隧道围岩分级及其应用Word文件下载.docx
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一般有岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量等物理力学参数；
岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。
在一些特定的分级中，如确定钻眼功效、炸药消耗量等，土石方工程中划分岩石的软硬、开挖的难易，均可采用岩石的单一岩性指标进行分级。
一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级指标，具有试验简单，数据可靠的优点。
但单一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，用来作为分级的唯一指标是不合适的。
如老黄土地层，在无水的条件下，强度虽然低，但稳定性却很高。
2．单一的综合岩性指标
以单一的指标，反映岩体的综合因素。
这些指标包括：
（1）岩体的弹性波传播速度
弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比，其指标反映了岩石的力学性质和岩体的软硬、破碎程度的综合因素。
我国1986年施行的“铁路隧道设计规范”中将弹性波（纵波）速度引入隧道围岩分级中，将围岩分为6级（表4-2）。
表4-2弹性波（纵波）速度分级
围岩类别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
弹性波速（km/s）
＞4.5
3.5～4.5
2.5～4.0
1.5～3.0
1.0～2.0
＜1.0
（饱和土＜1.5）
（2）岩石质量指标（RQD）
是综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的指标。
所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率。
钻探时岩芯的采取率、岩芯的平均和最大长度是受岩体原始的裂隙、硬度、均质性的影响的，岩体质量的好坏主要取决于岩芯采取长度小于10cm以下的细小岩块所占的比例。
因此，岩芯采取率是以单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例来判断的。
即
RQD（％）＝10cm以上岩芯累计长度×
100（4-8）
单位钻孔长度
岩石质量指标分级认为：
RQD>
90％为优质；
75％<
RQD<
90％为良好；
50％<
75％为好；
25％<
50％为差；
RQD<
25％为很差。
（3）围岩的自稳时间
围岩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，自稳时间是不同的，劳费（H.Lauffer）认为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示：
ts=常数×
L－（1＋α）（4-9）
式中：
L—隧道未支护地段的长度（m）；
α—视围岩情况在0～1之间变化，好的岩体可取α=0；
极差的α=1。
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：
稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的七级。
具体的取值标准可参考有关专著。
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。
3.复合指标
是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。
（1）Q复合指标分级
Q复合指标分级是巴顿（N.Barton）等人提出的岩体质量－Q指标，Q综合表达了岩体质量的六个地质参数，见下式：
Q＝（RQD/Jh）（Jr/Ja）（Jw/SRF）（4-10）
RQD—岩石质量指标，其取值方法见式（4-8）；
Jh—节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大，可参考下列经验数值；
没有或很少节理，Jh＝0.5～1.0；
两个节理组时，Jh＝4；
破碎岩体时，Jh＝20。
Jr—节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小，可参考下列经验数值；
不连续节理，Jr＝4；
平整光滑节理，Jr＝0.5等。
Ja—节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大，可参考下列经验数值；
节理面紧密结合，节理中填充物坚硬不软化，Ja＝0.75；
节理中填充物是膨胀性粘土，如蒙脱土，Ja＝8～12等。
Jw—节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，Jw取值愈小，可参考下列经验数值；
微量渗水，水压<
0.1Mpa,Jw=1.0；
渗水量大，水压特别高，持续时间长，Jw＝0.1～0.05等。
SRF—应力折减系数，围岩初始应力愈高，SRF取值愈大。
可参考下列经验数值；
脆性而坚硬、有严重岩爆现象的岩石，SRF＝10～20；
坚硬、有单一剪切带的岩石，SRF＝2.5。
以上六个参数的详细说明和取值标准可参考有关专著。
这六个地质参数表达了岩体的岩块大小（RQD/Jh）、岩块的抗剪强度（Jr/Ja）、作用应力（Jw/SRF）。
因此，岩体质量Q实际上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力的复合指标。
根据不同的Q值，岩体质量评为九级，见表4-3。
表4-3岩体质量评估
岩体
质量
特别好
极好
良好
好
中等
不良
坏
极坏
特别坏
Q
400～1000
100～400
40～100
10～40
4～10
1～4
0.1～1
0.001~0.1
0.001～0.01
（2）RMR复合指标
RMR复合指标由南非Z.T.Bieniiawski根据49个隧道案例的调查结果，于1973年提出，后又增加了多达300以上的工程案例对此指标进行了修正。
它给出了一个总的岩体评分值RMR作为衡量岩体工程质量的“综合特征值”。
它随岩体质量而从0递增到100。
岩体的RMR值取决于五个通用参数和一个修正参数，这五个通用参数取决于岩石抗压强度R1、岩石质量指标R2（RQD）、节理间距R3、节理状态R4和地下水状态R5。
修正参数取决于节理方向对工程的影响。
把上述各个参数的岩体评分值相加就得到岩体的RMR值，即
RMR=R1+R2+R3+R4+R5（4-11）
根据RMR的值相应的可以将岩体分为五类，见表4-4。
表4-4RMR岩体分类
类别
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
81～100
61～80
41～60
21～40
0～20
（3）岩体基本质量指标
该方法通过岩体的基本质量BQ来判断岩体质量。
确定BQ需要两个指标:
岩体单轴饱和（湿）抗压强度Rc和岩体完整性指数Kv。
确定了Rc和Kv的值以后，可按下式计算岩体的基本质量指标，即
BQ=90+3Rc+250Kv（4-12）
在使用（4-12）式时，应遵守以下限制条件:
当Rc>
90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30代入（4-12）式计算BQ值；
当Kv>
0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4代入（4-12）式计算BQ值。
在计算出BQ的值以后，可以根据表4-5对岩体基本质量进行分级。
表4-5岩体基本质量分级
基本质
量级别
岩体基本
质量的定
性特征
坚硬岩,
岩体完整
坚硬岩,岩体较完整;
较坚硬岩,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
>
550
451～351
550～451
350～251
<
250
复合指标是考虑多种因素的影响，对判断隧道围岩的稳定性是比较合理可靠的，它可以根据工程对象的要求，选择不同的指标。
但是，复合指标的定量数值，一般是通过试验、现场实测或凭经验确定的，带有较大的主观因素。
通过以上分析，对隧道围岩的分级，首先应考虑选择的围岩稳定性有重大影响的主要因素，如岩石强度、岩体的完整性、地下水、地应力、结构面产状、以及他们的组合关系作为分级指标；
其次选择测试设备比较简单、人为因素小、科学性较强的定量指标；
在考虑分级指标要有一定的综合性，如复合指标等。
总之，应有足够的实测资料为基础，能全面反映围岩的工程性质。
二、隧道围岩分级的方法
国内外隧道围岩分级的方法较多，所采用的指标也不同，但都是在隧道工程的实践基础上逐步建立起来的，随着人们对隧道工程、地质环境之间相互关系的认识和理解，其围岩分级方法也在逐步深化和提高。
按照分级目的不同，有地质分级和工程分级。
地质分级以其地质成因、矿物成分、结构构造和风化程度作为分类原则，一般用地质名称加风化程度来命名；
而工程分级主要根据岩体的工程性状，以岩体稳定性或岩体质量评价为基础，使工程师建立起明确的工程特性概念，如RQD分级、RMR分级、Q分级等。
按照分级的用途划分,有质量分级、稳定性分级、可钻性分级、爆破性分级等。
按照不同行业各自的岩体工程特点和要求，有水利水电工程围岩分类、公路隧道围岩分类、铁路隧道围岩分类、矿山巷道围岩分类、军工坑道围岩分类法、喷锚规范围岩分类法等。
按照工程类型不同，有硐室分级、大坝分级、岩石地基分级、边坡分级、隧道分级等。
按照所采用的地质勘察手段，有锤击、强度试验、岩心采取分析、浸水反应、回弹法、弹性波探测等方法。
按照所使用的分级判据不同,又可分为单因素分级系统和多因素分级系统,如RQD分级方法即为单因素，而RMR或Q系统即为多因素。
按照表达方式不同又有定性分级、定量分级和定性定量相结合的评判，如Terzaghi分类即为定性分级、Q分类即为定量分级，而《工程岩体分级标准》（GB50218-94）提供的方法则为定性定量相结合的分级模式。
按照所采用的分析工具不同,有概率统计法、模糊综合评价法、多层次综合评价法、灰色聚类分析法等分级手段。
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）按岩石强度为单一岩性指标的分级法。
具有代表意义的是我国工程界广泛采用的岩石坚固系数“f”值分级法。
这种方法的优点是指标单一，使用方便，尤其是在f值分类法中，还将定量指标f值与作用在支护结构上的围岩压力直接联系起来，给设计和施工带来较大的方便。
缺点是不能全面地反映岩体固有的性态。
（2）按岩体构造和岩性特征为代表的分级法。
如泰沙基分级法，1975年我国铁路工程技术规范中所采用的铁路隧道围岩分级法，属于这一类。
这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。
缺点是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，在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。
（3）与地质勘察手段相联系的分级法。
如1979年前后日本提出的按围岩弹性波速度进行分级方法、岩芯复原率分级法等，属于这一范畴。
这类方法的优点是分级指标大体上是半定量的，同时考虑了多种因素的影响；
其点是分级的判断还带有一定的主观性，如弹性波速度低，可能是有岩体完整，但岩质松软；
地质坚硬，但比较破碎；
地形上局部高低相差悬殊等几种原因引起的，就弹性波速度这一个指标，就很难客观地下出正确的结论。
（4）多种因素的组合分级法。
如岩体质量“Q”法、“BQ”法等，我国国防工程围岩分级法等，属于这个范畴。
这类方法是当前围岩分类法的发展方向，优点很多，只是部分定量指标仍需凭经验确定。
（4）以工程对象为代表的分类法。
如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分类法（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），以及20世纪80年代中后期建立的三峡工程坝基岩体质量分级和评价方法,简称多因子组合的“三峡YZP法”，属于这一范畴。
这类方法的优点是目的明确，而且和支护尺寸直接挂钩，使用方便，能指导施工。
但分级指标以定性描述为主，带有很大的人为因素。
根据上述介绍可知，隧道围岩分类方法有简有繁，并无统一格式。
目前，国内外许多学者都认为，隧道围岩分级的详细程度，在工程建设的不同阶段应有所不同。
在工程规划和初步设计阶段的围岩分级，可以定性评价为主，判别的依据主要来源于地表的地质测绘以及部分的勘察工作，在工程设计和施工阶段，围岩分级应为专门的目的服务。
如为设计提供依据的围岩分级，其判别依据主要是地质测绘资料、地质详勘资料、岩石和岩体的室内和现场试验数据。
分级指标一般是半定量和定性的。
为隧道施工钻爆提供依据的围岩分级，主要利用各种量测和观测到的实际资料对围岩分级进行补充修正，此时的分级的依据是岩体暴露后的实际值。
围岩分级的分阶段实施，是因为围岩分级除了取决于地质条件外，还和工程规模、形状、施工工艺等技术条件有关。
不同阶段的地质勘察、试验研究、工作顺序可用图4-7所示的框图来表示。
图4-7工程各阶段围岩分级系统框图
三、我国公路隧道围岩分级
经过长期的隧道工程实践，我国公路隧道以铁路隧道围岩分级的标准为基础，参考了国内外有关围岩分级的成果，提出了适合我国公路隧道实情的围岩分级标准，下面介绍围岩分级的出发点和依据。
1.公路隧道围岩分级的出发点
主要考虑了以下几点：
（1）强调岩体的地质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；
（4）应考虑吸收其它围岩分级的优点，并尽量和我国其它工程分级一致。
2.分级需考虑的指标和因素
主要考虑了以下几类影响围岩稳定性的指标和因素。
（1）岩体的结构特征与完整性
岩体结构的完整状态是影响围岩稳定性的主要因素，目前主要是根据表4-6进行划分的，当风化作用使岩体结构发生变化，松散、破碎、软硬不一时，应结合因风化作用造成的各种状况，综合考虑确定围岩的结构完整状态；
地质构造影响程度按表4-7确定。
表4-6岩体完整程度的定性划分
名称
结构面发育程度
主要结构面的结合程度
主要结构面（节理）的类型
相应结构类型
组数
平均间距（m）
完整
1~2
1.0
好或一般
节理、裂隙、层面为
原生型或构造型密闭
整体状或
巨厚层结构
较完整
差
节理、裂隙、层面呈X形，较规则，以构造型为主，多数为密闭部分微张，少有充填物
块状或厚
层状结构
2~3
1.0~0.4
块状结构
较破碎
节理、裂隙、层面、小断层不规则，呈X形或米字形；
以构造型或风化型为主，大部分张开，部分有充填物
裂隙块状
或中厚层结构
3
0.4~0.2
镶嵌碎裂结构
一般
中、薄层状结构
破碎
各种类型结构面以风化型和构造型为主，微张或张开，均有充填物
裂隙块状结构
0.2
一般或差
破碎状结构
极破碎
无序
很差
散体状结构
表4-7围岩受地质构造影响程度等级划分
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
位于断裂破碎带内，节理很发育；
岩体破碎呈碎石、角砾状，有的甚至呈粉末、土状
（2）岩石强度
将岩浆岩、沉积岩、变质岩按岩性、物理力学参数、耐风化能力和作为建筑材料的要求划分为硬质岩石及软质岩石二级，依饱和抗压极限强度Rc与工程的关系分为四种，其标准及代表性岩石见表4-8；
当风化作用使岩石成分改变、强度降低时，应按风化后之强度确定岩石等级。
表4-8岩石等级划分
岩石等级
饱和抗压
极限强度
Rc（MPa）
耐风化能力
代表性岩石
程度
现象
硬
质
岩
石
坚硬岩
＞60
强
暴露后1、2年尚不易风化
1．花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩类
2．硅质、铁质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩类
3．片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩类
较坚硬岩
60~30
软
较软岩
30~15
弱
暴露后数日至数月即出现风化壳
1．凝灰岩等喷出岩类
2．泥砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、灰质页岩、泥灰岩、泥岩、劣煤等沉积岩类
3．云母片岩和干枚岩等变质岩类
软岩
15~5
极软岩
5
（3）围岩基本质量指标BQ
根据上述岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性、定量特征，根据式（4-12）确定围岩基本质量指标BQ，并由此对围岩进行初步分级。
其中，岩体完整程度的定量指标用岩体完整系数Kv表达。
Kv一般用弹性波探测之，如无探测值时，可用岩体体积节理数Jv按表4-9确定对应的Kv。
此外，Kv与定性划分岩体完整程度的对应关系可按表4-10确定。
表4-9Jv与Kv对照表
Jv（条/m3）
3~10
10~20
20~35
＞35
Kv
＞0.75
0.75~0.55
0.55~0.35
0.35~0.15
0.15
表4-10Kv与定性划分岩体完整程度的对应关系
完整程度
（4）地下水等影响因素
在早期的围岩分级中，主要考虑地下水因素对围岩分级的影响。
遇有地下水时，根据围岩等级，一般采用降级处理的方法。
比如，在I级围岩或属于II级的硬质岩石中，可不考虑降低；
在I级围岩或属于II级的软质岩石，应根据地下水的性质、水量大小和危害程度调整围岩级别，当地下水影响围岩稳定产生局部坍塌或软化软弱面时，可酌情降低l级；
IV级、V级围岩已成碎石状松散结构，裂隙中有粘性土充填物，地下水对围岩稳定性影响较大，可根据地下水的性质、水量大小、渗流条件、动水和静水压力等情况，判断其对围岩的危害程度，可变差1～2级；
在VI级围岩中，分级中已考虑了一般含水地质情况的影响，在特殊含水地层，需另作处理。
《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）对围岩分级时，不仅考虑了水的影响，还考虑了软弱结构面和初始高地应力的因素，并对前述岩体基本质量指标BQ进行修正，得到围岩基本质量指标BQ的修正值[BQ]，如下式：
[BQ]=BQ-100（K1+K2+K3）（4-13）
K1—地下水影响修正系数，见表4-11；
K2—主要软弱结构面产状影响修正系数，见表4-12；
K3—初始应力状态影响修正系数，见表4-13。
（需补充录入，见规范附录A02-1~3）
3.公路隧道围岩分级
根据调查、勘探、试验等资料，并对以上指标和因素进行分析，公路隧道围岩分级将围岩分为六级，表4-14给出了各级围岩的主要定性特征和围岩基本质量指标BQ或修正值[BQ]。
表4-14公路隧道围岩分级
围岩
级别
围岩或土体主要定性特征
围岩基本
质量指标BQ
I
坚硬岩（饱和抗压极限强度Rb＞60MPa），岩体完整，
巨块状或巨厚层状整体结构
550
II
坚硬岩（Rb＞30MPa），岩体较完整，块状或厚层状结构
较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构
550~451
III
坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构
较坚硬岩或较软硬质岩，岩体较完整，块状体或中厚层状结构
450~351
IV
坚硬岩，岩体破碎，碎裂（石）结构
较坚硬岩，岩体较破碎~破碎，镶嵌碎裂结构
较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整~较破碎，中薄层状结构
350~251
土体：
1．压密
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