第4章 隧道围岩分级与围岩压力计算

学习本章的目的：（1）要求掌握有关隧道的勘查、设计、构造原理和有关计算方法；（2）理解隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系；（3）了解隧道围岩分级时考虑的因素。4.1隧道围岩的概念与工程性质4.2围岩的稳定性4.3围岩分级4.4围岩压力的确定第4章隧道围岩分级与围岩压力Surroundingrockclassificationandpressure4.1隧道围岩的概念与工程性质4.1.1围岩的概念围岩:是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(土)体。说明：围岩既指岩体也指土体。围岩的范围：围岩的边界应划在开挖隧道面引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零。一般在横断面上为6-8倍的洞径。4.1.2围岩的工程性质物理工程性质水理力学：围岩抵抗变形和破坏的性能。岩体结构面岩石结构面：包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面岩体的力学特征主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特征以及结构面的特征：软弱节理发育和完整连续的岩体，岩石的结构特征决定岩体力学特征。坚硬块状岩体中，结构面为主导。岩体：由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。岩石与岩体的区别：岩石：均质、连续、各向同性岩体：非均质、不连续、各向异性岩体力学性质获取的方式：现场试验：真实、费时、费钱室内试验：不易取样、代表性差1、岩体的变形特性受拉、受压、剪切、流变问题：岩体能受拉吗？1)受压变形岩石：线性、弹性软弱结构面：非线性、塑性岩体：弹塑性体，见下图。ABC岩体岩石软弱结构面0图4-1典型岩体全应力应变曲线岩体：①压密阶段(OA)②弹性阶段(AB)③塑性阶段(BC)④破裂和破坏阶段(CD)2)剪切变形(1)沿结构面滑动(2)岩石的断裂(3)在结构面的影响下沿岩石剪断3)流变特性：●蠕变：指应力不变，而应变随时间增长。●松弛：应变不变，而应力随时间而衰减问题：围岩流变特性对隧道的影响？图4-2岩体的流变2、岩体强度岩石强度：通过试件获得。岩体强度：抗压强度：由结构面特征决定低于岩石强度，约为岩石强度的70～80％。抗剪强度：主要由结构面特征决定。4.2围岩的稳定性4.2.1研究围岩稳定性的意义围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定性。问题：什么是隧道工程的头等大事？研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定。围岩级别的工程作用：①判断围岩稳定性。②判断施工难易程度，投资依据。③结构分析计算的依据⑴地质因素～客观因素⑵人为因素～主观因素、工程因素4.2.2影响围岩稳定性的因素1、地质因素从5个方面来分析：⑴岩体结构特征⑵结构面性质和空间的组合⑶岩石的力学性质⑷地下水的影响⑸围岩的初始应力状态⑴岩体结构特征指岩体的破碎程度或完整状态。●破碎程度：裂隙率、裂隙间距。对稳定性起主导作用。裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。按这裂隙间距将岩体分为：⑵结构面性质和空间组合●性质1)结构面的成因；2)结构面的光滑程度；3)结构面的物质组成；4)结构面的规模；5)结构面的密集度。●空间组合指结构面的相互位置状态。问题：软弱结构面有怎样的害处？什么是不利空间组合？•张家界图节理较发育⑶岩石的力学性质主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度Rb。岩石强度越高，隧道越稳定。(4)围岩的初应力状态●初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。●已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。在高的初始应力场条件下，围岩级别应适当降低。⑸地下水的影响●软化围岩；●减少层间摩阻力促使岩块滑动；●具膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀等。2、人为因素⑴隧道形状和尺寸⑵支护结构类型⑶施工方法•超挖4.3围岩分级4.3.1概述围岩分级：根据岩体的若干指标，按照稳定性将围岩分成不同的级别。工程目的：（1）结构设计依据（2）施工方法依据（3）工程造价依据围岩分级的发展过程：土石分类法单一因素分类法综合物性分类法其它分级法：组合多因素分类法与地质勘探手段相联系的分类法总结：早期～仅岩石强度；现在～综合多种因素，如岩体构造、岩石强度、RQD指标等。4.3.2围岩分级方法3个基本因素：①岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等。②地质构造：岩体完整性或结构状态。③地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。1个附加因素：④初始地应力：适当考虑。（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法1.以岩石强度为基础的分级法代表：土石分类法～坚石、次坚石、松石、土。2.以岩石物性指标为基础的分级法代表：岩石坚固性系数(f值)分级法～普氏法f值：一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等。但核心还是岩石强度。(二)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法代表：●泰沙基法～考虑围岩的完整状态和岩性，共9级。●我国交通隧道围岩分级法～借鉴了泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6级。（三）与地质勘探手段相联系的分级方法代表：●弹性波速分级法～波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标，波速越高，围岩越好。波速Kv0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.150.15完整性完整较完整破碎较破碎极破碎●岩石质量指标～RQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。RQD指标的具体含义为岩芯复原率:R0.90.75R0.90.5R0.750.25R0.5R0.25优良好差很差表中R为RQD指标。(四)组合多种因素的分级方法代表：岩体质量分级法巴顿等人提出的“岩体质量—Q”分级法。表达如下：SRFJJJJRQDQwarh组合了6个参数：岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。(五)我国铁路与公路隧道的围岩分级方法1.铁路隧道⑴沿革●岩体综合分类～60年代，成昆线，五类。●隧道围岩分类～74年版，首部铁路隧道规范，六类。●隧道围岩分类～86年版，加入围岩弹性波速指标。●隧道围岩分级～99年版，采用国标分级排序，改称“围岩分级”，六级。●隧道围岩分级～2001年版，不变。●隧道围岩分级～2005年版，不变。⑵分级的理论基础●以围岩的稳定性判断为基础。属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法。●主要考虑4种因素：①岩石坚硬程度②围岩完整状态③地下水④围岩初始地应力基本分级修正基本分级基本分级修正基本分级最终分级⑶基本分级依据：围岩主要工程地质条件，由两条组成：①岩石坚硬程度软硬岩分界指标：30MpaRb30硬岩5Rb≤30软岩Rb5极软岩②围岩完整程度指标1：结构面发育程度指标2：地质构造影响程度由此两指标，将岩体完整程度分为5个级别，见下表：岩体完整程度的划分完整程度结构面发育程度地质构造影响程度完整不发育轻微较完整较发育、不发育较重、轻微较破碎发育、较发育严重破碎极发育、发育极严重、严重极破碎极发育极严重围岩受地质构造影响程度等级划分等级地质构造作用特征轻微围岩地质构造变动小，无断裂（层）；层状岩体一般呈单斜构造；节理不发育较重围岩地质构造变动较大；位于断裂（层）或褶曲轴的邻近地段；可有小断层，节理较发育严重围岩地质构造变动较强烈，位于褶曲轴部或断裂影响带内；软岩多见扭曲及拖拉现象；节理发育很严重位于断裂（层）破碎带内；节理很发育；岩体呈碎石、角砾状，有的呈粉末泥土状围岩节理（裂隙）发育程度划分等级地质构造作用特征节理不发育节理（裂隙）1-2组，规则，为原生型或构造型，多数的间距在1.0m以上，为密闭型。岩体被切割成块状节理较发育节理（裂隙）2-3组，呈x型，较规则，以构造型为主，多数的间距大于0.4m，多为密闭。部分微张开，少有填充物。岩体被切割成大块状节理发育节理（裂隙）3组以上，不规则，呈x型或米字型，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.4m，大部分微张开，部分张开，大部分为粘性土填充。岩体被切割成块、碎石状节理很发育节理（裂隙）3组以上，杂乱，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.2m，微张开或张开，部分为粘土充填。岩体被切割成碎石状(4)铁路隧道围岩分级表基本分级+围岩弹性纵波速度=铁路隧道围岩分级⑸特点◆给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态。◆尚未考虑地下水和地应力。•⑹修正分级•◆地下水•地下水的3种处理方法：•①分级时按无水考虑，而是根据地下水的状态，适当降低围岩等级(1～2级)；•②分级时按有水考虑，当确认围岩无水则提高围岩等级；•③直接将地下水状况(水质、水量、流通条件、静水压力等)作为一个分级指标。初始地应力影响的修正围岩基本分级修正级别初始地应力状态ⅠⅡⅢⅣⅤ极高应力ⅠⅡⅢ或ⅣⅤⅥ高应力ⅠⅡⅢⅣ或ⅤⅥ•两点说明：•设计阶段：采用修正后的围岩分级。•施工阶段：根据实际情况，进一步判定围岩分级，依据仍然是：•岩石坚硬程度•围岩完整状态•地下水•初始地应力2.公路隧道⑴初步分级～相当于铁路的基本分级依据：围岩主要定性特征该特征由两个基本因素组成：●岩石坚硬程度Rc(即强度)●岩体完整性Kv(即弹性波速)根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为6级。围岩级别岩体特征土体特征围岩弹性纵波速度(km/s)Ⅰ极硬岩，岩体完整-＞4.5Ⅱ极硬岩，岩体较完整；硬岩，岩体完整-3.5～4.5Ⅲ极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整-2.5～4.0Ⅳ极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的碎(卵)石土、大块石土，黄土(Q1、Q2)1.5～3.0Ⅴ软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩(包括受构造影响严重的破碎带)一般第四系坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍湿、潮湿的碎(卵)石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土(Q3、Q4)1.0～2.0Ⅵ受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状粘性土、饱和的粉土、砂类土等＜1.0(饱和状态的土＜1.5)⑵详细分级～相当于铁路的修正分级当有以下3方面影响时，应予修正：①地下水K1②软弱结构面(比铁路多此条)K2③高初始地应力K34.4围岩压力4.4.1岩体初始应力状态自重应力构造应力地下水压力温度应力原岩毛洞稳定洞室开挖支护一、围岩压力及其分类(一)围岩压力围岩压力地层对洞室的作用力广义：包括有、无支护时的压力狭义：仅指对支护的压力（二）围岩压力分类1．松动压力～围岩变形过大，发生松动而形成的压力。2．形变压力～围岩变形在有限范围内而形成的压力。这是最重要的两种压力形态。3．膨胀压力～膨胀性岩层。4．冲击压力～明洞，落石；暗洞，坍方、岩爆。4.4.2影响围岩压力的因素㈠地质因素1.岩体初始应力状态2.岩石力学性质3.岩体结构面4.地下水等㈡工程因素1.施工方法2.支护设置时间3.支护本身刚度4.隧道断面形状等1.围岩松动压力的形成自然拱的概念：围岩的变形不能得到有效的控制，当变形超过一定限度后，围岩发生松动、坍落，最终在洞室上方形成拱形。(a)变形阶段；(b)松动阶段；(c)塌落阶段；(d)成拱阶段。4.4.3围岩松动压力的形成和确定方法自然拱影响自然拱的因素：●隧道埋深～成拱的必要条件●隧道断面形状和大小～拱的范围●施工因素～对围岩的扰动程度2、围岩压力的确定方法直接量测法理论估算法统计法（经验法、工程类比法）1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法(1)统计法—我国《隧规》所推荐的方法式中γ—围岩容重；hq—坍落拱高度；s—围岩级别；w—宽度影响系数，由w=1+i（B-5）计算：B—坑道宽度，当B＜5m时，取i=0.2，当B＞5m时，取i=0.1。双线单线51245.079.141.01Bihhss水平压力见表：表围岩水平均布压力围岩级别Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布压力0＜0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q统计法公式的适用条件：H/B＜1.7，H为坑道的高度；深埋隧道；不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩；采用矿山法施工。据统计，围岩垂直松动压力的分