第四章__围岩分级与围岩压力

1、1隧道工程施工技术隧道工程施工技术一、概述一、概述 4.4.1 概述研究隧道地质环境需要解决的两个问题（最佳的施工方法和支护结构）。可采用的方法有（经验方法和理论方法）。我国目前的隧道工程处在（经验设计和经验施工）的阶段。经验法的依据就是隧道围岩稳定性的分级。隧道围岩分级的基础条件是坑道开挖后的稳定性 在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的稳定在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的稳定性是不同的，可归纳为性是不同的，可归纳为充分稳定、基本稳定、暂时稳充分稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定定和不稳定四种。四种。4 围岩分级：围岩分级：各种围岩的物理性质之间存在一定的各种围岩的物理性质之间存在一定的

2、内在联系和规律，依照这些联系和规律，可将围内在联系和规律，依照这些联系和规律，可将围岩划分为若干级。岩划分为若干级。围岩分级的目的围岩分级的目的：作为选择施工方法的依据；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；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的荷载确定结构上的荷载( (松散荷载松散荷载) )；给出衬砌结构的类型及其尺寸；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。制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。5 比较理想的分级方法是：比较理想的分级方法是：准确客观准确客观，有定量指标，尽量减少因人而异的随，有定量指标，尽量减少因人而异的随机性；机性；便于

3、操作使用便于操作使用，适于一般勘测单位所具备的技术，适于一般勘测单位所具备的技术装备水平；装备水平；最好在挖开地层前得到结论最好在挖开地层前得到结论。应该说，到现在还没有出现一种比较完美的方法。应该说，到现在还没有出现一种比较完美的方法。 6围岩分类的几个基本要素围岩分类的几个基本要素围岩分级的方法很多种，不同国家，不同行业都根据围岩分级的方法很多种，不同国家，不同行业都根据各自的特点和目的提出了各自的分级方法，现行的许各自的特点和目的提出了各自的分级方法，现行的许多分级方法中，作为分级的基本要素大致有三类多分级方法中，作为分级的基本要素大致有三类: : 与岩性有关的要素与岩性有关的要素 地质

4、构造有关的要素地质构造有关的要素 与地下水有关的要素与地下水有关的要素7与岩性有关的要素与岩性有关的要素： 例如分为硬岩，软岩，膨胀岩。其分级指标是岩石强度和例如分为硬岩，软岩，膨胀岩。其分级指标是岩石强度和变形性质等；例如掩饰的单轴抗压强度、岩石的变形模量或弹变形性质等；例如掩饰的单轴抗压强度、岩石的变形模量或弹性波速等性波速等 与地质构造有关的要素：与地质构造有关的要素： 例如软弱结构面的分布与性态，风化程度等。其分级指标例如软弱结构面的分布与性态，风化程度等。其分级指标采用岩石质量指标，地质因素评分法等。实际上就是对岩石完采用岩石质量指标，地质因素评分法等。实际上就是对岩石完整性和结构状

5、态的评价。它是占有重要地位的！整性和结构状态的评价。它是占有重要地位的！ 8与地下水有关的要素与地下水有关的要素： 例如例如地下水发育时，围岩级别应降低。地下水发育时，围岩级别应降低。1 1个附加要素：个附加要素： 初始地应力：适当考虑初始地应力：适当考虑。9二、围岩分级方法二、围岩分级方法(4类）类）1.1.以岩石强度为基础的分级方法以岩石强度为基础的分级方法: :这种分级方法，单纯以岩石强度为依据。这种分级方法，单纯以岩石强度为依据。这种分级方法认为隧道开挖后它的稳定性取决于岩石强度。这种分级方法认为隧道开挖后它的稳定性取决于岩石强度。岩石越坚硬，坑道越稳定。反之，岩石越松软，可到稳定岩石

6、越坚硬，坑道越稳定。反之，岩石越松软，可到稳定性就越差。性就越差。实践证明，这种认识是不全面的，实践证明，这种认识是不全面的，例如我国陕例如我国陕北的老黄土，无水时直立性很强，稳定性相当高，在无支北的老黄土，无水时直立性很强，稳定性相当高，在无支护的情况下，可以维持十几年，甚至几十年。但单轴抗压护的情况下，可以维持十几年，甚至几十年。但单轴抗压强度很低；又如江西福建一带的红砂岩，整体性很好，坑强度很低；又如江西福建一带的红砂岩，整体性很好，坑道开挖后稳定性较好，但强度却不高，因此单纯以岩石强道开挖后稳定性较好，但强度却不高，因此单纯以岩石强度为基础的分级方法需要改进完善。度为基础的分级方法需要

7、改进完善。10 2.2.以岩石的物性指标为基础的分级方法：见表以岩石的物性指标为基础的分级方法：见表1-21-2在这种分级方法中，具有代表性的是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)。这种分级方法在我国的隧道工程中得到了广泛的应用。 “ f ”值是一个综合物性指标，它表示岩石在采矿过程中各个方面的相对坚固性，如抗暴性、抗钻性、强度等。但以往人们确定“ f ”值主要采用强度试验法，再坚固其他指标。即式中 -岩石饱和单轴极限抗压强度。 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

8、下水状况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的“ f ”值适当降低，即： 式中 “ f ” 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。 11=150100ccfRR岩石cR11=150100ccfRR岩石=fKf岩体岩石11 1.泰沙基分级法泰沙基分级法 这种分级方法是在早期提出的，限于当时条件，这种分级方法是在早期提出的，限于当时条件，仅把不同岩性、不同构造条件的围岩分成九级，仅把不同岩性、不同构造条件的围岩分成九级，每级都有相应的地压范围值和支护措施，在分级每级都有相应的地压范围值和支护措施，在分级时是以坑道有水的条件为基础的，当确认无水时，时是以坑

9、道有水的条件为基础的，当确认无水时，围岩的地压值应降低围岩的地压值应降低50。这种分级方法。这种分级方法曾长期被各国采用，至今有广泛影响。曾长期被各国采用，至今有广泛影响。12 2.以岩体综合物性为指标的分级方法以岩体综合物性为指标的分级方法 60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。该分级法将隧道围岩分为6级 。见表1-4 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

10、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。 1.1.按弹性波按弹性波( (纵波纵波) )速度的分级方法速度的分级方法 围岩弹性波速度是日本提出的分级方法，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(表1-1)。 表1-

11、1 弹性波(纵波)速度分级 围岩类别弹性波速(km/s)4.53.54.52.54.01.53.01.02.01.0(饱和土1.5)142.2.以岩石质量为指标的分级方法以岩石质量为指标的分级方法RQD法法 所谓岩石质量指标所谓岩石质量指标RQD是指钻探时岩芯复是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率，即单位长度钻孔中原率，或称岩芯采取率，即单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例，可写为以上的岩芯占有的比例，可写为: : RQD() 10cm100以上岩芯累计长度单位钻孔长度 该分级法将围岩分为5级R 0.90.75 R 0.90.5 R 0.750.25 R 0.5R 0.25优优良良好好差

12、差很差很差表中表中R R为为RQDRQD指标。指标。 “岩体质量岩体质量Q”Q”的分类方法。的分类方法。 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：SRFJJJJRQDQwarh16组合了组合了6 6个参数：个参数： 岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、 节理蚀变值、节理

13、含水折减系数、应力折减系数。节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。17 根据不同的Q值，将岩体质量评为九等，详见表3-5。岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q4001000100400401001040410140.110.010.10.0010.01表4-2 岩体质量评估：综上所述，：综上所述，围岩分级有以下几方面发展趋势：围岩分级有以下几方面发展趋势：分级要以岩体为对象。分级要以岩体为对象。 分级要与地质勘探手段有机地联系起来，这样才有分级要与地质勘探手段有机地联系起来，这样才有一个方便而又较可靠的判断手段一个方便而又较可靠的判断手段分级要有明确的工程对象和工程目的。分级要

14、有明确的工程对象和工程目的。分级逐渐定量化。分级逐渐定量化。19三、我国铁路隧道围岩分级方法三、我国铁路隧道围岩分级方法 20 2122 2324级别状态渗水量(L/(min10m)干燥或湿润10偶有渗水10-25经常渗水25-1252526初始应力状态主要现象评估基准Rc/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，持续时间长，不宜成洞高应力硬质岩：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47软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过

15、程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差27初始地应初始地应力状态力状态围岩级别围岩级别极高应力极高应力或*高应力高应力或*注：*围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，定为级；围岩岩体为完整的较软岩、较完整的软硬互层时，定为级。 *围岩岩体为破碎的极硬岩、较破碎及破碎的硬岩时，定为级；围岩岩体为完整及较完整软岩、较完整及较破碎的较软岩时，定为级。28围岩类别弹性波(纵波)速度vp(km/s)4.53.54.52.54.01.53.01.02.01.01.5(饱和状态的土)29四、我国公路隧道围岩分级方法四、我国公路隧道围岩分级方法岩石坚硬程度岩石坚硬程度岩石坚硬程度岩石坚硬程度75. 0

16、)50(82.22scIR 定性划分定性划分岩体完整程度岩体完整程度定量划分定量划分岩体完整性指数：岩体完整性指数： 202vvK岩体完整程度岩体完整程度 43五、施工现场围岩级别判定五、施工现场围岩级别判定45 474849 (1)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；51 (2)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；(3)顶板岩体视其强度的不同而逐步塌落，可视为塌落阶段；52(4)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。53自然拱。 55 1) 1)深埋隧道围岩松动压力的

17、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；（铁路隧道实际坍方体统计平均高度铁路隧道实际坍方体统计平均高度 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+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。0.41 1.79sqhw56水平压力见表水平压力见表4-

18、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 0 0.15q 0.15q (0.15(0.150.3)q0.3)q(0.3(0.30.5)q 0.5)q (0.5(0.51.0)q 1.0)q 57 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。58例.隧道穿经级围岩，其开挖尺寸净宽7.40m(单线)，净高8.80m，围岩天然容重21KN/m，试确

19、定其围岩松动压力；若开挖跨度为14.8m(双线)，其围岩压力为？59解：H/B= 8.80/ 7.40=1.21.7采用统计法方式。是单线隧道，竖向均布（压力）作用：水平均布（压力）作用：若开挖跨度为14.8m，H/B= 8.80/ 14.80=0.65m，故i=0.1，=1+0.1(14.8-5.00)=1.98竖向均布压力为：水平均布压力为：60 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

20、况。 图 4-761(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(岩体坚固性系数岩体坚固性系数):):0tantancf6263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 BbHt64 坚硬岩体坚硬岩体:

21、: 松散破碎岩体：松散破碎岩体： 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。 一般来说，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。 245tan0ttHbbtbb tbtH65(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OAB OAB 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：0,0vh663.3.解微分方程解微分方程，得：，得： 4.4.讨

22、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，能发现什么？与普氏法对照，能发现什么？在深埋情形下，太沙基理在深埋情形下，太沙基理论的计算结果与普氏理论的计算结果实质上是一致的。太沙基理论考论的计算结果与普氏理论的计算结果实质上是一致的。太沙基理论考虑了硐室尺寸、埋深及岩石的粘结力和内摩擦角等因素对岩体稳定性虑了硐室尺寸、埋深及岩石的粘结力和内摩擦角等因素对岩体稳定性的影响。一般认为太沙基理论适用硐室埋深较浅的情形。的影响。一般认为太沙基理论适用硐室埋深较浅的情形。 )1 (tan0tan0

23、bhkvekbvkbv0tanf0tanhfbv67 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68 (2) (2) 铁路浅埋隧道围岩松动压力的确定方法铁路浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 当当hhq 时，作用在隧道衬砌上的压力为 q=h ht 为隧道开挖高

24、度，为隧道开挖高度，h为隧道埋深，为隧道埋深，e1 作用在隧道顶处压力，作用在隧道顶处压力，e2作用在隧道底处作用在隧道底处压力，为围岩的计算摩擦角压力，为围岩的计算摩擦角要点：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 2()tehh1eh 2tan (45)269 当当hq qHP，垂直压力标准值按，垂直压力标准值按(1)kkb hqhBh计算计算式中：式中：B-围岩重度围岩重度KN/m，按表取值，按表取值-隧道覆盖深度（隧道覆盖深度（m）kb-隧道宽度（隧道宽度（m）-垂直均布作用夹持系数，按表取值垂直均布作用

25、夹持系数，按表取值70围岩重度及夹持系数围岩级别围岩级别 围岩重度 （KN/m）20.518.516.0拱部截面夹持系数0.100.080.01拱部截面夹持系数0.230.160.08kb71图 4-11NT2W2NT2PT1W2BFW1EAhBtT1DCHG00HHt72水平压力按梯形分布，其水平压力按梯形分布，其标准值按下式计算标准值按下式计算式中：式中：结构高度范围内，任意点结构高度范围内，任意点i的水平侧压标准值的水平侧压标准值-结构高度范围内，任意点结构高度范围内，任意点i离地面的高度离地面的高度m-侧压力系数侧压力系数ikiieh73围岩级别围岩级别 拱部截面侧压力系数0.150.

26、250.35边墙截面侧压力系数0.350.50.65侧压力系数侧压力系数74 4.4.5 4.4.5 明洞压力的计算明洞压力的计算 设计明洞时，其荷载要按以下几项计设计明洞时，其荷载要按以下几项计算算 1.1.拱圈回填土垂直压力拱圈回填土垂直压力 2.2.拱圈回填土石侧压力拱圈回填土石侧压力 3.3.边墙回填土垂直压力边墙回填土垂直压力754.4.6 4.4.6 围岩应力的现场量测围岩应力的现场量测 直接量测直接量测 间接量测间接量测764.4.1直接量测法直接量测法 直接量测法是指采用各种压力盒量测围岩作用在衬砌或支护结构上的接触压力的方法。这种方法是将压力盒（或称压力传感器）放置在衬砌或支

27、护结构与围岩之间，并紧密接触，使二者之间的压力直接由压力盒反映出来。目前用于这种量测的压力盒主要有电阻式、电容式、电压式和振弦式等几种。 振弦式压力盒是电测压力盒中最普遍的一种，其构造如图4-7所示。其工作原理是，当压力盒上作用有压力时，由于机械作用使钢弦拉紧，钢弦拉得越紧，则钢弦的振动频率就越高。这样，当由接受器向压力盒感应线圈输入一脉冲电流时，线圈产生磁通，铁芯对钢弦产生瞬时吸力。电流中断时，吸力消失，钢弦弹起，从而激起钢弦振动。作用压力大小不同，则钢弦振动的频率也不同，这一振动频率使得感应线圈产生感应电动势，感应电动势的频率与钢弦的自振频率相同时，感应电动势频率通过导线输回接受器，从而测出钢弦的振动频率。再根据压力盒本身的标定曲线就可查出压力盒上所受的围岩压力大小。在隧道施工中压力盒的布置如图4-8所示。 图图4-7振弦式压力盒振弦式压力盒 图图4-8压力盒布置方法压力盒布置方法77 4.4.2 4.4.2 间接量测法间接量测法 通过对衬砌或支护及围岩的应力或应变的量测来推求围岩压力的方法称为间接量测法。其中最为常用的方法是对围岩变形（位移）的量测，在反演围岩压力的同时，用于评价围岩的稳定性以及确定围岩松弛带的范围。 一、衬砌（支护）和围岩的应力或应变量测一、衬砌（支护）和围岩的应力或应变量测 （一）应力解除法 这种方法是在已经承载的衬砌或支护结构的表面