《隧道工程》（第二版）第四章-隧道衬砌结构计算方法

1隧道围岩分级2围岩压力的确定3影响围岩稳定性的因素第四章隧道围岩分级及围岩压力学习要求及重点难点内容及要求：了解隧道围岩分级,围岩压力的确定,影响围岩稳定性的因素。通过本章的学习,应了解隧道围岩分级的指标和影响围岩稳定性的因素,熟悉不同围岩分级的方法,掌握围岩压力的概念及其计算方法,以及不同条件下松动围岩压力的确定方法重点：隧道围岩分级指标及分级方法,影响围岩稳定性的因素。难点：作用在支护结构上围岩压力的确定。概述围岩：隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体,或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体。围岩分级：根据长期的工程实践,工程师们认识到各种围岩的物理性质之间存在一定的内在联系和规律,依照这些联和规律,可将围岩划分为若干级,这就是围岩分级。人们对于围岩的认识是不断深入的。土石方工程分类法（按开挖难易程度）岩石的坚固程度（如坚固系数f）RQD从围岩稳定性出发来分类代替之前多年沿用的坚固性为基础的分类隧道围岩分级4.14.1.1隧道围岩分级指标从国内外隧道围岩分级工作的研究进程来看,以围岩稳定性作为分级基础是一个大趋势,但分级指标的选择已经开始从经验判断、定性描述向定量分析发展。现今围岩分级大多以岩性指标为判别依据,主要考虑影响隧道围岩稳定性的因素或其他组合因素。可以归纳为单一的岩性指标(单一指标反映单一因素)、单一的综合岩性指标(单一指标反映综合因素)、复合指标(多指标反映综合因素)3大类。单一的岩性指标物理力学参数：岩石抗压、抗拉强度；弹性模量；泊松比。工程指标：岩石抗钻性；抗爆性。优点：试验简单、数据可靠。局限性：普适性不高，单一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面。单一的综合岩性指标

围岩类别IIIIIIIVVVI弹性波速/(Km.s-1)＞5.34.5~5.33.5~4.52.5~3.51.0~2.5＜1.0（饱和土＜1.5）单一的综合岩性指标（3）围岩的自稳时间围岩的自稳时间也被认为是综合岩性指标。隧道开挖后,围岩通常都有一段暂时稳定的时间,不同的地质环境中,自稳时间也不同。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7级:稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的单一综合岩性指标一般与地质勘察技术的水平有关,因此,其应用受到一定的限制复合指标

岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q400~1000100~40040~10010~404~101~40.1~10.001~0.10.001~0.01复合指标

类别IIIIIIIVV岩体描述很好的岩石好的岩石较好的岩石较差的岩石很差的岩石RMR值81~10061~8041~6021~400~20复合指标

基本质量级别IIIIIIIVV岩体基本质量的定性标准坚硬岩，岩体完整坚硬岩，岩体较完整；较硬岩体，岩体完整坚硬岩，岩体较破碎；较软岩，岩体完整坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎~破碎较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎~破碎基本质量指标BQ＞550550~451450~351350~251≤2504.1.2隧道围岩分级的方法在过去的200多年中,针对不同的工程类别和研究目的提出了数十种围岩分级的方法和理论,并在工程应用中进行了不断的改进和完善。总体而言,隧道围岩分级发展过程大体有以下几种分级方法:（1）以岩石强度为单一岩性指标的分级法岩石坚固系数f值分级法。优点：指标单一、使用方便。不足：不能全面地反映岩体固有的性态。（2）以岩体构造和岩性特征为代表的分级法太沙基分级法、铁路隧道围岩分级法。优点：考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况。不足：分级指标还缺乏定量描述,没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法。（3）与地质勘察手段相联系的分级法围岩弹性波速度进行分级方法、岩芯复原率分级法。优点：分级指标大体上是半定量的,同时考虑了多种因素的影响。不足：分级的判断还带有一定的主观性。4.1.2隧道围岩分级的方法（4）多种因素的组合分级法岩体质量Q法、BQ法、国防工程围岩分级法。这类方法是当前围岩分级法的发展方向,优点很多,只是部分定量指标仍需凭经验确定。（5）以工程对象为代表的分级法专门适用于喷锚支护的由原国家建委颁布的围岩分级法(1979年),苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法(1966年)等优点：目的明确,而且和支护尺寸直接挂钩,使用方便,能指导施工。不足：分级指标以定性描述为主,带有很大的人为因素。4.1.3我国公路隧道围岩分级1）公路隧道围岩分级的出发点①强调岩体的结构特征的完整性和稳定性,避免单一的岩石强度指标分级的方法。②分级指标应采用定性和定量指标相结合的方式。③明确工程目的和内容,并提出相应的措施。④分级应简明,便于使用。⑤应考虑吸收其他围岩分级的优点,并尽量和我国其他工程分级一致。4.1.3我国公路隧道围岩分级2）分级需考虑的指标和因素（1）岩体的结构特性与完整性（2）岩石强度（3）围岩基本质量指标BQ（4）地下水等影响因素4.1.3我国公路隧道围岩分级围岩级别围岩岩体或土体主要定性特征围岩基本质量指标BQ或岩体修正质量指标【BQ】I坚硬岩,岩体完整＞550II坚硬岩,岩体较完整;较坚硬岩,岩体完整550~451III较坚硬岩,岩体较完整;较软岩,岩体完整,整体状或巨厚层状结构450~351IV坚硬岩,岩体破碎;较坚硬岩,岩体较破碎~破碎;较软岩,岩体较完整~较破碎;软岩,岩体完整~较完整350~251压密或成岩作用的黏性土及砂性土;黄土(Q1,Q2);一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土V较软岩,岩体破碎;软岩,岩体较破碎~破碎;全部极软岩和全部极破碎岩≤250一般第四系的半干硬至硬塑的黏性土及稍湿至潮湿的碎石土、卵石土、圆砾、角砾土及黄土(Q3、Q4)。非黏性土呈松散结构,黏性土及黄土呈松软结构VI软塑状黏性土潮湿、饱和粉细砂层、软土等4.1.3我国公路隧道围岩分级4）隧道施工围岩分级4.1.3我国公路隧道围岩分级在上述3项因素中,最困难的是围岩完整性程度的评定,因此研究的重点是如何根据掌子面的地质数据评价围岩的完整程度。4.1.4我国铁路隧道围岩分级2016年颁布实施的最新《铁路隧道设计规范》(TB10003—2016)的围岩分级方法是在1975年铁路隧道围岩稳定性分类法以及85年版、2001年版和2005年版规范基础上提出的,并与《工程岩体分级标准》(GB/T50218—2014)接轨。该规范考虑了岩石的坚硬程度和岩体的完整性,结合了地下水和地应力状态的修正因素进行围岩分级,分为Ⅰ—Ⅵ级,围岩稳定性由好到差,与公路隧道围岩分级类似。为了提高和强化围岩定量分级,铁路建设者开展了大量的科学研究和测试试验工作,通过对围岩基本质量指标BQ和不同岩性围岩弹性波速范围的细化,提出了围岩亚级的概念,分别将Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩各划分为2个亚级,各亚级对应的指标组合情况即为亚级划分标准。4.1.5围岩物理力学参数各级围岩的物理力学参数,是岩体和结构面固有的物理力学性质,从量上反映了岩体和结构面的基本属性。围岩级别容重γ/(kN·m-3)弹性抗力系数k

/(MPa·m-1)变形模量E/GPa泊松比μ内摩擦角φ/(°)黏聚力C/MPa计算摩擦角φ/(°)I>26.51800~2800>33＜0.2＞60＞2.1＞78II1200~180020~330.2~0.2550~601.5~2.170~78III26.5~24.5500~12006~200.25~0.339~500.7~1.560~70IV24.5~55.5200~5001.3~60.3~0.3527~390.2~0.750~60V17~22.5100~200＜1.30.35~0.4520~270.05~0.240~50VI15~17＜100＜10.4~0.5＜20＜0.230~404.1.5围岩物理力学参数岩体结构面抗剪断峰值强度序号两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度内摩擦角φ/(°)黏聚力C/MPa1坚硬岩,结合好＞37＞0.222坚硬~较坚硬岩,结合一般;较软岩,结合好37~290.22~0.123坚硬~较坚硬岩,结合差;较软岩~软岩,结合一般29~190.12~0.085较坚硬~较软岩,结合差~结合很差;软岩,结合差;软质岩的泥化面19~130.08~0.056较坚硬岩及全部软质岩,结合很差;软质岩泥化层本＜13＜0.05围岩压力的确定4.24.2.1围岩松动压力的形成变形阶段松动阶段坍塌阶段成拱阶段作用在支护结构上的围岩松动压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力4.2.2围岩压力的计算方法围岩压力值是进行隧道设计和稳定性研究的重要依据,围岩压力的确定目前常用列3种方法:（1）直接量测法（2）经验法或工程类比法（3）理论估算法在理论计算方法中,考虑几个主要因素,使其结果相对地接近实际围岩压力的情况,是目前隧道工程设计中采用较多的方法4.2.2围岩压力的计算方法4.2.2围岩压力的计算方法4.2.3深埋隧道围岩压力的确定

隧道宽度B/mB＜55≤B＜1414≤B＜25围岩压力增减率i0.20.1考虑施工过程分导洞开挖0.07上下台阶或一次性开挖0.124.2.3深埋隧道围岩压力的确定围岩压力分部特征图4.2.4浅埋隧道围岩压力的确定

4.2.4浅埋隧道围岩压力的确定

4.2.4浅埋隧道围岩压力的确定（2）埋深大于hq，小于等于Hp时假定土体中形成的破裂面是一条与水平成β角的斜直线,

EFHG岩(土)体下沉,带动两侧三棱土体(如图中FDB及ECA)下沉,整个土体ABDC下沉时,又要受到未扰动岩(土)体的阻力;斜直线AC或BD是假定的破裂面4.2.4浅埋隧道围岩压力的确定

4.2.4浅埋隧道围岩压力的确定

4.2.4浅埋隧道围岩压力的确定

浅埋隧道换算均布荷载4.2.4浅埋隧道围岩压力的确定换算为作用在支护结构上的均布荷载浅埋隧道换算均布荷载

4.2.5偏压隧道围岩压力的确定偏压隧道一般是指承受显著偏压荷载(不对称压力)的隧道。偏压隧道围岩压力的计算应按其产生偏压的原因分别考虑。1）由地形引起偏压的计算方法当隧道外侧拱肩至地表面的垂直距离t小于下表时，一般按偏压隧道围岩压力公式计算。围岩级别地面横坡1:m示意图1:11:1.51:21:2.5IV石544土10865.5V181612104.2.5偏压隧道围岩压力的确定傍山浅埋隧道施工时,因支撑或衬砌下沉,以及超挖、回填不实等原因,引起洞身上部围岩的下沉及隧道两侧地表开裂,在岩体内形成两个非对称的滑动面。假定隧道施工时,洞顶土柱W1发生下沉,因而带动两侧三棱体W2及W3下沉,土体沿AD及BC出现破裂面,两侧三棱体ADE及BCF受到洞顶土柱的推力。反过来,它作用于土柱DE、FC的摩阻力为T及T‘,如右图。4.2.5偏压隧道围岩压力的确定

4.2.5偏压隧道围岩压力的确定

4.2.5偏压隧道围岩压力的确定

4.2.5偏压隧道围岩压力的确定1）由地质构造引起偏压的验算①必须查明围岩可能产生偏压的被割裂或松动的范围大小。②尽量取得控制弱面的强度计算指标,如c、φ值等。当弱面的c、φ值不能通过强度试验取得时,可结合弱面的性质、充填情况、地下水影响用工程类比法选用。③当为块体运动时,可近似地按岩块刚体平衡的方法计算。当一部分为软层、另一部分为硬层时可分别取用不同的指标计算。如图所示,岩体受两个软弱面及一组不利节理所割切,而形成块体构造偏压。4.2.5偏压隧道围岩压力的确定当岩块abcd下滑时,在ab面上有一定的阻力,不计cd面的阻力,这样作用在衬砌上的偏压力Qp等于:4.2.6明挖浅埋隧道围岩压力的确定

4.2.6明挖浅埋隧道围岩压力的确定

4.2.6明挖浅埋隧道围岩压力的确定

4.2.6明挖浅埋隧道围岩压力的确定（3）边墙回填土石侧压力4.2.6明挖浅埋隧道围岩压力的确定①填土坡面向上倾斜：4.2.6明挖浅埋隧道围岩压力的确定

4.2.6明挖浅埋隧道围岩压力的确定③填土坡面水平时：影响围岩稳定性的因素4.34.3.1地层因素的影响1）岩土体结构状态岩土体结构是长时间地质运动的产物,在地质因素的影响中起着主要作用。围岩的结构状态通常用其破碎程度或完整状态来表示。实践指出,在相同岩性的条件下