公路隧道围岩压力分类及其影响因素

连 凌 云

(辽宁水文地质工程地质勘察院，辽宁 大连 116037)

1 概述

随着国家高速公路网的扩展与完善，山岭公路隧道在高速公路建设项目中的占比逐渐增大，围岩稳定性问题引起的关注程度显著提高，因此在公路隧道设计与施工当中，对围岩压力的全面和深入认识必须引起足够重视。围岩是隧道施工过程中初始应力受到扰动而发生应力重分布的那部分岩体[1]，一般范围为开挖跨径的3倍～5倍。围岩压力对于隧道工程来讲，应该是决定性的因素，其性质、分布与量值等均对隧道工程的设计与施工等产生重要影响[2-7]。

2 围岩压力分类

2.1 松散压力

隧道开挖后初始应力的重分布往往伴随着围岩的变形与破坏，并逐步形成新的平衡状态，达到新平衡状态的标志往往是平衡压力拱的形成，压力拱之内的岩体一般以重力失稳的形式坍塌掉落与衬砌结构上，对支护结构产生作用。一般围岩完整性较差的地段往往会形成较大的松散压力。现行《公路隧道设计规范》当中所计算的围岩压力就是此类松散压力。

2.2 形变压力

因为地质体是一种弹塑性介质，隧道开挖前由于受原始地应力的影响，其处于挤压状态，必然储存一定的变形能。隧道开挖后，由于创造了临空面，围岩内部所储存的弹性变形能必然会释放。一般情况下，弹性变形释放速度较快，由于支护机构设立的滞后性，弹性变形对支护结构产生的压力较为有限。但对于塑性变形，由于其具有随时间增长而变化的特点，这种由围岩的塑性变形而作用在支护结构上的围岩压力称为形变压力。

2.3 膨胀压力

许多岩石当中都含有吸水能发生膨胀的黏土性矿物，如蒙脱石、伊利石、高岭石等，这些矿物由于特殊的晶格组成构造，水分子极易嵌入其中而产生膨胀，由于支护结构对膨胀的限制而产生在支护结构上形成膨胀压力。膨胀压力形成的必要条件有两个：一是膨胀性黏土矿物的存在；二是地下水的存在。虽然膨胀压力与形变压力均为围岩产生变形而对支护结构产生的压力，但二者产生机理不同，膨胀压力是由岩石吸水矿物因吸水膨胀而在支护结构产生的压力，而形变压力是由围岩塑性形变产生的压力，两者有本质的区别。

2.4 冲击压力

对于坚硬、完整性好、干燥且处于高地应力环境之中的岩体，当隧道开挖提供临空面后，围岩弹性变形能的释放往往表现的非常剧烈，常见的形式是岩爆，这种动态作用产生的压力为冲击压力。

隧道施工过程当中主要采用强化围岩或弱化围岩两种方式来预防冲击压力的破坏作用。强化围岩主要包括锚喷支护使围岩应力状态由二向调整为三向，弱化围岩主要包括注水软化围岩使其储存的应变能提前释放。

3 影响围岩压力的因素

3.1 客观地质因素

3.1.1岩石物理力学性质

岩石的物理力学性质是指岩石的强度指标与变形指标等及其对应的力学行为特性。例如，岩石强度低，围岩压力大，反之亦然。岩石变形模量大，围岩压力相对较小等。作为宏观地质体的岩体，其弹性、塑性和黏性属性的差异均对围岩压力产生影响，如前述的形变压力主要由塑性变形引起，冲击压力主要由弹性变形引起，围岩的黏性对作用在支护结构上的围岩压力的时间效应产生显著影响。

3.1.2岩体结构

岩体结构控制论指出，岩体的变形与破坏受岩体结构所控制，从另一个角度来理解即为岩体结构对围岩压力产生重要影响。岩体结构包括整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构等，不同的结构形式，岩体的变形与破坏形式不仅相同。完整性好的岩体以形变压力为主，而完整性差的岩体以松散压力为主。

3.1.3初始应力

任何隧道工程都是修建于一定的地质应力环境之中的，这种初始应力包括自重应力、构造应力和残余应力等。初始应力是引起隧道围岩变形和破坏的根本原因。通常隧道埋深越大，初始应力也越大，对围岩的稳定性影响也就越显著，公路隧道围岩分级当中地应力修正系数K3就是考虑这一因素。

3.1.4岩石物理化学性质

岩石由于化学组成、结构和构造等的差异，其物理化学性质差异很大。如含有膨胀性矿物的岩石，吸水易膨胀从而产生膨胀压力。含有石英的岩石，其抗风化能力较强。泥岩不受风化影响时，其完整性和强度尚可，一旦与水、大气等接触，其强度显著下降，完整性也明显变差，从而导致围岩质量恶化。

3.2 主观人为工程因素

3.2.1开挖方法

隧道施工当中常见的施工方法有全断面法、台阶法和分部开挖法等。其中台阶法又分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法，分部开挖法又分为弧形导坑预留核心土法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD法和CRD法等。每一种开挖方法均与特定的地质条件是相适应的，同时也反映出不同的围岩压力。如同样的围岩，当用全断面开挖时，其围岩稳定性差，塌落下来的松散体相对较多，故围岩压力较大；如果换为分部开挖法，由于围岩的稳定性能受到较好的控制，对围压的扰动也小，因此作用在支护结构上的围岩压力相对会较小。

3.2.2支护结构形式与支护时间

现行隧道施工方法均基于新奥法理念，要求在合理的时间内施作柔性的锚喷初期支护，同时根据围岩稳定情况施作二次支护。喷射混凝土的厚度对围岩压力有较大的影响，若喷层较厚，刚度太大，支护层所受围岩压力较大容易破坏，只有合适的喷层厚度才能保证围岩稳定并使作用在支护结构上的围岩压力处于一个适当的水平。

支护设立的时间对围岩压力同样产生重要影响，若支护设立过早，围岩仍处于快速的塑性变形阶段，此时以形变压力为主，量值很大；若支护设立时间过晚，围岩可能濒临破坏，此时作用在支护结构上的压力以松散压力为主，量值也很大；只有围岩储存的变形能释放到一定程度，同时还未达到危险的临界破坏状态时，此时设立支护结构，则作用在支护结构上的围岩压力才相对比较适中。

3.2.3断面形状

由弹性力学理论可知，孔洞断面形状对洞壁应力会产生影响，如静水压力条件下圆形断面受力最佳，如果是椭圆形断面，则垂直于长轴方向的洞壁拉应力较大。隧道工程由于其使用目的不同，断面往往差别较大。通常要求隧道断面的形状与围岩压力线相吻合，此时作用在支护结构上的围岩压力不至于导致支护结构出现拉应力而破坏。

3.2.4埋深

隧道所处位置越深，其周围地应力越大，隧道埋深对围岩压力有显著的影响。《公路隧道设计规范》当中将隧道分为浅埋和深埋隧道，其中浅埋又分为超浅埋与一般浅埋两种情况。对于超浅埋，围岩压力为上覆岩土自重，对于一般浅埋，围岩压力为拱顶刚性滑落体自重扣除滑面摩擦力之后的计算值，而对于深埋隧道，其围岩压力为坍落拱的内的松散压力值。可见，隧道埋深的设置直接关系到围压压力的计算方法和量值。

4 结语

结合公路隧道施工，将影响隧道稳定性的围岩压力进行了归纳，对每一种围岩压力的产生机制、作用特点等进行了分析。同时，从客观的地质因素与主观的人为设计或施工因素两个方面，对影响围岩压力的因素进行了分析。这些分析及其结论对公路隧道的安全施工及风险管控等均有积极的参考价值。