隧道工程(5)

第五章隧道围岩分级与围岩压力5.1隧道围岩分级及其作用5.2围岩压力的确定5.3影响围岩稳定性的因素●围岩：隧道周围一定范围内，对其稳定性产生影响的岩体；●围岩压力：是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌结构的主要荷载之一。其性质、大小、方向以及发生和发展的规律，对正确地进行隧道设计与施工有很重要的影响。●地质环境：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、地温梯度等。5.1隧道围岩分级及其应用●目前，隧道围岩分级是设计、施工的基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基础上的）。●围岩分级的目的①作为选择施工方法的依据；②进行科学管理及正确评价经济效益；③确定结构上的荷载（松散荷载）；④给出衬砌结构的类型及其尺寸；⑤制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等；●人们对围岩的认识是不断深入的：从在国外的情况看：土石方工程分类法(开挖难易程度)岩石的坚固性来分类:如坚固性系数fRQD从围岩稳定性出发分类来代替多年沿用的坚固性为基础的分类从分级指标方面：大多数从定性描述经验判断定量描述●以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是隧道围岩分类的总趋势。1、隧道围岩分级的因素指标及其选择⑴单一的岩性指标●一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级指标，具有试验简单，数据可靠的优点；●岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量、泊松比等物理力学参数；●岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。⑵单一的综合岩性指标●岩体的弹性波传播速度：弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比，其指标反映了岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合因素，通常用Kv来评价：2岩石岩体vvKvKv0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.150.15完整性完整较完整破碎较破碎极破碎●岩石质量指标（RQD）：是综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率，即：RQD（％）＝10cm以上岩芯累计长度×100单位钻孔长度岩石质量指标分级认为：RQD90％为优质；75％RQD90％为良好；50％RQD75％为好；25％RQD50％为差；RQD25％为很差●围岩的自稳时间：隧道开挖后，围岩通常都有一段暂时稳定的时间，不同的地质环境，自稳时间是不同的，劳费(H.Lauffer)认为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示：ts=常数×L－(1＋a)式中：L－隧道未支护地段的长度；a－视围岩情况在0～1之间变化，好的岩体可取a=0;极差的a=1劳费（H.Lauffer）根据围岩的自稳时间和未支护地段的长度，将围岩分为：稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的七级●复合指标是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。具有代表性的复合指标分级，是巴顿N.Barton等人提出的岩体质量－Q指标，即：Q＝（RQD/Jh）(Jr/Ja)(Jw/SRF)RQD:岩石质量指标;Jh:节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大;Jr:节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小;Ja:节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大，Jw:节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，Jw取值愈小，SRF:应力折减系数，围岩初始应力愈高，SRF取值愈大●指标的选择⑴首先选择对隧道围岩稳定性有重大影响的因素指标；⑵选择测试设备简单、人为因素小、科学性强的定量指标；⑶选择指标要有一定的综合性。2、隧道围岩分级的方法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。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、变形模量或弹性波速等。第II类：与地质构造有关的要素。其分类指标采用诸如岩石的质量指标、地质因素平分法等，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级别中一般占有重要地位；第Ⅲ类：与地下水有关的要素。目前国内外围岩的分类方法，考虑上述三大基本要素，按其性质主要分为如下几种：⑴以岩石强度或岩石的物理指标为代表的分类方法：①按岩石强度为单一岩性指标的分级法:具有代表性是我国解放前或解放后初期的土石分类法，即把岩石分为坚石、次坚石、松石及土；②以岩石的物性指标为基础的分级方法：具有代表意义的是我国工程界广泛采用的岩石坚固系数值分级法；●优点：指标单一，使用方便；●缺点：不能全面反映岩体固有的性态。⑵以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法：①这类分类法以泰沙基分类法为代表这类分类法是在早期提出的，限于当时的条件，仅把不同岩性、不同构造条件对围岩分类，这类分类法曾长期被各国采用，至今仍有广泛的影响。②以岩体综合物性为指标的分类法60年代我国提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分类法”。●优点：正确的考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况等多因素对围岩的影响。●缺点：分级指标缺乏定量描述。⑶以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，又可表达岩体结构的破碎程度。1970年前后，日本提出按围岩弹性波速度进行分类，我国从1986年起，也开始将围岩弹性波（纵波）速度引入我国围岩分类法中。②以岩石质量为指标的分类方法——R.Q.D.方法●优点：考虑了多种因素的影响，但分级指标大体上是半定量的。●缺点：分级的判断还带有一定的主观性。⑷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。岩体质量值Q实质上是岩块尺寸、抗剪强度和作用力复合指标，根据不同的Q值，可将岩体进行分类。⑸以工程对象为代表的分类法：●优点：目的明确，使用方便，能够指导施工；●缺点：分级指标以定性描述为主，人为因素较大。纵上所述，围岩的分类方法有以下几方面的发展趋势：⑴分类应主要以岩体为对象。⑵分类宜与地质勘探手段有机的联系起来；⑶分类要有明确的工程对象和工程目的。⑷分类宜逐渐定量化。值得注意的是，近年国内外有关学者提出采用模糊数学分类；根据坑道周边量测的收敛值分类；采用人工智能－专家系统分类等建议，这些设想都将使围岩分类方法日趋完善。围岩分级的分阶段实施，是因为围岩分级除了取决于地质条件外，还和工程规模、形状、施工工艺等技术条件有关。不同阶段的地质勘察、试验研究、工作顺序可用右图所示的框图来表示。3、我国公路隧道围岩分级⑴公路隧道围岩分级的出发点●强调岩体的地质特征的完整性和稳定性，避免单一的岩石强度指标分级的方法；●分级指标应采用定性和定量指标相结合的方式；●明确工程目的和内容，并提出相应的措施；●分级应简明，便于使用；●考虑吸收其它围岩分级优点，并尽量和我国其它工程分级一致。⑵考虑分级的指标和因素●岩体的结构特征与完整状态岩体的结构特征与完整状态是评价围岩稳定程度最直接、最重要的指标●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及软质岩石二级，依饱和抗压极限强度Rb与工程的关系分为四种，其标准及代表性岩石见表●地下水在公路隧道围岩的分级中，遇有地下水时，一般的处理采用降级的方法①整体的硬质岩石中，一般的地下水对其稳定性影响不大，不考虑降级；②块状硬质岩和整体软质岩中，地下水将影响其稳定性，产生局部坍塌，或软化软弱结构面，围岩分级时一般可酌情降低1级；③碎石状松散结构的岩体中，裂隙中有泥质充填物，地下水对稳定性影响很大，可根据地下水的性质、水量、渗流条件、动水和静水压力等情况，判断其对围岩的危害程度，可降低1～2级；④强烈的断裂带，或软塑性粘土和潮湿的粉细砂，分类时已考虑了一般含水地质情况的影响，不再降级。对于特殊含水地层如已达到饱和状态或具有较大的承压水时，需另作处理。⑶公路隧道围岩分级●根据以上对分级因素和指标的分析，公路隧道围岩分级将围岩分为六级，见表；●R.Q.D、岩体弹性波（纵波）速度、岩体完整性系数的分类法。⑷隧道施工围岩分级●施工阶段围岩判定具有直接性、可靠性、重要性的特征。●评定因素采用围岩坚硬程度、围岩完整性程度、和地下水状态三项因素，细分为十三个子因素，即3－13评定：在三个因素中，最困难的是围岩完整性程度的评定，研究的重点是如何根据掌子面的地质数据评价围岩的完整程度。根据对国内外施工阶段围岩分级的调查，应采用多种方法对围岩完整程度进行分级，采用定性和定量相结合的方法，如可采用下图的指标：5.2围岩压力的确定1、围岩压力的概念●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以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。从狭义上来理解，围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。●围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型：⑴松散压力：是指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。常通过下列三种情况发生：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，坑道顶部和两侧片帮冒落；③在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。⑵形变压力：是指由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，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。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。⑶膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。⑷冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩体，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，就会突然猛烈的大量释放。2、围岩松散压力的产生开挖隧道所引起的围岩松动和破坏的范围有大有小，对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅局限在隧道周围一定深度，作用在支护结构上的围岩松散压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力，这可用围岩的“成拱作用”来解释。下面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形变到坍塌成拱的整个变形过程。成拱过程：⑴隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；⑵顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因，逐渐转变为松动，可视为松动阶段；⑶顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段；⑷顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形，可视为成拱阶段。自然拱的范围的大小除受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态外，还取决于以下诸因素：⑴隧道的形状和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩的松散压力也越大；⑵隧道的埋深：实践证明，只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱。习惯上称这种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。⑶施工因素：如爆破所产生的震动，常常是引起塌方的重要原因之一，造成围岩压力过大，又如分部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。3、围岩压力的确定方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：●直接量测法：是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向；但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。●经验法或工程类比法：是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法。是目前使用较多的方法。●理论估算法：是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素又非常多，这些因素本身及它们之间的组合也带有一定的偶然性，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的。在理论计算方法中，考虑几个主要因素，使其结果相对地接近实际围岩压力的情况，是目前隧道工程设计中采用较多的方法。⑴深埋隧道围岩压