隧道工程课件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70～80％。第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力4.2围岩的稳定性性4.2.1研究围岩稳定定性的意义围岩的稳定性性：隧道开挖后，，在不支护条条件下围岩的的稳定性。问题：什么是是隧道工程的的头等大事？？研究围岩的稳稳定性，如何何促使围岩稳稳定。第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力围岩级别的工工程作用：①判断围岩稳稳定性。②判断施工难难易程度，投投资依据。③结构分析计计算的依据第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力4.2.2影响围岩稳定定性的因素⑴地质因素～客客观因素⑵人为因素～主主观因素、工工程因素第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力1、地质因素从5个方面来分析析：⑴岩体结构构特征⑵结构面性性质和空间的的组合⑶岩石的力力学性质⑷地下水的的影响⑸围岩的初初始应力状态态第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力⑴岩体结构特征征指岩体的破碎碎程度或完整整状态。●破碎程度：裂隙率、裂隙隙间距。裂隙是广义的的：包括层理理、节理、断断裂及夹层等等结构面。●完整状态：整块状、大块块状等。按这2个指标有下图图：第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力⑵结构面性质和和空间组合●性质1)结构面的成因因；2)结构面的光滑滑程度；3)结构面的物质质组成；4)结构面的规模模；5)结构面的密集集度。●空间组合指结构面的相相互位置状态态。问题：软弱结构面有有怎样的害处处？什么是不利空空间组合？第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力⑶岩石的力学性性质主要指岩石的的单轴饱和极极限抗压强度度Rb。岩石强度越高高，隧道越稳稳定。(4)围岩的初应力力状态●初始应力是是隧道围岩变变形、破坏的的根本作用力力。●已初步将初初始应力考虑虑进围岩分级级之中。在高的初始应应力场条件下下，围岩级别别应适当降低低。第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力⑸地下水的影响响●软化围岩岩；●减少层间间摩阻力促使使岩块滑动；；●具膨胀性性的围岩，遇遇水后产生膨膨胀等。第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力2、人为因素⑴隧道形状状和尺寸⑵支护结构构类型⑶施工方法法第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力4.3围岩分级4.3.1概述围岩分级：根据岩体的若若干指标，按按照稳定性将将围岩分成不不同的级别。。工程目的：（1）结构设计依依据（2）施工方法依依据（3）工程造价依依据第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力围岩分级的发发展过程：第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力其它分级法：：总结：早期～仅岩石石强度；现在～综合多多种因素，如如岩体构造、、岩石强度、RQD指标等。第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力4.3.2围岩分级方法法3个基本因素：：①岩性：抗压强度、弹弹性模量、弹弹性波速等。。②地质构造：岩体完整性或或结构状态。。③地下水：地下水发育时时，围岩级别别应降低。1个附加因素：：④初始地应力：：适当考虑。第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力（一）以岩石石强度或岩石石的物性指标标为代表的分分级法1.以岩石强度为为基础的分级级法代表：土石分类法～～坚石、次坚坚石、松石、、土。2.以岩石物性指指标为基础的的分级法代表：岩石坚固性系系数(f值)分级法～普氏氏法f值：一个综合合的物性指标标值，如岩石石的抗钻性、、抗爆性、强强度等。但核心还是岩岩石强度。第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力(二)以岩体构造、、岩性特征为为代表的分级级方法代表：●泰沙基法～考虑围岩的的完整状态态和岩性，，共9级。●我国交通隧隧道围岩分分级法～借鉴了泰沙沙基法，考考虑岩体综综合物性，，共6级。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力（三）与地地质勘探手手段相联系系的分级方方法代表：●弹性波速分分级法～波速是反映映岩性与岩岩体结构的的一项综合合指标，波波速越高，，围岩越好好。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力●岩石质量指指标～RQD指标也是反反映岩性与与岩体结构构的一项综综合指标。。RQD指标的具体体含义为岩岩芯复原率率:第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力(四)组合多种因因素的分级级方法代表：岩体质量分分级法巴顿等人提提出的“岩体质量—Q”分级法。表表达如下：：组合了6个参数：岩石质量指指标、节理理组数目、、节理粗糙糙度、节理蚀变值值、节理含含水折减系系数、应力力折减系数数。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力(五)我国铁路与与公路隧道道的围岩分分级方法1.铁路隧道⑴沿革●岩体综合分分类～60年代，成昆昆线，五类类。●隧道围岩分分类～74年版，首部部铁路隧道道规范，六六类。●隧道围岩分分类～86年版，加入入围岩弹性性波速指标标。●隧道围岩分分级～99年版，采用用国标分级级排序，改改称“围岩分级”，六级。●隧道围岩分分级～2001年版，不变变。●隧道围岩分分级～2005年版，不变变。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力⑵分级的理论论基础●以围岩的稳稳定性判断断为基础。属于“以岩体构造造和岩性特特征为代表表”的分级方法法。●主要考虑4种因素：①岩石坚硬硬程度②围岩完整整状态③地下水④围岩初始始地应力基本分级修修正正基本分级级最最终分级基本分级修正基本分分级第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力⑶基本分级依据：围岩岩主要工程程地质条件件，由两条条组成：①岩石坚硬硬程度软硬岩分界界指标：30MpaRb>30硬岩5<Rb≤30软岩Rb<5极软岩②围岩完整整程度指标1：结构面发发育程度指标2：地质构造造影响程度度由此两指标标，将岩体体完整程度度分为5个级别，见见下表：第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力岩体完整程程度的划分分第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力围岩受地质质构造影响响程度等级级划分第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力围岩节理（（裂隙）发发育程度划划分第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力(4)铁路隧道围围岩分级表表基本分级+围岩弹性纵纵波速度=铁路隧道围围岩分级表表见教材P82-83。⑸特点◆给出了单单线隧道围围岩开挖后后的稳定状状态。◆尚未考虑虑地下水和和地应力。。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力⑹修正分级◆地下水水地下水的3种处理方法法：①分级时按按无水考虑虑，而是根根据地下水水的状态，，适当降低低围岩等级级(1～2级)；②分级时按按有水考虑虑，当确认认围岩无水水则提高围围岩等级；；③直接将将地下水水状况(水质、水水量、流流通条件件、静水水压力等等)作为一个个分级指指标。第4章隧道道围岩分分级与围围岩压力力铁路隧道道分级按按第1种方法处处理：地下水状状态的分分级表地下水影影响的修修正第4章隧道道围岩分分级与围围岩压力力◆初始地应应力第4章隧道道围岩分分级与围围岩压力力◆初始地应应力影响响的修正正第4章隧道道围岩分分级与围围岩压力力两点说明明：设计阶段段：采用修正正后的围围岩分级级。施工阶段段：根据实际际情况，，进一步步判定围围岩分级级，依据据仍然是是：岩石坚硬硬程度围岩完整整状态地下水初始地应应力第4章隧道道围岩分分级与围围岩压力力2.公路隧道道⑴初步分分级～相相当于铁铁路的基基本分级级依据：围围岩主要要定性特特征该特征由由两个基基本因素素组成：：●岩石坚坚硬程度度Rc(即强度)●岩体完整整性Kv(即弹性波波速)推出围岩基本本质量指指标BQ=90+3Rc+250Kv第4章隧道道围岩分分级与围围岩压力力⑵详细分级级～相当当于铁路路的修正正分级修正BQ值：当有有以下3方面影响响时，应应予修正正：①地下水水K1②软弱结构构面(比铁路多多此条)K2③高初始地地应力K3[BQ]=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3)K1～K3各值可查查公路隧隧道规范范附录A.0.2-1～A.0.2-3第4章隧道道围岩分分级与围围岩压力力公路围岩岩分级表表：参数：①围岩主主要定性性特征②BQ值，或[BQ]值(当需要修修正时)第4章隧道道围岩分分级与围围岩压力力(六)问题及研研究方向向1.问题指标定性性的多、、定量的的少。如如何做到到准确、、方便、、好用？？2.研究⑴发展物物探手段段，增加加定量指指标。⑵发展分分析理论论模糊数学学～围岩岩分级；；隧道位移移～围岩岩分级；；人工智能专专家系统～～围岩分级级等。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力4.4围岩压力4.4.1岩体初始应应力状态自重应力构造应力地下水压力力温度应力第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力一、围岩压压力及其分分类(一)围岩压力第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力（二）围岩岩压力分类类1．松动压力力～围岩变形过过大，发生生松动而形形成的压力力。2．形变压力力～围岩变形在在有限范围围内而形成成的压力。。这是最重要要的两种压压力形态。。问题：1.这两种压力力性质上有有何不同？？2.压力的性质质与围岩稳稳定性有何何关系？第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力3．膨胀压力力～膨胀性岩层层。4．冲击压力力～明洞，落石石；暗洞，坍方方、岩爆。。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力4.4.2影响围岩压压力的因素素㈠地质因素素1.岩体初始应应力状态2.岩石力学性性质3.岩体结构面面4.地下水等㈡工程因素素1.施工方法2.支护设置时时间3.支护本身刚刚度4.隧道断面形形状等第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力4.4.3围岩松动压压力的形成成和确定方方法1.围岩松动压压力的形成成自然拱的概概念：围岩的变形形不能得到到有效的控控制，当变变形超过一一定限度后后，围岩发发生松动、、坍落，最最终在洞室室上方形成成拱形。(a)变形阶段；；(b)松动阶段；；(c)塌落阶段；；(d)成拱阶段。。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力影响自然拱拱的因素：：●隧道埋深～～成拱的必要要条件●隧道断面形形状和大小小～拱的范围●施工因素～～对围岩的扰扰动程度2、围岩压力力的确定方方法直接量测法法理论估算法法统计法（经经验法、工工程类比法法）第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力1)深埋隧道围围岩松动压压力的确定定方法(1)统计法—我国《隧规》所推荐的方方法式中γ—围岩容重；；hq—坍落拱高度度；s—围岩级别；；w—宽度影响系系数，由w=1+i（B-5）计算：B—坑道宽度，，当B＜5m时，取i=0.2，当B＞5m时，取i=0.1。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力水平压力见见表4-7：表4-7围岩水平均均布压力第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力统计法公式式的适用条条件：H/B＜1.7，H为坑道的高高度；深埋隧道；；不产生显著著偏压力及及膨胀力的的一般围岩岩；采用矿山法法施工。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力据统计，围围岩垂直松松动压力的的分布可概概括为4种，如图4-7。统计法公式式仅针对图图中第一种种情况。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力(2)普氏理论散粒体理论论：岩体被被节理、裂裂隙所切割割，视为散散粒体。普氏系数f(岩体坚固性性系数):第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力岩体坚固性性系数f的概念：f—是一个以岩岩体强度为为主的指标标，兼顾抗抗钻性、抗抗爆性、地地下水等性性质。前述自然拱拱概念最早由普氏氏提出：第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力①坚硬岩体:②松散破碎岩岩体：式中bt为隧道净跨跨度的一半半；Ht为隧道净高高度。一般来说，，普氏理论论比较适用用于松散、、破碎的围围岩中。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力(3)泰沙基理论论理论：散粒粒体理论。。◆假定：破裂面为折折线—OAB◆方法：研究微分条条带dh的平衡。◆步骤：1.ΣV=0，建立微分分方程2.边界条件：：第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力3.解微分方程程，得：4.讨论：⑴当埋深深h达到一定程程度时，συ为恒值：⑵取侧压压力系数k=1，则有：⑶与普氏法法对照，能能发现什么么？第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力2)浅埋隧道围围岩松动压压力的确定定方法⑴深、浅浅埋隧道的的判定原则则Hp＝（2～2.5）hqH≥Hp时为深埋H＜Hp时为浅埋H为覆盖层厚厚度I一III级围岩取:Hp＝2hqIV～VI级围岩取:Hp＝2.5hq第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力(2)浅埋隧道围围岩松动压压力的确定定方法①土柱法法要点：忽略略滑动面上上的阻力。。适于：埋深深H≤hq垂直压力：：q=γH水平压力按按朗金公式式：e=γ(H+1/2Ht)tg2(450–Φ/2)Ht为隧道净高高。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力②一院法重点：当H＞