圍岩:簡介,工程性質,穩定性,影響圍岩穩定性的因素,地質因素,人為因素,分類,分類

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岩體，稱為圍岩。

圍岩又稱主岩、容礦岩。礦體周圍的和岩體周圍的岩石均稱圍岩。

不過，前者是礦體的圍岩，後者為岩體的圍岩。

礦體與圍岩的關係大致有二種情況：礦體與圍岩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岩的關係。

礦體與圍岩的分界線是過渡的，如浸染狀交代礦體與圍岩的關係。

在一般情況下，礦體和圍岩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。

基本介紹

中文名：圍岩
外文名：surrounding rock
定義：重分布應力影響範圍內的岩體
分類標準：按裡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

簡介,工程性質,穩定性,影響圍岩穩定性的因素,地質因素,人為因素,分類,分類原則,分類方法,圍岩壓力,定義,產生背景,應力狀態,基本類型,理論發展,

簡介

工程地質學中把重分布應力影響範圍內的岩體稱為圍岩。絕大部分為6r（r為洞室半徑）。

一、地質學名詞，相對於某種地殼物質周圍的岩石。常見的有岩漿的圍岩和礦體的圍岩。煤層圍岩指的是煤層周圍一定範圍內，對煤層的穩定有影響的岩(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岩體。

圍岩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）。

工程性質

圍岩的工程性質，—般包括三個方面：物理性質、水理性質和力學性質。而對圍岩穩定性最有影響的則是力學性質，即圍岩抵抗變形和破壞的性能。圍岩既可以是岩體、也可以是土體。

岩體是在漫長的地質歷史中，經過岩石建造、構造形變和次生蛻變而形成的地質體。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或不連續面，將這些塊體稱之為結構體，並將岩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，岩體的力學性質性質主要取決於岩體的結構特徵、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溫對岩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。

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，以及地溫梯度等。

但對隧道工程來說，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著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岩的穩定性，這是一個反映地質環境的綜合指標。

影響圍岩穩定性的因素

地質因素

圍岩在開挖隧道時的穩定程度乃是岩體力學性質的一種表現形式。因此，影響岩體力學性質的各種因素在這裡同樣起作用，只是各自的重要性有所不同。

1、岩體結構特徵

岩體的結構特徵是長時間地質構造運動的產物，是控制岩體破壞形態的關鍵。從穩定性分類的角度來看，岩體的結構特徵可以簡單地用岩體的破碎程度或完整性來表示。在某種程度上它反映了岩體受地質構造作用嚴重的程度。實踐證明，圍岩的破碎程度對坑道的穩定與否起主導作用，在相同岩性的條件下，岩體愈破碎，坑道就愈容易失穩。因此，在近代圍岩分類法中，都已將岩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岩體中，控制岩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。對於隧道來說，圍岩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岩塊。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岩塊。至於分離岩塊是否會塌落或滑動，還與結構面的抗剪強度以及岩塊之間的相互聯鎖作用有關。

3、岩石的力學性質

在整體結構的岩體中，控制圍岩穩定性的主要因素是岩石的力學性質，尤其是岩石的強度。一般來說，岩石強度越高坑道越穩定。在圍岩分類中所說的岩石強度指標，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、圍岩的初始應力場

圍岩的初始應力場是隧道圍岩變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍岩的穩定性。

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，使隧道圍岩喪失穩定的最重要因素之—，因此，在圍岩分類中切不可忽視。

人為因素

施工等人為因素也是造成圍岩失穩的重要條件。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—類圍岩中，坑道跨度愈大，坑道圍岩的穩定性就愈差，因為岩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，開挖方法對隧道圍岩穩定性的影響較為明顯，在分類中必須予以考慮。例如，在同一類岩體中，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，對隧道圍岩的影響都各不相同。所以，大多數圍岩分類法都是建立在相應的施工方法的基礎上的。

圍岩壓力

定義

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

產生背景

從廣義來理解，圍岩壓力既包括圍岩有支護的情況，也包括圍岩無支護的情況；既包括作用在普通傳統支護，也包括錨噴和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，圍岩力是指圍岩作用在支護結構上的壓力。

人們從開挖洞穴後圍岩變形和坍塌，襯砌或支護產生變形和開裂等現象，逐步認識到圍岩壓力的存在。影響圍岩壓力的因素有：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。圍岩壓力的性質、大小和分布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。

洞室開挖前，岩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，解除了部分圍岩的約束，原始的應力平衡和穩定狀態被破壞，圍岩中出現了應力的重分布，進入二次應力狀態。圍岩向洞室內部空間變形，並力圖達到新的平衡。

應力狀態

由彈塑性理論和現場量測表明，隧道開挖後的圍岩應力狀態可概括為三個區域：

應力降低區

在鬆軟圍岩中，岩體的強度很小，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，沿坑道周邊圍岩應力鬆弛而形成一個應力降低了的區域，高應力向圍岩深部轉移。

擾動了的岩體向坑道內變形，如果變形超過一定數值就會出現圍岩失穩和坍塌。

在堅硬而完整的圍岩中，由於岩體強度大，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

圍岩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。此即圍岩的成拱作用。

初始應力區

距離坑道較遠的岩體所受開挖的影響較小，仍處於初始的一次應力狀態。

基本類型

鬆動壓力

由於開挖而鬆動或坍塌的岩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
圍岩變形受到支護約束而產生的壓力。除與圍岩應力有關外，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。但需及時設定襯砌，以免圍岩位移過大而形成鬆動壓力，不利於結構受力和正常施工。

按圍岩的本構特性(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
當岩體具有吸水、應力解除等膨脹性特徵時，由於圍岩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
圍岩產生岩爆或瓦斯突發，在支護結構上產生的動壓力。其特點是衝擊地壓大小與岩爆規模、岩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。

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，即認為使圍岩塌落拱以內的岩體重量作用於襯砌，如泰爾扎吉和普羅托季亞科諾夫理論。塌落拱的高度和洞室跨度及圍岩性質有關。當掘進和支護所需時間較長，支護與圍岩又不能緊密貼接，就會使圍岩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，開始研究圍岩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。由於將圍岩與襯砌視為一個統一的結合整體，圍岩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岩體的塊體力學理論。

現行圍岩壓力理論包括：

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岩壓力。

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，故圍岩壓力直接為土柱全重。

壓力拱理論

對埋置較深的隧道，頂部岩體失去穩定，產生坍塌而形成不延向地表的局部破裂區。該區內的岩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，如科默雷爾岩體破碎理論等。

中國在50年代初期以來，曾廣泛採用普氏地壓理論。假定岩體為鬆散體，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)。塌落拱岩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。設定襯砌後，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岩壓力值。

極限平衡理論

岩體內有各種各樣的結構面。開挖坑道後，洞周的圍岩出現與整個岩體相脫離的岩塊。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、節理和軟弱夾層的分布情況及其組合。自重減去結構面阻力即為地層壓力，必要時也可計及圍岩應力對地壓的影響，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；當節理呈隨機分布時，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)塑性的圍岩壓力值。

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，均需要考慮底部圍岩的隆起壓力。
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，實際套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岩壓力大小和分布規律觀察統計的基礎上，全面分析研究其影響因素，得出圍岩壓力的經驗公式，用以確定作用在襯砌上的圍岩壓力。
長期以來，人們都想通過量測作用在隧道上的圍岩壓力及圍岩和襯砌的變形，得出可靠的圍岩壓力分布和數值。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。

依靠實測來求得圍岩壓力值是當前的發展方向。圍岩壓力理論雖有很大的發展，但仍未臻完善。圍岩性質千變萬化，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。

圍岩