公路隧道围岩分级.ppt

公路隧道围岩分级方法及实施 作者 王石春 目录 1围岩分级概述1 1分级的目的与意义1 2围岩分级国内外现状1 3国内外部分分级方法简介1 4公路隧道围岩分级现状及修订的必要性2公路隧道围岩分级方法2 1 工程岩体分级标准 GB50218 94简介2 2公路隧道围岩分级 JTGD70 2004 目录 3隧道围岩分级因素的定性划分和定量指标确定方法3 1公路隧道围岩分级因素3 2分级基本因素的确定3 3详细分级时岩体基本质量修正方法4公路隧道围岩分级方法的实施4 1施工前阶段4 2施工阶段4 3岩体完整性定量指标Kv Jv的现场确定方法 1围岩分级概述 1 1分级的目的和意义在工程建设的各个阶段 规划 可行性研究 勘探 设计和施工中正确的对岩土体质量和稳定性做出评价 即对其稳定等级做出正确的划分 具有十分重要的意义 它是经济合理地进行岩土工程规划选点 址 可行性评估 工程结构和对岩土体改良 加固设计 快速安全施工 以及建筑物安全运行的不可少的条件 分级目的不同 分级的方法也不同 例如以施工可挖性为目的 就有以可钻性 可爆性为出发点的分级 有以工程岩体稳定性评价 支护加固措施方法为目的 就有以稳定性等级划分为出发点的分级方法 国内外既有和现行的围岩分级方法多数属于围岩稳定性等级的划分方法 工程岩体 围岩 需要区分的是岩体稳定程度的不同 具有质量和稳定性的差别 是有序的 岩体的级别高 表示稳定性好 反之 级别低 表示稳定性差 而 分类 一词 主要强调的是岩体属性的不同 它是不分序次的 它与工程岩体稳定性并没有确定的联系 所以近年来提出的工程岩体 围岩 分级方法中 均将 分类 修正为 分级 1 2围岩分级国内外现状国外应用较广的围岩分级 其中一些在我国有广泛的影响 得到了不同程度的应用 二十世纪五十年代后又相继出现了以评价围岩稳定性和确定支护型式为目的的分级 如劳弗 H Lauffer 的按围岩稳定时间的分级 1958年 美国迪尔 Deere 按RQD值得岩体质量分级 1969年 挪威巴顿 M Barton 以岩石质量指标Q的分级 1974年 南非比尼威斯基 Q Z Bienianwski 的节理化岩体的地质力学分级 1974年 1976年 等等 见表1 表1国外部分工程岩体 围岩 分级法 国内 20世纪50 60年代初 直至1972年 基本上沿用普氏f值分级方法 60年代末至70年代初开始 提出了各种结合各部门行业特点的围岩分级 分类 方法 1972年中国科学院地质研究所提出了以划分岩体结构类型为主的分类方法 铁道部 总参305部队同年提出了以围岩地质条件的定性描述 岩体结构特征和岩石强度并考虑其他因素的综合分级方法 随着地下工程锚喷支护技术的发展 各部门都提出了为锚喷支护设计 施工用的地下工程岩体分级方法 70年代随着声波技术的推广应用 以声波参数为分级参数的分级相继出现 表2例举了国内主要围岩分级方法 纵观国内外主要围岩分级方法 从早期以单指标单因素的分级方法 逐步发展为多因素综合指标的分级方法和多因素定性 定量指标结合的分级 近年又提出了以多因素指标的复合指标 岩体质量系数的岩体分级 表2国内部分岩体 围岩 分级法 1 3国内外部分围岩分级简介1 3 1南非地质力学分级法 RMR 该法由南非比尼威斯基 Bieniawski 博士于1973 1975年间提出 该法分三步进行 首先根据 表3 1 确定各分级判据获得的分值 把分值累计起来可得岩体的总分值 按总分值评价岩体属于哪一级别 第二步是按裂隙产状对不同工程的影响程度 表3 2 修正为裂隙对各类工程的作用不是等同的 表3 1裂隙岩体各分类因素的分配点数 表3 2按裂隙产状校正分配点数表 第三步可根据作者建议的岩体工程围岩分类表 表3 3 来预测围岩的自支撑时间 岩体的抗剪强度性质以及可挖性等 以此作为设计与施工的参考依据 由于记分法简单易行 此法曾获得一定的推广 缺点是必须依赖有经验的地质人员 表3 3岩体工程围岩分类表 1 3 2岩体质量指标Q分类法 NGI法 1974年挪威学者N 巴顿 R 利恩与R 伦德提出了一个Q分类法 Q是岩体质量的简称 它由RQD 节理组数Jn 节理面粗糙度Jr 节理蚀变程度Ja 裂隙水影响因素Jw以及地应力影响因素SRF等六项指标组成 其计算公式为 其它的每项指标都可从相对应的表格查得 表4 1至表4 5 Q值愈大 表示岩体的质量愈好 岩体质量为一综合指标 它的范围一般为0 001 1000 不同Q值得级别可根据表4 6确定 表4 1节理组数Jn 表4 2节理面粗糙度Jr 表4 3节理蚀变程度Ja 表4 4裂隙水影响因素Jw 表4 5地应力影响因素SRF 表4 6岩体质量Q值分级表 南非法采用记分法 要求的指标比较容易获得 因此在矿业界获得更多的应用 Q法则主要应用于隧道与大型地下硐室 应用较广 1 3 3铁科院西南所1985年提出的 隧道工程岩体分级 该分级法认为影响隧道岩体稳定性的因素主要有以下几点 1 岩体的完整性 2 岩石的质量 3 结构面的状态 4 地下水情况 5 地应力状态 分级时 首先对基本参数评价 将它们的评分相加 得出岩体质量指标 RMQ 的基本值 表5 1 然后用各修正参数分级评分 表5 2 之和修正基本值 得出岩体质量指标 RMQ 的最终值 按RMQ值得大小将工程岩体分为五级 表5 3 即RMQ K Q C式中 K 岩体完整性分级评分数 Q 岩石质量分级评分数 C 修正参数之和 表5 1分级的基本参数及分级评价分数 表5 2分级的修正参数及分级折减分数 表5 3隧道工程岩体分级及评价分数 1 3 4水利电力部昆明勘测设计院在 水利水电工程勘察规范 中提出的地下洞室围岩分类1 初步围岩分类 2 详细围岩分类 对A 岩石强度 B 岩体完整性 C 结构面状态 起伏 张开度 延伸长度等 D 地下水 E 结构面方位等几个方面分别评分 3 类别判定是按点分及岩体强度应力比S二次评判 判定见表6 表6详细围岩分类围岩类别判定表 注 地应力的最大主应力 1 3 5铁路隧道围岩分级 TB1003 99 在原有铁路隧道围岩分类的基础上 参照国家标准 工程岩体分级标准 以定性划分为主 引入岩石强度和围岩弹性波纵波速度 将围岩划分成六级 围岩稳定级别序次按国标排序 与原有围岩分类排序相反 铁路隧道围岩分级按表7确定 表7铁路隧道围岩分级 1 4公路隧道围岩分级现状及修订的必要性原有公路隧道围岩分类 主要根据围岩的定性描述进行划分 缺少明确 具体的定量指标 存在随意性较大 准确性较低的缺点 应用时对同一岩体类别的划分常常会出现因使用 者的经验或认识不同而异 根据调查分析原铁路 公路隧道设计规范规定的围岩分类方法得出的围岩类别 与实际开挖的围岩类一致的只占50 左右 有30 40 的相差1 2类 因此 为了适应快速发展的公路隧道工程建设的发展 为了减少因围岩类别不准确而引起的设计与施工方案的变更和因此而造成的损失 有必要对公路隧道围岩分级方法修订使之变成实用 准确的分级方法 由于 工程岩体分级标准 GB50218 994 是基础性的国家标准 它适用于全国各行业的一切岩石工程的工程岩体分级 带有一定的强制性 因此各个部门 行业在修订相关分级规范时 都应尽量与 工程岩体分级 方法靠拢 标准尽量一致 当然 由于行业不同 工程的性质 规模和用途不同 各部门的分级方法可以有所差异 新的公路隧道围岩分级 JTGD70 2004 的编制正是遵循上述依据开展 2公路隧道围岩分级 2 1概述2004年编制的公路隧道围岩分级方法 根据编制组制订的修改原则和交通部等有关专家的意见 提出了以 工程岩体分级标准 为基础 结合公路隧道一般为双车道 断面较大的特点 同时要求分级应包括岩体和土体围岩分级 因此在编写公路隧道围岩分级时 采用 工程岩体分级标准 的分级原则和方法 并参照现行铁路隧道围岩分级方法中关于土体围岩分级的方法 包括土体围岩分级方法 将围岩由好至坏划分成 级 工程岩体分级标准 是全国通用的一项基础标准 适用于各种类型的岩石工程 该标准具有如下特点 1 总结国内外工程岩体 围岩 分级方法基础上 由国内五个有关部门共同编制完成 例如岩体基本质量标准BQ值计算公式 地下工程岩体定级时 考虑地下水 主要的软弱结构面产状以及初始应力状态的影响 对岩体基本质量指标BQ进行修正的系数K1 K2 K3 都是分析对比了国内外多种分类方法中规定的做法和数据后确定的 随着对国内400多组 点 的地下工程实际的数据 按 标准 方法通过反馈分析进行了验证 表明 标准 方法是可行的 2 采用分两步划分的方法进行工程岩体定级 即先根据影响工程岩体稳定性的主要 强度和完整性 的定性划分和定量指标对工程岩体基本质量级别进行划分 然后再针对具体工程的性质和条件作修正 对于工程建设的初步阶段 为初步定级 根据影响工程岩体稳定性的其它因素 对初步分级进行修正或调整 这时的分级称之为详细分级 3 分级因素的选择必须紧紧地围绕岩体稳定性分级这个主体 因素的选择 既要全面 充分 又要分清主次 分出层次来 主要因素是决定岩体稳定性的基本因素 是地质体的本来属性 是各类工程岩体的共性 次要因素对岩体稳定性的影响随工程类型不同而异 随岩体的赋存条件不同而异 是附加因素 选定的分级因素须是各自独立的 而不应相互交叉或包容 为了简化分级方法 标准 把众多因素进行了分类组合 归并成为复合因素作为分级因素 避免把各种影响因素并行罗列 标准 把岩石强度特性 变形特性 以及其他有关的物理力学特性 如重度等 都归属于岩石的坚硬程度一族 而岩体中不连续面的数量 规模 产状 密度 以及不连续面张开情况 充填情况 起伏状态等 都属于岩体的完整程度一类 随具体工程条件 随岩体的赋存条件不同而异 都归为次要因素 采用定性定量相结合 经验判断与测试计算相结合的方法进行分级 这是当今主要分级方法的共同特点 地质专家或工程人员在现场凭经验 直觉对岩体质量所作的判断 一般是定性的 往往比较模糊 因人而异 不具有统一的标准 有一定的随意性和不确定性 另一方面 单纯依靠对岩体性状进行测试 利用取得的数据进行计算 以取得岩体质量指标的定量方法 虽然看起来有科学依据 准确 但由于岩体性质和赋存条件十分复杂 分级时仅用少数参数和某一数学公式 很难全面 准确地概括各种可能情况 况且实际工作中 取样 测试的数量一般都有限 取样代表性有局限 因此 近廿年来 工程岩体 围岩 分级方法 都把定性定量结合起来 如巴顿Q分类系统方法中的各个因素指标的量化 都是在定性划分的基础上确定的 定性和定量结合 可以相互比较 验证 有利于克服各个方面的不定 提高分级方法的准确性和可靠性 工程岩体分级标准 规定 根据岩体定性特征和岩体基本质量指标 BQ值两者结合按表7确定工程岩体基本质量级别 即岩体初步分级 表7岩体基本质量分级 岩体基本质量指标 BQ 应根据分级基本因素的定量指标RC的兆帕数值和Kv值 按下式计算 BQ 90 3Rc 250Kv注 使用上式时 应遵守下列限制条件 当 90Kv时 应以RC 90Kv 30和K代入计算BQ值 当Kv 0 04Rc 0 4时 应以Kv 0 04Rc 0 4和代入计算BQ值 在隧道围岩详细定级时 有下列情况之一时应对岩体基本质量指标值 BQ 进行修正 并以修正后的值 BQ 再按表7确定围岩级别 1 有地下水 K1 2 岩体稳定性受软弱结构面影响 且由一组起控制作用 K2 3 工程地区属高初始应力区 K3 岩体基本质量指标修正值 BQ 按下式计算 BQ BQ 100 K1 K2 K3 式中 BQ 岩体基本质量指标修正值 K1 地下水影响修正系数 K2 主要软弱结构面产状影响修正系数 K3 初始应力状态影响修正系数 2 2新编公路隧道围岩分级修编的原则与方法 新分级应与现行 工程岩体分级标准 靠拢 以它为基础 对既有隧道围岩分类进行修正 采用定性划分与定量指标相结合的方法 按 工程岩体分级标准 规定 以岩体基本质量指标BQ值或修正后的 BQ 值及岩土体的定性特征 按表8确定围岩级别 围岩为土体时 其分级方法应当与岩石工程方法不同 一般土体按其组成成分 颗粒大小等进行分类 影响土体稳定性的因素除上述因素外 土体的结构 密实度 固结状态 含水量等也是影响的重要因素 表8公路隧道围岩分级 注 本表不适用于特殊条件的围岩分级 如膨胀性围岩 多年冻土等 3公路隧道围岩分级因素定性划分 定量指标确定方法 3 1公路隧道围岩分级因素围岩的级别及其稳定性决定于多因素的综合影响 这些因素有地质因素和工程因素 前者主要有岩石的物理力学性质 岩石的结构状态的原生和次生的特征 水的作用等 工程因素主要指工程尺寸和施工方法等 地下工程围岩具有既是工程载体 又是工程结构的双重特性 无论作为载体还是作为结构 岩石强度都是决定围岩稳定性的基本因素之一 但岩体是不匀质 非连续性的材料 是经历了多次构造运动和风化等各种地质营力的作用 形成含有各种结构面的复杂介质 岩体的整体强度 不仅取决于岩石的强度 还取决于岩体完整程度 所以岩体的完整程度是决定围岩稳定性的又一基本因素 国内外研究者认为 岩体的含水状态 软弱结构面产状与工程轴线的组合关系 以及工程场区的初始地应力状态等因素 对隧道围岩的稳定性的影响是不可忽视的 因此在隧道围岩分级中 我们把岩石坚硬程度 岩体的完整程度作为分级的基本因素 而将地下水 结构面产状 初始地应力状况作为分级的次要因素 3 2分级基本因素的确定3 2 1 岩石坚硬程度定量指标确定表征岩石坚硬程度的定量指标有多种 例如 岩石单轴抗压强度 弹性 变形 模量 点荷载强度 回弹值 声波纵波速度等等 其中 岩石单轴抗压强度应用最广 具有容易测取 代表性强 并且具有与其它力学指标有良好的相关性的特点 利用它可以换算出岩石的抗拉强度 抗剪强度 甚至三轴抗压强度 由于岩石在饱和状态下的单轴强度可以近似地认为反映了风化作用和地下水作用的影响 因此本标准确定岩石单轴 饱和 抗压强度Rc为评价岩石坚硬程度的主要指标 岩石点荷载强度IS测试是本世纪六十年代发展起来的一种新方法 由于该方法具有所用的仪器轻便 方便于现场试验 试件少加工或不加工 同时它可以测定不能加工成形的严重风化岩石的强度 可以保持试件的天然含水状态等优点 而且国内外大量研究成果表明 岩石的RC与IS 50 之间存在良好的相关性 因此本标准确定岩石点荷载强度作为评价岩石坚硬程度的辅助指标 表9列出了部分有代表性的研究成果 表9岩石Rc与Is 50 相关关系汇总表 建议采用以下RC与IS 50 的非线性关系式 即RC 22 82 IS 50 0 75由测得的IS 50 值换算成RC值 进行确定岩体基本质量标准的计算 RC与岩石坚硬程度定性划分的对应关系 见表10 表10RC与岩石坚硬程度定性划分的对应关系 3 2 2岩体完整程度定量指标确定岩体的完整程度主要指岩体受结构面的切割程度 单元岩块的大小 以及块体间的结合状态 可用来表征岩体完整程度的指标较多 国内外较普遍选用的有岩体完整性系数KV 岩体体积节理数JV 岩石质量指标RQD 节理平均间距dp 这些指标从不同的侧面 不同程度反映了岩体的完整程度 综合国内外主要的分级方法 多数认为 上述指标中以Kv Jv和RQD能较全面地反映岩体的完整程度 1 岩体完整系数Kv Kv Vpm Vpr 2式中Vpr 岩石纵波速度 Km s Vpm 岩体纵波速度 Km s 研究表明 声波在岩体中传播的纵波速度Vpm不仅与岩体成分 组构有关 而且是结构面的发育程度 结构面的性状 充填性质 含水状和态等因素有关 岩石纵波速度Vpr是在不含有明显结构面的岩块上用超声波测得的 它反映了完整岩石的属性 因此 大多数研究者认为 依据Vpr和Vpm值确定的Kv值 是一项能较全面地从量上评价岩体完整程度的定量指标 表11岩体完整程度的Kv划分 2 岩体体积节理数Jv Volumtric joint count of Rock mass Jv是国际岩石力学委员会推荐用来评价岩体节理化程度和表示单元岩块的块度的一项指标 它是指岩体在单位体积 m3 内所含节理条数 Jv S1 S2 Sn Sk 经国内外研究者实践证明 Jv值的确可用来评价岩体的完整程度 由于Jv值量测 计算方法简单 在工程勘察的各个阶段容易获得 Jv值能较好地反映节理裂隙存在于岩体中的三维空间的特点 同时研究还表明Jv与Kv RQD关系密切 国内外一些单位给出过它们的关系式 因此在公路隧道围岩分级方法中 选取Jv值为评价岩体完整程度的辅助定量指标 中铁西南院 昆明院 帕尔姆特立姆 挪威 3 岩石质量系数RQD值RQD值在国外应用较为广泛 但由于目前我国工程地质勘探中应用金刚石钻头还不普遍 钻具型号也不规范 统一 因此本标准未把它作为评价岩体完整程度的定量指标 本标准提出的Jv与Kv RQD对照关系表12 表12 3 2 3分级因素定性划分方法 1 岩石坚硬程度的定性划分可按表13确定 表13岩石坚硬程度的定性划分 2 表14岩石风化程度划分 3 岩体完整程度定性划分 按表15 表16确定 表15岩体完整程度的定性划分 表16结构面结合程度的划分 3 3详细分级时围岩体基本质量指标修正方法如前一节所述 K1 K2 K3修正系数取值按表17表18表19执行 上述三表中修正系数的确定 分析参照国内主要分级方法中的修正系数 综合归纳得出的 表17地下水影响修正系数 地下水出水状态 表18主要软弱面结构面产状影响修正系数K2 表19初始应力状态影响修正系数K3 初始应力状态 4公路隧道围岩分级的实施 4 1施工前各阶段施工前包括踏勘 初勘 详勘 即可研 初设 施工设计阶段 应根据隧道设计规范之第三章隧道调查和公路工程地质规范规定的内容对隧道工程场区进行认真的资料搜集 地形 地质踏勘和勘探 测试等工作 对隧道围岩的工程地质特征做出定性划分 并根据探测获得的岩石强度Rc 岩体完整系数Kv或Jv值等 按隧道围岩分级表 确定围岩的初步定级或详细定级 若定性划分与定量指标确定的级别不一致时 应仔细审定定性特征划分和定量指标计算参数的可靠性 必要时对它们重新观察 测试 在工程的可行性研究和初步勘测阶段 若无法获取定量参数 可采用定性划分方法或工程类比的方法进行围岩分级 短小隧道工程的围岩分级往往可采用类比法进行分级 4 2施工阶段要在施工前对隧道围岩级别做出准确的划分是很困难的 因此在施工中 根据现场实测的各种资料和数据 应对围岩分级做出修正是必要的 并应根据施工阶段的详细定级 适时对设计和施工方法做出调整 4 2 1施工阶段应做好如下工作 1 认真分析勘察 设计资料中隧道围岩的工程地质 水文地质特征 确定围岩级别的依据是否充分 准确 2 加强施工阶段的地质工作 包括地面补充调查 开挖工作面的直接观察 素描 摄像 量测等工作 3 对于工程地质 水文地质复杂的隧道 可采用超前地震波反射探测 TSP 声波反射探测 HSP 地质雷达等物理方法 或采用超前钻孔 平行导坑 试验坑道等进行超前探测 4 现场或取样进行岩石或岩体物理力学特性的补充测试 如岩石的单荷载强度 Is 50 试验 回弹强度测定 岩体和岩石波速等 5 围岩岩性 地质构造 地下水等的调查和量测 6 综合以上工作所获得的地质 试验和量测资料 对围岩级别进行综合判断 若与原设计给定的围岩级别有差异时 应及时作出修正 变更 4 3Kv Jv值得现场确定方法规定中强调了岩体波速测试方法 在Vpm测试地段中采集岩块进行Vpr测试 关于岩体体积节理数Jv的测定 可选择在地表露头或开挖工作面上进行 最好在具三维空间的岩体中开展 测线应垂直量测节理组走向 侧线长度5 10米 对爆破裂隙 已重结如 胶结 的节理不应统计 5 应用实例 5 1都汶路董家山隧道 煤系地层 原定 类 级 局部 级 类 进口 LK14 263 715 薄层砂岩夹泥岩 含煤线 节理裂隙发育 Vpm 1816m 2500m s Jv 20 30条 m3 Kv 0 25 0 4 Rc 20MPa渗漏水 龙溪隧道出口 花岗片麻岩蚀变带Kv 0 1 0 40 Rc 80 100MPa滴水 产状不利 建议围岩级别变更为 级 类 原定 类偏高 1 5级 5 2西攀路徐家梁子隧道出口 RK145 500 81