第四章圍巖分類及圍巖壓力

第一節隧道圍巖的概念與工程性質

一、隧道圍巖的概念

圍巖是指隧道開挖后其周圍產生應力重分布范圍內的巖體，或指隧道開挖后對其穩定性

產生影響的那部分巖體（這里所指的巖體是土體與巖體的總稱）。應該指出，這里所定義的圍

巖并不具有尺寸大小的限制。它所包括的范圍是相對的，視研究對象而定，從力學分析的角

度來看，圍巖的邊界應劃在因開挖隧道而引起的應力變化可以忽略不計的地方，或者說在圍

巖的邊界上因開挖隧道而產生的位移應該為零，這個范圍在橫斷面上約為6?10倍的洞徑.

當然，若從區域地質構造的觀點來研究圍巖，其范圍要比上述數字大得多。

二、圍巖的工程性質

圍巖的工程性質，一般包括三個方面：物理性質、水理性質和力學性質。而對圍巖穩定

性最有影響的則是力學性質，即圍巖抵抗變形和破壞的性能。圍巖既可以是巖體、也可以是

土體。本書僅涉及巖體的力學性質，有關土體的力學性質將在《土力學》中研究。

巖體是在漫長的地質歷史中，經過巖石建造、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，并將巖體看作是由結構面和結構體組合而成的具有結構特征的地

質體。所以，巖體的力學性質性質主要取決于巖體的結構特征、結構體巖石的特征以及結構

面的特性。環境因素尤其是地下水和地溫對巖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。

在軟弱圍巖中，節理和裂隙比較發育，巖體被切割得很破碎，結構面對巖體的變形和破

壞都不起什么作用，所以，巖體的特性與結構體巖石的特性并無本質區別。當然，在完整而

連續的巖體中也是如此。反之，在堅硬的塊狀巖體中，由于受軟弱結構面切割，使塊體之間

的聯系減弱，此時，巖體的力學性質主要受結構面的性質及其在空間的位置所控制。

由此可見，巖體的力學性質必然是諸因素綜合作用的結果，只不過有些巖體是巖石的力

學性質起控制作用：而有些巖體則是結構面的力學性質占主導地位。

巖體與巖石相比，兩者有著很大的區別，和工程問題的尺度相比，巖石幾乎可以被認為

是均質、連續和各向同性的介質。而巖體則具有明顯的非均質性，不連續性和各向異性。關

于巖體的力學性質，包括變形破壞特性和強度，一般都需要在現場進行原位試驗才能獲得較

為真實的結果。但現場原位試驗需要花費大量資金和時間，而且隨著測點位置和加載方式不

同，試驗結果的離散性也很大。因此。常常用取樣在試驗室內進行試驗來代替。但室內試驗

較難模擬巖體真正的力學作用條件。更重要的是對于較破碎和軟弱不均質的巖體，不易取得

供試驗用的試樣。究竟采用何種試驗方法，應視巖體的結構特征而定。一般來說，破裂巖體

以現場試驗為主，較完整的巖體以做室內試驗為宜。

(一)巖體的變形特性

巖體的抗拉變形能力很低。或者根本就沒有，因此，巖體受拉后立即沿結構面發生斷裂。

一般沒有必要專門來研究巖體的受拉變形特性。

1.受壓變形

巖體的受壓變形特性，可以用它在受壓時的應力-應變曲線，亦稱本構關系來說明。我

們知道，巖石的應力-應變曲線線性關系比較明顯，說明它是以彈性變形為主。軟弱結構面

的應力-應變曲線呈現出非線性特征，說明了它是以塑性變形為主。而巖體的應力-應變曲線

則要復雜得多了，圖4-1中分別繪出了典型的巖石、軟弱結構面和巖體的單軸受壓時的全應

力-應變曲線。

從圖中可以看出：典型的巖體全應力-應變曲

線可以分解為四個階段：

(1)壓密階段(0A)：主要是由于巖體中結構

面的閉合和充填物的壓縮而產生的，形成了非線

性凹狀曲線，變形模量小，總的壓縮量取決了結

構面的性態。

(2)彈性階段(AB)：巖體充分壓密后便進入

彈性階段。所出現的彈性變形是巖體的結構面和

結構體共同產生的，應力-應變關系呈直線型。

(3)塑性階段(BC)：巖體繼續受力、變形發

圖4一1

展到彈性極限后便進入塑性階段，此時巖體的變

形特性受結構面和結構體的變形特性共同制約。整體性好的巖體延性小、塑性變形不明顯。

達到強度極限后迅速破壞。破裂巖體塑性變形大，甚至有的從壓密階段直接發展到塑性階段,

而不經過彈性階段。

(4)破裂和破壞階段(CD)：應力達到峰值后，巖體即開始破裂和破壞。破壞開始時，應

力下降比較緩慢，說明破裂面上仍具有一定摩擦力，巖體還能承受?定的荷載。而后，應力

急劇下降，巖體全面崩潰。

從巖體的全應力-應變曲線的分析中可以看-出，巖體既不是簡單的彈性體，也不是簡單

的塑性體、而是較為復雜的彈塑性體。整體性好的巖體接近彈性體，破裂巖體和松散巖體則

偏向于塑性體。

2.剪切變形

巖體受剪時的剪切變形特性主要受結構面控制。根據結構體和結構面的具體性態，巖體

的剪切變形可能有三種方式：

(1)沿結構面滑動，所以，結構面的變形特性即為巖體的變形特性。

(2)結構面不參與作用，沿結構體巖石斷裂。所以，巖石的變形特性即起主導作用。

(3)在結構面影響下，沿巖石剪斷。此時，巖體的變形特性介乎上述二者之間。

試驗和實踐還發現，無論巖體是受壓或受剪切，它們所產生的變形都不是瞬時完成的，

而是隨著時間的增長逐漸達到最終值的。巖體變形的這種時間效應，我們稱之為巖體的流變

特性。嚴格來說，流變包括兩方面：一種是指作用的應力不變，而應變隨時間而增長，即所

圖4-2

謂蠕變；另一種則是作用的應變不變，而應力隨時間而衰減，即所謂松弛，如圖4—2所示。

對于那些具有較強的流變性的巖體，在隧道工程的設計和施工中必須加以考慮。例如，

成渝復線上的金家巖隧道，埋深120m,圍巖為泥巖，開挖后圍巖基本上是穩定的，并及時進

行了初次支護。但初次支護250天后拱頂下沉達40.2cm,侵入建筑限界，只好挖掉重做。屬

于這類的巖體大概有兩類：一類是軟弱的層狀巖體，如薄層狀巖體、含有大量軟弱層的互層

或間層巖體；另一類是含有大量泥質物的，受軟弱結構面切割的破裂巖體。整體狀、塊狀、

堅硬的層狀等類巖體，其流變性不明顯，但是，在這些巖體中為數不多的軟弱結構面，具有

相當強的流變性，有時將對巖體的變形和破壞起控制作用。

(-)巖體的強度

從上述可知，巖體和巖石的變形、破壞機理是很不相同的，前者主要受宏觀的結構面所

控制，而后者則受巖石的微裂隙所制約。因而巖體的強度要比巖石的強度低得多，并具有明

顯的各向異性。例如、志留紀泥巖的單軸抗壓試驗結果將能很好地說明這個問題。當層面傾

角大于50°時，以層間剪切形式破壞；32。?45°時，為軸向劈裂和層間剪切混合形式破壞;

小于32°時，為軸向劈裂形式破壞。由此可見，巖體的抗壓強度不僅因層面傾角增大而減小,

同時其破壞形式也發生變化，如圖4-3所示。只有當巖體中結構面的規模較小，結合力很

強時，巖體的強度才能與巖石的強度相接近。一般情況下，巖體的抗壓強度只有巖石的70?

80%,結構面發育的巖體，僅有5?10%。

和抗壓強度一樣，巖體的抗剪強度主要也是取決于巖體內結構面的性態。包括它的力學

性質、充填狀況、產狀、分布和規模等。同時還受剪切破壞方式所制約。當巖體沿結構面滑

(

M

N

)

/

四

5萬

G

圖4—3圖4—4

移時，多屬于塑性破壞。峰值剪切強度較低，其強度參數°（內摩擦角）一般變化于10°?

45°之間；c（粘結力）變化于0?0.3MPa之間，殘余強度和峰值強度比較接近。沿巖石剪斷

屬脆性破壞。剪斷的峰值剪切強度較上述的高得多，其S值約在30°?60°之間，c值有高

達幾十MPa的，殘余強度與峰值強度之比隨峰值強度的增大而減小，變化于0.3~0.8之間.

受結構面影響而沿巖石剪斷，其強度介于上述兩者之間。在T-。平面上畫出巖體、巖石和

結構面的抗剪強度包絡線就能看出這三者之間的關系（圖4-4）?

第二節圍巖的穩定性

一、研究圍巖穩定性的意義

隧道工程所賦存的地質環境的內涵很廣。包括地層特征，地下水狀況，開挖隧道前就存

在于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

層被挖成隧道后的穩定程度。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。地層被挖成隧道后的穩定程度稱為隧道圍巖的穩定性，這是一個反映地質環境

的綜合指標。因此，研究隧道工程地質環境問題，歸根到底就是研究隧道圍巖的穩定性問題。

二、影響圍巖穩定性的因素

影響圍巖穩定性的因素很多，就其性質來說，基本上可以歸納分為兩大類：第一類是屬

于地質環境方面的自然因素，是客觀存在的，它們決定了隧道圍巖的質量；第二類則屬于工

程活動的人為因素，如隧道的形狀、尺寸、施工方法、支護措施等等。它們雖然不能決定圍

巖質量的好壞，但卻能給圍巖的質量和穩定性帶來不可忽視的影響。

由于下一節述及的圍巖分類即是對圍巖穩定程度的劃分，在圍巖分類中必定會考慮到這

兩大類因素的影響，所以卜面不僅簡要地說明各項因素對圍巖穩定性的影響，還介紹各因素

在圍巖分類中的作用和地位。

（-）地質因素。

圍巖在開挖隧道時的穩定程度乃是巖體力學似性質的一種表現形式。因此，影響巖體力

學性質的各種因素在這里同樣起作用，只是各自的重要性有所不同。

1.巖體結構特征

巖體的結構特征是長時間地質構造運動的產物，是控制巖體破壞形態的關鍵。從穩定性

分類的角度來看，巖體的結構特征可以簡單地用巖體的破碎程度或完整性來表示。在某種程

度上它反映了巖體受地質構造作用嚴重的程度。實踐證明，圍巖的破碎程度對坑道的穩定與

否起主導作用，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，坑道就愈容易失穩。因此，在近代圍巖

分類法中，都已將巖體的破碎或完整狀態作為分類的基本指標之-0

巖體的破碎程度或完整狀態是指構成巖體的巖塊大小，以及這些巖塊的組合排列形態。

關于巖塊的大小通常都是用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙間距等指標表示。所謂裂隙率

就是指沿裂隙法線方向單位長度內的裂隙數目，裂隙間距則是指沿裂隙法線方向上裂隙間的

距離。在分類中常將裂隙間距大于1.0~l.5m者視為整體的，而將小于0.2m視為碎塊狀的。

當然，這些數字都是相對的，僅適用于跨度在5?15m范圍內的地F工程。據此，可以按裂

隙間距將巖體分為：

圍巖

I巖I體III土體1

整體狀大塊狀塊石狀碎石塊土石狀松散狀松軟狀

d>I.Omd=0.4-1.0md=0.2?0.4d<0.2m

d為裂隙間距。這里所說的裂隙都是廣義的，包括層理、節理、斷裂及夾層等結構面。

硅質、鈣質膠結的，具有很高節理強度的裂隙不包括在內。

2.結構面性質和空間的組合

在塊狀或層狀結構的巖體中，控制巖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。對于隧道來說，圍巖中存在單一的軟弱面，一般并不會影響坑道的穩定

性。只有當結構面與隧道軸線相互關系不利時，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巖塊。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巖塊。至于分離巖塊是否會塌落或滑動，還與結構血的抗

剪強度以及巖塊之間的相互聯鎖作用有關。因此，在圍巖分類中，可以從下述的五個方面來

研究結構面對隧道圍巖穩定性影響的大小；

(1)結構面的成因及其發展史，例如，次生的破壞夾層比原生的軟弱夾層的力學性質差

得多，如再發生次生泥化作用，則性質更差；

(2)結構面的平整、光滑程度；

(3)結構面的物質組成及其充填物質情況：

(4)結構面的規模與方向性；

(5)結構面的密度與組數。

3.巖石的力學性質

在整體結構的巖體中，控制圍巖穩定性的主要因素是巖石的力學性質，尤其是巖石的強

度。一般來說，巖石強度越高坑道越穩定。在圍巖分類中所說的巖石強度指標，都是指巖石

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系。

此外，巖石強度還影響圍巖失穩破壞的形態，強度高的硬巖多表現為脆性破壞，在隧道

內可能發生巖爆現象。而在強度低的軟巖中，則以塑性變形為主，流變現象較為明顯。

4.圍巖的初始應力場

圍巖的初始應力場是隧道圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩定性。所

以，在某些分類方法中曾有所反映，例加，泰沙基(KTerzaghi)分類法中，曾將同樣是擠壓變

形緩慢的巖層視其埋深不同分為兩類，其預計的巖石荷載值相差一倍左右，這就是考慮初始

應力的結果。

在圍巖分類中，如何根據地質構造特征引進圍巖初始應力場的影響，仍是一個需要進一

步研究解決的問題。

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，使隧道圍巖喪失穩定的最重要因素之一,

因此，在圍巖分類中切不可忽視。當然，在巖性不同的巖體中，水的影響也是不相同的，歸

納起來有如下幾種：

(1)使巖質軟化，強度降低，對軟巖尤其突出。對土體則可促使其液化或流動；

(2)在有軟弱結構面的巖體中，會沖走充填物質或使夾層軟化，減少層間摩阻力促使巖

塊滑動；

(3)在某些巖體中，如含有生石膏、巖鹽，或以蒙脫土為主的粘土巖，遇水后將產生膨

脹，其勢能很大。在未膠結或弱膠結的砂巖中，水的存在可以產生流砂和潛蝕。

因此，在圍巖分類中，對軟巖、碎裂結構和散體結構巖體、有軟弱結構面的層狀巖體，

以及膨脹巖等，應著重考慮地下水的影響。

在目前的分類法中，對地下水的處理方法有三種：①在分類時不將水的影響直接考慮進

去，而是根據圍巖受地下水影響的程度，適當降低圍巖的等級；②分類時按有水情況考慮，

當確認圍巖無水則可提高圍巖的等級；③直接將地下水的狀況(水質、水量、流通條件、靜

水壓等)作為一個分類的指標。前兩種方法是定性的，后一種方法雖可定量，但對這些量值

的確定，在很大程度上還是要靠經驗。例如在某些分類法中，先按巖性分類，而后再按地下

水涌出量分為：0~100L/min；101-1000L/min；>1000L/min三種,最后定出它們對圍巖

穩定性的影晌系數，如表4-1所示。

表4一1地下水對圍巖穩定性的影響系數

硬質巖石軟質巖石

涌水

比較完整比較破碎比較完整比較破碎

0~100L/min1.00.91.00.9

101~1000L/min0.90.80.80.7

>1000L/min0.80.70.70.6

在有些分類中，除了考慮上述因素外，還補充了結構面狀態和地下水壓力的影響，將地

下水的作用進一步細分。

(二)工程活動所造成的人為因素

施工等人為因素也是造成圍巖失穩的重要條件。其中尤其以坑道的尺寸(主要指跨度)

形狀以及施工中所采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-類圍巖中，坑道跨度愈大，坑道圍巖的穩定性就愈差，因為巖體的破

碎程度相對加大了。例如，裂隙間距在0.4?1.0m左右的巖體，對中等跨度(5?10m)的坑道

而言，可算是大塊狀的，但對大跨度(>15m)的坑道來說，只能算是碎塊狀的。因此，在近

代的圍巖分類法中，有的就明確指出分類法的適用跨度范圍。有的則采用相對裂隙間距，即

裂隙間距與坑道跨度的比值作為分類的指標。例如，相對裂隙間距為1/5的屬完整的；1/5?

1/20范圍內的屬破碎的；>1/20的屬極度破碎的。但也有人反對這樣做，認為將跨度引進

圍巖分類法中會造成對巖體結構概念的混亂和誤解。比較通用的做法，是將跨度的影響放在

確定圍巖壓力值和支護結構類型和尺寸時考慮，這樣將分類的問題簡化了。

坑道的形狀主要影響開挖隧道后圍巖的應力狀態。圓形或橢圓形隧道圍巖應力狀態以壓

應力為主，這對維持圍巖的穩定性是有好處的。而矩形或梯形隧道，在頂板處的圍巖中將出

現較大的拉應力，從而導致巖體張裂破壞。但是，在目前的各種分類法中都沒有考慮這個因

素，可能是因為深埋隧道的斷面形狀絕大部分都接近圓形或橢圓形的緣故。

2.施工中所采用的開挖方法

從目前的施工技術水平來看,開挖方法對隧道圍巖穩定性的影響較為明顯，在分類中必

須予以考慮。例如，在同一類巖體中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用礦山法和

采用掘進機法，采用全斷面一次開挖和采用小斷面分部開挖，對隧道圍巖的影響都各不相同。

所以，目前大多數圍巖分類法都是建立在相應的施工方法的基礎上的。

以上所述的工程活動所造成的人為因素，雖然對隧道圍巖穩定性的影響很大，但為了簡

化圍巖分類問題一般都是以分類的適用條件來控制,而分類的本身則主要從地質因素考慮。

第三節圍巖分類

一、概述

上面已敘及判斷隧道圍巖的穩定性，而針對圍巖穩定的程度制定相應的工程措施——最

佳的施工方法和支護結構，乃是研究隧道地質環境需要解決的兩個基本問題。對此，工程界

歷來都并存著兩種截然不同的方法可供采用：經驗方法和理論方法。由于隧道工程所處地質

環境十分復雜，人們對它的認識遠沒有達到完善的地步，所以至今隧道工程的設計和施工仍

多采用經驗類比法，此法的基礎是圍巖分類。因為，隧道工程所賦存的地質環境下差萬別，

它給隧道工程所帶來的問題也是各式各樣的，人們不可能對每一種特定情況都有現成的經驗

和行之有效的處理方法。根據長期的工程實踐，工程師們認識到各種圍巖的物理性質之間存

在著一定的內在聯系和規律，因此，有必要根據一個或幾個主要指標將無限的巖體序列劃分

為具有不同穩定程度的有限個類別，即將穩定性相似的一些圍巖劃歸為一類，將全部的圍巖

劃分為若干類，這就是隧道圍巖穩定性分類，或簡稱為圍巖分類。在圍巖分類的基礎上再依

照每一類圍巖的穩定程度給出最佳的施工方法和支護結構設計。可以說，圍巖分類是選擇施

工方法的依據，是進行科學管理及正確評價經濟效益、確定結構上的荷載（松散荷載）、確

定襯砌結構的類型及其尺寸、制定勞動定額、材料消耗標準等的基礎。

二、圍巖分類的方法

圍巖分類的原則有多種，它是在人們對隧道工程的不斷實踐和對圍巖的地質條件逐漸加

深了解的基礎上發展起來的。不同的國家，不同的行業都根據各自的工程持點提出了各自的

圍巖分類原則。現行的許多圍巖分類方法中，作為分類的基本要素大致有三大類：

第I類與巖性有關的要素。例如分為硬巖、軟巖、膨脹性巖等，其分類指標是采用

巖石強度和變形性質等，如巖石的單軸抗壓強度、巖石的變形模量或彈性波速度等。

第n類與地質構造有關的要素。如軟弱結構面的分布與性態、風化程度等。其分類指

標采用巖石質量指標、地質因素評分法等等。這些指標實質上是對巖體完整性或結構狀態的

評價。這類指標在劃分圍巖的類別中一般占有重要的地位。

第川類與地卜.水有關的要素。

目前國內外圍巖的分類方法，考慮上述三大基本要素，按其性質主要有下列幾種：

（一）以巖石強度或巖石的物性指標為代表的分類方法

1.以巖石強度為基礎的分類方法

這種圍巖分類單純以巖石的強度為依據，例如我國解放前及解放初期（如修建成渝線時）

的土石分類法。即把巖石分為堅石、次堅石、松石及土四類。并設計出相應的四種隧道襯砌

結構類型。在國外，有日本初期采用的“國鐵土石分類法”。

這種分類方法認為坑道開挖后，它的穩定性主要取決于巖石的強度，巖石愈堅硬，坑道

愈穩定，反之，巖石愈松軟，坑道的穩定性就愈差。實踐證明，這種認識是不全面的，例如

我國陜北的老黃土，無水時直立性很強，穩定性相當高，在無支護條件下能維持十幾年、甚

至幾十年之久，但其單軸抗壓強度卻很低。又如江西、福建一帶的紅砂巖，整體性好，坑道

開挖后的穩定性較好，但其強度卻不高，因此單純以巖石強度為基礎的分類方法需要改進并

完善。

2.以巖石的物性指標為基礎的分類方法

在這種分類方法中，具有代表性的是前蘇聯普洛托季雅柯諾夫教授提出的“巖石堅固性

系數”分類法（或稱“/”值分類法，也叫普氏分類法）。它把圍巖分成10類。這種分類法

曾在我國的隧道工程中得到廣泛的應用。值是一個綜合的物性指標值，它表示巖石在

采礦中各個方面的相對堅固性，如巖石的抗鉆性、抗爆性、強度……等。但以往人們確定“一”

值主要采用強度試驗方法，即題羽=―—Re（R,——巖石飽和單軸極限抗壓強度），再

兼顧其它指標，它仍是巖石強度指標的反映。

我國把“了”值應用到隧道工程的設計、施工時，考慮了地質條件的影響，即考慮圍巖

的節理、裂隙、風化等條件,實質上是把由強度決定的“值適當降低，即：f巖體=k.f巖石（k

——地質條件折減系數）。這樣的“/”值就是巖體堅固性系數。

（-）以巖體構造、巖性特征為代表的分類方法

1.這種分類法以泰沙基分類法為代表

此法是在早期提出的，限于當時的條件僅把不同巖性、不同構造條件的圍巖分成九類，

每類都有一個相應的地壓范圍值和支護措施。在考慮問題時是以坑道有水的條件為基礎的，

當確認無水時，4?7類圍巖的地壓值應降低50%。這?分類方法曾長期被各國所采用，至

今仍有廣泛的影響。

2.以巖體綜合物性為指標的分類方法

60年代我國在積累大量鐵路隧道修建經驗的基礎上，提出了以巖體綜合物性指標為基礎

的“巖體綜合分類法”，并于1975年經修正后正式作為鐵路隧道圍巖分類方法，1986年再作

修訂后列入我國現行的《鐵路隧道設計規范》。

（三）與地質勘探手段相聯系的分類方法

1.按彈性波（縱波）速度的分類方法

隨著工程地質勘探方法，尤其是物探方法的進展。1970年前后，日本提出了按圍巖彈性

波速度進行分類的方法。圍巖彈性波速度是判斷巖性、巖體結構的綜合指標，它既可反映巖

石軟硬，又可表明巖體結構的破碎程度。根據巖性、地質狀況及土壓狀態，將圍巖分成七類。

我國從1986年起也開始將圍巖彈性波（縱波）速度引入我國分類法中。

2.以巖石質量為指標的分類方法——RQD方法

所謂巖石質量指標是指鉆探時巖芯的復原率，或稱巖芯采取率，這是美國伊利諾大學迪

爾等人提出的，認為鉆探獲得的巖芯其完整程度與巖體的原始裂隙、硬度、均質性等狀態有

關，因此可用巖芯復原率來表達巖體質量。所謂巖芯復原率即單位長度的鉆孔中10cm以h

的巖芯占有的比例，可寫為

10cm以上巖芯累計長度

RQD(%)=(4-1)

單位鉆孔長度

這個分類方法將圍巖分成五類，認為：>90%為優質，75%<RQOV90%為

良好，50%VR。。<75%為好，25%VRQD<50%為差，及<25%為很差。

（四）組合多種因素的分類方法

比較完善的是1974年挪威地質學家巴頓等人提出的“巖體質量——Q”的分類方法。

這個分類方法是把表明巖體質量的六個地質參數之間的關系表達為

絲￡土色（4-2）

JhhSRF

式中RQO一巖石質量指標；

Jh——節理組數目，巖體愈破碎，右取值愈大，例如，整體沒有或很少有節理的巖體,

（=0.5?1.0；兩個節理組時乙=4；破碎巖體，類似土的乙,=20等等；

Jr——節理粗糙度，節理愈光滑，取值愈小，例如，不連續節理=4；平整光滑

的（=0.5等等；

Ja——節理蝕變值，蝕變愈嚴重，■/“取值愈大。例I如，節理面緊密結合，夾有堅硬不

軟化的充填物時，（=0.75,節理中夾有膨脹性粘土，如蒙脫土時，Ja=8~

12等等；

J,——節理含水折減系數，節理滲水量愈大，水壓愈高，兒,取值愈小，例如，干燥或

微量滲水，水壓<0.1Mpa,=而滲水量特別大，或水壓特別高，持續無

明顯衰減的J,,.=0.1-0.05等等；

SRF——應力折減系數，圍巖初始應力愈高，SRF取值愈大。例如：脆性而堅硬的巖石,

有嚴重巖爆現象時，SRk=10?20；堅硬巖石有單一剪切帶的，SRF=2.5。

關于以上六個參數的詳細說明和取值標準可參閱有關專著。

通過進一步的分析發現，（理）表示巖塊的大小，（心）表示巖塊間的抗剪強度，

L,Ja

（工）表示作用應力。所以巖體質量值實質上是巖塊尺寸、抗剪強度和作用力的復合指

SRF

標。根據不同的。值，將巖體質量評為九等，即：。=400?1000為特別好；。=100?400

為極好；。=40?100為良好；。=10?40為好；。=4?10為中等；。=1?4為不良；。

=0.1?1為壞；Q=0.01?0.1為極壞；Q=0.001?0.01為特別壞。

綜上所述，圍巖分類是多種多樣的，至今還沒有一個統一的分類方法，但從發展趨勢看,

圍巖的分類方法應沿以下幾個方面發展：

（1）分類應主要以巖體為對象。單一的巖石只是分類中的一個要素，巖體則包括巖塊和

各巖塊之間的軟弱結構面，因此分類的重點應放在巖體的研究上。

（2）分類宜與地質勘探手段有機地聯系起來。這樣才有一個方便而又較可靠的判斷手段,

隨著地質勘探技術的發展，這將使分類指標更趨定量化。

（3）分類要有明確的工程對象和工程目的。目前多數的分類方法都與坑道支護相聯系。

坑道圍巖的穩定性，坑道開挖后暫時穩定時間等與支護方法和類型密切相關。因而進行分類

時以此來體現工程目的是不可缺少的。

（4）分類宜逐漸定量化。目前大多數的分類指標是經驗或定性的，只有少數分類是半定

量的，這是由于客觀條件的地質體非常復雜的緣故。近幾年來國內外對圍巖分類定量化的研

究取得了一定的進展，已提出了一些定量評價圍巖分類的指標值。

近年來國內外有關學者提出了采用模糊數學分類、根據坑道周邊量測的收斂值分類、采

用人工智能——專家系統分類等等的建議，這些設想都將使圍巖分類方法II趨完善。

三、我國公路與鐵路隧道的圍巖分類方法

在我國1986年修訂的《鐵路隧道設計規范》中，明確規定了目前鐵路隧道圍巖分類所

采用的兩種方法，即：以圍巖穩定性為基礎的分類方法和按彈性波（縱波）速度的分類方法。

交通部于1992年制訂的《公路隧道設計規范》中，圍巖分類采用了與鐵路隧道完全相同的

分類方法。

（-）以圍巖穩定性為基礎的分類方法

這種分類方法主要考慮如下三個基本因素：

1.巖體的結構特征與完整狀態

對于受軟弱面控制的巖體，按軟弱面的產狀、貫通性、充填情況分為：整體結構、塊狀

結構、碎裂（鑲嵌）結構、疏松結構、松軟結構等五類；由于圍巖的完整性與其所受的構造

變動程度直接相關，所以，將圍巖分為構造變動輕微、較重、嚴重、很嚴重等四級，作為巖

體受地質構造作用影響程度的定性描述，詳細說明見表4-2；同時，還采用了節理（裂隙）發

育程度，作為圍巖完整性的定量指標。根據節理（裂隙）發育程度的不同，將圍巖分為：節理

不發育、節理較發育、節理發育、節理很發育等四級，見表4-3；風化作用使巖體結構發生

變化時，應結合因風化作用造成的各種狀態，綜合考慮確定圍巖的結構完整狀態；對于層狀

巖體，以厚度大于0.5m者為厚層，0.1?0.5m之間的為中層，小于0.Im的為薄層。

2.巖石強度

將巖漿巖、沉積巖、變質巖按巖性、物理力學參數、耐風化能力和作為建筑材料的要求

劃分為：硬質巖石和軟質巖石二級，又根據單軸飽和極限抗壓強度此與工程的關系（例如，

與開挖工作的關系）分為四種，其標準及代表性巖石見表4-4。當風化作用使巖石成分改變，

溫度降低時，應按風化后的強度確定巖石的等級。

_________表4-2圍巖受地質構造影響程度等級劃分_________________________

等級|地質構造作川特征

輕微圍巖地質構造變動小，無斷裂（層）：層狀巖體斜構造；節理不發育

圍巖地質構造變動較大，位于斷裂（層）或褶曲軸的鄰近地段；可有小斷層，節理較發

較重

育

圍巖地質構造變動較強烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內；軟巖多見扭曲及拖拉現象；

嚴重

節理發育

很嚴重位于斷裂（層）破碎帶內；節理很發育；巖體呈碎石、角礫狀有的甚至呈粉末泥土狀

表4-3圍巖節理（裂隙）發育程度劃分

等級地質構造作用特征

節理（裂隙）1?2組，規則，為原生型或構造型，多數的間距在1.0m以上，為密

節理不發育

閉型。巖體被切割成塊狀

節理（裂隙）2?3組，呈x型，較規則，以構造型為主，多數的間距大于0.4m,

節理較發育

多為密閉。部分微張開，少有填充物。巖體被切割成大塊狀

節理（裂隙）3組以上，不規則，呈x型或米字形，以構造型或風化型為主，多數

節理發育間距小于0.4m,大部分微張開，部分張開，大部分為粘性土充填。巖體被切割成塊、

碎石狀

節理（裂隙）3組以上，雜亂，以風化型和構造型為主，多數間距小于0.2m,微張

節理很發育

開或張開，部分為粘上充填。巖體被切割成碎石狀

表4一4巖石強度劃分

單軸飽和極限抗壓強度

巖石類別代表性巖石

Rh（MPa）

1.花崗巖，閃長巖，玄武巖等

60以上

極硬巖2.硅質，鈣質膠結的礫巖及砂巖，石灰

硬質巖石石，N石等

硬質巖30以上~603.片麻巖，石英巖，大理巖，板巖，片

巖等

1.凝灰巖等。

軟質巖5以上~30

2.泥礫巖，泥質砂巖,泥質頁巖,灰質頁

軟質巖石

巖,泥灰巖，泥巖，煤等

極軟巖5以下3.云母片巖或千枚巖等

3.地下水

在隧道圍巖分類中，對地下水的處理采用降級的方法。在整體狀的硬質巖石中，?般的

地下水對它的穩定性影響不大，可不考慮降級；在塊狀硬質巖石和整體狀軟質巖石中，而根

據地下水的類型、水量和危害程度調整圍巖類別，當地下水影響圍巖穩定，產生局部坍塌，

或軟化軟弱結構面時，可酌情降低1級；在碎石狀松散結構的巖體中，當裂隙中夾有泥質充

填物時，地下水對穩定性的影響很大，可根據地下水類型、水量、滲水條件、動水和靜水壓

力等條件，判斷它對圍巖穩定的影響程度，可酌情降低1~2級；在強烈的斷裂帶內，或軟

塑狀粘性土和潮濕的粉細砂中，分類已經考慮了般的含水狀態，可不再降級。若遇特殊含

水地層，如已達飽和狀態或具有較大承壓水流時，需另作處理。

4.彈性波傳播速度

鐵路隧道圍巖分類中還指出，如有彈性波（縱波）傳播速度的測試資料?，亦可作為判斷圍

巖類別的根據。彈性波縱波速度Vp與圍巖類別的關系見表4-50

表4一5彈性波（縱波）速度分類

圍巖類別VIVIVUI11I

彈性波（縱波）速度vp,km/sec>4.53.5-4.52.4~4.01.5?3.01.0~2.0<1.0

*飽和土壤；vp(1.5km/sec)

（三）公路與鐵路隧道圍巖的分類表

根據以上對分類因素和指標的分析，本分類中將隧道圍巖共分為六類，并給出了各類圍

巖的主要工程地質特征、結構特征和完整性等的指標。并預測了隧道開挖后，可能出現塌方、

滑動、膨脹、擠出、巖爆、突然涌水及瓦斯突出等失穩的部位和地段，給出了相應的工程措

施的意見。具體分類表見表4-6。

表4-6鐵路與公路隧道圍巖分類

類別圍巖主要工程地質條伸圍巖開挖后

（級別）主要工程地質特征結構特征和完整狀態的穩定狀態

硬質巖石（飽和抗壓極限強度R>60MPa）,受地質構造

VIb圍巖穩定，無坍塌，

影響輕微，節理不發育，無軟弱面（或夾層）；層狀巖呈巨塊狀整體結構

(1)可能產生巖爆

層為厚層，層間結合良好

硬質巖石（R}>30MPa）,受地質構造影響較重，節理較

發育，有少量軟弱面（或夾層）和貫通微張節理，但其暴露時間長，可能

產狀及組合關系不致產生滑動；層狀巖層為中層或厚呈大塊狀砌體結構會出現局部小坍

V

層，層間結合?般，很少有分離現象；或為硬質巖石偶塌，側壁穩定，層

(II)

夾軟質巖石間結合差的平緩巖

軟質巖石（R）^BOMPa）,受地質構造影響輕微，節理

呈巨塊狀整體結構層，頂板易塌落

不發育，層狀巖層為厚層，層間結合良好

硬質巖石（曷,>30MPa）,受地質構造影響嚴重，節理發

呈塊（石）碎（石）狀

育，有層狀軟弱面（或夾層），但其產狀及組合關系尚拱部無支護時可產

不致產生滑動；層狀巖層為薄層或中層，層間結合差，鑲嵌結構

IV生小坍塌，側壁基

多有分離現象；或為硬、軟質巖石夾層

(III)本穩定，爆破震動

軟質巖石（R=5以上~30Mpa）,受地質構造影響較重,

h過大易坍塌

節理較發育；層狀巖層為薄層、中層或厚層，層間結合呈大塊狀砌體結構

一般

硬質巖石（R/,〉30MPa）受地質構造影響很嚴重，節理很

呈碎石狀壓碎結構

發育，層狀軟弱面（或夾層）已基本被破壞

拱部無支護時可產

III軟質巖石（R%=5以上?30MPa）,受地質構造影響嚴重,呈塊（石）碎（石）狀

鑲嵌結構生較大的坍塌，側

(IV)節理發育

壁有時失去穩定

土：1.略具壓密或成巖作用的黏土及砂類土1、2呈大塊狀壓密結

2.黃土（Qi，Q2）構：3呈巨塊狀整體結

3.一般鈣質、鐵質膠結的碎、卵石土、大塊石土構

石質圍巖位于擠壓強烈的斷裂帶內，裂隙雜亂，呈石夾呈角（礫）碎（石）狀圍巖易坍塌，處理

11土或土夾石狀松散結構不當會出現大坍

塌，側壁經常小坍

(V)非粘性土呈松散結構；

一般第四系的半干硬?硬塑的粘性土及稍濕至潮濕的塌，淺埋時易出現

粘性上及黃土呈松軟

一般碎、卵石土、圓礫、角礫土及黃土（Q.Q）地表下沉（陷）或

4結構

坍塌至地表

石質圍巖位于擠壓極強烈的斷裂帶內，呈角礫、砂、泥

呈松軟結構圍巖極易坍塌變

松軟體狀

I形，有水時土砂常

粘性土呈易蠕動的

與水一齊涌出，淺

(VI)軟塑狀粘性土及潮濕的粉細砂等松軟結構，砂性土呈

埋時易坍塌至地表

潮濕松散結構

注：1999年頒布的《鐵路隧道設計規范》在原來圍巖分類方法的基礎上，改為以圍巖級別代表圍巖類

別，從1級到VI級表示圍巖的穩定性從好到差，故括號內的圍巖級別是針對鐵路隧道而言，而公路

隧道仍采用圍巖類別。

在隧道施工過程中，根據對隧道圍巖的直接觀察、量測和試驗結果，可進一步核定巖層

構造、巖性及地下水等情況，從而可以判斷圍巖的穩定程度。當發現設計文件與實際情況不

相符合時，應及時修改圍巖類別，并變更支護設計。

應當指出。我國鐵路與公路隧道圍巖分類方法與全國的圍巖分類方法并不統一。今后應

當研究全國統一的隧道圍巖分類辦法，以便各部門間的彼此交流。

第四節圍巖壓力

一、巖體初始應力狀態

巖體初始應力狀態，是指隧道開挖前未擾動的巖體應力狀態。任何物體受著地心引力的

作用都處于自重力作用狀態。對于地殼巖體來說，它還經歷了長期的地質構造運動，巖體處

于更為復雜的受力狀態，這種受力狀態我們稱之為巖體的初始應力（也稱原始應力、地應力

或一次應力）。

瑞士地質學家海姆通過對大型越嶺隧道圍巖的工作狀態觀察，首先提出地應力的概念。

1905年至1912年.海姆假定巖體中有一個垂直應力和水平應力，并認為垂直應力與上覆巖層

重量有關，水平應力與垂宜應力相等。

1915年瑞典人哈斯特首先在斯堪的納維亞半島開創了地應力的量測工作，通過量測與理

論分析證明，地應力是個非穩定的應力場，它是時間與空間的函數。但對人類工程活動所涉

及的那一部分地殼巖體，在工程活動期限內除少數構造活動帶外，時間上的變化可不予考慮。

地應力著重考慮重力和構造應力，但由于地下工程所處范圍內情況十分復雜，對構造應

力目前尚難完全搞清楚，因此目前主要研究巖體重

力所形成的應力場。對于需要確切了解包含有構造U1/HIIII/I1///IIIfII/f//flf/

應力的地應力，一般宜通過實地量測加以確定。

對于自重形成的應力場，是建立在假定巖體是01q

03

均勻連續介質這一基礎上的，可運用連續介質理論

進行分析。

02-----------02_

設巖體為半無限體，地血為水平，距地表深

度〃處取一個單元體，其上作用有應力,、。2、/

03

01

圖4-5

%，如圖4-5所示。該單元體處于受力的平衡狀態，變形運動相對為靜止狀態、在上覆巖體

自重作用下，其垂直應力?為：

5=yh（4-3）

式中/——巖體容重；

h——單元體所處的深度。

若巖體由多種不同的水平巖層所組成，每一巖層的厚度為4,容重為九，則巖體的垂直

應力為

%=工九%（4-4）

,=1

式中n——水平巖層的層數。

由于單元體的側向變形受到周圍地層的限制，從而產生了側向應力%和。3,其數值山

上覆巖體的自重和地層的物理力學性質所決定。如把巖體看作各向同性的彈性體，則

=Xb]=A/Il

或O~2=/=（4-5）

r=l

式中2一一側壓力系數。

根據例向變形（三，與）為零的條件，由物理方程有

則CT,=----CF](4-6)

1一〃

式中〃——巖體的泊松比。

顯然.當垂直應力已知時，側向應力的大小，決定于巖體的泊松比。大多數巖體的泊松

比變化在0.15-0.35的范圍內.則計算所得的幾值在0.18~0.54之間、因此在自重應力場

中，通常側向應力小于垂直應力。

深度對初始應力狀態有著重大的影響，隨著深度的增加，歷和a2（5。也在增大，但巖

體本身的強度是有限的，當6和?增加到一定值后，其物性值（E和〃）及幾值開始發生變

化，并隨著深度的增加幾值將趨于1,此時與靜水壓力相似，巖體接近流動狀態。

由此可見，巖體自重應力場中的垂直應力和側向應力隨深度而變化，巖體的應力狀態可

能是處于彈性、隱塑性或流動狀態。根據量測資料分析，在通常隧道的埋深情況下，巖體可

近似認為處于彈性狀態。

二、圍巖壓力及其分類

（-）圍巖壓力

圍巖壓力是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護變形或破壞的作用力。它包括由地應力

引起的圍巖應力及圍巖變形受阻而作用在支護結構上的作用力。因此，從廣義來理解，圍巖

壓力既包括圍巖有支護的情況，也包括圍巖無支護的情況；既包括作用在普通的傳統支護如

架設的支撐或施作的襯砌上所顯示的力學性態，也包括在錨噴和壓力灌漿等現代支護的方法

中所顯示的力學性態。從狹義來理解.圍巖壓力是圍巖作用在支護結構上的壓力。在工程中

一般研究狹義圍巖壓力。

(二)圍巖壓力分類

圍巖壓力按作用力發生的形態分類，一般可分為如下幾種類型。

1.松動壓力

由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結構上的壓力稱松動(散)壓

力，松動壓力按作用在支護上的位置不同分為豎向壓力、側向壓力和底壓力。松動壓力通常

在下列三種情況下發生：

(1)在整體穩定的巖體中，可能出現個別松動掉塊的巖石；

(2)在松散軟弱的巖體中，坑道項部和兩側邊幫冒落；

(3)在節理發育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿軟弱面發生剪切破壞或拉壞等局部塌落。

2.形變壓力

它是由于圍巖變形受到與之密貼的支護如錨噴等的抑制，而使圍巖與支護結構共同變形

過程中，圍巖對支護結構施加的接觸壓力。所以形變壓力除與圍巖應力狀態有關外，還與支

護時間和支護剛度有關。

3.膨脹壓力

當巖體具有吸水膨脹崩解的特征時，由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱為膨脹壓

力。它與形變壓力的基本區別在于它是由吸水膨脹引起的。

4.沖擊壓力

它通常是由“巖爆”引起的。當圍巖中積累了大量的彈性變形能之后，在開挖時，隧道

由于圍巖的約束被解除，被積累的彈性變形能會突然釋放，引起巖塊拋射所產生的壓力。

由于沖擊壓力是巖體能量的積累和釋放問題，所以它與彈性摸量直接相關，彈性摸量

大的巖體，在高地應力作用下，易于積累大量的彈性變形能，一旦遇到適宜條件，它就會

突然猛烈地大量釋放。

三、影響圍巖壓力的因素

影響圍巖壓力的因素很多.通常可分為兩大類。一類是地質因素，它包括原始應力狀態、

巖石力學性質、巖體結構面等；另一類是工程因素，它包括施工方法、支護設置時間、支護

本身剛度、坑道形狀等。

在隧道開挖過程中，由于受到開挖面的約束，使其附近的圍巖不能立即釋放全部瞬時彈

性位移，這種現象稱為開挖面的“空間效應”。如在“空間效應”范圍(一般為1~1.5倍洞

跨)內，設置支護就可減少支護前的圍巖位移值。所以采用緊跟開挖面支護的施工方法.可

提高圍巖的穩定性。

四、圍巖松動壓力的形成和確定方法

(-)圍巖松動壓力的形成

開挖隧道所引起的圍巖松動和破壞范圍有大有小，如有的可達地表，有的

則影響較小。對于一般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅涉及隧道周圍一定深度。所以

作用在支護結構上的圍巖松動壓力遠遠小于其上覆地層自重所造成的壓力。這可以用圍巖的

“成拱作用”來解釋，以水平巖層中開挖一個矩形坑道，來說明坑道開挖后圍巖由變形

到坍塌成拱的整個變形過程，如