围岩压力

地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力

围岩压力指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用。

产生背景

从广义来理解，围岩压力既包括围岩有支护的情况，也包括围岩无支护的情况；既包括作用在普通传统支护，也包括锚喷和压力灌浆等现代支护的方法中所显示的力学性质。从狭义来理解，围岩力是指围岩作用在支护结构上的压力。

人们从开挖洞穴后围岩变形和坍塌，衬砌或支护产生变形和开裂等现象，逐步认识到围岩压力的存在。影响围岩压力的因素有：洞室形状或大小、地质构造、支护型式和刚度、洞室埋深，以及时间因素和施工方法等。围岩压力的性质、大小和分布规律是正确进行隧道和洞室支护、结构设计和选择施工方案的重要依据。洞室开挖前，岩体处在相对静止状态，其中任何一点的岩土都受到周围地层的挤压，称为初始应力状态或一次应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的构造应力以及地下水流动等因素所决定的。洞室开挖以后，解除了部分围岩的约束，原始的应力平衡和稳定状态被破坏，围岩中出现了应力的重分布，进入二次应力状态。围岩向洞室内部空间变形，并力图达到新的平衡。

应力状态

由弹塑性理论和现场量测表明，隧道开挖后的围岩应力状态可概括为三个区域：

1、应力降低区

在松软围岩中，岩体的强度很小，不能承受开挖后急剧增大的洞室周边应力而产生塑性变形，沿坑道周边围岩应力松弛而形成一个应力降低了的区域，高应力向围岩深部转移。扰动了的岩体向坑道内变形，如果变形超过一定数值就会出现围岩失稳和坍塌。在坚硬而完整的围岩中，由于岩体强度大，坑道周边未达到开裂和坍塌，故无应力降低区，这种洞室往往是自稳的。

2、应力升高区

围岩深部应力升高的区域，但其强度尚未被破坏，相当于一个承载环。坑道上方形成承载拱，承受上覆地层的自重，并将荷载向两侧地层传递。此即围岩的成拱作用。

3、初始应力区

距离坑道较远的岩体所受开挖的影响较小，仍处于初始的一次应力状态。

基本类型

松动压力

由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称为松动压力。松动压力按作用在支护上的力的位置不同，分为竖向压力和侧向压力。

形变压力

围岩变形受到支护约束而产生的压力。除与围岩应力有关外，还与支护时间及其刚度有关。柔性支护可产生一定位移而使形变压力减小，宜大力推广。但需及时设置衬砌，以免围岩位移过大而形成松动压力，不利于结构受力和正常施工。按围岩的本构特性（主要指岩土材料的应力-应变关系）和受力程度,可以有弹性、塑性和粘性等不同性质的形变压力。

松动压力和形变压力经常同时存在。但以地质条件、支护类型和施工方法等不同而以某一种为主。如在松散地层中采用现浇混凝土衬砌而回填不密实时，通常以松动压力为主；及时作柔性的喷锚支护则以形变压力为主。形变压力常随时间推移而逐渐加大，最终才趋于稳定。

膨胀压力

当岩体具有吸水、应力解除等膨胀性特征时，由于围岩膨胀所引起的压力称为膨胀压力。它与变形压力的基本区别在于它是有吸水、应力解除等膨胀引起的。

冲击压力

围岩产生岩爆或瓦斯突发，在支护结构上产生的动压力。其特点是冲击地压大小与岩爆规模、岩爆强烈程度和支护结构的刚度有关，另外冲击压力总体上是一种瞬间压力。

围岩压力的影响因素

围岩压力问题是与围岩的稳定性问题相关联的，稳定性越好的围岩所产生的围岩压力就越小。因此，影响围岩稳定性的因素也就是影响围岩压力的因素。影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。一类是地质因素，它包括原始应力状态、岩石力学性质、岩体结构面等；另一类是工程因素，它包括施工方法、支护设置时间、支护本身刚度、坑道形状等。

不论何种围岩，在隧道开挖后的暴露时间均是越短越好。“新奥法”的原则中指出，隧道开挖后应尽快施作初期支护（喷锚支护），及时封闭围岩，防止围岩的松动、风化，也防止围岩强度的丧失。然后通过监控量测掌握围岩的收敛变形动态规律，当围岩的变形基本稳定后再施作永久性衬砌。应该指出，这一原则是建立在围岩具有良好的自稳性能的基础上的，如果围岩不具有良好的自稳性能，将会由变形而出现塑性破坏，这种情况下不能仅依靠初期支护来维持围岩的稳定，而必须及时施作永久性衬砌，给围岩提供所需的支护力，有效地阻止围岩变形的发展，防止围岩的松动坍塌而形成的松动压力对支护的作用。因此，支护的是否及时就成为了围岩压力性质及大小的一个关键性的重要因素。

围岩压力的确定

围岩压力的确定方法一般有：现场量测法、理论计算法、统计法等。量测法是运用仪器实地量测围岩压力的大小，应该说是最具有说服力。但因量测技术手段方面的因素影响，量测的结果往往不能充分反映真实情况。理论计算是在对洞室围岩及地质环境作一些简化假设的条件下运用一些成熟的计算理论对围岩压力进行计算，但由于围岩的地质条件复杂多变，计算时所用的各种参数难免与实际不符，因此现阶段理论计算方法往往还需要配合其它方法进行验证和校核。通过对实际工程的围岩压力值的统计分析而形成的经验计算方法，因具有简单、可靠等特点而被广泛应用。在实际工程中往往采用上述几种方法互相验证。

围岩压力的实测方法

直接量测法

直接量测法是指采用各种压力盒量测围岩作用在衬砌或支护结构上的接触压力的方法。这种方法是将压力盒（或称压力传感器）放置在衬砌或支护结构与围岩之间，并紧密接触，使二者之间的压力直接由压力盒反映出来。用于这种量测的压力盒主要有电阻式、电容式、电压式和振弦式等几种。

间接量测法

通过对衬砌或支护及围岩的应力或应变的量测来推求围岩压力的方法称为间接量测法。其中最为常用的方法是对围岩变形（位移）的量测，在反演围岩压力的同时，用于评价围岩的稳定性以及确定围岩松弛带的范围。

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