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中图分类号：U455.43 文献标识码：A文章编号：2306-1499-（2014）11-0116-03
长期以来，专家们就岩体压力和水压力是否同时出现进行了评估并将其用作全封闭岩体隧道设计的一个附加因素的问题展开了探讨。本文对此论题的基本情况进行了介绍，其目的是对该领域的研究工作起到进一步的推动作用。
1.综合问题
全封闭岩石隧道在规划阶段需要提出的问题是：如何考虑岩体压力和水压力对隧道设计的影响并如何处理岩体压力和水压力同时出现的问题。关于这一论题可参阅有关标准手册第853[1]条，第853.9120节中的表述如下：
“各种过程都可说是对岩体压力和水压力的叠加。在岩体中，主要以水压力的那部分为主，且作用在衬砌和岩石间接缝的每个点上，而这种压力超过岩体压力（可能出现隆胀和蠕变）。
但是，特别是在软地层的浅埋隧道中，如果岩体压力确定为受土力学术语“隆起”影响的土压力，那么在这一点上的衬砌和岩石间的接缝所受压力就由主导作用的全水压所叠加。“
鉴于手册中阐述的过程通常公认为软地层的浅埋隧道情况，则其他观点和概念主要适用于岩石隧道（请见[2]）。 该过程可对加筋的程度或隧道衬砌的厚度及建设成本产生影响。在如下的考虑中，如果是岩石隧道，同时出现岩体压力和水压力，不需对此两种有效的因素相加。
隧道衬砌受影响于地质和水文地质条件，隧道的深度和几何结构，以及具体采用的施工方法等因素。本文中的几个问题是以如下假设为依据的：
岩石属一种固体性质。地层中存在有分隔面即水可渗透的层面和破裂面；岩石本身被认为是不渗水的。
隧道因深埋，不会对地表构成破裂机理。（覆盖层≥2 隧道半径）
2.在岩体中开挖隧道的特点
如图1所示，可很接近地检查到在岩体中开挖隧道期间的应力重新分布及过程。以隧道顶垂直断面和隧道墙横断面显示典型施工状态中径向应力过程。
图-1未排水隧道周围的第二应力状态（红色）与其最终状态中静水压
所谓初期应力状态主要在挖掘前未扰动的地层中产生。径向应力PRPRIM在垂直断面上为 G .h而在横断面为K0. G .h（ G --地层比重；h--覆盖层高度，K0--侧向压力系数）。在这方面，覆盖层高度同隧道半径大小相比将大得多，则可对顶部和边墙之差忽略不计。且假定在隧道上方高度hw存在天然地下水位。
在隧道开挖期间，地下水在开挖面范围从自由的或不稳定的岩面流入隧道。这样，挖掘边缘处的水压力可降为零。
开挖面范围的岩石因开挖会自动局部卸载。由于衬砌安装后岩石进一步松弛，衬砌和岩石将成为一结合系统。就此而言，弹性或弹塑性约束应力PRA（请见图1）， 也叫“岩石压力”，在隧道周围不是常数（隧顶：PRAF，边墙：PRAU）。
隧道周围的地层一般受压应力影响。径向应力PR从挖掘处边缘迅速向岩体增加，最终会处于初期应力状态（垂直： G .h，水平：K0. G .h）。图.1中以红色表示的状态，本文中称为二次应力状态。
而在采用机械化（如EPB盾构机）开挖过程中安装的管片衬砌直接受到径向应力的影响；在采用新奥法（NATM）开挖时，最初受到影响的是喷射混凝土的外层，一旦前者受损最先受到影响的是现浇混凝土内层。这一区别不适合以下情况。
在应用不渗水衬砌的情况下，水压力一般都会再次逐渐增大。即使在最不利的情况下，也可在支撑和岩层间形成全静水压力PRA（如图.1 蓝色所示）。
也可预先假定，采用当今的隧道施工方法，一定高度松动岩体位于衬砌上，以及通过它们的固有重量-在它上面的自立岩体的影响，从这个意义上来讲也不会形成“松动区”。
这种情况可说明：应力重新分布仅在地层中形成洞穴时才可能发生，且径向应力在这种情况下将从开挖边缘到规定的距离减为0。
3.考虑单独的分界面
理想化的平坦和均匀地安装的分界面，这样水将无法渗透，代表着理论上的岩层边界线情况。而事实上分界面总是在一定程度上有着粗糙度和局部的通路。通过物质连接桥，压力可以传递，水也能渗透到衬砌和岩层之间的空洞里（如示意图2）。
图-2 通过物质连接桥进行力的传递
两个弹性的带有物质连接桥的断裂体能以简单的形式显示成插入弹簧的两个刚性体（如图3）。通过物质连接桥传递力的总和到规定的平面，形成一个-无水的-平均应力PO 。
图-3 弹簧模型
如果水渗透到分界面会形成水压增大，这就减缓弹簧受力，借此传递平均应力到分界面，保持初始总量的一致（包含了弹簧弹力和水压）（总应力=有效应力+水压）。当水压PW超过接缝中的原始应力PO时，进一步传递至整个分界面的这种应力首先变大。弹簧的弹力将被完全减载，只有水压仍然是有效的。
4.水压对岩石应力及衬砌上荷载的影响
为了显示水和岩层影响导致的力学效应，在竖向应首先考虑隧道顶层区域和及其上面的水平分界面（如图4）。
图4 隧道顶部区域内的水平分界面
在衬砌与岩层（A）间的接缝和水平分界面（B）之间，有一个水压连接（例如，由于垂直分隔面所至），因此可自由形成流体静水压。
最初，如第二节中所述，岩层中的第二应力状态形成。应力PRA作用在衬砌和岩层（A）之间，应力PRB在水平分界面（B）有效应，PRB >PRA 。
现在水压也增大了，如第三节中所述，应力PRA和应力PRB保持不变直到水压大于原始应力。这仅仅是衬砌与岩层间接缝的最初情况，因为应力存在，PRAPWB。从这点来看，在衬砌与岩层之间，PWA>PRA时，只有水压力有效。
原始应力状态随衬砌与岩层间的附加应力 PA=PWA-PRA而改变，从而产生一种新的平衡状态。当分界面（B）中的原始应力PRB增至PRB1时，就可在（B）中激活另一个有效弹簧应力 PB。
任何隧道衬砌的荷载大于水压PWA时都可认为分界面（B）处的水压力PWB大于应力PRB1。为了评价起见，在下面示意地考虑为一个具有对称径向应力状态的无限延伸开孔圆盘。在初始状态下，覆盖状态 = G .ｈ一般都是有效的。
无水的第二状态情况如图5ａ所示。如上所述，应力PRA已在衬砌与岩层（A）之间变为有效，应力PRB在分界面（B）有效。就此而论，PRA在钻孔的边缘或多或少充当起了“内部压力”角色。
图-5a 钻孔盘模型上的第二应力状态
图-5b 钻孔盘内缘上的水压
PRA、PRB和初始应力间的关系 = G .ｈ现在能通过带有钻孔圆盘的应力方程式推导出来-例如根据〔3〕，由到中心点M的距离为RB的应力PRB得出： PRB= G .ｈ（1-RA2/RB2）+PRA .RA2/RB2（方程式1）
现在假定水压形成且在衬砌与岩层间的接缝处大于PRA。因而只有水压PWA= W .hw (hw= 隧道顶部以上的水压高度)才可在此有效。如图5ｂ所示。
图6 顶部与衬砌与岩石间的防水接缝中的水平渗水分界面
在（B）中有效的应力PRB1应与（方程式1）保持一致，可得出：PRB1= G.ｈ（1-RA2/RB2）+ W .ｈW .RA2/RB2（方程式2）
如果应力PRB1总是大于作用于（B）的水压PWB= W .（ｈW-RB +RA），这就不会对传递到分界面（B）上的应力造成影响。
因此就必须表示为：PRB1 > W .（ｈW- RB +RA）或者是PRB1 -W .（ｈW -RB +RA）>0，根据方程式（2），用PRB1推导出的结果：PRB1 -W .（ｈW -RB +RA）= G .ｈ（1-RA2/RB2）+ W .ｈW .RA2/RB2- W .（ｈW -RB +RA）= G.ｈ- G .ｈ.RA2/RB2+ W .ｈW .RA2/RB2- W .ｈW+ W .（RB -RA）= G .ｈ- W .ｈW- RA2/RB2 .（ G .ｈ- W .ｈW）+ W .（RB -RA）=（ G .ｈ- W .ｈW）.（1-RA2/RB2）+ W .（RB -RA）（方程式3）
立刻可看出方程式（3）的右边，即PRB1 -W .（ｈW –RB +RA）的差总为正。因此应力PRB1总是大于此处的主要水压PWB，并不受其影响。因而隧道衬砌不受任何其他荷载的影响。
因为隧道的分界面（B）的裂缝是一个随机参数，如果地层存在更多的的水平分界面，那么这个说明也是适用的。从而影响隧道衬砌的荷载不会改变，要么作为岩石压力的径向应力PRA起作用，要么水压PWA起作用。
现在让我们来考虑这样一种情况，尽管水压存在于衬砌之上的水平分界面，但由于环形间隙进行了密实注浆，因此衬砌与岩层之间不能形成水压，如图-6所示。可以通过定性分析来进行考虑，即：即使有更大的荷载作用于衬砌也不会再导致这种情况的发生。
因为在上述考虑中，二次应力状态––无水状态被再次假定，因此应力 PRA 作用于衬砌与岩石之间的接缝，应力PRB 作用于其上方的水平分界面，且PRB > PRA。
现在假定水压形成，且分界面(B)处的水压要大于此处的主要应力PRB。因此在（B）处只有水压有效（图6），换句话说，应力中有一个增量，即：△PB =PWB –PRB（二次应力状态）。由于在（B）中应力存在一个增量，因此在衬砌与岩层（A）间的接缝因平衡原因而产生了一个附加应力△PA，假定△PA总小于△PB。
如果假定在边界条件下△PA =△PB =PAB –PRB，那么就会产生影响衬砌的最不利载荷。衬砌与岩石间的总应力为：PRA +△PA= PRA + PWB–PRB= PWB–(PRB–PRA)。
由于PRB > PRA，因此括号内的差总为正，然而衬砌与岩石间的总应力总是小于PWB。因此，这种情况也被应用衬砌与岩石间的PWA而掩盖。
在以带有水平分隔面为例的上述探讨中也已表明，在一种增加的意义上，水与岩体压力的叠加是不必要的。类似地考虑也可应用在垂直与倾斜分隔面。
从第3、4节中讨论的基本力学情况来看，很明显的是问题复杂，需要确定各种状态下的主应力状态，并对其更精确的检验，然后施与水压的影响，观察它们是如何变化的。开展这样的探讨可得出以利设计衬砌的更多结果，而不拘泥于适合于土力学模型。在这种情况下，由隆起而影响的土体重量作用在衬砌上应与水压相加。
5.总结
上述考虑表明只要在第一和第二节中包含了先决条件与假定，那么在设计岩石隧道时，可以不要求水压和岩压的增加量进行叠加。
作者认为在第一节中所引用的853准则指南中的说明是永久有效。
该论文介绍了岩石隧道中水压与岩压处理的基本问题，并提出了相关的先决条件。因为与此主题相关的文献很少，因此此稿目的是希望激励更多这方面的研究项目与出版物。
译文选载于“tunnel”，May/2005，P43~50
长期以来，专家们就岩体压力和水压力是否同时出现进行了评估并将其用作全封闭岩体隧道设计的一个附加因素的问题展开了探讨。本文对此论题的基本情况进行了介绍，其目的是对该领域的研究工作起到进一步的推动作用。
1.综合问题
全封闭岩石隧道在规划阶段需要提出的问题是：如何考虑岩体压力和水压力对隧道设计的影响并如何处理岩体压力和水压力同时出现的问题。关于这一论题可参阅有关标准手册第853[1]条，第853.9120节中的表述如下：
“各种过程都可说是对岩体压力和水压力的叠加。在岩体中，主要以水压力的那部分为主，且作用在衬砌和岩石间接缝的每个点上，而这种压力超过岩体压力（可能出现隆胀和蠕变）。
但是，特别是在软地层的浅埋隧道中，如果岩体压力确定为受土力学术语“隆起”影响的土压力，那么在这一点上的衬砌和岩石间的接缝所受压力就由主导作用的全水压所叠加。“
鉴于手册中阐述的过程通常公认为软地层的浅埋隧道情况，则其他观点和概念主要适用于岩石隧道（请见[2]）。 该过程可对加筋的程度或隧道衬砌的厚度及建设成本产生影响。在如下的考虑中，如果是岩石隧道，同时出现岩体压力和水压力，不需对此两种有效的因素相加。
隧道衬砌受影响于地质和水文地质条件，隧道的深度和几何结构，以及具体采用的施工方法等因素。本文中的几个问题是以如下假设为依据的：
岩石属一种固体性质。地层中存在有分隔面即水可渗透的层面和破裂面；岩石本身被认为是不渗水的。
隧道因深埋，不会对地表构成破裂机理。（覆盖层≥2 隧道半径）
2.在岩体中开挖隧道的特点
如图1所示，可很接近地检查到在岩体中开挖隧道期间的应力重新分布及过程。以隧道顶垂直断面和隧道墙横断面显示典型施工状态中径向应力过程。
图-1未排水隧道周围的第二应力状态（红色）与其最终状态中静水压
所谓初期应力状态主要在挖掘前未扰动的地层中产生。径向应力PRPRIM在垂直断面上为 G .h而在横断面为K0. G .h（ G --地层比重；h--覆盖层高度，K0--侧向压力系数）。在这方面，覆盖层高度同隧道半径大小相比将大得多，则可对顶部和边墙之差忽略不计。且假定在隧道上方高度hw存在天然地下水位。
在隧道开挖期间，地下水在开挖面范围从自由的或不稳定的岩面流入隧道。这样，挖掘边缘处的水压力可降为零。
开挖面范围的岩石因开挖会自动局部卸载。由于衬砌安装后岩石进一步松弛，衬砌和岩石将成为一结合系统。就此而言，弹性或弹塑性约束应力PRA（请见图1）， 也叫“岩石压力”，在隧道周围不是常数（隧顶：PRAF，边墙：PRAU）。
隧道周围的地层一般受压应力影响。径向应力PR从挖掘处边缘迅速向岩体增加，最终会处于初期应力状态（垂直： G .h，水平：K0. G .h）。图.1中以红色表示的状态，本文中称为二次应力状态。
而在采用机械化（如EPB盾构机）开挖过程中安装的管片衬砌直接受到径向应力的影响；在采用新奥法（NATM）开挖时，最初受到影响的是喷射混凝土的外层，一旦前者受损最先受到影响的是现浇混凝土内层。这一区别不适合以下情况。
在应用不渗水衬砌的情况下，水压力一般都会再次逐渐增大。即使在最不利的情况下，也可在支撑和岩层间形成全静水压力PRA（如图.1 蓝色所示）。
也可预先假定，采用当今的隧道施工方法，一定高度松动岩体位于衬砌上，以及通过它们的固有重量-在它上面的自立岩体的影响，从这个意义上来讲也不会形成“松动区”。
这种情况可说明：应力重新分布仅在地层中形成洞穴时才可能发生，且径向应力在这种情况下将从开挖边缘到规定的距离减为0。
3.考虑单独的分界面
理想化的平坦和均匀地安装的分界面，这样水将无法渗透，代表着理论上的岩层边界线情况。而事实上分界面总是在一定程度上有着粗糙度和局部的通路。通过物质连接桥，压力可以传递，水也能渗透到衬砌和岩层之间的空洞里（如示意图2）。
图-2 通过物质连接桥进行力的传递
两个弹性的带有物质连接桥的断裂体能以简单的形式显示成插入弹簧的两个刚性体（如图3）。通过物质连接桥传递力的总和到规定的平面，形成一个-无水的-平均应力PO 。
图-3 弹簧模型
如果水渗透到分界面会形成水压增大，这就减缓弹簧受力，借此传递平均应力到分界面，保持初始总量的一致（包含了弹簧弹力和水压）（总应力=有效应力+水压）。当水压PW超过接缝中的原始应力PO时，进一步传递至整个分界面的这种应力首先变大。弹簧的弹力将被完全减载，只有水压仍然是有效的。
4.水压对岩石应力及衬砌上荷载的影响
为了显示水和岩层影响导致的力学效应，在竖向应首先考虑隧道顶层区域和及其上面的水平分界面（如图4）。
图4 隧道顶部区域内的水平分界面
在衬砌与岩层（A）间的接缝和水平分界面（B）之间，有一个水压连接（例如，由于垂直分隔面所至），因此可自由形成流体静水压。
最初，如第二节中所述，岩层中的第二应力状态形成。应力PRA作用在衬砌和岩层（A）之间，应力PRB在水平分界面（B）有效应，PRB >PRA 。
现在水压也增大了，如第三节中所述，应力PRA和应力PRB保持不变直到水压大于原始应力。这仅仅是衬砌与岩层间接缝的最初情况，因为应力存在，PRA
原始应力状态随衬砌与岩层间的附加应力 PA=PWA-PRA而改变，从而产生一种新的平衡状态。当分界面（B）中的原始应力PRB增至PRB1时，就可在（B）中激活另一个有效弹簧应力 PB。
任何隧道衬砌的荷载大于水压PWA时都可认为分界面（B）处的水压力PWB大于应力PRB1。为了评价起见，在下面示意地考虑为一个具有对称径向应力状态的无限延伸开孔圆盘。在初始状态下，覆盖状态 = G .ｈ一般都是有效的。
无水的第二状态情况如图5ａ所示。如上所述，应力PRA已在衬砌与岩层（A）之间变为有效，应力PRB在分界面（B）有效。就此而论，PRA在钻孔的边缘或多或少充当起了“内部压力”角色。
图-5a 钻孔盘模型上的第二应力状态
图-5b 钻孔盘内缘上的水压
PRA、PRB和初始应力间的关系 = G .ｈ现在能通过带有钻孔圆盘的应力方程式推导出来-例如根据〔3〕，由到中心点M的距离为RB的应力PRB得出： PRB= G .ｈ（1-RA2/RB2）+PRA .RA2/RB2（方程式1）
现在假定水压形成且在衬砌与岩层间的接缝处大于PRA。因而只有水压PWA= W .hw (hw= 隧道顶部以上的水压高度)才可在此有效。如图5ｂ所示。
图6 顶部与衬砌与岩石间的防水接缝中的水平渗水分界面
在（B）中有效的应力PRB1应与（方程式1）保持一致，可得出：PRB1= G.ｈ（1-RA2/RB2）+ W .ｈW .RA2/RB2（方程式2）
如果应力PRB1总是大于作用于（B）的水压PWB= W .（ｈW-RB +RA），这就不会对传递到分界面（B）上的应力造成影响。
因此就必须表示为：PRB1 > W .（ｈW- RB +RA）或者是PRB1 -W .（ｈW -RB +RA）>0，根据方程式（2），用PRB1推导出的结果：PRB1 -W .（ｈW -RB +RA）= G .ｈ（1-RA2/RB2）+ W .ｈW .RA2/RB2- W .（ｈW -RB +RA）= G.ｈ- G .ｈ.RA2/RB2+ W .ｈW .RA2/RB2- W .ｈW+ W .（RB -RA）= G .ｈ- W .ｈW- RA2/RB2 .（ G .ｈ- W .ｈW）+ W .（RB -RA）=（ G .ｈ- W .ｈW）.（1-RA2/RB2）+ W .（RB -RA）（方程式3）
立刻可看出方程式（3）的右边，即PRB1 -W .（ｈW –RB +RA）的差总为正。因此应力PRB1总是大于此处的主要水压PWB，并不受其影响。因而隧道衬砌不受任何其他荷载的影响。
因为隧道的分界面（B）的裂缝是一个随机参数，如果地层存在更多的的水平分界面，那么这个说明也是适用的。从而影响隧道衬砌的荷载不会改变，要么作为岩石压力的径向应力PRA起作用，要么水压PWA起作用。
现在让我们来考虑这样一种情况，尽管水压存在于衬砌之上的水平分界面，但由于环形间隙进行了密实注浆，因此衬砌与岩层之间不能形成水压，如图-6所示。可以通过定性分析来进行考虑，即：即使有更大的荷载作用于衬砌也不会再导致这种情况的发生。
因为在上述考虑中，二次应力状态––无水状态被再次假定，因此应力 PRA 作用于衬砌与岩石之间的接缝，应力PRB 作用于其上方的水平分界面，且PRB > PRA。
现在假定水压形成，且分界面(B)处的水压要大于此处的主要应力PRB。因此在（B）处只有水压有效（图6），换句话说，应力中有一个增量，即：△PB =PWB –PRB（二次应力状态）。由于在（B）中应力存在一个增量，因此在衬砌与岩层（A）间的接缝因平衡原因而产生了一个附加应力△PA，假定△PA总小于△PB。
如果假定在边界条件下△PA =△PB =PAB –PRB，那么就会产生影响衬砌的最不利载荷。衬砌与岩石间的总应力为：PRA +△PA= PRA + PWB–PRB= PWB–(PRB–PRA)。
由于PRB > PRA，因此括号内的差总为正，然而衬砌与岩石间的总应力总是小于PWB。因此，这种情况也被应用衬砌与岩石间的PWA而掩盖。
在以带有水平分隔面为例的上述探讨中也已表明，在一种增加的意义上，水与岩体压力的叠加是不必要的。类似地考虑也可应用在垂直与倾斜分隔面。
从第3、4节中讨论的基本力学情况来看，很明显的是问题复杂，需要确定各种状态下的主应力状态，并对其更精确的检验，然后施与水压的影响，观察它们是如何变化的。开展这样的探讨可得出以利设计衬砌的更多结果，而不拘泥于适合于土力学模型。在这种情况下，由隆起而影响的土体重量作用在衬砌上应与水压相加。
5.总结
上述考虑表明只要在第一和第二节中包含了先决条件与假定，那么在设计岩石隧道时，可以不要求水压和岩压的增加量进行叠加。
作者认为在第一节中所引用的853准则指南中的说明是永久有效。
该论文介绍了岩石隧道中水压与岩压处理的基本问题，并提出了相关的先决条件。因为与此主题相关的文献很少，因此此稿目的是希望激励更多这方面的研究项目与出版物。
译文选载于“tunnel”，May/2005，P43~50