第2章地下工程地质环境及围岩分级

1、第2章 地下工程地质环境及围岩分级（类）2.1概述2.2围岩结构分类及其破坏特征2.3围岩的初始应力场2.4围岩稳定性影响因素及围岩分级因素与指标2.5国内外主要地下工程围岩分类标准2.1 概述 地下结构与地面结构的异同 同： 均为结构体系 异： 1、地面结构一般由结构和地基组成 2、地下结构由地层和支护结构组成 地层 地下结构承受的荷载主要是结构体系本身即地层，称为地层压力或围岩压力。 地层既承受荷载也是荷载的来源。 在地下结构中，地层起主导作用。 地质环境 包括地层特征、地下水状况、地层原始应力状态等。 围岩 开挖后应力发生重分布的地层。 地下工程围岩的稳定性 地层被挖成隧道等地下空间后的

2、稳定程度 。 稳定性问题包括围岩破坏或变形性演变规律、围岩稳定的影响因素、表征围岩稳定的指标和判定准则、分析围岩稳定性的方法等。 围岩的原始地应力 围岩的变形与破坏的根本作用力。2.2 围岩结构分类及其破坏特征 围岩范围 围岩的边界是不受开挖影响即开挖后位移为0的地方。围岩范围一般约为开挖断面6至10倍的洞径。 围岩的工程性质：强度和变形。主要与岩体结构、岩体的物理力学性质、原始应力、地下水等有关。6岩块(rock或rock b1ock)是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。岩块称为结构体(structural element)、岩石材料(rock material)及完整

3、岩石(intact rock)等等。岩块与岩体1、岩块(rock或rock b1ock)7 结构面 (structure plane)是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带，它包括物质分界面和不连续面，如层面、不整合面、节理面、断层、片理面等。国内外一些文献中又称为不连续面(discontinuities)或节理(joint)。在结构面中，那些规模较大、强度低、易变形的结构面又称为软弱结构面。2、结构面(structure plane)8结构面的类型构造结构面：受构造应力作用 所产生的破裂面次生结构面：在外营力（如风化、卸荷、应力变化、地下水

4、、 人工爆破等）作用下而形成的结构面 原生结构面： 成岩过程中形 成的结构面 沉积结构面：层面、软弱夹层 不整合面岩浆结构面：接触面、蚀变带 原生节理 变质结构面：片理、片岩夹层 节理、断层、劈理以及层间错动面 910111213结构面的等级：I级结构面： 大断层、区域性断裂带； 延伸数公里数十公里，宽数十米数百米。 II级结构面： 较大断层、区域性地质界面； 延伸数百米数公里，宽数十厘米数米。 级结构面： 控制工程岩体稳定的断层、节理； 延伸数十米数百米，宽数厘米1米左右。 IV级结构面： 影响工程岩体稳定的小断层、裂隙； 延伸2030米，宽数厘米数十厘米。V级结构面：微结构面，影响岩快的物

5、理力学性质。14结构面的统计分析 裂隙的产状、间距、宽度和面积 裂隙统计图 15 岩体(rockmass)是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体(或称岩块)和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。 岩 体结构面岩块不连续面：包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面3、岩体(rockmass)16岩体结构包括两个组成部分：结构面和结构体17182.2.1 岩体结构类型: 由于岩体中结构面的性质、规模、切割密度等因素的不同，岩体的物理力学性质也就不同。 因此，有人就根据结构面的等级和组合方式，把岩体结构类型分成四个大类与九个亚类。 整体结构岩体的变

6、形主要是结构体的变形 块状和层状结构岩体的变形主要是结构面的变形，岩体的破坏主要是沿软弱结构面的滑动； 碎裂和散体结构岩体的变形，开始是将裂隙或孔隙压密，随后是结构体变形，并伴随着结构面张开。21222.2.2 围岩的失稳与破坏 地下开挖后，岩体中形成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了支撑而发生向洞内松胀变形；如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏，并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆，称前者为变形，后者为破坏。地下工程围岩失稳破坏形态一、各类结构围岩的变形破坏特点 1 1、整体状和块状岩体围岩、整体状和块状岩体围岩 岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，

7、主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。 在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质，应力应变呈近似直线关系。 围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。 这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论分析，局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分析。 岩爆是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现象。 脆性开裂出现在拉应力集中部位。 块体滑移是块状岩体常见的破坏形成。它是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制。坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.层面；2.断裂

8、；3.裂隙2、层状岩体围岩 常呈软硬岩层相间的互层形式。 结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。 变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。 变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。 在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。 在倾斜层状围岩中，常表现为现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移等破坏形式，形成不对称的塌落拱。将出现偏压现象。 在直立层状围岩中，当天然应力比值系数1/3时，洞顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断塌落。侧墙则因压力平行于层面，常发生

9、纵向弯折内鼓，进而危及洞顶安全。3、碎裂状岩体围岩 碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。 变形破坏形式常表现为塌方和滑动。 用松散介质极限平衡理论来分析。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，不易大规模塌方。围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，易产生大规模塌方或塑性挤入4、散体状岩体围岩 散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。 围岩结构均匀时，以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。 可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。2.3 围岩的初始应力场

10、 围岩的初始应力场（原始地应力场） 由于岩体的自重和地质构造作用，在地下工程开挖前岩体中就已经存在着一定的地应力场，称之为围岩的初始应力场。 围岩二次应力场 洞室开挖后，部分地层的原始应力场发生变化，应力重新分布，形成的新的应力场称为围岩应力场。应力重新分布的地层称之为围岩。2.3.1 围岩初始应力场的组成初始应力自重应力场构造应力场 形成与岩体的结构、性质、埋藏条件及地质构造运动的历史等有密切关系。 由自重应力场和构造应力场组成。1 1）自重应力场）自重应力场 指上覆岩体自重所产生的应力场，它是指上覆岩体自重所产生的应力场，它是地心引力和离心惯性力共同作用的结果。地心引力和离心惯性力共同作用

11、的结果。2）构造应力场）构造应力场 指地壳各处发生的一切构造变形与破裂所指地壳各处发生的一切构造变形与破裂所形成的地应力。可分为活动的和残余的两类形成的地应力。可分为活动的和残余的两类。 活动的构造应力：活动的构造应力：是近期和现代地壳运动正是近期和现代地壳运动正在积累的应力，也是地应力中最活跃最重要的一在积累的应力，也是地应力中最活跃最重要的一种，常导致岩体的变形与破坏。地震的产生正是种，常导致岩体的变形与破坏。地震的产生正是新构造应力的反映。新构造应力的反映。 残余的构造应力：残余的构造应力：是由古构造运动残留下来是由古构造运动残留下来的应力，包括残存在岩体中的应力以及原生内应的应力，包括

12、残存在岩体中的应力以及原生内应力。力。构造应力场构造应力场382.3.2 围岩初始应力场的变化规律与影响因素 研究岩体的自重应力时，一般把岩体视为均匀、连续且各向同性的弹性体，因此可以引用连续介质力学原理来探讨岩体的自重应力问题。 HzHzyx11对于多层岩石： niiizH1maxniiiiiyxH1min1 上述公式是理想情况下的自重应力计算公式。 地面为水平面，地层为各向同性的半无限体。围岩自重应力场的变化规律： （1）垂直方向的自重应力是随深度成线性增加的。 （2）水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。 由于其形成原因的复杂性以及随时间地不断变化，使得很难用具体的函数形式表述构

13、造应力场的特性。 我国大陆初始应力场的变化规律大致为： a、在一定深度内，垂直应力的量值随深度线性增大，而且水平应力普遍大于垂直应力。 b、水平应力具有明显的各向异性。水平主应力的另一个显著特点，就是具有很强的方向性，一般总是以一个方向的主应力占优势，很少有大、小应力相等的情况。 一是重力、地质构造、地形、岩体的物一是重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质以及地温等经常性因素；理力学性质以及地温等经常性因素； 二是新构造运动、地下水活动、人类活二是新构造运动、地下水活动、人类活动等暂时性或局部性的因素。动等暂时性或局部性的因素。影响初始应力场的因素：影响初始应力场的因素：1 1）地形地貌）地

14、形地貌2 2）岩体的力学性质）岩体的力学性质3 3）地温）地温 主要是由于温度变化而产生的残余应力。主要是由于温度变化而产生的残余应力。4 4）人类活动）人类活动 人类活动包括：大堆渣场的形成、深的露人类活动包括：大堆渣场的形成、深的露天开采、地下开挖等等，都有可能局部地影响围天开采、地下开挖等等，都有可能局部地影响围岩的初始应力场。岩的初始应力场。432.3.3 围岩初始应力场的实地量测 实地应力量测就是直接在未经开挖扰动过的岩体中进行应力量测。 岩体应力量测有两种： 量测围岩的绝对应力值，包括其大小和方向。 量测围岩应力在开挖过程中的相对变化。 方法确定围岩的初始应力场，方法评价施工程序的

15、优劣及开挖对相邻地下工程的影响。1) 应力全解除法 原理：将包含着量测原件（即应变计）的那一部分岩体单元从岩体中分离出来，解除周围岩体中对它的约束作用，然后量测由于解除约束而产生的应变，利用岩体的应力-应变关系，反算出所解除的应力，也就是原存于围岩中的初始应力。 应力解除法具体实施方法有两种：孔底法，孔壁和孔径法。（1）孔底法实施步骤1、用环钻钻孔至所要求量测应力的深度，取出岩心（图2-6a）2、磨平孔底，将应变计粘贴到孔底，读取应变计的初读数（图2-6b）3、钻孔使贴有应变计的岩芯分离，待应变计读数不变后读数(图2-6c)。4、根据初读和终读数据可求得应力解除后垂直于钻孔轴平面的3个应变值。

16、5、根据岩体的应力-应变关系算出围岩中垂直于钻孔轴平面上的应力。 由于钻孔引起的引力集中造成孔底法所测孔底应力稍高于实际的围岩原始应力。 图 2-6 孔底法操作示意图（2）孔壁和孔径法（2）孔壁和孔径法实施步骤1、用大口径钻头钻孔到要量侧应力的深度，磨平孔底（图2-7a）2、改用小钻头在孔底钻一个小孔，在孔中安装孔壁三轴应变仪，读取初读数（图2-6b）3、改用大孔径钻产生环状岩芯，解除约束，待应变计读数不变后读数(图2-6c)。4、根据初读和终读数据可求得应力释放后孔壁上3个不同的应变值。5、根据岩体的应力-应变关系算出围岩中垂直于钻孔轴平面上的应力。 需要指出：两种方法都可以在地面垂直向下钻

17、孔，也可在洞室内水平钻孔或向上钻孔进行量测。但孔底法只能测到一个平面上的两个主应力，第三哥主应力需要假设，若要量测三维应力状态，一般需要不同方向的3个钻孔。 另外：应力全解除法量测岩体应力的精度与岩体应力-应变关系有关；因此，在条件许可的情况下，尽可能在量测岩体应力的现场同时进行岩体应力-应变关系的测定。2） 应力恢复法 基本原理：事先在洞室的岩壁表面安装应变计，并记录下应变的初读数，然后在岩壁上掏一个狭长的槽口，这就解除了垂直于槽口的法向约束和平行于槽口的切向约束，应变计读数亦将下降；最后将扁千斤顶放入槽口，固定后加压，使应变计读数恢复到掏槽前的数值。此时，扁千斤顶显示的压力即为岩体中相应的

18、方向的应力。 扁千斤顶法示意图 扁千斤顶所测得的岩体应力严格来说并非围岩的初始应力，而是由于开挖产生集中后的洞室周边应力。所以需对所测得的结果进行修正。结果的修正 对于弹性岩体中的或断面形状规则的隧道，如圆形、矩形隧道，应力集中的修正比较简单，可以用弹性力学方法修正。 对于断面形状复杂的洞室可以采用光弹性试验。 应力恢复法的优点：岩体应力的量测结果不受岩体应力-应变关系的制约。2.4 围岩稳定性的影响因素及围岩分级因素与指标的选择研究地下工程地质环境需要解决的两个基本问题判断地下工程围岩的稳定性最佳的施工方法和支护结构两种方法经 验 方 法理 论 方 法 经 验 方 法：根据以往的工程经验对上

19、述的两个问题作出决策，其依据是地下工程围岩稳定性分级（类）。 围岩稳定性分级（类）：根据一个或几个主要指标将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个级（类）别。 围岩分级（类）方法：建立一个分级（类）表，表中一般都包括分级（类）档数、分级（类）限界和分级（类）判据3大要素。方法很多，这3大要素的确定方法也不一样。2.4.1 影响围岩稳定性的主要因素 按其性质来说。可以归纳为两大类：第一类，属于地质环境方面的自然因素，它们决定了地下工程围岩的质量； 第二类，则属于工程活动的人为因素，如地下工程的形状、跨度、施工方法、洞室轴线与岩层产状的关系等，人为因素能够影响到围岩的质量和稳定性。(不能决定

20、围岩质量但能影响围岩的质量和稳定性)1.地质因素1） 岩体结构特征2） 结构面性质和空间的组合3） 岩石的力学性质4) 围岩的初始应力场5） 地下水状况1） 岩体结构特征 岩体的结构特征是长时间地质构造运动的产物，是控制岩体破坏形态的关键。 从稳定性分级的角度来看，岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。 实践证明，围岩的破碎程度对洞室的稳定与否起主导作用，在相同岩性的条件下，岩体愈破碎，洞室就愈容易失稳。因此，在近代围岩分级（类）法中，都已将岩体的破碎程度或完整状态作为分级（类）的基本指标之一。 岩体的破碎程度或完整状态是指构

21、成岩体的岩块大小及这些岩块的组合排列形态。 岩块的大小通常都用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙间距等指标表示。 裂隙率是指沿裂隙法线方向单位长度内的裂隙数目，裂隙间距则是指沿裂隙线法线方向上裂隙间的距离。2） 结构面性质和空间的组合 块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是：软弱结构面的性质及它们在空间的组合状态。 对于地下洞室来说，围岩中存在单一的软弱面，一般不会影响洞室的稳定性。只有当结构面与洞室轴线的相互关系不利时，或者出现两组或两组以上的结构面时，才能构成容易坠落的分离岩块。 例如，有两组平行但倾向相反的结构面和一组与之垂直或斜交得陡倾结构面，就可能构成屋脊形分离岩块（如图2-1

22、3）。 岩块是否会滑动或塌落则与结构面的抗剪强度与岩块之间的相互联锁作用有关。 在围岩分级（类）中，可以从下述的5个方面来研究结构面对地下工程围岩稳定性影响的大小：（1） 结构面的成因及其发展史；（2） 结构面的平整、光滑程度；（3） 结构面的物质组成及其充填物质情况；（4）结构面的规模与方向性；（5）结构面的密度与组数。3）岩石的力学性质 在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质，尤其是岩石的强度。 在围岩分级（类）中所说的岩石强度指标，都是指岩石的单轴饱和极限抗压强度。 岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态，轻度高的硬岩多表现为脆性破坏，如岩爆；而在强度低的软岩，则以塑性变

23、形为主。4）围岩的初始应力场 围岩的初始应力场是地下工程围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。5）地下水状况 隧道等地下工程施工的实践证明，地下水是造成施工塌方、使围岩丧失稳定的最重要因素 之一。 在岩性不同的岩体中，水的影响也是不相同的，归纳起来有如下几种： （1）使岩质软化，强度降低，对软岩尤其突出；对土体则可促使其液化或流动； （2）在有软弱结构面的岩体中，会冲走充填物质或使夹层软化，减少层间摩阻力，促使岩块滑动； （3）在某些岩体中，如含有生石膏、岩盐或以蒙脱土为主的粘土岩，遇水后将产生膨胀，其势能很大；在未胶结或弱胶结的砂岩中，水的存在可以产生流砂和潜蚀。 因此，在围岩

24、分级（类）中，对软岩、碎裂结构和 散体结构岩体、有软弱结构面的层状岩体及膨胀岩等，应着重考虑地下水的影响。在目前的分级（类）中，对地下水的处理方法有3种： 在分级（类）时不将水的影响直接考虑进去，而是根据围岩受地下水影响的程度，适当降低围岩的等级； 分级（类）时按有水情况考虑，当确认围岩无水则可提高围岩的等级； 直接将地下水的状况（水质、水量、流通条件、静水压等）作为一个分级（类）的指标。2. 工程活动所造成的人为因素 施工等人为因素也是造成围岩失稳的重要条件，其中尤其以洞室的尺寸（主要指跨度）、形状及施工中所采用的开挖方法等影响较为显著。1） 洞室的形状和尺寸 实践证明，在同一级（类）围岩中

25、，洞室跨度愈大，围岩的稳定性就愈差；因为岩体的破碎程度相对加大了 。裂隙间距在0.41.0m左右的岩体，对中等跨度（510m）的洞室而言，是大块状的；但对大跨度（15m）的洞室来说，只能算是碎块状的。 因此，在当前的围岩分级（类）法中，有的就明确指出分级（类）法的适用跨度范围；有的则采用相对裂隙间距，即裂隙间距与洞室跨度的比值作为分级（类）的指标。例如，相对裂隙间距为1/5的属完整的；1/51/20范围内的属破碎的；大于1/20的属极度破碎的。 但也有人反对这样，人为将跨度引进围岩分级（类）法中会造成对岩体结构概念的混乱和误解。比较通用的做法，是将跨度的影响放在确定围岩压力值与支护结构类型和尺

26、寸时考虑，这样将分级（类）问题简化了。 地下洞室的形状主要影响开挖后围岩的应力状态。 圆形或椭圆形洞室围岩应力状态以压应力为主，这对维持围岩的稳定性是有好处的。 矩形或梯形洞室，在顶板处将出现较大的拉应力，从而导致岩体张裂破坏。但目前各种分级（类）法中都没考虑拉应力因素。2） 施工中采用的开挖方法 从目前的施工技术水平来看，开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为明显，在分级（类）中必须予以考虑。例如，在同级岩体中，使用普通爆破法和控制爆破法，采用矿山法和掘进机法，采用全断面一次开挖和采用小断面分部开挖，对围岩的影响都不相同。 工程活动造成的人为因素，虽然对围岩稳定性的影响很大；但为了简化围岩分

27、级（类）问题，一般都是以分级（类）的使用条件来控制，而分级（类）的本身则主要从地质因素考虑。2.4.2 分级(类)的因素指标及其选择1. 单一的岩性指标 2. 单一的综合岩性指标3. 复合指标1. 单一的岩性指标 包括岩石的抗压强度和抗拉强度、岩石坚固性系数、弹性模量等物理学参数，以及如抗钻性、抗爆性等指标。 在单一岩性指标中，多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级（类）指标，除了实验方法较方便外，从定量上看也是比较可靠的。 单一的岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，因此用来作为分级（类）的唯一指标是不合适的。2. 单一的综合性指标 它表明指标是单一的；但反映的因素却是综合的。如岩体的

28、的弹性波传播速度，它既可反映岩石的力学性质，又可表示岩体的破碎程度。 岩石的质量指标也是反映岩体破碎程度和岩石强度的综合指标。 岩石质量指标（岩石质量指标（RQDRQD） 是综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的指是综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的指标。标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率。或称为岩芯采取率。 钻探时岩芯的采取率、岩芯的平均和最大长度钻探时岩芯的采取率、岩芯的平均和最大长度是受岩体原始的裂隙、硬度、均质性的影响的，是受岩体原始的裂隙、硬度、均质性的影响的，岩体质量的好坏主要取决于岩芯采取长度小于岩体质量的好坏主要取决

29、于岩芯采取长度小于10cm10cm以下的细小岩块所占的比例。因此，岩芯采以下的细小岩块所占的比例。因此，岩芯采取率是以单位长度钻孔中取率是以单位长度钻孔中10cm10cm以上的岩芯占有的以上的岩芯占有的比例来判断的。即比例来判断的。即 RQD(%)=10cmRQD(%)=10cm以上岩芯累计长度以上岩芯累计长度100100/ /单位钻孔长度单位钻孔长度 岩石质量指标分级认为：岩石质量指标分级认为： RQD 90 RQD 90 为优质；为优质； 75 75 RQD 90 RQD 90 为良好；为良好； 50 50 RQD 75 RQD 75 为好；为好； 25 25 RQD 50 RQD 50 为差；为差； RQD 25 RQD 25 为很差。为很差。 围岩的自稳时间围岩的自稳时间 亦亦被认为是综合岩性指标，隧道开挖后，围岩通常都有被认为是综合岩性指标，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（的，劳费（H.LaufferH.Lauffer）认为隧道围岩的自稳时间）认为隧道围岩的自稳时间tsts可用下可用下式表示：式表示：)1(LCts 式中：式中： L L 隧道未支护地段的长度；隧道未支护地段的长度；