4.2隧道围岩的初始应力场与围岩分级

王丽琴主讲1第三节围岩的初始应力场一、围岩初始应力场的组成二、围岩初始应力场的影响因素王丽琴主讲2在自重应力场中，地表以下任一深度H处的垂直应力等与其上覆岩体的重量。Hz以压应力为正，为岩体的容重。当上覆岩体为多层时，则为niiizH1一、围岩初始应力场的组成(一)自重应力场王丽琴主讲31.应力是随深度成线性增加；2.水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。围岩自重应力场的变化规律王丽琴主讲4地质力学认为：地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果。因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称为构造应力场。(二)构造应力场王丽琴主讲5我国大陆初始应力场(包括自重应力场和构造应力场)的变化规律大致可以归纳为如下几点：①地质构造形态不仅改变了重力应力场，而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在岩体内，这种残余构造应力将对地下工程产生重大影响。②垂直应力的量值随深度增加而增大，而且水平应力普遍大于垂直应力。③水平主应力具有明显的各向异性。王丽琴主讲6二、围岩初始应力场的影响因素围岩的初始应力状态，一般受到两类因素的影响：第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质及构造、地形等经常性的因素。第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素；王丽琴主讲7此外，在众多的因素中还要特别研究下面几点：1、地形和地貌。2、岩体的力学性质。3、地温。4、人类活动。王丽琴主讲8第四节隧道围岩分级及其应用坑道开挖后的稳定性可分为以下几类：1)充分稳定的坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。2)基本稳定的坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的。3)暂时稳定的大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。4)不稳定的王丽琴主讲9第四节隧道围岩分级及其应用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王丽琴主讲10第四节隧道围岩分级及其应用一、以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法二、以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法三、与地质勘探手段相联系的分级方法四、以多种因素进行组合的分级方法五、以工程对象为代表的分级法六、我国现行铁路隧道围岩分级王丽琴主讲11代表性方法→→前苏联普落托奇雅柯诺夫教授提出的“岩石坚固系数”分级法(或称“f”值分级法，或普氏分级法)。我国工程部门在将“f”值分级法应用到隧道工程的设计、施工时，已注意到必须考虑岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的值适当降低，即：f岩石=Ｋ·f岩石式中：f岩石值是由岩石强度决定的，Ｋ是考虑地质条件的折减系数，一般情况下，Ｋ＜1.0。一、以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法王丽琴主讲1260年代，我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”，并于1975年经修正后被我国“铁路工程技术规范(隧道)”所采用。该分类法将隧道围岩分为6类。这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。此外，这种分级法最早考虑了埋深对围岩级别的影响。其缺点是分类指标还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法，在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。二、以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法王丽琴主讲13三、与地质勘探手段相联系的分级方法围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可以反映岩石软硬，又可以表达岩体结构的破碎程度。因此，在弹性波速度基础上，综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素(岩性、风化程度、破碎状态、含水及涌水状态等)，将围岩分为7级。我国1986年施行的“铁路隧道设计规范”中将弹性波(纵波)速度引入隧道围岩分级中，将围岩分为6级。围岩类别ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ弹性波速(km/s)＞4.53.5～4.52.5～4.01.5～3.01.0～2.0＜1.0(饱和土＜1.5)王丽琴主讲14这种分级法认为，评价一种岩体的好坏，既要考虑地质构造、岩性、岩石强度，还要考虑施工因素，如掘进方向与岩层之间的关系、开挖断面的大小等，因此就需要建立在多种因素的分析基础之上。在这类分级法中，比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量—Q”分级法。Q与六个表明岩体质量的地质参数有关，表达如下：SRFJJJJRQDQwarh四、以多种因素进行组合的分级方法王丽琴主讲15根据不同的Q值，将岩体质量评为九等。岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q400～1000100～40040～10010～404～101～40.1～10.01～0.10.001～0.01岩体质量评估王丽琴主讲16这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分级法(1979年)、苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法(1966年)等，优点是目的明确，而且和支护尺寸直接挂钩，因此，使用方便，对指导施工很起作用。五、以工程对象为代表的分级法王丽琴主讲17在1975年铁道部颁布了以围岩结构特征和完整状态为分类基础的新的铁路隧道围岩稳定性分级法，它总结了我国建国以来在修建铁路隧道中使用f值分级法所积累的经验，并参考了国内外有关围岩分级成果。六、我国现行铁路隧道围岩分级王丽琴主讲181、围岩分级的基本因素围岩基本分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法确定。㈠围岩分级的基本因素及围岩基本分级王丽琴主讲19岩石类别单轴饱和抗压极限强度Rb(MPa)代表性岩石硬质岩极硬岩＞60未风化或微风化的花岗岩、片麻岩、闪长岩、石英岩、硅质灰岩、钙质胶结的砂岩或砾岩等硬岩30～60弱风化的极硬岩；未风化或微风化的熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、灰岩、钙质胶结的砂岩、结晶颗粒较粗的岩浆岩等软质岩较软岩15～30强风化的极硬岩；弱风化的硬岩；未风化或微风化的云母片石、千枚岩、砂质泥岩、钙泥质胶结的粉砂岩和砾岩、泥灰岩、泥岩、凝灰岩等软岩5～15强风化的极硬岩；弱风化至强风化的硬岩；弱风化的较软岩和未风化或微风化的泥质岩类；泥岩、煤、泥质胶结的砂岩或砾岩等极软岩＜15全风化的各类岩石和成岩作用差的岩石岩石坚硬程度的划分王丽琴主讲20完整程度结构面特征结构类型岩体完整性指数完整结构面1～2组，以构造型节理或层面为主，密闭型巨块状整体结构Kv＞0.75较完整结构面2～3组，以构造型节理、层面为主，裂隙多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物块状结构0.75≥Kv＞0.55较破碎结构面一般为3组，以节理及风化裂隙为主，在断层附近受构造影响较大，裂隙以微张型和张开型为主，多有充填物层状结构、块石碎石结构0.55≥Kv＞0.35破碎结构面大于3组，多以风化型裂隙为主，在断层附近受构造作用影响大，裂隙以张开型为主，多有充填物碎石角砾状结构0.35≥Kv＞0.15极破碎结构面杂乱无序，在断层附近受断层作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥夹岩屑充填，充填物厚度大散体状结构Kv≤0.15岩石完整程度的划分王丽琴主讲212、围岩基本分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)王丽琴主讲22在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的，在同级围岩中，遇水后则适当降低围岩级别。降低的幅度主要看：①围岩的岩性及结构面的状态；②地下水的性质、大小、流通条件及对围岩浸润状况和危害程度而定。㈡围岩分级的影响因素及分级的修正1、地下水王丽琴主讲23本围岩分级中关于地下水影响的修正。级别状态渗水量[L/(min·10m)]Ⅰ干燥或湿润＜10Ⅱ偶有渗水10～25Ⅲ经常渗水25～125地下水状态的分级围岩级别地下水状态级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ-ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ-ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ-地下水影响的修正王丽琴主讲24围岩的初始应力状态对岩体的构造-力学特征是有一定影响的。因此，围岩分级中考虑了初始应力状态的影响，将初始应力场采取修正系数的方法，对围岩级别予以降级。2、初始应力场王丽琴主讲25初始地应力状态主要现象评估基准(Rb/max)极高应力硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差＜4软质岩：岩心常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞高应力硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差4～7软质岩：岩心时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差围岩级别初始地应力状态ⅠⅡⅢⅣⅤ极高应力ⅠⅡⅢ或ⅣⅤⅥ高应力ⅠⅡⅢⅣ或ⅤⅥ初始地应力状态评估初始地应力影响的修正王丽琴主讲26作业：P1267、8、9、10、12