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图2-1 沉积岩的层理构造示意图
3、变质岩
变质岩是由岩浆岩或沉积岩在地壳中受到高温高压或其他因素作用下，其矿物成分和排列经某种变质作用而形成的岩石。一般来说，它的变质程度越高、重结晶越好结构越紧密，坚固性越好。由火成岩形成的变质岩（如花岗片麻岩等）称为正变质岩；由沉积岩形成的变质岩（如千枚岩、板岩、大理岩、石英岩等）称为副变质岩。常见的有大理岩、板岩、石英岩等。 2.1.2岩石的分级
岩石的分级（类），通常是根据凿岩爆破工程的实际应用需要来进行的。半个多世纪以来，世界各国的爆破工作者就岩石的科学分级进行了大量的实验和研究工作。我国自建国初期就引入苏联的岩石分级方法以来，各工业部门也曾制定有自己特色的岩石分级法。但至今还没有一个能世界各国公认的普遍都适用的岩石分级法。 1、岩石可钻性分级
岩石可钻性是表示钻凿炮孔的难易程度的一种岩石坚固性指标。国外有用岩石抗压强度、普氏坚固性系数、点荷载强度、岩石的侵入硬度等作为可钻性指标的。国内东北
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大学根据多年的研究，于1980年提出以凿碎比能（冲击凿碎单位体积岩石所耗能量）作为判据来表示岩石的可钻性。
表2-1 岩石的可钻性分级
级别
凿碎比能（J/cm) Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ
≤180 187～284 285～382 383～480 481～578 579～676
≥677
极易 易 中等 中难 难 很难 极难
3可钻性
代 表 性 岩 石 页岩、煤、凝灰岩
石灰岩、砂页岩、橄榄岩、绿泥角闪岩 花岗岩、石灰岩、橄榄片岩、铝土矿、混合岩
硅质灰岩、辉长岩、黄铁矿、大理岩 磁铁石英岩、苍山片麻岩、中细粒花岗岩
假象赤铁矿、磁铁石英岩、煌斑岩
假象赤铁矿、磁铁石英岩
2、岩石的可爆性分级
岩石可爆性表示岩石在炸药爆炸作用下发生破碎的难易程度，它是动载作用下岩石物理力学性质的综合体现。其重要意义在于预估炸药消耗量和制定定额，并为爆破设计优化提供基本参数。
可爆性分级研究状况：
17世纪霍夫曼（F.Hhffmann）提出的按开挖方法（爆破或不爆破）和开挖工具的不同，将岩石分为6类
1889年齐哈（F.Rziha）提出按开挖工具、开挖消耗的炸药量和人工将岩石分为4类9级；
1926年苏联普氏提出以岩石坚固性系数f为主要判据，将岩石分为10级； 50年代，日本提出以弹性波速、抗剪强度等因素对岩石进行分级；
建国初期，工程单位一般都以苏联的普氏分级法和苏氏分级法作为岩石爆破性分级的难度及复杂性。目前用得较多的岩石可爆性分级法：库图佐夫岩石爆破性分级法、岩石爆破破碎性分级法、岩石爆破指数分级法 。
岩石的硬度大会对爆破顶管的施工造成很大的麻烦。岩石的的硬度大会增加钻孔的难度，在钻孔的时候耗费很多时间，有时甚至不能完全使钻杆钻入岩石中，这就使得钻孔的深度小了许多。钻孔深度浅，单孔装药量就小。所以在这种硬岩中很难一次爆破成硐。为了解决在硬岩中钻孔难的问题，我们只能做到钻进去多少就算多少。钻孔浅，单孔装药量小，爆破的方量少，不能达到我们预期的效果。这样我们只能采取多次起爆的
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方法。一次起爆的药量虽然不多，可是它会为二次起爆创造出一个新的自由面，这样二次起爆就会有良好的效果。
虽然在硬岩中采用多次起爆的方法，但钻孔深度不够，使得整体上一次放炮的效果不是很好，即一次放炮的方量还是比较少，增加了工序的循环，使工程的进度还是会延长。
2.1.3不同岩土体扩孔失稳的机理
岩土体扩孔失稳的机理与岩土体本身的性状有着重要的关系，所以考虑岩土体失稳的机理要考虑岩土体本身的性状。
1、孔壁岩土体为脆性围岩的情况
这类围岩的失稳形式主要是在回弹应力和重分布的应力作用下发生的。除与应力状态有关外，主要取决于围岩结构，一般有弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移以及破碎松动等不同类型。各种类型的失稳机制如表2-2所示。并作说明如下：
表2-2 脆性围岩失稳机理简表
岩体结构 块体状结构及 厚层状结构 中薄层状结构 碎裂结构
变形失稳形式 张裂塌落 劈裂剥落 剪切滑移和剪切破碎
弯折内鼓 碎裂松动
产生机制
拉应力集中造成的张裂破坏 压应力集中造成的压致拉裂 压应力集中造成的剪切破裂及滑移拉裂 压应力集中或卸荷回弹造成的弯曲拉裂
压应力集中造成的剪切松动
张裂塌落通常发生于厚层状或块体状且K≤1/3（K——侧压力系数）的岩体的顶部处。当那里的集中拉应力值超过围岩的抗拉强度时，顶部围岩就会发生张裂，尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时，即使发生的拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝。被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下变得很不稳定，特别是有近水平方向的软弱结构面发育时，往往造成顶部的塌落。由于侧压力作用形成顶部坍塌拱，又会使顶部的拉应力集中也随之减小，甚至变为压应力而趋于稳定，坍塌也就不再发生。
劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构且K>1/3的岩体内，视围岩应力条件的不同，可发生于顶部，也可发生于侧壁。这是由过大的切向压应力使围岩表部发生平行于孔洞周边的破裂而造成的。
剪切滑移多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩应力条件的不同，可发生于顶部，也可发生于侧壁。在K>1的应力场中多发生于顶部压应力集中，且有斜向断裂发育的部位，位于断层带内的岩层单元体通常切向应力很大而径向应力很小，故沿断层作用的剪应力较高而正应力较小，所以，沿断层面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，
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引起沿断层的剪切滑移。这种滑移又会引起次生的拉应力，从而使断层与孔壁间的岩体因滑移拉裂而塌落。在K<1的应力场中剪切滑移多发生于侧壁上压应力集中程度较高，且有陡倾角断裂发育的部位，当断裂面上的剪应力超过其抗剪强度时，围岩即将沿断裂面发生剪切滑移，造成侧壁失稳。
弯折内鼓是层状特别是薄层状围岩变形失稳的主要形式。从力学机制来看，它的产生可能有两种情况：一是卸荷回弹的结果(K＞3)；二是应力集中使孔壁处的压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度（1/3
破碎松动是破裂结构岩体变形、破坏的主要形式，孔道钻进后，如果围岩应力超过了围岩的屈服强度，这类围岩就会沿多组已有断裂结构面发生剪切错动而松弛，并围绕孔壁形成一定的破碎松动带或松动圈。这类松动带本身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与时，极易导致顶部的塌落和侧壁的失稳。
2、孔壁岩土体为塑性围岩的情况
塑性围岩包括各种软弱的层状结构岩体（如页岩、泥岩和粘土岩等）和散体结构岩体。这类围岩的变形失稳主要是在应力重分布的作用下发生的，主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出和重力坍塌等不同类型，软岩的各种失稳类型如表2-3所示，现分述如下：
塑性挤出易发生于固结程度较高的泥岩、粘土岩，各种富含泥质的沉积或变质岩（如泥岩、页岩、板岩和千枚岩等）中的挤压剪切破碎带以及火成岩中的富含泥质的风化破碎夹层等（特别是这些岩体富含水分处于塑性状态时）。孔道钻进后，当围岩应力超过其屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向阻力小的空间挤出。
膨胀内鼓易发生于富含粘土矿物（特别是蒙脱石）的塑性岩石和含硬石膏的地层。孔道钻进后，围岩表层减压区的形成往往促使水分由内部高应力区向围岩表层转移，结果使易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形。
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表2-3 塑性围岩失稳机理简表
岩体结构 层状结构
变形失稳形式 塑性挤出 膨胀内鼓 塑性挤出
散体结构
塑流涌出 重力塌落
产生机制
压应力集中下的塑性流动 水分重分布造成的吸水膨胀
压应力作用下的塑流 松散饱水岩体的悬浮塑流
重力作用下的坍塌
塑流涌出是当钻孔揭穿了饱水的断裂时，带内的破碎物质就会和水一起在压力下呈的泥浆状突然涌入孔道中。
重力坍塌是破碎松散的岩土体由于结构松散、粘聚力很小在重力作用下发生的塌方。维持钻孔稳定的主要目的是防止塌孔与维持孔形。因此可采取以下对策：
（1）扩孔完成后应立即进行铺管施工，尽量减少裸孔时间。 （2）选用足够刚度的套管，防止管道损伤。
（3）必要时采用超前灌浆固结岩土体防止钻孔时孔壁坍塌。 2.1.4塌方处理方法
爆破顶管施工以后，原有的岩体结构和受力平衡被破坏，岩体在自重的作用下，应力重新分布，构成新的受力平衡体系，在施工过程中存在着许多不确定的因素，很容易因各种原因而造成塌方。因此,如何采取措施有效预防和治理塌方，将塌方造成的危害降至最低，是爆破顶管施工中一个很重要的的问题。
（1）锚杆法
利用钻机在围岩壁上钻孔安设锚杆对围岩实施加固的方法。锚杆法加固的作用机理主要估计为悬吊理论、组合梁理论或组合拱理论这几种作用。常配合钢筋网格和喷射混凝土工艺一起使用,其工艺简单，易于实现,应用很广。缺点是不适合大范围破碎围岩的处理。
（2）注浆法
注浆是将某些胶凝材料配置成浆液，用压送设备灌入土层或岩层中,使浆液在高压作用下沿缝隙扩散，最终胶凝固化。该法能将破碎的岩块胶结，增强岩体的整体强度，适用范围广，加固效果明显，对防止岩层渗漏水有很好的作用。缺点是施工工艺复杂，需要考虑浆液胶结强度、凝结时间等诸多因素。
（3）管棚法
管棚法是沿开挖轮廓周线钻设与顶管轴线平行的钻孔，而后插入不同直径的钢管(钢管之间留一定间距)形成钢管棚架的一种支护方法，常配合注浆法一起使用，主要作用是提高管周围岩的抗剪强度，减少开挖引起的松弛变形，防止拱部崩塌。
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