第4章围岩分级与围岩压力

1、隧道围岩分级与围岩压力隧道围岩分级与围岩压力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、）要求掌握有关隧道的勘查、设计、构造原理和有关计算方法；构造原理和有关计算方法；（2 2）理解隧道围岩稳定性的影响因素及）理解隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系；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。n 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n 4.2 围岩的稳定性围岩的稳定性n 4.3 围岩分级围岩分级n 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

2、压力 Surrounding 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: :隧道开挖后对其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。4.1.24.1.2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

3、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、代表性差问题：问题： 1.1.结构计算与力学性质的关系？结构计算与力学性质的关系？ 2.2.隧道结构计算的难点？隧道结构计算的难点？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？ 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：弹塑性体岩体：弹塑性体 2) 剪切变形剪切变形 (1) (1) 沿结构面

4、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) 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：低于岩石强度，约为岩石强度的岩体强度：低于岩石强度，约为岩石强度的70708080。4.2 围岩的稳定性围岩的稳定性4.

5、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素影响围岩

6、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。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。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：完整状态：整块状、大块状等。整块状、大块状等。 结构面性质和空间组合结构面性质和空间组合 性质性质 1) 1)

7、 结构面的成因；结构面的成因； 2) 2) 结构面的光滑程度；结构面的光滑程度； 3) 3) 结构面的物质组成；结构面的物质组成； 4) 4) 结构面的规模；结构面的规模； 5) 5) 结构面的密集度。结构面的密集度。空间组合空间组合 指结构面的相互位置状态。指结构面的相互位置状态。问题：问题： 软弱结构面有怎样的害处？软弱结构面有怎样的害处？ 什么是不利空间组合？什么是不利空间组合？ 张家界图节理较发育节理较发育 岩石的力学性质岩石的力学性质 主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度R Rb b。 岩石强度越高，隧道越稳定。岩石强度越高，隧道越稳定。(4) (4) 围

8、岩的初应力状态围岩的初应力状态 初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。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。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。在高的初始应力场条件下，围岩级别应适当降低。 地下水的影响地下水的影响 软化围岩；软化围岩； 减少层间摩阻力促使岩块滑动；减少层间摩阻力促使岩块滑动； 具膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀等。具膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀等。 2 2、人为因素、人为因素 隧道形状和尺寸隧道形状和尺寸 支护结构类型支护结构类型 施工方法施工方法 超挖超挖4.3 围岩分级围岩分级 4.3

9、.1 4.3.1 概概 述述 围岩分级：围岩分级：根据岩体的若干指标，按照稳定性根据岩体的若干指标，按照稳定性将围岩分成不同的级别。将围岩分成不同的级别。 工程目的工程目的： （1 1）结构设计依据）结构设计依据 （2 2）施工方法依据）施工方法依据 （3 3）工程造价依据）工程造价依据 围岩分级的发展过程：围岩分级的发展过程：土石分类法土石分类法单一因素分类法单一因素分类法综合物性分类法综合物性分类法其它分级法：其它分级法：组合多因素分类法组合多因素分类法与地质勘探手段与地质勘探手段相联系的分类法相联系的分类法总结：总结：早期仅岩石强度；早期仅岩石强度； 现在综合多种因素，如岩体现在综合多种

10、因素，如岩体构造、岩石强度、构造、岩石强度、RQD指标等。指标等。4.3.24.3.2围岩分级方法围岩分级方法 3 3个基本因素：个基本因素： 岩性：岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等。抗压强度、弹性模量、弹性波速等。 地质构造：地质构造：岩体完整性或结构状态。岩体完整性或结构状态。 地下水：地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。地下水发育时，围岩级别应降低。 1 1个附加因素：个附加因素： 初始地应力：初始地应力：适当考虑。适当考虑。（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 1 1. .以岩石强度为基础的分级法以岩石强度为基础的分级法 代

11、表：代表：土石分类法坚石、次坚石、松石、土。土石分类法坚石、次坚石、松石、土。 2.2.以岩石物性指标为基础的分级法以岩石物性指标为基础的分级法 代表：代表：岩石坚固性系数岩石坚固性系数(f(f值值) )分级法普氏法分级法普氏法 f f值：一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性、抗值：一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等。爆性、强度等。 但核心还是岩石强度。但核心还是岩石强度。 ( (二二) ) 以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法 代表：代表： 泰沙基法泰沙基法考虑围岩的完整状态和岩性，考虑围岩的完整状态和岩性，共共9 9级。级。 我国交通隧

12、道围岩分级法我国交通隧道围岩分级法借鉴了泰沙基借鉴了泰沙基法，考虑岩体综合物性，共法，考虑岩体综合物性，共6 6级。级。 （三）与地质勘探手段相联系的分级方法（三）与地质勘探手段相联系的分级方法 代表：代表： 弹性波速分级法弹性波速分级法波速是反映岩性与岩体结构的一项综合波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标，波速越高，围岩越好。指标，波速越高，围岩越好。波速波速 KvKv0.750.750.750.750.550.550.550.550.350.350.350.350.150.150.15 0.90.75 R 0.90.5 R 0.750.25 R 0.5R 30 30 硬岩硬岩 5 R5

13、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： 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

14、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

15、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。 修正分级修正分级地下水地下水地下水的地下水的3 3种处理方法：种处理方法：分级

16、时按无水考虑，而是根据地下水的状态，适当降分级时按无水考虑，而是根据地下水的状态，适当降低围岩等级低围岩等级(1(12 2级级) )；分级时按有水考虑，当确认围岩无水则提高围岩等级；分级时按有水考虑，当确认围岩无水则提高围岩等级；直接将地下水状况直接将地下水状况( (水质、水量、流通条件、静水压水质、水量、流通条件、静水压力等力等) )作为一个分级指标。作为一个分级指标。 地下水状态的分级表地下水状态的分级表级别级别状态状态渗水量渗水量L/(minL/(min10m)10m)干燥或湿润干燥或湿润1010偶有渗水偶有渗水10251025经常渗水经常渗水2512525125 围岩基本分类围岩基本分

17、类地下水状态分级地下水状态分级初始地初始地应力状应力状态态主主 要要 现现 象象评估基准评估基准 （R Rc c/maxmax）极高应极高应力力1.1.硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹硬质岩：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，成洞性差出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差442.2.软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁软质岩：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，岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞持续时间长，不易成洞高应力高应力1 .1 .硬质岩硬质岩: : 开挖过程中可能出现岩爆，

18、洞壁岩体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，成洞性较差有剥离和掉块现象，新生裂纹较多，成洞性较差4-74-72.2.软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移极显著，持续时间长，成洞性差岩体位移极显著，持续时间长，成洞性差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( (六六) )问题及研究方向问题及研究方向 1.1.问题问题 指标定性的多、定量的少。如何做到准确、方便、好用？指标定性的多、定量的少。如何做到准确、方便、好用？ 2.2.研究研究 发展物探手段，

19、增加定量指标。发展物探手段，增加定量指标。 发展分析理论发展分析理论 模糊数学围岩分级；模糊数学围岩分级； 隧道位移围岩分级；隧道位移围岩分级； 人工智能专家系统围岩分级等。人工智能专家系统围岩分级等。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

20、围内而形成的压力。围岩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。 问题：问题： 1.1.这两种压力性质上有何不同？这两种压力性质上有何不同？ 2.2.压力的性质与围岩稳定性有何关系？压力的性质与围岩稳定性有何关系？3 3膨胀压力膨胀压力膨胀性岩层。膨胀性岩层。4 4冲击压力冲击压力明洞，落石；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

21、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

22、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式中式中 围岩容重；围岩容重； s s 围岩级别围岩级别; ; w w 宽度影响系数，

23、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，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。 I I 以以B=5mB=5m为基准，为基准，B B每增减每增减1m1m时围岩压力的增减率，当时围岩压力的增减率，当B5mB5mB5m时，取时，取i=0.1i=0.1。1245. 0sq水平压力见表水平压力见表4-74-7：表表4-74-7围岩水平均布压力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00.15q( 0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0

24、)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。(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):):0tantantanccf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提出：前述自然拱概念最早由普氏提出：fbhk h hk k自然拱高度；自然拱高度； bb自然拱半跨度。自然拱半跨度。 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