隧道工程围岩分级PPT课件

1、4.1 4.1 隧道围岩的概念与工程性质隧道围岩的概念与工程性质4.2 4.2 围岩的稳定性围岩的稳定性4.3 4.3 围岩分级围岩分级4.4 4.4 围岩压力的确定围岩压力的确定 第第4 4章章 隧道围岩分级与围岩压力隧道围岩分级与围岩压力 Surrounding rock classification and pressure第1页/共74页4.1 隧道围岩的概念与工程性质隧道围岩的概念与工程性质4.1.14.1.1围岩的概念围岩的概念围岩围岩: :隧道开挖后对其隧道开挖后对其稳定性稳定性产生影响的那部分岩产生影响的那部分岩( (土土) )体。体。说明：说明：围岩既指岩体也指土体。围岩既指

2、岩体也指土体。4.1.24.1.2围岩的工程性质围岩的工程性质 物理物理工程性质工程性质 水理水理 力学力学第2页/共74页岩石与岩体的区别：岩石与岩体的区别： 岩石：均质、连续、各向同性岩石：均质、连续、各向同性 岩体：非均质、不连续、各向异性岩体：非均质、不连续、各向异性岩体力学性质获取的方式：岩体力学性质获取的方式： 现场试验：真实、费时、费钱现场试验：真实、费时、费钱 室内试验：不易取样、代表性差室内试验：不易取样、代表性差问题：问题： 1.1.结构计算与力学性质的关系？结构计算与力学性质的关系？ 2.2.隧道结构计算的难点？隧道结构计算的难点？第3页/共74页1、岩体的变形特性、岩体

3、的变形特性 受拉、受压、剪切、流变受拉、受压、剪切、流变 问题：岩体能受拉吗？问题：岩体能受拉吗？ 1) 受压变形受压变形 岩石：线性、弹性岩石：线性、弹性 软弱结构面：非线性、塑性软弱结构面：非线性、塑性 岩体：弹塑性体，见下图。岩体：弹塑性体，见下图。 第4页/共74页ABC岩体岩石软弱结构面0图图4-1 4-1 典型岩体全应力应变曲线典型岩体全应力应变曲线岩体：岩体：压密阶段压密阶段(OA)(OA) 弹性阶段弹性阶段(AB) (AB) 塑性阶段塑性阶段(BC) (BC) 破裂和破坏阶段破裂和破坏阶段(CD)(CD) 第5页/共74页 2) 剪切变形剪切变形 (1) (1) 沿结构面滑动沿

4、结构面滑动 (2) (2) 岩石的断裂岩石的断裂 (3) (3) 在结构面的影响下沿岩石剪断在结构面的影响下沿岩石剪断第6页/共74页 3) 流变特性流变特性 蠕变：蠕变：指应力不变，而应变随时间增长。指应力不变，而应变随时间增长。 松弛：松弛：应变不变，而应力随时间而衰减应变不变，而应力随时间而衰减 问题：围岩流变特性对隧道的影响？问题：围岩流变特性对隧道的影响？图图4-2 4-2 岩体的流变岩体的流变第7页/共74页2 2、岩体强度、岩体强度 岩石强度：通过试件获得。岩石强度：通过试件获得。 岩体强度：低于岩石强度，岩体强度：低于岩石强度，约为岩石强度的约为岩石强度的70708080。第8

5、页/共74页4.2 围岩的稳定性围岩的稳定性4.2.1 研究围岩稳定性的意义研究围岩稳定性的意义围岩的稳定性：围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定性。稳定性。问题：什么是隧道工程的头等大事？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。研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定。第9页/共74页围岩级别的工程作用：围岩级别的工程作用： 判断围岩稳定性。判断围岩稳定性。 判断施工难易程度，投资依据。判断施工难易程度，投资依据。 结构分析计算的依据结构分析计算的依据 第10页/共74页地质因素客观因素地质因素客观因素人为因素主观因素、工程

6、因素人为因素主观因素、工程因素4.2.2 4.2.2 影响围岩稳定性的因素影响围岩稳定性的因素第11页/共74页1 1、地质因素、地质因素 从从5 5个方面来分析：个方面来分析： 岩体结构特征岩体结构特征 结构面性质和空间的组合结构面性质和空间的组合 岩石的力学性质岩石的力学性质 地下水的影响地下水的影响 围岩的初始应力状态围岩的初始应力状态第12页/共74页岩体结构特征岩体结构特征指岩体的破碎程度或完整状态。指岩体的破碎程度或完整状态。破碎程度：破碎程度：裂隙率、裂隙间距。裂隙率、裂隙间距。裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。完

7、整状态：完整状态：整块状、大块状等。整块状、大块状等。按这按这2 2个指标有下图：个指标有下图：围岩岩体整体块d1.0cm 大块体 d=0.4-1.0cm 块石状d=0.2-0.4cm碎石块 d0.750.750.750.750.550.550.550.550.350.350.350.350.150.150.15 0.90.75 R 0.90.5 R 0.750.25 R 0.5R 30 30 硬岩硬岩 5 R5 Rb b30 30 软岩软岩 R Rb b 5 5 极软岩极软岩围岩完整程度围岩完整程度 指标指标1 1：结构面发育程度：结构面发育程度 指标指标2 2：地质构造影响程度：地质构造影

8、响程度 由此两指标，将岩体完整程度分为由此两指标，将岩体完整程度分为5 5个级别，见下表：个级别，见下表： 第32页/共74页岩体完整程度的划分岩体完整程度的划分完整程度完整程度结构面发育程度结构面发育程度地质构造影响程度地质构造影响程度完整完整不发育不发育轻微轻微较完整较完整较发育、不发育较发育、不发育较重、轻微较重、轻微较破碎较破碎发育、较发育发育、较发育严重严重破碎破碎极发育、发育极发育、发育极严重、严重极严重、严重极破碎极破碎极发育极发育极严重极严重第33页/共74页 围岩受地质构造影响程度等级划分围岩受地质构造影响程度等级划分 围岩节理（裂隙）发育程度划分围岩节理（裂隙）发育程度划分

9、 等级等级地质构造作用特征地质构造作用特征轻微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，有的呈粉末泥土状等级等级地质构造作用特征地质构造作用特征节理不发育节理不发育节理（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较发育节理（裂隙）2-3组，呈x型，较规则，以构

10、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第34页/共74页(4) (4) 铁路隧道围岩分级表铁路隧道围岩分级表 基本分级基本分级+ +围岩弹性纵波速度围岩弹性纵波速度= =铁路隧道围岩分级铁路隧道围岩分级表表 见教材见教材P82-83P82-

11、83。 特点特点 给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态。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。尚未考虑地下水和地应力。第35页/共74页 修正分级修正分级 地下水地下水地下水的地下水的3 3种处理方法：种处理方法：分级时按无水考虑，而是根据地下水的状态，分级时按无水考虑，而是根据地下水的状态，适当降低围岩等级适当降低围岩等级(1(12 2级级) )；分级时按有水考虑，当确认围岩无水则提高围分级时按有水考虑，当确认围岩无水则提高围岩等级；岩等级；直接将地下水状况直接将地下水状况( (水质、水量、流通条件、水质、水量、流通条件、静水压力等静水压力等) )作为一个分级指标。作为

12、一个分级指标。第36页/共74页铁路隧道分级按第铁路隧道分级按第1 1种方法处理：种方法处理： 地下水影响的修正地下水影响的修正 地下水状态的分级表地下水状态的分级表级别级别状态状态渗水量渗水量L/(minL/(min10m)10m)干燥或湿润干燥或湿润1010偶有渗水偶有渗水10251025经常渗水经常渗水2512525125 围岩基本分类围岩基本分类地下水状态分级地下水状态分级第37页/共74页初始地应力初始地应力初始地初始地应力状应力状态态主主 要要 现现 象象评估基准评估基准 （R Rc c/maxmax）极高应极高应力力1.1.硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹硬质岩：开挖过程

13、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，成洞性差出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差442.2.软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁软质岩：岩芯常有饼化现象，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，岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞持续时间长，不易成洞高应力高应力1 .1 .硬质岩硬质岩: : 开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂纹较多，成洞性较差有剥离和掉块现象，新生裂纹较多，成洞性较差4-74-72.2.软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁软质岩：岩芯时有饼化现象

14、，开挖过程中洞壁岩体位移极显著，持续时间长，成洞性差岩体位移极显著，持续时间长，成洞性差第38页/共74页u初始地应力影响的修正初始地应力影响的修正围岩基本分级围岩基本分级 修正级别修正级别初始地应力状态初始地应力状态极高应力极高应力或或高应力高应力或或第39页/共74页 两点说明：两点说明： 设计阶段：设计阶段：采用修正后的围岩分级。采用修正后的围岩分级。 施工阶段：施工阶段：根据实际情况，进一步判定围根据实际情况，进一步判定围岩分级，依据仍然是：岩分级，依据仍然是： 岩石坚硬程度岩石坚硬程度 围岩完整状态围岩完整状态 地下水地下水 初始地应力初始地应力第40页/共74页2.2.公路隧道公路

15、隧道初步分级相当于铁路的基本分级初步分级相当于铁路的基本分级 依据：围岩主要定性特征依据：围岩主要定性特征 该特征由两个基本因素组成：该特征由两个基本因素组成： 岩石坚硬程度岩石坚硬程度R Rc c( (即强度即强度) ) 岩体完整性岩体完整性K Kv v( (即弹性波速即弹性波速) ) 推出推出围岩基本质量指标围岩基本质量指标 BQ=90+3RBQ=90+3Rc c+250K+250Kv v第41页/共74页详细分级相当于铁路的修正分级详细分级相当于铁路的修正分级 修正修正BQBQ值：当有以下值：当有以下3 3方面影响时，应予修正：方面影响时，应予修正： 地下水地下水K K1 1 软弱结构面

16、软弱结构面( (比铁路多此条比铁路多此条)K)K2 2 高初始地应力高初始地应力K K3 3 BQ= BQ=修正修正BQBQ值值=BQ-100(K=BQ-100(K1 1+K+K2 2+K+K3 3) ) K K1 1K K3 3各值可查公路隧道规范附录各值可查公路隧道规范附录A.0.2-1A.0.2-1A.0.2-A.0.2-3 3 第42页/共74页公路围岩分级表：公路围岩分级表：参数：参数： 围岩主要定性特征围岩主要定性特征 BQBQ值，或值，或BQBQ值值( (当需要修正时当需要修正时) )第43页/共74页( (六六) )问题及研究方向问题及研究方向 1. 1.问题问题 指标定性的多

17、、定量的少。如何做到准确、方便、好用？指标定性的多、定量的少。如何做到准确、方便、好用？ 2. 2.研究研究 发展物探手段，增加定量指标。发展物探手段，增加定量指标。 发展分析理论发展分析理论 模糊数学围岩分级；模糊数学围岩分级； 隧道位移围岩分级；隧道位移围岩分级； 人工智能专家系统围岩分级等。人工智能专家系统围岩分级等。第44页/共74页4.4 4.4 围岩压力围岩压力4.4.1 4.4.1 岩体初始应力状态岩体初始应力状态 自重应力自重应力构造应力构造应力地下水压力地下水压力温度应力温度应力原岩原岩 毛洞毛洞稳定洞室稳定洞室开挖开挖支护支护第45页/共74页一、围岩压力及其分类一、围岩压

18、力及其分类( (一一) )围岩压力围岩压力 围岩压力围岩压力地层对洞室的作用力地层对洞室的作用力广义：包括有、无支护时的压力广义：包括有、无支护时的压力狭义：仅指对支护的压力狭义：仅指对支护的压力第46页/共74页（二）围岩压力分类（二）围岩压力分类 1 1松动压力松动压力围岩变形过大，发生松动而形成的压力。围岩变形过大，发生松动而形成的压力。 2 2形变压力形变压力围岩变形在有限范围内而形成的压力。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。这是最重要的两种压力形态。 问题：问题： 1.1.这两种压力性质上有何不同？这两种压力性质上有何不同？ 2.2.压力的性质与围岩稳定性有

19、何关系？压力的性质与围岩稳定性有何关系？第47页/共74页3 3膨胀压力膨胀压力膨胀性岩层。膨胀性岩层。4 4冲击压力冲击压力明洞，落石；明洞，落石； 暗洞，坍方、岩爆。暗洞，坍方、岩爆。第48页/共74页4.4.2 4.4.2 影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素 地质因素地质因素 1. 1.岩体初始应力状态岩体初始应力状态 2. 2.岩石力学性质岩石力学性质 3. 3.岩体结构面岩体结构面 4. 4.地下水等地下水等 工程因素工程因素 1. 1.施工方法施工方法 2. 2.支护设置时间支护设置时间 3. 3.支护本身刚度支护本身刚度 4. 4.隧道断面形状等隧道断面形状等第49页/共74页

20、1.1.围岩松动压力的形成围岩松动压力的形成 自然拱的概念：自然拱的概念：围岩的变形不能得到有效的控制，当变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。形成拱形。 (a) (a) 变形阶段；变形阶段； (b) (b) 松动阶段；松动阶段； (c) (c) 塌落阶段；塌落阶段； (d) (d) 成拱阶段。成拱阶段。 4.4.3 围岩松动压力的形成和确定方法围岩松动压力的形成和确定方法第50页/共74页自然拱第51页/共74页 影响自然拱的因素：影响自然拱的因素： 隧道埋深隧道埋深成拱的必要条件

21、成拱的必要条件 隧道断面形状和大小隧道断面形状和大小拱的范围拱的范围 施工因素施工因素对围岩的扰动程度对围岩的扰动程度2 2、围岩压力的确定方法、围岩压力的确定方法 直接量测法直接量测法 理论估算法理论估算法 统计法（经验法、工程类比法）统计法（经验法、工程类比法）第52页/共74页 1) 1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法深埋隧道围岩松动压力的确定方法 (1) (1) 统计法统计法我国我国隧规隧规所推荐的方法所推荐的方法whhqsqq1245.0式中式中 围岩容重；围岩容重； h hq q坍落拱高度；坍落拱高度； s s 围岩级别；围岩级别； w w 宽度影响系数，由宽度影响系数，由 w=1

22、+iw=1+i（B-5B-5）计算：）计算： B B 坑道宽度，当坑道宽度，当 B B5m5m时，取时，取 i =0.2i =0.2，当，当 B B5m5m时，取时，取i =0.1i =0.1。第53页/共74页水平压力见表水平压力见表4-74-7：表表4-74-7围岩水平均布压力围岩水平均布压力围岩级别围岩级别、水平均布压力水平均布压力0 00.15q0.15q( 0.15( 0.150.3)q0.3)q(0.3(0.30.5)q0.5)q(0.5(0.51.0)q1.0)q第54页/共74页 统计法公式的适用条件：统计法公式的适用条件： H/BH/B1.71.7，H H为坑道的高度；为坑道

23、的高度； 深埋隧道；深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩；不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩； 采用矿山法施工。采用矿山法施工。第55页/共74页 据统计，围岩垂直松动压力的分布可概括为据统计，围岩垂直松动压力的分布可概括为4 4种，如种，如图图4-74-7。 图图4-7 4-7 围岩竖向松动压力的分布图形围岩竖向松动压力的分布图形统计法公式仅针对图中第一种情况。统计法公式仅针对图中第一种情况。图 4-7第56页/共74页(2) (2) 普氏理论普氏理论 散粒体理论：岩体被节理、裂隙所切割，视为散粒体理论：岩体被节理、裂隙所切割，视为散粒体。散粒体。 普氏系数普氏系数f(f(岩体坚固

24、性系数岩体坚固性系数):):0tantancf第57页/共74页岩体坚固性系数岩体坚固性系数 f f 的概念：的概念： f f是一个以岩体强度为主的指标，兼顾抗钻性、抗爆性、是一个以岩体强度为主的指标，兼顾抗钻性、抗爆性、地下水等性质。地下水等性质。 前述自然拱概念最早由普氏前述自然拱概念最早由普氏提出：提出：fbhq图图4-8 4-8 自然拱的两种形态自然拱的两种形态B hkBthk BbHt第58页/共74页 坚硬岩体坚硬岩体: : 松散破碎岩体：松散破碎岩体： 245tan0ttHbb式中式中 为隧道净跨度的一半；为隧道净跨度的一半； 为隧道净高度。为隧道净高度。tbtHtbb 一般来说

25、，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中。一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中。第59页/共74页(3) 泰沙基理论泰沙基理论理论：散粒体理论。理论：散粒体理论。假定：假定：破裂面为折线破裂面为折线OABOAB方法：方法：研究微分条带研究微分条带dhdh的平衡。的平衡。步骤：步骤：1.V=01.V=0，建立微分方程，建立微分方程2.2.边界条件：边界条件：0,0vh第60页/共74页3.3.解微分方程解微分方程，得：，得：4.4.讨论：讨论： 当埋深当埋深h h 达到一定程度时，达到一定程度时， 为恒值：为恒值： 取侧压力系数取侧压力系数k=1k=1， 则有：则有：与普氏法对照，能发现

26、什么？与普氏法对照，能发现什么？)1(tan0tan0bhkvekbvkbv0tanf0tanhfbv第61页/共74页 2) 2)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 深、浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道的判定原则 Hp（22.5）hq I I一一IIIIII级围岩取级围岩取: : H Hp p2h2hq q IV IVVIVI级围岩取级围岩取: : H Hp p2.5h2.5hq q HHpHHp时为深埋时为深埋H HHpHp时为浅埋时为浅埋H H 为覆盖层厚度为覆盖层厚度第62页/共74页 (2) (2) 浅埋隧道围岩松动压力的确定方法浅埋隧道围岩松动压力的确定方法

27、 土柱法土柱法 要点：忽略滑动面上的阻力。要点：忽略滑动面上的阻力。 适于：埋深适于：埋深 H hqH hq 垂直压力：垂直压力：q=Hq=H 水平压力按朗金公式：水平压力按朗金公式：e = (H + 1/2 Ht)tg2(450 /2) Ht 为隧道净高。为隧道净高。滑动岩体未扰动土体图 4-10围岩压力滑动面第63页/共74页 一院法一院法 重点：重点： 当当H Hhq hq 时，应该考虑滑动面上的阻力。时，应该考虑滑动面上的阻力。 分析下图：分析下图： 图 4-11NT2W2NT2PT1W2BFW1EAhBtT1DCHG00HHt第64页/共74页 1.1.破裂面破裂面ACAC、BDBD