漫谈矿山法隧道技术讲座第一讲－ 围岩

关宝树

(西南交通大学，四川成都 610031)

0 引言

正确地认识和掌握围岩，包括围岩的基本概念及其工程特性、围岩的分级及分类、围岩开挖后的动态、围岩的评价方法等，是隧道设计、施工的基础条件。隧道技术的发展，多数是围绕"围岩"展开的。因此，树立以"围岩为本"的基本理念，认识、掌握、利用和改造"围岩"是非常重要的。

1 隧道围岩的工程特性

隧道是修筑在地下的线状结构物，从工程角度出发，其基本特性是由周边的地质环境，具体而言，是由隧道周边围岩的条件所决定的。因此，要了解隧道的工程特性，就必须了解隧道周边围岩的工程特性。

隧道周边围岩的工程特性，可以从3个方面的认识来体现。

1)在通常情况下，周边围岩是隧道结构的主体，即，矿山法隧道结构的主体是周边围岩。天然洞穴都是无支护的，可以依靠自身的支护能力(以后称为自支护能力)存在几百年、几千年甚至几万年。这说明，围岩本身具有"自支护"能力。实质上，从地质条件看，具有自支护能力的围岩占大多数，而只有少部分围岩的自支护能力不足或缺乏自支护能力。因此，在隧道设计施工中，对良好围岩而言，爱护和"利用"围岩、尽可能减少对周边围岩的损伤，避免围岩过度松弛，充分发挥围岩的自支护能力，是非常重要的。而对一些自支护能力不足或缺乏自支护能力的围岩，在设计、施工时则应采取对策"改造"围岩，提高围岩的自支护能力，这也是极为重要的。

2)围岩也是构成隧道主体结构的材料。其对矿山法隧道的设计、施工具有重要的、不可忽视的影响。这种材料的特点与其他材料，如金属、混凝土等不同，具有潜在的不确定性以及易受施工影响的可变性。因此，通过施工中采取的各种支护方法(喷混凝土、锚杆、钢架等)和对策(注浆、超前支护、掌子面支护等)，来利用和改变其特性。"为我所用"是矿山法隧道施工技术发展的重要趋势。

3)从设计角度看，围岩也是作用在隧道结构上的"荷载"。任何结构物的设计，都需要有一个明确的荷载。而隧道结构的荷载从理论上是:在无支护条件下是开挖后的应力重分配的结果;在有支护的条件下则是支护与围岩相互作用的结果。因此，其受到支护刚性、围岩刚性、支护设置时间以及施工方法的影响。但这种荷载(应力)与开挖、支护技术有关，是可变的、可控的。这是隧道结构物作用荷载的基本特征。因此，设计、施工中将可能产生的荷载(松弛、应力)控制在最小限度内，也是发展矿山法隧道技术的一个重要前提。

"结构体－作用荷载－构成材料""三位一体"是隧道工程重要的、独一无二的技术特征。隧道从规划、调查、设计、施工到维修管理都是由这个特性决定的。这就是隧道工程最具特色的、与其他工程截然不同的特性。这个特性决定了隧道工程的设计、施工、维修管理的基本理念。因此，可以将隧道设计、施工、维修管理的基本理念归纳为"以围岩为本"。在隧道施工前、施工全过程中、施工后(运营)必须了解围岩、认识围岩并通过实践利用围岩、改造围岩，以达到"为我所用"的目的。

2 周边围岩的概念

"围岩"通常指隧道开挖影响范围内的地质体，或者是开挖后和应力重分配影响范围内的地质体，即所谓的周边围岩(见图1)。隧道的稳定性取决于隧道周边围岩的稳定性，而周边围岩的稳定性又取决于施工技术及其自身的工程特性。

隧道周边围岩不稳定则无法施工。因此，以稳定和利用隧道周边围岩为重点，来规划隧道的设计和施工是隧道工作者追求的永恒目标。

图1 隧道周边围岩Fig.1 Sketch of surrounding rock

对周边围岩的认识可归纳为以下4点。

1)在一般情况下，隧道的周边围岩是三维的，包括掌子面、掌子面后方没有支护的横向范围内的围岩以及掌子面前方一定范围内的围岩。实质上，周边围岩的稳定性主要决定于掌子面和掌子面前、后方围岩的稳定性。以往，业界人员十分关注隧道掌子面后方横向影响范围内的围岩动态，初期支护的选定基本上是以此范围内的围岩动态来决定的。对隧道而言，掌子面前方围岩和掌子面自身的稳定性更为重要。掌子面也是一个支护构件，开挖过后掌子面起着极为重要的支护作用。施工中出现的许多问题，多数与掌子面的自稳性有关。因此，维护掌子面的稳定是非常重要的。这也是当前隧道施工技术发展的重要领域之一，也是预支护技术有了突破性发展的主要原因。

2)除特殊的围岩条件外，一般而言，隧道开挖对周边围岩的影响范围是有限的。其影响范围与周边的地质条件和隧道的开挖方法有极大的关系，但大致在1D～3D(D为隧道开挖宽度)(见图2)。从理论上而言，周边围岩的范围是由隧道开挖后的应力重分布范围决定的，在此范围外应力仍然处于原始状态。从地质构造上而言，周边围岩的范围是由其构造、岩类特性，特别是开挖后的动态所决定的，其范围与围岩动态密切相关。

图2 隧道开挖和围岩扰动［1］Fig.2 Tunnel excavation and surrounding rock disturbance［1］

3)周边围岩是可以改造的。与其他材料不同的是，围岩改造过程是在施工过程中完成的。而施工就是利用围岩的这个特性，通过各种方法(如锚杆、注浆)和手段(预支护等)，将周边围岩改造成"为我所用"的材料。

4)隧道开挖后周边围岩的动态，视地质条件、开挖方法等的不同而多种多样。因此，正确了解和评价开挖后的围岩动态，是解决隧道设计、施工中出现的问题的最基本的前提条件，也是一直还没有完全解决的问题。

3 围岩开挖后的动态

3.1 动态分类

有许多研究认为围岩开挖后的动态及失稳模式多数与围岩分级紧密相联。其中比较通行的有以下几类。

1)新奥法(NATM)描述的围岩的动态类型，如表1 所示［1］。

2)Martin(1999年)，Hoek(1995年)等总结的地下开挖的动态，如图3所示的10种失稳模式［1］。

3)表 2是根据 Hoek、Brown(1980)和 Hudson(1989)的研究成果，将失稳模式(不稳定)包括对地下水的影响分为3组［1］。

表1 动态类型［1］Table 1 Dynamic classification［1］

图3 地下开挖中的围岩动态类型［1］Fig.3 Dynamic types of surrounding rock in underground excavation［1］

表2 地下开挖的动态类型［1］Table 2 Dynamic types of underground excavation［1］

其中:

①第1组－－重力－控制型。大多是不连续控制的失稳(块体掉落)，一旦开挖，在顶部和侧壁原先存在的碎片或块体能够自由移动。

②第2组－－应力－控制型。由过大应力，即由超过围岩材料的局部强度引起的应力造成的重力失稳。这种失稳可能有2种主要形式:具有脆性特征的屈服，片帮或岩爆，即整体的脆性围岩;具有韧性或变形特征的塑性变形，蠕变或挤压，即整体的软弱/韧性或连续的松散围岩。

③第3组－－水的影响。在设计中水压力是一个重要的必须考虑的荷载因素，尤其是在不同种类的围岩条件下。地下水的失稳可能发生在含有大量水的流动性围岩，和能够引发不稳定状态(如膨胀、崩解等)的一些含有某些矿物质的围岩。水也可以溶解石灰石、方解石等矿物。

4)意大利动态分类法。近年，意大利提出了围岩变形与控制的基本理念，形成了意大利法的核心技术。该技术将掌子面前方围岩的变形响应及前方围岩的应力－应变特性分为如图4所示的3个可能的状态:稳定的掌子面动态(A)、短期稳定的掌子面动态(B)及不稳定的掌子面动态(C)。

图4 掌子面动态的分类［2］Fig.4 Classification of tunnel face dynamics［2］

稳定的掌子面动态(A)是自身形成稳定的状态。B和C的动态是属于暂时稳定和不稳定的状态，为使它们处于A的稳定状态，就必须采取事前的约束对策。这种分类的方法，虽然简单明了，具有一定的实用价值，但如何判定掌子面的稳定性仍然是个问题。

依上所述，围岩开挖后的动态，也就是稳定性受许多因素的影响。但其外观的综合表现，就是变形(包括掌子面的挤出变形、体积膨胀的变形)、掉块、滑移或松弛(动)、流动、崩解等。过去仅仅用"变形"一词很难概括隧道开挖后的围岩动态。围岩开挖后动态的不同，决定了相应的支护对策和施工方法的不同。

对于某些类型的围岩，动态可以从一个类型发展到另一个类型，如从最初的塑性动态发展为长期的挤压状态。而对另外一些类型的围岩，可能发生多个类型的动态，这取决于围岩的应力和/或某些矿物质的含量的多少。如前所述，即使围岩处于整体的、完整区域，也必须强调和考虑岩块不稳定的风险。

3.2 动态总体分类

从国内外矿山法隧道的施工经验来看，围岩开挖后的动态，按围岩构造及特性，基本上可按表3分类。

表3实质上是我国铁路隧道围岩分级的基础，我国铁路隧道围岩分级与周边围岩稳定性、开挖后围岩动态及相应的对策关系可归纳为表4。

表3 隧道周边围岩的基本类型及动态Table 3 Basic types and dynamics of surrounding rock of tunnel

表4 围岩分级的定性概念Table 4 Specific properties of different grades of surrounding rock

4 隧道开挖后周边围岩稳定性问题

4.1 围岩稳定性定义

如前所述，铁路隧道的围岩分级将开挖后围岩的稳定性分为长期稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定4种状态。稳定性通常是指开挖后在一定时间内无支护地段的周边围岩的稳定状态。而周边围岩不仅指开挖面周边横向一定范围内的围岩，也包括掌子面前方(纵向)一定范围内的围岩。隧道开挖后，周边围岩不需要进行特别的处理，而在一定时间内能保持不发生有害变异(如大变形、崩塌、掉块、挤入等)的自支护能力称为围岩稳定性，也有称之为围岩自稳性，或开挖面自稳性。

4.2 围岩影响范围

从连续介质力学概念出发，受开挖影响的围岩仅仅是紧靠掌子面的前后方一定距离内的周边围岩。即:以掌子面(指开挖面的正面)为界，可将开挖面分为掌子面前方围岩、掌子面及掌子面后方围岩(如图5所示)，其应力－应变的变化是三维的。此范围外的围岩可以按二维的应力－应变状态考虑。

图5 开挖面的概念图Fig.5 Sketch of excavation face

在裸洞地段，此范围内围岩的稳定性不仅取决于掌子面后方周边围岩(或无支护地段)的稳定性，也取决于掌子面及其前方围岩的稳定性。以往通常将重点放在维护掌子面后方无支护地段的周边围岩的稳定性上，而忽视了维护掌子面前方围岩的稳定性。从工程实际和理论分析可以肯定，在某些情况下，维护掌子面及其前方围岩的稳定性，比维护掌子面后方周边围岩的稳定性更为重要。因此，在软弱围岩地段，将重点放到维护掌子面前方周边围岩的稳定性上是非常重要的。

4.3 应力 －应变

1)以全断面法为例。按最基本的状态，即侧压系数为1的状态，也就是静水压状态的圆形隧道地段的掌子面状况，围岩开挖后的应力分布如图6所示。图6(a)表示通过隧道中心的主应力线。可以看出，在掌子面附近主应力线倾向拱形形状，形成承载拱，由于隧道开挖的应力减少向掌子面深部围岩分配，而保持稳定。应力分配的范围超过隧道直径以上。同时，拱顶的隅角处产生很大的应力。图6(b)表示掌子面附近的最大剪应力分布。距掌子面一定距离形成承载拱的部分，应力大。掌子面因开挖而松弛，是容易导致不稳定的部分。实际上，掌子面的稳定性是距掌子面深部的穹拱状部分所支撑的。距掌子面深部的围岩部分("围岩岩蕊")，不使此部分松弛对保持掌子面的稳定非常重要。这也是形成意大利法的核心技术。

图6 掌子面附近的主应力和最大剪应力分布Fig.6 Distribution of principal stress and maximum shear stress around tunnel face

2)以台阶法施工为例。理论分析说明，隧道开挖扰动了周边围岩的初始应力状态，围绕推进的掌子面周围形成一个灯泡形的三维应力场如图7所示。

在隧道掌子面，围绕隧道的应力流在隧道开挖前方成拱形，并沿纵向变化，在离开掌子面一定距离后达到初始应力状态，变为二维应力状态。围绕坑道的应力扰动程度，主要取决于围岩条件、开挖尺寸、循环长度。其扰动范围大致在隧道掌子面前方达到开挖直径的2倍(参见图2)。

3)为了确保掌子面的自稳性，也有人主张从改变掌子面的形状着手，即采用曲面掌子面或斜掌子面。图6表示直立掌子面近旁的主应力流，但在掌子面处，产生穹拱效应，靠近掌子面的穹拱效应流被切断只留有残余部分。此部分，从应力看比形成穹拱的部分小，难以对掌子面稳定性发挥作用，是开挖面受开挖影响而易于松弛的部分，是受重力直接影响而易于不稳定的部分。图8表示掌子面形成曲面场合的主应力流线。围岩内的应力流线与图6的直立掌子面几乎没有变化。

图7 隧道周围的应力流［3］Fig.7 Stress flow around tunnel［3］

图8 曲面掌子面近旁的主应力Fig.8 Principal stress around curved tunnel face

图9表示曲面掌子面附近的最大剪应力的状况。与图6比较，应力变化的范围与直立掌子面的情况相比没有很大的变化。即，曲面掌子面，从应力上看变化不大，对掌子面整体的稳定也没有影响，但可以回避靠近掌子面的不稳定部分，对掌子面的稳定是很有利的。

图9 曲面掌子面的最大剪应力Fig.9 Maximum shear stress around curved tunnel face

图10表示直立和曲面掌子面的纵向挤出位移。曲面掌子面的位移比直立掌子面的位移小。这说明曲面掌子面没有包括掌子面附近的不稳定部分的位移。从这一点看，曲面掌子面是有利的。因此，从确保掌子面稳定性的观点出发，比直立掌子面有利。特别是掌子面周边的应力超过围岩强度的地段，掌子面的维护更为重要。但从施工角度而言，目前的施工机械开挖曲面掌子面有一定的困难。因此，很少采用曲面掌子面。但近期的一些研究表明，开发曲面掌子面的技术已经受到关注，并在进行施工试验。

图10 曲面掌子面的水平挤出位移Fig.10 Horizontal extrusion displacement of curved tunnel face

4)开挖面/掌子面的自稳性，在均质围岩中，基本上是围岩暴露面积和暴露时间的函数关系。一般而言，开挖后的空间在无支护条件下能够保持稳定的时间称为自稳时间。暴露面积越小自稳时间越长，无支护地段长度越长自稳时间越短。因此，长久以来，在施做支护前不能确保自稳时间的地段，多将隧道断面分割为小断面，短进尺顺次开挖、支护来完成整个断面的开挖。这种大断面分割成小断面的方法是无奈之举，是与施工条件相互配合的消极方法。最近的隧道修建技术发展表明，隧道开挖方法正向着不分割断面，而积极地补强围岩的大断面开挖的方向发展。在这种情况下，稳定掌子面和掌子面前方的围岩更为重要。大断面开挖可以确保大的施工空间，进行更为有效的施工，对掌子面的应力重分配也是有利的。同时也是稳定掌子面的超前支护等辅助工法的发展所致。

5 设计、施工中应该关注的围岩－－软弱围岩及特殊围岩

如前所述，在修建隧道过程中所遇到的围岩大多数是具有自支护能力的，或者只用初期支护就能够使其稳定。在这种情况下，采用推荐的标准设计的支护模式，用常规的施工对策和方法就可以获得公认的长期稳定的隧道结构。这种围岩称为一般围岩。因此，隧道的设计、施工应该关注的围岩，是指缺乏自支护能力或具有特殊性质的围岩，即所谓的软弱围岩和特殊围岩。

软弱围岩涵盖范围较广，具体包括以下几类。

1)按岩类划分。分为:剥离显著的变质岩(片岩类、片麻岩、千枚岩等);剥离显著的或细层理的中生代、古生代的堆积岩类(黏板岩、页岩等);节理等发育的火成岩;中生代的堆积岩类(页岩、黏板岩等);火成岩(流纹岩，安山岩、玄武岩等);古第三纪的堆积岩类(页岩、泥岩、砂岩等);风化的火成岩;新第三纪层的堆积岩类(页岩、泥岩、粉沙岩、砂岩、砾岩、凝灰岩等);风化和热力变质及破碎发育的岩石(火成岩类和变质岩类及新第三纪以前的堆积岩类);第四纪更新世的堆积物(砾、砂、粉砂、泥及火山灰等构成的低固结～未固结的堆积物)、新第三纪堆积岩的一部分(低固结层、未固结层、砂等);糜烂化的花岗岩类;表土、崩积土、岩堆等。

2)按岩性划分。分为:岩石单轴抗压强度小于25 MPa的各类软岩;围岩强度应力比小于2的围岩;膨胀性围岩;挤压性围岩;土砂围岩;显著湿陷性的黄土等。

3)按地质构造划分。分为:岩堆、大规模的断层破碎带、裂隙密集带等;风化和热力变质带、褶皱扰乱带等;预计发生高压和大量涌水的围岩;土砂围岩。

4)按自稳性和稳定性划分。分为:自稳性短暂、承载力低的围岩;常常伴有掌子面崩塌流动、大变形和支护变异的围岩。需要采用稳定掌子面的大量的辅助工法及早期仰拱闭合、提高支护刚性的新型支护等对策。甚至需要采取变更开挖工法或极端情况下变更线路的对策。

6 结束语

本讲座着重说明围岩的基本概念，隧道的设计、施工、维修管理都是以确保围岩稳定为前提的。通过本文应该认识到:大多数围岩是有自支护能力的;不良围岩是可以改造"为我所用"的;围岩荷载是可以控制的;不同的围岩其动态特性也是不同的。总体而言，隧道技术的发展都是围绕达到上述目的而发展的。

［1］ Arild Palmstrom，Hakan Stille.Rock engineering［M］.Ellesmere:Thomas Telford，2010.

［2］ Pietro Lunardi.The design and construction of tunnels using the approach based on the analysis of controlled deformation in rocks and soils［J］.Tunnels ＆ Tunneling international，2000.

［3］ AASHTO.Technical manual for design and construction of road tunnls:Civil element［S］.Florida:U.S.Department of Transportation，2010.