浅谈水利工程山岩压力与洞室围岩的稳定性

□ 张智勇 张美红

在岩体内开挖洞室以后，岩体的原始平衡状态被破坏，发生应力重分布。随着应力的重分布，围岩不断变形并向着洞室逐渐位移。一些强度较低的岩石由于应力达到强度的极限值而可能破坏，产生裂缝或剪切位移，破坏了的岩石在重力作用下甚至大量塌落，造成所谓“冒顶”现象，特别是节理、裂隙等软弱结构面发育的岩石更为显著。为了保证围岩的稳定以及地下洞室结构的安全，常常必须在洞室中进行必要的支护与衬砌。当然，实践中并不是所有的洞室都要支护与衬砌，有些情况，特别是岩石较好、地质条件简单的情况下可不需进行支护与衬砌；而另一些情况是非进行支护与衬砌不可的。因此，在进行地下洞室设计和施工时，工程技术人员和地质人员必须进行围岩的稳定分析和计算。由于支护与衬砌的目的是防止岩石塌落和变形，所以支护和衬砌上必然要受到岩石的压力。在水工建设中，把由于洞室围岩变形和破坏作用在支护或初砌上的压力，称为山岩压力，有的称为“地层压力”、“围岩压力”、“地压”、“岩石压力”。

由于山岩压力是作用在支护或衬砌上的重要荷载，如果对山岩压力没有正确的估计，也就不可能合理地设计支护和衬砌的尺寸。正确决定山岩压力的大小，探求其变化规律和特点，对于地下工程、水工隧洞、采矿、交通隧道、战备工程等工程建设都具有重要的意义。例如，若设计支护和衬砌时考虑的山岩压力值远远大于实际所产生的数值，则设计出来的支护或衬砌的尺寸必然过大，这就浪费了国家建设极为宝贵的木材、水泥及钢材，也浪费了人力。反之，所考虑的山岩压力过小，所设计的支护或衬砌的尺寸太小，不能负担实际产生的山岩压力，支护或衬砌被破坏，这不仅会使所建造的地下工程不能应用，而且还会造成工伤事故。

多年来，各国岩石力学工作者对于山岩压力的计算进行了一系列的研究，建立了各种理论。但尽管如此，到目前为止这一问题还是没有得到圆满的解决。这是因为山岩压力不仅与岩石性质和洞室形状有关，而且还与岩体的初始天然应力状态、衬砌或支护的刚度和施工的快慢有关。确定山岩压力的大小和方向是一个极为复杂的问题。

一、山岩压力的形成

假设围岩没有受到其他洞室的影响，并且开挖爆破过程中没有受到破坏，则洞室周围的山岩压力随着时间的发展可分为三个阶段：

在第一阶段内，由于岩体的变形，在洞室的周界上产生一般的挤压，同时，在两侧的岩石因剪切破坏而形成了楔形岩块，这两个楔形岩块就有朝着洞室内部移动的趋向。

在第二阶段内，侧向楔形体发生某种变形以后，岩体内形成了一个椭圆形的高压力区，在椭圆曲线与洞室周界线间的岩体发生了松动。

在第三阶段，洞顶和洞底的松动岩体开始变形，并向着洞内移动，洞顶松动岩石在重力作用下有掉落的趋势，山岩压力逐渐增加。

从山岩压力的形成机理可见，山岩压力的形成是与洞室开挖后岩体的变形、松动和破坏分不开的。通常将由于岩体变形而对支护或衬砌给予的压力称为变形压力；将岩体破坏和松动对支护或衬砌造成的压力称为松动压力。变形量的大小以及破坏程度的强弱就决定着山岩压力的大小。在不同性质的岩石中，由于它们的变形和破坏性质不同，所以产生山岩压力的主导因素也就不同。通常有以下三种情况。

（一）在整体性良好、裂隙节理不发育的坚硬岩石中，洞室围岩的应力一般总是小于岩石强度。因此，岩石只有弹性变形而无塑性变形，岩石没有破坏和松动。由于弹性变形在开挖过程中就已产生，开挖结束，弹性变形也就完成，洞室外不会坍落。如果在开挖完成后进行支护或衬砌，则说明支护上没有山岩压力。在这种岩石中的洞室支护主要用来防止岩石的风化以及剥落碎块的掉落。

（二）在中等质量的岩石中，洞室围岩的变形较大，不仅有弹性变形，而且还有塑性变形和少量岩石破碎。由于洞室围岩的应力重分布需要一定的时间，所以在进行支护或衬砌以后围岩的变形受到支护或衬砌的约束，于是就产生山岩压力。因此支护的浇筑时间和结构刚度对山岩压力影响较大。在这类岩石中，山岩压力主要是由较大的变形所引起，岩石的松动坍落甚小，这类岩石中主要是产生“变形压力”。

（三）在破碎和软弱岩石中，由于裂隙纵横切割，岩体强度很低，围岩应力超过岩体强度很多。在这类岩石中，坍落和松动是产生山岩压力的主要因素，而松动压力是主要的山岩压力。当没有支护或衬砌时，岩石的破坏范围可能逐渐扩大发展，故需要立即进行支护或衬砌，支护或衬砌的作用主要是支承坍落岩块的重量，并阻止岩体继续变形、松动和破坏。

二、影响山岩压力的因素

（一）洞室的形状和大小。洞室的形状对于围岩应力分布会产生影响，同样，洞室的形状对山岩压力的大小也有影响。一般而言，圆形、椭圆形和拱形洞室的应力集中程度较小，破坏也少，岩石比较稳定，山岩压力也就较小。矩形断面的洞室的应力集中程度较大，尤以转角处最大，因而山岩压力比其他形状的山岩压力要大些。

从前面的介绍中知道，当洞室的形状相同时，围岩应力与洞室的尺寸无关，即与洞室的跨度无关。但是山岩压力一般是与洞室的跨度有关的，它可以随着跨度的增加而增大。目前，从有些山岩压力公式中就可以看出压力是随着跨度成正比增加的。但是根据经验，这种正比关系只对跨度不大的洞室适用。对于跨度很大的洞室，由于往往容易发生局部坍塌和不对称的压力，山岩压力与跨度之间不一定成正比关系。根据我国铁路隧道的调查，人为单线隧道与双线隧道的跨度相差为80%，而山岩压力与跨度成正比的关系会造成衬砌过厚的浪费现象。

（二）地质构造。地质构造对于围岩的稳定性及山岩压力的大小有着重要影响。目前，有关围岩分类和山岩压力的经验公式大都是建立在这一基础上的，地质构造简单，地层完整，无软弱结构面，围岩就稳定，山岩压力也就小。反之，地质构造复杂，地层不完整，有软弱结构面，围岩就不稳定，山岩压力也就大。在断层破碎带、褶皱破坏带和裂隙发育的地段，山岩压力一般都较大，因为这些地质的洞室开挖过程中常常会有大量的较大范围的崩坍，造成较大的松动压力。另外，如果岩层倾斜、节理不对称以及地形倾斜，都能引起不对称的山岩压力。在估计山岩压力的大小时，应当特别重视地质构造的影响。

（三）支护的形式和刚度。山岩压力有松动压力和变形压力之分。当松动压力作用时，支护的作用就是承受松动岩体或塌落岩体的重量，支护主要起承载作用。当变形压力作用时，它的作用主要是限制围岩的变形，以维持围岩的稳定，也就是说支护主要起约束作用。在一般情况下，支护可能同时具有上述两种作用。目前采用的支护可分为两类，一类叫做外部支护，也称普通支护或老式支护。这种支护作用在围岩的外部，依靠支护结构的承载能力来承受山岩压力。在与岩石紧密接合或者回填密实的情况下，这种支护也能起到限制围岩变形、维持围岩稳定的作用。另一类是近代发展起来的支护形式，叫做内承支护或自承支护，它是通过化学灌浆或水泥灌浆、锚杆支护、预应力锚杆支护和喷混凝土支护等方式，加固围岩，使围岩处于稳定状态。这种支护的特点是依靠增加围岩的自承作用来稳固洞室，比较经济实用。

支护的刚度和支护时间的早晚都对山岩压力有较大的影响。支护的刚度愈大，则允许的变形就愈小，山岩压力就愈大；反之则山岩压力愈小。洞室开挖后，围岩会产生变形。根据研究，在一定的变形范围内，支护上的山岩压力是随着支护以前围岩的变形增加而减少的。目前常常采用薄层混凝土支护或具有一定柔性的外部支护。这两种支护都能够充分利用围岩的自承能力，以达到减少支护上的山岩压力的目的。

（四）洞室深度。洞室深度与山岩压力的关系目前仍有各种说法。在有些公式中山岩压力与深度无关，有些公式中山岩压力与深度有关。一般说来，当围岩处于弹性状态时，山岩压力不应当与洞室的埋深有关。但当围岩中出现塑性区时，洞室的埋置深度应当对山岩压力有影响。这是由于埋置深度对围岩的应力分布有影响，同时对初始侧压力系数K0也有影响，从而对塑性区的形状和大小以及山岩压力的大小均有影响。研究表明，当围岩通常处于高压塑性状态时，洞室埋置愈深，山岩压力也就愈大。深洞室的围岩通常处于高压塑性状态，所以它的山岩压力随着深度的增加而增加，在这种情况下宜采用柔性较大的支护，以发挥围岩的自承作用，降低山岩压力。

（五）时间。由于山岩压力主要是由于岩体的变形和破坏而造成的，而岩体的变形和破坏都有一个时间过程，所以山岩压力一般都与时间有关。

（六）施工方法。山岩压力的大小与洞室的施工方法和施工速度也有较大关系。施工方法主要是指掘进的方法。在岩体较差的地层中，如采用钻眼爆破，尤其是放大炮，或采用高强度的炸药，都会引起围岩的破碎而增加山岩压力。用凿岩机掘进，光面爆破，减少超挖量，采用合理的施工方法可以降低山岩压力。在易风化的岩层中，需加快施工速度和迅速进行衬砌，以便尽可能地减少这些地层与水的接触，减轻它们的风化过程，避免山岩压力增长。