隧道工程第5章围岩分级与压力

1、重庆交通大学 隧道及岩土工程系2012年10月本章学习要求：本章学习要求：（1 1）掌握公路隧道围岩分级方法；）掌握公路隧道围岩分级方法；（2 2）掌握公路隧道围岩压力计算方法；）掌握公路隧道围岩压力计算方法；（3 3）理解影响围岩稳定性的因素；）理解影响围岩稳定性的因素； 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本章主要内容本章主要内容 围岩：围岩：隧道周围一定范围内，对其稳定性产生影隧道周围一定范围内，对其稳定性产生影响的岩体响的岩体 围岩压力：围岩压力：是指隧道开挖后，

2、围岩作用在隧道支是指隧道开挖后，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。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、地温梯度等于地层中的原始地应力状态、地温梯度等 。5.1 5.1 隧道围岩分级及其应用隧

3、道围岩分级及其应用 目前，隧道围岩分级是隧道设计、施工的目前，隧道围岩分级是隧道设计、施工的基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基础上的）。础上的）。 认识事物的认识事物的同一性同一性和和差异性差异性的方法就是将事的方法就是将事物进行分类和分级物进行分类和分级 围岩分类围岩分类: 主要突出主要突出同一性同一性,是质的定性评价是质的定性评价,强调的是强调的是属性属性特征特征. 围岩分级围岩分级: 主要突出主要突出差异性差异性,是量的界定是量的界定,强强调的是调的是等级等级特征特征. 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

4、； 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（松散荷载）；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；给出衬砌结构的类型及其尺寸； 制定劳动定额、材料消耗标准基础等制定劳动定额、材料消耗标准基础等； 人们对围岩的认识是不断深入的人们对围岩的认识是不断深入的土石方工程分土石方工程分类法类法( (开挖难开挖难易程度易程度) )岩石的坚固性岩石的坚固性来分类来分类: : 如坚如坚固性系数固性系数f fRQD从围岩稳定性出发分类来从围岩稳定性出发分类来代替多年沿用的坚固性为代替多年沿用的坚固性为基础的分类基础的分类从分级指标方面：从分级指标方面

5、：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。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 围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素性的因素或其组合的因素. . 单一的岩性指标单一的岩性指标 综合岩性指标综合岩性指标 单一的岩性指标单一的岩性指标 岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的岩石的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；分级指标，具有试验简单，

6、数据可靠的优点； 岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量、泊松岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量、泊松比等物理力学参数比等物理力学参数 ； 岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。 综合岩性指标综合岩性指标 岩体的弹性波传播速度岩体的弹性波传播速度：该指标反映了该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，岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合因素，通常用岩体的完整性系数通常用岩体的完整性系数K Kv v来评价来评价, ,即即 2岩石岩体vvKvK Kv v0.750.750.70.75 50.550.550.50.55 50.350.350.30.35 50.150.150

7、.15 90RQD 90 为优质；为优质； 7575 RQD 90 RQD 90 为良好；为良好； 5050 RQD 75 RQD 75 为好；为好； 2525 RQD 50 RQD 50 为差；为差； RQD 25RQD 958575758650752550 550550451450351350251 4.53.54.52.54.01.53.01.02.0 1.0（饱和粘土）（饱和粘土）I0.81.00.60.80.40.60.20.4 0.2 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、重施工阶段围岩判定具有直接性、可靠性、重要性特征，因此，施工阶段围岩级别的判定

8、是要性特征，因此，施工阶段围岩级别的判定是一个重要而现实的问题。一个重要而现实的问题。 评定因素采用围岩坚硬程度、围岩完整性程评定因素采用围岩坚硬程度、围岩完整性程度、和地下水状态三项因素，细分为十三个子度、和地下水状态三项因素，细分为十三个子因素，因素， 即即3 31313评定评定; ; 隧道施工围岩分级隧道施工围岩分级 即即3 31313评定评定 在三个因素中，在三个因素中，最困难的是围岩完整性程度最困难的是围岩完整性程度的评定的评定，重点是如何根据掌子面的地质数据评，重点是如何根据掌子面的地质数据评价围岩的完整程度。价围岩的完整程度。 根据对国内外施工阶段围岩分级的调查，根据对国内外施工

9、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，如可采用下图的用定性和定量相结合的方法，如可采用下图的指标指标 ：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。从狭义上来理解支护结构上的作用力。从狭义上来理解，围岩围岩压力是指围岩

10、作用在支护结构上的压力压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工在工程中一般研究狭义的围岩压力。程中一般研究狭义的围岩压力。 围岩压力按作用力发生形态分为：围岩压力按作用力发生形态分为： 松散压力：松散压力： 形变压力：形变压力： 膨胀压力：膨胀压力： 冲击压力：冲击压力： 松散压力：松散压力：常通过下列三种情况发生：常通过下列三种情况发生： 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；掉块的岩石； 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落；帮冒落； 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些

11、部位沿弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。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形过程中，围岩对支护结构施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。形变压力除与围岩应力状态有加的接触压力。形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。关外，还与支护时间和支护刚度有关。 膨胀压力：膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩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解所引起的压力。它与形变压力的基本区

12、别在于它是由吸水膨胀引起的。于它是由吸水膨胀引起的。 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，围岩的约束被变性能之后，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。解除，能量突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，所冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩以它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，一旦遇到适宜条件，就会突然猛烈的变形能，一旦遇到适宜条件，就会突然猛烈的大量释放。大

13、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，有大有小，对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅其波及范围仅局限在隧道周围一定深度局限在隧道周围一定深度，作用，作用在支护结构上的围岩松散压力远远小于其上覆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，这可用围岩的岩层自重所造成的压力，这可用围岩的“成拱成拱作用作用”来解释。来解释。围岩松动压力的形成围岩松动压力的形成(a) (a) 变变形形阶阶段段 ( (b) b) 松松动动阶阶段段 ( (c) c) 塌塌

14、落落阶阶段段 (d) (d) 成成拱拱阶阶段段 隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段变形阶段； 顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面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，可视为切割等原因，逐渐转变为松动，可视为松动阶段松动阶段； 顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为为坍塌阶段坍塌阶段； 顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形，可视为形成一近似的拱形，可视为

15、成拱阶段成拱阶段。 自然拱的范围的大小自然拱的范围的大小除受上述的围岩地质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：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，：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越大；越大； 隧道的埋深：隧道的埋深：实践证明，只有当隧道埋深超实践证明，只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱。习惯上过某一临界值时，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。称

16、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，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，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。加大自然拱范围。地层负温度地层负温度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：围岩压力的确定目前常用有下列三种方法： 直接量测法直接量测法 经验法或工程类比法经验法或工程类比法 理论估算法理论估算法 直接量测法：直接量测法： 是一种切合实际的方法，是一种切合

17、实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向；但对隧道工程而言，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，目前还由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。不能普遍常用。 经验法或工程类比法：经验法或工程类比法： 是根据大量以前工程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据的方法。是目前使用较多的定围岩压力的依据的方法。是目前使用较多的方法。方法。 理论估算法：理论估算法：是在实践的基础上从理论是在实践的基础上从理论上研究

18、围岩压力的方法。由于地质条件的不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多，企图建立确定性，影响围岩压力的因素多，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩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。压力理论及计算方法是困难的。 深埋隧道围岩压力的确定深埋隧道围岩压力的确定( (工程类比法工程类比法) ) 围岩竖向匀布压力围岩竖向匀布压力q q 按下式计算：按下式计算： q = 0.45 2 s-1 (kN/m2) 式中式中 ：SS围岩级别，如属围岩级别，如属II II级，则级，则S S2 2； 围岩容重，围岩容重， (kN/m(kN/m3 3

19、) )； 1+ i(B-51+ i(B-5) ) 宽度影响系数；宽度影响系数； B B 隧道宽度隧道宽度,(m,(m）；）； i i 以以B B5m5m为基准，为基准，B B每增减每增减1m1m时的围岩压力时的围岩压力增减率。增减率。 当当B5mB 5mB 5m, ,取取i i 0.10.1。 深埋隧道围岩压力的确定深埋隧道围岩压力的确定( (工程类比法工程类比法) ) q = 0.45 2 s-1 (kN/m2) 适用条件适用条件 H/B 1.7H/B 1.7， 式中式中HH为隧道高度；为隧道高度； 深埋隧道；深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道；不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道

20、； 采用钻爆法施工的隧道。采用钻爆法施工的隧道。 围岩的水平匀布压力围岩的水平匀布压力e e 的确定，按下表中的确定，按下表中的经验公式计算的经验公式计算 围岩围岩级别级别I、IIIIIIVVVI水平匀水平匀布压力布压力00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q (0.51.0)q 铁路新规范：铁路新规范： qh h=0.411.79S 这是全国这是全国10461046座铁路隧道得出的经验公式，座铁路隧道得出的经验公式，其中其中S 新规范围岩的分级新规范围岩的分级。 注：注：铁路隧道跨度小于公路隧道铁路隧道跨度小于公路隧道围岩压力分布特征围岩压力分布特征作用在支护结构上的荷载是很不均匀

21、的，这是因为在作用在支护结构上的荷载是很不均匀的，这是因为在级及级及级围岩中，局部塌方是主要的。根据统计资料，围岩竖向松动级围岩中，局部塌方是主要的。根据统计资料，围岩竖向松动压力的分布图形大致可以概括为以下六种，如图所示。压力的分布图形大致可以概括为以下六种，如图所示。 浅埋隧道围岩松散压力的计算浅埋隧道围岩松散压力的计算 深、浅埋隧道的判定原则深、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隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应法不同，应以隧道顶部覆盖层能否形成以隧道顶部覆盖层能否形成“自自然拱然拱”为原则为原则。 深埋隧道围岩松散压力值是以施工深埋隧道围岩松散压力值是以施

22、工坍方平均坍方平均高度高度( (等效荷载高度值等效荷载高度值) )为根据，为了形成此高为根据，为了形成此高度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度。根据经度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度。根据经验，这个深度验，这个深度通常为通常为2 22.52.5倍的坍方平均高度倍的坍方平均高度值值 深、浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道的判定原则 HHp p（2 22.52.5）h hq q 式中式中: :HHp p深浅埋隧道分界深度深浅埋隧道分界深度; ; h hq q荷载等效高度，按下式计算：荷载等效高度，按下式计算： h hq qq/ q/ q q 深埋隧道竖向均布压力深埋隧道竖向均布压力 kNkNmm2 2；

23、围岩容重（围岩容重（kNkNmm2 2）。）。 在矿山法施工的条件下在矿山法施工的条件下I I级围岩取级围岩取 HHp p2h2hq q级围岩取级围岩取 HHp p2.5h2.5hq q 当隧道覆盖层厚度当隧道覆盖层厚度HHHHp p时为深埋，时为深埋， HHHHp p时为浅埋时为浅埋 浅埋隧道围岩压力的确定方法浅埋隧道围岩压力的确定方法 埋深埋深( (H) )小于或等于等效荷载高度小于或等于等效荷载高度hq时，荷时，荷载视为均布竖向压力载视为均布竖向压力 q = H式中式中: : q匀布布竖向压力；匀布布竖向压力； 深度上覆围岩容重；深度上覆围岩容重； H隧道埋深，抬隧道顶至地面的距离。隧道

24、埋深，抬隧道顶至地面的距离。 浅埋隧道围岩压力的确定方法浅埋隧道围岩压力的确定方法 侧向压力侧向压力e e，按匀布考虑时，其值为：，按匀布考虑时，其值为： e = (H + 1/2 He = (H + 1/2 Hi i)tan)tan2 2(45(450 0/2)/2)式中式中: : e e 侧向匀布压力；侧向匀布压力； 围岩容重，以围岩容重，以kN/mkN/m3 3计；计； H H 隧道埋深，以隧道埋深，以mm计；计； HHi i 隧道高度，以隧道高度，以mm计；计； 一围岩计算摩擦角，可查有关规范。一围岩计算摩擦角，可查有关规范。埋深大于埋深大于h hq q、小于等于、小于等于HHp p时

25、时 采用松散介质极限平衡理论进行分析，即：围采用松散介质极限平衡理论进行分析，即：围岩松动压力岩松动压力= =滑动岩体重量滑面上的阻力滑动岩体重量滑面上的阻力 q浅浅 Q浅浅/B = H（1H/Btan） e=(Hh) /2式中式中一侧压力系数一侧压力系数 ，即：，即：=(tan-tan)/tan1+tan(tan- tan) +tantan tan = tan+(tan2+1)tan/(tan-tan)1/2 围岩压力的现场量测围岩压力的现场量测 现场实测围岩压力的方法很多，可归纳现场实测围岩压力的方法很多，可归纳为两类：为两类： 直接量测直接量测 间接量测间接量测直接量测：直接量测：主要采

26、用仪器为压力盒、压力传主要采用仪器为压力盒、压力传感器等设备。感器等设备。 压力盒按工作原理分为以下三类：压力盒按工作原理分为以下三类： 机械作用式机械作用式 电测式电测式 液压式液压式目前使用较多的是钢弦式压力盒。目前使用较多的是钢弦式压力盒。 钢弦式测试技术属于钢弦式测试技术属于“非电量电测法非电量电测法”的范畴，测试的范畴，测试工作系统一般由钢弦式传感器和钢弦频率测定仪组成。工作系统一般由钢弦式传感器和钢弦频率测定仪组成。测试系统如图：测试系统如图：钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的基本原理 由钢弦内应力的变化转化为钢弦振动频率的由钢弦内应力的变化转化为钢弦振动频率的变化。钢弦应力和振

27、动频率的关系如下：变化。钢弦应力和振动频率的关系如下：Lf21fL式中：为钢弦振动频率式中：为钢弦振动频率 为钢弦的长度为钢弦的长度 为钢弦的密度为钢弦的密度 为钢弦所受的张拉应力为钢弦所受的张拉应力 间接量测：间接量测：利用量测隧道衬砌的应变、变形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 隧道围岩分级是对隧道开挖后，围岩稳隧道围岩分级是对隧道开挖后，围

28、岩稳定程度的分级和评价。围岩分级的因素，也就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。是影响隧道围岩稳定性的因素。 影响隧道围岩稳定性的因素一般认为有两影响隧道围岩稳定性的因素一般认为有两类：类：一类是客观存在的地质因素；另一类是设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。计和施工因素，或称为人为因素。1 1、地质因素的影响、地质因素的影响 岩土体结构状态岩土体结构状态 岩石的工程性质岩石的工程性质 地下水的作用和影响地下水的作用和影响 围岩的初应力状态围岩的初应力状态 岩土体结构状态岩土体结构状态 岩土体结构是长时间地质运动的产物，在地岩土体

29、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。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围岩的结构状态通常用其破碎程度或完整状态来表示态来表示 岩体的完整状态或破碎程度有两个含义，一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是构成岩体的岩块大小，二是这些岩块的组合形态。形态。 岩石的工程性质岩石的工程性质 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。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

30、大的。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。岩石强度在完整的岩体中是起主要作用的。 地下水的作用和影响地下水的作用和影响 使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显，使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显，对土体则可促使其液化或流动；对土体则可促使其液化或流动； 有软弱结构面的围岩，会冲走充填物或使夹有软弱结构面的围岩，会冲走充填物或使夹层液化，减少层间摩阻力促使岩块滑动；层液化，减少层间摩阻力促使岩块滑动； 在某些围岩中，如石膏、岩盐和蒙脱石为主在某些围岩中，如石膏、岩盐和蒙脱石为主的粘土岩中，遇水后产生膨胀，在未胶结或弱的粘土岩中，遇水后产生膨胀，在未胶结或弱胶结的砂岩中可产生流砂和潜蚀。胶结的砂岩中可产生流砂和潜蚀。 围岩的初应力状态围岩的初应力状态 围岩的初应