第四章 围岩压力及围岩分级

1、肯隧道围岩的概念与工程性质1岩的稳定性2016/10/16中国矿业大学（北京）地下工系1围岩分级围岩压力的确定伞例序£犬卑(5)；hinaUniversityoffMining&Technology,Beijing本章学习要求:(1) 掌握公路隧道围岩分级方法；(2) 掌握公路隧道围岩压力计算方法;(3) 理解影响围岩稳定性的因素。2UJ6/JO/J635.1隧道围岩的概念与工程性质4.1.1围岩的概念2UJ6/JO/J6£55岩:隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(±)体。说明:围岩既指岩体也指土体。4.1.2围岩的工程性质r物理工程性质水理力学岩石

2、与岩体的区别：j岩石：均质、连续、各向同性（岩体：非均质、不连续、各向异性岩体力学性质获取的方式：j现场试验：真实、费时、费钱（室内试验：不易取样、代表性差问题：1. 结构计算与力学性质的关系?2. 隧道结构计算的难点？4.1隧道围岩的概念与工程性质1、岩体的变形特性覺抗、覺压、剪切、流变问题：岩体能受拉吗?1）受压变形岩石：线性、弹性软弱结构面：非线性、塑性岩体：弹塑性体，见下图。2LJi/lU/ly举（北京）地下工程系#4.1隧道围岩的概念与工程性质2)剪切变形(1) 沿结构面滑动(2) 岩石的断裂(3) 在结构面的影响下沿岩石剪断下系2UJ6/JO/J64.1隧道围岩的概念与工程性质3）

3、流变冷性蠕变:指应力不变，而应变随时间增长。松弛:应变不变，而应力随时间而衰减围岩流变特性对隧道的影响?C=1问题二松他曲线©4-2岩体的流变2、岩体强度岩石强度：通过试件获得。岩体强度：低于岩石强度，约为岩石强度的7080%。，下工«系4.2隧道围岩的稳定性4.2.1研究围岩稳定性的意义围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定性。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。围岩级别的工程作用: 判断围岩稳定性。 判断施工难易程度，投资依据。 结构分析计算的依据2DJi/JO/J6业大学（北京）地下工程系#勇4.2隧道围岩的稳定性422影响

4、围岩稳定性的因素地质因素客观因素人为因素主观因素、工程因素（北京）地下工程系121v地质因素从5个方面来分析：（1）岩体结构特征（2）结构面性质和空间的组合岩石的力学性质地下水的影响围岩的初始应力状态于曰旷乂尢少（北宮）#4.2隧道围岩的稳定性岩体结构特征指岩体的破碎程度或完整状态。破碎程度：裂隙率、裂隙间距。裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。完整状态：整块状、大块状等。按这2个指标有严j土体岩体松散状松软状整体块大块体块石状碎石块土石块d1.0cmd=0.4-l.0cmd=0.2-0.4cmd<0.2cm归入土类d为裂鋒间距结构面性质和空间组合性质1）结构面的成因;2D

5、Ji/JO/J6212)结构面的光滑程度;3）结构面的物质组成;4）结构面的规模；5)结构面的密集度。空间组合指结构面的相互位置状态。问题：软弱结构面有怎样的害处?什么是不利空间组合？6flasA(3) 岩石的力学性质主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度。岩石强度越高,隧道越稳定。4.2隧道围岩的稳定性(4) 围岩的初应力状态初始应力是隧道围岩变形.破坏的根本作用力。已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。在高的初始应力场条件下，围岩级别应适当降低。2DJi/JO/J6业大学(北京)地下工程系#4.2隧道围岩的稳定性(5) 地下水的影响软化围岩;减少层间摩阻力促使岩块滑动;具膨胀性的围岩,遇水后产生膨

6、胀等。2DJi/JO/J6业大学(北京)地下工程系4.2隧道围岩的稳定性2、人为因素（1）隧道形状和尺寸（2）支护结构类型（3）施工方法25FA4.3围岩分级4.3.1概述岩分级：根据岩体的若干指标，按照稳定性将岩分成不同的级别。工程目的：(1) 结构设计依据(2) 施工方法依据(3) 工程造价依据岩分级的发展过程=土石分类法单一因素分类法综合物性分类法于曰旷乂尢少（北宮）29其它分级法:与地质勘探手段相联系的分类法组合多因素分类法总结：早期仅岩石强度；现在综合多种因素，如岩体构造、岩石强度、RQD指标等。4.3围岩分级4.3.2围岩分级方法3个基本因素： 岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等

7、。 地质构造：岩体完整性或结构状态。 地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。1个附加因素： 初始地应力：适当考虑。£5314.3围岩分级（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法1.以岩石强度为基础的分级法代表：土石分类法坚石.次坚石.松石、土。2.以岩石物性指标为基础的分级法代表：岩石坚固性系数（f值）分级法普氏法f值:一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性.抗爆性.强度等。但核心还是岩石强度。(-)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法代表:泰沙基法考虑围岩的完整状态和岩性，共9级。我国交通隧道围岩分级法借鉴了泰沙基法,LTJ考虑岩体综合物性，共6级。2UJ6/JO/J6

8、3;5354.3围岩分级（三）与地质勘探手段相联系的分级方法代表:弹性波速分级法波速是反映岩性与岩体结构的_项综合指标，波速越高,岩越好。波速Kv>0.750.750.550.35<0.150.550.350.15完整性完整较完整破碎较破碎极破碎岩石质量指标RQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。RQD指标的具体含义为岩芯复原率：RQD=1%加以上的岩心累计长度x1°%钻孔总长度R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5Rv0.25优良好差很差表中R为RQD指标。于曰旷乂尢少（北宮）37（四）组

9、合多种因素的分级方法代表：岩体质量分级法巴顿等人提出的"岩体质量一”分级法。表达如下:组合了6个参数:岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。2UJ6/JO/J6£5#4.3围岩分级iLJi/lD/lu39成昆线，五类。首部铁路隧道规范，六类。加入围岩弹性波速指标。采用国标分级排序，改称“围岩伍）我国铁路与公路隧道的围岩分级方法1.铁路隧道沿革岩体综合分类60年代，隧道围岩分类74年版，隧道围岩分类86年版，隧道围岩分级99年版，分级”，六级。隧道围岩分级2001年版，不变。隧道围岩分级2005年版，不变。4.3围岩分级2DJi/J

10、O/J6业大学（北京）地下工程系#（2）分级的理论基础以围岩的稳定性判断为基础。属于“以岩体构造和岩性特征为代表汀的分级方法。岩石坚硬程度基本分级主要考虑4种因素:岩完整状态 地下水 围岩初始地应力1，修正基本分级基本分级修正基本分级最终分级4.3围岩分级（3）基本分级依据：围岩主要工程地质条件，由两条组成: 岩石坚硬程度软硬岩分界指标：30MpaRb>30硬岩5<Rb<30软岩Rb<5极软岩 围岩完整程度指标结构面发育程度指标2:地质构造影响程度由此两指标，将岩体完整程度分为5个级别，见下表:414.3围岩分级岩体完整程度的划分完整程度结构面发育程度地质构造影响程度完

11、整不发育轻微较完整较发育、不发育较重.轻微较破碎发育、较发育严重破碎极发育、发育极严重.严重极破碎极发育极严重2UI6/ID/I62UJ6/JO/J6£547(4)铁路隧道围岩分级基本分级+围岩弹性纵波速度=铁路隧道围岩分级表(5)特点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O（6）修正分级地下水地下水的3种处理方法: 分级时按无水考虑，而是根据地下水的状态，适当降低围岩等级（12级）;分级时按有水考虑,当确认围岩无水则提高围岩等级; 直接将地下水状况（水质、水量、流通条件、静水压力等）作为一个分级指标。铁路隧道分级按第1种方法处理:地下水状态的分级表级别状态渗水量

12、L/(min-10m)I干燥或湿润<10n偶有渗水1025m经常渗水25125地下水影响的修正围岩基本分类地下水状态分级inmIVVVIIinmIVVninIVVVImiiinIVVVI初始地应力初始地应力状态主要现象评估基准（Rc/f）极高应力1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<42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，不易成洞高应力1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，新生裂纹较多，成洞性较差4-72软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移极显

13、著，持续时间长，成洞性差初始地应力影响的修正围岩基本分级修正级别IIImIVV极高应力IIIin或IVVVI高应力IIImIV或VVI4.3围岩分级两点说明:设计阶段:采用修正后的围岩分级。施工阶段：根据实际情况，进一步判定围岩分级，依据仍然是:岩石坚硬程度围岩完整状态地下水初始地应力2UI6/ID/I6地下系404.3围岩分级2.公路隧道初步分级相当于铁路的基本分级依据：围岩主要定性特征该特征由两个基本因素组成：岩石坚硬程度&（即强度）岩体完整性山（即弹性波速）推出围岩基本质量指标BQ=90+3Rc+250Kv2DJi/JO/J6业大学（北京）地下工程系53详细分级相当于铁路的修正分

14、级修正BQ值：当有以下3方面影响时，应予修正: 地下水K 软弱结构面（比铁路多此条）k2 高初始地应力K3BQ=<JEBQ<=BQ-100(K1+K2+K3)K%各值可查公路隧道规范附录A.0.2-1A.0.2-34.3围岩分级(3) 公路隧道围岩分级根据以上对分级因素和指标，公路隧道围岩分级将围岩分为六级;R.Q.D、岩体弹性波(纵波)速度、岩体完整性系数的分级法。2心/"55(3)公路隧道围岩分级级参数InmIVVVIRQD(%)>9585-75758650752550<25BQ>550550451450-351350-251<250Vp(km

15、/s)>4.53545254.0153.01.02.0<1.0(饱和粘土)I0.8-1.00.6080.40.60204<0.24.3围岩分级（六）问题及研究方向1问题指标定性的多、定量的少。如何做到准确、方便、好用？2研究发展物探手段，增加定量指标。发展分析理论模糊数学围岩分级；隧道位移围岩分级；人工智能专家系统围岩分级等。571v什么是围岩压力?定义：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结构上的作用力。从狭义上来理解,围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。

16、2心/"#2UJ6/JO/J6£559分类：按作用力发生形态分为:/松散压力：形变压力:膨胀压力:/冲击压力:2UJ6/JO/l6#2、围岩松散压力的产生up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，其波及范围仅局限在隧道周围一定深度，作用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“成拱作用”来解释。(b)松动阶段亠=nnn一B(d)成拱阶段f二一二二二2DJi/JO/l6612DJi/JO/J6煜邂北亩）弊69围岩松动压力的形成阶段:变形阶段：隧道开挖后，在围岩应力重分变形阶段布过程中，顶板开始沉陷，并出现

17、拉断裂纹。松动阶段：顶板的裂纹继续发展并且张开,由于结构面切割等原,逐渐转变为松动。松动阶段坍塌阶段：顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌。坍塌阶段成拱阶段：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。坍塌阶段2UJi/J0/1671自然拱的范围的大小除受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态外，还取决于以下诸因素:(1) 隧道的形状和尺寸：隧道拱圈越平坦,跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越大;(2) 隧道的埋深：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。习惯上称这种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。(3) 施工因素：如爆破所产生的震动

18、，常常是引起塌方的重要原因之一，造成围岩压力过大,ZJ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2k1：J矿业大学（北京）地下工程系围岩压力的确定，大学（北京）地下工程系57地下系582UI6/ID/I62UJ6/JO/J6813、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:直接量测法经验法或工程类比法理论估算法直接量测法：是一种切合实际的方法，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，目前还不能普遍常用。经验法或工程类比法：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

19、的方法。是目前使用较多的方法。理论估算法：是在实践的基础上从理论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。(3)围岩压力的现场量测现场实测围岩压力的方法很多，可归纳为两类：ZJ直接量测间接量测Ji/JD/J6于曰旷乂尢少(北宮)832DJi/JO/J6煜邂北亩）弊87直接量测：主要采用仪器为压力盒、压力传感器等设备。压力盒按工作原理分为以下三类: 机械作用式 电测式 液压式目前使用较多的是钢弦式压力盒。钢弦式测试技术属于"非电量电测法”的范畴，测试工作系统一般由钢弦式传感器和钢弦频率测

20、定仪组成O测试系统如图：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变化。钢弦应力和振动频率的关系如下：CT八丄2L式中为钢弦振动频率厶为钢弦的长度p为钢弦的密度b为钢弦所受的张拉应力1一量测薄膜2底座鼻3-钢弦来紧装置.4佚5电磁线圈6封盖.7钢弦卡8塞子»豺线WMi10防水材料11电歟几2钢弦支地下系#2LJi/lU/ly4.4围岩压力的确定(X¥44)型双膜压力盒钢弦式土压力传扇寻最适用于市政工程.机豳道基此铁路.坝体.省土埴、地下铁道.英道.连壤墙-地下热力管道矿山等工程的疫线压力和基克压力的长髯現测中.该产品也可以和逓清素配套使用。沥清It遼明见注

21、型号.名称主要技术指际MM型压辑畅謨土压力传感器01020304050.60B1.0.15,20.2.5.10.50608.0外里：4>I14x3?(rrm)两非址t1.5«FS_(2) 重复性W上0.5%FS.(3) 滞后JQ5賤S.W分解率0纽5.笛1潢量程愛出董4如206)温度漂»0.1%FAC零点漂務0.5Sm浪度范H-10-60鞍蜒5XMQ2UJi/JO/16地下系93(a)举膜式1一承压板;2-底座;3钢弦夹;4一铁芯泊一电磁线圈i封盖汀一钢弦潰一塞;X引线管;10防水涂料；11-电缆J2钢弦架；13拉紧因定螺栓4.4围岩压力的确定DC-5型振弦读数仪WB

22、WMB*«*«自DC-5型振弦读数仅是钢弦式传感養使用的拿上型袖證式仪脣：WV"荃夷弦仪是仿羌背帝式仗器円9该类仪鉛适用于水.电九铁道交通.冶金舷.市敢諄部门衽水坝.隧道处哥-桥袈.矿井等建就豹中的量雷便用.:璽号盘_主要枝案指际|DC-5S(1)工荒电匣：DO3-6V淸耗电S：5nA(平埒值;(3)清量范凰解(F)500KXMHZ(F)星示值：102潘矍精厦1Q嘶(5)髓聿可读费业16：101HZ玮肯号230QJV,慈续討闾500mSm毎点平均离时同；1&环境溢度：-5048匸：(»相对涅度5卷J2UJ6/JO/J671（北京）地下工程系J4?

23、f/Ji/JD/J6于曰旷乂尢少（北宮）724.4围岩压力的确定2UJi/lU/l6地下系732Uli/JU/l6夺旧：丁竺尢学（北禺地下系742心/U/M地下系1034.4围岩压力的确定76地下系2UJi/lU/l6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、混凝土应变砖等。CY-XZ-EJC(XJHTSPC)型埋入式混;g土应变传感器aM.IMIOBI«|MBM*«Hp««»«Ml«4HB<»«*«»«MT«»«»MM