhì)應(yīng)力環(huán)境之中的，這種初始應(yīng)力包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和殘余應(yīng)力等。初始應(yīng)力是引起隧道圍巖變形和破壞的根本原因。通常隧道埋深越大，初始應(yīng)力也越大，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響也就越顯著，公路隧道圍巖分級(jí)當(dāng)中地應(yīng)力修正系數(shù)K3就是考慮這一因素。

3.1.4巖石物理化學(xué)性質(zhì)

巖石由于化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等的差異，其物理化學(xué)性質(zhì)差異很大。如含有膨脹性礦物的巖石，吸水易膨脹從而產(chǎn)生膨脹壓力。含有石英的巖石，其抗風(fēng)化能力較強(qiáng)。泥巖不受風(fēng)化影響時(shí)，其完整性和強(qiáng)度尚可，一旦與水、大氣等接觸，其強(qiáng)度顯著下降，完整性也明顯變差，從而導(dǎo)致圍巖質(zhì)量惡化。

3.2 主觀人為工程因素

3.2.1開挖方法

隧道施工當(dāng)中常見的施工方法有全斷面法、臺(tái)階法和分部開挖法等。其中臺(tái)階法又分為長(zhǎng)臺(tái)階法、短臺(tái)階法和超短臺(tái)階法，分部開挖法又分為弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法和CRD法等。每一種開挖方法均與特定的地質(zhì)條件是相適應(yīng)的，同時(shí)也反映出不同的圍巖壓力。如同樣的圍巖，當(dāng)用全斷面開挖時(shí)，其圍巖穩(wěn)定性差，塌落下來(lái)的松散體相對(duì)較多，故圍巖壓力較大；如果換為分部開挖法，由于圍巖的穩(wěn)定性能受到較好的控制，對(duì)圍壓的擾動(dòng)也小，因此作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力相對(duì)會(huì)較小。

3.2.2支護(hù)結(jié)構(gòu)形式與支護(hù)時(shí)間

現(xiàn)行隧道施工方法均基于新奧法理念，要求在合理的時(shí)間內(nèi)施作柔性的錨噴初期支護(hù)，同時(shí)根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況施作二次支護(hù)。噴射混凝土的厚度對(duì)圍巖壓力有較大的影響，若噴層較厚，剛度太大，支護(hù)層所受圍巖壓力較大容易破壞，只有合適的噴層厚度才能保證圍巖穩(wěn)定并使作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力處于一個(gè)適當(dāng)?shù)乃健?/p>

支護(hù)設(shè)立的時(shí)間對(duì)圍巖壓力同樣產(chǎn)生重要影響，若支護(hù)設(shè)立過(guò)早，圍巖仍處于快速的塑性變形階段，此時(shí)以形變壓力為主，量值很大；若支護(hù)設(shè)立時(shí)間過(guò)晚，圍巖可能瀕臨破壞，此時(shí)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力以松散壓力為主，量值也很大；只有圍巖儲(chǔ)存的變形能釋放到一定程度，同時(shí)還未達(dá)到危險(xiǎn)的臨界破壞狀態(tài)時(shí)，此時(shí)設(shè)立支護(hù)結(jié)構(gòu)，則作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力才相對(duì)比較適中。

3.2.3斷面形狀

由彈性力學(xué)理論可知，孔洞斷面形狀對(duì)洞壁應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生影響，如靜水壓力條件下圓形斷面受力最佳，如果是橢圓形斷面，則垂直于長(zhǎng)軸方向的洞壁拉應(yīng)力較大。隧道工程由于其使用目的不同，斷面往往差別較大。通常要求隧道斷面的形狀與圍巖壓力線相吻合，此時(shí)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力不至于導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉應(yīng)力而破壞。

3.2.4埋深

隧道所處位置越深，其周圍地應(yīng)力越大，隧道埋深對(duì)圍巖壓力有顯著的影響?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)規(guī)范》當(dāng)中將隧道分為淺埋和深埋隧道，其中淺埋又分為超淺埋與一般淺埋兩種情況。對(duì)于超淺埋，圍巖壓力為上覆巖土自重，對(duì)于一般淺埋，圍巖壓力為拱頂剛性滑落體自重扣除滑面摩擦力之后的計(jì)算值，而對(duì)于深埋隧道，其圍巖壓力為坍落拱的內(nèi)的松散壓力值。可見，隧道埋深的設(shè)置直接關(guān)系到圍壓壓力的計(jì)算方法和量值。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合公路隧道施工，將影響隧道穩(wěn)定性的圍巖壓力進(jìn)行了歸納，對(duì)每一種圍巖壓力的產(chǎn)生機(jī)制、作用特點(diǎn)等進(jìn)行了分析。同時(shí)，從客觀的地質(zhì)因素與主觀的人為設(shè)計(jì)或施工因素兩個(gè)方面，對(duì)影響圍巖壓力的因素進(jìn)行了分析。這些分析及其結(jié)論對(duì)公路隧道的安全施工及風(fēng)險(xiǎn)管控等均有積極的參考價(jià)值。