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水工隧洞围岩稳定性浅析摘要：水工隧洞周围的围岩受到开挖影响，引起洞室周围一定范围内的岩体应力重新分布，从而使岩体产生变形、位移，甚至破坏。因此，对水工洞室围岩的稳定性进行分析是十分必要的。关键字：岩体结构；引水隧洞；围岩应力；围岩变形、围岩稳定在水利、水电建设中经常遇到一些洞室工程问题，其中最常遇到的作为引水建筑物之一的是水工隧洞。水工隧洞是指水利工程中穿越山岩建成的封闭式过水通道，按过水时洞身流态区别，水工隧洞可分为无压隧洞及有压隧洞两大类。无压隧洞初砌所承受的荷载主要是山岩压力、外水压力。有压隧洞除了承受这些压力之外，特别重要的是承受内水压力。当围岩受到这种压力之后必然要引起一些力学现象和变形，以及一些稳定性的问题。洞室周围的岩土体通称围岩。狭义上，围岩常指洞室周围受到开挖影响，大体相当地下洞室宽度或平均直径3倍左右范围内的岩土体。由于初始地应力的存在，洞室开挖势必打破原来岩(土)体的自然平衡状态，引起洞室周围一定范围内的岩体应力重新分布，有的围岩的强度能够适应变化后的应力状态，可不采取任何人力措施，便能保持洞室稳定；但有时因围岩强度低，或其中应力状态的变化大，以致围岩不能适应变化后的应使岩体产生变形、位移，甚至破坏，若不加固或加固而未保证质量，都会引起破坏事故，对施工、运营造成危害。工程中将洞室开挖后周围发生应力重新分布的岩体称为围岩。因此，围岩的变形和稳定性是地下洞室能否在服务年限内正常使用的关键。一、围岩的应力未开挖的天然地下岩体在自重及地质构造运动后形成的初始应力场状态下维持相对稳定。当在岩体内开挖洞室后，洞室四周一定范围的围岩相对稳定性的应力场受到破坏，发生应力重分布。随具体围岩部位、产状等状况的不同，应力重分布的结果既可能仍归于稳定，也可能出现洞顶崩塌等失稳现象。对此，水工地下洞室设计时必须作出分析，并相应对工程措施作出抉择。导致围岩变形的根本原因是地应力的存在。洞室开挖前，岩体处于自然平衡状态，内部储存着大量的弹性能，洞室开挖后，这种自然平衡状态被打破，弹性能释放。洞室在开挖前，岩体一般处于天然应力平衡状态，称一次应力状态或初始应力状态(包括自重应力和构造应力)，是一个三向应力不等的空间应力场。由于影响天然应力的因素十分复杂，竖向应力与水平应力间的比例系数即使在同一地质环境里也有较大变化。实测结果，有些地区铅直应力大于水平应力；有的则水平应力大于铅直应力；也有的两者相近，特别是在地壳的相当深处，天然应力比值系数接近于1。洞室开挖后，便破坏了这种天然应力的平衡状态。洞室周边围岩失去原有支撑，就要向洞室空间松胀，结果又改变了围岩的相对平衡关系，形成新的应力状态。作用于洞室围岩上的外荷，一般不是建筑物的重量，而是岩土体所具有的天然应力。这种由于洞室的开挖，围岩中应力、应变调整而引起原有天然应力大小、方向和性质改变的过程和现象，称为围岩应力重分布。它直接影响围岩的稳定性。洞室内若有高压水流作用，对围岩便产生一种附加应力。它叠加到开挖、衬砌后围岩中的应力上，也是影响围岩稳定性的一种因素。二、围岩的变形重新分布的围岩应力在未达到或超过其强度以前，围岩以弹性变形为主。由于围岩应力重新分布，各点的应力状态发生变化，导致围岩产生新的弹性变形。这种弹性变形是不均匀的，从而导致洞室周边位移的不均匀性。一般认为，弹性变形速度快、量值小，是随着开挖过程几乎同时完成的。当应力超过围岩强度时，围岩出现塑性区域，甚至发生破坏，此时围岩变形将以塑性变形为主。塑性变形延续时间长、变形量大，是围岩变形的主要组成部分。如果围岩节理、裂隙十分明显或者围岩破坏严重时，节理、裂晾间的相互错位、滑动及裂隙张开或压缩变形将会占据主导地位，而岩块本身的变形成分退居次要地位。按照岩体结构力学的原理，由于岩体中大小结构面的存在，围岩的变形都会或多或少地存在结构面的变形。由于岩石的流变效应十分明显，围岩长期处于一种动态变化的高应力作用之中，流变也是围岩变形不可忽略的组成部分。固体介质在长期静载荷作用下，应力、应变随时间延长而变化的性质，称为流变性。蠕变和松弛则是流变性的两种宏观表现。蠕变是在一定温度和应力作用下的固体介质随时间而产生的缓慢、连续的变形；松弛是在一定温度和变形条件下的固体介质随时间而产生缓慢、连续的应力减小。工程实践证明，岩石具有流变性，某些岩石或受高温高压的岩石，蠕变现象更是多见。岩体同样也会发生蠕变。花岗岩一类岩石在低温、低应力下，蠕变量微小，可忽略不计；而粘土岩、泥质页岩和具有充填粘土和泥化结构面的岩体，蠕变量通常很大，必须重视，以便对岩体变形和稳定性作出正确论证。试验表明，岩体蠕变可以划为三个阶段。第一阶段称为减速(初始)蠕变阶段。第二阶段为围岩应力调整期的变形阶段，称为等速蠕变阶段，其变形缓慢平稳，变形速度保持常量。第三阶段称为加速蠕变阶段，它出现在应力值等于或超过岩体的蠕变极限应力条件下，其变形速度逐渐加快，最终导致岩体破坏。岩体的三个蠕变阶段，并不是在任何应力值下都可全部出现。应力值较小，岩体仅出现第一阶段或第一与第二阶段；应力值等于或超过岩体蠕变极限应力，岩体才可能蠕变至破坏。通常把蠕变破坏的最低应力值，称为长期强度。研究软弱岩体和岩体沿某些结构面滑动的稳定性问题，应特别注意其长期强度和蠕变特性。根据原位剪切流变试验资料，软弱岩体和泥化夹层的长期抗剪强度与短期抗剪强度的比值约为0.8左右，大体相当于快剪试验的屈服极限与强度极限的比值。根据变形与时间和变形与荷载的关系曲线，可以区分岩体的稳定变形和非稳定变形，把将会导致岩体全面破坏的变形与那种虽然延续但不会引起岩体全面破坏的变形区别开来。恒定荷载作用下，若变形与时间的变化率减小，或者为一很小的常数，则变形稳定。若变形与时间的变化率增大，则变形不稳定，并将导致岩体发生全面破坏。荷载不断增加的条件下，若变形与载荷的比率减小，或者为某一个常数，则变形稳定。若变形与荷载的变化率增加，则变形不稳定，并将导致岩体发生全面破坏。三、地层与岩性的影响地层与岩性条件的好坏对洞室的稳定性也有直接影响。对于坚硬岩石，如火成岩中的花岗岩、闪长岩、辉长岩、辉绿岩、灰岩、安山岩、玄武岩、流纹岩；变质岩中的片麻岩、石英岩、硅质大理岩等，这些岩石一般都是比较好的。但对某些软弱的火成岩及变质岩，如凝灰岩、片岩、千枚岩、泥质板岩等，洞室施工容易造成塌方、变形。沉积岩总的来说不如火成岩和变质岩，但其中坚硬的石灰岩、胶结良好的砂岩、砾岩等，一般也是比较好的。值得注意的是软弱沉积岩，如泥质、炭质页岩，泥灰岩，粘土岩，斑脱岩，石膏，盐岩，煤层以及胶结不良的砂砾岩等，这些岩石强度低，易风化或膨胀变形，对洞室稳定性极为不利。四、围岩应力的弹塑性理论分析试验研究表明，岩体的应力应变关系有明显的非线性，宜用弹塑性理论进行分析。此理论假设岩体为均匀、连续、各向同性的弹塑性体，当大小主应力差值小于极限值时岩体为弹性体，当大于极限值时岩体按塑性体考虑。极限值由围岩开始发生塑性破坏的应力圆包络线所确定，他满足岩石的塑性判别准则公式。（一）围岩应力分布当岩体被开挖出圆形洞室后，洞周产生应力集中，如果围岩仍处于弹性状态，则由前文可知，周界切向应力为极限值。如果超过弹性极限，洞室附近将出现塑性变形，形成塑性区而出现应力重分布。这时洞的周界上切应力的具体大小由岩体应力圆包络线图决定。此后，塑性区不断向围岩深部发展，直到应力等于所允许的最大极限值时塑性区停止发展，塑性区外仍保持弹性状态。塑性区外缘应力与弹性区边缘应力相容。根据上述分析，可列出塑性区平衡微分方程，按照塑性判别准则以及弹性区与塑性区相交边界上应力相等条件，解得塑性区范围的半径（二）围岩稳定性判别出现塑性变形区并不意味着围岩一定失稳，因为变形过程中，岩块有可能重新组合称支承拱，以承担荷载。故在得知塑性区范围及其中应力分布情况后，还应对围岩稳定性进行判断。假设围岩出现塑性区后沿半径为的塑性区弧线与弹性区分离，并在洞顶形成承载拱环。根据承载拱环中微元体在自重及、作用下平衡的微分方程，可求得环内径向正应力公式：由式可见，因为原本假定塑性区与弹性区是分离的。为判别洞顶稳定性，则可以切应力代入考查，则洞顶处于极限平衡状态。这里所论述围岩稳定性判别法得先按弹性理论分析围岩应力，再把所求得得应力超过弹性极限部分当作塑性区考虑。五、判别围岩稳定性的经验法关于地下洞室围岩稳定性的判别虽然有前述各种理论方法，但由于地质条件的复杂性，实际上各方法的准确应用仍很困难，工程上为此还经常依赖经验判别。下面介绍国内外两种经验判别法。（一）围岩分类法根据国内外经验，按照围岩工程地质特征和地下水状态所决定的围岩稳定程度，我国将水工地下洞室的围岩分为以下五类。（1）Ⅰ类为稳定围岩，包括呈整体结构或大块状结构的坚硬岩体以及层间结合良好，且层面与洞轴线正交的厚层层状岩体，岩性新鲜或微风化；地质构造影响轻微，节理裂隙不发育，其间距大于1m；没有或仅遇有软弱结构面，宽度小于0.1m；洞壁干燥或潮湿或仅有微弱渗水。这种洞室围岩无塌落块，能长期稳定，但埋深特大时可能有岩爆。（2）Ⅱ类为基本稳定围岩，又分为两小类。Ⅱ1类为块状结构的新鲜或微风化的坚硬岩体；受地质构造影响一般，节理裂隙较发育，其间距为0.5~1m；有少量宽度小于0.5m的小型断层软弱带；地下水活动微弱，沿裂隙渗水、滴水。Ⅱ2类为层面与洞轴夹角大于70°的中厚层状的硬岩层；受地质构造影响轻微，裂隙不发育，间距大于1m；地下水状态同Ⅱ1类。这类洞室围岩有超挖掉块现象或个别小型塌落，仍可在较长时间维持稳定。（3）Ⅲ类为稳定性差的围岩，又再分为三小类。Ⅲ1类为具有碎裂结构或镶嵌结构的微风化或弱风化的坚硬岩体；受地质构造影响严重，节理裂隙发育，间距0.2~0.5m，多张开并夹泥；结构面平直光滑并有泥充填，还有方形、梯形、尖拱形等不稳定组合；地下水活动显著，有大量滴水、线状流水或喷水，对软弱岩体稳定性影响严重。Ⅲ2类为块状结构或层状结构的微风化或弱风化的中硬岩；结构面及其组合状态同Ⅲ1类，层面及结构面与洞轴夹角一般大于70°；受地质构造影响一般，裂隙较发育间距0.5~1m，多微张或局部张开并有夹泥；地下水状态与Ⅲ1类同。Ⅲ3类为微风化的层状结构软岩；受地质构造影响轻微，裂隙不发育；地下水状态与Ⅲ1类同。Ⅲ1、Ⅲ2类围岩稳定受软弱结构面组合控制，表现为洞顶局部塌落，但一般仍具有自稳能力，短时间内可维持稳定；但Ⅲ3类软岩具有流变特征，对裂隙稍发育段自稳能力差。（4）Ⅳ类为不稳定围岩，又分为两小类。Ⅳ1类为具有碎裂结构或层状碎裂结构的弱风化或强风化的破碎硬岩或中硬岩体；受地质构造影响严重，节理裂隙发育，间距0.2~0.5m，多张开夹泥，并有断层和软弱结构面，软弱带宽2~4m；结构面多平直光滑，或起伏平滑，夹泥较厚，并常带有尖拱形、槽型、圆拱形不稳定组合，层面或结构面与洞轴夹角小于30°或甚至二者平行；地下水活动强烈，并有一定渗透压力和少量涌水，严重影响岩体强度和抗冲刷能力。Ⅳ2类为具有薄层状结构或层状碎裂结构的弱风化的软岩；受地质构造影响一般，裂隙较发育，间距0.5~1m，多张开有泥；常伴有软弱夹层，层面结合差；结构面及其组合状态、地下水状态与Ⅳ1类同。这类围岩稳定性受软弱结构面控制，常发生顶拱塌落，有偏压，且时间效应明显，自稳能力差，自稳时间短。（5）Ⅴ类为极不稳定围岩，呈散体结构：①强风化或全风化的石质围岩，受地质构造影响很严重，节理裂隙密集，有较厚泥质充填，多为含泥碎裂结构；②挤压强烈的大断层，宽度大于2~4m，裂隙杂乱密集；③非黏性的松散土层、砂卵石、碎石等。结构面及其组合杂乱，并多有黏土充填；地下水活动剧烈，渗透压力较大，岩体无抗冲刷能力。这类围岩稳定性受强度控制，开挖过程中经常边挖边塌。（二）岩体质量指标评估法岩体质量指标(RMQ)分类法简称M法，这种方法目前虽不太成熟，但它在分类的原则和依据上都很合理。该分类法是在大量地质工作的基础上，分析影响岩体质量的各种因素，并通过各种勘测试验手段，取得并综合这些因素的定量指标，提出岩体质量(RMQ)的概念。根据RMQ值大小，可以