第4章隧道围岩分级与围岩压力计算

1、学习本章的学习本章的目的目的： （1 1）要求掌握有关隧道的勘查、设计、构造原理和有关计算方）要求掌握有关隧道的勘查、设计、构造原理和有关计算方法；法； （2 2）理解隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系；）理解隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系； （3 3）了解隧道围岩分级时考虑的因素。）了解隧道围岩分级时考虑的因素。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 Surro

2、unding rock classification and pressure4.1 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: :是指隧道开挖后其周围产生是指隧道开挖后其周围产生应力重分布应力重分布范围内的岩体，范围内的岩体，或指隧道开挖后对其或指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。围岩既指岩体也指土体。围岩的范围： 围岩的边界应划在开挖隧道面引起的应力变化可以围岩的边界应划在开挖隧道面引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而

3、忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零。一般在横断面上为产生的位移应该为零。一般在横断面上为6-8倍的洞径。倍的洞径。4.1.2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 ：围岩抵抗变形和破坏的性能。：围岩抵抗变形和破坏的性能。 岩岩 体体结构面结构面岩石岩石结构面：包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面岩体的力学特征主要取决于岩体的结构特征、结构体岩岩体的力学特征主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特征以及结构面的特征：石的特征以及结构面的特征： 软弱节理发育和完整连续的岩体，岩石的结构特征软弱节理发育和完整连续的岩体，岩石的结

4、构特征决定岩体力学特征。坚硬块状岩体中，结构面为主导。决定岩体力学特征。坚硬块状岩体中，结构面为主导。岩体：由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。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 1 1、岩体的变形特性、岩体的变形特性 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？

5、1) 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。 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) 2) 剪切变形剪切变形 (1) (1) 沿结构面滑动沿结构面滑动 (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 3)

6、 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：抗压强度：由结构面特征决定低于岩石岩体强度：抗压强度：由结构面特征决定低于岩石强度，约为岩石强度的强度，约为岩石强度的70708080。 抗剪强度：主要由结构面特征决定。抗剪强度：主要由结构面特征决定。 4.2 围岩的稳定性围岩的稳定性4

7、.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。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 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

8、素影响围岩稳定性的因素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。对稳定性起主导作用。裂隙率、裂隙间距。对稳定性起主导作用。 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。 按这裂隙间距将岩体分为：按这裂隙间距将岩体分为： 围岩岩体整体

9、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：

10、 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

11、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，有的呈粉末泥土状围岩节理（裂隙）发育程度划分围岩节理（裂隙）发育程度划分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

12、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 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。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根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为6 6级。级。围岩级别岩 体 特 征土 体 特 征围岩弹性纵波速度(km/s)极硬岩，岩体完整-4.5极硬岩，岩体较

13、完整；硬岩，岩体完整-3.54.5极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整-2.54.0极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的碎(卵)石土、大块石土，黄土(Q1、Q2)1.53.0软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩(包括受构造影响严重的破碎带)一般第四系坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍湿、潮湿的碎(卵)石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土(Q3、Q4)1.02.0受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状粘

14、性土、饱和的粉土、砂类土等1.0(饱和状态的土1.5)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一、围岩压力及其分类一、围岩压力及其分类 ( (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（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

15、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。3 3膨胀压力膨胀性岩层。膨胀压力膨胀性岩层。 4 4冲击压力明洞，落石；冲击压力明洞，落石； 暗洞，坍方、岩爆。暗洞，坍方、岩爆。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1.1.围岩松动压力的形

16、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自然拱 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

17、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） 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+iw=1+i（B-5B-5）计算：）计算： B B 坑道宽度，当坑道宽度，

18、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。双线单线51245. 079. 141. 01Bihhss水平压力见表：水平压力见表：表围岩水平均布压力表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 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

19、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。 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。 图图 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例 某单线隧道处于围岩，埋深20 m，宽度7.4m，高度8.8 m,容重21.5KN/m3,试计算竖值压力和水平压力。围岩级别水平均布压力00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q4.21m79. 141. 0. 14hkN/m15.275 .133 . 0

20、15. 0. 3qekN/m5 .9021. 45 .21. 2 hq双线单线51245. 079. 141. 01Bihhss(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):):0tantancf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

21、4-8 4-8 自然拱的两种形态自然拱的两种形态B hkBthk BbHt 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，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。 埋深小于或等于塌落拱的高度Hq竖向应力245tan2102tHHe水平应力 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