第01章 岩石性质与工程分级

井巷施工技术第一章岩石的性质及其工程分级1胶州湾海底隧道胶州湾隧道地处胶州湾湾口,隧址区平均水深30m,最大水深42m,覆盖层平均厚30m。主隧道结构采用复合式衬砌结构,根据不同围岩地段的结构受力要求,考虑到海域段隧道地下水压力大,海域段断面采用三心圆拱形断面,设置仰拱;陆域段采用三心圆拱形断面,Ⅳ,Ⅴ级断面设置仰拱,Ⅱ,Ⅲ级围岩不设仰拱,结构如图4,图5所示。2难点：基岩弱风化多为中等透水性、少数弱透水性。海水对钢筋砼有腐蚀性,由于隧道纵坡呈V形,渗漏水不能顺自然坡流出洞外,对砼耐久性和隧道防、排水质量要求较高。超浅埋,超大断面隧道下穿建筑群，引起楼房基础沉降、结构开裂。海底地压比较大。施工方法：工程采用钻爆法开挖，喷锚构筑法支护。Ⅱ，Ⅲ级围岩段采用四臂凿岩台车下导洞超前减震全断面爆破开挖作业；Ⅳ级围岩采用台阶法开挖；Ⅴ级围岩陆域段和挤压型海底破碎带采用自进式管棚超前支护和超前预注浆加固堵水结合的方法，分步开挖。3第一章岩石的性质及工程分类井巷施工技术的最基本工作就是破岩与维护。因此，在这一章主要讲述岩石的一些基本性质，为破岩与维护的基础知识；另外，围岩的工程分级一直是工程设计的基本依据之一。本章的重点是岩石的物理、力学性质，围岩分级。难点是围岩分级。4第一节岩石的物理性质一、概述1.几个定义

①岩石

②岩块

③岩体

④表土

⑤基岩

是由一种或多种矿物组成的。每种矿物都有一定的内部结构和固定的化学成份，因而各具有一定的物理性质和形态。包括岩浆岩、沉积岩、变质岩。从地壳中切取出来的小块体，不包含软弱面（岩体中的地质遗迹、层理、节理、断层、裂隙面），近似认为各向同性的连续介质,。地下工程周围较大范围内的自然地质体。从煤矿采掘工程角度：包括岩石、地下水、瓦斯。岩体的性质复杂，是我们研究的主要对象。

建井工作者把覆盖在地壳上部的第四纪沉积物成为表土，也称为松散性岩石，如：黄土、流沙、粘土等。表土以下的固结性岩石称为基岩、岩浆岩、沉积岩、变质岩。岩体＝岩块（岩石材料）＋弱面（层理、节理、断层）5

岩块：6岩体7

表土和基岩8岩石材料的性质对岩体性质影响很小，而弱面控制着岩体的性质。例如：岩体压缩时，破坏是沿着已存在的弱面发生的；在拉伸时，由于弱面的存在，强度很小。岩块（Rock）性质：强度：抗压强度、抗拉强度、剪切强度等；变形：弹性模量、泊松比；矿物：矿物成分、颗粒大小、结构等；物理性质：密度、水理性、孔隙性等。弱面(Discontinuities)性质弱面包括层理、节理、断层等。性质包括：剪切强度、方位、距离、硬度、张开度、充填性、风化性、粗糙性等9第二节岩石物理性质1、相对密度（比重）：取决于组成岩石的矿物的相对密度。一、岩石的比重与密度2、密度（容重）（kN/m3）。分为干密度和湿密度。3、说明：岩石由固体、空气和水组成；干湿密度的区分对粘土类矿物意义重大。取决于矿物成分、孔隙度和含水量。与埋深也有关

岩石物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。干密度湿密度10指岩石的裂隙和孔隙发育的程度，用孔隙度n和孔隙比e来表示。随着孔隙度增大，一方面消弱了岩石的整体稳定性，使其密度和强度降低，透水性增大；另一方面会增加风化速度。进一步降低力学强度和增大透水性。二、岩石的孔隙性111、吸水率三、岩石的水理性质（吸水率、透水性、溶蚀性、软化性、膨胀性和崩解性）岩石吸水率大小取决于岩石中的孔隙、裂隙数量和大小、开裂程度及其分布情况，并且与试验条件有关。时间和尺寸均有影响。2、透水性：岩石能被水透过的性能。与地下水水头、岩体应力、孔隙度、孔隙大小及其连通程度有关。岩石样品渗透性的确定对实际问题的意义，例如：将水、油或气泵入多孔的岩层中，或从其中抽出来；在多孔岩层中处理卤水废物；为了能量转换而在地下洞穴中贮存液体；评价水库的不透水性；排除深处洞室的海水，或预估流入隧洞的水量等。123、溶蚀性：由于水化学作用而把岩石中某些物质带走的现象。4、膨胀性和崩解性：前者是指岩石浸水后体积增大和压力增大的性能；后者是指浸水后发生解体的现象。5、软化性1314四、岩石的碎胀性岩石名称砂、砾岩砂质粘土中硬岩石坚硬岩石煤碎胀系数k1.05~1.21.2~1.251.3~1.51.5~2.5<1.2意义：采场管理、提升运输、充填效果、围岩压力等。15岩石名称碎胀系数残余碎胀系数砂1.06～1.151.01～1.03粘土＜1.201.03～1.07碎煤＜1.201.05泥质页岩1.401.10砂质页岩1.60～1.801.10～1.15硬砂岩1.50～1.80表1-3煤矿中常见岩石的碎胀系数残余碎碎胀系数：指岩石在破碎后，在其自重和外加荷载的作用下将逐渐压实，体积随之减小，这种压实后的体积与破碎前原始体积之比，叫作残余碎碎胀系数。残余碎碎胀系数反映破碎岩石被压实的程度，它与岩石的物理力学性质、外加荷载的大小及破碎后经历的时间长短有关。16第三节岩石力学性质岩石力学性质。分为变形和强度性质。变形性质体现对外力的尺寸效应；强度性质表现抵抗外力破坏的能力。研究力学主要研究岩石的变形、破坏和强度等性质。

试验所需的试件应该加工成标准的圆柱形，其高与直径之比应该介于2.0～3.0之间，试件的直径最好不要超过50mm。试件的直径应该至少是岩石最大颗粒直径的20倍。

171.岩石的单轴压缩全应力—应变曲线裂隙闭合阶段、线弹性阶段、塑性阶段、软化阶段扩容；脆性和塑性岩石，6种应力应变曲线、目的是为了破岩。182.岩石在三轴压缩条件下的力学性质192.岩石在三轴压缩条件下的力学性质

首先，破坏前岩石的应变随围压增大而增加；另外，随围压增大，岩石的塑性也不断增大，且由脆性逐渐转化为延性。围压增加时，试件承载力则随围压稳定增长，出现所谓应变硬化现象。围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。从图分析围压对岩石变形影响，得出如下结论：

①随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；②随着围压的增大，岩石的变形显著增大；③随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；④随着围压的增大，岩石的应力一应变曲线形态发生明显改变，岩石的性质发生了变化：由弹脆性一弹塑性一应变硬化。203.锚固体的围岩受力特征从锚固体的围岩受力特征看出，破裂岩体的极限强度和残余强度随支护阻力的增加而不断强化，达到一定程度就能保持围岩的稳定。从下图中还可以看出，在支护阻力为0的情况，即围岩的残余强度很低，不利于沿空巷道围岩的控制，采用架棚支护就属于这种情况；当采用锚杆支护时，属于主动支护，在支护初期可以结围岩施加一定的预紧力，从下图中可以看出，当支护阻力在0.22MPa时，围岩的残余强度增加数倍，这就是锚杆支护设计、支护参数研究的基本依据。但当地质条件较差时，不能保证锚杆支护有良好的锚固性能时，要采用架U型棚或采用复合支护。锚固体应力应变曲线

214.岩石的强度：岩石抵抗外力破坏的能力。单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩4.岩石的硬度：岩石抵抗其它较硬物体侵入的能力。5.岩石的可钻性与可爆性研究岩石的强度的意义

⑴岩石的强度是各种岩石分类（级）中的重要数量指标。⑵作为强度(安全)准则，判别所计算或测定的岩土工程是否稳定.⑶在简单的工程条件下，可作为极限平衡条件（塑性条件），求解弹塑性问题的塑性区范围、弹性区和塑性区应力与应变。225、单轴抗拉、抗剪强度1.定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。2)抗剪切强度定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度。3）限制性剪切强度试验结果及其分析①试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大。原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。23将破坏时的剪应力和正应力标注到σ-τ应力平面上就是一个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来就获得了莫尔强度包络线，如图所示。24②残余强度：当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动。能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是破坏面的残余强度。正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正应力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力。256、岩石的流变性质（1）流变的概念1）流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效应的现象，称为流变现象。2）流变的种类：蠕变：应力不变，应变随时间增加而增长松弛：当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象弹性后效：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象26271）大多数情况下，岩石表现为脆性破坏；2）同种岩石强度并非常数；3）不同受力情况下，岩石的极限强度相差悬殊。三向等压抗压强度>三向不等压抗压强度>双向抗压强度>单向抗压强度>单向抗剪强度>单向抗弯强度>单向抗拉强度。单向抗压强度RC、单向抗剪强度τ、单向抗拉强度Rt之间有下列关系：；；7、岩石的强度特征（1）岩石在静荷载作用下的强度

282．动荷载作用下的强度29⑵三种破坏形式脆性破坏：永久变形或全变形小于3%者为脆性破坏。具有这种特性的岩石称为脆性岩石；塑性破坏：永久变形或全变形大于5%者塑性破坏。具有这种特性的岩石称为塑性岩石；过度状态：永久变形或全变形在3%到5%之间。

30第四节岩体工程分类（1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。（2）便于施工方法的总结,交流,推广。（3）便于行业内技术改革和管理。1、分类的目的与意义312.分类原则

(1）有明确的类级和适用对象（专题性的、综合性的)。（2）根据适用对象，选择考虑因素（单因素、多因素）。（3）有定量的指标。（4）类级一般分五级为宜。（5）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。发展趋势：“多因素、综合特征值”分类法323分类的独立因素

（1）岩石材料的质量（强度指标）。（2）岩体的完整性，密集度、切割度、连续性等。（3）岩体结构面产状与岩体工程的相对空间位置关系等。（4）地下水（软化、冲蚀、降低有效正应力、c、φ）（5）地应力（大小、最大主应力方向）（6）其它因素（自稳时间、位移率）其中（1）（2）是岩石基本质量，（3）－（6）是考虑工程岩体特点的其它因素33（1）岩石强度：单轴抗压强度为岩体稳定性评价的重要指标。（2）结构面：结构面的研究应包括组数、密度、产状、延展性、结构面内物质成分等。（3）水对岩体的影响：水对岩体稳定性有着重要的影响。岩体遇水后可以发生泥化、崩解、碎裂，致使岩体膨胀并大大降低强度。（4）原岩应力状态：对岩体稳定性影响最大的是最大主应力。在缺乏地应力资料时，可选用γH值。4、分类指标：34普罗托奇亚可夫于1926年提出：共划分为10级15种1.普氏系数分类法我国煤炭系统按岩石坚固性将煤岩分类为：软煤：f＝1～1.5硬煤：f＝2～3软岩：f＝2～3中硬岩：f＝4～6硬岩：f＝8～10坚硬岩石：f＝12～14最坚硬岩石：f＝15～20存在问题：这一分类主要考虑的是岩石试件强度（单轴抗压强度），围岩应力、岩体的完整性、岩体结构特征等在分类中没有表达出来，因此不能正确地评价围岩的稳定性。

352.岩芯质量指标美国伊利诺斯大学狄勒（Deere）在1964年形成该标准，但直到1967年才以出版的形式首次提出该概念。36RQD是一修正的岩芯取出率，仅考虑长度大于100mm的完整岩芯。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100岩石质量很差差一般好优秀37掘巷后：（1）巷道周边应力集中；（2）围岩强度降小(三向应力状态→两向应力状态）（3）开挖扰动等围岩应力与围岩强度的关系发生变化（超过则破坏，等于为极限平衡，小于则稳定）；3.围岩松动圈分类法38围岩类别分类名称围岩松动圈/cm支护机理及方法备注小松动圈I稳定围岩0～40喷混凝土支护围岩整体性好，不易风化的可不支护中松动圈Ⅱ较稳定围岩40～100锚杆悬吊理论，喷层局部支护局部锚杆支护Ⅲ一般围岩100～150锚杆悬吊理论，喷层局部支护刚性支护有局部破坏，采用可缩性支护大松动圈Ⅳ一般不稳定围岩(软岩)150～200锚杆组合拱理论，喷层、金属网局部支护刚性支护大面积破坏，采用可缩性支护Ⅴ不稳定围岩(较软围岩)200～300锚杆组合拱理论，喷层、金属网局部支护围岩变形有稳定期Ⅵ极不稳定围岩(极软围岩)>300组合拱理论联合支护围岩变形在一般支护下无稳定期39围岩松动圈分类有三个突出优点：（1）绕过了地应力、围岩强度、结构面性质测定等困难问题，但又着重抓住了它们的影响结果，即松动圈是一个综合指标；（2）松动圈系实测所得，未在重要方面作任何假设；（3）松动圈大小很容易用声测法获得，确定支护参数时直观简单，现场应用十分方便。40煤巷围岩塑性区分布414.按围岩变形量分类陆士良教授根据围岩变形量的大小和维护的难易程度，将回采巷道围岩分为五类：巷道维护状况围岩平均变形速度，mm/d围岩变形量，mm容易中等困难极难＜11~22~4＞4＜200200~500500~1000＞100042中国煤炭科学研究院建井所段振西教授提出以围岩的变形量大小分类围岩的理论及方法435.按施工需要分类1988年，煤炭工业部根据全国58条试验巷道的地质特征、井巷开拓后围岩的稳定状态，共为五类：44①岩体的地质力学分类（CSIR分类)

毕昂斯基(Bieniaski,1973)提出RMR(RockMassRating)值分类法南非科学和工业委员会（CSIR)式中：R1-岩石抗压强度评分，R2-RQD评分，R3-节理间距评分，R4-节理状态评分，R5-地下水状态评分，R6-节理的方向对工程的影响修正评分，这6个指标分别由如下各表来确定。6、按岩体综合指标分类－145（1）与岩石强度相关的岩体评分值R1可以用标准试件进行单轴压缩来确定，也可由点荷载试验确定。46（2）岩石质量指标RQD评分R2（3）对应于节理组间距的岩石评分值R3节理间距评分值R3节理间距/cm≥20060~20020~606~20＜6R3评分值2015108547（4）与节理状态相关的岩体评分值R448（5）与地下水状态相关的岩体评分值R549@1973，南非科学和工业委员会（CSIR)毕昂斯基(Bieniaski)提出RMR计算式@1979年，提出修正RMR计算式@为什么要考虑节理方向对工程是否有利（R6）修正前五个评分之和？@看下面的几幅图的情况，如何？5051（6）考虑节理方向对工程是否有利来修正前五个评分之和R6

52€

根据6个参数之和RMR值，把岩体的质量划分为五类53

@本分类还给出了对岩体稳定性（隧洞岩体自稳时间）以及对应的岩体c,φ值适用：坚硬、节理岩体，浅埋隧道不适用：挤压、膨胀、涌水的及软岩体。54③我国工程岩体分级标准（GB50218-94）

分两步计算：1）岩体基本质量分级－－计算BQ2）岩体稳定性分级－－计算[BQ],判断分类。

3）按岩体综合指标分类－255（1）工程岩体分级的基本方法（1.1）计算BQ(1.1.1）确定岩体基本质量两个指标：岩石的坚硬程度σc；岩体完整性指数Kv。

a.岩石坚硬程度的确定

岩石坚硬程度采用岩石单轴饱和抗压强（σc）56σc与定性划分的岩石坚硬程度的关系b.岩体完整性指数（Kv）的确定。①用弹性波测试，计算龟裂系数Kv。②选择有代表性露头或开挖面，对不同的工程地质岩组进行节理裂隙统计，节理数（Jv）(条/m3)57Jv与

Kv的对照关系Kv与岩体完整性程度定性划分的对应关系58（1.1.2）基本质量分级a.计算岩体基本质量指标BQBQ=90+3σC+250KV式中：σC－岩石单轴饱和抗压强度,MPa;KV－岩体完整性指数值注：①当σC>90KV+30,代σC＝90KV+30②当KV>0.04RC+0.4,代KV＝0.04RC+0.459b.按计算所得的BQ值分级60（1.2）结合工程情况，计算岩体基本质量指标修正值[BQ][BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)K1－地下水影响修正系数；K2－结构面产状影响修正系数；K3－地应力影响修正系数。616263[BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)BQ=90+3σC+250KV64按计算所得的[BQ]值分级[BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)652.工程岩体分级标准的应用－2条（1）岩体物理力学参数的选用6667（2）地下工程岩体自稳能力的确定

注：小塌方：塌方高度<3m，或体积<30m3；中塌方：塌方高度3～6m，或体积30～100m3；

大塌方：塌方高度>6m，或体积>100m3；68我国工程岩体分级标准（GB50218-94）的评价

优点：1）对地下隧道适用性较强；2）能反映岩体基本质量分级－－计算BQ3）考虑工程岩体特性（地下水、节理与工程位置关系、地应力－－计算[BQ],判断分类。缺点：对边坡岩体和地基岩体的分级研究较少。

695）煤矿锚喷支护巷道围岩分类

随着采矿业、水电工程和其它地下工程技术的迅速发展，我国煤炭、冶金和铁路等部门的地下工程，都提出了岩体稳定性的分类方法。其中煤矿锚喷支护巷道的围岩分类，根据锚喷支护设计需要，结合煤矿岩体的特点，将围岩划分为五类，如下表所示，具体分类方法详见（锚杆喷射混凝土支护技术规范－GB50086-2001）

上述分类方法，是作为锚喷支护类型而选择参数服务的。这种围岩分类，充分考虑了围岩的节理、裂隙影响，为选择锚喷支护类型和确定锚喷支护参数提供了依据，弥补了普氏分级法的不足。但还缺少综合性的分类指标，仍然缺乏简单易行的现场实测手段，有待不断改进。

70煤矿锚喷支护巷道围岩分类表围岩分类岩层描述巷道开掘后围岩的稳定状态（3～5m跨度）岩种举例类别名称Ⅰ稳定岩层1.完整坚硬岩层，Rb＞60MPa，不易风化，2.层状岩层层间狡结好，无软弱夹层围岩稳定，长期不支护无碎块掉落现象完整的玄武岩;石英质砂岩;奥陶纪灰岩;茅口灰岩，大冶厚层灰岩Ⅱ稳定性较好岩层1.完整比较坚硬岩层，Rb=40～60MPa2.层状岩层，胶结较好3.坚硬块状岩层，裂隙面闭合，无泥质充填物．Rb>60MPa围岩基本稳定，较长时间不支护会出现小块掉落胶结好的砂岩、砾岩；大冶薄层灰岩Ⅲ中等稳定岩层1.完整的中硬岩层，Rb＞20～40MPa2.层状岩层,以坚硬岩层为主,夹有少数软岩层3.比较坚硬的块状岩层，Rb=40～60MPa围岩能维持一个月以上稳定,有时会产生局部岩块掉落砂岩、砂质页岩、粉砂岩、石灰岩、硬质疑灰岩Ⅳ稳定性较差岩层1.较软的完整岩层，Rb＜20MPa2.中硬的层状岩层3.中硬的块状岩层，Rb=20～40MPa围岩的稳定时间仅有几天页岩、泥岩、胶结不好的砂岩、硬煤Ⅴ不稳定岩层1.易风化潮解剥落的松软岩层2.各类破碎岩层围岩很容易产生冒顶片帮炭质页岩、花斑泥岩、软质凝灰岩、煤、破碎的各类岩石716按围岩松动圈的分类方法

1.松动圈：巷道开挖后，围岩应力由三相变为二相，将重新分布，巷道周围将产生应力集中，如果集中应力值大于岩石强度，则围岩将产生破裂，这种破裂将从巷道周边开始逐渐向深部扩展，直至达到新的三相应力平衡，此时围岩中会出现一个破裂带，这个破裂带叫做松动圈。2.支护对象围岩松动圈巷