隧道工程课件

1、 第五章第五章 隧道围岩分级与围岩压力隧道围岩分级与围岩压力 5.1 5.1 隧道围岩分级及其作用隧道围岩分级及其作用 5.2 5.2 围岩压力的确定围岩压力的确定 5.3 5.3 影响围岩稳定性的因素影响围岩稳定性的因素 围岩围岩：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

2、温梯度等 。 5.1 5.1 隧道围岩分级及其应用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 作为选择施工方法的依据； 进行科学管理及正确评价经济效益； 确定结构上的荷载（松散荷载）； 给出衬砌结构的类型及其尺寸； 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： 土石方工程土石方工程 分类法分类法(开开 挖难易程度挖难易程度) 岩石的坚固岩石的坚固 性来分类性来分类: 如如 坚固性系数坚固性系数f RQD 从围岩稳定性出发分从围岩稳定性出发分 类来代替多年沿用的类来代替多年

3、沿用的 坚固性为基础的分类坚固性为基础的分类 从分级指标方面： 大多数从大多数从 定性描述定性描述 经验判断经验判断 定量描述定量描述 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 1、隧道围岩分级的因素指标及其选择、隧道围岩分级的因素指标及其选择 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、抗爆性抗钻性、抗爆性等工程指标。 单一的综合岩性指标 岩体的弹性波传播速度：岩体的弹性波传播速度：弹性波传

4、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 v v K v Kv0.750.750.550.550.350.350.15 90 为优质； 75 RQD 90 为良好； 50 RQD 75 为好； 25 RQD 50 为差； RQD 25 为很差 围岩的自稳时间围岩的自稳时间 ：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： t ts s= =常数常数L L (1(1a)a) 式中： L 隧道未支护地段的长度；a

5、 视围岩情况在01 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 Q （ RQD/ JRQD/ Jh h）( J( Jr r/J/Ja a)( J)( Jw w / SRF) / 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:

6、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 指标的选择指标的选择 首先选择对隧道围岩稳定性有重大影响的因素指 标； 选择测试设备简单、人为因素小、科学性强的 定量指标； 选择指标要有一定的综合性。 2 2、隧道围岩分级的方法、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

7、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： 以岩石强度或岩石的物理指标为代表的分类方法：以岩石强度或岩石的物理指标为代表的分类方法： 按岩石强度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； 以岩石的物性指标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

8、； 优点：优点： 指标单一，使用方便；指标单一，使用方便； 缺点：不能全面反映岩体固有的性态。缺点：不能全面反映岩体固有的性态。 以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法：以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法： 这类分类法以泰沙基分类法为代表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。 以岩体综合物性为指标的分类法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：优点： 正确的考虑了地质构造特征、风化状况、地正确的考虑了地质构

9、造特征、风化状况、地 下水情况等多因素对围岩的影响。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。缺点：分级指标缺乏定量描述。 以地质勘探手段相联系的分类方法：以地质勘探手段相联系的分类方法： 按弹性波（纵波）速度的分类方法按弹性波（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。 以岩石质量为指标的分类方法以岩石质量为指标的分类方法R.Q.D.R.Q.D.方法方法 优点：考虑了多种因

10、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。 组合多种因素的分类方法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。 以工程对象为代表的分类法：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： 分类应主要以岩体为对象。分类应主要以岩体为对象。 分类宜与地质勘探手段有机的联系起来；分类宜与地质勘探手段有机

11、的联系起来； 分类要有明确的工程对象和工程目的。分类要有明确的工程对象和工程目的。 分类宜逐渐定量化。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。 围岩分级的分围岩分级的分 阶段实施，是阶段实施，是 因为围岩分级因为围岩分级 除了取决于地除了取决于地 质条件外，还质条件外，还 和工程规模、和工程规模、 形状、施工工形状、施工工 艺等技术条件艺等技术条件 有关。不同阶有关。不同阶 段的地质勘察、段的地质勘察、 试验研究、工试验研究、工 作顺序可用右作顺序可用右 图

12、所示的框图图所示的框图 来表示来表示。 3 3、我国公路隧道围岩分级、我国公路隧道围岩分级 公路隧道围岩分级的出发点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。 考虑分级的指标和因素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

13、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 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； 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； 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12级； 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

14、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。 公路隧道围岩分级公路隧道围岩分级 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。 隧道施工围岩分级隧道施工围岩分级 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坚硬程度、围岩完整性程度围岩完整性程度、和地下水状态地下水状态 三项因素，细分为十三个子因素， 即313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

15、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 5.2 围岩压力的确定围岩压力的确定 1 1、围岩压力的概念、围岩压力的概念 围岩压力：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： 松散压力松散压力：是指由于开挖而松动或坍塌的岩体以：是指由于开挖而松动或坍塌

16、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：三种情况发生： 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的 岩石； 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落； 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。 形变压力：形变压力：是指由于围岩变形受到与之密贴的支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。形变压形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。形变压 力除与力除与围岩应

17、力状态围岩应力状态有关外，还与有关外，还与支护时间支护时间和和支护刚支护刚 度度有关。有关。 膨胀压力：膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起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。胀引起的。 冲击压力：冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能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。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，所以它冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以

18、它 与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩体，在高地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。适宜条件，就会突然猛烈的大量释放。 2 2、围岩松散压力的产生、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

19、拱的整个变形过程。 成拱过程： 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； 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； 顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍 塌阶段； 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： 隧道的形状和尺寸：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； 隧道的埋深：隧道的埋深：实践证明，只有当隧道埋深

20、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。 施工因素：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 3、围岩压力的确定方法、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

21、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。 深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法) 围岩竖向匀布压力q按下式计算： q = 0.45 2s-1 (kN/m2) 式中：S围岩级别，如属II级，则S2； 围岩容重， (kN/m2)； 1+1+ i i(B-5

22、)(B-5)宽度影响系数； B隧道宽度，（m）； i 以B5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增 减率。 当B 5m,取i 0.1。 适用条件为： H/B 1.7， 式中H 为隧道高度； 深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道； 采用钻爆法施工的隧道。 铁路新规范：qh，h=0.411.79S 这是全国1046座铁路隧道得出的经验公式，其中S新 规范围岩的分级。 围岩的水平匀布压力e 的确定，按下表中经验公式计算 围岩级别I、IIIIIIVVVI 水平匀布压力00.15q (0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q 下面压力分布图形只概括一般情况，当地质、地形 或其它原因

23、可能产生特殊荷载时，围岩压力的大小和分 布应根据实际情况分析确定。 在分析支护结构时，一般以竖向和水平的匀布荷载 图形为主，并用局部压力、偏压以及非匀布的荷载图形 进行校核，较好的围岩着重于局部压力校核。 围岩压力分布特征围岩压力分布特征 浅埋隧道围岩松散压力的计算 深、浅埋隧道的判定原则 隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，一般情 况下应以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。 深埋隧道围岩松散压力值是以施工坍方平均高度(等效 荷载高度值)为根据，为了形成此高度值，隧道上覆岩体 就有一定的厚度。根据经验，这个深度通常为22.5倍的 坍方平均高度值，即： Hp（22.5）hq 式中：H

24、p深浅埋隧道的分界深度； hq荷载等效高度； q深埋隧道竖向均布压力。 在矿山法施工的条件下，I一III级围岩取 Hp2hq IVVI级围岩取 Hp2.5hq 当隧道覆盖层厚度HHp时为深埋，HHp时为浅埋 浅埋隧道围岩压力的确定方法 浅埋隧道围岩压力分下述两种情况分别计算： 埋深埋深(H)(H)小于或等于等效荷载高度小于或等于等效荷载高度hqhq时，荷载视为均布 竖向压力 q = H 式中:q匀布布竖向压力； 深度上覆围岩容重； H隧道埋深，抬隧道顶至地面的距离。 侧向压力e，按匀布考虑时，其值为： e = (H + 1/2 Hi)tg2(450/2) 式中: e侧向匀布压力； 围岩容重，以

25、kN/m3计； H隧道埋深，以m计； Hi隧道高度，以m计； 围岩计算摩擦角，其值可查有关规范。 埋深大于埋深大于hqhq、小于等于、小于等于H Hp p时 采用松散介质极限平衡理论进行分析，即： 围岩松动压力=滑动岩体重量滑面上的阻力 q浅 Q浅/B = H（1H/Btg） e=(Hh)/2 式中：一侧压力系数 ，即： =(tan-tan)/tan1+tan(tan- tan)+tantan tan=tan+(tan2+1)tan/(tan-tan)1/2 围岩应力的现场量测 实测围岩压力的方法很多，可归纳为两类：直接量测 和间接量测 直接量测直接量测：主要采用压力盒、压力传感器等，压力盒

26、按工作原理分为机械作用式、电测式和液压式等，目前使 用较多的是钢弦式压力盒。 间接量测：间接量测：利用量测隧道衬砌的应变、变形来推算作 用在其上的围岩压力的方法，即间接量测法。如电阻应变 片、钢筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖等 5.3 5.3 影响围岩稳定性的因素影响围岩稳定性的因素 隧道围岩分级的是对隧道开挖后，围岩稳定程度的分级 和评价。围岩分级的因素，也就是影响隧道围岩稳定性的 因素。 影响坑道围岩稳定性的因素一般认为有两类： 一类是客观存在的地质因素； 另一类是设计和施工因素，或称为人为因素。前者是 基本的，后者是通过前者而起作用的。 1 1、地质因素的影响、地质因素的影响 岩土体

27、结构状态 岩土体结构是长时间地质运动的产物，在地质因素 的影响中起着主要作用。 围岩的结构状态通常用其破碎程度或完整状态来表 示 岩体的完整状态或破碎程度有两个含义，一是构 成岩体的岩块大小，二是这些岩块的组合形态。 岩石的工程性质 岩石的工程性质是多方面的，一般主要指岩石的强度 或坚固性。 在岩体结构状态成为控制围岩稳定的主要因素时，强 调岩石强度意义是不大的。 岩石强度在完整的岩体中是起主要作用的。 围岩的初应力状态 围岩的初应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定 影响的。因此，在围岩分级中，如何根据地质构造的特征 引进初应力的影响，是需要进一步研究的问题。 地下水的作用和影响 在不同的围岩中水的影响一般有下列几种情况： 使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显，对土体则 可促