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第7章 地下洞室工程问题

【教学基本要求】
1、 了解地下洞室的类型及洞室位置选择的原则。
2、 认识地下洞室变形和破坏的类型和机理。
3、 了解地下洞室围岩分类方法、围岩压力的概念和计算方法。
4、 了解保护地下洞室围岩稳定的工程措施和主要施工方法。
【学习重点】
1、 地下洞室围岩应力、变形与破坏类型。
2、 保护围岩稳定的工程措施及意义。
【内容提要和学习指导】
7.1 概述
地下洞室泛指于在地表以下岩土体中修建的各种形式和用途的建筑。地下洞室是岩土工程中的重要组成部分，广泛应用于工业与民用建筑、交通、采矿、水利水电、国防等部门，如作为地下工厂、交通隧道矿山巷道、水电站地下厂房、地下商场、储备仓库、地下防空洞等等。
地下洞室的共同特点是：都建设在地下岩土体内，具有一定断面形状和尺寸，并有较大延伸长度。地下洞室的断面形状一般有曲线型、折线型和两者的组合型。地下洞室断面形状的选择，应考虑洞室的用途和服务年限、洞室的围岩性质、岩土体地应力的分布特征；洞室的支护或衬砌方式和材料等因素综合确定。一般地来讲，曲线型洞室（圆形、椭圆形和马蹄形等）的稳定性较好，对周围岩土体的稳定有利。折线型洞室（矩形、方形和梯形等）的断面利用率高、施工方便、开挖工艺简单。洞室的尺寸主要取决于洞室的用途，一般性隧道高(或宽)在3 m—5 m，有些可达20 m以上，而地下厂房的断面则要大得多，一般高度可达60 m—70 m，宽度在20 m—35 m之间。洞室可分为过水的和不过水的(如交通隧洞)两大类。前者又有无压与有压之分，后者均属无压的。有压洞室与无压洞室不同，内水压力作用到衬砌和周围岩体上，对其稳定性将增加新的影响。
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(土)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土体产生变形、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(土)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。
地下洞室突出的工程地质问题是围岩稳定问题。尤其象地下飞机库、大跨度引水隧洞和水电站地下厂房等大型洞室的因岩稳定性，常常是工程地质研究的重点；矿山采空区常出现独特的工程地质现象。国内外建筑史上因洞室围岩失稳而造成的事故，为数不少。如澳大利亚悉尼输水压力隧洞，混凝土衬砌。使用期间在300 m长的地段上，发现洞内有压水大量渗入围岩而达地表。放空检修发现在100m的内水水头作用下，衬砌被破坏，洞顶围岩被掀起，出现裂缝，错开距离多达1.0—2.0cm。对围岩压力估计过高，可能导致工程偏于危险，或对围岩强度估计不足，常使设计保守，提高工程造价，造成浪费。因此，对洞室位置的选择、对围岩特性的认识和对围岩压力与强度的评价都是地下洞室设计与施工的关键问题。
7.2地下洞室位置的选择
地下洞室位置的选择主要考虑进洞山体、洞口位置和洞轴线位置的选择。
7.2.1 进洞山体的选择
进洞山体的选择主要考虑山体的高度、山形的完整性、岩土体的坚硬与均匀性和地质结构构造特性等因素。
山高以满足地下工程防护要求为原则。山过高时围岩岩压力大，过低则达不到防护要求。对一般洞室，山的相对高度以100—300米为宜。
山形完整，山体未被冲沟、山洼等负地形切割破坏，无滑坡、塌方等破坏地形。不宜选择有冲沟、山洼等负地形（一般反映该地段岩体软弱或破碎，并易于集水）。
岩土体的岩性要尽可能均一或相近，且比较坚硬完整。当为层状岩体时，要求岩性单一，无软弱夹层，成层和产状稳定，层厚为中至厚层；当为块状岩体时，要求无岩脉等侵入体、捕虏体，或者少而规模小；当为可溶性岩体时，要求岩溶不发育，无暗河和较大溶洞等。
地质构造越简单越好。应尽量避开含水构造和断层、断层破碎带、断层密集带和不同方向的几组断裂交汇带，以及岩体受强烈构造挤压和风化破碎较深的地带。益选择优先节理不发育且间距大、组数少，未形成不稳定的组合结构的岩体。另外，要考虑场地的地下水和地震特性等因素，避开地下水丰富的或地震基本烈度为九度以上的地区。
7.2.2 洞口位置的选择
洞口位置应该考虑山坡坡度、岩层倾角、洞口顶板的稳定性和水流影响等几方面因素。许多工程实践证明：往往因洞口位置的地形地貌条件不利，而导致迟迟不能清理出稳定的洞脸，而无法进洞的局面。
山坡宜下陡上缓，无滑坡、崩塌等存在。山坡下部坡度最好大子60°，一般不宜小于40°。
洞口处岩石应直接出露或坡积层较薄，岩石比较新鲜完整，尽量选在岩层倾向与坡向相反的山坡(反向坡)，或岩层倾角小于20°、或大于75°的顺向坡。
选择完整、厚度大的岩层作顶板。洞口位置的高度根据地形、地质和工艺要求而定，应利于洞内外交通和洞内排水，并应高于百年一遇的洪水位0.5—1.0 m以上。
洞口位置不应选在冲沟或溪流的源头、旁河山嘴和谷地口部等受水流冲蚀地段。在地貌上应避开滑坡、崩塌、冲沟、泥石流等不良自然地质现象，以及山麓堆积、坡积、崩积及洪积物等第四系松散沉积物。
7.2.3 洞轴线位置的选择
7.2.3.1 地形
洞轴线位置选线时应注意利用地形、方便施工。在山区开凿隧洞一般只有进口和出口两个工作面，如洞线长则将延长工期，影响效益。为此在选线时，一般沿山体脊部并垂直地形等高线布置，当平行山坡时，不应距山坡太近，接近洞口一段仍应垂直山坡；更应充分利用沟谷地形，多开施工导洞，或分段开挖以增加工作面。洞室轴线穿越山脊，除进出口两头有工作面外，还可沿沟谷打水平施工导洞增加工作面；轴线穿越沟谷上部，可利用竖并作施工导洞；穿越沟谷下部，隧洞出现明段，就可分段施工。
洞室轴线一般应尽量采取直线，避免或减少曲线和弯道。如采用曲线布置，一般洞线转弯角应大于60°，曲率半径不宜小于5倍洞径。
7.2.3.2 地层与岩性条件
地层与岩性条件的好坏直接影响洞室的稳定性。在洞线选择时，应分析沿线地层的分布和各种岩石的工程性质。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。应用掘进机施工，则可加快速度，提高功效。
7.2.3.4 地质构造条件
隧洞选线最好的地质构造条件是出露面积较大的块状岩体，如深成火成岩的岩基或岩株；古老的基底片麻岩以及厚层沉积岩等。在这些岩体中亦应注意断裂带及风化带的发育程度。
在褶皱构造地区的洞室选线，应注意分析洞轴线与岩层产状的关系。根据施工经验，洞轴向与地质构造线交角应大于30°，故洞轴线与岩层走向垂直优于与岩层走向平行；而且倾角陡立最好，这是因为陡立而垂直于洞线的岩层，在隧洞开挖时可形成自然拱圈，对围岩稳定有利。如果不是陡立的而是倾斜的，则倾角越小越不好，因为这时拱圈所能承受的围岩压力已逐渐减小。此外，垂直洞轴线的倾斜岩层，当岩层倾斜面向着开挖面倾斜时，比岩层背向开挖面较好，因后一种情况容易形成洞顶楔形岩体塌方，造成事故。当隧洞垂直穿过招皱轴部时，不论是向斜或背斜，由于轴部受拉应力影响，岩石多破裂成梯形棱柱体，亦易造成洞顶坠石塌方。当地下水位高于隧洞高程时，向斜构造还易造成洞内涌水危害。
如选择隧洞轴向平行于稻皱地层的走向时，则地质构造条件更差。对于那些复杂形态的褶皱，如倒转褶皱、平卧裙皱、倾伏裙皱等地区，则应根据上述原则进行具体分析。一般这些地区反映过去地质构造运动比较强烈，岩体也相应比较破碎，故隧洞选线时应特别注意。
对于断裂构造来说，隧洞所遇断裂破碎带宽度愈大，其走向与洞轴交角愈小，在洞内出露面积也愈大，对围岩的稳定影响就愈大，特别是顺洞线走向的断层更应尽量避开。
7.2.3.4 水文地质条件
隧洞施工中地下水涌水带来的危害，已屡见不鲜。因此，对隧洞沿线的水文地质条件进行预测性调查是十分重要的。要在上述地形地貌、地层岩性、地质构造的调查基础上，同时调查分析地下水的埋藏条件、类型及泉水出露情况。对易透水的岩层和构造，特别是喀斯特地区，应密切注意其分布规律和发育程度，并结合隧洞设计高程，分析评价地下水涌水的可能性和涌水量。此外，还应注意地下水水质资料的分析，对pH＜7的酸性地下水，应分析水中侵蚀性CO2和硫酸盐侵蚀性对混凝土衬砌的影响。
7.3 地下洞室围岩的变形与破坏
7.3.1 洞室围岩的变形
7.3.1.1 弹性与塑性变形
导致围岩变形的根本原因是地应力的存在。洞室开挖前，岩(土)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。
洞室开挖前，岩土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。
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。
7.3.1.2 结构面变形
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。
7.3.1.3 围岩流变变形
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。
7.3.1.4 变形分布规律
从围岩变形与深度的关系上看，变形的分布以洞室的表面最大，随着深度的加大，变形将趋于零。
7.3.2 围岩的破坏
7.3.21 围岩破坏的形式
洞室围岩的变形与破坏程度，一方面取决于地下天然应力、重分布应力及附加应力，另一方面与岩土体的结构及其工程地质性质密切有关。
洞室开挖后，围岩应力大小超过了岩土体强度时，便失稳破坏；有的突然而显著，有的变形与破坏不易截然划分。洞室围岩的变形与破坏，二者是发展的连续过程。弹脆性岩石构成的围岩，变形尺寸小，发展速度快，不易由肉眼觉察；而一旦失稳，突然破坏，其强度、规模和影响都极显著。弹塑性岩石和塑性土构成的围岩，变形尺寸大，甚至堵塞整个洞室空间，但其发展速度极缓慢；而破坏形式有时很难与变形区别。一般情况下，洞室围岩的变形与破坏，按其发生的部位，可概括地划分为顶围(板)悬垂与塌顶、侧围(壁)突出与滑塌和底围(板)鼓胀与隆破。
1 顶围悬垂与塌顶
洞室开挖时，顶壁围岩除瞬时完成的弹性变形外，还可由塑性变形及其他原因而继续变形，使洞顶壁轮廓发生明显改变，但仍可保持其稳定状态。这大都在开挖初始阶段中出现，而且在水平岩层中最典型。进一步发展，围岩中原有结构面或由重分布应力作用下新生的局部破裂面，会发展扩大。顶围原有的和新生的结构面相互汇合交截，便可能构成数量不一、形状不同、大小不等的分离体。它在重力作用下与围岩母体脱离，突然塌落而终至形成塌落拱。它与围岩的结构面和风化程度等因素密切有关，且在洞室的个别地段上最为典型。多数塌落拱都大于洞室设计尺寸，有时还会发生严重的流砂和溜塌。
2 侧围突出与滑塌
洞室开挖时，侧壁围岩继续变形使洞室轮廓会发生明显突出而不产生破坏，这在铅直层状岩体中最为典型。进一步发展，由于侧围原有的和新生的结构面相互汇合、交截、切割，构成一定大小、数量、形状的分离体。当有具备滑动条件的结构面，便向洞室滑塌。侧围滑塌，改变了洞室的尺寸和顶围的稳定条件，在适当情况下又会影响到顶围，造成顶围塌落，或扩大顶围塌落范围和规模。侧围发生滑动位移是滑塌破坏过程的开始，防止滑塌往往需要规模巨大的加固措施。
3 底围鼓胀与隆破
洞室开挖时，常见有底壁围岩向上鼓胀。它在塑性、弹塑性、裂隙发育、具有适当结构面和开挖深度较大的围岩中，表现得最充分，最明显，但仍不失其完整性；但一般情况下，这种现象极不明显，难以观察。洞室开挖后，底围总是或大或小，或隐或显地发生鼓胀现象。进一步发展，在适当条件下，底围便可能被破坏，失去完整性，冲向洞室空间，甚至堵塞全部洞室，形成隆破。

4 围岩缩径及岩爆
(1) 围岩缩径
洞室开挖中或开挖以后，围岩变形可同时出现在顶围、侧围、底围之中；因所处地质条件或施工措施不同，它可在某一或某些方向上表现得充分而明显。实践证明，在塑性土层或弹塑性岩体之中，常可见到顶围、侧围、底围三者以相似的大小和速度，向洞室空间方面变形，而不失其完整性；实际上，已很难区分它的变形与破坏的界限，但它可导致支撑和衬砌的破坏。这便是在粘性土或粘土岩、泥灰岩、凝灰岩中常见的围岩缩径，又谓“全面鼓胀”。
(2) 岩爆
洞室开挖过程中，周壁岩石有时会骤然以爆炸形式，呈透镜体碎片或岩块突然弹出或抛出，并发生类似射击的僻啪声响，这就是所谓“岩爆”。坚硬而无明显裂隙或者裂隙极稀微而不联贯的弹脆性岩体，开挖洞室，围岩的变形大小极不明显，并在短促的时间内完成这种变形；由于应力解除，其体积突然增加；而在洞室周壁上留下的凹痕或凹穴，体积突然缩小。岩爆对地下工程常造成危害，可破坏支护，堵塞坑道，或造成重大伤亡事故。
岩爆多发生在深度大于200、250米的洞室中；有时深度不大，甚至在采石场或露天开挖中也可发生岩爆。岩爆本质上是在一定地质条件下，围岩弹性应变能的高度而迅速集中、而又突然剧烈释放有关的过程。围岩弹性应变能的高度而迅速集中的原因很多，归纳起来主要有两个方面：一是机械开挖、施工爆破和重分布应力(有时有构造应力)的叠加影响，使围岩应力迅速而高度集中；二是开挖断面的推进和渐进破坏，引起围岩应力迅速而高度地向某些部位集中。由于这种迅速而高度集中的应力作用；围岩便以爆炸形式，骤然而剧烈地破坏，形成岩爆。
7.3.2.2 岩体破坏机理与渐进破坏
工程岩体的破坏，主要受岩体本身的特性、天然应力状态、工程加荷与卸荷、地下水作用和时间因素的综合影响；构造应力引起自然岩体的破坏，还有围限压力及温度效应。就岩体破坏方式而言，基本上可划分为剪切破坏和拉断破坏两类。地壳破裂构造中经常看到的正断裂、逆断裂以及平移断裂，基本上那属于剪切破坏，它们之间的区别仅在于破坏时的应力状态不同；而纯张破裂构造以及主干断裂在滑错运动中所派生的张性羽状破裂，则属于拉断破坏。工程岩体中沿已有结构面滑移，属剪切破坏；剪切破坏是一种占优势的破坏方式。
岩体剪切破坏可划分为重剪破坏、剪断破坏和复合剪切破坏三种形式。重剪破坏是沿着岩体原已经剪断的面(包括结构面)再次发生剪切破坏。断裂构造中，表现为某些古老断裂在后期构造运动中再次或多次发生的滑动。工程岩体破坏中，就是通常看到的岩体沿着结构面的滑动，重剪破坏为工程岩体破坏最普遍的形式。剪断破坏是横切先前存在的、已经分离的结构面的剪切破坏。虽然它是断裂运动的普遍产物，但在工程岩体的破坏中却比较少见，而且主要发生在剧风化岩体和非常软弱的岩体中。复合剪切破坏是部分沿着结构面、部分横切结构面发生的剪切破坏。它主要发生在软弱岩体和裂隙岩体中。
岩体破坏是一个渐进发展的复杂过程。这个过程大体可划分为初裂前阶段、渐进破坏阶段和加速破坏阶段。初裂前阶段的主要特点是，随着加荷或卸荷，岩体仅发生包括可逆变形和不可过变形在内的狭义变形，变形量常在毫米以内。渐进破坏阶段，是阳者应力的增加，岩体中某些点先开始破坏，直至出现显著的微型变位，包括不同部位上出观不同温度的位移和开裂，但变位发展较缓慢。该阶段持续时间的长短及变位达到的程度，均因具体条件不同而变化。加速破坏阶段主要特点是宏观变形加速发展，并导致岩体发生全面破坏。其持续时间较渐进破坏阶段为短。
7.4 地下洞室围岩分类
7.4.1岩体质量指标(RMQ)分类
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，可以衡量岩体质量的优劣。
影响岩体质量优劣的地质因素主要有四个方面：(1)岩体的完整性(以完整系数Kv表示)；(2)岩石质量(以岩石质量系数S表示)；②岩石风化程度(以岩石风化程度系数Ky表示)；④岩石软化性(以软化系数Kd表示)。
岩体质量(RMQ)即为这四个系数之乘积(M)：
M=Kv·S·Ky·Kd (7-1)
式中，四个系数分别按下述方法确定：
岩体完整性系数(Kv)，为现场岩体弹性纵波速度vp(米／秒)和室内风干(烘干)岩样或现场岩块的弹性纵波速度vp' (米／秒)比值的平方。即
(7-2)
岩石质量系数(S)，为所测定岩石的室内饱和单轴抗压强度Rw(kPa)和室内饱和弹性模量Ew(kPa)之乘积，与规定的软弱岩石相应值之乘积的比值：
(7-3)
根据经验，大约相当Rw＝30000kPa,Ew＝6.6×106kPa, 故软弱岩石RwEw＝20×1010 kPa2。
岩石风化程度系数(Ky)，为所测定岩体的室内烘干单轴抗压强度Rd(kPa)与该岩体中相对新鲜的同类岩样室内烘干单轴抗压强度Rf之比值：
(7-4)
岩石的软化性系数(Kd)为
（7-5）
式中 Rw——岩石饱水状态的抗压强度；
Rd——岩石干燥状态的抗压强度。
上式除Rf为新鲜岩石指标外，其余各指标实为各种不同风化程度岩石的指标；除vp外，均可在室内测定。
根据岩体质量M值，岩体可划为：好的岩体(M＞12)、较好的岩体(M＝2—12)、中等的岩体(M＝0.12—2)、较坏的岩体(M＝0.004—0.12)、坏的岩体(M＜0.004
根据以上原则，提出岩体定性分类和定量分类(略)。该法具有许多优点，易被接受，但由于试验及观测统计资料不充分，有待完善。
7.4.2 岩石质量指标(RQD)分类
美国伊利诺斯大学曾利用直径为5.4cm的钻孔岩样，来评定岩石的优劣。具体作法是以钻孔获取的大于10cm的岩芯断块长度Lp与岩芯进尺总长度Lt之比，作为岩石质量指标RQD，即
（7-6）
根据RQD值，可将岩石质量划分为五类。目前该方法已积累了大量的经验，被较多的工程单位采用。
7.4.3 岩体地质力学分类
这种分类法的出发点是把岩体作为一种由多种多样结构面切割的多裂隙固体介质。岩体内结构面的规模、性质及其组合关系在很大程度上决定了岩体力学作用过程，形成不同的力学介质类型；岩体的工程特性在很大程度上受岩体结构所控制。根据岩体结构进行工程地质分类是抓住了问题的本质的。因此这种分类法在国内外颇受到重视，我国有些单位的岩体工程地质分类即把它作为基本依据。这种分类需进一步解决定量评价问题。
7.4.4 Baiton岩体分类
挪威学者N. Baiton等早在1974年为隧道支护设计提出了有名的岩体工程分类。该分类用岩石质量指标RQD，节理组数Jn，节理面粗糙度Jr，节理面蚀变程度Ja，裂隙水折减系数Jw，地应力的影响SRF等六个因素，以下述表达式来算出围岩岩体质量Q：
(7-7)

只需分别确定以上六因素的具体数值，就可算出围岩的岩体质量指标Q。六因素数值的确定均有表可查。Q值通常范围为0.01—1000，它相当于从非常糜棱化的岩体一直到完整坚硬的岩体。Baiton根据Q值的大小，还给出了相应的施工方法和衬砌类型。
这种分类方法，考虑的地质因素较全面，同时从定性分析进入定量的评价，在岩体分类上迈进了一大步，引起了各国工程单位和岩体力学及工程地质学家的普遍注意。它代表了一种分类的方向。
7.5 地下洞室围岩压力
7.5.1 围岩压力的概念
洞室围岩由于应力重分布而形成塑性变形区，在一定条件下，围岩稳定性便可能遭到破坏。为保证洞室的稳定，常须进行支护和衬砌。这样，洞室支护和衬砌结构上便必然受到围岩变形与破坏的岩土体的压力。这种由于围岩的变形与破坏而作用于支护或衬砌结构上的压力，称为“围岩压力”。
围岩压力是设计支护或衬砌的依据之一，它关系到洞室正常运用，安全施工、节约资金和多快好省地进行建设的问题。围岩稳定程度的判别与围岩压力的确定，紧密相关。
围岩压力按其形成方式，有变形围岩压力、松动围岩压力，膨胀围岩压力和冲击围岩压力等。按其计算方法的理论根据，有的把围岩视为松散介质，确立了平衡拱理论的计算方法；有的把围岩视为弹塑性体，确立相应的计算方法；有的把围岩视为具有一定结构面的地质体，确立计算方法。围岩压力不仅与围岩地质因素和洞室断面形状有关，还与地区天然应力状态、衬砌或支护的性能以及施工方法和速度有关。所以，确定围岩压力的大小和方向，是一个极为复杂的问题。到目前为止，围岩压力的计算问题还没有得到圆满解决。
围岩压力的大小，不仅与岩体的初始地应力状态、岩体的物理力学性质和岩体结构有关，同时还与工程性质、支护结构类型及支护时间等因素有关。显然，当围岩的二次应力不超过围岩的弹性极限时，围岩压力将全部由围岩自身来承担，洞室也就可以不加支护而在一定时期内保持稳定。当二次应力超过围岩的强度极限时，就必须采取支护措施，以保证洞室稳定，此时，围岩压力是由围岩和支护结构共同承担的，作用在支护结构上的压力仅是围岩压力的一部分。因此，把作用在支护结构上的这部分围岩压力称为狭义的围岩压力。由此可见围岩应力重新分布对确定围岩压力有其重要意义。
7.5.2 围岩应力重新分布
假设洞室所处的围岩为连续、均质和各向同性的；洞室的埋深与洞室的尺寸相比足够大；忽略围岩自重的影响。洞室开挖后，如果重新分布的围岩应力状态尚未超过岩体的弹性应力状态，则围岩是稳定的，否则围岩将出现塑性区，甚至破坏。因此，在洞室的设计中对于洞室边界上的这两处部位，必须给予足够的重视。
7.5.2.2 其它形状洞室应力分布
当洞室断面不是圆形而是其它形状时，应力分布图形就有变化。围岩应力分布的规律是：顶、底板围容易出现拉应力；周边转角处存在很大的剪应力洞室的高宽比对围岩应力分布的影响极大，设计洞室断面时应考虑竖向应力与水平应力的比值。
7.5.3围岩应力计算的普氏fk法
M. M. 普罗托齐雅科诺夫基于实际工程观察和模型试验结果，提出了天然平衡拱法分析围岩应力。此法在我国简称为普氏fk法，得到了普遍的应用。此法认为，洞室开挖后围岩一部分砂体失去平衡而向下塌落，塌落部位以上和两侧砂体，处于新的平衡状态而稳定。塌落边界轮廓呈拱形。若洞室侧围砂体沿斜面滑动，洞顶仍塌落后呈拱形。若有支撑或衬砌，作用在支撑或衬砌上的压力，便是拱圈以内塌落的砂体重量，而拱圈以外的砂体已维持自身平衡。这个拱便称为“天然平衡拱”。
设洞壁铅直，把侧围三角形滑塌体内最大主应力方向视为铅直的，则天然条件下滑塌斜面就会与侧壁呈45°－φ/2的夹角。由此，对散粒土体根据静力平衡的平面问题做出假定条件后，便可求出拱圈(塌落体)高度。
普氏将此方法推广到岩体上，认为被许多裂隙切割的岩体也可以视为具一定凝聚力的松散体，并认为坚固系数为岩石抗压强度的1／100；对fk＜4的岩土，按上述方法计算洞顶和洞壁的围岩压力；对fk＞4的岩石，则只有洞顶出现围岩压力，一般没有侧壁围岩压力。fk反映了岩土强度特性。软弱岩石fk值均小于4，土的fk值均小于1.0。对于4＝0的浮砂及饱水淤泥，一般可按静水压力原则计算围岩压力。
普氏平衡拱理论有一定优点，把塌落体的重量视为围岩压力，很直观，易理解，也有理论根据。但把所有围岩塌落体均视为拱形，便有很大局限性。实际上，除一般土体外，岩体塌落体大都不呈拱形。普氏理论完全不考虑岩体结构、构造应力，特别是围岩应力重分布的影响。目前，由于长期实践，多数部门仍沿用坚固系数fk，并按fk法确定围岩塌落的拱高度，计算围岩压力。当确定岩体坚固系数时，使其带有经验性质的系数，即反映了岩体具体的地质条件，如岩性、风化破碎及构造特征等，便更符合实际。
尽管如此fk法最好只用于土体和软弱岩体，对坚硬岩石的围岩应具体分析岩体结构等特征，去确定围岩压力。
7.5.4 洞室围岩的外水压力
洞室常开挖在有地下水的岩体中，地下水作用在洞室衬砌上的静水压力，有时会超过围岩压力。洞室设计中通常把这种作用于衬砌上的地下水静水压力称为外水压力。此外，地下水常会大量突然涌入洞室，使岩体软弱夹层强度减低，沙层冲溃，泥岩膨胀，造成洞室变形与破坏，给洞室施工和运用带来很大困难。
外水压力是作用在洞室衬湖上的一种荷载，所以当洞室埋藏较深、地下水位较高的情况下，它对衬砌型式和厚度的设计，常起控制作用。但外水压力是洞室工程中较难确定的外力之一，目前只能采用较粗略方法估算。
洞室工程设计中，过去根据其顶壁至最高地下水位间的水柱高度来估算外水压力。但多年实践证明，作用于洞室衬砌上的外水压力，并不都等于外水的全部水柱高度，常常只有它的一部份，甚至等于零。因此，设计中应根据具体水文地质条件，乘以相应折减系数β。
折减系数β的选择是一个复杂的问题。既要考虑水文地质条件，又要考虑工程设置和工程运转。岩体中地下水是地表水沿岩体裂隙、孔隙或溶隙渗入地下的；一个地区地下水埋深又与含水层厚度、隔水层位置、地下水补给排泄条件有关。据我国实践，一船β＝0.25—1.0。
7.6 保护地下洞室围岩稳定性的措施
研究洞室围岩稳定性，不仅在于正确地据以进行工程设计与施工，也为了有效地改造围岩，提高其稳定性，这是至关重要的。保障围岩稳定性的途径有二：一是保护围岩原有稳定性，使之不至于降低；二是提高岩体整体强度，使其稳定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和支护衬砌方案，后者主要是加固围岩。
7.6.1 合理选择施工方案
围岩稳定程度不同，应选择不同的施工方案。施工方案选定合理，对保护围岩稳定性有很大意义；隧洞的开挖方式，基本上有两种：一种是全断面开挖法；另一种是导洞开挖法。全断面开挖法一般适用于围岩很稳定，无塌方掉石的地区。对岩石稍差但断面尺寸较小的中小型隧洞亦可全断面开挖。导洞开挖法适用于断面较大，岩体又不太稳定的地质条件。为了防止塌方冒顶事故，可缩小断面，先打导洞，然后分块完成施工断面。
7.6.1.1导洞开挖法
（1）当围岩不太稳定，顶围易塌时，应在洞室最大断面的上部先挖导洞，立即支撑，达到要求的轮廓，作好顶拱衬砌。然后在顶拱衬砌保护下扩大断面，最后做侧墙衬砌。这便是上导洞开挖、先拱后墙的办法。为减少施工干扰和加速运输，还可以用上下导洞开挖、先拱后墙的办法。
（2）当围岩很不稳定，顶围塌落，侧围易滑时，可先在设计断面的侧部开挖导洞，由下处向上逐段衬护。到一定高程，再挖顶部导洞，作好顶拱衬砌，最后挖除残留岩体。这便是侧导洞开挖、先墙后拱的方法，或称为核心支撑法。
(3) 当围岩较稳定时，可采用单导洞全面开挖、上下双导洞全面开挖、连续衬砌的办法施工。
7.6.1.2全断面开挖
围岩稳定，可全断面一次开挖。现在多采用新奥法和盾构法等新型施工方法。
1 新奥法
喷射混凝土(或水泥砂浆)衬砌是近代隧洞施工的新型支护方法。它往往与锚杆(或钢拱架及钢
丝网)结合起来使用，即喷锚结构。它与常规的支衬方法相比，具有开挖断面小，节省支衬材料，岩
体稳定性好，施工速度快等优点。喷锚支衬方法是1948—1965年发展起来的，由奥地利岩石力学专家腊布希维兹首先命名为“新奥地利隧洞施工法” 或简称“新奥法”。这种方法既适合于坚硬岩石，也适合于软弱岩石，特别适合于破碎、变质、易变形的施工困难段，因此得到广泛地应用。当然“新奥法”的全部内容不仅在支衬工作方面，而在整个施工过程的机械化和自动化监测等方面。这种方法将取代过去的静力拱山岩压力的原则，即用“岩石支护岩石”的新概念提高隧洞的施工进程和经济效益。它与常规的模板浇注混凝土衬砌相比，可节约水泥1/3—1/2，节省劳动力和投资l／2以上，而且几乎不同木材，可缩短工期1/2—2/3。
2 盾构法
盾构法是用特制机器开挖隧洞的施工技术，主要用于第四系松软地层掘进成洞，起源于欧洲，最近十几年来，经德国、日本大力开发，已得到广泛应用。最大洞径已达几十米，目前更大直径的盾构正在设计研究之中。在英吉利海峡隧道，日本东京湾海底公路隧道等建设中，发挥了巨大作用。这是一项先进的高度机械化、自动化的施工技术。其优点是避开干扰，不影响地面建筑和环境，可充分开发地下空间。在施工中能把掘进，出渣、支护与衬砌，融为一体。施工安全、可靠、准确，能缩短工期、提高工效、节约资金
我国上海、兰州等地，已成功地在软粘土及砂砾层中修建了地铁隧道，排污隧洞、引水及电缆隧洞，穿黄浦江公路及引大入秦输水隧洞等。目前不少大城市的地铁隧道建设中；还有南水北调工程的穿黄河输水隧洞都将用盾构法施工。因此，它将在我国的工程建设中发挥更大的作用。
7.6.2支撑、衬砌与喷浆加固
隧洞的支衬工作，包括支撑和衬砌两方面。除围岩特别坚固完整可不用支衬外，一般隧洞均需支衬，而且支衬的时间越快越好，这样可以防止开挖后围岩变形的发展，是维护围岩稳定的最好措施。支撑是临时性加固洞壁的措施，衬砌是永久性加固洞壁的措施。此外还有喷浆护壁、喷射混凝土、锚筋加固及锚喷加固等。
7.6.2.1 支撑
支撑工作是开挖过程中，为防止围岩塌方的临时性措施，过去通常用木支撑、钢支撑及混凝土预制构件支撑等。近代国内外多采用锚杆支护，锚杆能把松动岩块与稳固岩体牢固地联在一起，是一种“悬吊式”支护。它与一般支撑不同点在于：利用(牢固的)围岩支护(松动的)围岩，同时加强了松动岩体本身的整体性和坚固性，这样就可以缩小开挖断面和节省大量支撑材料。支撑手续简便，开挖后立即进行，可防止围岩早期松动，是保护围岩稳定性的简易可行酌办法。
7.6.2.2 衬砌
衬砌的作用与支撑相同，但经久耐用，使洞壁光坦。砖、石衬砌较便宜，钢筋混凝土、钢板衬砌的成本最高。衬砌一定要与洞壁紧密结合，填严塞实其间空隙才能起到良好效果。作顶拱的衬砌时，还要预留压浆孔。衬砌后，再回填灌浆，达到严实的目的，在渗水地段也可起防渗作用。衬砌是维护隧洞围岩稳定的永久性结构，用以承受山岩压力和内、外水压力。衬砌厚衬砌是维护隧洞围岩稳定的永久性结构，用以承受山岩压力和内、外水压力。衬砌厚度往往取决于岩石的性质，如对于坚硬类岩石一般要求20—30cm即可，特别坚固或裂隙稀少的岩石甚至可不加衬砌；中等坚硬岩石一般40—50cm；软弱岩石及松散土层则要求50—150cm或更厚的混凝土衬砌。
7.6.2.3 喷浆护壁
喷浆护壁较简便而又经济，对保护易风化围岩的稳定性效果较好。当洞室开炮后及时在洞壁上喷射水泥砂浆，形成保护层，保护围岩原有强度。我国应用日益广泛，国外采用也很普遍。
7.6.2.4 喷射混凝土
喷射混凝土与喷浆方法相仿，但作用大不相同。混凝土内加速凝剂，及时(越早越好)喷射到洞壁上，它便很快地凝固并有较大强度，可防止洞壁早期松动。
7.6.2.5 锚筋加固
锚筋加固又称锚杆加固，目前大量采用。将锚筋插入围岩： 使洞周松动围岩与稳定围岩固定，起到钉子的作用。常用的有楔头锚筋和砂浆锚筋两种。砂桨锚筋是将钢筋放入围岩孔内，再用水泥砂浆将孔灌满。钢筋在孔内呈弯曲状，效果更好。楔头锚筋是把钢筋里端开一小缝，放上铁楔，将钢筋打入孔内，再用锤打紧。铁楔尖劈力便使里端张开成叉，将钢筋卡在孔内；外端用螺丝帽拧紧，便把可能松动的