隧道工程第5章ppt课件

1、重庆交通大学 隧道及岩土工程系2019年10月学习本课程的目的：学习本课程的目的：1 1要求掌握有关公路隧道的勘查、设要求掌握有关公路隧道的勘查、设计、构造原理和有关计算方法；计、构造原理和有关计算方法；2 2了解公路隧道围岩稳定性的影响要了解公路隧道围岩稳定性的影响要素及其与施工方法的关系；素及其与施工方法的关系；3 3了解公路隧道工程施工组织管理。了解公路隧道工程施工组织管理。 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 围岩压力确实定围岩压力确实定 5.3 5.3 影响围岩稳定性的要素影响围岩稳定性的要素 围岩：隧道周围一定范围内，对其稳定性产生影围岩：隧道

2、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：是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支围岩压力：是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌构造的主要荷载之一。护上的压力，是隧道支撑或衬砌构造的主要荷载之一。其性质、大小、方向以及发生和开展的规律，对正确其性质、大小、方向以及发生和开展的规律，对正确地进展隧道设计与施工有很重要的影响。地进展隧道设计与施工有很重要的影响。 地质环境：隧道工程所赋存的地质环境的内涵很地质环境：隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水情况、开挖隧道前就存在广，包括地层特征、地下水情况、开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力形状、地

3、温梯度等于地层中的原始地应力形状、地温梯度等 。5.1 5.1 隧道围岩分级及其运用隧道围岩分级及其运用 目前，隧道围岩分级是设计、目前，隧道围岩分级是设计、施工的根底工程类比法就是施工的根底工程类比法就是建立在围岩分级的根底上的。建立在围岩分级的根底上的。5.1 5.1 隧道围岩分级及其运用隧道围岩分级及其运用 围岩分级的目的围岩分级的目的 作为选择施工方法的作为选择施工方法的根据；根据； 进展科学管理及正确评进展科学管理及正确评价经济效益；价经济效益； 确定构造上的荷载松确定构造上的荷载松散荷载；散荷载； 给出衬砌构造的类型及给出衬砌构造的类型及其尺寸；其尺寸； 制定劳动定额、资料耗制定劳

4、动定额、资料耗费规范根底等；费规范根底等； 人们对围岩的认识是不断深化的 从在国外的情况看：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) )岩石的巩固性岩石的巩固性来分类来分类: : 如巩如巩固性系数固性系数f fRQD从围岩稳定性出发分类来从围岩稳定性出发分类来替代多年沿用的巩固性为替代多年沿用的巩固性为根底的分类根底的分类从分级目的方面：从分级目的方面：大多数从大多数从定性描画定性描画阅历判别阅历判别定量描画定量描画 以隧道围岩的稳定性为根底进展分级是隧道围岩分类的总趋势。 1 1、隧道围岩分级的要素目的及其选择、隧道围岩分级的要素目的及其选择 围岩分级的目的，主要思索

5、影响围岩稳定性的要素或围岩分级的目的，主要思索影响围岩稳定性的要素或其组合的要素其组合的要素. . 单一的岩性目的单一的岩性目的 综合岩性目的综合岩性目的 单一的岩性目的单一的岩性目的 岩石的单轴饱和极限抗压强度作为根岩石的单轴饱和极限抗压强度作为根本的分级目的，具有实验简单，数据可靠的本的分级目的，具有实验简单，数据可靠的优点；优点； 岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量、岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量、泊松比等物理力学参数泊松比等物理力学参数 ； 岩石的抗钻性、抗爆性等工程目的。岩石的抗钻性、抗爆性等工程目的。 综合岩性目的综合岩性目的 岩体的弹性波传播速度：弹性波岩体的弹性波传播速度：弹性波传

6、播速度与岩体的强度和完好性成正比，传播速度与岩体的强度和完好性成正比，其目的反映了岩石的力学性质和岩体的其目的反映了岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合要素，通常用破碎程度的综合要素，通常用KvKv来评价：来评价： 2岩石岩体vvKvK Kv v0.750.750.750.750.550.550.550.550.350.350.350.350.150.150.15 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 25 为很差为很差

7、 围岩的自稳时间围岩的自稳时间 ：被以为是综合岩性目的，：被以为是综合岩性目的，隧道开挖后，围岩通常都有一段暂时稳定的时间，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，自稳时间是不同的，劳费不同的地质环境，自稳时间是不同的，劳费H.LaufferH.Lauffer以为隧道围岩的自稳时间以为隧道围岩的自稳时间tsts可用下可用下式表示：式表示： ts = ts = 常数常数 L L(1(1a) a) 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；a a 视围视围岩情况在岩情况在0 01 1之间变化，好的岩体可取之间变化，好的岩体可取 a =0;a =0;极极差的

8、差的 a = 1 a = 1 劳费劳费H.LaufferH.Lauffer根据围岩的自稳时间根据围岩的自稳时间和未支护地段的长度，将围岩分为：和未支护地段的长度，将围岩分为： 稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的、很破碎的、有压力的、有很大压力等七级等七级 岩体质量目的岩体质量目的Q Q目的目的Q RQD/ Jh( Jr/Ja) ( Jw / SRF) RQD 岩石质量目的；岩石质量目的；Jh 节理组数目，岩体愈破碎，节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大；取值愈大；Jr 节理粗糙度，节理愈光滑，节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值

9、愈小；取值愈小；Ja 节理蚀变值，蚀变愈严重，节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大；取值愈大； Jw 节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，高，Jw取值愈小取值愈小SRF 应力折减系数，围岩初始应力愈高，应力折减系数，围岩初始应力愈高，SRF取值取值愈大。愈大。 Q RQD/ Jh( Jr/Ja) ( Jw / SRF) 式中： RQD 岩石质量目的，其取值方法见式51； Jh 节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大，可参考以下阅历数值； 没有或很少节理， Jh 0.51.0； 两个节理组时， Jh 4； 破碎岩体时， Jh 20。 Jr 节理粗糙度

10、，节理愈光滑，Jr取值愈小，可参考以下阅历数值； 不延续节理， Jr 4； 平整光滑节理， Jr 0.5等。 Ja 节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大，可参考以下阅历数值； 节理面严密结合，节理中填充物巩固不软化，Ja 0.75； 节理中填充物是膨胀性粘土，如蒙脱土，Ja 812等。 Jw 节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，Jw取值愈小，可参考以下阅历数值； 微量渗水，水压 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.

11、20.4 0.2 隧道施工围岩分级隧道施工围岩分级 施工阶段围岩断定具有直接性、施工阶段围岩断定具有直接性、可靠性、重要性特征，因此，施工阶可靠性、重要性特征，因此，施工阶段围岩级别的断定是一个重要而现实段围岩级别的断定是一个重要而现实的问题。的问题。 评定要素采用围岩巩固程度、围评定要素采用围岩巩固程度、围岩完好性程度、和地下水形状三项要岩完好性程度、和地下水形状三项要素，细分为十三个子要素，素，细分为十三个子要素， 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 在三个要素中，最困难的是围岩完好性程度的评定，重点是如何根据掌子面的地质数据评价

12、围岩的完好程度。根据对国内外施工阶段围岩分级的调查，应采用多种方法对围岩完好程度进展分级，采用定性和定量相结合的方法，如可采用以下图的目的 ：5.2 5.2 围岩压力确实定围岩压力确实定 1 1、围岩压力的概念、围岩压力的概念 围岩压力：是指引起地下开挖空间周围岩压力：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。它包围岩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括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护构造上的作用力。从狭受阻而作用在支护构造上的作用力。从狭义上来了解，围岩压力是指围岩作用在支义上来了解，围岩压力是指围岩作用在支护构造上的压力。在工

13、程中普通研讨狭义护构造上的压力。在工程中普通研讨狭义的围岩压力。的围岩压力。 围岩压力按作用力发生形状分为：围岩压力按作用力发生形状分为： 松散压力：是指由于开挖而松动或坍塌的松散压力：是指由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力方式直接作用在支护构造的压力。岩体以重力方式直接作用在支护构造的压力。 形变压力：是指由于围岩变形遭到与之密形变压力：是指由于围岩变形遭到与之密贴的支护的抑制，而使围岩与支护构造共同变形贴的支护的抑制，而使围岩与支护构造共同变形过程中，围岩对支护构造施加的接触压力。过程中，围岩对支护构造施加的接触压力。 膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解

14、所引起的压力。所引起的压力。 冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性冲击压力：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，围岩的约束被解变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，除， 松散压力：常经过以下三种情况发生： 在整体稳定的岩体中，能够出现个别松动掉块的岩石； 在松散脆弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落； 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿弱面发生剪切破坏或拉坏等部分塌落。 形变压力：是指由于围岩变形遭到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护构造共同变形过程中，围岩对支护构造施加的接触压力。形变压力除与围岩应力形状有关外，还与支护时间和支护刚度有关。 膨胀压力

15、：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。它与形变压力的根本区别在于它是由吸水膨胀引起的。 冲击压力：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，围岩的约束被解除，能量忽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变形能，一旦遇到适宜条件，就会忽然猛烈的大量释放。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，对于普通裂隙岩体中的深埋隧道，有大有小，对于普通裂隙岩体中的深埋隧道，其涉及范围仅局限在隧道周围一定

16、深度，作用其涉及范围仅局限在隧道周围一定深度，作用在支护构造上的围岩松散压力远远小于其上覆在支护构造上的围岩松散压力远远小于其上覆岩层自重所呵斥的压力，这可用围岩的岩层自重所呵斥的压力，这可用围岩的“成拱成拱作用来解释。作用来解释。2 2、围岩松散压力的产生、围岩松散压力的产生 隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开场沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶顶板开场沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；段； 顶板的裂纹继续开展并且张开，由于构顶板的裂纹继续开展并且张开，由于构造面切割等缘由，逐渐转变为松动，可视为松动造面切割等缘由，逐渐转变为松动，可视为松动阶

17、段；阶段； 顶板岩体视其强度的不同而逐渐坍塌，顶板岩体视其强度的不同而逐渐坍塌，可视为坍塌阶段；可视为坍塌阶段； 顶板塌落停顿，到达新的平衡，此时其顶板塌落停顿，到达新的平衡，此时其界面构成一近似的拱形，可视为成拱阶段。界面构成一近似的拱形，可视为成拱阶段。 自然拱的范围的大小除受上述的围岩地质条件、支护构造架设时间、刚度以及它与围岩的接触形状外，还取决于以下诸要素： 隧道的外形和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，那么自然拱越高，围岩松散压力也越大； 隧道的埋深：实际证明，只需当隧道埋深超越某一临界值时，才有能够构成自然拱。习惯上称这种隧道为深埋隧道，否那么为浅埋隧道。由于浅埋隧道不能构成自然拱

18、，所以，它的围岩压力的大小与埋置深度直接相关。 施工要素：如爆破所产生的震动，经常是引起塌方的重要缘由之一，呵斥围岩压力过大，又如分部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。地层负温度地层负温度3 3、围岩压力确实定方法、围岩压力确实定方法 围岩压力确实定目前常用有以下围岩压力确实定目前常用有以下三种方法：三种方法： 直接量测法直接量测法 阅历法或工程类比法阅历法或工程类比法 实际估算法实际估算法 直接量测法：直接量测法： 是一种切合实践是一种切合实践的方法，对隧道工程而言，也是的方法，对隧道工程而言，也是研讨开展的方向；但由于受量测研讨开展的方向；但由于受量测设备和技术程度的制约

19、，目前还设备和技术程度的制约，目前还不能普遍常用。不能普遍常用。 阅历法或工程类比法：阅历法或工程类比法： 是根据是根据大量以前工程的实践资料的统计和大量以前工程的实践资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压总结，按不同围岩分级提出围岩压力的阅历数值，作为后建隧道工程力的阅历数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的根据的方法。是目确定围岩压力的根据的方法。是目前运用较多的方法。前运用较多的方法。 实际估算法：是在实际的根底实际估算法：是在实际的根底上从实际上研讨围岩压力的方法。上从实际上研讨围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的要素多，企图建立一围岩压

20、力的要素多，企图建立一种完善的和适宜各种实践情况的种完善的和适宜各种实践情况的通用围岩压力实际及计算方法是通用围岩压力实际及计算方法是困难的。困难的。 深埋隧道围岩压力确实定深埋隧道围岩压力确实定( (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 q = 0.45 2 s-12 s-1 (kN/m2) (kN/m2) 式中式中 ：SS围岩级别，如属围岩级别，如属IIII级，那么级，那么S S2 2； 围岩容重，围岩容重， (kN/m3)(kN/m3)； 1+ i(B-5) 1+ i(B-5) 宽度影响系数；宽度影响系数； B B

21、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时的围时的围岩压力增减率。岩压力增减率。 当当B5mB 5m,B 5m,取取i i 0.10.1。 深埋隧道围岩压力确实定深埋隧道围岩压力确实定( (工程类比工程类比 法法) ) q = 0.45 q = 0.45 2 s-12 s-1 (kN/m2) (kN/m2) 适用条件适用条件 H/B 1.7 H/B 1.7， 式中式中H H 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普通隧道；不产生显著偏压力及膨胀力的普通隧道； 采用钻爆法施工的隧道。采用钻爆法施工的隧道

22、。 围岩的程度匀布压力围岩的程度匀布压力e e 确实定，按下表确实定，按下表中的阅历公式计算中的阅历公式计算 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： q qhh h=0.41 h=0.411.79S1.79S 这是全国这是全国10461046座铁路隧道得出的座铁路隧道得出的阅历公式，其中阅历公式，其中S S 新规范围岩的分新规范围岩的分级。级。 注：铁路隧道跨度小于公路隧道注：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 浅埋隧道围岩松散压力的计算浅埋隧道围岩松

23、散压力的计算 深、浅埋隧道的断定原那么深、浅埋隧道的断定原那么 隧道埋深不同，确定围岩压力的隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应以隧道顶部覆盖层计算方法不同，应以隧道顶部覆盖层能否构成能否构成“自然拱为原那么。自然拱为原那么。 深埋隧道围岩松散压力值是以施深埋隧道围岩松散压力值是以施工坍方平均高度工坍方平均高度( (等效荷载高度值等效荷载高度值) )为为根据，为了构成此高度值，隧道上覆根据，为了构成此高度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度。根据阅历，这岩体就有一定的厚度。根据阅历，这个深度通常为个深度通常为2 22.52.5倍的坍方平均高倍的坍方平均高度值度值 深、浅埋隧道的断定原那么深、

24、浅埋隧道的断定原那么 HpHp2 22.52.5hq hq 式中式中:Hp:Hp深浅埋隧道分界深度深浅埋隧道分界深度; ; hq hq荷载等效高度，按下式计算：荷载等效高度，按下式计算： hqhqq/ q/ q q深埋隧道竖向均布压力深埋隧道竖向均布压力 kNkNm2m2； 围岩容重围岩容重kNkNm2m2。 在矿山法施工的条件下I一III级围岩取 Hp2hqIVVI级围岩取 Hp2.5hq 当隧道覆盖层厚度HHp时为深埋， HHp时为浅埋 浅埋隧道围岩压力确实定方法浅埋隧道围岩压力确实定方法 埋深埋深(H)(H)小于或等于等效荷载高度小于或等于等效荷载高度hqhq时，荷时，荷载视为均布竖向压

25、力载视为均布竖向压力 q = Hq = H式中式中: q: 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； HH隧道埋深，抬隧道顶至地面的间隔。隧道埋深，抬隧道顶至地面的间隔。 浅埋隧道围岩压力确实定方法浅埋隧道围岩压力确实定方法 侧向压力侧向压力e e，按匀布思索时，其值为：，按匀布思索时，其值为： e = (H + 1/2 Hi)tg2(450 /2)e = (H + 1/2 Hi)tg2(450 /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/m3kN/m3计；计； H H 隧道埋深，以隧道埋深，以m m计；计； Hi

26、Hi 隧道高度，以隧道高度，以m m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hqhq、小于等于、小于等于HpHp时时 采用松散介质极限平衡实际进展分析，即：围岩松动压力=滑动岩体分量滑面上的阻力 q浅浅 Q浅浅/B = H1H/Btg e=(Hh) /2式中式中一侧压力系数一侧压力系数 ，即：，即： = (tg-tg)/tg1+tg(tg-tg)+tgtg tg = tg+(tg2+1)tg/(tg-tg)1/2 围岩应力的现场量测围岩应力的现场量测 实测围岩压力的方法很多，可实测围岩压力的方法很多，可归纳为两类：归纳为两类： 直接量测直接量测

27、 间接量测间接量测直接量测：主要采用压力盒、压力直接量测：主要采用压力盒、压力传感器等，压力盒按任务原理分为机传感器等，压力盒按任务原理分为机械作用式、电测式和液压式等，目前械作用式、电测式和液压式等，目前运用较多的是钢弦式压力盒。运用较多的是钢弦式压力盒。 间接量测：利用量测隧道衬砌的间接量测：利用量测隧道衬砌的应变、变形来推算作用在其上的围岩应变、变形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、遥测应变计、应变片、钢筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖等混凝土应变砖等5.3 5.3 影响围岩稳定性的要素影响围岩稳定性的要素 隧道围

28、岩分级是对隧道开挖后，围隧道围岩分级是对隧道开挖后，围岩稳定程度的分级和评价。围岩分级的岩稳定程度的分级和评价。围岩分级的要素，也就是影响隧道围岩稳定性的要要素，也就是影响隧道围岩稳定性的要素。素。 影响隧道围岩稳定性的要素普通以影响隧道围岩稳定性的要素普通以为有两类：一类是客观存在的地质要素；为有两类：一类是客观存在的地质要素；另一类是设计和施工要素，或称为人为另一类是设计和施工要素，或称为人为要素。要素。1 1、地质要素的影响、地质要素的影响 岩土体构造形状岩土体构造形状 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 围岩的初应力形状围岩的初应力形状 岩土体构造形状岩

29、土体构造形状 岩土体构造是长时间地质运动的产物，岩土体构造是长时间地质运动的产物，在地质要素的影响中起着主要作用。在地质要素的影响中起着主要作用。 围岩的构造形状通常用其破碎程度或围岩的构造形状通常用其破碎程度或完好形状来表示完好形状来表示 岩体的完好形状或破碎程度有两个含岩体的完好形状或破碎程度有两个含义，一是构成岩体的岩块大小，二是这些义，一是构成岩体的岩块大小，二是这些岩块的组合形状。岩块的组合形状。 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，普通岩石的工程性质是多方面的，普通主要指岩石的强度或巩固性。主要指岩石的强度或巩固性。 在岩体构造形状成为控制围岩稳定在岩体构造形状

30、成为控制围岩稳定的主要要素时，强调岩石强度意义是的主要要素时，强调岩石强度意义是不大的。不大的。 岩石强度在完好的岩体中是起主要岩石强度在完好的岩体中是起主要作用的。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，对软岩尤为明使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显，对土体那么可促使其液化或流动；显，对土体那么可促使其液化或流动； 有脆弱构造面的围岩，会冲走充填物或使有脆弱构造面的围岩，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；夹层液化，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，在未胶为主的粘土岩中，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。结或弱胶结的砂岩中可产生流砂和潜蚀。 围岩的初应力形状围岩的初应力形状 围岩的初应力形状对岩体的构围岩的初应力形状对岩体的构造一力学特征是有一定影响的。因造一力学特征是有一定影响的。因此，在围岩分级中，如何根据地质此，在围岩分级中，如何根据地