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

Surroundingrockclassificationandpressure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？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图4-1典型岩体全应力应变曲线第4章隧道围岩分级与围岩压力岩体：①压密阶段(OA)②弹性阶段(AB)③塑性阶段(BC)④破裂和破坏阶段(CD)

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？图4-2岩体的流变第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章隧道围岩分级与围岩压力4.2围岩的稳定性性第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力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。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4.2.2影响围岩稳定定性的因素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张家界图节理较发育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。第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力(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；●减少层间摩阻阻力促使岩块块滑动；●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超挖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：土石分类法单一因素分类类法综合物性分类类法第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力其它分级法：：第4章隧道围岩岩分级与围岩岩压力组合多因素分分类法与地质勘探手段相联系的的分类法总结：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。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：岩石坚固性系数(f值)分级法～普氏法f值：一个综合的物物性指标值，如岩岩石的抗钻性、抗抗爆性、强度等。。但核心还是岩石强强度。第4章隧道围岩分级级与围岩压力(二)以岩体构造、岩性性特征为代表的分分级方法代表：●泰沙基法～考虑围岩的完整状状态和岩性，共9级。●我国交通隧道围岩岩分级法～借鉴了泰沙基法，，考虑岩体综合物物性，共6级。第4章隧道围岩分级级与围岩压力（三）与地质勘探探手段相联系的分分级方法代表：●弹性波速分级法～波速是反映岩性与与岩体结构的一项项综合指标，波速速越高，围岩越好好。第4章隧道围岩分级级与围岩压力波速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●岩石质量指标～RQD指标也是反映岩性性与岩体结构的一一项综合指标。RQD指标的具体含义为为岩芯复原率:第4章隧道围岩分级级与围岩压力R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5R<0.25优良好差很差表中R为RQD指标。(四)组合多种因素的分分级方法代表：岩体质量分级法巴顿等人提出的“岩体质量—Q”分级法。表达如下下：第4章隧道围岩分级级与围岩压力组合了6个参数：岩石质量指标、节节理组数目、节理理粗糙度、节理蚀变值、节理理含水折减系数、、应力折减系数。。(五)我国铁路与公路隧隧道的围岩分级方方法1.铁路隧道⑴沿革●岩体综合分类～60年代，成昆线，五五类。●隧道围岩分类～74年版，首部铁路隧隧道规范，六类。。●隧道围岩分类～86年版，加入围岩弹弹性波速指标。●隧道围岩分级～99年版，采用国标分分级排序，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章隧道围岩分级级与围岩压力⑵分级的理论基础●以围岩的稳定性判判断为基础。属于“以岩体构造和岩性性特征为代表”的分级方法。●主要考虑4种因素：①岩石坚硬程度②围岩完整状态③地下水④围岩初始地应力力第4章隧道围岩分级级与围岩压力基本分级修正基本分级基本分级修修正基本分级最最终分级⑶基本分级依据：围岩主要工工程地质条件，由由两条组成：①岩石坚硬程度软硬岩分界指标：：30MpaRb>30硬岩5<Rb≤30软岩Rb<5极软岩②围岩完整程度指标1：结构面发育程度度指标2：地质构造影响程程度由此两指标，将岩岩体完整程度分为为5个级别，见下表：：第4章隧道围岩分级级与围岩压力岩体完整程度的划划分完整程度结构面发育程度地质构造影响程度完整不发育轻微较完整较发育、不发育较重、轻微较破碎发育、较发育严重破碎极发育、发育极严重、严重极破碎极发育极严重围岩受地质构造影影响程度等级划分分围岩节理（裂隙））发育程度划分等级地质构造作用特征轻微围岩地质构造变动小，无断裂（层）；层状岩体一般呈单斜构造；节理不发育较重围岩地质构造变动较大；位于断裂（层）或褶曲轴的邻近地段；可有小断层，节理较发育严重围岩地质构造变动较强烈，位于褶曲轴部或断裂影响带内；软岩多见扭曲及拖拉现象；节理发育很严重位于断裂（层）破碎带内；节理很发育；岩体呈碎石、角砾状，有的呈粉末泥土状等级地质构造作用特征节理不发育节理（裂隙）1-2组，规则，为原生型或构造型，多数的间距在1.0m以上，为密闭型。岩体被切割成块状节理较发育节理（裂隙）2-3组，呈x型，较规则，以构造型为主，多数的间距大于0.4m，多为密闭。部分微张开，少有填充物。岩体被切割成大块状节理发育节理（裂隙）3组以上，不规则，呈x型或米字型，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.4m，大部分微张开，部分张开，大部分为粘性土填充。岩体被切割成块、碎石状节理很发育节理（裂隙）3组以上，杂乱，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.2m，微张开或张开，部分为粘土充填。岩体被切割成碎石状(4)铁路隧道围岩分级级表基本分级+围岩弹性纵波速度度=铁路隧道围岩分级级表见教材P82-83。⑸特点◆给出了单线隧道道围岩开挖后的稳稳定状态。◆尚未考虑地下水水和地应力。⑹修正分级◆地下水地下水的3种处理方法：①分级时按无水考考虑，而是根据地地下水的状态，适适当降低围岩等级级(1～2级)；②分级时按有水考考虑，当确认围岩岩无水则提高围岩岩等级；③直接将地下水状状况(水质、水量、流通通条件、静水压力力等)作为一个分级指标标。铁路隧道分级按第第1种方法处理：地下水影响的修正正地下水状态的分级级表级别状态渗水量[L/(min·10m)]Ⅰ干燥或湿润<10Ⅱ偶有渗水10~25Ⅲ经常渗水25~125

围岩基本分类地下水状态分级ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ—ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ—ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ—◆初始地应力初始地应力状态主要现象评估基准（Rc/σmax）极高应力1.硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差<42.软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞高应力1.硬质岩:开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂纹较多，成洞性较差4-72.软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移极显著，持续时间长，成洞性差初始地应力影响的的修正围岩基本分级修正级别初始地应力状态ⅠⅡⅢⅣⅤ极高应力ⅠⅡⅢ或ⅣⅤⅥ高应力ⅠⅡⅢⅣ或ⅤⅥ两点说明：设计阶段：采用修正后的围岩岩分级。施工阶段：根据实际情况，进进一步判定围岩分分级，依据仍然是是：岩石坚硬程度围岩完整状态地下水初始地应力2.公路隧道⑴初步分级～相当于于铁路的基本分级级依据：围岩主要定定性特征该特征由两两个基本因因素组成：：●岩石坚硬硬程度Rc(即强度)●岩体完整性性Kv(即弹性波速速)推出围岩基本质质量指标BQ=90+3Rc+250Kv⑵详细分级～～相当于铁铁路的修正正分级修正BQ值：当有以以下3方面影响时时，应予修修正：①地下水K1②软弱结构面面(比铁路多此此条)K2③高初始地应应力K3[BQ]=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3)K1～K3各值可查公公路隧道规规范附录A.0.2-1～A.0.2-3公路围岩分分级表：参数：①围岩主要要定性特征征②BQ值，或[BQ]值(当需要修正正时)第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力(六)问题及研究究方向1.问题指标定性的的多、定量量的少。如如何做到准准确、方便便、好用？？2.研究⑴发展物探探手段，增增加定量指指标。⑵发展分析析理论模糊数学～～围岩分级级；隧道位移～～围岩分级级；人工智能专专家系统～～围岩分级级等。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原岩毛洞稳定洞室开挖支护第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)围岩压力围岩压力地层对洞室室的作用力力广义：包括括有、无支支护时的压压力狭义：仅指指对支护的的压力第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。。4.4.3围岩松动压压力的形成成和确定方方法第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力自然拱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第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力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）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围岩级别Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布压力0＜0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q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。图4-7围岩竖向松松动压力的的分布图形形第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力统计法公式式仅针对图图中第一种种情况。(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。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力前述自然拱拱概念最早早由普氏提提出：图4-8自然拱的两两种形态①坚硬岩体:②松散破碎岩岩体：式中为为隧道净净跨度的一一半；为为隧道净净高度。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力一般来说，，普氏理论论比较适用用于松散、、破碎的围围岩中。(3)泰沙基理论论理论：散粒粒体理论。。第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力◆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，为为恒恒值：⑵取侧压压力系数k=1，则则有：⑶与普氏法法对照，能能发现什么么？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第4章隧道围围岩分级与与围岩压力力Hp＝（2～2.5）hqI一III级围岩取:Hp＝2hqIV～VI级围岩取:Hp＝2.5hqH≥Hp时为深埋H＜Hp时为浅埋H为覆盖层厚厚度(2)浅埋隧道围围岩松动压压力的确定定方法①土柱法要点：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