专题一围岩分级与围岩压力课件

二〇一五年五月专题一围岩分级与围岩压力主讲人：左清军、汪洪星Surroundingrockclassificationandpressure二〇一五年五月专题一围岩分级与围岩压力主讲人：左清军、汪1专题一围岩分级与围岩压力学习目标：掌握围岩的基本概念及工程性质；理解隧道围岩稳定性的影响因素；了解隧道围岩分级时考虑的因素；了解围岩压力的类型及松动围岩压力的确定方法。专题一围岩分级与围岩压力学习目标：2专题一围岩分级与围岩压力围岩的概念与工程性质1围岩稳定性2围岩分级3围岩压力4专题一围岩分级与围岩压力围岩的概念与工程性质1围岩稳定31、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力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；6～10R01、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.41、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.1围岩的概念Longitudinalsectionsofheading1、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.51、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.1围岩的概念1、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.61、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.2围岩的工程性质工程性质水理：吸水性、软化性、膨胀性、崩解性、抗冻性、透水性力学：变形性质、强度性质物理：密度、孔隙性1、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.71、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.2围岩的工程性质岩石与岩体的区别：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、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.81、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.2围岩的工程性质（1）岩体的变形特性受拉、受压、剪切、流变问题：岩体能受拉吗？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1、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.291、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.2围岩的工程性质剪切变形

(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1、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.101、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.2围岩的工程性质流变特性●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？岩体流变曲线1、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.111、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.2围岩的工程性质（2）岩体强度岩石强度：通过试件（室内试验、现场试验）获得。岩体强度：低于岩石强度，约为岩石强度的70～80％。1、围岩的概念与工程性质专题一围岩分级与围岩压力1.122、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.1研究围岩稳定性的意义围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定性。问题：什么是隧道工程的头等大事？研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定？2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.1研究132、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.1研究围岩稳定性的意义围岩级别的工程作用：①判断围岩稳定性。②判断施工难易程度，投资依据。③结构分析计算的依据。2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.1研142、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影响围岩稳定性的因素（1）地质因素岩体结构特征结构面性质和空间的组合岩石的力学性质地下水的影响围岩的初始应力状态2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影152、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影响围岩稳定性的因素（1）地质因素岩体结构特征指岩体的破碎程度或完整状态。●破碎程度：裂隙率、裂隙间距。裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。●完整状态：整块状、大块状等。2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影162、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影响围岩稳定性的因素（1）地质因素岩体结构特征围岩岩体土体整体状大块状块石状碎石状土石状松散状松软状d>1.0md=0.4～1.0md=0.2～0.4md<0.2m2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影172、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影响围岩稳定性的因素（1）地质因素结构面性质和空间组合●

性质结构面的成因；结构面的光滑程度；结构面的物质组成；结构面的规模与方向性；结构面的密度与组数。●空间组合指结构面的相互位置状态。问题：软弱结构面有怎样的害处？什么是不利空间组合？2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影182、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影响围岩稳定性的因素（1）地质因素层面裂隙面临空面2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影192、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影响围岩稳定性的因素（1）地质因素岩石的力学性质

主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度。问题：岩石强度越高，隧道越稳定？2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影202、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影响围岩稳定性的因素（1）地质因素围岩的初始应力状态（初始应力场）

初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。

在高的初始应力场条件下，围岩级别应适当降低。2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影212、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影响围岩稳定性的因素（1）地质因素地下水的影响

软化围岩；减少层间摩阻力促使岩块滑动；具有膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀；地下水压力（静水压力、动水压力）。2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影222、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影响围岩稳定性的因素（2）人为因素隧道形状和尺寸支护结构类型施工方法超挖2、围岩的稳定性专题一围岩分级与围岩压力2.2影233、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.1概述隧道所处的地质环境千差万别隧道工程遇到的问题多种多样针对每一种特定情况没有现成的经验和行之有效的处理方法各种围岩的物理力学性质存在一定的联系和规律根据一个或几个主要指标将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别（将稳定性相似的一些围岩划归为一类）有必要3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.1概述隧道243、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.1概述围岩分级的工程目的：结构设计依据施工方法依据工程造价依据3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.1概述围岩253、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法3个基本因素：岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等。地质构造：岩体完整性或结构状态。地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。1个附加因素：初始地应力：适当考虑。3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级263、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(1)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法以岩石强度为基础的分级法代表：土石分类法——坚石、次坚石、松石、土。以岩石物性指标为基础的分级法代表：岩石坚固性系数（f值）分级法——普氏法f值：一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等。核心还是岩石强度。

3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级273、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(2)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法泰沙基法——考虑围岩的完整状态和岩性，共9级。

我国交通隧道围岩分级法——借鉴了泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6级。《铁路隧道设计规范》（1975、1986）3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级283、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(3)与地质勘探手段相联系的分级方法弹性波速分级法——波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标，波速越高，围岩越好。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、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级293、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(3)与地质勘探手段相联系的分级方法以岩石质量为指标的分类方法——RQD方法岩石质量指标（RQD）岩芯采取率，单位长度的钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例RQD=10cm以上岩芯累积长度单位钻孔长度×100%3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级303、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(3)与地质勘探手段相联系的分级方法以岩石质量为指标的分类方法——RQD方法R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5R<0.25优良好差很差RQDComparedtoRockQuality3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级313、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(4)组合多种因素的分级方法“岩体质量—Q”分级法：挪威地质学家巴顿提出。组合了6个参数：岩石质量指标(RQD)、节理组数目(Jh)、节理粗糙度(Jr)、节理蚀变值(Ja)、节理含水折减系数(Jw)、应力折减系数(SRF)。岩块尺寸抗剪强度作用应力3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级323、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(4)组合多种因素的分级方法“岩体质量—Q”分级法：挪威地质学家巴顿提出。Jh（节理组数目）岩体越破碎，Jh值越大：整体上没有或很少有节理的岩体，Jh=0.5～1.0；两个节理组时Jh=4；破碎岩体、类似土的Jh=20Jr（节理粗糙度）节理越光滑，Jr值越小：不连续节理Jr=4；平整光滑节理Jr=0.5Ja（节理蚀变值）蚀变越严重，Ja值越大：节理面紧密结合，夹有坚硬不软化的充填物时，Ja=0.75；节理中夹有膨胀性黏土，如蒙脱土时，Ja=8～12等。Jw（节理含水折减系数）节理渗水量越大，水压越高，Jw值越小：干燥或微量渗水，水压<0.1MPa，Jw=1.0；渗水量特别大，或水压特别高，持续无明显衰减的Jw=0.1～0.05。SRF（应力折减系数）围岩初始应力越高，SRF取值越大：脆性而坚硬的岩石，有严重岩爆现象时，SRF=10～20；坚硬岩石有单一剪切带的，SRF=2.5。3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级333、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(4)组合多种因素的分级方法“岩体质量—Q”分级法：挪威地质学家巴顿提出。Q400~1000100~40040~10010~404~101~40.1~10.01~0.10.001~0.01岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q值与岩体质量的对应关系3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级343、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(5)我国公路与铁路隧道的围岩分级方法沿革岩体综合分类：60年代，成昆线，五类。隧道围岩分类：74年版，首部铁路隧道规范，六类。隧道围岩分类：86年版，加入围岩弹性波速指标。隧道围岩分级：99年版，采用国标分级排序，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。3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级353、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(5)我国公路与铁路隧道的围岩分级方法以围岩稳定性为基础的分级方法属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法。主要考虑4种因素：岩石坚硬程度围岩完整状态地下水围岩初始地应力

基本分级修正分级基本分级修正基本分级最终分级3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级363、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(5)我国公路与铁路隧道的围岩分级方法基本分级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：结构面发育程度指标2：地质构造影响程度岩体完整程度分为5个级别3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级373、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(5)我国公路与铁路隧道的围岩分级方法基本分级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3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级38专题一围岩分级与围岩压力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围岩受地质构造影响程度等级划分围岩节理（裂隙）发育程度划分专题一围岩分级与围岩压力等级地质构造作用特征轻微围岩地质393、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(5)我国公路与铁路隧道的围岩分级方法修正分级①地下水地下水的3种处理方法：分级时按无水考虑，实际情况下根据地下水的状态，适当降低围岩等级（1～2级）；分级时按有水考虑，实际情况下当确认围岩无水则提高围岩等级；直接将地下水状况（水质、水量、流通条件、静水压力等）作为一个分级指标。3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级403、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(5)我国公路与铁路隧道的围岩分级方法级别状态渗水量[L/(min·10m)]Ⅰ干燥或湿润<10Ⅱ偶有渗水10~25Ⅲ经常渗水25~125围岩基本分级地下水状态分级ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ—ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ—ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ—地下水分级表考虑地下水修正围岩分级3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级413、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(5)我国公路与铁路隧道的围岩分级方法修正分级①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3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级423、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(5)我国公路与铁路隧道的围岩分级方法修正分级①地应力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考虑地应力修正围岩分级3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级433、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(5)我国公路与铁路隧道的围岩分级方法交通隧道围岩分级表3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级443、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级方法(6)围岩分级存在的问题及发展方向问题：指标定性的多、定量的少。如何做到准确、方便、好用？发展方向：发展物探等地质勘探手段，增加定量指标。发展分析理论：

模糊数学～围岩分级；隧道位移～围岩分级；人工智能专家系统～围岩分级。3、围岩分级专题一围岩分级与围岩压力3.2围岩分级454、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.1定义围岩压力地层对洞室的作用力广义：包括有、无支护时的压力狭义：仅指围岩作用在支护结构上的压力4、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.1定义围岩464、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.2围岩压力分类（1）松动压力——由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力。在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；在松散软弱的岩体中，拱顶或两侧边帮冒落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。4、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.2围岩压力474、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.2围岩压力分类形变压力——由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。与围岩应力状态、支护时间、支护刚度有关。问题：松动压力和形变压力在性质上有何不同？4、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.2围岩压力484、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.2围岩压力分类膨胀压力——当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。膨胀性岩体（富含蒙脱石、高岭石、伊利石等粘土矿物的岩石，如泥岩、泥灰岩、页岩、片岩、板岩等）冲击压力——当围岩中积累了大量的弹性变形能之后，在开挖时，隧道由于的围岩的约束被解除，被积累的弹性变形能会突然释放，引起岩块抛射所产生的压力。落石（明洞）、塌方、岩爆。4、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.2围岩压力494、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.3影响围岩压力的因素（1）地质因素岩体初始应力状态岩石力学性质岩体结构面地下水（2）工程因素施工方法支护设置时间支护本身刚度隧道断面形状4、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.3影响围岩504、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.4围岩松动压力的形成和确定方法（1）围岩松动压力的形成自然拱的概念：围岩的变形不能得到有效的控制，当变形超过一定限度后，围岩发生松动、坍落，最终在洞室上方形成拱形。变形阶段松动阶段塌落阶段成拱阶段自然拱4、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.4围岩松动514、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.4围岩松动压力的形成和确定方法（2）围岩松动压力的确定方法直接量测法理论估算法统计法（经验法、工程类比法）4、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.4围岩松动524、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.4围岩松动压力的形成和确定方法统计法—我国《铁路隧道设计规范》所推荐的方法式中：γ—围岩容重；

s—围岩级别;

w—宽度影响系数，由w=1+i（B-5）计算，其中B

为坑道宽度，i的取值：以B=5m为基准，B每增减1m时围岩压力的增减率，当B<5m时，取i=0.2，B>5m时，取i=0.1。竖向均布松动压力深埋隧道围岩松动压力的确定方法4、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.4围岩松动534、围岩压力专题一围岩分级与围岩压力4.4围岩松动压力的形成和确定方法围岩级别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围岩水平均布松动压力统计法公