隧道稳定性分析

8.1工程岩体分类8.2隧道围岩应力场8.3隧道围岩流变分析第八章隧道稳定性分析岩体(或地层)作为地质介质，岩性差别很大，在形成过程和长期地质历史过程中，形成了不同的结构形式和各种规模的非连续面，所以岩体种类繁多，结构复杂，对于不同的岩体工程而言，对岩体结构稳定的要求和注重的力学属性也各有侧重。这样工程岩体分类也就十分必要。工程岩体分类的目的就在于，对工程岩体质量的优劣给予明确的区分和定性的评价，为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。工程岩体分类，必须考虑如下几个方面的因素：①要明确分类应用目的，根据工程需要侧重哪些参数，划分多少等级。②分类级数要恰当，以级别划分明确方便和工程应用的必要性为依据。③分类有定量标准，最好是综合考虑各种相关因素，能够合理确定各种因素的权重。8.1

工程岩体分类8.1工程岩体分类工程岩体分类，所依据的岩体力学参数与岩体结构参数主要有：岩石的强度、岩层的结构、岩体结构面的分布、岩石风化程度、地下水的作用、地应力大小和工程规模等因素。工程岩体分类，目前国外和国内各行业共有几十种，现将与矿山岩体工程相关的几种工程岩体分类介绍如下。8.1工程岩体分类一、我国工程岩体分级标准我国工程岩体分级具体分三步进行。首先，根据岩石的单轴抗压强度值Rc和岩体的节理裂隙发育状况，确定岩体的基本质量；然后求出岩体基本质量指标值并进行分级；最后考虑地下水软弱结构面和初始地应力状态的影响，对岩体基本质量指标予以修正。

1.确定岩体基本质量

岩石坚硬程度采用岩石单轴饱和抗压强度Rc

。当无条件取得Rc时，亦可实测岩石的点荷载强度指数I5（50）进行换算，I5（50）指直径50mm圆柱形试件径向加压时的点荷载强度,Rc与I5（50）的换算关系见下式

(8-1)8.1工程岩体分类Rc与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系

岩体完整性指数(Kv)可用弹性波测试方法确定：

(8-2)式中

Vpm──岩体弹性纵波速度(km/s)；

Vpr──岩石弹性纵波速度(km/s)。当现场缺乏弹性波测试条件时，可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，根据统计结果计算岩体体积节理数Jv(条/m3)；

(8-3)8.1工程岩体分类式中Sn──第n组节理每米长测线上的条数；

Sk──每立方米岩体非成组节理条数。Jv

与Kv对照表Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系8.1工程岩体分类2.岩体基本质量分级(1)岩体基本质量指标()按下式计算：

(8-4)式中──岩体基本质量指标；

Rc──岩石单轴饱和抗压强度的兆帕数值；

Kv──岩体完整性指数值。注意，使用本式时，应遵守下列限制条件：①当Rc＞90Kv+30时，以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值；②当Kv＞0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值.8.1工程岩体分类(2)按计算所得的值，进行岩体基本质量分级。岩体基本质量分级

3.结合工程情况，计算岩体基本质量指标修正值［BQ］并仍按表列的指标值确定本工程的工程岩体级别。岩体基本质量指标修正值［BQ］可按下式计算：

(8-5)式中［BQ］──岩体基本质量指标修正值；──岩体基本质量指标；

K1──地下水影响修正系数；

K2──主要软弱结构面产状影响修正系数；

K3──初始应力状态影响修正系数。

K1、

K2、K3

值，可分别按下表确定。无表中所列情况时，修正系数取零。［BQ］出现负值时，应按特殊问题处理。8.1工程岩体分类8.1

工程岩体分类地下水影响修正系数K1

主要软弱结构面产状影响修正系数K1

8.1

工程岩体分类初始应力状态影响修正系数K3

中华人民共和国国家标准

GB50218----94

《工程岩体分级标准》8.1工程岩体分类二、岩石质量指标RQD(RockQualityDesignation)分类

RQD是以修正的岩芯采取率来确定的。岩芯采取率就是采取岩芯总长度与钻孔长度之比。而RQD，即修正的岩芯采取率是选用坚固完整的、其长度等于或大于10cm的岩芯总长度与钻孔长度之比，并用百分数表示(美国Deere1963)，即

l≥10cm(8-6)式中l──长度大于10cm的岩芯单节长，

L──同一岩层中的钻孔长度。工程实践说明，RQD是一种比岩芯采取率更好的指标。根据它与岩石质量之间的关系，可按RQD值的大小来描述岩石的质量。8.1工程岩体分类按RQD大小的岩石工程分级

三、前苏联巴库地铁工程岩土分类按岩层稳定性分类

8.1工程岩体分类四、中国科学院地质所以弹性波(纵波)速度为标准的工程岩体结构分类各类结构岩体中的弹性波传播特性

五、原煤炭工业部工程岩体分类

8.1工程岩体分类六、中国煤矿回采巷道围岩稳定性分类8.1工程岩体分类8.1工程岩体分类七、以隧道围岩松动圈大小为标准的隧道围岩稳定性分类

地下岩体处于原始地应力状态，除垂向地应力外，还有水平方向的地应力，主应力的方向由区域地应力场决定。在岩体开挖隧道(或峒室)后，会在隧道围岩内形成二次应力场，如何求解隧道应力场是本节讨论的核心内容。本节主要包括三个内容：当侧压系数为时，圆形隧道的围岩应力场和隧道围岩变形。采用的方法是弹性力学解析方法。8.2隧道围岩应力场

8.2隧道围岩应力场一、圆形隧道侧压系数为1时的围岩应力场所谓侧压系数是指隧道水平方向主应力与垂向主应力之此。圆形隧道围岩应力场的计算力学模型如图。λ＝1时的围岩应力计算图图(a)的远场应力边界条件为：

(8-7)对于图(b)有:(8-8)

由弹性力学理论，图(b)所示问题属厚壁圆筒弹性力学问题，其应力解为：

(8-9)

由于，故可令，式(8-9)变为：8.2隧道围岩应力场

(8-10)圆形隧道围岩应力沿轴分布情形，如图所示，图中的数值如表。由图中可见，切向正应力在孔边最大，沿x轴方向急剧减小，趋近于初始应力P。当时，切向正应力和初始应力P仅相差6%

，孔边最大应力集中系数K=2。8.2隧道围岩应力场λ＝1时的圆形隧道围岩应力分布图8.2隧道围岩应力场λ＝1时圆形隧道围岩应力r/ra8.2隧道围岩应力场二、圆形隧道侧压系数不等于1时的围岩应力场侧压系数不等于1，即垂向主应力和水平方向主应力不相等，如图a所这种应力状态可以分解围两种应力状态，即：第一种情形，在边界上承受均匀压力(图b)；第二种情形，在上下边界上承受均匀压力，而在左右边界上受均匀拉力(图c)。λ为任意值时围岩应力计算简图8.2隧道围岩应力场这里

(8-11)力学模型图b前面已讨论过，力学模型图c的弹性力学解为：

(8-12)8.2隧道围岩应力场将(8-11)中代入(8-10)式，求得力学模型图b的应力解为：

(8-13)

将式(8-6)和(8-7)叠加，并假定，即得到侧压系数为任意值时圆形隧道二次应力状态的计算公式：

8.2隧道围岩应力场

(8-14)式中──岩体的容重；

H──平均埋深；──侧压力系数；──极坐标；──圆形洞室的半径。8.2隧道围岩应力场我们用一实例说明侧压力系数为任意值时围岩应力分布。设岩体泊松，侧压力系数，按式(8-8)计算沿x、y轴的围岩应力。计算结果见下表，围岩应力分布如下图。λ=0.25时圆形隧道的围岩应力8.2隧道围岩应力场λ=0.25时圆形硐室围岩应力分布图8.2隧道围岩应力场三、圆形隧道的弹性变形根据弹性力学的物理方程，由公式(8-14)可以求出侧压系数λ≠1时的圆形隧道的弹性变形，其位移表达式为：（8-15a)(8-15b)8.2隧道围岩应力场边界位移可令(7-15)中r=a得到，

(8-16)

当侧压力系数λ=1时，式(7-15)变成，

(8-17)8.2隧道围岩应力场

侧压系数λ=1时的孔边界位移为:(8-18)

当侧压力系数λ=0时的边界位移，可由式(7—10)中令λ=0得到：

(8-19)8.3软岩隧道支护理论与技术对于软岩有不同的定义。一种是根据岩石的单轴抗压强度，把＜20MPa的岩层称为软岩；或者根据单轴抗压强度与垂向地应力的比值，即＜2的岩层称为软岩。再一种定义是“软弱岩层是指强度低、孔隙度差、胶结程度大、受结构面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层”。另一种定义为：软岩是指在隧道围岩压力的作用下能产生显著变形的工程岩体。软岩隧道围岩强度低，结构松软，易吸水膨胀，因而隧道围岩变形大，易发生底鼓，软岩隧道支护是隧道支护的难点和重点。8.3软岩隧道支护理论与技术一、软岩的工程力学特性软岩一般容重较低(20KN/m3左右)，孔隙率大(大于14%)，含水量高(大于19%)，单轴抗压强度低，弹模低，泊松比高，蠕变性强。软岩的工程力学特性还有两个重要特点，即吸水软化和膨胀。软岩亲水性强，遇水强度显著下降，有的岩石甚至碎裂、崩解。岩石干燥强度与饱水强度的此值称为软化系数。遇水膨胀是软岩的另一力学特性，这在软岩隧道变形中表现特别突出。软岩膨胀的内在因素是软岩中含有较多的蒙脱石矿物，此外，软岩的遇水膨胀与其微结构有关。软岩的软化系数我国部分矿区软弱岩层的膨胀参数

二、软岩的矿物成分与结构1.软岩的矿物成分软岩的矿物成分主要是粘土矿物，粘土矿物主要分为三大类，即高岭石(Kaolinte)、伊利石(lllite)和蒙脱石(Montmorillonite)。

8.3软岩隧道支护理论与技术主要粘土矿物的物理化学性质

8.3软岩隧道支护理论与技术2、粘土矿物的结构特征高岭石、伊利石、蒙脱石等粘土矿物属于层状或层-链状硅酸盐，有两种结构单元类型作为矿物结晶结构的基础：第一种是硅氧四面体，另一种是硅氧八面体。高岭石的结构层由一层四面体和一层八面体构成。这种结构具有刚性晶格，阳离子交换量很小，层间不能水化。其水化作用仅靠水分子和晶体外层表面的相互作用进行。它们的晶体结构沿厚度方向并不变化。蒙脱石和伊利石都是由两层四面体加一层八面体构成。蒙脱石构造的明显特征是水和其它极性分子极易进入晶层中，引起晶格沿厚度方向膨胀。蒙脱石具有很大的阳离子交换能力，它具有很高的亲水性，遇水泥化、膨胀，强度大大降低。伊利石晶层中间的平衡阳离子主要是，它的单位晶层比较固定，水和极性分子不易进入层间以致引起膨胀。所以，蒙脱石是对软弱岩层隧道稳定性危害最大的粘土矿物，是引起底鼓的重要物理原因。3、粘土类软岩矿物成分X射线衍射测试使用XRD型X射线衍射仪测试了岩石矿物成分；X－射线衍射实验测试的目的是：了解岩石的矿物成分，特别是粘土矿物的含量，以此分析判断岩石的阻隔水性能。X射线衍射测试表明：粘土矿物含量一般20％～60％，最高达72.7％，平均为42.7%。在粘土矿物中，蒙脱石一般占60％～90％。蒙脱石矿物含量高，是泥岩膨胀性能强的内在因素。钙质泥岩（164.59m）

5690倍：片状粘土为蒙皂石和I/S混层，层间自生白云石晶体钙质泥岩（165.41m）

10000倍：粒表溶孔中白云石与硅质充填钙质泥岩（168.23m）4280倍：粒表片絮状蒙皂石和I/S混层灰褐色泥岩（198m）

2240倍：粘土间石英和白云石晶体灰褐色泥岩（202m）

6380倍：粘土间自生白云石晶体灰褐色泥岩（202.51m）

2500倍：长石淋滤,粒间片丝状I/S混层灰褐色泥岩（203.01m）

4470倍：层间片状蒙皂石深灰微绿色泥岩（213.8m）

4010倍：层间粘土为I/S混层和蒙皂石，深灰绿色泥灰岩（227.8m）

5350倍：粘土间钠长石及白云石及白云石晶体深灰绿色泥灰岩（232.4m）

4050倍：层间片状I/S混层，蒙皂石8.3软岩隧道支护理论与技术三、软岩隧道支护

从上述理论分析和工程实践得出，软岩支护应遵循“以柔克刚、缓冲让压、稳定支护”的基本准则。支护的工艺特点是：

(1)控制爆破保护围岩。软岩井巷掘进必须采用浅眼小炮、光爆等控制爆破，多采用预留光面层的光面爆破；必要时采用风镐或手镐等人工成形掘进法。对特别松软破碎者可采用临时超前锚杆等前探支护手段或者采取注浆或化学加固等技术措施并尽量减小水的影响。以确保围岩强度与稳定性，减小爆震波的影响和开挖后重分布应力的扰动影响范围。

(2)及时采用柔性或可缩性的一次支护。软岩掘进后应尽早喷射薄层混凝土、封闭围岩，以防止吸水、潮解风化，进一步保护围岩。然