新奥法隧道结构设计隧道工程荷载计算

5隧道围岩分级与围岩压力

5.1隧道围岩分级及其作用

5.2围岩压力的确定

5.3影响围岩稳定性的因素●围岩：隧道周围一定范围内，对其稳定性产生影响的岩体；●围岩压力：是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌结构的主要荷载之一。其性质、大小、方向以及发生和发展的规律，对正确地进行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广，包括地层特征、地下水状况、开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态、地温梯度等。5.1隧道围岩分级及其应用●目前，隧道围岩分级是设计、施工的基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基础上的）。●围岩分级的目的

①作为选择施工方法的依据；②进行科学管理及正确评价经济效益；③确定结构上的荷载（松散荷载）；④给出衬砌结构的类型及其尺寸；⑤制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等；●人们对围岩的认识是不断深入的：从在国外的情况看：土石方工程分类法(开挖难易程度)岩石的坚固性来分类:如坚固性系数fRQD从围岩稳定性出发分类来代替多年沿用的坚固性为基础的分类从分级指标方面：大多数从定性描述经验判断定量描述●以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是隧道围岩分类的总趋势。1、隧道围岩分级的因素指标及其选择

⑴单一的岩性指标

●一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级指标，具有试验简单，数据可靠的优点；

●岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量、泊松比等物理力学参数；●岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。⑵单一的综合岩性指标

●岩体的弹性波传播速度：弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比，其指标反映了岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合因素，通常用Kv来评价：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●岩石质量指标（RQD）：是综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率，即：

RQD（％）＝10cm以上岩芯累计长度×100

单位钻孔长度岩石质量指标分级认为：

RQD>90％为优质；

75％<RQD<90％为良好；

50％<RQD<75％为好；

25％<RQD<50％为差；

RQD<25％为很差●围岩的自稳时间：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(H.Lauffer)认为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示：

ts=常数×L－(1＋a)

式中：

L－隧道未支护地段的长度；a－视围岩情况在0～1之间变化，好的岩体可取a=0;极差的a=1

劳费（H.Lauffer）根据围岩的自稳时间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、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的七级

●复合指标是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。具有代表性的复合指标分级，是巴顿N.Barton等人提出的岩体质量－Q指标，即：

Q＝（RQD/Jh）(Jr/Ja)(Jw/SRF)

RQD:岩石质量指标;

Jh:节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大;

Jr:节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小;

Ja:节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大，

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，

SRF:应力折减系数，围岩初始应力愈高，SRF取值愈大●

指标的选择

⑴首先选择对隧道围岩稳定性有重大影响的因素指标；⑵选择测试设备简单、人为因素小、科学性强的定量指标；⑶选择指标要有一定的综合性。2、隧道道围岩岩分级级的方方法现行的的许多多围岩岩分类类方法法中，，作为为分类类的基基本要要素大大致有有三大大类：：第I类：与与岩性性有关关的要要素。。其分分类指指标是是采用用岩石石强度度和变变形性性质等等：如如岩石石的单单轴抗抗压强强度、、变形形模量量或弹弹性波波速等等。第II类：与与地质质构造造有关关的要要素。。其分分类指指标采采用诸诸如岩岩石的的质量量指标标、地地质因因素平平分法法等，，这些些指标标实质质上是是对岩岩体完完整性性或结结构状状态的的评价价。这这类指指标在在划分分围岩岩的级级别中中一般般占有有重要要地位位；第Ⅲ类：与与地下下水有有关的的要素素。目前国国内外外围岩岩的分分类方方法，，考虑虑上述述三大大基本本要素素，按按其性性质主主要分分为如如下几几种：：⑴以以岩石石强度度或岩岩石的的物理理指标标为代代表的的分类类方法法：①按岩石强强度为单一一岩性性指标标的分分级法法:具有代代表性性是我我国解解放前前或解解放后后初期期的土土石分分类法法，即即把岩岩石分分为坚坚石、、次坚坚石、、松石石及土土；②以以岩石石的物性指指标为基础础的分分级方方法：：具有有代表表意义义的是是我国国工程程界广广泛采采用的的岩石石坚固固系数数值分分级法法；●优优点：：指指标单单一，，使用用方便便；●缺缺点：：不能能全面面反映映岩体体固有有的性性态。。⑵以岩体体构造造、岩岩性特特征为为代表表的分分级方方法：：①这这类分分类法法以泰泰沙基基分类类法为为代表表这类分分类法法是在在早期期提出出的，，限于于当时时的条条件，，仅把把不同同岩性性、不不同构构造条条件对对围岩岩分类类，这这类分分类法法曾长长期被被各国国采用用，至至今仍仍有广广泛的的影响响。②以以岩体体综合合物性性为指指标的的分类类法60年代我我国提提出了了以岩岩体综综合物物性指指标为为基础础的“岩体综综合分分类法法”。●优点：：正正确的的考虑虑了地地质构构造特特征、、风化化状况况、地地下水水情况况等多多因素素对围围岩的的影响响。●缺点：：分级级指标标缺乏乏定量量描述述。⑶以地质质勘探探手段段相联联系的的分类类方法法：①按按弹性性波（（纵波波）速速度的的分类类方法法围岩弹弹性波波速度度是判判断岩岩性、、岩体体结构构的综综合指指标，，它既既可反反映岩岩石软软硬，，又可可表达达岩体体结构构的破破碎程程度。。1970年前后后，日日本提提出按按围岩岩弹性性波速速度进进行分分类，，我国国从1986年起，，也开开始将将围岩岩弹性性波（（纵波波）速速度引引入我我国围围岩分分类法法中。。②以以岩石石质量量为指指标的的分类类方法法——R.Q.D.方法●优点：：考虑虑了多多种因因素的的影响响，但但分级级指标标大体体上是是半定定量的的。●缺点：：分级级的判判断还还带有有一定定的主主观性性。⑷组合多多种因因素的的分类类方法法比较完完善的的是1974年挪威威地质质学家家巴顿顿等人人提出出的“岩体质质量——Q”的分类类方法法。岩岩体质质量值值Q实质上上是岩岩块尺尺寸、、抗剪剪强度度和作作用力力复合合指标标，根根据不不同的的Q值，可可将岩岩体进进行分分类。。⑸以以工程程对象象为代代表的的分类类法：：●优点：：目的的明确确，使使用方方便，，能够够指导导施工工；●缺点：：分级级指标标以定定性描描述为为主，，人为为因素素较大大。纵上所所述，，围岩岩的分分类方方法有有以下下几方方面的的发展展趋势势：⑴分分类应应主要要以岩岩体为为对象象。⑵分分类宜宜与地地质勘勘探手手段有有机的的联系系起来来；⑶分分类要要有明明确的的工程程对象象和工工程目目的。。⑷分分类宜宜逐渐渐定量量化。。值得注注意的的是，，近年年国内内外有有关学学者提提出采采用模模糊数数学分分类；；根据据坑道道周边边量测测的收收敛值值分类类；采采用人人工智智能－－专家家系统统分类类等建建议，，这些些设想想都将将使围围岩分分类方方法日日趋完完善。。围岩分分级的的分阶阶段实实施，，是因因为围围岩分分级除除了取取决于于地质质条件件外，，还和和工程程规模模、形形状、、施工工工艺艺等技技术条条件有有关。。不同同阶段段的地地质勘勘察、、试验验研究究、工工作顺顺序可可用右右图所所示的的框图图来表表示。3、我国国公路路隧道道围岩岩分级级⑴公公路隧隧道围围岩分分级的的出发发点●强调岩岩体的的地质质特征征的完完整性性和稳稳定性性，避避免单单一的的岩石石强度度指标标分级级的方方法；；●分级指指标应应采用用定性性和定定量指指标相相结合合的方方式；；●明确工工程目目的和和内容容，并并提出出相应应的措措施；；●分级应应简明明，便便于使使用；；●考虑吸吸收其其它围围岩分分级优优点，，并尽尽量和和我国国其它它工程程分级级一致致。⑵考虑分分级的的指标标和因因素●岩体的的结构构特征征与完完整状状态岩体的的结构构特征征与完完整状状态是是评价价围岩岩稳定定程度度最直直接、、最重重要的的指标标●岩石强强度将岩浆浆岩、、沉积积岩、、变质质岩按按岩性性、物物理力力学参参数、、耐风风化能能力和和作为为建筑筑材料料的要要求划划分为为硬质质岩石石及软软质岩岩石二二级，，依饱饱和抗抗压极极限强强度Rb与工程程的关关系分分为四四种，，其标标准及及代表表性岩岩石见见表●地下水水在公路路隧道道围岩岩的分分级中中，遇遇有地地下水水时，，一般般的处处理采采用降降级的的方法法①整体体的硬硬质岩岩石中中，一一般的的地下下水对对其稳稳定性性影响响不大大，不不考虑虑降级级；②块状状硬质质岩和和整体体软质质岩中中，地地下水水将影影响其其稳定定性，，产生生局部部坍塌塌，或或软化化软弱弱结构构面，，围岩岩分级级时一一般可可酌情情降低低1级；③碎石石状松松散结结构的的岩体体中，，裂隙隙中有有泥质质充填填物，，地下下水对对稳定定性影影响很很大，，可根根据地地下水水的性性质、、水量量、渗渗流条条件、、动水水和静静水压压力等等情况况，判判断其其对围围岩的的危害害程度度，可可降低低1～2级；④强烈的的断裂裂带，，或软软塑性性粘土土和潮潮湿的的粉细细砂，，分类类时已已考虑虑了一一般含含水地地质情情况的的影响响，，不再再降级级。对对于特特殊含含水地地层如如已达达到饱饱和状状态或或具有有较大大的承承压水水时，，需另另作处处理。。⑶公公路隧隧道围围岩分分级●根据以以上对对分级级因素素和指指标的的分析析，公公路隧隧道围围岩分分级将将围岩岩分为为六级级，，见表表；●R.Q.D、岩体体弹性性波（（纵波波）速速度、、岩体体完整整性系系数的的分类类法。⑷隧道施施工围围岩分分级●施工阶阶段围围岩判判定具具有直直接性性、可可靠性性、重重要性性的特特征。。●评定因因素采采用围岩坚坚硬程程度、围岩完完整性性程度度、和地下水水状态态三项因因素，，细分分为十十三个个子因因素，，即即3－13评定：：在三个个因素素中，，最困困难的的是围围岩完完整性性程度度的评评定，，研究究的重重点是是如何何根据据掌子子面的的地质质数据据评价价围岩岩的完完整程程度。。根据据对国国内外外施工工阶段段围岩岩分级级的调调查，，应采采用多多种方方法对对围岩岩完整整程度度进行行分级级，采采用定定性和和定量量相结结合的的方法法，如如可采采用下下图的的指标标：：5.2围岩压力的确确定1、围岩压力的的概念●围岩压力：是指引起地下下开挖空间周周围岩体和支支护变形或破破坏的作用力力。它包括由由地应力引起起的围岩应力力以及围岩变变形受阻而作作用在支护结结构上的作用用力。从狭义义上来理解，，围岩压力是是指围岩作用用在支护结构构上的压力。。在工程中一一般研究狭义义的围岩压力力。●围岩压力按作作用力发生的的形态，一般般可分为如下下几种类型：：⑴松散压力：是指由于开开挖而松动或或坍塌的岩体体以重力形式式直接作用在在支护结构上上的压力。常常通过下列三三种情况发生生：①在整体稳稳定的岩体中中，可能出现现个别松动掉掉块的岩石；；②在松散软软弱的岩体中中，坑道顶部部和两侧片帮帮冒落；③在节理发发育的裂隙岩岩体中，围岩岩某些部位沿沿弱面发生剪剪切破坏或拉拉坏等局部塌塌落。⑵形变压力：是指由于围岩岩变形受到与与之密贴的支支护如锚喷支支护等的抑制制，而使围岩岩与支护结构构共同变形过过程中，围岩岩对支护结构构施加的接触触压力。形变变压力除与围岩应力状态态有关外，还与与支护时间和支护刚度有关。⑶膨胀压力力：是指由于围岩岩吸水而膨胀胀崩解所引起起的压力。它它与形变压力力的基本区别别在于它是由由吸水膨胀引引起的。⑷冲击压力：是指围岩中积积累了大量的的弹性变性能能之后，由于于隧道的开挖挖，围岩的约约束被解除，，能量突然释释放所产生的的压力。冲击压力是岩岩体能量的积积累与释放问问题，所以它它与弹性模量量直接相关。。弹性模量较较大的岩体，，在高地应力力作用下，易易于积累大量量的弹性变形形能，一旦遇遇到适宜条件件，就会突然然猛烈的大量量释放。2、围岩松散压压力的产生开挖隧道所引引起的围岩松松动和破坏的的范围有大有有小，对于一一般裂隙岩体体中的深埋隧隧道，其波及及范围仅局限限在隧道周围围一定深度，，作用在支护护结构上的围围岩松散压力力远远小于其其上覆岩层自自重所造成的的压力，这可可用围岩的“成拱作用”来解释。下面面以水平岩层层中开挖一个个矩形坑道，，来说明坑道道开挖后围岩岩由形变到坍坍塌成拱的整整个变形过程程。成拱过程：⑴隧道开挖挖后，在围岩岩应力重分布布过程中，顶顶板开始沉陷陷，并出现拉拉断裂纹，可可视为变形阶阶段；⑵顶板的裂裂纹继续发展展并且张开，，由于结构面面切割等原因因，逐渐转变变为松动，可可视为松动阶阶段；⑶顶板岩体体视其强度的的不同而逐步步坍塌，可视视为坍塌阶段段；⑷顶板塌落落停止，达到到新的平衡，，此时其界面面形成一近似似的拱形，可可视为成拱阶阶段。自然拱的范围围的大小除受受上述的围岩岩地质条件、、支护结构架架设时间、刚刚度以及它与与围岩的接触触状态外，还还取决于以下下诸因素：⑴隧道的形状和和尺寸：隧道拱圈越平平坦，跨度越越大，则自然然拱越高，围围岩的松散压压力也越大；；⑵隧道的埋深：：实践证明，只只有当隧道埋埋深超过某一一临界值时，，才有可能形形成自然拱。。习惯上称这这种隧道为深深埋隧道，否否则为浅埋隧隧道。⑶施工因素：如爆破所产生生的震动，常常常是引起塌塌方的重要原原因之一，造造成围岩压力力过大，又如如分部开挖多多次扰动围岩岩，也会引起起围岩失稳，，加大自然拱拱范围。3、围岩压力的的确定方法围岩压力的确确定目前常用用有下列三种种方法：●直接量测法：：是一种切切合实际的方方法，对隧道道工程而言，，也是研究发发展的方向；；但由于受量量测设备和技技术水平的制制约，目前还还不能普遍常常用。●经验法或工程程类比法：是根据大量以以前工程的实实际资料的统统计和总结，，按不同围岩岩分级提出围围岩压力的经经验数值，作作为后建隧道道工程确定围围岩压力的依依据的方法。。是目前使用用较多的方法法。●理论估算法：：是在实践的的基础上从理理论上研究围围岩压力的方方法。由于地地质条件的不不确定性，影影响围岩压力力的因素又非非常多，这些些因素本身及及它们之间的的组合也带有有一定的偶然然性，企图建建立一种完善善的和适合各各种实际情况况的通用围岩岩压力理论及及计算方法是是困难的。在理论计算方方法中，考虑虑几个主要因因素，使其结结果相对地接接近实际围岩岩压力的情况况，是目前隧隧道工程设计计中采用较多多的方法。⑴深埋隧道围岩岩压力的确定定(工程类比法)围岩竖向匀布布压力q按下式计算：：q=0.45×2s-1×γω(kN/m2)式中：S—围岩级别，如如属II级，则S＝2；γ—围岩容重，(kN/m2)；ω＝1+i(B-5)—宽度影响系数数；B—隧道宽度，（（m）；i——以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力力增减率。当B<5m，取i＝0.2；当B>5m,取i＝0.1。●适用条件为：①H/B<1.7，式中H为隧道高度；；②深埋隧道道；③不产生显显著偏压力及及膨胀力的一一般隧道；④采用钻爆爆法施工的隧隧道。●铁路新规范：：q＝γh，h=0.41×1.79S这是全国1046座铁路隧道得得出的经验公公式，其中S—新规范围岩的的分级。●围岩的水平匀匀布压力e的确定，按下下表中经验公公式计算围岩级别I、IIIIIIVVVI水平匀布压力0<0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q下面压力分布布图形只概括括一般情况，，当地质、地地形或其它原原因可能产生生特殊荷载时时，围岩压力力的大小和分分布应根据实实际情况分析析确定。在分析支护结结构时，一般般以竖向和水水平的匀布荷荷载图形为主主，并用局部部压力、偏压压以及非匀布布的荷载图形形进行校核，，较好的围岩岩着重于局部部压力校核。。围岩压力分布布特征⑵浅埋隧道围岩岩松散压力的的计算①深、浅埋埋隧道的判定定原则●隧道埋深不同同，确定围岩岩压力的计算算方法不同，，一般情况下下应以隧道顶顶部覆盖层能能否形成“自然拱”为原则。●深埋隧道围岩岩松散压力值值是以施工坍坍方平均高度度(等效荷载高度度值)为根据，为了了形成此高度度值，隧道上上覆岩体就有有一定的厚度度。根据经验验，这个深度度通常为2～2.5倍的坍方平均均高度值，即即：Hp＝（2～2.5）hq式中：Hp－深浅埋隧道道的分界深度度；hq－荷载等效高高度；q－深埋隧道竖竖向均布压力力。在矿山法施工工的条件下，，I一III级围岩取Hp＝2hqIV～VI级围岩取Hp＝2.5hq当隧道覆盖层层厚度H≥Hp时为深埋，H＜Hp时为浅埋②浅埋隧道围岩岩压力的确定定方法浅埋隧道围岩岩压力分下述述两种情况分分别计算：●埋深(H)小于或等于等等效荷载高度度hq时，荷载视为为均布竖向压压力q=γH式中:q—匀布布竖向压压力；γ—深度上覆围岩岩容重；H—隧道埋深，抬抬隧道顶至地地面的距离。。侧向压力e，按匀布考虑虑时，其值为为：e=γ(H+1/2Hi)tg2(450–Φ/2)式中:e—侧向匀布压力力；γ—围岩容重，以以kN/m3计；H—隧道埋深，以以m计；Hi—隧道高度，以以m计；Φ—围岩计算摩擦擦角，其值可可查有关规范范。●埋深大于hq、小于等于Hp时采用松散介质质极限平衡理理论进行分析析，即：围岩松动压力力=滑动岩体重量量－滑面上的的阻力q浅＝Q浅/B=γγH（1－H/B·λtgθ）e=γ(H＋h)λ/2式中：λ一侧压力系数数，即：λ=(tanβ-tanΦ)/｛tanβ[1+tanββ(tanΦΦ-tanθ)+tanΦΦtanθ]｝tanβ=tanΦ+｛(tan2ΦΦ+1)tanΦ/(tanΦ-tanθ)｝1/2⑶围岩应力的现现场量测实测围岩压力力的方法很多多，可归纳为为两类：直接接量测和间接接量测●直接量测测：主要采用压压力盒、压力力传感器等，，压力盒按工工作原理分为为机械作用式式、电测式和和液压式等，，目前使用较较多的是钢弦弦式压力盒。。●间接量测测：利用量测隧道道衬砌的应变变、变形来推推算作用在其其上的围岩压压力的方法，，即间接量测测法。如电阻阻应变片、钢钢筋应变计、、遥测应变计计、混凝土应应变砖等5.3影响围岩稳定定性的因素隧道围岩分级级的是对隧道道开挖后，围围岩稳定程度度的分级和评评价。围岩分分级的因素，，也就是影响响隧道围岩稳稳定性的因素素。影响坑道围岩岩稳定性的因因素一般认为为有两类：一类是客观存存在的地质因素；另一类是设计和施工因因素，或称为为人为因素。前者是基本本的，后者是是通过前者而而起作用的。。1、地质因素的的影响⑴岩土体结结构状态●岩土体结构是是长时间地质质运动的产物物，在地质因因素的影响中中起着主要作作用。●围岩的结构状状态通常用其其破碎程度或或完整状态来来表示●岩体的完整状状态或破碎程程度有两个含含义，一是构构成岩体的岩岩块大小，二二是这些岩块块的组合形态态。⑵岩石的工程性性质●岩石的工程性性质是多方面面的，一般主主要指岩石的的强度或坚固固性。●在岩体结构状状态成为控制制围岩稳定的的主要因素时时，强调岩石石强度意义是是不大的。●岩石强度在完完整的岩体中中是起主要作作用的。⑶围岩的初初应力状态围岩的初应力力状态对岩体体的构造一力力学特征是有有一定影响的的。因此，在在围岩分级中中，如何根据据地质构造的的特征引进初初应力的影响响，是需要进进一步研究的的问题。⑷地下水的作用用和影响在不同的围岩岩中水的影响响一般有下列列几种情况：：●使岩质软化，，强度降低，，对软岩尤为为明显，对土土体则可促使使其液化或流流动；●在有软弱结构构面的围岩中中，会冲走充充填物或使夹夹层液化，减减少层间摩阻阻力促使岩块块滑动；●在某些围岩中中，如石膏、、岩盐和蒙脱脱石为主的粘粘土岩中，遇遇水后产生膨膨胀，在未胶胶结或弱胶结结的砂岩中可可产生流砂和和潜蚀。2、设计和施工工因素，或称称为人为因素素人为的因素也也是造成隧道道丧失稳定的的重要条件⑴隧道的形形状和尺寸，，尤其是跨度度影响较为显显著在同类围岩中中，跨度愈大大，隧道围岩岩的稳定性就就愈差⑵支护护结构的的类型及及支护时时间●隧道自稳稳时间：：是指从开开挖后