地下工程围岩

地下工程围岩是作为地下开挖工程环境的岩体。

简介作为地下开挖工程环境的岩体。岩体在开挖地下洞室以前处于天然地应力的平衡状态，是稳定的。开挖地下洞室以后，天然应力状态受到扰动，应力重新分布，而在洞室周围一定范围内形成局部应力集中带。由于地下工程所处岩体的地质环境，岩石力学性质和应力集中程度的不同，可能在临空面处形成新的平衡而趋于稳定，也可能超过极限状态而趋于失稳。实际工程中，常采用工程类比的围岩分类法，或基于各种假定的解析或数值分析方法，判别围岩的稳定程度，而确定衬砌和支护的类型及其布置。

围岩的工程分类根据围岩的地质条件、结构面状况和岩石(体)力学性质指标对岩体进行分类。目前，国内外提出了多种分类系统，如N.K.巴顿(N.K.Barton)等人的NGI分类等。

围岩应力状态地下工程开挖后，天然地应力状态受到扰动，围岩应力重新分布，并发生应力集中现象。洞室孔口部位的法向应力下降，在洞室边界上为零。有的部位环向压应力增加，而有的部位则下降甚至还会出现拉应力。它们在洞室边界上变化最大，向岩体深部逐渐转化为天然应力状态。1

围岩应力集中程度围岩应力集中程度主要取决于岩体开挖前的天然地应力状态、地下洞室的几何形状及围岩的力学性状。

(1)地应力。岩体天然地应力状态十分复杂，地应力场是重力场和构造应力场的耦合。地应力不仅与深度有关，而且受地质环境和地形条件的影响，目前还不能通过理论分析进行计算，只能通过试验测定。在地下工程设计中，取洞轴线与最大主应力方向一致或小角度相交，围岩的应力集中就较缓和，因此根据地应力的最大主应力方向选择洞室走向十分重要。

(2)洞室形状。对于带有尖锐轮廓的洞室，局部应力集中十分严重，应该予以避免。当地下洞室的方向确定之后，应根据与洞轴线垂直平面上的地应力分量选择合理的断面形状。

(3)围岩的力学性状。地下工程所处岩体的地质背景、岩石力学性质和应力集中程度不同，围岩可能出现不同的力学性状。在均匀岩体中，围岩可能处于弹性状态，也可能进入塑性状态、黏弹塑性状态，甚至产生脆性破坏。在脆性破坏时，轻微的表现为岩石剥离，严重的出现喷射现象。在层状岩体及松散破碎岩体中，围岩可能失去平衡而沿岩体软弱结构面滑动或脱落，甚至发生坍方事故。2

围岩加固设计在地下洞室开挖及运行过程中，要防止围岩失稳，保持其长期稳定性，有时需要对围岩进行加固处理。加固方式有混凝土衬砌、钢板衬砌、锚喷及各种支护、灌浆等。早期的地下工程重视衬砌和支护建设，将岩体仅仅作为衬砌和支护承受的载荷源，并假定岩体为松散介质建立了山岩压力理论。近代地下工程设计理论认为围岩既是载荷源，又是一种承载结构，应充分发挥岩石本身的强度，只在岩体本身不能维持稳定时，才进行加固处理。衬砌和支护的设计中也考虑与岩体的联合作用。围岩应力与稳定分析主要依靠有限元、边界元、离散元及块体理论等数值分析方法，在特殊条件下也可以用解析法求解。

水工隧洞要承受内水压力作用，同时有平整度要求，多数情况下要采用混凝土衬砌，有的甚至要进行钢板衬砌。这时围岩的应力状态是开挖后的应力重分布与承受内水压力后的组合状态，围岩的变形性能决定了它分担内水压力的比例。设计中要考虑围岩与衬砌的共同作用。对于圆形隧洞，基于弹性理论中的厚壁圆筒公式，根据岩体与衬砌的变形连续条件，建立了围岩和衬砌的应力计算理论。对于任意形状的压力隧洞，基于弹性地基梁的地基反力系数假定，用结构力学或其他数值分析方法计算衬砌的内力。

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学