漫談礦山法隧道技術(shù)講座第一講－ 圍巖

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

0 引言

正確地認(rèn)識和掌握圍巖，包括圍巖的基本概念及其工程特性、圍巖的分級及分類、圍巖開挖后的動態(tài)、圍巖的評價方法等，是隧道設(shè)計、施工的基礎(chǔ)條件。隧道技術(shù)的發(fā)展，多數(shù)是圍繞"圍巖"展開的。因此，樹立以"圍巖為本"的基本理念，認(rèn)識、掌握、利用和改造"圍巖"是非常重要的。

1 隧道圍巖的工程特性

隧道是修筑在地下的線狀結(jié)構(gòu)物，從工程角度出發(fā)，其基本特性是由周邊的地質(zhì)環(huán)境，具體而言，是由隧道周邊圍巖的條件所決定的。因此，要了解隧道的工程特性，就必須了解隧道周邊圍巖的工程特性。

隧道周邊圍巖的工程特性，可以從3個方面的認(rèn)識來體現(xiàn)。

1)在通常情況下，周邊圍巖是隧道結(jié)構(gòu)的主體，即，礦山法隧道結(jié)構(gòu)的主體是周邊圍巖。天然洞穴都是無支護的，可以依靠自身的支護能力(以后稱為自支護能力)存在幾百年、幾千年甚至幾萬年。這說明，圍巖本身具有"自支護"能力。實質(zhì)上，從地質(zhì)條件看，具有自支護能力的圍巖占大多數(shù)，而只有少部分圍巖的自支護能力不足或缺乏自支護能力。因此，在隧道設(shè)計施工中，對良好圍巖而言，愛護和"利用"圍巖、盡可能減少對周邊圍巖的損傷，避免圍巖過度松弛，充分發(fā)揮圍巖的自支護能力，是非常重要的。而對一些自支護能力不足或缺乏自支護能力的圍巖，在設(shè)計、施工時則應(yīng)采取對策"改造"圍巖，提高圍巖的自支護能力，這也是極為重要的。

2)圍巖也是構(gòu)成隧道主體結(jié)構(gòu)的材料。其對礦山法隧道的設(shè)計、施工具有重要的、不可忽視的影響。這種材料的特點與其他材料，如金屬、混凝土等不同，具有潛在的不確定性以及易受施工影響的可變性。因此，通過施工中采取的各種支護方法(噴混凝土、錨桿、鋼架等)和對策(注漿、超前支護、掌子面支護等)，來利用和改變其特性。"為我所用"是礦山法隧道施工技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。

3)從設(shè)計角度看，圍巖也是作用在隧道結(jié)構(gòu)上的"荷載"。任何結(jié)構(gòu)物的設(shè)計，都需要有一個明確的荷載。而隧道結(jié)構(gòu)的荷載從理論上是:在無支護條件下是開挖后的應(yīng)力重分配的結(jié)果;在有支護的條件下則是支護與圍巖相互作用的結(jié)果。因此，其受到支護剛性、圍巖剛性、支護設(shè)置時間以及施工方法的影響。但這種荷載(應(yīng)力)與開挖、支護技術(shù)有關(guān)，是可變的、可控的。這是隧道結(jié)構(gòu)物作用荷載的基本特征。因此，設(shè)計、施工中將可能產(chǎn)生的荷載(松弛、應(yīng)力)控制在最小限度內(nèi)，也是發(fā)展礦山法隧道技術(shù)的一個重要前提。

"結(jié)構(gòu)體－作用荷載－構(gòu)成材料""三位一體"是隧道工程重要的、獨一無二的技術(shù)特征。隧道從規(guī)劃、調(diào)查、設(shè)計、施工到維修管理都是由這個特性決定的。這就是隧道工程最具特色的、與其他工程截然不同的特性。這個特性決定了隧道工程的設(shè)計、施工、維修管理的基本理念。因此，可以將隧道設(shè)計、施工、維修管理的基本理念歸納為"以圍巖為本"。在隧道施工前、施工全過程中、施工后(運營)必須了解圍巖、認(rèn)識圍巖并通過實踐利用圍巖、改造圍巖，以達(dá)到"為我所用"的目的。

2 周邊圍巖的概念

"圍巖"通常指隧道開挖影響范圍內(nèi)的地質(zhì)體，或者是開挖后和應(yīng)力重分配影響范圍內(nèi)的地質(zhì)體，即所謂的周邊圍巖(見圖1)。隧道的穩(wěn)定性取決于隧道周邊圍巖的穩(wěn)定性，而周邊圍巖的穩(wěn)定性又取決于施工技術(shù)及其自身的工程特性。

隧道周邊圍巖不穩(wěn)定則無法施工。因此，以穩(wěn)定和利用隧道周邊圍巖為重點，來規(guī)劃隧道的設(shè)計和施工是隧道工作者追求的永恒目標(biāo)。

圖1 隧道周邊圍巖Fig.1 Sketch of surrounding rock

對周邊圍巖的認(rèn)識可歸納為以下4點。

1)在一般情況下，隧道的周邊圍巖是三維的，包括掌子面、掌子面后方?jīng)]有支護的橫向范圍內(nèi)的圍巖以及掌子面前方一定范圍內(nèi)的圍巖。實質(zhì)上，周邊圍巖的穩(wěn)定性主要決定于掌子面和掌子面前、后方圍巖的穩(wěn)定性。以往，業(yè)界人員十分關(guān)注隧道掌子面后方橫向影響范圍內(nèi)的圍巖動態(tài)，初期支護的選定基本上是以此范圍內(nèi)的圍巖動態(tài)來決定的。對隧道而言，掌子面前方圍巖和掌子面自身的穩(wěn)定性更為重要。掌子面也是一個支護構(gòu)件，開挖過后掌子面起著極為重要的支護作用。施工中出現(xiàn)的許多問題，多數(shù)與掌子面的自穩(wěn)性有關(guān)。因此，維護掌子面的穩(wěn)定是非常重要的。這也是當(dāng)前隧道施工技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，也是預(yù)支護技術(shù)有了突破性發(fā)展的主要原因。

2)除特殊的圍巖條件外，一般而言，隧道開挖對周邊圍巖的影響范圍是有限的。其影響范圍與周邊的地質(zhì)條件和隧道的開挖方法有極大的關(guān)系，但大致在1D～3D(D為隧道開挖寬度)(見圖2)。從理論上而言，周邊圍巖的范圍是由隧道開挖后的應(yīng)力重分布范圍決定的，在此范圍外應(yīng)力仍然處于原始狀態(tài)。從地質(zhì)構(gòu)造上而言，周邊圍巖的范圍是由其構(gòu)造、巖類特性，特別是開挖后的動態(tài)所決定的，其范圍與圍巖動態(tài)密切相關(guān)。

圖2 隧道開挖和圍巖擾動［1］Fig.2 Tunnel excavation and surrounding rock disturbance［1］

3)周邊圍巖是可以改造的。與其他材料不同的是，圍巖改造過程是在施工過程中完成的。而施工就是利用圍巖的這個特性，通過各種方法(如錨桿、注漿)和手段(預(yù)支護等)，將周邊圍巖改造成"為我所用"的材料。

4)隧道開挖后周邊圍巖的動態(tài)，視地質(zhì)條件、開挖方法等的不同而多種多樣。因此，正確了解和評價開挖后的圍巖動態(tài)，是解決隧道設(shè)計、施工中出現(xiàn)的問題的最基本的前提條件，也是一直還沒有完全解決的問題。

3 圍巖開挖后的動態(tài)

3.1 動態(tài)分類

有許多研究認(rèn)為圍巖開挖后的動態(tài)及失穩(wěn)模式多數(shù)與圍巖分級緊密相聯(lián)。其中比較通行的有以下幾類。

1)新奧法(NATM)描述的圍巖的動態(tài)類型，如表1 所示［1］。

2)Martin(1999年)，Hoek(1995年)等總結(jié)的地下開挖的動態(tài)，如圖3所示的10種失穩(wěn)模式［1］。

3)表 2是根據(jù) Hoek、Brown(1980)和 Hudson(1989)的研究成果，將失穩(wěn)模式(不穩(wěn)定)包括對地下水的影響分為3組［1］。

表1 動態(tài)類型［1］Table 1 Dynamic classification［1］

圖3 地下開挖中的圍巖動態(tài)類型［1］Fig.3 Dynamic types of surrounding rock in underground excavation［1］

表2 地下開挖的動態(tài)類型［1］Table 2 Dynamic types of underground excavation［1］

其中:

①第1組－－重力－控制型。大多是不連續(xù)控制的失穩(wěn)(塊體掉落)，一旦開挖，在頂部和側(cè)壁原先存在的碎片或塊體能夠自由移動。

②第2組－－應(yīng)力－控制型。由過大應(yīng)力，即由超過圍巖材料的局部強度引起的應(yīng)力造成的重力失穩(wěn)。這種失穩(wěn)可能有2種主要形式:具有脆性特征的屈服，片幫或巖爆，即整體的脆性圍巖;具有韌性或變形特征的塑性變形，蠕變或擠壓，即整體的軟弱/韌性或連續(xù)的松散圍巖。

③第3組－－水的影響。在設(shè)計中水壓力是一個重要的必須考慮的荷載因素，尤其是在不同種類的圍巖條件下。地下水的失穩(wěn)可能發(fā)生在含有大量水的流動性圍巖，和能夠引發(fā)不穩(wěn)定狀態(tài)(如膨脹、崩解等)的一些含有某些礦物質(zhì)的圍巖。水也可以溶解石灰石、方解石等礦物。

4)意大利動態(tài)分類法。近年，意大利提出了圍巖變形與控制的基本理念，形成了意大利法的核心技術(shù)。該技術(shù)將掌子面前方圍巖的變形響應(yīng)及前方圍巖的應(yīng)力－應(yīng)變特性分為如圖4所示的3個可能的狀態(tài):穩(wěn)定的掌子面動態(tài)(A)、短期穩(wěn)定的掌子面動態(tài)(B)及不穩(wěn)定的掌子面動態(tài)(C)。

圖4 掌子面動態(tài)的分類［2］Fig.4 Classification of tunnel face dynamics［2］

穩(wěn)定的掌子面動態(tài)(A)是自身形成穩(wěn)定的狀態(tài)。B和C的動態(tài)是屬于暫時穩(wěn)定和不穩(wěn)定的狀態(tài)，為使它們處于A的穩(wěn)定狀態(tài)，就必須采取事前的約束對策。這種分類的方法，雖然簡單明了，具有一定的實用價值，但如何判定掌子面的穩(wěn)定性仍然是個問題。

依上所述，圍巖開挖后的動態(tài)，也就是穩(wěn)定性受許多因素的影響。但其外觀的綜合表現(xiàn)，就是變形(包括掌子面的擠出變形、體積膨脹的變形)、掉塊、滑移或松弛(動)、流動、崩解等。過去僅僅用"變形"一詞很難概括隧道開挖后的圍巖動態(tài)。圍巖開挖后動態(tài)的不同，決定了相應(yīng)的支護對策和施工方法的不同。

對于某些類型的圍巖，動態(tài)可以從一個類型發(fā)展到另一個類型，如從最初的塑性動態(tài)發(fā)展為長期的擠壓狀態(tài)。而對另外一些類型的圍巖，可能發(fā)生多個類型的動態(tài)，這取決于圍巖的應(yīng)力和/或某些礦物質(zhì)的含量的多少。如前所述，即使圍巖處于整體的、完整區(qū)域，也必須強調(diào)和考慮巖塊不穩(wěn)定的風(fēng)險。

3.2 動態(tài)總體分類

從國內(nèi)外礦山法隧道的施工經(jīng)驗來看，圍巖開挖后的動態(tài)，按圍巖構(gòu)造及特性，基本上可按表3分類。

表3實質(zhì)上是我國鐵路隧道圍巖分級的基礎(chǔ)，我國鐵路隧道圍巖分級與周邊圍巖穩(wěn)定性、開挖后圍巖動態(tài)及相應(yīng)的對策關(guān)系可歸納為表4。

表3 隧道周邊圍巖的基本類型及動態(tài)Table 3 Basic types and dynamics of surrounding rock of tunnel

表4 圍巖分級的定性概念Table 4 Specific properties of different grades of surrounding rock

4 隧道開挖后周邊圍巖穩(wěn)定性問題

4.1 圍巖穩(wěn)定性定義

如前所述，鐵路隧道的圍巖分級將開挖后圍巖的穩(wěn)定性分為長期穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、暫時穩(wěn)定和不穩(wěn)定4種狀態(tài)。穩(wěn)定性通常是指開挖后在一定時間內(nèi)無支護地段的周邊圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。而周邊圍巖不僅指開挖面周邊橫向一定范圍內(nèi)的圍巖，也包括掌子面前方(縱向)一定范圍內(nèi)的圍巖。隧道開挖后，周邊圍巖不需要進行特別的處理，而在一定時間內(nèi)能保持不發(fā)生有害變異(如大變形、崩塌、掉塊、擠入等)的自支護能力稱為圍巖穩(wěn)定性，也有稱之為圍巖自穩(wěn)性，或開挖面自穩(wěn)性。

4.2 圍巖影響范圍

從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)概念出發(fā)，受開挖影響的圍巖僅僅是緊靠掌子面的前后方一定距離內(nèi)的周邊圍巖。即:以掌子面(指開挖面的正面)為界，可將開挖面分為掌子面前方圍巖、掌子面及掌子面后方圍巖(如圖5所示)，其應(yīng)力－應(yīng)變的變化是三維的。此范圍外的圍巖可以按二維的應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)考慮。

圖5 開挖面的概念圖Fig.5 Sketch of excavation face

在裸洞地段，此范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性不僅取決于掌子面后方周邊圍巖(或無支護地段)的穩(wěn)定性，也取決于掌子面及其前方圍巖的穩(wěn)定性。以往通常將重點放在維護掌子面后方無支護地段的周邊圍巖的穩(wěn)定性上，而忽視了維護掌子面前方圍巖的穩(wěn)定性。從工程實際和理論分析可以肯定，在某些情況下，維護掌子面及其前方圍巖的穩(wěn)定性，比維護掌子面后方周邊圍巖的穩(wěn)定性更為重要。因此，在軟弱圍巖地段，將重點放到維護掌子面前方周邊圍巖的穩(wěn)定性上是非常重要的。

4.3 應(yīng)力 －應(yīng)變

1)以全斷面法為例。按最基本的狀態(tài)，即側(cè)壓系數(shù)為1的狀態(tài)，也就是靜水壓狀態(tài)的圓形隧道地段的掌子面狀況，圍巖開挖后的應(yīng)力分布如圖6所示。圖6(a)表示通過隧道中心的主應(yīng)力線?？梢钥闯觯谡谱用娓浇鲬?yīng)力線傾向拱形形狀，形成承載拱，由于隧道開挖的應(yīng)力減少向掌子面深部圍巖分配，而保持穩(wěn)定。應(yīng)力分配的范圍超過隧道直徑以上。同時，拱頂?shù)挠缃翘幃a(chǎn)生很大的應(yīng)力。圖6(b)表示掌子面附近的最大剪應(yīng)力分布。距掌子面一定距離形成承載拱的部分，應(yīng)力大。掌子面因開挖而松弛，是容易導(dǎo)致不穩(wěn)定的部分。實際上，掌子面的穩(wěn)定性是距掌子面深部的穹拱狀部分所支撐的。距掌子面深部的圍巖部分("圍巖巖蕊")，不使此部分松弛對保持掌子面的穩(wěn)定非常重要。這也是形成意大利法的核心技術(shù)。

圖6 掌子面附近的主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of principal stress and maximum shear stress around tunnel face

2)以臺階法施工為例。理論分析說明，隧道開挖擾動了周邊圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，圍繞推進的掌子面周圍形成一個燈泡形的三維應(yīng)力場如圖7所示。

在隧道掌子面，圍繞隧道的應(yīng)力流在隧道開挖前方成拱形，并沿縱向變化，在離開掌子面一定距離后達(dá)到初始應(yīng)力狀態(tài)，變?yōu)槎S應(yīng)力狀態(tài)。圍繞坑道的應(yīng)力擾動程度，主要取決于圍巖條件、開挖尺寸、循環(huán)長度。其擾動范圍大致在隧道掌子面前方達(dá)到開挖直徑的2倍(參見圖2)。

3)為了確保掌子面的自穩(wěn)性，也有人主張從改變掌子面的形狀著手，即采用曲面掌子面或斜掌子面。圖6表示直立掌子面近旁的主應(yīng)力流，但在掌子面處，產(chǎn)生穹拱效應(yīng)，靠近掌子面的穹拱效應(yīng)流被切斷只留有殘余部分。此部分，從應(yīng)力看比形成穹拱的部分小，難以對掌子面穩(wěn)定性發(fā)揮作用，是開挖面受開挖影響而易于松弛的部分，是受重力直接影響而易于不穩(wěn)定的部分。圖8表示掌子面形成曲面場合的主應(yīng)力流線。圍巖內(nèi)的應(yīng)力流線與圖6的直立掌子面幾乎沒有變化。

圖7 隧道周圍的應(yīng)力流［3］Fig.7 Stress flow around tunnel［3］

圖8 曲面掌子面近旁的主應(yīng)力Fig.8 Principal stress around curved tunnel face

圖9表示曲面掌子面附近的最大剪應(yīng)力的狀況。與圖6比較，應(yīng)力變化的范圍與直立掌子面的情況相比沒有很大的變化。即，曲面掌子面，從應(yīng)力上看變化不大，對掌子面整體的穩(wěn)定也沒有影響，但可以回避靠近掌子面的不穩(wěn)定部分，對掌子面的穩(wěn)定是很有利的。

圖9 曲面掌子面的最大剪應(yīng)力Fig.9 Maximum shear stress around curved tunnel face

圖10表示直立和曲面掌子面的縱向擠出位移。曲面掌子面的位移比直立掌子面的位移小。這說明曲面掌子面沒有包括掌子面附近的不穩(wěn)定部分的位移。從這一點看，曲面掌子面是有利的。因此，從確保掌子面穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，比直立掌子面有利。特別是掌子面周邊的應(yīng)力超過圍巖強度的地段，掌子面的維護更為重要。但從施工角度而言，目前的施工機械開挖曲面掌子面有一定的困難。因此，很少采用曲面掌子面。但近期的一些研究表明，開發(fā)曲面掌子面的技術(shù)已經(jīng)受到關(guān)注，并在進行施工試驗。

圖10 曲面掌子面的水平擠出位移Fig.10 Horizontal extrusion displacement of curved tunnel face

4)開挖面/掌子面的自穩(wěn)性，在均質(zhì)圍巖中，基本上是圍巖暴露面積和暴露時間的函數(shù)關(guān)系。一般而言，開挖后的空間在無支護條件下能夠保持穩(wěn)定的時間稱為自穩(wěn)時間。暴露面積越小自穩(wěn)時間越長，無支護地段長度越長自穩(wěn)時間越短。因此，長久以來，在施做支護前不能確保自穩(wěn)時間的地段，多將隧道斷面分割為小斷面，短進尺順次開挖、支護來完成整個斷面的開挖。這種大斷面分割成小斷面的方法是無奈之舉，是與施工條件相互配合的消極方法。最近的隧道修建技術(shù)發(fā)展表明，隧道開挖方法正向著不分割斷面，而積極地補強圍巖的大斷面開挖的方向發(fā)展。在這種情況下，穩(wěn)定掌子面和掌子面前方的圍巖更為重要。大斷面開挖可以確保大的施工空間，進行更為有效的施工，對掌子面的應(yīng)力重分配也是有利的。同時也是穩(wěn)定掌子面的超前支護等輔助工法的發(fā)展所致。

5 設(shè)計、施工中應(yīng)該關(guān)注的圍巖－－軟弱圍巖及特殊圍巖

如前所述，在修建隧道過程中所遇到的圍巖大多數(shù)是具有自支護能力的，或者只用初期支護就能夠使其穩(wěn)定。在這種情況下，采用推薦的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的支護模式，用常規(guī)的施工對策和方法就可以獲得公認(rèn)的長期穩(wěn)定的隧道結(jié)構(gòu)。這種圍巖稱為一般圍巖。因此，隧道的設(shè)計、施工應(yīng)該關(guān)注的圍巖，是指缺乏自支護能力或具有特殊性質(zhì)的圍巖，即所謂的軟弱圍巖和特殊圍巖。

軟弱圍巖涵蓋范圍較廣，具體包括以下幾類。

1)按巖類劃分。分為:剝離顯著的變質(zhì)巖(片巖類、片麻巖、千枚巖等);剝離顯著的或細(xì)層理的中生代、古生代的堆積巖類(黏板巖、頁巖等);節(jié)理等發(fā)育的火成巖;中生代的堆積巖類(頁巖、黏板巖等);火成巖(流紋巖，安山巖、玄武巖等);古第三紀(jì)的堆積巖類(頁巖、泥巖、砂巖等);風(fēng)化的火成巖;新第三紀(jì)層的堆積巖類(頁巖、泥巖、粉沙巖、砂巖、礫巖、凝灰?guī)r等);風(fēng)化和熱力變質(zhì)及破碎發(fā)育的巖石(火成巖類和變質(zhì)巖類及新第三紀(jì)以前的堆積巖類);第四紀(jì)更新世的堆積物(礫、砂、粉砂、泥及火山灰等構(gòu)成的低固結(jié)～未固結(jié)的堆積物)、新第三紀(jì)堆積巖的一部分(低固結(jié)層、未固結(jié)層、砂等);糜爛化的花崗巖類;表土、崩積土、巖堆等。

2)按巖性劃分。分為:巖石單軸抗壓強度小于25 MPa的各類軟巖;圍巖強度應(yīng)力比小于2的圍巖;膨脹性圍巖;擠壓性圍巖;土砂圍巖;顯著濕陷性的黃土等。

3)按地質(zhì)構(gòu)造劃分。分為:巖堆、大規(guī)模的斷層破碎帶、裂隙密集帶等;風(fēng)化和熱力變質(zhì)帶、褶皺擾亂帶等;預(yù)計發(fā)生高壓和大量涌水的圍巖;土砂圍巖。

4)按自穩(wěn)性和穩(wěn)定性劃分。分為:自穩(wěn)性短暫、承載力低的圍巖;常常伴有掌子面崩塌流動、大變形和支護變異的圍巖。需要采用穩(wěn)定掌子面的大量的輔助工法及早期仰拱閉合、提高支護剛性的新型支護等對策。甚至需要采取變更開挖工法或極端情況下變更線路的對策。

6 結(jié)束語

本講座著重說明圍巖的基本概念，隧道的設(shè)計、施工、維修管理都是以確保圍巖穩(wěn)定為前提的。通過本文應(yīng)該認(rèn)識到:大多數(shù)圍巖是有自支護能力的;不良圍巖是可以改造"為我所用"的;圍巖荷載是可以控制的;不同的圍巖其動態(tài)特性也是不同的?？傮w而言，隧道技術(shù)的發(fā)展都是圍繞達(dá)到上述目的而發(fā)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.