地下工程-分类、围岩压力

第四章地下工程第四章地下工程第1节概述第2节围岩应力分布第3节围岩变形破坏第4节围岩分类第5节围岩压力第6节围岩稳定性评价第7节地下工程地质超前预报第4节围岩分类根据岩体工程地质特征，考虑支护及施工方法，将分类归为(国内外公开发表的围岩分级（类）方法近百种)：一、洞室围岩质量分级稳定性分析的基础，意义--洞室设计和施工的依据二、洞室围岩分类三、岩体地质力学分类（RMR分类）四、巴顿岩体质量（Ｑ）分类国标«工程岩体分级标准»(GB50218-94,1995)提出按岩体基本质量指标BQ进行分级。两个定义：岩体工程：以岩体为工程建筑物地基及环境，并对岩体进行开挖或加固的工程，包括地下工程和地面工程。工程岩体：岩体工程影响范围内的岩体，包括地下工程围岩、工业与民用建筑地基、大坝基岩、边坡岩体等。一、洞室围岩质量分级：分级方法岩体基本质量由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。应采用定性划分和定量指标两种方法确定。岩石坚硬程度定性划分：锤击、浸水、岩石风化特征观察。岩体完整程度定性划分：结构面发育程度（组数、平均间距）、主要结构面的结合程度、主要结构面类型和岩体结构类型。岩石坚硬程度的定量指标：岩石单轴饱和抗压强度。岩体完整程度定量指标：岩体完整性指数、岩体体积节理数岩体基本质量级别的确定岩体基本质量分级，应根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标（BQ）两者相结合确定。BQ的表达式为：σc-岩石饱和单轴抗压强度；Kv-岩体完整性系数。应用时，当时，以和Kv

代入上式计算BQ值；当时，以和σc

代入计算BQ值。一、洞室围岩质量分级：式中：Vpm-岩体纵波速度；vpr-岩块纵波速度。无波速资料，可用岩体体积节理数（单位岩体体积内结构面条数）Jv查表求Kv值。Kv用声波试验资料按下式确定：一、洞室围岩质量分级：用岩体体积节理数Jv查表求Kv值。Jv（条/m3)<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15岩体的基本质量指标主要考虑了围岩质量分级表组成岩体的岩石坚硬程度依据BQ值和岩体质量定性特征将岩体划分为5级。岩体完整性级别岩体基本质量的定性特征岩体质量指标BQⅠ坚硬岩（σc>60MPa），岩体完整（Kv>0.75）。>550Ⅱ坚硬岩（σc>60MPa），岩体较完整（Kv=0.75~0.55）；较坚硬岩（σc=60~30MPa），岩体完整（Kv>0.75）。550~451Ⅲ坚硬岩（σc>60MPa），岩体较破碎（Kv>0.55~0.35）；较坚硬岩（σc=60~30MPa）或软硬互层，岩体较完整（Kv=0.75~0.55）；较软岩（σc=30~15MPa），岩体完整（Kv>0.75）。450~351Ⅳ坚硬岩（σc>60MPa），岩体破碎（Kv=0.35~0.15）；较坚硬岩（σc=60~30MPa）或软硬互层，岩体较完整（Kv=0.75~0.55）；较软岩（σc=30~15MPa）或软硬互层，软岩为主，岩体较完整至较破碎（Kv=0.75~0.35）；软岩（σc=15~5MPa）岩体完整至较完整（Kv=0.75~0.55）。350~251Ⅴ较软岩（σc=30~15MPa），岩体破碎（Kv=0.55~0.35）；软岩（σc=15~5MPa）岩体较破碎至破碎（Kv=0.55~0.15）；全部极软岩（σc<5MPa）及全部极破碎岩（Kv<0.15）。≤250式中：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-天然应力影响修正系数。岩体基本质量指标修正值[BQ]当围岩处于高天然应力区有不利于稳定的软弱结构面存在地下水岩体的基本质量指标应进行修正工程岩体级别的确定--在岩体基本质量分级基础上，结合工程特点，考虑地下水状态、初始地应力状态、工程轴线与主要软弱结构面产状的关系等必要的修正因素确定。岩体质量指标关于天然应力影响修正系数K3

极高应力—σc/σmax<4，高应力—σc/σmax=4~7。0.5~1.00.5~1.00.50.50.5高应力区1.01.0~1.51.0~1.51.01.0极高应力区<250350~251450~351550~451>550

K3

天然应力状态BQ天然应力软弱结构面地下水的修正0.2~0.40~0.20.4~0.6K2其他组合结构面走向与洞轴线夹角α＞60°，倾角β＞75°结构面走向与洞轴线夹角α＜30°，倾角β=30~75°结构面产状及其与洞轴线的组合关系主要软弱结构面产状影响修正系数K2地下水影响修正系数K11.00.7~0.90.4~0.60.2淋雨状或涌流状出水，水压>0.1或单位出水量>100.7~0.90.4~0.60.2~0.30.1淋雨状或涌流状出水，水压≤0.1或单位出水量<100.4~0.60.2~0.30.10潮湿或点滴状出水<250350~251450~351>450

K1BQ地下水出水状态水压单位-MPa；单位出水量：L/(min*m)地下工程岩体自稳能力岩体级别自稳能力Ⅰ跨度<20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方Ⅱ跨度10~20m，可基本稳定，局部掉块或小塌方；跨度<10m，可长期稳定，偶有掉块Ⅲ跨度10~20m，可稳定数日至1个月，可发生小至中塌方；跨度5~10m，可稳定数月，局部块体位移及小至中塌方；跨度<5m，可基本稳定。Ⅳ跨度>5m，一般无自稳能力，数日至数月可发生松动变形、小塌方，进而发展为中至大塌方。埋深小，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑流变形和挤压破坏；跨度<5m时，可稳定数日至1个月Ⅴ无自稳能力根据修正值[BQ]的岩体分级可评价围岩自稳能力。第4节围岩分类岩体结构、二、洞室围岩分类国标«锚杆喷射混凝土支护技术规范»中提出的围岩分类方案。系统地考虑了：将岩体分为5类，并给出毛洞自稳性的工程地质评价。（P.264~266)岩体声学性质指标岩石强度、结构面发育情况、第4节地下建筑围岩分类三、岩体地质力学分类（南非-RMR分类）此分类系统由根据各项指标的数值进行评分，求总分（表A）得岩体类别及相应的强度指标（表C）对总分作修正（表B）5项指标组成。地下水条件节理条件节理间距RQD值岩块强度岩体地质力学ＲＭＲ分类表Ａ．分类参数及其评分值分类参数数值范围１完整岩石强度ＭＰａ点荷载强度>104~102~41~2低强度岩石用宜单轴抗压强度单轴抗压强度>250100~25050~10025~505~251~5＜1评分值１５１２７４２１０２岩芯质量指标ＲＱＤ90~10075~9050~7525~50＜25（％）评分值２０１７１３８３３节理间距>20060~20020~606~20＜6（ｃｍ）评分值２０１５１０８５岩体地质力学ＲＭＲ分类表Ａ．分类参数及其评分值（续）４节理条件节理面很粗糙，不连续，宽度为零，岩石坚硬节理面稍粗糙，宽度<1mm，节理面岩石坚硬节理面稍粗糙，宽度<1mm，节理面岩石软弱面光滑或含厚度<5mm的软弱夹层，张开度1~5mm，节理连续含厚度>5mm的软弱夹层，张开度>5mm，节理连续评分值３０２５２０１００５地下水条件每10m洞长涌水量无<1010~2525~125>125节理水压力最大主应力或０或<0.1或0.1~0.2或0.2~0.5或＞0.5总条件或完全干燥或潮湿或有湿气或中等水压或问题严重评分值１５１０７４０岩体地质力学ＲＭＲ分类表节理走向或倾向非常有利有利一般不利非常不利评分值隧道0-2-5-10-12地基0-2-7-15-25边坡0-5-25-50-60B.按节理方向修正评分值走向与隧道轴垂直走向与隧道轴平行与走向无关沿倾向掘进反倾向掘进倾角20~45°倾角45~90°倾角0~20°倾角45~90°倾角20~45°倾角45~90°倾角20~45°非常有利有利一般不利一般非常不利不利节理走向和倾向对隧道开挖的影响岩体地质力学ＲＭＲ分类表评分值100~8180~6160~4140~21＜20分级ⅠⅡⅢⅣⅤ质量描述非常好的好的一般的差的非常差的平均稳定时间15m跨度20ａ10m跨度１ａ5m跨度1w2.5m跨度10h1m跨度30min岩体内聚力ＫＰａ＞400300~400200~300100~200＜100岩体内摩擦角°＞4535~4525~3515~25＜15C．按总评分值确定的岩体级别及岩体质量评价第4节围岩分类分类指标为：式中：RQD－岩芯质量指标；Ｊｎ－节理组数；Ｊｒ－节理粗糙系数；Ｊａ－节理蚀变系数；Ｊｗ－节理水折减系数；SRF－应力折减系数。四、巴顿岩体质量分类（挪威-Ｑ系统）第4节围岩分类６个参数组合反映了岩体质量的三个方面，即：→表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。→岩体完整性；→结构面形态、充填特征及次生变化等情况；四、巴顿岩体质量分类

第四章地下工程第1节概述第2节围岩应力分布第3节围岩变形破坏第4节围岩分类第5节围岩压力第6节围岩稳定性评价第7节地下工程地质超前预报第5节围岩压力

围岩在重分布应力作用下产生变形（位移），进而引起施加于支护衬砌上的压力，称围岩压力。围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，是外力。围岩应力是岩体中的内力。若围岩强度高，不需支护可自稳，便不存在围岩压力。围岩压力的大小是支护设计的重要依据。一、概念围岩塑性变形（塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓）所形成，随时间增长。产生条件-围岩应力超过岩体屈服极限；深埋洞室围岩受压过大；粘土质岩、含蒙脱石较多的膨胀岩遇水产生膨胀变形。1、形变围压--围岩压力分类--形变围压松动围压冲击围压2、松动围压--3、冲击围压--岩爆形成，受控于天然应力值、围岩力学性质，且受洞室埋深、施工方法、洞形的影响。围岩塌落掉块，块体自重施于支护上的压力。大小取决于围岩性质、结构、地下水活动、支护时间等。围岩压力估算：小塌方：塌高＜3m中等塌方：塌高3～6m大塌方：塌高＞6m第5节围岩压力1、弹塑性力学计算开挖后形成塑性圈，此时塑性变形对支护产生形变围岩压力，⑴形变围压-在连续、均质、各向同性弹性岩体中开挖水平洞室，设由前节可导出公式：洞壁位移前后塑圈体积不变，因此：二、围岩压力确定方法公式表明，形变围压与洞壁位移成反比，因此只要适当增大塑圈半径，就可减少支护压力（围压）。式中：R0-洞径；G-岩体剪切模量；c,φ-岩体强度值；R1-塑圈半径；uamax

-实际可接受的洞壁围岩最大位移值;→推论：围岩处于塑性变形阶段也具有自承能力（有限的）。代入并整理，得：当塑性松动圈发展到一定范围而未及时支护，松动圈内岩石可能掉块，形成松动围压。其值比形变围压值增高。当松动圈塌落时形成的最大松动围岩压力pimax可按下式计算：ρ-岩体密度；c-内聚力；k1,k2–松动压力系数；⑵松动围压设定：上覆岩体厚H>5b1（b1平衡拱半跨）时，在上覆岩体中由于塌落而形成自然平衡拱。则，作用于支护上的围压等于平衡拱与衬砌间的岩块自重，与拱外岩体无关。岩体坚固性系数fk--取决于岩体的c,φ值及岩石抗压强度σc。拱高为：2、普氏理论（自然平衡拱)普氏理论计算示意图普氏理论对松散岩体有一定的应用价值，而对于坚硬岩体则不适用或只能近似使用。作用于侧壁的围岩压力为：按土压力理论，A,B处侧压力为：侧壁不稳时，作用于洞顶上的围岩压力为：水电部推荐公式：铁道部推荐公式：