围岩压力在公路隧道工程施工方法探讨

王朝国

(贵州省公路工程集团有限责任公司)

1 围岩压力分类

1.1 松动压力

当公路隧道工程施工时，开挖是必要的施工步骤。但是工程在开挖时，会致使周围岩体出现松动或者坍塌，这些岩体最终会以重力形式作用在公路的支护结构上。这种作用在公路支护结构上的压力就被称为松动压力。造成这种压力的直接原因有三种:(1)由整体稳定岩体中个别松动岩石产生;(2)在一些岩体较为松散软弱的结构中，会出现冒落的岩石给坑道的顶部以及两侧造成压力;(3)一些裂隙岩体中，岩体会由于各种原因产生部分塌落，从而给隧道带来松动压力。从众多的工程实例对比分析，发现松动压力受到多种因素的影响，主要有工程的实际开挖方法、围岩岩体情况、支护、洞形形式等。

1.2 形变压力

在公路隧道中，围岩与支护结构相互接触极为密切，相互间作用也较为明显。因此，当围岩发生变形时，会受到支护的结构抑制，从而将变形力作用到支护之上，造成了共同变形的现象。于是，就将围岩作用在支护结构上的压力成为形变压力。

1.3 膨胀压力

岩体在一定条件下会具备吸水膨胀导致崩解的特点，所以当围岩发挥这一特质的时候，所引起的压力通常被称之为膨胀压力。形变压力与膨胀压力最根本的不同时，膨胀压力所形成的主要原因是膨胀。

1.4 冲击压力

围岩中有着大量的弹性变形，当这些变形积聚到一定的能量的时候就形成了冲击压力，而在进行开挖隧道的时候，由于围岩的压力束缚被解除了，所以会释放出很多压力。

2 围岩松动压力的形成和确定方法

2.1 围岩松动压力的形成

深埋坑道开挖后围岩由变形到坍塌成拱的整个变形过程，称为围岩的成拱作用。在成拱过程中形成的相对稳定的拱形坍腔结构，成为自然拱或坍落拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。

除了自然拱与围岩的接触状态、支护结构架设时间、刚度以及围岩地质条件等因素的影响，自然拱的范围大小还受到其他因素的影响，比如施工因素、隧道的埋深以及隧道的尺寸和形状。

2.2 围岩松动压力的形成

隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段;顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因，逐渐转变为松动，可视为松动阶段;顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段。

2.3 深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法)

围岩竖向匀布压力q按下式计算

式中:S为围岩级别，S=4～6;γ为围岩容重，(kN/m3)。

式中:ω为宽度影响系数;B为隧道宽度，m;i为以B=5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。

当B＜5m，取i=0.2;当B＞5m，取i=0.1。

适用条件:H/B＜1.7

式中:H为隧道高度;深埋隧道，IV—VI级围岩。

2.4 形变围岩压力的确定

地下洞室开挖后，围岩在没有松动塌落之前的变形阶段，是受到支护结构的限制的，这样也确保了围岩的稳定性能。在这一阶段，围岩也将一定的压力传递给了支护结构。这种压力就是“形变压力”。

破碎、软弱围岩的流变性和塑形比较强，开挖之后，洞室围岩会在很长时间内存在形变。所以，支护与围岩间的形变压力随着时间的推移而不断地发展变化，这种现象也就是“时间效应”。

就目前而言，业内还没有成熟的形变压力的计算方法。形变压力的计算指导思想是支护和围岩的共同作用机理，具体的计算公式为塔罗勃、芬纳等人创设的弹塑性平衡理论公式。如果形变压力的变化由洞壁的位移ur控制，则计算公式如下:

构成全球定位系统的卫星原本用在军事领域。当它们环绕地球飞行时，会发送它们的时间和位置，兰德在报告中称它们为“太空时钟”。GPS设备的信号至少来自4颗卫星，因此在地球的任何地方都可以精确地定位设备所在的位置。

式中:σ0为岩体中天然应力;φ为岩石的内摩擦角;C为岩石的内聚力;R0为圆形洞室半径;UR0为洞壁的径向位移;G为岩石的剪切模量。

3 围岩压力的实测方法

3.1 直接量测法

简单来讲，直接量测法就是通过压力盒来获得围岩与支护或衬砌结构之间压力的方法。该方法的操作中点是，必须要使围岩与支护或衬砌结构之间能够紧密接触，这样就能够确保围岩压力能够完全传递到压力盒上，从而保证了测量的准确性。目前广泛使用的压力盒种类有很多，主要包括电容式压力盒、电阻式压力盒、振弦式压力盒以及电压式压力盒等。

最普通最常用的压力盒是振弦式压力盒。该压力盒的工作原理是，当有力作用在压力盒上时，机械作用下钢弦会被拉紧，且钢弦的振动频率与钢弦拉紧程度呈正相关。压力盒感应线圈获得由接受器输入的脉冲电流，从而使得线圈产生磁通，使得铁芯对钢弦产生瞬时吸力。而在电流断开的时候，吸力随之消失，弹起钢弦，使得钢弦出现振动。由于作用压力不断地变化，钢弦振动频率也在不停地变化，感应线圈中就会产生感应电动势。当感应电动势频率与钢弦自振频率一致的时候，导线就能够将感应电动势的频率输送到接受器，这样一来，钢弦振动频率就能够被量测出来。最后，通过压力盒上标定额曲线就能够查出压力盒上所受的围岩压力。

3.2 间接量测法

间接量测法指的是借助对支护、衬砌或者是围岩应变或应力的量测来获得围岩压力的方法。最常见的间接量测的方法就是量测围岩变形法，该方法不仅能够准确反映围岩压力，而且能够确定围岩松弛的范围以及对围岩的稳定性进行评价。

3.2.1 衬砌(支护)和围岩的应力或应变量测

(1)应力解除法。该法是将应变计、应变片等贴在已经承载的支护或衬砌结构表面，然后将支护或衬砌上的应力解除，测量获得解除前后的支护或衬砌结构上的应变值，按照应变应力的本构关系推算出支护或衬砌上受到的压力。该方法建立在弹性理论的反演分析之上，需要较高的操作技术，需要在较高的工艺技术条件下进行。

(2)衬砌层内埋设应变计法。该方法就是在施工前把应变计埋设在围岩与支护或衬砌结构之间，通过对支护或衬砌结构内外表面的应变变化进行测量，获得相应的结果，在此基础上推算出围岩压力。处理应变计外，在隧道施工中经常用到的量测元件还有遥测应变计、钢弦应变计以及混凝土应变砖等。

(3)电测锚杆法。电测锚杆是一种特制的空心锚杆，在其内壁贴有应变元件。在隧道施工中将其锚固在围岩中，这样电测锚杆就会随着围岩的变形而变形，这种变形通过应变元件测出，以此来推求围岩压力。

3.2.2 位移量测

通过检测开挖面的位移来判断围岩的稳定性在隧道施工中经常被用到，这也是一种非常普遍的量测方法。钢弦式收敛计是该方法中经常用到的量测仪器。在位移量测中，除了监测开挖断面位移变化外，还有洞顶下沉位移量测、钻孔多点位移计等方法。其中，4～12m围岩深度范围的位移都可以通过钻孔多点位移计来量测，根据量测的结果来判断围岩的稳定性，可以为喷锚支护提供准确的依据。

4 结束语

随着我国交通事业的飞速发展，对公路隧道建设工程的要求也逐步提高，关于隧道围岩压力的研究需要与现代科学技术结合，更需要在不断的施工过程中总结经验，从而促进我国交通事业的进步与发展。

［1］ 刘彤.刘新东.浅埋连拱隧道施工过程的力学分析［J］.四川建筑科学研究，2009，(1):12－16.

［2］ 毕继红.丛蓉.各种形状洞室的围岩压力分析［J］.地下空间，2004，(1):25－28.

［3］ 肖明清.小间距浅埋隧道围岩压力的探讨［J］.现代隧道技术，2004，(3):34－40.