隧道工程课件4（隧道围岩分级与围岩压力）

1、第4章 隧道围岩分级与围岩压力中南大学第4章 隧道围岩分级与围岩压力学习本章的目的： （1）要求掌握有关隧道的勘查、设计、构造原理和有关计算方法； （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； （3）了解隧道围岩分级时考虑的因素。第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.1 隧道围岩的概念与工程性质 4.2 围岩的稳定性 4.3 围岩分级 4.4 围岩压力的确定第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.1 隧道围岩的概念与工程性质4.1.1围岩的概念 围岩:隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(土)体。 说明：围岩既指岩体也指土体。4.1.2围岩的工程性质 物理 工程性质 水理 力学第4章 隧道

2、围岩分级与围岩压力岩石与岩体的区别： 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： 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？第4章 隧道围岩分级与围岩压力1、岩体的变形特性 受拉、受压、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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力第4章 隧道围岩分级与围岩压力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第4章 隧道围岩分级与

3、围岩压力3) 流变特性 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问题：围岩流变特性对隧道的影响？ 第4章 隧道围岩分级与围岩压力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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.2 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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力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第4章 隧道围岩分级与围

4、岩压力4.2.2 影响围岩稳定性的因素 地质因素客观因素 人为因素主观因素、工程因素第4章 隧道围岩分级与围岩压力1、地质因素 从5个方面来分析： 岩体结构特征 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第4章 隧道围岩分级与围岩压力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个指标有下图：第4章 隧道围岩分级与围岩压力 结构面性质和空间组合 性质 1) 结构面的成因； 2) 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

5、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？第4章 隧道围岩分级与围岩压力第4章 隧道围岩分级与围岩压力 岩石的力学性质 主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度Rb。 岩石强度越高，隧道越稳定。(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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力 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，遇水后产生膨胀等。第4章 隧道围岩分级与围岩压力2、人为因素 隧道形状和尺寸 支护结构类型 施工

6、方法 第4章 隧道围岩分级与围岩压力第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.3 围岩分级4.3.1 概 述 围岩分级：根据岩体的若干指标，按照稳定性将围岩分成不同的级别。 工程目的： （1）结构设计依据 （2）施工方法依据 （3）工程造价依据第4章 隧道围岩分级与围岩压力围岩分级的发展过程： 第4章 隧道围岩分级与围岩压力其它分级法：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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力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。 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

7、因素： 初始地应力：适当考虑。第4章 隧道围岩分级与围岩压力（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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力(二) 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，考虑岩体综合物性，共6级。 第4章 隧道围岩分级与围岩压力（三）与地质勘探手段相联系的分级方法

8、代表： 弹性波速分级法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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力岩石质量指标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:第4章 隧道围岩分级与围岩压力(四)组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Q”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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力(五)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，成昆线，五类。 隧道围岩分类74年版，首部铁路隧

9、道规范，六类。 隧道围岩分类86年版，加入围岩弹性波速指标。 隧道围岩分级99年版，采用国标分级排序，改称“围岩分级”，六级。 隧道围岩分级2001年版，不变。 隧道围岩分级2005年版，不变。第4章 隧道围岩分级与围岩压力 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”的分级方法。 主要考虑4种因素： 岩石坚硬程度 围岩完整状态 地下水 围岩初始地应力 基本分级 修正基本分级 最终分级 基本分级修正基本分级第4章 隧道围岩分级与围岩压力 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：30Mpa Rb30 硬岩 5 Rb30 软

10、岩 Rb 5 极软岩 围岩完整程度 指标1：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：第4章 隧道围岩分级与围岩压力岩体完整程度的划分 第4章 隧道围岩分级与围岩压力围岩受地质构造影响程度等级划分第4章 隧道围岩分级与围岩压力围岩节理（裂隙）发育程度划分第4章 隧道围岩分级与围岩压力(4) 铁路隧道围岩分级表 基本分级+围岩弹性纵波速度=铁路隧道围岩分级表 见教材P82-83。 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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力 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

11、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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力铁路隧道分级按第1种方法处理： 地下水状态的分级表 地下水影响的修正 第4章 隧道围岩分级与围岩压力初始地应力 第4章 隧道围岩分级与围岩压力初始地应力影响的修正 第4章 隧道围岩分级与围岩压力两点说明： 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 初始地应力第4章 隧道围岩分级与围岩压力2.公路隧道初步分级相当于铁路的基

12、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Rc(即强度) 岩体完整性Kv(即弹性波速) 推出围岩基本质量指标 BQ=90+3Rc+250Kv第4章 隧道围岩分级与围岩压力详细分级相当于铁路的修正分级 修正BQ值：当有以下3方面影响时，应予修正： 地下水K1 软弱结构面(比铁路多此条)K2 高初始地应力K3 BQ=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3) K1K3各值可查公路隧道规范附录A.0.2-1A.0.2-3 第4章 隧道围岩分级与围岩压力公路围岩分级表：参数： 围岩主要定性特征 BQ值，或BQ值(当需要修正时)第4章 隧道围岩分级与围岩压力(六)问题及研

13、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。第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.4 围岩压力 4.4.1 岩体初始应力状态 自重应力 构造应力 地下水压力 温度应力第4章 隧道围岩分级与围岩压力一、围岩压力及其分类 (一)围岩压力第4章 隧道围岩分级与围岩压力（二）围岩压力分类 1松动压力围岩变形过大，发生松动而形成的压力。 2形变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。 问题： 1.这两种压力性质上有何不同？ 2.压力的性

14、质与围岩稳定性有何关系？第4章 隧道围岩分级与围岩压力3膨胀压力膨胀性岩层。 4冲击压力明洞，落石； 暗洞，坍方、岩爆。第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.4.2 影响围岩压力的因素 地质因素 1.岩体初始应力状态 2.岩石力学性质 3.岩体结构面 4.地下水等 工程因素 1.施工方法 2.支护设置时间 3.支护本身刚度 4.隧道断面形状等第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.4.3 围岩松动压力的形成和确定方法 1.围岩松动压力的形成 自然拱的概念：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，最终在洞室上方形成拱形。 (a) 变形阶段； (b) 松动阶段； (c) 塌落

15、阶段； (d) 成拱阶段。第4章 隧道围岩分级与围岩压力第4章 隧道围岩分级与围岩压力影响自然拱的因素： 隧道埋深成拱的必要条件 隧道断面形状和大小拱的范围 施工因素对围岩的扰动程度2、围岩压力的确定方法 直接量测法 理论估算法 统计法（经验法、工程类比法）第4章 隧道围岩分级与围岩压力1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法 (1) 统计法我国隧规所推荐的方法式中 围岩容重； hq坍落拱高度； s 围岩级别； w 宽度影响系数，由 w=1+i（B-5）计算： B 坑道宽度，当 B5m时，取 i =0.2，当 B5m时，取i =0.1。 第4章 隧道围岩分级与围岩压力水平压力见表4-7：表4-7围岩

16、水平均布压力第4章 隧道围岩分级与围岩压力统计法公式的适用条件： H/B1.7，H为坑道的高度； 深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩； 采用矿山法施工。第4章 隧道围岩分级与围岩压力据统计，围岩垂直松动压力的分布可概括为4种，如图4-7。统计法公式仅针对图中第一种情况。 第4章 隧道围岩分级与围岩压力(2) 普氏理论 散粒体理论：岩体被节理、裂隙所切割，视为散粒体。 普氏系数f(岩体坚固性系数):第4章 隧道围岩分级与围岩压力岩体坚固性系数 f 的概念： f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。前述自然拱概念最早由普氏提出：第4章 隧道围岩分级与围岩压力 坚

17、硬岩体: 松散破碎岩体： 式中bt为隧道净跨度的一半；Ht为隧道净高度。 一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中。第4章 隧道围岩分级与围岩压力(3) 泰沙基理论 理论：散粒体理论。假定： 破裂面为折线OAB 方法： 研究微分条带dh的平衡。 步骤： 1.V=0，建立微分方程 2.边界条件：第4章 隧道围岩分级与围岩压力3.解微分方程，得： 4.讨论： 当埋深h 达到一定程度时，为恒值： 取侧压力系数k=1，则有： 与普氏法对照，能发现什么？ 第4章 隧道围岩分级与围岩压力2)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Hp（22.5）hq HHp时为深埋 HHp时为浅埋 H

18、 为覆盖层厚度I一III级围岩取: Hp2hq IVVI级围岩取: Hp2.5hq 第4章 隧道围岩分级与围岩压力(2) 浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 土柱法 要点：忽略滑动面上的阻力。 适于：埋深 H hq 垂直压力：q=H 水平压力按朗金公式：e = (H + 1/2 Ht)tg2(450 /2) Ht 为隧道净高。第4章 隧道围岩分级与围岩压力一院法 重点： 当Hhq 时，应该考虑滑动面上的阻力。 分析下图：第4章 隧道围岩分级与围岩压力1.破裂面AC、BD 2.矩形EFHG下沉 带动三棱体ACE和BDF下滑 整个岩体ABDHGC下滑 受阻于未扰动岩体 3.作用力有： 矩形EFHGW1； 三棱体ACE,BDFW2； 三棱体与岩体EFDC之间的摩阻力T=T1+T2； 阻力N。 按力的平衡条件，作用在支护结构上的垂直压力为： 式中只有T1是未知，可求得： 式中,侧压力系数。 于是，P可求出。 第4章 隧道围岩分级与围岩压力讨论： 的求解(P93) P与T的关系，及其求解 第4章 隧道围岩分级与围岩压力4.4.5 明洞压力的