6.3.2.1　围岩的变形破坏

硐室开挖后，在重分布应力的作用下，围岩发生弹性变形或塑性变形。当围岩应力已经超过岩体的极限强度时，围岩将立即发生破坏。当围岩应力小于岩体的蠕变临界应力时，围岩将于瞬时的弹性变形后立即稳定下来。当围岩应力的量级介于岩体的长期强度及蠕变临界应力之间时，围岩除发生瞬时的弹性变形外，还要经过一段时间的蠕动变形才能达到最终的稳定。当围岩应力的量级介于岩体的长期强度和极限强度之间时，围岩需经瞬时的弹性变形及较长时期蠕动变形的发展方能达到最终的破坏。因此，可根据围岩变形历时曲线变化的特点预报变形。

围岩变形破坏的形式与特点，除与岩体初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩的岩石属性和岩体结构，不同岩石属性和岩体结构所发生的变形破坏形式不同，如表6-13所示。

表6-13　围岩的变形破坏形式

围岩变形破坏由外向内逐步发展的结果，常可在硐室周围形成松动圈，围岩内的应力状态也将因松动圈内的应力被释放而重新调整，形成一定的应力分带。

围岩表部低应力区的形成往往又会促使岩体内部的水分由高应力区向围岩的表部转移，这不仅能进一步恶化围岩的稳定条件，而且能使某些易于吸水膨胀的表部围岩发生强烈的膨胀变形。

围岩破坏区范围的确定应针对岩体的不同力学属性采用不同的确定方法。对于整体状、块状等具有弹性或弹塑性力学属性的岩体，通常可用弹性力学或弹塑性力学方法确定其围岩破坏区厚度；而对于松散岩体则常用松散介质极限平衡理论方法来确定。

6.3.2.2　围岩压力

由于硐室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力。围岩压力是围岩与支护结构间的相互作用力，是围岩作用于支护衬砌上的外力。因此，如果围岩足够坚固，能够承受围岩应力的作用，就不需要设置支护衬砌，也就不存在围岩压力问题。只有当围岩适应不了围岩应力作用，而产生过量塑性变形或塌方、滑移等破坏时，才需要设置支护衬砌以维护围岩稳定，保证硐室安全和正常使用，因而就形成了围岩压力。围岩压力是支护衬砌设计及施工的重要依据。

按围岩压力形成机理，可将其划分为形变围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力3种类型。

（1）形变围岩压力。形变围岩压力是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。产生形变围岩压力的条件有：①岩体较软弱或破碎，这时围岩应力很容易超过岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形；②深埋硐室，由于围岩受压力过大易引起塑性流动变形。

为了防止围岩塑性变形的过度发展，通常需对围岩设置支护衬砌。当支衬结构与围岩共同工作时，支护力与作用于支衬结构上的围岩压力是一对作用力与反作用力，其大小可以由式（6-46）和式（6-47）计算，结果如下式：

式中：R1——围岩塑性圈半径。

可以看出R1愈大，维持极限平衡所需的pi愈小。因此，在围岩不至失稳的情况下，适当扩大塑性区，有助于减小围岩压力。

（2）松动围岩压力。松动围岩压力是指松动塌落岩体重量所引起的作用在支护衬砌上的压力。是有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力，其大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。对于松散结构的围岩，常用平衡拱理论来计算松动围岩压力，对于块体结构岩体则常用块体极限平衡理论来计算。

1）平衡拱理论。对于松散介质的围岩，其破坏范围可以用平衡拱理论进行分析。该理论由苏联的M·M·普罗托耶科诺夫提出，又称为普氏理论。平衡拱理论认为，在松散结构的围岩中开挖硐室，如不及时支护，硐顶岩体将不断跨落而形成一个拱形，又称塌落拱。最初这个拱形是不稳定的，如果硐侧壁稳定，则拱高随塌落不断增高；如侧壁也不稳定，则拱跨和拱高同时增大。当硐的埋深较大（埋深H＞5b1，b1为拱跨）时，塌落拱不会无限发展，最终将在围岩中形成一个自然平衡拱。因此，其破坏区域就是该拱之下的围岩范围。

在图6-49所示的坐标系内，通过对平衡拱的受力分析，可以得到平衡拱曲线方程为：

图6-49　平衡拱及受力分析示意图

求得了平衡拱曲线方程后，硐侧壁稳定时硐顶的松动围岩压力即为图6-49中L0M以下岩体的重量，即：

式中：ρ——岩体的密度（kN/m3）；其他符号意义同前。

2）块体极限平衡理论。在整体状或块状结构岩体中，常被各种结构面切割成不同形状和大小的结构体。地下硐室开挖后，由于硐周临空，围岩中的某些块体在自重作用下向硐内滑移。作用在支护衬砌上的压力就是这些滑体的重量或其分量，可采用块体极限平衡法进行分析计算。

采用块体极限平衡理论计算松动围岩压力时，首先应从地质构造分析着手，找出结构面的组合形式及其与硐轴线的关系，进而得出围岩中可能不稳定楔形体的位置和形状，并对不稳定体塌落或滑移的运动学特征进行分析，确定其滑动方向、可能滑动面的位置、产状和力学强度参数，然后对楔形体进行稳定性校核。校核后，如果楔形体处于稳定状态，那么其围岩压力为零；如果不稳定，那么就要具体地计算其围岩压力。下面以图6-50为例来说明侧壁围岩压力的计算方法。(www.daowen.com)

侧壁存在不稳定楔形体DEFH。它所形成的侧壁围岩压力ph等于楔形体的重量在滑动方向上的分力减去滑动面的摩阻力后在水平方向上的分力。由图可知，楔形体在自重G2的作用下，在滑面FH上的滑动力为G2sinα，抗滑力为G2cosαtanφj+cjlFH。

根据极限平衡理论，楔形体的稳定条件为：

若楔形体不稳定，即式（6-55）不满足，则该楔形体产生的侧向围岩压力ph（kN）为：

式中：cj，φj——分别为滑面FH的黏聚力（MPa）和内摩擦角（°）；

图6-50　楔形体平衡分析及围岩压力计算图

α——滑面FH的倾角（°）；

lFH——滑面FH的长度（m）。

（3）冲击围岩压力。冲击围岩压力是由岩爆形成的一种特殊围岩压力。它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突然发生岩爆而引起的。冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学属性等密切相关，并受到硐室埋深、施工方法及硐形等因素的影响。冲击围岩压力的大小目前无法进行准确计算，只能对冲击围岩压力的产生条件及其产生可能性进行定性的评价预测。

岩爆是地下工程中与地壳岩体内动力作用有关的地质灾害，它不仅与岩体的天然应力状态密切相关，而且与岩体的力学属性有关。岩爆的发生还受到地质构造、硐室埋深、形状、施工方法及爆破震动等因素的影响。可根据岩爆显现的各种物理力学现象对岩爆进行预测预报，采取相应的消除和控制措施，以减少其灾害损失。根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487—2008），岩体同时具备高地应力、岩质硬脆、完整性好—较好、无地下水的硐段，可初步判别为易产生岩爆，并按表6-14对岩爆进行判别和分级。

表6-14　岩爆分级与判别

注：表中Rb为岩石饱和单轴抗压强度（MPa），σm为最大主应力（MPa）。