第7章 地下洞室工程問題【教學基本要求】1、 了解地下洞室的類型及洞室位置選擇的原則。2、 認識地下洞室變形和破壞的類型和機理。3、 了解地下洞室圍巖分類方法、圍巖壓力的概念和計算方法。4、 了解保護地下洞室圍巖穩定的工程措施和主要施工方法。【學習重點】1、 地下洞室圍巖應力、變形與破壞類型。2、 保護圍巖穩定的工程措施及意義。【內容提要和學習指導】7.1 概述 地下洞室泛指于在地表以下巖土體中修建的各種形式和用途的建筑。地下洞室是巖土工程中的重要組成部分，廣泛應用于工業與民用建筑、交通、采礦、水利水電、國防等部門，如作為地下工廠、交通隧道、礦山巷道、水電站地下廠房、地下商場、儲備倉庫、地下防空洞等等。地下洞室的共同特點是：都建設在地下巖土體內，具有一定斷面形狀和尺寸，并有較大延伸長度。地下洞室的斷面形狀一般有曲線型、折線型和兩者的組合型。地下洞室斷面形狀的選擇，應考慮洞室的用途和服務年限、洞室的圍巖性質、巖土體地應力的分布特征；洞室的支護或襯砌方式和材料等因素綜合確定。一般地來講，曲線型洞室（圓形、橢圓形和馬蹄形等）的穩定性較好，對周圍巖土體的穩定有利。折線型洞室（矩形、方形和梯形等）的斷面利用率高、施工方便、開挖工藝簡單。洞室的尺寸主要取決于洞室的用途，一般性隧道高(或寬)在3 m5 m，有些可達20 m以上，而地下廠房的斷面則要大得多，一般高度可達60 m70 m，寬度在20 m35 m之間。洞室可分為過水的和不過水的(如交通隧洞)兩大類。前者又有無壓與有壓之分，后者均屬無壓的。有壓洞室與無壓洞室不同，內水壓力作用到襯砌和周圍巖體上，對其穩定性將增加新的影響。 洞室周圍的巖土體通稱圍巖。狹義上，圍巖常指洞室周圍受到開挖影響，大體相當地下洞室寬度或平均直徑3倍左右范圍內的巖土體。由于初始地應力的存在，洞室開挖勢必打破原來巖(土)體的自然平衡狀態，引起洞室周圍一定范圍內的巖(土)體應力重新分布，有的圍巖的強度能夠適應變化后的應力狀態，可不采取任何人力措施，便能保持洞室穩定；但有時因圍巖強度低，或其中應力狀態的變化大，以致圍巖不能適應變化后的應使巖土體產生變形、位移，甚至破壞，若不加固或加固而未保證質量，都會引起破壞事故，對施工、運營造成危害。工程中將洞室開挖后周圍發生應力重新分布的巖(土)體稱為圍巖。因此，圍巖的變形和穩定性是地下洞室能否在服務年限內正常使用的關鍵。地下洞室突出的工程地質問題是圍巖穩定問題。尤其象地下飛機庫、大跨度引水隧洞和水電站地下廠房等大型洞室的因巖穩定性，常常是工程地質研究的重點；礦山采空區常出現獨特的工程地質現象。國內外建筑史上因洞室圍巖失穩而造成的事故，為數不少。如澳大利亞悉尼輸水壓力隧洞，混凝土襯砌。使用期間在300 m長的地段上，發現洞內有壓水大量滲入圍巖而達地表。放空檢修發現在100m的內水水頭作用下，襯砌被破壞，洞頂圍巖被掀起，出現裂縫，錯開距離多達1.02.0cm。對圍巖壓力估計過高，可能導致工程偏于危險，或對圍巖強度估計不足，常使設計保守，提高工程造價，造成浪費。因此，對洞室位置的選擇、對圍巖特性的認識和對圍巖壓力與強度的評價都是地下洞室設計與施工的關鍵問題。7.2地下洞室位置的選擇地下洞室位置的選擇主要考慮進洞山體、洞口位置和洞軸線位置的選擇。7.2.1 進洞山體的選擇進洞山體的選擇主要考慮山體的高度、山形的完整性、巖土體的堅硬與均勻性和地質結構構造特性等因素。山高以滿足地下工程防護要求為原則。山過高時圍巖巖壓力大，過低則達不到防護要求。對一般洞室，山的相對高度以100300米為宜。 山形完整，山體未被沖溝、山洼等負地形切割破壞，無滑坡、塌方等破壞地形。不宜選擇有沖溝、山洼等負地形（一般反映該地段巖體軟弱或破碎，并易于集水）。 巖土體的巖性要盡可能均一或相近，且比較堅硬完整。當為層狀巖體時，要求巖性單一，無軟弱夾層，成層和產狀穩定，層厚為中至厚層；當為塊狀巖體時，要求無巖脈等侵入體、捕虜體，或者少而規模小；當為可溶性巖體時，要求巖溶不發育，無暗河和較大溶洞等。地質構造越簡單越好。應盡量避開含水構造和斷層、斷層破碎帶、斷層密集帶和不同方向的幾組斷裂交匯帶，以及巖體受強烈構造擠壓和風化破碎較深的地帶。益選擇優先節理不發育且間距大、組數少，未形成不穩定的組合結構的巖體。另外，要考慮場地的地下水和地震特性等因素，避開地下水豐富的或地震基本烈度為九度以上的地區。7.2.2 洞口位置的選擇洞口位置應該考慮山坡坡度、巖層傾角、洞口頂板的穩定性和水流影響等幾方面因素。許多工程實踐證明：往往因洞口位置的地形地貌條件不利，而導致遲遲不能清理出穩定的洞臉，而無法進洞的局面。山坡宜下陡上緩，無滑坡、崩塌等存在。山坡下部坡度最好大子60，一般不宜小于40。洞口處巖石應直接出露或坡積層較薄，巖石比較新鮮完整，盡量選在巖層傾向與坡向相反的山坡(反向坡)，或巖層傾角小于20、或大于75的順向坡。選擇完整、厚度大的巖層作頂板。洞口位置的高度根據地形、地質和工藝要求而定，應利于洞內外交通和洞內排水，并應高于百年一遇的洪水位0.51.0 m以上。洞口位置不應選在沖溝或溪流的源頭、旁河山嘴和谷地口部等受水流沖蝕地段。在地貌上應避開滑坡、崩塌、沖溝、泥石流等不良自然地質現象，以及山麓堆積、坡積、崩積及洪積物等第四系松散沉積物。7.2.3 洞軸線位置的選擇7.2.3.1 地形洞軸線位置選線時應注意利用地形、方便施工。在山區開鑿隧洞一般只有進口和出口兩個工作面，如洞線長則將延長工期，影響效益。為此在選線時，一般沿山體脊部并垂直地形等高線布置，當平行山坡時，不應距山坡太近，接近洞口一段仍應垂直山坡；更應充分利用溝谷地形，多開施工導洞，或分段開挖以增加工作面。洞室軸線穿越山脊，除進出口兩頭有工作面外，還可沿溝谷打水平施工導洞增加工作面；軸線穿越溝谷上部，可利用豎并作施工導洞；穿越溝谷下部，隧洞出現明段，就可分段施工。 洞室軸線一般應盡量采取直線，避免或減少曲線和彎道。如采用曲線布置，一般洞線轉彎角應大于60，曲率半徑不宜小于5倍洞徑。7.2.3.2 地層與巖性條件 地層與巖性條件的好壞直接影響洞室的穩定性。在洞線選擇時，應分析沿線地層的分布和各種巖石的工程性質。對于堅硬巖石，如火成巖中的花崗巖、閃長巖、輝長巖、輝綠巖、灰巖、安山巖、玄武巖、流紋巖；變質巖中的片麻巖、石英巖、硅質大理巖等，這些巖石一般都是比較好的。但對某些軟弱的火成巖及變質巖，如凝灰巖、片巖、千枚巖、泥質板巖等，洞室施工容易造成塌方、變形。沉積巖總的來說不如火成巖和變質巖，但其中堅硬的石灰巖、膠結良好的砂巖、礫巖等，一般也是比較好的。值得注意的是軟弱沉積巖，如泥質、炭質頁巖，泥灰巖，粘土巖，斑脫巖，石膏，鹽巖，煤層以及膠結不良的砂礫巖等，這些巖石強度低，易風化或膨脹變形，對洞室穩定性極為不利。應用掘進機施工，則可加快速度，提高功效。7.2.3.4 地質構造條件 隧洞選線最好的地質構造條件是出露面積較大的塊狀巖體，如深成火成巖的巖基或巖株；古老的基底片麻巖以及厚層沉積巖等。在這些巖體中亦應注意斷裂帶及風化帶的發育程度。 在褶皺構造地區的洞室選線，應注意分析洞軸線與巖層產狀的關系。根據施工經驗，洞軸向與地質構造線交角應大于30，故洞軸線與巖層走向垂直優于與巖層走向平行；而且傾角陡立最好，這是因為陡立而垂直于洞線的巖層，在隧洞開挖時可形成自然拱圈，對圍巖穩定有利。如果不是陡立的而是傾斜的，則傾角越小越不好，因為這時拱圈所能承受的圍巖壓力已逐漸減小。此外，垂直洞軸線的傾斜巖層，當巖層傾斜面向著開挖面傾斜時，比巖層背向開挖面較好，因后一種情況容易形成洞頂楔形巖體塌方，造成事故。當隧洞垂直穿過招皺軸部時，不論是向斜或背斜，由于軸部受拉應力影響，巖石多破裂成梯形棱柱體，亦易造成洞頂墜石塌方。當地下水位高于隧洞高程時，向斜構造還易造成洞內涌水危害。如選擇隧洞軸向平行于稻皺地層的走向時，則地質構造條件更差。對于那些復雜形態的褶皺，如倒轉褶皺、平臥裙皺、傾伏裙皺等地區，則應根據上述原則進行具體分析。一般這些地區反映過去地質構造運動比較強烈，巖體也相應比較破碎，故隧洞選線時應特別注意。 對于斷裂構造來說，隧洞所遇斷裂破碎帶寬度愈大，其走向與洞軸交角愈小，在洞內出露面積也愈大，對圍巖的穩定影響就愈大，特別是順洞線走向的斷層更應盡量避開。7.2.3.4 水文地質條件 隧洞施工中地下水涌水帶來的危害，已屢見不鮮。因此，對隧洞沿線的水文地質條件進行預測性調查是十分重要的。要在上述地形地貌、地層巖性、地質構造的調查基礎上，同時調查分析地下水的埋藏條件、類型及泉水出露情況。對易透水的巖層和構造，特別是喀斯特地區，應密切注意其分布規律和發育程度，并結合隧洞設計高程，分析評價地下水涌水的可能性和涌水量。此外，還應注意地下水水質資料的分析，對pH7的酸性地下水，應分析水中侵蝕性CO2和硫酸鹽侵蝕性對混凝土襯砌的影響。7.3 地下洞室圍巖的變形與破壞7.3.1 洞室圍巖的變形7.3.1.1 彈性與塑性變形導致圍巖變形的根本原因是地應力的存在。洞室開挖前，巖(土)體處于自然平衡狀態，內部儲存著大量的彈性能，洞室開挖后，這種自然平衡狀態被打破，彈性能釋放。 洞室開挖前，巖土體一般處于天然應力平衡狀態，稱一次應力狀態或初始應力狀態(包括自重應力和構造應力)，是一個三向應力不等的空間應力場。由于影響天然應力的因素十分復雜，豎向應力與水平應力間的比例系數即使在同一地質環境里也有較大變化。實測結果，有些地區鉛直應力大于水平應力；有的則水平應力大于鉛直應力；也有的兩者相近，特別是在地殼的相當深處，天然應力比值系數接近于1。洞室開挖后，便破壞了這種天然應力的平衡狀態。洞室周邊圍巖失去原有支撐，就要向洞室空間松脹，結果又改變了圍巖的相對平衡關系，形成新的應力狀態。作用于洞室圍巖上的外荷，一般不是建筑物的重量，而是巖土體所具有的天然應力。這種由于洞室的開挖，圍巖中應力、應變調整而引起原有天然應力大小、方向和性質改變的過程和現象，稱為圍巖應力重分布。它直接影響圍巖的穩定性。洞室內若有高壓水流作用，對圍巖便產生一種附加應力。它疊加到開挖、襯砌后圍巖中的應力上，也是影響圍巖穩定性的一種因素。重新分布的圍巖應力在未達到或超過其強度以前，圍巖以彈性變形為主。由于圍巖應力重新分布，各點的應力狀態發生變化，導致圍巖產生新的彈性變形。這種彈性變形是不均勻的，從而導致洞室周邊位移的不均勻性。一般認為，彈性變形速度快、量值小，是隨著開挖過程幾乎同時完成的。當應力超過圍巖強度時，圍巖出現塑性區域，甚至發生破壞，此時圍巖變形將以塑性變形為主。塑性變形延續時間長、變形量大，是圍巖變形的主要組成部分。7.3.1.2 結構面變形 如果圍巖節理、裂隙十分明顯或者圍巖破壞嚴重時，節理、裂晾間的相互錯位、滑動及裂隙張開或壓縮變形將會占據主導地位，而巖塊本身的變形成分退居次要地位。按照巖體結構力學的原理，由于巖體中大小結構面的存在，圍巖的變形都會或多或少地存在結構面的變形。7.3.1.3 圍巖流變變形由于巖石的流變效應十分明顯，圍巖長期處于一種動態變化的高應力作用之中，流變也是圍巖變形不可忽略的組成部分。 固體介質在長期靜載荷作用下，應力、應變隨時間延長而變化的性質，稱為流變性。蠕變和松弛則是流變性的兩種宏觀表現。蠕變是在一定溫度和應力作用下的固體介質隨時間而產生的緩慢、連續的變形；松弛是在一定溫度和變形條件下的固體介質隨時間而產生緩慢、連續的應力減小。工程實踐證明，巖石具有流變性，某些巖石或受高溫高壓的巖石，蠕變現象更是多見。巖體同樣也會發生蠕變。花崗巖一類巖石在低溫、低應力下，蠕變量微小，可忽略不計；而粘土巖、泥質頁巖和具有充填粘土和泥化結構面的巖體，蠕變量通常很大，必須重視，以便對巖體變形和穩定性作出正確論證。試驗表明，巖體蠕變可以劃為三個階段。第一階段稱為減速(初始)蠕變階段。第二階段為圍巖應力調整期的變形階段，稱為等速蠕變階段，其變形緩慢平穩，變形速度保持常量。第三階段稱為加速蠕變階段，它出現在應力值等于或超過巖體的蠕變極限應力條件下，其變形速度逐漸加快，最終導致巖體破壞。巖體的三個蠕變階段，并不是在任何應力值下都可全部出現。應力值較小，巖體僅出現第一階段或第一與第二階段；應力值等于或超過巖體蠕變極限應力，巖體才可能蠕變至破壞。通常把蠕變破壞的最低應力值，稱為長期強度。研究軟弱巖體和巖體沿某些結構面滑動的穩定性問題，應特別注意其長期強度和蠕變特性。根據原位剪切流變試驗資料，軟弱巖體和泥化夾層的長期抗剪強度與短期抗剪強度的比值約為0.8左右，大體相當于快剪試驗的屈服極限與強度極限的比值。根據變形與時間和變形與荷載的關系曲線，可以區分巖體的穩定變形和非穩定變形，把將會導致巖體全面破壞的變形與那種雖然延續但不會引起巖體全面破壞的變形區別開來。恒定荷載作用下，若變形與時間的變化率減小，或者為一很小的常數，則變形穩定。若變形與時間的變化率增大，則變形不穩定，并將導致巖體發生全面破壞。 荷載不斷增加的條件下，若變形與載荷的比率減小，或者為某一個常數，則變形穩定。若變形與荷載的變化率增加，則變形不穩定，并將導致巖體發生全面破壞。7.3.1.4 變形分布規律從圍巖變形與深度的關系上看，變形的分布以洞室的表面最大，隨著深度的加大，變形將趨于零。7.3.2 圍巖的破壞7.3.2.1 圍巖破壞的形式洞室圍巖的變形與破壞程度，一方面取決于地下天然應力、重分布應力及附加應力，另一方面與巖土體的結構及其工程地質性質密切有關。洞室開挖后，圍巖應力大小超過了巖土體強度時，便失穩破壞；有的突然而顯著，有的變形與破壞不易截然劃分。洞室圍巖的變形與破壞，二者是發展的連續過程。彈脆性巖石構成的圍巖，變形尺寸小，發展速度快，不易由肉眼覺察；而一旦失穩，突然破壞，其強度、規模和影響都極顯著。彈塑性巖石和塑性土構成的圍巖，變形尺寸大，甚至堵塞整個洞室空間，但其發展速度極緩慢；而破壞形式有時很難與變形區別。一般情況下，洞室圍巖的變形與破壞，按其發生的部位，可概括地劃分為頂圍(板)懸垂與塌頂、側圍(壁)突出與滑塌和底圍(板)鼓脹與隆破。1 頂圍懸垂與塌頂洞室開挖時，頂壁圍巖除瞬時完成的彈性變形外，還可由塑性變形及其他原因而繼續變形，使洞頂壁輪廓發生明顯改變，但仍可保持其穩定狀態。這大都在開挖初始階段中出現，而且在水平巖層中最典型。進一步發展，圍巖中原有結構面或由重分布應力作用下新生的局部破裂面，會發展擴大。頂圍原有的和新生的結構面相互匯合交截，便可能構成數量不一、形狀不同、大小不等的分離體。它在重力作用下與圍巖母體脫離，突然塌落而終至形成塌落拱。它與圍巖的結構面和風化程度等因素密切有關，且在洞室的個別地段上最為典型。多數塌落拱都大于洞室設計尺寸，有時還會發生嚴重的流砂和溜塌。2 側圍突出與滑塌洞室開挖時，側壁圍巖繼續變形使洞室輪廓會發生明顯突出而不產生破壞，這在鉛直層狀巖體中最為典型。進一步發展，由于側圍原有的和新生的結構面相互匯合、交截、切割，構成一定大小、數量、形狀的分離體。當有具備滑動條件的結構面，便向洞室滑塌。側圍滑塌，改變了洞室的尺寸和頂圍的穩定條件，在適當情況下又會影響到頂圍，造成頂圍塌落，或擴大頂圍塌落范圍和規模。側圍發生滑動位移是滑塌破壞過程的開始，防止滑塌往往需要規模巨大的加固措施。 3 底圍鼓脹與隆破洞室開挖時，常見有底壁圍巖向上鼓脹。它在塑性、彈塑性、裂隙發育、具有適當結構面和開挖深度較大的圍巖中，表現得最充分，最明顯，但仍不失其完整性；但一般情況下，這種現象極不明顯，難以觀察。洞室開挖后，底圍總是或大或小，或隱或顯地發生鼓脹現象。進一步發展，在適當條件下，底圍便可能被破壞，失去完整性，沖向洞室空間，甚至堵塞全部洞室，形成隆破。4 圍巖縮徑及巖爆 (1) 圍巖縮徑洞室開挖中或開挖以后，圍巖變形可同時出現在頂圍、側圍、底圍之中；因所處地質條件或施工措施不同，它可在某一或某些方向上表現得充分而明顯。實踐證明，在塑性土層或彈塑性巖體之中，常可見到頂圍、側圍、底圍三者以相似的大小和速度，向洞室空間方面變形，而不失其完整性；實際上，已很難區分它的變形與破壞的界限，但它可導致支撐和襯砌的破壞。這便是在粘性土或粘土巖、泥灰巖、凝灰巖中常見的圍巖縮徑，又謂“全面鼓脹”。 (2) 巖爆 洞室開挖過程中，周壁巖石有時會驟然以爆炸形式，呈透鏡體碎片或巖塊突然彈出或拋出，并發生類似射擊的僻啪聲響，這就是所謂“巖爆”。堅硬而無明顯裂隙或者裂隙極稀微而不聯貫的彈脆性巖體，開挖洞室，圍巖的變形大小極不明顯，并在短促的時間內完成這種變形；由于應力解除，其體積突然增加；而在洞室周壁上留下的凹痕或凹穴，體積突然縮小。巖爆對地下工程常造成危害，可破壞支護，堵塞坑道，或造成重大傷亡事故。 巖爆多發生在深度大于200、250米的洞室中；有時深度不大，甚至在采石場或露天開挖中也可發生巖爆。巖爆本質上是在一定地質條件下，圍巖彈性應變能的高度而迅速集中、而又突然劇烈釋放有關的過程。圍巖彈性應變能的高度而迅速集中的原因很多，歸納起來主要有兩個方面：一是機械開挖、施工爆破和重分布應力(有時有構造應力)的疊加影響，使圍巖應力迅速而高度集中；二是開挖斷面的推進和漸進破壞，引起圍巖應力迅速而高度地向某些部位集中。由于這種迅速而高度集中的應力作用；圍巖便以爆炸形式，驟然而劇烈地破壞，形成巖爆。7.3.2.2 巖體破壞機理與漸進破壞 工程巖體的破壞，主要受巖體本身的特性、天然應力狀態、工程加荷與卸荷、地下水作用和時間因素的綜合影響；構造應力引起自然巖體的破壞，還有圍限壓力及溫度效應。就巖體破壞方式而言，基本上可劃分為剪切破壞和拉斷破壞兩類。地殼破裂構造中經常看到的正斷裂、逆斷裂以及平移斷裂，基本上那屬于剪切破壞，它們之間的區別僅在于破壞時的應力狀態不同；而純張破裂構造以及主干斷裂在滑錯運動中所派生的張性羽狀破裂，則屬于拉斷破壞。工程巖體中沿已有結構面滑移，屬剪切破壞；剪切破壞是一種占優勢的破壞方式。 巖體剪切破壞可劃分為重剪破壞、剪斷破壞和復合剪切破壞三種形式。重剪破壞是沿著巖體原已經剪斷的面(包括結構面)再次發生剪切破壞。斷裂構造中，表現為某些古老斷裂在后期構造運動中再次或多次發生的滑動。工程巖體破壞中，就是通常看到的巖體沿著結構面的滑動，重剪破壞為工程巖體破壞最普遍的形式。剪斷破壞是橫切先前存在的、已經分離的結構面的剪切破壞。雖然它是斷裂運動的普遍產物，但在工程巖體的破壞中卻比較少見，而且主要發生在劇風化巖體和非常軟弱的巖體中。復合剪切破壞是部分沿著結構面、部分橫切結構面發生的剪切破壞。它主要發生在軟弱巖體和裂隙巖體中。 巖體破壞是一個漸進發展的復雜過程。這個過程大體可劃分為初裂前階段、漸進破壞階段和加速破壞階段。初裂前階段的主要特點是，隨著加荷或卸荷，巖體僅發生包括可逆變形和不可過變形在內的狹義變形，變形量常在毫米以內。漸進破壞階段，是陽者應力的增加，巖體中某些點先開始破壞，直至出現顯著的微型變位，包括不同部位上出觀不同溫度的位移和開裂，但變位發展較緩慢。該階段持續時間的長短及變位達到的程度，均因具體條件不同而變化。加速破壞階段主要特點是宏觀變形加速發展，并導致巖體發生全面破壞。其持續時間較漸進破壞階段為短。7.4 地下洞室圍巖分類7.4.1巖體質量指標(RMQ)分類 巖體質量指標(RMQ)分類法簡稱M法，這種方法目前雖不太成熟，但它在分類的原則和依據上都很合理。 該分類法是在大量地質工作的基礎上，分析影響巖體質量的各種因素，并通過各種勘測試驗手段，取得并綜合這些因素的定量指標，提出巖體質量(RMQ)的概念。根據RMQ值大小，可以衡量巖體質量的優劣。 影響巖體質量優劣的地質因素主要有四個方面：(1)巖體的完整性(以完整系數Kv表示)；(2)巖石質量(以巖石質量系數S表示)；巖石風化程度(以巖石風化程度系數Ky表示)；巖石軟化性(以軟化系數Kd表示)。 巖體質量(RMQ)即為這四個系數之乘積(M)： M=KvSKyKd (7-1) 式中，四個系數分別按下述方法確定：巖體完整性系數(Kv)，為現場巖體彈性縱波速度vp(米秒)和室內風干(烘干)巖樣或現場巖塊的彈性縱波速度vp (米秒)比值的平方。即 (7-2) 巖石質量系數(S)，為所測定巖石的室內飽和單軸抗壓強度Rw(kPa)和室內飽和彈性模量Ew(kPa)之乘積，與規定的軟弱巖石相應值之乘積的比值： (7-3)根據經驗，大約相當Rw30000kPa,Ew6.6106kPa, 故軟弱巖石RwEw201010 kPa2。 巖石風化程度系數(Ky)，為所測定巖體的室內烘干單軸抗壓強度Rd(kPa)與該巖體中相對新鮮的同類巖樣室內烘干單軸抗壓強度Rf之比值： (7-4) 巖石的軟化性系數(Kd)為 （7-5）式中 Rw巖石飽水狀態的抗壓強度； Rd巖石干燥狀態的抗壓強度。上式除Rf為新鮮巖石指標外，其余各指標實為各種不同風化程度巖石的指標；除vp外，均可在室內測定。根據巖體質量M值，巖體可劃為：好的巖體(M12)、較好的巖體(M212)、中等的巖體(M0.122)、較壞的巖體(M0.0040.12)、壞的巖體(M0.004根據以上原則，提出巖體定性分類和定量分類(略)。該法具有許多優點，易被接受，但由于試驗及觀測統計資料不充分，有待完善。7.4.2 巖石質量指標(RQD)分類 美國伊利諾斯大學曾利用直徑為5.4cm的鉆孔巖樣，來評定巖石的優劣。具體作法是以鉆孔獲取的大于10cm的巖芯斷塊長度Lp與巖芯進尺總長度Lt之比，作為巖石質量指標RQD，即 （7-6）根據RQD值，可將巖石質量劃分為五類。目前該方法已積累了大量的經驗，被較多的工程單位采用。7.4.3 巖體地質力學分類這種分類法的出發點是把巖體作為一種由多種多樣結構面切割的多裂隙固體介質。巖體內結構面的規模、性質及其組合關系在很大程度上決定了巖體力學作用過程，形成不同的力學介質類型；巖體的工程特性在很大程度上受巖體結構所控制。根據巖體結構進行工程地質分類是抓住了問題的本質的。因此這種分類法在國內外頗受到重視，我國有些單位的巖體工程地質分類即把它作為基本依據。這種分類需進一步解決定量評價問題。7.4.4 Baiton巖體分類 挪威學者N. Baiton等早在1974年為隧道支護設計提出了有名的巖體工程分類。該分類用巖石質量指標RQD，節理組數Jn，節理面粗糙度Jr，節理面蝕變程度Ja，裂隙水折減系數Jw，地應力的影響SRF等六個因素，以下述表達式來算出圍巖巖體質量Q： (7-7) 只需分別確定以上六因素的具體數值，就可算出圍巖的巖體質量指標Q。六因素數值的確定均有表可查。Q值通常范圍為0.011000，它相當于從非常糜棱化的巖體一直到完整堅硬的巖體。Baiton根據Q值的大小，還給出了相應的施工方法和襯砌類型。 這種分類方法，考慮的地質因素較全面，同時從定性分析進入定量的評價，在巖體分類上邁進了一大步，引起了各國工程單位和巖體力學及工程地質學家的普遍注意。它代表了一種分類的方向。7.5 地下洞室圍巖壓力7.5.1 圍巖壓力的概念洞室圍巖由于應力重分布而形成塑性變形區，在一定條件下，圍巖穩定性便可能遭到破壞。為保證洞室的穩定，常須進行支護和襯砌。這樣，洞室支護和襯砌結構上便必然受到圍巖變形與破壞的巖土體的壓力。這種由于圍巖的變形與破壞而作用于支護或襯砌結構上的壓力，稱為“圍巖壓力”。 圍巖壓力是設計支護或襯砌的依據之一，它關系到洞室正常運用，安全施工、節約資金和多快好省地進行建設的問題。圍巖穩定程度的判別與圍巖壓力的確定，緊密相關。圍巖壓力按其形成方式，有變形圍巖壓力、松動圍巖壓力，膨脹圍巖壓力和沖擊圍巖壓力等。按其計算方法的理論根據，有的把圍巖視為松散介質，確立了平衡拱理論的計算方法；有的把圍巖視為彈塑性體，確立相應的計算方法；有的把圍巖視為具有一定結構面的地質體，確立計算方法。圍巖壓力不僅與圍巖地質因素和洞室斷面形狀有關，還與地區天然應力狀態、襯砌或支護的性能以及施工方法和速度有關。所以，確定圍巖壓力的大小和方向，是一個極為復雜的問題。到目前為止，圍巖壓力的計算問題還沒有得到圓滿解決。圍巖壓力的大小，不僅與巖體的初始地應力狀態、巖體的物理力學性質和巖體結構有關，同時還與工程性質、支護結構類型及支護時間等因素有關。顯然，當圍巖的二次應力不超過圍巖的彈性極限時，圍巖壓力將全部由圍巖自身來承擔，洞室也就可以不加支護而在一定時期內保持穩定。當二次應力超過圍巖的強度極限時，就必須采取支護措施，以保證洞室穩定，此時，圍巖壓力是由圍巖和支護結構共同承擔的，作用在支護結構上的壓力僅是圍巖壓力的一部分。因此，把作用在支護結構上的這部分圍巖壓力稱為狹義的圍巖壓力。由此可見圍巖應力重新分布對確定圍巖壓力有其重要意義。7.5.2 圍巖應力重新分布假設洞室所處的圍巖為連續、均質和各向同性的；洞室的埋深與洞室的尺寸相比足夠大；忽略圍巖自重的影響。洞室開挖后，如果重新分布的圍巖應力狀態尚未超過巖體的彈性應力狀態，則圍巖是穩定的，否則圍巖將出現塑性區，甚至破壞。因此，在洞室的設計中對于洞室邊界上的這兩處部位，必須給予足夠的重視。7.5.2.2 其它形狀洞室應力分布當洞室斷面不是圓形而是其它形狀時，應力分布圖形就有變化。圍巖應力分布的規律是：頂、底板圍容易出現拉應力；周邊轉角處存在很大的剪應力；洞室的高寬比對圍巖應力分布的影響極大，設計洞室斷面時應考慮豎向應力與水平應力的比值。7.5.3圍巖應力計算的普氏fk法M. M. 普羅托齊雅科諾夫基于實際工程觀察和模型試驗結果，提出了天然平衡拱法分析圍巖應力。此法在我國簡稱為普氏fk法，得到了普遍的應用。此法認為，洞室開挖后圍巖一部分砂體失去平衡而向下塌落，塌落部位以上和兩側砂體，處于新的平衡狀態而穩定。塌落邊界輪廓呈拱形。若洞室側圍砂體沿斜面滑動，洞頂仍塌落后呈拱形。若有支撐或襯砌，作用在支撐或襯砌上的壓力，便是拱圈以內塌落的砂體重量，而拱圈以外的砂體已維持自身平衡。這個拱便稱為“天然平衡拱”。設洞壁鉛直，把側圍三角形滑塌體內最大主應力方向視為鉛直的，則天然條件下滑塌斜面就會與側壁呈45/2的夾角。由此，對散粒土體根據靜力平衡的平面問題做出假定條件后，便可求出拱圈(塌落體)高度。普氏將此方法推廣到巖體上，認為被許多裂隙切割的巖體也可以視為具一定凝聚力的松散體，并認為堅固系數為巖石抗壓強度的1100；對fk4的巖土，按上述方法計算洞頂和洞壁的圍巖壓力；對fk4的巖石，則只有洞頂出現圍巖壓力，一般沒有側壁圍巖壓力。fk反映了巖土強度特性。軟弱巖石fk值均小于4，土的fk值均小于1.0。對于40的浮砂及飽水淤泥，一般可按靜水壓力原則計算圍巖壓力。普氏平衡拱理論有一定優點，把塌落體的重量視為圍巖壓力，很直觀，易理解，也有理論根據。但把所有圍巖塌落體均視為拱形，便有很大局限性。實際上，除一般土體外，巖體塌落體大都不呈拱形。普氏理論完全不考慮巖體結構、構造應力，特別是圍巖應力重分布的影響。目前，由于長期實踐，多數部門仍沿用堅固系數fk，并按fk法確定圍巖塌落的拱高度，計算圍巖壓力。當確定巖體堅固系數時，使其帶有經驗性質的系數，即反映了巖體具體的地質條件，如巖性、風化破碎及構造特征等，便更符合實際。盡管如此fk法最好只用于土體和軟弱巖體，對堅硬巖石的圍巖應具體分析巖體結構等特征，去確定圍巖壓力。7.5.4 洞室圍巖的外水壓力洞室常開挖在有地下水的巖體中，地下水作用在洞室襯砌上的靜水壓力，有時會超過圍巖壓力。洞室設計中通常把這種作用于襯砌上的地下水靜水壓力稱為外水壓力。此外，地下水常會大量突然涌入洞室，使巖體軟弱夾層強度減低，沙層沖潰，泥巖膨脹，造成洞室變形與破壞，給洞室施工和運用帶來很大困難。外水壓力是作用在洞室襯湖上的一種荷載，所以當洞室埋藏較深、地下水位較高的情況下，它對襯砌型式和厚度的設計，常起控制作用。但外水壓力是洞室工程中較難確定的外力之一，目前只能采用較粗略方法估算。洞室工程設計中，過去根據其頂壁至最高地下水位間的水柱高度來估算外水壓力。但多年實踐證明，作用于洞室襯砌上的外水壓力，并不都等于外水的全部水柱高度，常常只有它的一部份，甚至等于零。因此，設計中應根據具體水文地質條件，乘以相應折減系數。 折減系數的選擇是一個復雜的問題。既要考慮水文地質條件，又要考慮工程設置和工程運轉。巖體中地下水是地表水沿巖體裂隙、孔隙或溶隙滲入地下的；一個地區地下水埋深又與含水層厚度、隔水層位置、地下水補給排泄條件有關。據我國實踐，一船0.251.0。7.6 保護地下洞室圍巖穩定性的措施 研究洞室圍巖穩定性，不僅在于正確地據以進行工程設計與施工，也為了有效地改造圍巖，提高其穩定性，這是至關重要的。保障圍巖穩定性的途徑有二：一是保護圍巖原有穩定性，使之不至于降低；二是提高巖體整體強度，使其穩定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和支護襯砌方案，后者主要是加固圍巖。7.6.1 合理選擇施工方案圍巖穩定程度不同，應選擇不同的施工方案。施工方案選定合理，對保護圍巖穩定性有很大意義；隧洞的開挖方式，基本上有兩種：一種是全斷面開挖法；另一種是導洞開挖法。全斷面開挖法一般適用于圍巖很穩定，無塌方掉石的地區。對巖石稍差但斷面尺寸較小的中小型隧洞亦可全斷面開挖。導洞開挖法適用于斷面較大，巖體又不太穩定的地質條件。為了防止塌方冒頂事故，可縮小斷面，先打導洞，然后分塊完成施工斷面。7.6.1.1導洞開挖法（1）當圍巖不太穩定，頂圍易塌時，應在洞室最大斷面的上部先挖導洞，立即支撐，達到要求的輪廓，作好頂拱襯砌。然后在頂拱襯砌保護下擴大斷面，最后做側墻襯砌。這便是上導洞開挖、先拱后墻的辦法。為減少施工干擾和加速運輸，還可以用上下導洞開挖、先拱后墻的辦法。 （2）當圍巖很不穩定，頂圍塌落，側圍易滑時，可先在設計斷面的側部開挖導洞，由下處向上逐段襯護。到一定高程，再挖頂部導洞，作好頂拱襯砌，最后挖除殘留巖體。這便是側導洞開挖、先墻后拱的方法，或稱為核心支撐法。(3) 當圍巖較穩定時，可采用單導洞全面開挖、上下雙導洞全面開挖、連續襯砌的辦法施工。7.6.1.2全斷面開挖圍巖穩定，可全斷面一次開挖。現在多采用新奧法和盾構法等新型施工方法。1 新奧法噴射混凝土(或水泥砂漿)襯砌是近代隧洞施工的新型支護方法。它往往與錨桿(或鋼拱架及鋼絲網)結合起來使用，即噴錨結構。它與常規的支襯方法相比，具有開挖斷面小，節省支襯材料，巖體穩定性好，施工速度快等優點。噴錨支襯方法是19481965年發展起來的，由奧地利巖石力學專家臘布希維茲首先命名為“新奧地利隧洞施工法” 或簡稱“新奧法”。這種方法既適合于堅硬巖石，也適合于軟弱巖石，特別適合于破碎、變質、易變形的施工困難段，因此得到廣泛地應用。當然“新奧法”的全部內容不僅在支襯工作方面，而在整個施工過程的機械化和自動化監測等方面。這種方法將取代過去的靜力拱山巖壓力的原則，即用“巖石支護巖石”的新概念提高隧洞的施工進程和經濟效益。它與常規的模板澆注混凝土襯砌相比，可節約水泥1/31/2，節省勞動力和投資l2以上，而且幾乎不同木材，可縮短工期1/22/3。2 盾構法 盾構法是用特制機器開挖隧洞的施工技術，主要用于第四系松軟地層掘進成洞，起源于歐洲，最近十幾年來，經德國、日本大力開發，已得到廣泛應用。最大洞徑已達幾十米，目前更大直徑的盾構正在設計研究之中。在英吉利海峽隧道，日本東京灣海底公路隧道等建設中，發揮了巨大作用。這是一項先進的高度機械化、自動化的施工技術。其優點是避開干擾，不影響地面建筑和環境，可充分開發地下空間。在施工中能把掘進，出渣、支護與襯砌，融為一體。施工安全、可靠、準確，能縮短工期、提高工效、節約資金。我國上海、蘭州等地，已成功地在軟粘土及砂礫層中修建了地鐵隧道，排污隧洞、引水及電纜隧洞，穿黃浦江公路及引大入秦輸水隧洞等。目前不少大城市的地鐵隧道建設中；還有南水北調工程的穿黃河輸水隧洞都將用盾構法施工。因此，它將在我國的工程建設中發揮更大的