□ 張智勇 張美紅

在巖體內(nèi)開挖洞室以后，巖體的原始平衡狀態(tài)被破壞，發(fā)生應(yīng)力重分布。隨著應(yīng)力的重分布，圍巖不斷變形并向著洞室逐漸位移。一些強(qiáng)度較低的巖石由于應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度的極限值而可能破壞，產(chǎn)生裂縫或剪切位移，破壞了的巖石在重力作用下甚至大量塌落，造成所謂“冒頂”現(xiàn)象，特別是節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖石更為顯著。為了保證圍巖的穩(wěn)定以及地下洞室結(jié)構(gòu)的安全，常常必須在洞室中進(jìn)行必要的支護(hù)與襯砌。當(dāng)然，實(shí)踐中并不是所有的洞室都要支護(hù)與襯砌，有些情況，特別是巖石較好、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的情況下可不需進(jìn)行支護(hù)與襯砌；而另一些情況是非進(jìn)行支護(hù)與襯砌不可的。因此，在進(jìn)行地下洞室設(shè)計(jì)和施工時(shí)，工程技術(shù)人員和地質(zhì)人員必須進(jìn)行圍巖的穩(wěn)定分析和計(jì)算。由于支護(hù)與襯砌的目的是防止巖石塌落和變形，所以支護(hù)和襯砌上必然要受到巖石的壓力。在水工建設(shè)中，把由于洞室圍巖變形和破壞作用在支護(hù)或初砌上的壓力，稱為山巖壓力，有的稱為“地層壓力”、“圍巖壓力”、“地壓”、“巖石壓力”。

由于山巖壓力是作用在支護(hù)或襯砌上的重要荷載，如果對(duì)山巖壓力沒有正確的估計(jì)，也就不可能合理地設(shè)計(jì)支護(hù)和襯砌的尺寸。正確決定山巖壓力的大小，探求其變化規(guī)律和特點(diǎn)，對(duì)于地下工程、水工隧洞、采礦、交通隧道、戰(zhàn)備工程等工程建設(shè)都具有重要的意義。例如，若設(shè)計(jì)支護(hù)和襯砌時(shí)考慮的山巖壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所產(chǎn)生的數(shù)值，則設(shè)計(jì)出來的支護(hù)或襯砌的尺寸必然過大，這就浪費(fèi)了國(guó)家建設(shè)極為寶貴的木材、水泥及鋼材，也浪費(fèi)了人力。反之，所考慮的山巖壓力過小，所設(shè)計(jì)的支護(hù)或襯砌的尺寸太小，不能負(fù)擔(dān)實(shí)際產(chǎn)生的山巖壓力，支護(hù)或襯砌被破壞，這不僅會(huì)使所建造的地下工程不能應(yīng)用，而且還會(huì)造成工傷事故。

多年來，各國(guó)巖石力學(xué)工作者對(duì)于山巖壓力的計(jì)算進(jìn)行了一系列的研究，建立了各種理論。但盡管如此，到目前為止這一問題還是沒有得到圓滿的解決。這是因?yàn)樯綆r壓力不僅與巖石性質(zhì)和洞室形狀有關(guān)，而且還與巖體的初始天然應(yīng)力狀態(tài)、襯砌或支護(hù)的剛度和施工的快慢有關(guān)。確定山巖壓力的大小和方向是一個(gè)極為復(fù)雜的問題。

一、山巖壓力的形成

假設(shè)圍巖沒有受到其他洞室的影響，并且開挖爆破過程中沒有受到破壞，則洞室周圍的山巖壓力隨著時(shí)間的發(fā)展可分為三個(gè)階段：

在第一階段內(nèi)，由于巖體的變形，在洞室的周界上產(chǎn)生一般的擠壓，同時(shí)，在兩側(cè)的巖石因剪切破壞而形成了楔形巖塊，這兩個(gè)楔形巖塊就有朝著洞室內(nèi)部移動(dòng)的趨向。

在第二階段內(nèi)，側(cè)向楔形體發(fā)生某種變形以后，巖體內(nèi)形成了一個(gè)橢圓形的高壓力區(qū)，在橢圓曲線與洞室周界線間的巖體發(fā)生了松動(dòng)。

在第三階段，洞頂和洞底的松動(dòng)巖體開始變形，并向著洞內(nèi)移動(dòng)，洞頂松動(dòng)巖石在重力作用下有掉落的趨勢(shì)，山巖壓力逐漸增加。

從山巖壓力的形成機(jī)理可見，山巖壓力的形成是與洞室開挖后巖體的變形、松動(dòng)和破壞分不開的。通常將由于巖體變形而對(duì)支護(hù)或襯砌給予的壓力稱為變形壓力；將巖體破壞和松動(dòng)對(duì)支護(hù)或襯砌造成的壓力稱為松動(dòng)壓力。變形量的大小以及破壞程度的強(qiáng)弱就決定著山巖壓力的大小。在不同性質(zhì)的巖石中，由于它們的變形和破壞性質(zhì)不同，所以產(chǎn)生山巖壓力的主導(dǎo)因素也就不同。通常有以下三種情況。

（一）在整體性良好、裂隙節(jié)理不發(fā)育的堅(jiān)硬巖石中，洞室圍巖的應(yīng)力一般總是小于巖石強(qiáng)度。因此，巖石只有彈性變形而無塑性變形，巖石沒有破壞和松動(dòng)。由于彈性變形在開挖過程中就已產(chǎn)生，開挖結(jié)束，彈性變形也就完成，洞室外不會(huì)坍落。如果在開挖完成后進(jìn)行支護(hù)或襯砌，則說明支護(hù)上沒有山巖壓力。在這種巖石中的洞室支護(hù)主要用來防止巖石的風(fēng)化以及剝落碎塊的掉落。

（二）在中等質(zhì)量的巖石中，洞室圍巖的變形較大，不僅有彈性變形，而且還有塑性變形和少量巖石破碎。由于洞室圍巖的應(yīng)力重分布需要一定的時(shí)間，所以在進(jìn)行支護(hù)或襯砌以后圍巖的變形受到支護(hù)或襯砌的約束，于是就產(chǎn)生山巖壓力。因此支護(hù)的澆筑時(shí)間和結(jié)構(gòu)剛度對(duì)山巖壓力影響較大。在這類巖石中，山巖壓力主要是由較大的變形所引起，巖石的松動(dòng)坍落甚小，這類巖石中主要是產(chǎn)生“變形壓力”。

（三）在破碎和軟弱巖石中，由于裂隙縱橫切割，巖體強(qiáng)度很低，圍巖應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度很多。在這類巖石中，坍落和松動(dòng)是產(chǎn)生山巖壓力的主要因素，而松動(dòng)壓力是主要的山巖壓力。當(dāng)沒有支護(hù)或襯砌時(shí)，巖石的破壞范圍可能逐漸擴(kuò)大發(fā)展，故需要立即進(jìn)行支護(hù)或襯砌，支護(hù)或襯砌的作用主要是支承坍落巖塊的重量，并阻止巖體繼續(xù)變形、松動(dòng)和破壞。

二、影響山巖壓力的因素

（一）洞室的形狀和大小。洞室的形狀對(duì)于圍巖應(yīng)力分布會(huì)產(chǎn)生影響，同樣，洞室的形狀對(duì)山巖壓力的大小也有影響。一般而言，圓形、橢圓形和拱形洞室的應(yīng)力集中程度較小，破壞也少，巖石比較穩(wěn)定，山巖壓力也就較小。矩形斷面的洞室的應(yīng)力集中程度較大，尤以轉(zhuǎn)角處最大，因而山巖壓力比其他形狀的山巖壓力要大些。

從前面的介紹中知道，當(dāng)洞室的形狀相同時(shí)，圍巖應(yīng)力與洞室的尺寸無關(guān)，即與洞室的跨度無關(guān)。但是山巖壓力一般是與洞室的跨度有關(guān)的，它可以隨著跨度的增加而增大。目前，從有些山巖壓力公式中就可以看出壓力是隨著跨度成正比增加的。但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這種正比關(guān)系只對(duì)跨度不大的洞室適用。對(duì)于跨度很大的洞室，由于往往容易發(fā)生局部坍塌和不對(duì)稱的壓力，山巖壓力與跨度之間不一定成正比關(guān)系。根據(jù)我國(guó)鐵路隧道的調(diào)查，人為單線隧道與雙線隧道的跨度相差為80%，而山巖壓力與跨度成正比的關(guān)系會(huì)造成襯砌過厚的浪費(fèi)現(xiàn)象。

（二）地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性及山巖壓力的大小有著重要影響。目前，有關(guān)圍巖分類和山巖壓力的經(jīng)驗(yàn)公式大都是建立在這一基礎(chǔ)上的，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層完整，無軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖就穩(wěn)定，山巖壓力也就小。反之，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層不完整，有軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖就不穩(wěn)定，山巖壓力也就大。在斷層破碎帶、褶皺破壞帶和裂隙發(fā)育的地段，山巖壓力一般都較大，因?yàn)檫@些地質(zhì)的洞室開挖過程中常常會(huì)有大量的較大范圍的崩坍，造成較大的松動(dòng)壓力。另外，如果巖層傾斜、節(jié)理不對(duì)稱以及地形傾斜，都能引起不對(duì)稱的山巖壓力。在估計(jì)山巖壓力的大小時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別重視地質(zhì)構(gòu)造的影響。

（三）支護(hù)的形式和剛度。山巖壓力有松動(dòng)壓力和變形壓力之分。當(dāng)松動(dòng)壓力作用時(shí)，支護(hù)的作用就是承受松動(dòng)巖體或塌落巖體的重量，支護(hù)主要起承載作用。當(dāng)變形壓力作用時(shí)，它的作用主要是限制圍巖的變形，以維持圍巖的穩(wěn)定，也就是說支護(hù)主要起約束作用。在一般情況下，支護(hù)可能同時(shí)具有上述兩種作用。目前采用的支護(hù)可分為兩類，一類叫做外部支護(hù)，也稱普通支護(hù)或老式支護(hù)。這種支護(hù)作用在圍巖的外部，依靠支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力來承受山巖壓力。在與巖石緊密接合或者回填密實(shí)的情況下，這種支護(hù)也能起到限制圍巖變形、維持圍巖穩(wěn)定的作用。另一類是近代發(fā)展起來的支護(hù)形式，叫做內(nèi)承支護(hù)或自承支護(hù)，它是通過化學(xué)灌漿或水泥灌漿、錨桿支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)和噴混凝土支護(hù)等方式，加固圍巖，使圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。這種支護(hù)的特點(diǎn)是依靠增加圍巖的自承作用來穩(wěn)固洞室，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

支護(hù)的剛度和支護(hù)時(shí)間的早晚都對(duì)山巖壓力有較大的影響。支護(hù)的剛度愈大，則允許的變形就愈小，山巖壓力就愈大；反之則山巖壓力愈小。洞室開挖后，圍巖會(huì)產(chǎn)生變形。根據(jù)研究，在一定的變形范圍內(nèi)，支護(hù)上的山巖壓力是隨著支護(hù)以前圍巖的變形增加而減少的。目前常常采用薄層混凝土支護(hù)或具有一定柔性的外部支護(hù)。這兩種支護(hù)都能夠充分利用圍巖的自承能力，以達(dá)到減少支護(hù)上的山巖壓力的目的。

（四）洞室深度。洞室深度與山巖壓力的關(guān)系目前仍有各種說法。在有些公式中山巖壓力與深度無關(guān)，有些公式中山巖壓力與深度有關(guān)。一般說來，當(dāng)圍巖處于彈性狀態(tài)時(shí)，山巖壓力不應(yīng)當(dāng)與洞室的埋深有關(guān)。但當(dāng)圍巖中出現(xiàn)塑性區(qū)時(shí)，洞室的埋置深度應(yīng)當(dāng)對(duì)山巖壓力有影響。這是由于埋置深度對(duì)圍巖的應(yīng)力分布有影響，同時(shí)對(duì)初始側(cè)壓力系數(shù)K0也有影響，從而對(duì)塑性區(qū)的形狀和大小以及山巖壓力的大小均有影響。研究表明，當(dāng)圍巖通常處于高壓塑性狀態(tài)時(shí)，洞室埋置愈深，山巖壓力也就愈大。深洞室的圍巖通常處于高壓塑性狀態(tài)，所以它的山巖壓力隨著深度的增加而增加，在這種情況下宜采用柔性較大的支護(hù)，以發(fā)揮圍巖的自承作用，降低山巖壓力。

（五）時(shí)間。由于山巖壓力主要是由于巖體的變形和破壞而造成的，而巖體的變形和破壞都有一個(gè)時(shí)間過程，所以山巖壓力一般都與時(shí)間有關(guān)。

（六）施工方法。山巖壓力的大小與洞室的施工方法和施工速度也有較大關(guān)系。施工方法主要是指掘進(jìn)的方法。在巖體較差的地層中，如采用鉆眼爆破，尤其是放大炮，或采用高強(qiáng)度的炸藥，都會(huì)引起圍巖的破碎而增加山巖壓力。用鑿巖機(jī)掘進(jìn)，光面爆破，減少超挖量，采用合理的施工方法可以降低山巖壓力。在易風(fēng)化的巖層中，需加快施工速度和迅速進(jìn)行襯砌，以便盡可能地減少這些地層與水的接觸，減輕它們的風(fēng)化過程，避免山巖壓力增長(zhǎng)。