围岩分类与围岩压力

第四章围岩分类及围岩压力

第一节隧道围岩的概念与工程性质

一、隧道围岩的概念

围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性

产生影响的那部分岩体（这里所指的岩体是土体与岩体的总称）。应该指出，这里所定义的围

岩并不具有尺寸大小的限制。它所包括的范围是相对的，视研究对象而定，从力学分析的角

度来看，围岩的边界应划在因开挖隧道而引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围

岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零，这个范围在横断面上约为6〜10倍的洞径.

当然，若从区域地质构造的观点来研究围岩，其范围要比上述数字大得多。

二、围岩的工程性质

围岩的工程性质，一般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。而对围岩稳定

性最有影响的则是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能。围岩既可以是岩体、也可以是

土体。本书仅涉及岩体的力学性质，有关土体的力学性质将在《土力学》中研究。

岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。它

被许许多多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为

大小不等，形状各异的各种块体。工程地质学中将这些地质界面称之为结构面或不连续面，

将这些块体称之为结构体，并将岩体看作是由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地

质体。所以，岩体的力学性质性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特征以及结构

面的特性。环境因素尤其是地下水和地温对岩体的力学性质影响也很大。在众多的因素中，

哪个起主导作用需视具体条件而定。

在软弱围岩中，节理和裂隙比较发育，岩体被切割得很破碎，结构面对岩体的变形和破

坏都不起什么作用，所以，岩体的特性与结构体岩石的特性并无本质区别。当然，在完整而

连续的岩体中也是如此。反之，在坚硬的块状岩体中，由于受软弱结构面切割，使块体之间

的联系减弱，此时，岩体的力学性质主要受结构面的性质及其在空间的位置所控制。

由此可见，岩体的力学性质必然是诸因素综合作用的结果，只不过有些岩体是岩石的力

学性质起控制作用：而有些岩体则是结构面的力学性质占主导地位。

岩体与岩石相比，两者有着很大的区别，和工程问题的尺度相比，岩石几乎可以被认为

是均质、连续和各向同性的介质。而岩体则具有明显的非均质性，不连续性和各向异性。关

于岩体的力学性质，包括变形破坏特性和强度，一般都需要在现场进行原位试验才能获得较

为真实的结果。但现场原位试验需要花费大量资金和时间，而且随着测点位置和加载方式不

同，试验结果的离散性也很大。因此。常常用取样在试验室内进行试验来代替。但室内试验

较难模拟岩体真正的力学作用条件。更重要的是对于较破碎和软弱不均质的岩体，不易取得

供试验用的试样。究竟采用何种试验方法，应视岩体的结构特征而定。一般来说，破裂岩体

以现场试验为主，较完整的岩体以做室内试验为宜。

(一)岩体的变形特性

岩体的抗拉变形能力很低。或者根本就没有，因此，岩体受拉后立即沿结构面发生断裂。

一般没有必要专门来研究岩体的受拉变形特性。

1.受压变形

岩体的受压变形特性，可以用它在受压时的应力-应变曲线，亦称本构关系来说明。我

们知道，岩石的应力-应变曲线线性关系比较明显，说明它是以弹性变形为主。软弱结构面

的应力-应变曲线呈现出非线性特征，说明了它是以塑性变形为主。而岩体的应力-应变曲线

则要复杂得多了，图4-1中分别绘出了典型的岩石、软弱结构面和岩体的单轴受压时的全应

力-应变曲线。

从图中可以看出：典型的岩体全应力-应变曲

线可以分解为四个阶段：

(1)压密阶段(0A)：主要是由于岩体中结构

面的闭合和充填物的压缩而产生的，形成了非线

性凹状曲线，变形模量小，总的压缩量取决了结

构面的性态。

(2)弹性阶段(AB)：岩体充分压密后便进入

弹性阶段。所出现的弹性变形是岩体的结构面和

结构体共同产生的，应力-应变关系呈直线型。

(3)塑性阶段(BC)：岩体继续受力、变形发

图4一1

展到弹性极限后便进入塑性阶段，此时岩体的变

形特性受结构面和结构体的变形特性共同制约。整体性好的岩体延性小、塑性变形不明显。

达到强度极限后迅速破坏。破裂岩体塑性变形大，甚至有的从压密阶段直接发展到塑性阶段,

而不经过弹性阶段。

(4)破裂和破坏阶段(CD)：应力达到峰值后，岩体即开始破裂和破坏。破坏开始时，应

力下降比较缓慢，说明破裂面上仍具有一定摩擦力，岩体还能承受•定的荷载。而后，应力

急剧下降，岩体全面崩溃。

从岩体的全应力-应变曲线的分析中可以看-出，岩体既不是简单的弹性体，也不是简单

的塑性体、而是较为复杂的弹塑性体。整体性好的岩体接近弹性体，破裂岩体和松散岩体则

偏向于塑性体。

2.剪切变形

岩体受剪时的剪切变形特性主要受结构面控制。根据结构体和结构面的具体性态，岩体

的剪切变形可能有三种方式：

(1)沿结构面滑动，所以，结构面的变形特性即为岩体的变形特性。

(2)结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂。所以，岩石的变形特性即起主导作用。

(3)在结构面影响下，沿岩石剪断。此时，岩体的变形特性介乎上述二者之间。

试验和实践还发现，无论岩体是受压或受剪切，它们所产生的变形都不是瞬时完成的，

而是随着时间的增长逐渐达到最终值的。岩体变形的这种时间效应，我们称之为岩体的流变

特性。严格来说，流变包括两方面：一种是指作用的应力不变，而应变随时间而增长，即所

图4-2

谓蠕变；另一种则是作用的应变不变，而应力随时间而衰减，即所谓松弛，如图4—2所示。

对于那些具有较强的流变性的岩体，在隧道工程的设计和施工中必须加以考虑。例如，

成渝复线上的金家岩隧道，埋深120m,围岩为泥岩，开挖后围岩基本上是稳定的，并及时进

行了初次支护。但初次支护250天后拱顶下沉达40.2cm,侵入建筑限界，只好挖掉重做。属

于这类的岩体大概有两类：一类是软弱的层状岩体，如薄层状岩体、含有大量软弱层的互层

或间层岩体；另一类是含有大量泥质物的，受软弱结构面切割的破裂岩体。整体状、块状、

坚硬的层状等类岩体，其流变性不明显，但是，在这些岩体中为数不多的软弱结构面，具有

相当强的流变性，有时将对岩体的变形和破坏起控制作用。

(-)岩体的强度

从上述可知，岩体和岩石的变形、破坏机理是很不相同的，前者主要受宏观的结构面所

控制，而后者则受岩石的微裂隙所制约。因而岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具有明

显的各向异性。例如、志留纪泥岩的单轴抗压试验结果将能很好地说明这个问题。当层面倾

角大于50°时，以层间剪切形式破坏；32。〜45°时，为轴向劈裂和层间剪切混合形式破坏;

小于32°时，为轴向劈裂形式破坏。由此可见，岩体的抗压强度不仅因层面倾角增大而减小,

同时其破坏形式也发生变化，如图4-3所示。只有当岩体中结构面的规模较小，结合力很

强时，岩体的强度才能与岩石的强度相接近。一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石的70〜

80%,结构面发育的岩体，仅有5〜10%。

和抗压强度一样，岩体的抗剪强度主要也是取决于岩体内结构面的性态。包括它的力学

性质、充填状况、产状、分布和规模等。同时还受剪切破坏方式所制约。当岩体沿结构面滑

(

M

N

)

/

四

5万

G

图4—3图4—4

移时，多属于塑性破坏。峰值剪切强度较低，其强度参数°（内摩擦角）一般变化于10°〜

45°之间；c（粘结力）变化于0〜0.3MPa之间，残余强度和峰值强度比较接近。沿岩石剪断

属脆性破坏。剪断的峰值剪切强度较上述的高得多，其S值约在30°〜60°之间，c值有高

达几十MPa的，残余强度与峰值强度之比随峰值强度的增大而减小，变化于0.3~0.8之间.

受结构面影响而沿岩石剪断，其强度介于上述两者之间。在T-。平面上画出岩体、岩石和

结构面的抗剪强度包络线就能看出这三者之间的关系（图4-4）„

第二节围岩的稳定性

一、研究围岩稳定性的意义

隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广。包括地层特征，地下水状况，开挖隧道前就存

在于地层中的原始地应力状态，以及地温梯度等。但对隧道工程来说，最关心的问题则是地

层被挖成隧道后的稳定程度。这是不言而喻的，因为地层稳定就意味着开挖隧道所引起的地

层向隧道内的变形很小，而且在较短的时间内就可基本停止，这对施工过程和支护结构都是

非常有利的。地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩的稳定性，这是一个反映地质环境

的综合指标。因此，研究隧道工程地质环境问题，归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题。

二、影响围岩稳定性的因素

影响围岩稳定性的因素很多，就其性质来说，基本上可以归纳分为两大类：第一类是属

于地质环境方面的自然因素，是客观存在的，它们决定了隧道围岩的质量；第二类则属于工

程活动的人为因素，如隧道的形状、尺寸、施工方法、支护措施等等。它们虽然不能决定围

岩质量的好坏，但却能给围岩的质量和稳定性带来不可忽视的影响。

由于下一节述及的围岩分类即是对围岩稳定程度的划分，在围岩分类中必定会考虑到这

两大类因素的影响，所以卜面不仅简要地说明各项因素对围岩稳定性的影响，还介绍各因素

在围岩分类中的作用和地位。

（-）地质因素。

围岩在开挖隧道时的稳定程度乃是岩体力学似性质的一种表现形式。因此，影响岩体力

学性质的各种因素在这里同样起作用，只是各自的重要性有所不同。

1.岩体结构特征

岩体的结构特征是长时间地质构造运动的产物，是控制岩体破坏形态的关键。从稳定性

分类的角度来看，岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示。在某种程

度上它反映了岩体受地质构造作用严重的程度。实践证明，围岩的破碎程度对坑道的稳定与

否起主导作用，在相同岩性的条件下，岩体愈破碎，坑道就愈容易失稳。因此，在近代围岩

分类法中，都已将岩体的破碎或完整状态作为分类的基本指标之-0

岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小，以及这些岩块的组合排列形态。

关于岩块的大小通常都是用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙间距等指标表示。所谓裂隙率

就是指沿裂隙法线方向单位长度内的裂隙数目，裂隙间距则是指沿裂隙法线方向上裂隙间的

距离。在分类中常将裂隙间距大于1.0~l.5m者视为整体的，而将小于0.2m视为碎块状的。

当然，这些数字都是相对的，仅适用于跨度在5〜15m范围内的地F工程。据此，可以按裂

隙间距将岩体分为：

围岩

I岩I体III土体1

整体状大块状块石状碎石块土石状松散状松软状

d>I.Omd=0.4-1.0md=0.2〜0.4d<0.2m

d为裂隙间距。这里所说的裂隙都是广义的，包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。

硅质、钙质胶结的，具有很高节理强度的裂隙不包括在内。

2.结构面性质和空间的组合

在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质，以及它们

在空间的组合状态。对于隧道来说，围岩中存在单一的软弱面，一般并不会影响坑道的稳定

性。只有当结构面与隧道轴线相互关系不利时，或者出现两组或两组以上的结构面时，才能

构成容易堕落的分离岩块。例如有两组平行但倾问相反的结构面和一组与之垂直或斜交的陡

倾结构面，就可能构成屋脊形分离岩块。至于分离岩块是否会塌落或滑动，还与结构血的抗

剪强度以及岩块之间的相互联锁作用有关。因此，在围岩分类中，可以从下述的五个方面来

研究结构面对隧道围岩稳定性影响的大小；

(1)结构面的成因及其发展史，例如，次生的破坏夹层比原生的软弱夹层的力学性质差

得多，如再发生次生泥化作用，则性质更差；

(2)结构面的平整、光滑程度；

(3)结构面的物质组成及其充填物质情况：

(4)结构面的规模与方向性；

(5)结构面的密度与组数。

3.岩石的力学性质

在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质，尤其是岩石的强

度。一般来说，岩石强度越高坑道越稳定。在围岩分类中所说的岩石强度指标，都是指岩石

的单轴饱和极限抗压强度。因为这种强度的试验方法简便，数据离散性小，而且与其它物理

力学指标有良好的换算关系。

此外，岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态，强度高的硬岩多表现为脆性破坏，在隧道

内可能发生岩爆现象。而在强度低的软岩中，则以塑性变形为主，流变现象较为明显。

4.围岩的初始应力场

围岩的初始应力场是隧道围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。所

以，在某些分类方法中曾有所反映，例加，泰沙基(KTerzaghi)分类法中，曾将同样是挤压变

形缓慢的岩层视其埋深不同分为两类，其预计的岩石荷载值相差一倍左右，这就是考虑初始

应力的结果。

在围岩分类中，如何根据地质构造特征引进围岩初始应力场的影响，仍是一个需要进一

步研究解决的问题。

5.地下水状况。

隧道施工的实践证明，地下水是造成施工坍方，使隧道围岩丧失稳定的最重要因素之一,

因此，在围岩分类中切不可忽视。当然，在岩性不同的岩体中，水的影响也是不相同的，归

纳起来有如下几种：

(1)使岩质软化，强度降低，对软岩尤其突出。对土体则可促使其液化或流动；

(2)在有软弱结构面的岩体中，会冲走充填物质或使夹层软化，减少层间摩阻力促使岩

块滑动；

(3)在某些岩体中，如含有生石膏、岩盐，或以蒙脱土为主的粘土岩，遇水后将产生膨

胀，其势能很大。在未胶结或弱胶结的砂岩中，水的存在可以产生流砂和潜蚀。

因此，在围岩分类中，对软岩、碎裂结构和散体结构岩体、有软弱结构面的层状岩体，

以及膨胀岩等，应着重考虑地下水的影响。

在目前的分类法中，对地下水的处理方法有三种：①在分类时不将水的影响直接考虑进

去，而是根据围岩受地下水影响的程度，适当降低围岩的等级；②分类时按有水情况考虑，

当确认围岩无水则可提高围岩的等级；③直接将地下水的状况(水质、水量、流通条件、静

水压等)作为一个分类的指标。前两种方法是定性的，后一种方法虽可定量，但对这些量值

的确定，在很大程度上还是要靠经验。例如在某些分类法中，先按岩性分类，而后再按地下

水涌出量分为：0~100L/min；101-1000L/min；>1000L/min三种,最后定出它们对围岩

稳定性的影晌系数，如表4-1所示。

表4一1地下水对围岩稳定性的影响系数

硬质岩石软质岩石

涌水

比较完整比较破碎比较完整比较破碎

0~100L/min1.00.91.00.9

101~1000L/min0.90.80.80.7

>1000L/min0.80.70.70.6

在有些分类中，除了考虑上述因素外，还补充了结构面状态和地下水压力的影响，将地

下水的作用进一步细分。

(二)工程活动所造成的人为因素

施工等人为因素也是造成围岩失稳的重要条件。其中尤其以坑道的尺寸(主要指跨度)

形状以及施工中所采用的开挖方法等影响较为显著。

1.坑道尺寸和形状

实践证明，在同-类围岩中，坑道跨度愈大，坑道围岩的稳定性就愈差，因为岩体的破

碎程度相对加大了。例如，裂隙间距在0.4〜1.0m左右的岩体，对中等跨度(5〜10m)的坑道

而言，可算是大块状的，但对大跨度(>15m)的坑道来说，只能算是碎块状的。因此，在近

代的围岩分类法中，有的就明确指出分类法的适用跨度范围。有的则采用相对裂隙间距，即

裂隙间距与坑道跨度的比值作为分类的指标。例如，相对裂隙间距为1/5的属完整的；1/5〜

1/20范围内的属破碎的；>1/20的属极度破碎的。但也有人反对这样做，认为将跨度引进

围岩分类法中会造成对岩体结构概念的混乱和误解。比较通用的做法，是将跨度的影响放在

确定围岩压力值和支护结构类型和尺寸时考虑，这样将分类的问题简化了。

坑道的形状主要影响开挖隧道后围岩的应力状态。圆形或椭圆形隧道围岩应力状态以压

应力为主，这对维持围岩的稳定性是有好处的。而矩形或梯形隧道，在顶板处的围岩中将出

现较大的拉应力，从而导致岩体张裂破坏。但是，在目前的各种分类法中都没有考虑这个因

素，可能是因为深埋隧道的断面形状绝大部分都接近圆形或椭圆形的缘故。

2.施工中所采用的开挖方法

从目前的施工技术水平来看,开挖方法对隧道围岩稳定性的影响较为明显，在分类中必

须予以考虑。例如，在同一类岩体中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用矿山法和

采用掘进机法，采用全断面一次开挖和采用小断面分部开挖，对隧道围岩的影响都各不相同。

所以，目前大多数围岩分类法都是建立在相应的施工方法的基础上的。

以上所述的工程活动所造成的人为因素，虽然对隧道围岩稳定性的影响很大，但为了简

化围岩分类问题一般都是以分类的适用条件来控制,而分类的本身则主要从地质因素考虑。

第三节围岩分类

一、概述

上面已叙及判断隧道围岩的稳定性，而针对围岩稳定的程度制定相应的工程措施——最

佳的施工方法和支护结构，乃是研究隧道地质环境需要解决的两个基本问题。对此，工程界

历来都并存着两种截然不同的方法可供采用：经验方法和理论方法。由于隧道工程所处地质

环境十分复杂，人们对它的认识远没有达到完善的地步，所以至今隧道工程的设计和施工仍

多采用经验类比法，此法的基础是围岩分类。因为，隧道工程所赋存的地质环境下差万别，

它给隧道工程所带来的问题也是各式各样的，人们不可能对每一种特定情况都有现成的经验

和行之有效的处理方法。根据长期的工程实践，工程师们认识到各种围岩的物理性质之间存

在着一定的内在联系和规律，因此，有必要根据一个或几个主要指标将无限的岩体序列划分

为具有不同稳定程度的有限个类别，即将稳定性相似的一些围岩划归为一类，将全部的围岩

划分为若干类，这就是隧道围岩稳定性分类，或简称为围岩分类。在围岩分类的基础上再依

照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构设计。可以说，围岩分类是选择施

工方法的依据，是进行科学管理及正确评价经济效益、确定结构上的荷载（松散荷载）、确

定衬砌结构的类型及其尺寸、制定劳动定额、材料消耗标准等的基础。

二、围岩分类的方法

围岩分类的原则有多种，它是在人们对隧道工程的不断实践和对围岩的地质条件逐渐加

深了解的基础上发展起来的。不同的国家，不同的行业都根据各自的工程持点提出了各自的

围岩分类原则。现行的许多围岩分类方法中，作为分类的基本要素大致有三大类：

第I类与岩性有关的要素。例如分为硬岩、软岩、膨胀性岩等，其分类指标是采用

岩石强度和变形性质等，如岩石的单轴抗压强度、岩石的变形模量或弹性波速度等。

第n类与地质构造有关的要素。如软弱结构面的分布与性态、风化程度等。其分类指

标采用岩石质量指标、地质因素评分法等等。这些指标实质上是对岩体完整性或结构状态的

评价。这类指标在划分围岩的类别中一般占有重要的地位。

第川类与地卜.水有关的要素。

目前国内外围岩的分类方法，考虑上述三大基本要素，按其性质主要有下列几种：

（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分类方法

1.以岩石强度为基础的分类方法

这种围岩分类单纯以岩石的强度为依据，例如我国解放前及解放初期（如修建成渝线时）

的土石分类法。即把岩石分为坚石、次坚石、松石及土四类。并设计出相应的四种隧道衬砌

结构类型。在国外，有日本初期采用的“国铁土石分类法”。

这种分类方法认为坑道开挖后，它的稳定性主要取决于岩石的强度，岩石愈坚硬，坑道

愈稳定，反之，岩石愈松软，坑道的稳定性就愈差。实践证明，这种认识是不全面的，例如

我国陕北的老黄土，无水时直立性很强，稳定性相当高，在无支护条件下能维持十几年、甚

至几十年之久，但其单轴抗压强度却很低。又如江西、福建一带的红砂岩，整体性好，坑道

开挖后的稳定性较好，但其强度却不高，因此单纯以岩石强度为基础的分类方法需要改进并

完善。

2.以岩石的物性指标为基础的分类方法

在这种分类方法中，具有代表性的是前苏联普洛托季雅柯诺夫教授提出的“岩石坚固性

系数”分类法（或称“/”值分类法，也叫普氏分类法）。它把围岩分成10类。这种分类法

曾在我国的隧道工程中得到广泛的应用。值是一个综合的物性指标值，它表示岩石在

采矿中各个方面的相对坚固性，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度……等。但以往人们确定“一”

值主要采用强度试验方法，即题羽=―—Re（R,——岩石饱和单轴极限抗压强度），再

兼顾其它指标，它仍是岩石强度指标的反映。

我国把“了”值应用到隧道工程的设计、施工时，考虑了地质条件的影响，即考虑围岩

的节理、裂隙、风化等条件,实质上是把由强度决定的“值适当降低，即：f岩体=k.f岩石（k

——地质条件折减系数）。这样的“/”值就是岩体坚固性系数。

（-）以岩体构造、岩性特征为代表的分类方法

1.这种分类法以泰沙基分类法为代表

此法是在早期提出的，限于当时的条件仅把不同岩性、不同构造条件的围岩分成九类，

每类都有一个相应的地压范围值和支护措施。在考虑问题时是以坑道有水的条件为基础的，

当确认无水时，4〜7类围岩的地压值应降低50%。这•分类方法曾长期被各国所采用，至

今仍有广泛的影响。

2.以岩体综合物性为指标的分类方法

60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础

的“岩体综合分类法”，并于1975年经修正后正式作为铁路隧道围岩分类方法，1986年再作

修订后列入我国现行的《铁路隧道设计规范》。

（三）与地质勘探手段相联系的分类方法

1.按弹性波（纵波）速度的分类方法

随着工程地质勘探方法，尤其是物探方法的进展。1970年前后，日本提出了按围岩弹性

波速度进行分类的方法。围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可反映岩

石软硬，又可表明岩体结构的破碎程度。根据岩性、地质状况及土压状态，将围岩分成七类。

我国从1986年起也开始将围岩弹性波（纵波）速度引入我国分类法中。

2.以岩石质量为指标的分类方法——RQD方法

所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯的复原率，或称岩芯采取率，这是美国伊利诺大学迪

尔等人提出的，认为钻探获得的岩芯其完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均质性等状态有

关，因此可用岩芯复原率来表达岩体质量。所谓岩芯复原率即单位长度的钻孔中10cm以h

的岩芯占有的比例，可写为

10cm以上岩芯累计长度

RQD(%)=(4-1)

单位钻孔长度

这个分类方法将围岩分成五类，认为：>90%为优质，75%<RQOV90%为

良好，50%VR。。<75%为好，25%VRQD<50%为差，及<25%为很差。

（四）组合多种因素的分类方法

比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿等人提出的“岩体质量——Q”的分类方法。

这个分类方法是把表明岩体质量的六个地质参数之间的关系表达为

丝£土色（4-2）

JhhSRF

式中RQO一岩石质量指标；

Jh——节理组数目，岩体愈破碎，右取值愈大，例如，整体没有或很少有节理的岩体,

（=0.5〜1.0；两个节理组时乙=4；破碎岩体，类似土的乙,=20等等；

Jr——节理粗糙度，节理愈光滑，取值愈小，例如，不连续节理=4；平整光滑

的（=0.5等等；

Ja——节理蚀变值，蚀变愈严重，■/“取值愈大。例I如，节理面紧密结合，夹有坚硬不

软化的充填物时，（=0.75,节理中夹有膨胀性粘土，如蒙脱土时，Ja=8~

12等等；

J,——节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，儿,取值愈小，例如，干燥或

微量渗水，水压<0.1Mpa,=而渗水量特别大，或水压特别高，持续无

明显衰减的J,,.=0.1-0.05等等；

SRF——应力折减系数，围岩初始应力愈高，SRF取值愈大。例如：脆性而坚硬的岩石,

有严重岩爆现象时，SRk=10〜20；坚硬岩石有单一剪切带的，SRF=2.5。

关于以上六个参数的详细说明和取值标准可参阅有关专著。

通过进一步的分析发现，（理）表示岩块的大小，（心）表示岩块间的抗剪强度，

L,Ja

（工）表示作用应力。所以岩体质量值实质上是岩块尺寸、抗剪强度和作用力的复合指

SRF

标。根据不同的。值，将岩体质量评为九等，即：。=400〜1000为特别好；。=100〜400

为极好；。=40〜100为良好；。=10〜40为好；。=4〜10为中等；。=1〜4为不良；。

=0.1〜1为坏；Q=0.01〜0.1为极坏；Q=0.001〜0.01为特别坏。

综上所述，围岩分类是多种多样的，至今还没有一个统一的分类方法，但从发展趋势看,

围岩的分类方法应沿以下几个方面发展：

（1）分类应主要以岩体为对象。单一的岩石只是分类中的一个要素，岩体则包括岩块和

各岩块之间的软弱结构面，因此分类的重点应放在岩体的研究上。

（2）分类宜与地质勘探手段有机地联系起来。这样才有一个方便而又较可靠的判断手段,

随着地质勘探技术的发展，这将使分类指标更趋定量化。

（3）分类要有明确的工程对象和工程目的。目前多数的分类方法都与坑道支护相联系。

坑道围岩的稳定性，坑道开挖后暂时稳定时间等与支护方法和类型密切相关。因而进行分类

时以此来体现工程目的是不可缺少的。

（4）分类宜逐渐定量化。目前大多数的分类指标是经验或定性的，只有少数分类是半定

量的，这是由于客观条件的地质体非常复杂的缘故。近几年来国内外对围岩分类定量化的研

究取得了一定的进展，已提出了一些定量评价围岩分类的指标值。

近年来国内外有关学者提出了采用模糊数学分类、根据坑道周边量测的收敛值分类、采

用人工智能——专家系统分类等等的建议，这些设想都将使围岩分类方法II趋完善。

三、我国公路与铁路隧道的围岩分类方法

在我国1986年修订的《铁路隧道设计规范》中，明确规定了目前铁路隧道围岩分类所

采用的两种方法，即：以围岩稳定性为基础的分类方法和按弹性波（纵波）速度的分类方法。

交通部于1992年制订的《公路隧道设计规范》中，围岩分类采用了与铁路隧道完全相同的

分类方法。

（-）以围岩稳定性为基础的分类方法

这种分类方法主要考虑如下三个基本因素：

1.岩体的结构特征与完整状态

对于受软弱面控制的岩体，按软弱面的产状、贯通性、充填情况分为：整体结构、块状

结构、碎裂（镶嵌）结构、疏松结构、松软结构等五类；由于围岩的完整性与其所受的构造

变动程度直接相关，所以，将围岩分为构造变动轻微、较重、严重、很严重等四级，作为岩

体受地质构造作用影响程度的定性描述，详细说明见表4-2；同时，还采用了节理（裂隙）发

育程度，作为围岩完整性的定量指标。根据节理（裂隙）发育程度的不同，将围岩分为：节理

不发育、节理较发育、节理发育、节理很发育等四级，见表4-3；风化作用使岩体结构发生

变化时，应结合因风化作用造成的各种状态，综合考虑确定围岩的结构完整状态；对于层状

岩体，以厚度大于0.5m者为厚层，0.1〜0.5m之间的为中层，小于0.Im的为薄层。

2.岩石强度

将岩浆岩、沉积岩、变质岩按岩性、物理力学参数、耐风化能力和作为建筑材料的要求

划分为：硬质岩石和软质岩石二级，又根据单轴饱和极限抗压强度此与工程的关系（例如，

与开挖工作的关系）分为四种，其标准及代表性岩石见表4-4。当风化作用使岩石成分改变，

温度降低时，应按风化后的强度确定岩石的等级。

_________表4-2围岩受地质构造影响程度等级划分_________________________

等级|地质构造作川特征

轻微围岩地质构造变动小，无断裂（层）：层状岩体斜构造；节理不发育

围岩地质构造变动较大，位于断裂（层）或褶曲轴的邻近地段；可有小断层，节理较发

较重

育

围岩地质构造变动较强烈，位于褶曲轴部或断裂影响带内；软岩多见扭曲及拖拉现象；

严重

节理发育

很严重位于断裂（层）破碎带内；节理很发育；岩体呈碎石、角砾状有的甚至呈粉末泥土状

表4-3围岩节理（裂隙）发育程度划分

等级地质构造作用特征

节理（裂隙）1〜2组，规则，为原生型或构造型，多数的间距在1.0m以上，为密

节理不发育

闭型。岩体被切割成块状

节理（裂隙）2〜3组，呈x型，较规则，以构造型为主，多数的间距大于0.4m,

节理较发育

多为密闭。部分微张开，少有填充物。岩体被切割成大块状

节理（裂隙）3组以上，不规则，呈x型或米字形，以构造型或风化型为主，多数

节理发育间距小于0.4m,大部分微张开，部分张开，大部分为粘性土充填。岩体被切割成块、

碎石状

节理（裂隙）3组以上，杂乱，以风化型和构造型为主，多数间距小于0.2m,微张

节理很发育

开或张开，部分为粘上充填。岩体被切割成碎石状

表4一4岩石强度划分

单轴饱和极限抗压强度

岩石类别代表性岩石

Rh（MPa）

1.花岗岩，闪长岩，玄武岩等

60以上

极硬岩2.硅质，钙质胶结的砾岩及砂岩，石灰

硬质岩石石，N石等

硬质岩30以上~603.片麻岩，石英岩，大理岩，板岩，片

岩等

1.凝灰岩等。

软质岩5以上~30

2.泥砾岩，泥质砂岩,泥质页岩,灰质页

软质岩石

岩,泥灰岩，泥岩，煤等

极软岩5以下3.云母片岩或千枚岩等

3.地下水

在隧道围岩分类中，对地下水的处理采用降级的方法。在整体状的硬质岩石中，•般的

地下水对它的稳定性影响不大，可不考虑降级；在块状硬质岩石和整体状软质岩石中，而根

据地下水的类型、水量和危害程度调整围岩类别，当地下水影响围岩稳定，产生局部坍塌，

或软化软弱结构面时，可酌情降低1级；在碎石状松散结构的岩体中，当裂隙中夹有泥质充

填物时，地下水对稳定性的影响很大，可根据地下水类型、水量、渗水条件、动水和静水压

力等条件，判断它对围岩稳定的影响程度，可酌情降低1~2级；在强烈的断裂带内，或软

塑状粘性土和潮湿的粉细砂中，分类已经考虑了般的含水状态，可不再降级。若遇特殊含

水地层，如已达饱和状态或具有较大承压水流时，需另作处理。

4.弹性波传播速度

铁路隧道围岩分类中还指出，如有弹性波（纵波）传播速度的测试资料•，亦可作为判断围

岩类别的根据。弹性波纵波速度Vp与围岩类别的关系见表4-50

表4一5弹性波（纵波）速度分类

围岩类别VIVIVUI11I

弹性波（纵波）速度vp,km/sec>4.53.5-4.52.4~4.01.5〜3.01.0~2.0<1.0

*饱和土壤；vp(1.5km/sec)

（三）公路与铁路隧道围岩的分类表

根据以上对分类因素和指标的分析，本分类中将隧道围岩共分为六类，并给出了各类围

岩的主要工程地质特征、结构特征和完整性等的指标。并预测了隧道开挖后，可能出现塌方、

滑动、膨胀、挤出、岩爆、突然涌水及瓦斯突出等失稳的部位和地段，给出了相应的工程措

施的意见。具体分类表见表4-6。

表4-6铁路与公路隧道围岩分类

类别围岩主要工程地质条伸围岩开挖后

（级别）主要工程地质特征结构特征和完整状态的稳定状态

硬质岩石（饱和抗压极限强度R>60MPa）,受地质构造

VIb围岩稳定，无坍塌，

影响轻微，节理不发育，无软弱面（或夹层）；层状岩呈巨块状整体结构

(1)可能产生岩爆

层为厚层，层间结合良好

硬质岩石（R}>30MPa）,受地质构造影响较重，节理较

发育，有少量软弱面（或夹层）和贯通微张节理，但其暴露时间长，可能

产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或厚呈大块状砌体结构会出现局部小坍

V

层，层间结合•般，很少有分离现象；或为硬质岩石偶塌，侧壁稳定，层

(II)

夹软质岩石间结合差的平缓岩

软质岩石（R）^BOMPa）,受地质构造影响轻微，节理

呈巨块状整体结构层，顶板易塌落

不发育，层状岩层为厚层，层间结合良好

硬质岩石（曷,>30MPa）,受地质构造影响严重，节理发

呈块（石）碎（石）状

育，有层状软弱面（或夹层），但其产状及组合关系尚拱部无支护时可产

不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差，镶嵌结构

IV生小坍塌，侧壁基

多有分离现象；或为硬、软质岩石夹层

(III)本稳定，爆破震动

软质岩石（R=5以上~30Mpa）,受地质构造影响较重,

h过大易坍塌

节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合呈大块状砌体结构

一般

硬质岩石（R/,〉30MPa）受地质构造影响很严重，节理很

呈碎石状压碎结构

发育，层状软弱面（或夹层）已基本被破坏

拱部无支护时可产

III软质岩石（R%=5以上〜30MPa）,受地质构造影响严重,呈块（石）碎（石）状

镶嵌结构生较大的坍塌，侧

(IV)节理发育

壁有时失去稳定

土：1.略具压密或成岩作用的黏土及砂类土1、2呈大块状压密结

2.黄土（Qi，Q2）构：3呈巨块状整体结

3.一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土构

石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹呈角（砾）碎（石）状围岩易坍塌，处理

11土或土夹石状松散结构不当会出现大坍

塌，侧壁经常小坍

(V)非粘性土呈松散结构；

一般第四系的半干硬〜硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的塌，浅埋时易出现

粘性上及黄土呈松软

一般碎、卵石土、圆砾、角砾土及黄土（Q.Q）地表下沉（陷）或

4结构

坍塌至地表

石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥

呈松软结构围岩极易坍塌变

松软体状

I形，有水时土砂常

粘性土呈易蠕动的

与水一齐涌出，浅

(VI)软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等松软结构，砂性土呈

埋时易坍塌至地表

潮湿松散结构

注：1999年颁布的《铁路隧道设计规范》在原来围岩分类方法的基础上，改为以围岩级别代表围岩类

别，从1级到VI级表示围岩的稳定性从好到差，故括号内的围岩级别是针对铁路隧道而言，而公路

隧道仍采用围岩类别。

在隧道施工过程中，根据对隧道围岩的直接观察、量测和试验结果，可进一步核定岩层

构造、岩性及地下水等情况，从而可以判断围岩的稳定程度。当发现设计文件与实际情况不

相符合时，应及时修改围岩类别，并变更支护设计。

应当指出。我国铁路与公路隧道围岩分类方法与全国的围岩分类方法并不统一。今后应

当研究全国统一的隧道围岩分类办法，以便各部门间的彼此交流。

第四节围岩压力

一、岩体初始应力状态

岩体初始应力状态，是指隧道开挖前未扰动的岩体应力状态。任何物体受着地心引力的

作用都处于自重力作用状态。对于地壳岩体来说，它还经历了长期的地质构造运动，岩体处

于更为复杂的受力状态，这种受力状态我们称之为岩体的初始应力（也称原始应力、地应力

或一次应力）。

瑞士地质学家海姆通过对大型越岭隧道围岩的工作状态观察，首先提出地应力的概念。

1905年至1912年.海姆假定岩体中有一个垂直应力和水平应力，并认为垂直应力与上覆岩层

重量有关，水平应力与垂宜应力相等。

1915年瑞典人哈斯特首先在斯堪的纳维亚半岛开创了地应力的量测工作，通过量测与理

论分析证明，地应力是个非稳定的应力场，它是时间与空间的函数。但对人类工程活动所涉

及的那一部分地壳岩体，在工程活动期限内除少数构造活动带外，时间上的变化可不予考虑。

地应力着重考虑重力和构造应力，但由于地下工程所处范围内情况十分复杂，对构造应

力目前尚难完全搞清楚，因此目前主要研究岩体重

力所形成的应力场。对于需要确切了解包含有构造U1/HIIII/I1///IIIfII/f//flf/

应力的地应力，一般宜通过实地量测加以确定。

对于自重形成的应力场，是建立在假定岩体是01q

03

均匀连续介质这一基础上的，可运用连续介质理论

进行分析。

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

设岩体为半无限体，地血为水平，距地表深

度〃处取一个单元体，其上作用有应力,、。2、/

03

01

图4-5

%，如图4-5所示。该单元体处于受力的平衡状态，变形运动相对为静止状态、在上覆岩体

自重作用下，其垂直应力?为：

5=yh（4-3）

式中/——岩体容重；

h——单元体所处的深度。

若岩体由多种不同的水平岩层所组成，每一岩层的厚度为4,容重为九，则岩体的垂直

应力为

%=工九%（4-4）

,=1

式中n——水平岩层的层数。

由于单元体的侧向变形受到周围地层的限制，从而产生了侧向应力%和。3,其数值山

上覆岩体的自重和地层的物理力学性质所决定。如把岩体看作各向同性的弹性体，则

=Xb]=A/Il

或O~2=/=（4-5）

r=l

式中2一一侧压力系数。

根据例向变形（三，与）为零的条件，由物理方程有

则CT,=----CF](4-6)

1一〃

式中〃——岩体的泊松比。

显然.当垂直应力已知时，侧向应力的大小，决定于岩体的泊松比。大多数岩体的泊松

比变化在0.15-0.35的范围内.则计算所得的几值在0.18~0.54之间、因此在自重应力场

中，通常侧向应力小于垂直应力。

深度对初始应力状态有着重大的影响，随着深度的增加，历和a2（5。也在增大，但岩

体本身的强度是有限的，当6和?增加到一定值后，其物性值（E和〃）及几值开始发生变

化，并随着深度的增加几值将趋于1,此时与静水压力相似，岩体接近流动状态。

由此可见，岩体自重应力场中的垂直应力和侧向应力随深度而变化，岩体的应力状态可

能是处于弹性、隐塑性或流动状态。根据量测资料分析，在通常隧道的埋深情况下，岩体可

近似认为处于弹性状态。

二、围岩压力及其分类

（-）围岩压力

围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力

引起的围岩应力及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。因此，从广义来理解，围岩

压力既包括围岩有支护的情况，也包括围岩无支护的情况；既包括作用在普通的传统支护如

架设的支撑或施作的衬砌上所显示的力学性态，也包括在锚喷和压力灌浆等现代支护的方法

中所显示的力学性态。从狭义来理解.围岩压力是围岩作用在支护结构上的压力。在工程中

一般研究狭义围岩压力。

(二)围岩压力分类

围岩压力按作用力发生的形态分类，一般可分为如下几种类型。

1.松动压力

由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称松动(散)压

力，松动压力按作用在支护上的位置不同分为竖向压力、侧向压力和底压力。松动压力通常

在下列三种情况下发生：

(1)在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；

(2)在松散软弱的岩体中，坑道项部和两侧边帮冒落；

(3)在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。

2.形变压力

它是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形

过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。所以形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支

护时间和支护刚度有关。

3.膨胀压力

当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压

力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。

4.冲击压力

它通常是由“岩爆”引起的。当围岩中积累了大量的弹性变形能之后，在开挖时，隧道

由于围岩的约束被解除，被积累的弹性变形能会突然释放，引起岩块抛射所产生的压力。

由于冲击压力是岩体能量的积累和释放问题，所以它与弹性摸量直接相关，弹性摸量

大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，它就会

突然猛烈地大量释放。

三、影响围岩压力的因素

影响围岩压力的因素很多.通常可分为两大类。一类是地质因素，它包括原始应力状态、

岩石力学性质、岩体结构面等；另一类是工程因素，它包括施工方法、支护设置时间、支护

本身刚度、坑道形状等。

在隧道开挖过程中，由于受到开挖面的约束，使其附近的围岩不能立即释放全部瞬时弹

性位移，这种现象称为开挖面的“空间效应”。如在“空间效应”范围(一般为1~1.5倍洞

跨)内，设置支护就可减少支护前的围岩位移值。所以采用紧跟开挖面支护的施工方法.可

提高围岩的稳定性。

四、围岩松动压力的形成和确定方法

(-)围岩松动压力的形成

开挖隧道所引起的围岩松动和破坏范围有大有小，如有的可达地表，有的

则影响较小。对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅涉及隧道周围一定深度。所以

作用在支护结构上的围岩松动压力远远小于其上覆地层自重所造成的压力。这可以用围岩的

“成拱作用”来解释，以水平岩层中开挖一个矩形坑道，来说明坑道开挖后围岩由变形

到坍塌成拱的整个变形过程，如