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圍巖

鎖定
在岩石地下工程中,由於受開挖影響而發生應力狀態改變的周圍巖體,稱為圍巖。
圍巖又稱主巖、容礦巖。礦體周圍的和巖體周圍的岩石均稱圍巖。
不過,前者是礦體的圍巖,後者為巖體的圍巖。
礦體與圍巖的關係大致有二種情況: 礦體與圍巖在組構上和有用組份的含量上有顯著的差別,接觸界線清楚,如脈狀充填礦體與圍巖的關係。
礦體與圍巖的分界線是過渡的,如浸染狀交代礦體與圍巖的關係。
在一般情況下,礦體和圍巖的邊界是通過系統的取樣分析,根據一定的工業指標圈定的。
中文名
圍巖
外文名
surrounding rock
定    義
重分佈應力影響範圍內的巖體
分類標準
按裏面所含地殼物質分類
大    小
6r:r為洞室半徑
所屬學科
地質學

圍巖簡介

工程地質學中把重分佈應力影響範圍內的巖體稱為圍巖。絕大部分為6r(r為洞室半徑 )。 [1] 
一、地質學名詞,相對於某種地殼物質周圍的岩石。常見的有岩漿的圍巖和礦體的圍巖。煤層圍巖指的是煤層周圍一定範圍內,對煤層的穩定有影響的巖(土)體。
二、在岩石地下工程中,由於受開挖影響而發生應力狀態改變的周圍巖體。
圍巖是洞室四周圍繞的岩石,這個洞室可以是人工開鑿的(例如各種隧道、地下倉庫等等),也可以是天然形成的(例如山洞、溶洞等等)。

圍巖工程性質

圍巖的工程性質,—般包括三個方面:物理性質、水理性質和力學性質。而對圍巖穩定性最有影響的則是力學性質,即圍巖抵抗變形和破壞的性能。圍巖既可以是巖體、也可以是土體。
巖體是在漫長的地質歷史中,經過岩石建造、構造形變和次生蜕變而形成的地質體。它被許許多多不同方向、不同規模的斷層面層理面、節理面和裂隙面等各種地質界面切割為大小不等,形狀各異的各種塊體。
工程地質學中將這些地質界面稱之為結構面不連續面,將這些塊體稱之為結構體,並將巖體看作是由結構面和結構體組合而成的具有結構特徵的地質體。
所以,巖體的力學性質性質主要取決於巖體的結構特徵、結構體岩石的特徵以及結構面的特性。
環境因素尤其是地下水和地温對巖體的力學性質影響也很大。在眾多的因素中,哪個起主導作用需視具體條件而定。

圍巖穩定性

隧道工程所賦存的地質環境的內涵很廣。包括地層特徵,地下水狀況,開挖隧道前就存在於地層中的原始地應力狀態,以及地温梯度等。
但對隧道工程來説,最關心的問題則是地層被挖成隧道後的穩定程度。這是不言而喻的,因為地層穩定就意味着開挖隧道所引起的地層向隧道內的變形很小,而且在較短的時間內就可基本停止,這對施工過程和支護結構都是非常有利的。
地層被挖成隧道後的穩定程度稱為隧道圍巖的穩定性,這是一個反映地質環境的綜合指標。 [2] 

圍巖影響圍巖穩定性的因素

圍巖地質因素

圍巖在開挖隧道時的穩定程度乃是巖體力學性質的一種表現形式。因此,影響巖體力學性質的各種因素在這裏同樣起作用,只是各自的重要性有所不同。
1、巖體結構特徵
巖體的結構特徵是長時間地質構造運動的產物,是控制巖體破壞形態的關鍵。從穩定性分類的角度來看,巖體的結構特徵可以簡單地用巖體的破碎程度或完整性來表示。在某種程度上它反映了巖體受地質構造作用嚴重的程度。實踐證明,圍巖的破碎程度對坑道的穩定與否起主導作用,在相同巖性的條件下,巖體愈破碎,坑道就愈容易失穩。因此,在近代圍巖分類法中,都已將巖體的破碎或完整狀態作為分類的基本指標之一。
2、結構面性質和空間的組合
在塊狀或層狀結構的巖體中,控制巖體破壞的主要因素是軟弱結構面的性質,以及它們在空間的組合狀態。對於隧道來説,圍巖中存在單一的軟弱面,一般並不會影響坑道的穩定性。只有當結構面與隧道軸線相互關係不利時,或者出現兩組或兩組以上的結構面時,才能構成容易墮落的分離巖塊。例如有兩組平行但傾問相反的結構面和一組與之垂直或斜交的陡傾結構面,就可能構成屋脊形分離巖塊。至於分離巖塊是否會塌落或滑動,還與結構面的抗剪強度以及巖塊之間的相互聯鎖作用有關。
3、岩石的力學性質
在整體結構的巖體中,控制圍巖穩定性的主要因素是岩石的力學性質,尤其是岩石的強度。一般來説,岩石強度越高坑道越穩定。在圍巖分類中所説的岩石強度指標,都是指岩石的單軸飽和極限抗壓強度。因為這種強度的試驗方法簡便,數據離散性小,而且與其它物理力學指標有良好的換算關係。
4、圍巖的初始應力場
圍巖的初始應力場是隧道圍巖變形、破壞的根本作用力,它直接影響圍巖的穩定性。
5、地下水狀況
隧道施工的實踐證明,地下水是造成施工坍方,使隧道圍巖喪失穩定的最重要因素之—,因此,在圍巖分類中切不可忽視。

圍巖人為因素

施工等人為因素也是造成圍巖失穩的重要條件。其中尤其以坑道的尺寸(主要指跨度)形狀以及施工中所採用的開挖方法等影響較為顯著。
1、坑道尺寸和形狀
實踐證明,在同—類圍巖中,坑道跨度愈大,坑道圍巖的穩定性就愈差,因為巖體的破碎程度相對加大了。
2、 施工中所採用的開挖方法
從施工技術水平來看,開挖方法對隧道圍巖穩定性的影響較為明顯,在分類中必須予以考慮。例如,在同一類巖體中,採用普通的爆破法和採用控制爆破法,採用礦山法和採用掘進機法,採用全斷面一次開挖和採用小斷面分部開挖,對隧道圍巖的影響都各不相同。所以,大多數圍巖分類法都是建立在相應的施工方法的基礎上的。 [3] 

圍巖分類

圍巖分類原則

圍巖分類的原則有多種,它是在人們對隧道工程的不斷實踐和對圍巖的地質條件逐漸加深瞭解的基礎上發展起來的。不同的國家,不同的行業都根據各自的工程持點提出了各自的圍巖分類原則。現行的許多圍巖分類方法中,作為分類的基本要素大致有三大類:
第Ⅰ類
與巖性有關的要素。例如分為硬巖、軟巖、膨脹性巖等,其分類指標是採用岩石強度和變形性質等,如岩石的單軸抗壓強度、岩石的變形模量或彈性波速度等。
第Ⅱ類
地質構造有關的要素。如軟弱結構面的分佈與性態、風化程度等。其分類指標採用岩石質量指標、地質因素評分法等等。這些指標實質上是對巖體完整性或結構狀態的評價。這類指標在劃分圍巖的類別中一般佔有重要的地位。
第Ⅲ類
與地下水有關的要素。

圍巖分類方法

(一)以岩石強度岩石的物性指標為代表的分類方法
1、以岩石強度為基礎的分類方法
這種圍巖分類單純以岩石的強度為依據,例如我國解放前及解放初期(如修建成渝線時)的土石分類法。即把岩石分為堅石、次堅石、松石及土四類。並設計出相應的四種隧道襯砌結構類型。
2、以岩石的物性指標為基礎的分類方法
在這種分類方法中,具有代表性的是前蘇聯普洛託季雅柯諾夫教授提出的“岩石堅固性係數”分類法(或稱“”值分類法,也叫普氏分類法)。它把圍巖分成10類。這種分類法曾在我國的隧道工程中得到廣泛的應用。
(二)以巖體構造、巖性特徵為代表的分類方法
1、這種分類法以泰沙基分類法為代表
此法是在早期提出的,限於當時的條件僅把不同巖性、不同構造條件的圍巖分成九類,每類都有一個相應的地壓範圍值和支護措施。在考慮問題時是以坑道有水的條件為基礎的,當確認無水時,4~7類圍巖的地壓值應降低50%。這一分類方法曾長期被各國所採用,仍有廣泛的影響。
2、以巖體綜合物性為指標的分類方法
60年代我國在積累大量鐵路隧道修建經驗的基礎上,提出了以巖體綜合物性指標為基礎的“巖體綜合分類法”,並於1975年經修正後正式作為鐵路隧道圍巖分類方法,1986年再作修訂後列入我國現行的《鐵路隧道設計規範》。
(三)與地質勘探手段相聯繫的分類方法
1、按彈性波(縱波)速度的分類方法
隨着工程地質勘探方法,尤其是物探方法的進展。1970年前後,日本提出了按圍巖彈性波速度進行分類的方法。圍巖彈性波速度是判斷巖性、巖體結構的綜合指標,它既可反映岩石軟硬,又可表明巖體結構的破碎程度。根據巖性、地質狀況及土壓狀態,將圍巖分成七類。我國從1986年起也開始將圍巖彈性波(縱波)速度引入我國分類法中。
2、以岩石質量為指標的分類方法
所謂岩石質量指標是指鑽探時巖芯的復原率,或稱巖芯採取率,這是美國伊利諾大學迪爾等人提出的,認為鑽探獲得的巖芯其完整程度與巖體的原始裂隙、硬度、均質性等狀態有關,因此可用巖芯復原率來表達巖體質量。 [4] 

圍巖圍巖壓力

圍巖定義

指引起地下開挖空間周圍巖體和支護變形或破壞的作用力。它包括由地應力引起的圍巖力以及圍巖變形受阻而作用在支護結構上的作用。

圍巖產生背景

從廣義來理解,圍巖壓力既包括圍巖有支護的情況,也包括圍巖無支護的情況;既包括作用在普通傳統支護,也包括錨噴壓力灌漿等現代支護的方法中所顯示的力學性質。
從狹義來理解,圍巖力是指圍巖作用在支護結構上的壓力。
人們從開挖洞穴後圍巖變形和坍塌,襯砌或支護產生變形和開裂等現象,逐步認識到圍巖壓力的存在。影響圍巖壓力的因素有:洞室形狀或大小、地質構造、支護型式和剛度、洞室埋深,以及時間因素和施工方法等。圍巖壓力的性質、大小和分佈規律是正確進行隧道和洞室支護、結構設計和選擇施工方案的重要依據。 [5] 
洞室開挖前,巖體處在相對靜止狀態,其中任何一點的岩土都受到周圍地層的擠壓,稱為初始應力狀態或一次應力狀態。它是由上覆地層自重、地殼運動的構造應力以及地下水流動等因素所決定的。
洞室開挖以後,解除了部分圍巖的約束,原始的應力平衡和穩定狀態被破壞,圍巖中出現了應力的重分佈,進入二次應力狀態。圍巖向洞室內部空間變形,併力圖達到新的平衡。

圍巖應力狀態

彈塑性理論和現場量測表明,隧道開挖後的圍巖應力狀態可概括為三個區域:
應力降低區
在鬆軟圍巖中,巖體的強度很小,不能承受開挖後急劇增大的洞室周邊應力而產生塑性變形,沿坑道周邊圍巖應力鬆弛而形成一個應力降低了的區域,高應力向圍巖深部轉移。
擾動了的巖體向坑道內變形,如果變形超過一定數值就會出現圍巖失穩和坍塌。
在堅硬而完整的圍巖中,由於巖體強度大,坑道周邊未達到開裂和坍塌,故無應力降低區,這種洞室往往是自穩的。
應力升高區
圍巖深部應力升高的區域,但其強度尚未被破壞,相當於一個承載環。坑道上方形成承載拱,承受上覆地層的自重,並將荷載向兩側地層傳遞。此即圍巖的成拱作用。
初始應力區
距離坑道較遠的巖體所受開挖的影響較小,仍處於初始的一次應力狀態。

圍巖基本類型

鬆動壓力
由於開挖而鬆動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結構上的壓力稱為鬆動壓力。鬆動壓力按作用在支護上的力的位置不同,分為豎向壓力和側向壓力。
形變壓力
圍巖變形受到支護約束而產生的壓力。除與圍巖應力有關外,還與支護時間及其剛度有關。柔性支護可產生一定位移而使形變壓力減小,宜大力推廣。但需及時設置襯砌,以免圍巖位移過大而形成鬆動壓力,不利於結構受力和正常施工。
按圍巖的本構特性(主要指岩土材料的應力-應變關係)和受力程度,可以有彈性、塑性和粘性等不同性質的形變壓力。
鬆動壓力和形變壓力經常同時存在。但以地質條件、支護類型和施工方法等不同而以某一種為主。
如在鬆散地層中採用現澆混凝土襯砌而回填不密實時,通常以鬆動壓力為主,及時作柔性的噴錨支護則以形變壓力為主。形變壓力常隨時間推移而逐漸加大,最終才趨於穩定。
膨脹壓力
當巖體具有吸水、應力解除等膨脹性特徵時,由於圍巖膨脹所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與變形壓力的基本區別在於它是有吸水、應力解除等膨脹引起的。
衝擊壓力
圍巖產生巖爆或瓦斯突發,在支護結構上產生的動壓力。其特點是衝擊地壓大小與巖爆規模、巖爆強烈程度和支護結構的剛度有關,另外衝擊壓力總體上是一種瞬間壓力。

圍巖理論發展

在20世紀20年代以前,主要是古典理論階段。認為作用在支護上的壓力是支護結構上方覆蓋岩層的全部重量,如海姆和蘭金理論。
其後,出現了各種散體理論,即認為使圍巖塌落拱以內的巖體重量作用於襯砌,如泰爾扎吉普羅託季亞科諾夫理論。塌落拱的高度和洞室跨度及圍巖性質有關。當掘進和支護所需時間較長,支護與圍巖又不能緊密貼接,就會使圍巖最終有一部分破壞塌落而形成鬆動壓力。
50年代起,彈塑性理論被運用於隧道的計算,如芬納、卡斯特納公式等。同時,開始研究圍巖壓力和變形的時間效應
60年代末,出現了考慮地下結構與地層相互作用的彈塑性理論。由於將圍巖與襯砌視為一個統一的結合整體,圍巖壓力不再單獨進行計算。
70年代以來,將工程地質和數學計算相結合,出現了研究塊狀和層狀巖體的塊體力學理論。
現行圍巖壓力理論包括:
岩土柱理論
開挖坑道以後,由於支護或拱圈向坑道內部位移,引起其頂部上覆岩土柱的下沉,兩側地層對柱體產生與下沉反向的摩擦力,故上覆岩層重量減去岩土柱兩側的摩擦力即為圍巖壓力。 [6] 
中國鐵路部門的方法認為:拱頂土柱的下沉,將帶動兩側三稜體下滑,由三角楔體的平衡條件求出與土柱間的摩阻力,土柱重量減去此摩阻力即為土體豎直壓力。
該理論多用於淺埋隧道,但也可推廣用於深埋隧道。當隧道埋置極淺或遇軟土層時,土柱兩邊的摩阻力接近於零,故圍巖壓力直接為土柱全重。
壓力拱理論
對埋置較深的隧道,頂部巖體失去穩定,產生坍塌而形成不延向地表的局部破裂區。該區內的巖體自重即洞室支護上的荷載。破裂區上部邊界線有拋物線、橢圓、半圓和三角形等不同假定,如科默雷爾巖體破碎理論等。
中國在50年代初期以來,曾廣泛採用普氏地壓理論。假定巖體為鬆散體,其壓力拱承受上覆土柱的全部均布重量,根據散粒材料不能承受拉應力,即彎矩為零的條件,得到拱形為拋物線,其矢高h=b/f(b為壓力拱跨度之半,f為岩層堅固係數)。塌落拱巖體重量即為豎直地層壓力。
彈塑性理論
利用彈塑性理論可求出沿洞室周邊地層內產生塑性區的範圍。設置襯砌後,利用地下結構與地層的位移協調條件,可求得塑性區半徑和圍巖壓力值。
極限平衡理論
巖體內有各種各樣的結構面。開挖坑道後,洞周的圍巖出現與整個巖體相脱離的巖塊。它的自重對襯砌產生壓力。故用地質分析法時,需先查明斷層、節理軟弱夾層的分佈情況及其組合。自重減去結構面阻力即為地層壓力,必要時也可計及圍巖應力對地壓的影響,採用赤平極射投影方法,確定岩石塊體的空間位置和形狀。
當分離體由數組平行節理面組成時,可用裂隙岩石的極限平衡理論計算;當節理呈隨機分佈時,可用塊體力學理論計算。
數值解法
除簡單邊界條件的圓形洞室有較嚴格的解析解以外,對其他斷面形狀的洞室可採用有限元法或其他數值方法計算彈性、彈塑性或粘彈與粘(彈)塑性的圍巖壓力值。 [7] 
如已給出垂直壓力,則側向壓力可視具體情況採用主動、靜止和被動抗力等理論進行計算。如底部地層較差而承載力不好,處於極限狀態,產生塑流,岩土將向洞室底部隆起;或遇膨脹地層時,均需要考慮底部圍巖的隆起壓力。
由於地層初始壓力和岩土參數不易準確測定,上述各種地壓理論,實際應用時會受到一定限制,因此還較多地採用工程類比法。在對已建成洞室的圍巖壓力大小和分佈規律觀察統計的基礎上,全面分析研究其影響因素,得出圍巖壓力的經驗公式,用以確定作用在襯砌上的圍巖壓力。
長期以來,人們都想通過量測作用在隧道上的圍巖壓力及圍巖和襯砌的變形,得出可靠的圍巖壓力分佈和數值。近期興起的綜合量測方法,如以洞徑位移量測為主的收斂約束法,強調施工期間進行量測,並反饋信息而後修改原設計,稱為現場監控法。
依靠實測來求得圍巖壓力值是當前的發展方向。圍巖壓力理論雖有很大的發展,但仍未臻完善。圍巖性質千變萬化,支護形式多種多樣,施工方法各不相同,故應綜合經驗、理論和實測的成果,針對不同情況,採用不同的理論和方法。
參考資料
  • 1.    劉佑榮,唐輝明.巖體力學:化學工業出版社,2008-12-01:194
  • 2.    吳夢軍, 陳彰貴, 許錫賓,等. 公路隧道圍巖穩定性研究現狀與展望[J]. 重慶交通大學學報(自然科學版), 2003, 22(2):24-28.
  • 3.    劉泉聲, 張華, 林濤. 煤礦深部巖巷圍巖穩定與支護對策[J]. 岩石力學與工程學報, 2004, 23(21):3732-3737.
  • 4.    陳炎光, 陸士良. 中國煤礦巷道圍巖控制[M]. 中國礦業大學出版社, 1994.
  • 5.    謝定義,林本海,邵生俊.岩土工程學.北京:高等教育出版社,2008-11-01
  • 6.    楊宇江,常來山.地下礦圍巖壓力分析與控制.北京:冶金工業出版社,2014-08-01
  • 7.    顧鵬飛,喻遠光.水電站廠房設計.北京:水利電力出版社,1987-07-01:429-467