4.2 层状岩体隧洞围岩稳定影响因素

隧洞围岩稳定性是多种内外环境因素共同作用的结果，这些环境因素主要包含原岩应力状态和结构构造、岩石物理力学性质、地下水作用、地质区域构造影响情况、静动力荷载以及隧洞几何尺寸和施工方法。将影响层状岩体围岩稳定性的因素概括为三种类型。

（1）地质因素：主要包括原岩应力状态、围岩岩体结构与构造、围岩岩石力学性质、地下水以及风化作用等。

1）原岩应力状态影响。原岩应力是岩体未经扰动就已经存在的外力，在岩体内部积聚了大量能量，不仅促使着岩体力学行为发生不同程度的变化，而且也为洞壁围岩产生位移、劈裂、岩爆等变形和破坏形式提供动力。

通常认为在一定原始应力环境中存在未受人为扰动岩体的受力状态为三向等压，即静力平衡状态。当在岩体内部开挖洞室以后，某一方向上出现了卸荷，打破了原来应力状态，岩体结构失去平衡，此时围岩会通过产生一定的形变来达到新的平衡。只有当自身无法满足时或位移量过大时，需采取人工干预（支护措施）使围岩结构达到平衡状态，满足工程需要。

岩体的本构特征不是固定不变的，它会随着岩体所处地应力环境的不同而表现出不同的特性。同一岩体，当原岩应力不同时，岩体的承载能力、岩体产生变形和破坏的形式以及应力传播法则也会不同，具体表现如下：

a.影响岩体的承载能力：通过引入岩体三轴压缩试验研究原岩应力与岩体承载能力的关系，施加在试件上的围压即为实际情况下的原岩应力，随着围压（原岩应力）的不断提高，岩体的强度（承载能力）也不断增加。

b.影响岩体的破坏机理：岩体力学室内试验研究表明，岩石产生变形和破坏的机理随着围压的大小而具有明显的不同，如同一组岩石在不同围压条件下表现的破坏形式不同。由此可知，岩体的本构关系与岩体原岩应力状态具有密切关系。

c.影响岩体应力传播法则：高地应力区的岩体，由于各种结构面的存在，岩体属于不连续介质。但是由于岩块之间具有摩擦作用，结构面在高地应力作用下具有被“压密”和“黏结”的趋势，此时应力在结构面处平稳传播，使不连续岩体表现出连续岩体的力学特性。

2）围岩岩体结构与构造。岩体结构包括结构面和结构体两部分，而相同的结构面和结构体由于组合方式的不同，形成的岩体结构也不同。因此，岩体结构具有形式多样、结构复杂等特点。一般将岩体结构概括为五大类，分别是整体结构、层状结构、块裂结构、碎裂结构、散体结构。围岩岩体结构类型不仅与岩体结构类型有关，而且与隧洞开挖尺寸的大小紧密相关，在同一类岩体结构中，隧洞尺寸越大，涉及的地质情况越复杂，节理裂隙等结构面就会越多，围岩稳定性越差。根据朱汉华等（2007）给出的围岩岩体结构与隧洞尺寸的关系图（图4.1）可知，岩体被两组正交结构面相互切割，依次对编号为1、2、3、4、5的隧洞进行开挖。对于编号为1的隧洞，由于洞径小，没有受到结构面的影响，围岩呈现完整结构；随着洞径范围的增大，编号为2～5的隧洞不同程度地受到结构面的影响，其中编号为5的隧洞最为严重，开挖完成后，其围岩呈现散体结构，需要施加支护才能保证围岩稳定。

层状岩体是存在一组优势结构面、具有横观各向同性特征的特殊岩体结构，优势结构面主要由层面或片里面组成，垂直于优势结构面方向上软硬层岩体交替出现，有别于其他结构的岩体。层状岩体在受到外力作用时，均可以将外力分解为垂直于结构面和平行于结构面的两个力：作用力垂直于优势结构面方向时，由于结构面的层间黏结力远小于岩石的抗拉强度，故无法传递拉应力，只能传递压应力；作用力平行于优势结构面方向时，层间存在的摩擦作用提供一定的抗剪强度，故可承受一定的剪应力，但若剪应力超过岩体抗剪强度时，层面就会出现剪切破坏现象。

图4.1 围岩岩体结构与隧洞尺寸的关系

1—整体结构；2—层状结构；3—块裂结构；4—碎裂结构；5—散体结构

3）围岩岩石力学性质。岩石力学性质主要通过岩石屈服极限值、屈服强度以及力学特性来衡量。岩石块体是岩体结构的重要组成部分，岩体受外力作用产生变形和破坏的程度取决于岩石块体和结构面的物理力学性质，岩石越坚硬完整、结构面结合程度越好的岩体抵抗变形和破坏的能力越强，反之亦然。因此，除了对结构面结合情况进行研究以外，对岩石块体的坚硬程度和完整性的研究也十分重要，一般用坚硬程度反映岩石块体抵御变形的能力，用完整性反映岩石块体的形状和大小。

4）地下水影响。地下水对岩体结构的作用主要存在以下几种形式：

a.楔劈作用：岩体不是绝对完整的，而是具有许多微小裂缝。岩体在地下水浸润过程中，水分子就会挤入微细裂缝中对岩体产生一定水压力，同时水对岩体具有一定的软化作用，降低岩石的各项强度指标，使裂缝宽度增加，体积增大。

b.润滑作用：水渗入岩体裂缝中后，会在岩体裂缝两壁面形成一层薄薄的水膜，当裂缝产生相对剪切滑动时，这层水膜会随着岩体滑动而滑动，起到润滑作用，降低摩擦阻力，提高岩体变形能力。

c.溶解作用：存在有结构面的岩体浸润到地下水时，如果结构面填充物是可溶盐或是溶于水的胶体矿物，则经过一段时间，可溶盐或是溶于水的胶体矿物就会被水解，岩块与岩块的黏结力降低，摩擦力减小，岩石强度也随之降低。

d.潜蚀作用：当岩体浸润于流动的地下水中时，岩体内部可溶于水的物质很容易被流动的地下水溶解并带走，降低了岩体的密实度，提高了岩体变形能力。

e.冻融作用：处于冻融交替状态的岩体，由于渗入到岩体内部的水由液态转变为固态（冰）时，体积会产生膨胀，膨胀力使得岩体裂隙不断增大，对岩体结构产生破坏，强度降低。

f.水、岩应力耦合作用：地下水在结构面中的渗透性与岩体的应力状态密切相关，二者相互影响。当岩体受到较大的应力作用时，结构面被压密，渗透性就降低；当岩体受到较小的应力作用时，结构面孔隙较大，渗透性较强。而渗透性又会影响岩体的应力状态，这是因为渗透性越大，对岩体的软化、侵蚀、溶解等作用就会越明显，越能弱化岩体强度，使应力在岩体中的作用程度降低，岩体稳定性越差。

5）风化作用。风化作用是岩体无法避免的破坏过程，主要通过破坏岩体完整性、降低岩石和结构面强度三个方面影响围岩稳定性。

（2）工程因素：包括隧洞断面形状、隧洞直径大小、洞室埋深以及高跨比等。

（3）施工因素：包括隧洞施工方法和工艺、支护时间和方式等，其中影响围岩稳定性的最主要因素是地质因素。而工程因素（包括隧道断面的形状、大小和隧道的埋深等）、施工因素（包括开挖的方法、炸药用量以及支护方式和时机等）以及时间因素虽然对围岩质量不起作用，但是却能影响围岩的稳定性，特别对围岩本身质量较差的工程影响更大。