公路隧道圍巖壓力分類及其影響因素

連 凌 云

(遼寧水文地質工程地質勘察院，遼寧 大連 116037)

1 概述

隨著國家高速公路網的擴展與完善，山嶺公路隧道在高速公路建設項目中的占比逐漸增大，圍巖穩定性問題引起的關注程度顯著提高，因此在公路隧道設計與施工當中，對圍巖壓力的全面和深入認識必須引起足夠重視。圍巖是隧道施工過程中初始應力受到擾動而發生應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。圍巖壓力對于隧道工程來講，應該是決定性的因素，其性質、分布與量值等均對隧道工程的設計與施工等產生重要影響[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，達到新平衡狀態的標志往往是平衡壓力拱的形成，壓力拱之內的巖體一般以重力失穩的形式坍塌掉落與襯砌結構上，對支護結構產生作用。一般圍巖完整性較差的地段往往會形成較大的松散壓力。現行《公路隧道設計規范》當中所計算的圍巖壓力就是此類松散壓力。

2.2 形變壓力

因為地質體是一種彈塑性介質，隧道開挖前由于受原始地應力的影響，其處于擠壓狀態，必然儲存一定的變形能。隧道開挖后，由于創造了臨空面，圍巖內部所儲存的彈性變形能必然會釋放。一般情況下，彈性變形釋放速度較快，由于支護機構設立的滯后性，彈性變形對支護結構產生的壓力較為有限。但對于塑性變形，由于其具有隨時間增長而變化的特點，這種由圍巖的塑性變形而作用在支護結構上的圍巖壓力稱為形變壓力。

2.3 膨脹壓力

許多巖石當中都含有吸水能發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造，水分子極易嵌入其中而產生膨脹，由于支護結構對膨脹的限制而產生在支護結構上形成膨脹壓力。膨脹壓力形成的必要條件有兩個：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生變形而對支護結構產生的壓力，但二者產生機理不同，膨脹壓力是由巖石吸水礦物因吸水膨脹而在支護結構產生的壓力，而形變壓力是由圍巖塑性形變產生的壓力，兩者有本質的區別。

2.4 沖擊壓力

對于堅硬、完整性好、干燥且處于高地應力環境之中的巖體，當隧道開挖提供臨空面后，圍巖彈性變形能的釋放往往表現的非常劇烈，常見的形式是巖爆，這種動態作用產生的壓力為沖擊壓力。

隧道施工過程當中主要采用強化圍巖或弱化圍巖兩種方式來預防沖擊壓力的破壞作用。強化圍巖主要包括錨噴支護使圍巖應力狀態由二向調整為三向，弱化圍巖主要包括注水軟化圍巖使其儲存的應變能提前釋放。

3 影響圍巖壓力的因素

3.1 客觀地質因素

3.1.1巖石物理力學性質

巖石的物理力學性質是指巖石的強度指標與變形指標等及其對應的力學行為特性。例如，巖石強度低，圍巖壓力大，反之亦然。巖石變形模量大，圍巖壓力相對較小等。作為宏觀地質體的巖體，其彈性、塑性和黏性屬性的差異均對圍巖壓力產生影響，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，圍巖的黏性對作用在支護結構上的圍巖壓力的時間效應產生顯著影響。

3.1.2巖體結構

巖體結構控制論指出，巖體的變形與破壞受巖體結構所控制，從另一個角度來理解即為巖體結構對圍巖壓力產生重要影響。巖體結構包括整體塊狀結構、層狀結構、碎裂結構和散體結構等，不同的結構形式，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初始應力

任何隧道工程都是修建于一定的地質應力環境之中的，這種初始應力包括自重應力、構造應力和殘余應力等。初始應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，初始應力也越大，對圍巖的穩定性影響也就越顯著，公路隧道圍巖分級當中地應力修正系數K3就是考慮這一因素。

3.1.4巖石物理化學性質

巖石由于化學組成、結構和構造等的差異，其物理化學性質差異很大。如含有膨脹性礦物的巖石，吸水易膨脹從而產生膨脹壓力。含有石英的巖石，其抗風化能力較強。泥巖不受風化影響時，其完整性和強度尚可，一旦與水、大氣等接觸，其強度顯著下降，完整性也明顯變差，從而導致圍巖質量惡化。

3.2 主觀人為工程因素

3.2.1開挖方法

隧道施工當中常見的施工方法有全斷面法、臺階法和分部開挖法等。其中臺階法又分為長臺階法、短臺階法和超短臺階法，分部開挖法又分為弧形導坑預留核心土法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法、CD法和CRD法等。每一種開挖方法均與特定的地質條件是相適應的，同時也反映出不同的圍巖壓力。如同樣的圍巖，當用全斷面開挖時，其圍巖穩定性差，塌落下來的松散體相對較多，故圍巖壓力較大；如果換為分部開挖法，由于圍巖的穩定性能受到較好的控制，對圍壓的擾動也小，因此作用在支護結構上的圍巖壓力相對會較小。

3.2.2支護結構形式與支護時間

現行隧道施工方法均基于新奧法理念，要求在合理的時間內施作柔性的錨噴初期支護，同時根據圍巖穩定情況施作二次支護。噴射混凝土的厚度對圍巖壓力有較大的影響，若噴層較厚，剛度太大，支護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定并使作用在支護結構上的圍巖壓力處于一個適當的水平。

支護設立的時間對圍巖壓力同樣產生重要影響，若支護設立過早，圍巖仍處于快速的塑性變形階段，此時以形變壓力為主，量值很大；若支護設立時間過晚，圍巖可能瀕臨破壞，此時作用在支護結構上的壓力以松散壓力為主，量值也很大；只有圍巖儲存的變形能釋放到一定程度，同時還未達到危險的臨界破壞狀態時，此時設立支護結構，則作用在支護結構上的圍巖壓力才相對比較適中。

3.2.3斷面形狀

由彈性力學理論可知，孔洞斷面形狀對洞壁應力會產生影響，如靜水壓力條件下圓形斷面受力最佳，如果是橢圓形斷面，則垂直于長軸方向的洞壁拉應力較大。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，此時作用在支護結構上的圍巖壓力不至于導致支護結構出現拉應力而破壞。

3.2.4埋深

隧道所處位置越深，其周圍地應力越大，隧道埋深對圍巖壓力有顯著的影響。《公路隧道設計規范》當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。對于超淺埋，圍巖壓力為上覆巖土自重，對于一般淺埋，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算值，而對于深埋隧道，其圍巖壓力為坍落拱的內的松散壓力值。可見，隧道埋深的設置直接關系到圍壓壓力的計算方法和量值。

4 結語

結合公路隧道施工，將影響隧道穩定性的圍巖壓力進行了歸納，對每一種圍巖壓力的產生機制、作用特點等進行了分析。同時，從客觀的地質因素與主觀的人為設計或施工因素兩個方面，對影響圍巖壓力的因素進行了分析。這些分析及其結論對公路隧道的安全施工及風險管控等均有積極的參考價值。