隧道围岩分级与围岩压力的确定方法

隧道围岩分级与围岩压力的确定方法隧道围岩的概念及其性质影响围岩稳定性的因素隧道围岩分级隧道围岩压力的确定方法1、隧道围岩的概念及其性质（1）隧道围岩的概念（2）隧道围岩的工程性质（3）围岩与隧道工程的相互关系1、隧道围岩的概念及其性质（1）隧道围岩的概念定义:隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩（土）体隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(土)体。围岩（6-10倍洞径）1、隧道围岩的概念及其性质（1）隧道围岩的概念注意几个问题:围岩≠岩体围岩不是整个岩土体，是受隧道建设影响（工程意义上的影响）的那部分岩土体岩体≠岩石岩体=岩石+结构面围岩既可能是岩质，也可能是土质，或是二者混合体1、隧道围岩的概念及其性质（2）隧道围岩的工程性质物理性质质量指标（密度、容重等）孔隙指标（孔隙率等）水理指标（吸水率、含水率、饱水率等）其它指标（膨胀性、软化性、抗冻性等）力学性质强度指标（抗拉、抗剪、抗压等）变形特性（压缩变形、剪切变形、流变等）注意岩体和岩石性质的差异1、隧道围岩的概念及其性质（2）隧道围岩的工程性质质量指标（密度、容重等）

岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的质量和重量称为密度和容重。

可分为：天然密度、饱和密度、干密度、颗粒密度等孔隙指标（孔隙率、孔隙比）

岩石试样中孔隙体积与试样体积的百分比称为孔隙率。

孔隙体积与固体体积的比值称为孔隙比1、隧道围岩的概念及其性质（2）隧道围岩的工程性质水理指标（含水率、吸水率、饱水率等）

含水率是天然状态下岩石中水的重量与岩石干重量的百分比。

吸水率是干燥岩样在室温和一个大气压下吸入水的重量与岩石干重量的百分比。

饱水率是岩石在强制饱和状态下岩样的最大吸入水的重量与岩石干重量的百分比。

饱水系数是吸水率与饱水率的百分比。1、隧道围岩的概念及其性质（2）隧道围岩的工程性质其它物理指标（膨胀性、抗渗性、软化性、抗冻性等）

膨胀性是岩石浸水后体积增大的性质，用膨胀率和膨胀力衡量。

渗透性是在水压力作用下，岩石孔隙和裂隙透过水的能力，用渗透系数衡量。

软化性是岩石与水相互作用时强度降低的特性，用软化系数衡量。

抗冻性是岩石抗冻融破坏的性能，用抗冻系数衡量。1、隧道围岩的概念及其性质（2）隧道围岩的工程性质强度指标（抗压、抗拉、抗剪等）

岩石在荷载作用下破坏时承受的最大荷载应力称为强度。包括抗压、抗拉、抗剪强度等，其中以抗压和抗剪为最为重要，很少考虑抗拉强度。变形指标（压缩、剪切、流变等）

影响因素十分复杂。包括作用力的大小和方式；岩石物理性质，如矿物组成和结构构造；变形条件，如围压、温度、孔隙压力、时间、含水量等。1、隧道围岩的概念及其性质（3）围岩与隧道工程的相互关系围岩在隧道工程中具有三位一体特性:围岩是修建隧道的介质，是构成隧道的基本材料和环境;围岩是产生围岩压力的原因，是隧道结构的荷载来源；围岩同时可以分担一部分围岩压力，还是承载结构。1、隧道围岩岩的概念及及其性质（3）围岩与隧隧道工程的的相互关系系围岩对隧道道设计施工工的影响:隧道开挖难难易程度;隧道开挖后后的稳定程程度；隧道支护结结构承受荷荷载的大小小。2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（1）影响因素素总揽（2）影响因素素详解2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（1）影响因素素总揽自然因素（地质条件件）岩体结构特特征结构面性质质和空间组组合特征岩石的力学学性质初始地应力力场人为因素（设计施工工因素）隧道形状和和尺寸隧道埋深地下水支护类型和和时间施工方法2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（2）影响因素素详解1)岩体结构特特征●破碎程度：：裂隙率、裂裂隙间距。。岩体结构特特征是指岩体的的破碎程度度或完整状状态。●完整状态：：整块状、大大块状等。。裂隙是广义义的：包括括层理、节节理、断裂裂及夹层等等结构面。。2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（2）影响因素素详解2)结构面的性性质和空间间组合状态态结构面性质质结构面成因因结构面光滑滑程度结构面充填填状态结构面规模模结构面空间间组合（相相互位置））结构面密集集程度2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（2）影响因素素详解3)岩石的力学学性质岩石的工程程性质是多多方面的，，一般主要要指岩石的的强度或坚坚固性。在岩体结构构状态成为为控制围岩岩稳定的主主要因素时时，强调岩岩石强度意意义是不大大的。岩石强度在在完整的岩岩体中是起起主要作用用的。2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（2）影响因素素详解4)初始地应力力场●初始应力是是隧道围岩岩变形、破破坏的根本本作用力。。●已初步将将初始应力力考虑进围围岩分级之之中。在高的初始始应力场条条件下，围围岩级别应应适当降低低。2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（2）影响因素素详解5)地下水●使岩质软化化，强度降降低，对软软岩尤为明明显，对土土体则可促促使其液化化或流动；；●有软弱弱结构面的的围岩，会会冲走充填填物或使夹夹层液化，，减少层间间摩阻力促促使岩块滑滑动；●在某些些围岩中，，如石膏、、岩盐和蒙蒙脱石为主主的粘土岩岩中，遇水水后产生膨膨胀，在未未胶结或弱弱胶结的砂砂岩中可产产生流砂和和潜蚀。2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（2）影响因素素详解6)隧道形状和和尺寸形状方面（（一般情况况）:圆形断面受受力较好，，稳定性好好；高度跨度比比（简称高高跨比）越越大越容易易稳定；断面圆顺可可以避免应应力集中，，有利于围围岩稳定；；特殊地应力力状态则需需要具体分分析。尺寸方面:断面越大，，稳定性越越差2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（2）影响因素素详解7)隧道埋深埋深较浅时时，随着埋埋深的增加加，隧道由由浅埋逐步步进入深埋埋，围岩自自稳能力增增大；埋深很大时时，随着埋埋深的增加加，初始应应力场随之之增大，可可能出现岩岩爆、大变变形问题，，围岩稳定定性可能下下降。2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（2）影响因素素详解8)支护类型和和时间较早支护较迟支护2、影响隧道道围岩稳定定性的因素素（2）影响因素素详解9)施工方法开挖方法与与扰动强度度普通爆破法法、控制爆爆破法；矿山法、盾盾构法或掘掘进机；断面划分与与扰动次数数大断面、小小断面；分部开挖。。3、隧道围岩岩分级（1）围岩分级级的目的（2）围岩分级级的发展及及类型（3）铁路和公公路隧道围围岩分级3、隧道围岩岩分级（1）围岩分级级的目的围岩分级的的目的①作为选选择施工方方法的依据据；②进行科科学管理及及正确评价价经济效益益；③确定结结构上的荷荷载；④给出衬衬砌结构的的类型及其其尺寸；⑤制定劳劳动定额、、材料消耗耗标准基础础等；3、隧道围岩岩分级（2）围岩分级级的发展及及类型土石分类单一指标分分类综合指标分分类围岩分级的的发展趋势势①越来越越重视岩体体而非岩石石；②与勘察察手段紧密密联系；③针对明明确的工程程对象及目目的；④分类逐逐渐量化；；3、隧道围岩岩分级（2）围岩分级级的发展及及类型（A）以岩石强强度或岩石石的物性指指标为代表表的分级法法a.以岩石强度度为基础的的分级法代表：土石石分类法～～坚石、次次坚石、松松石、土。。b.以岩石物性性指标为基基础的分级级法代表：岩石石坚固性系系数(f值)分级法～普普氏法f值：一个综综合的物性性指标值，，如岩石的的抗钻性、、抗爆性、、强度等。。但核心还是是岩石强度度。3、隧道围岩岩分级（2）围岩分级级的发展及及类型（B）以岩体构构造、岩性性特征为代代表的分级级方法代表表：：●泰泰沙沙基基法法～～考考虑虑围围岩岩的的完完整整状状态态和和岩岩性性，，共共9级。。●我我国国交交通通隧隧道道围围岩岩分分级级法法～～借借鉴鉴了了泰泰沙沙基基法法，，考考虑虑岩岩体体综综合合物物性性，，共共6级。。3、隧隧道道围围岩岩分分级级（2）围围岩岩分分级级的的发发展展及及类类型型（C）与与地地质质勘勘探探手手段段相相联联系系的的分分级级方方法法代表表：：弹性性波波速速分分级级法法～波波速速是是反反映映岩岩性性与与岩岩体体结结构构的的一一项项综综合合指指标标，，波波速速越越高高，，围围岩岩越越好好。。波速Kv>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15完整性完整较完整破碎较破碎极破碎3、隧隧道道围围岩岩分分级级（2）围围岩岩分分级级的的发发展展及及类类型型（C）与与地地质质勘勘探探手手段段相相联联系系的的分分级级方方法法代表表：：岩石石质质量量指指标标～RQD指标标也也是是反反映映岩岩性性与与岩岩体体结结构构的的一一项项综综合合指指标标。。R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5R<0.25优良好差很差3、隧隧道道围围岩岩分分级级（2）围围岩岩分分级级的的发发展展及及类类型型（D）组组合合多多种种因因素素的的分分级级方方法法代表表：：岩体体质质量量分分级级法法巴顿顿等等人人提提出出的的““岩岩体体质质量量—Q””分级级法法。。表表达达如如下下：：组合合了了6个参参数数：：岩石石质质量量指指标标、、节节理理组组数数目目、、节节理理粗粗糙糙度度、、节理理蚀蚀变变值值、、节节理理含含水水折折减减系系数数、、应应力力折折减减系系数数。。3、隧隧道道围围岩岩分分级级（3）铁铁路路和和公公路路隧隧道道围围岩岩分分级级(A)铁路路隧隧道道围围岩岩分分级级沿沿革革●岩体体综综合合分分类类～60年代代，，成成昆昆线线，，五五类类。。●隧道道围围岩岩分分类类～74年版版，，首首部部铁铁路路隧隧道道规规范范，，六六类类。。●隧道道围围岩岩分分类类～86年版版，，加加入入围围岩岩弹弹性性波波速速指指标标。。●隧道道围围岩岩分分级级～99年版版，，采采用用国国标标分分级级排排序序，，改改称称“围岩岩分分级级”，六六级级。。●隧道道围围岩岩分分级级～2001年版版，，不不变变。。●隧道道围围岩岩分分级级～2005年版版，，不不变变。。3、隧隧道道围围岩岩分分级级（3）铁铁路路和和公公路路隧隧道道围围岩岩分分级级(B)现行行铁铁路路隧隧道道围围岩岩分分级级基本本理理论论：：“以岩岩体体构构造造和和岩岩性性特特征征为为代代表表的的”的综综合合指指标标分分级级方方法法基本本方方法法：：按围围岩岩稳稳定定性性由由好好至至差差划划分分为为ⅠⅡⅡⅢⅢⅣⅣⅤⅤⅥⅥ级基本本流流程程：：基本本分分级级—————————修正正基基本本分分级级========最终终围围岩岩分分级级岩石石坚硬硬程程度度岩体体完整整程程度度地下下水水地应应力力3、隧隧道道围围岩岩分分级级（3）铁铁路路和和公公路路隧隧道道围围岩岩分分级级(C)现行行铁铁路路隧隧道道围围岩岩分分级级方方法法围岩岩基基本本分分级级修正正基基本本分分级级①岩石石坚坚硬硬程程度度软硬硬岩岩分分界界指指标标：：30MpaRb>30硬岩岩5<Rb≤30软岩岩Rb<5极软软岩岩②岩体体完完整整程程度度指标标1：结结构构面面发发育育程程度度指标标2：地地质质构构造造影影响响程程度度由此此两两指指标标，，将将岩岩体体完完整整程程度度分分为为5个级级别别。。3、隧隧道道围围岩岩分分级级（3）铁铁路路和和公公路路隧隧道道围围岩岩分分级级(C)现行行铁铁路路隧隧道道围围岩岩分分级级方方法法围岩岩基基本本分分级级修正正基基本本分分级级①岩石石坚坚硬硬程程度度②岩体体完完整整程程度度③围岩岩弹弹性性波波测测试试④地下下水水修修正正⑤地应应力力修修正正3、隧隧道道围围岩岩分分级级（3）铁铁路路和和公公路路隧隧道道围围岩岩分分级级(C)现行行铁铁路路隧隧道道围围岩岩分分级级方方法法围岩岩基基本本分分级级修正正基基本本分分级级钻探探取取芯芯岩体体完完整整程程度度地下下水水发发育育程程度度地应应力力测测试试岩样样试试验验岩石石强强度度踏勘勘调调绘绘节理理裂裂隙隙发发育育程程度度地质质构构造造影影响响程程度度弹性性波波测测试试注水水试试验验地应应力力水水平平最终终围围岩岩分分级级4、隧隧道道围围岩岩压压力力的的确确定定（1）围围岩岩压压力力的的形形成成及及类类型型（2）围围岩岩压压力力的的理理论论计计算算方方法法（3）铁铁路路、、公公路路隧隧道道围围岩岩压压力力规规范范确确定定方方法法（4）围围岩岩压压力力实实测测方方法法4、隧隧道道围围岩岩压压力力的的确确定定（1）围围岩岩压压力力的的形形成成及及类类型型原岩岩毛洞洞稳定定洞洞室室开挖挖支护护自重重应应力力初始始地地应应力力构造造应应力力地下下水水压压力力温度度应应力力松动动压压力力围岩岩压压力力形变变压压力力膨胀胀压压力力冲击击压压力力4、隧隧道道围围岩岩压压力力的的确确定定（2）围围压压压压力力的的理理论论计计算算方方法法(A)普氏氏压压力力拱拱理理论论(B)太沙沙基基理理论论4、隧隧道道围围岩岩压压力力的的确确定定（2）围围压压压压力力的的理理论论计计算算方方法法(A)普氏氏压压力力拱拱理理论论基本本前前提提：：松散散并并具具有有一一定定粘粘性性的的围围岩岩中中；；埋埋深深较较大大；；压力力拱拱的的概概念念：：在具具有有一一定定粘粘结结力力的的松松散散介介质质中中开开挖挖隧隧道道后后，，其其上上方方会会形形成成一一抛抛物物线线状状的的天天然然拱拱，，这这实实质质上上就就是是在在松松散散介介质质、、裂裂隙隙岩岩层层中中开开挖挖坑坑道道时时的的破破坏坏范范围围。。而而作作用用在在支支护护上上的的竖竖向向压压力力就就是是这这个个破破坏坏范范围围（（天天然然拱拱））以以内内的的松松动动岩岩体体的的重重量量。。4、隧隧道道围围岩岩压压力力的的确确定定（2）围围压压压压力力的的理理论论计计算算方方法法(A)普氏氏压压力力拱拱理理论论压力力拱拱的的受受力力特特征征：：(1)在任任何何一一截截面面上上无无弯弯矩矩作作用用；；(2)拱脚脚能能保保持持稳稳定定而而不不致致产产生生水水平平滑滑动动。。压力力拱拱外外部部围围岩岩稳稳定定，，内内部部的的围围岩岩才才会会形形成成围围岩岩压压力力。。问题题：：如如何何确确定定压压力力拱拱高高度度hk？隧道道宽宽度度Bt隧道道高度度Ht压力力拱拱高度度hk压力力拱拱宽宽度度2b侧壁破破裂角角45°°+φφ0/2TVHPYXhkbxyA任意点点A右侧结结构对对A弯矩为为零，，得：：对拱脚脚，x=b,y=hk，则：：拱脚在在摩阻阻力作作用下下，不不能滑滑动，，应有有安全全系数数K>1，则：：因此：：通常取取K=24、隧道道围岩岩压力力的确确定（2）围压压压力力的理理论计计算方方法(A)普氏压压力拱拱理论论似摩擦擦系数数f的概念念及其其确定定：将将具有有一定定粘性性的松松散围围岩视视为无无粘性性的松松散体体。(1)具有粘粘性时时的抗抗剪强强度(2)无粘性性松散散体的的抗剪剪强度度按照抗抗剪强强度不不变的的原则则进行行等效效，应应有：：似摩擦擦系数数f又称为为普氏氏系数数4、隧道道围岩岩压力力的确确定（2）围压压压力力的理理论计计算方方法(A)普氏压压力拱拱理论论按照普普氏压压力拱拱理论论，确确定普普氏系系数、、普氏氏压力力拱高高度后后，即即可计计算作作用在在隧道道支护护结构构上的的围岩岩压力力。通常将将竖向向压力力视为为均布布压力力，侧侧向压压力为为梯形形分布布。4、隧道道围岩岩压力力的确确定（2）围压压压力力的理理论计计算方方法(B)太沙基基理论论理论假假设与与受力力特征征：围岩为为散粒粒体;形成两两个主主动滑滑动面面；竖向压压力均均匀分分布；；侧压力力与竖竖向压压力成成正比比；4、隧道道围岩岩压力力的确确定（2）围压压压力力的理理论计计算方方法(B)太沙基基理论论由单元元体竖竖向力力平衡衡可得得微分分方程