焦艳红

（山西省屯留县交通局，山西 长治 046100）

1 概述

我国铁路隧道围岩分类是以围岩稳定性为基础的。但在结构设计中，往往把坑道围岩的稳定性转化为对支护结构的荷载——围岩压力来处理，也就是说，在结构设计中所关注的往往是围岩压力的大小及其性质（分布情况、围岩压力方向、分布形状等）。围岩类别不同，相应的围岩压力也不同。

在地层开挖坑道，如果开挖后不支护坑道，往往会遇到这样一些情况：有的围岩在开挖后会迅速坍塌，甚至会填满整个坑道空间，在地表还可以形成一个与坑道体积相仿的坍塌区；有的围岩在坑道开挖后会发生坑道岩块错动、掉块，甚至塌方；有的围岩开挖后会维持暂时稳定，仅在个别地方产生掉块。这种情况表明，开挖坑道使围岩原有的平衡状态破坏了，坑道周围一定范围内产生了不同程度的扰动，地质情况不同，影响范围不同。

2 围岩压力的分析

为了保证坑道维持需要的净空间和安全，坑道开挖后一般是必须进行支护的，也就是阻止坑道周围的围岩产生移动或下掉。被挠动后的围岩要移动或要变性，而支护结构要阻止围岩移动或变性，围岩就必然会给支护结构施加压力，这个力就是围岩压力。坑道开挖前，围岩处于原先的平衡状态。见图1。

图1

在距地面H深取一单元体，此时，单元体处于三向应力状态，变性受到约束，即岩体在“初始应力状态”时处于相对平衡状态，是稳定的。在上覆围岩的重力作用下，初始应力大小为：

式中：σx、σy、σz：分别为单元体侧向及垂直应力；

γ：围岩的天然容重；

H：单元体距地表的深度；

λ：侧压力系数，在围岩未扰动情况下。

其中：μ：单轴受压下的横向变形系数，或称泊桑系数，其值由岩体性质决定。

这里，没有计岩体在构造运动中残留的、相当大的构造应力。实际上，构造应力会改变自重应力造成的“初始”应力状态，因此，真正的初始应力状态要复杂得多，只是在目前还很难预计构造应力的影响，故在分析中往往略去这一因素。

以垂直应力σZ为例，分析了坑道开挖前后的变化。开挖前，在距地面深H处的平面上，垂直压力都相等，各点均处于三向应力状态。

由于在H水平面开挖坑道，原先的平衡状态破坏了，见图2，因为坑道内岩体移走，坑道周边处的应力得到重新分布。图2表明了硬岩及软岩在坑道开挖后应力重新分布的情况，这可由实验或理论分析得到。对于坚硬岩层，坑道周边应力急剧增长，经一定距离后逐渐减小到原先的应力状态；对于松软或破碎岩层，则由于岩体强度低，不能承受急剧增大的周边应力而形成一低应力区，高应力向岩体深部移动，到一定距离后亦逐渐减小到原先的初始应力状态。

图2

也就是说，坑道开挖后，在坑道周围一定范围内影响了初始应力状态，这个范围的大小与地质条件有关，一般为坑道开挖跨度的0.5～2.5倍。岩体强度高，影响范围小，亦即由于坚硬岩层能承受周边急剧增大的应力，可使坑道保持稳定，一般只有弹性变形而不被破坏。在松软、破碎的岩体中，由于岩体不能承受增大的应力，在一定范围内的土石就要松动、破坏、向坑道内坍塌。

3 围岩压力的分布范围

在完整坚硬的岩体中，若开挖后立即修筑支护结构，则围岩的弹性变形尚未终止，有一部分弹性变形可能转变为荷载而施加于支护结构上（例如喷混凝土支护那样）。但若等弹性变形完成后在修筑支护结构，支护结构就不承受荷载（例如模筑衬砌，在坚硬完整的围岩中，衬砌一般不承载）。

在软弱、破碎的岩中，开挖坑道后在一定范围内的围岩要松动、坍塌，该范围内的围岩就会对支护结构施加力，这也就是所谓的围岩压力。岩体强度低、松软，则松动破坏范围就大，甚至不但坑道顶部围岩下榻，而底部围岩上拱而产生侧压和低压。

可见，隧道模筑衬砌所受的围岩压力，是衬砌（或支护结构）为了阻止岩块松动或岩块移动下榻等形成的荷载。即围岩压力具有松动荷载的性质。

由上述可知，围岩压力类型有垂直压力、侧压力、低压力，它们分别作用在隧道支护结构的顶部、侧帮及底部。

4 围岩压力的量测

坑道形状的选择、支护结构的设计、围岩压力理论的进一步深入研究以及坑道施工等，都需要更好地判断围岩的稳定性，亦即需要更好地确定围岩的压力大小、分布、方向等。因此，对于围岩压力的实测工作，受到了设计、研究、施工人员的重视。

围岩压力的实测，一般可通过量测支护结构的变形或内力，然后推算围岩压力的间接量测方法，或用直接量测作用在支护结构上的压力方法。量测支护结构的变形或内力的方法很多，如可用各种类型的支护测力计（有机械式、电测或液压式等），或在衬砌内埋设各种量测元件（如电子应变片、钢筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖等）量测衬砌的应变。

直接量测作用在支护结构上的压力，可采用各种类型（机械作用式、电测式、液压式等）的压力盒等。

此外，还量测围岩的变形情况（量测中常采用的量测锚杆，或量测坑道断面开挖后的收敛），及量测围岩的深部情况（采用围岩深部应力的应力计）。

在实验室，还用模型试验的方法推算结构上作用的压力及围岩变形情况。但是。由于在直接量测压力时至今无法既量测切向压力又量反向压力（在同一测点处）；量的压力值为围岩与衬砌间的接触应力，包含了主动压力和弹性抗力，从测得的接触应力中来确定围岩值往往不能办到；由支护结构测得变形或内力来反推围岩压力值，则仍需假定压力分布形状、分布范围等，这也就难以达到正确确定围岩压力问题的预期目的。就量测技术本身来说，在精确度和稳定性方面还存在问题，有待进一步改进和提高；量测元件的设置、仪表的操作等对量测结果会产生影响，这与操作人员的技术水平及熟练程度有很大的关系，因此在围岩压力量测方面有待于进一步深入探讨研究、改进、实践和提高。