钻机
中度循环配筋量,间距3-4英尺，岩石荷载B（1.0-1.6）
典型，间距3-5英尺
4-6英寸顶冠和侧边，与螺栓组合
常规
中到重度循环配筋量,间距2-4英尺，岩石荷载B（1.3-2.0）
典型，间距2-4英尺
6英寸或更大顶冠和侧边，与螺栓组合
很差3RQD<25（不含挤压或隆起地面）
钻机
中到重度循环配筋量,间距2英尺，岩石荷载B（1.6-2.2）
典型，间距2-3英尺
整个断面6英寸或更大，与中度组合
常规
重度循环配筋量,间距4英尺，岩石荷载B（1.6-2.2）
典型，间距2-4英尺
整个断面6英寸或更大，与中度组合
很差3（挤压或隆起地面）
钻机
特重度循环配筋量,间距2英尺，岩石荷载高达250英尺
典型，间距2-4英尺
整个断面6英寸或更大，与重度组合
常规
特重度循环配筋量,间距2英尺，岩石荷载高达250英尺
典型，间距2-4英尺
整个断面6英寸或更大，与重度组合
注：
1．在优良岩体中，通常的支护要求最小，但应根据接缝几何尺寸、洞径和接缝和隧洞的相对走向而定。
2．在优等岩体中的防护要求通常为零，从良好岩体的25%到极差岩体的100%。
3．在优等岩体中的格栅要求通常为零，从良好岩体的随机格栅（或隔带）到极差岩体的100%格栅。
4．B=隧洞宽度
b.岩石结构额定值（RSR）
（1）岩石结构额定值系统早在1972年就由Wickham，Tiedeman和Skinner提出。
这是最早出版的，考虑了大量的地质参数并提出量化岩石荷载估算的量化岩体额定值。
所考虑的地质参数包括以下内容：
✧岩石类型
✧节理模式（平均节理间距）
✧节理方向（倾角和走向）
✧不连续面类型
✧主要断层、剪切带和褶皱
✧岩石材料性能
✧风化和蚀变
（2）有些此类参数存在各种不同的组合方式。
施工参数为隧洞尺寸、掘进方向（相对于不连续面）和开挖方法。
所有这些参数的组合如表7-3中所示。
RSR值是参数A、B和C的总和。
假定TBM开挖产生的扰动很小，那么RSR值就可按图7-1中所示的系数作为隧洞尺寸函数进行修改。
（3）作为RSR函数的隧洞拱的岩石荷载，以千磅/英尺2计，和隧洞宽度或直径如图7-2所示。
（4）RSR数据库中包含了190个隧洞断面，其中仅有3个采用了喷混凝土支护，14个采用岩石锚杆支护。
因此，这些数据仅可支持采用钢肋的岩石荷载建议值。
表7-3
岩体结构额定值-参数A：
一般区域地质情况（1974年Wickham等人修订）
基本岩体类型
地质构造
坚硬
中等
软
解体
大块体
弱度
风化
褶皱
中度
风化
褶皱
重度
风化
褶皱
火成岩
1
2
3
4
变质岩
1
2
3
4
沉积岩
2
3
4
4
1类
30
22
15
9
2类
27
20
13
8
3类
24
18
12
7
4类
19
15
10
6
岩体结构额定值-参数B：
节理类型、走向（1974年Wickham等人修订）
与轴走向呈⊥
与轴走向呈Ⅰ
走向
走向
双向
带倾斜
倾斜度
双向
突出节理倾斜1
突出节理倾斜1
平坦
倾斜
垂直
倾斜
垂直
平坦
倾斜
垂直
1非常致密节理<2英寸
9
11
13
10
12
9
9
7
2致密节理2-6英寸
13
16
19
15
17
14
14
11
3中度节理6-12英寸
23
24
28
19
22
23
23
19
4中度至块石1-2英尺
30
32
36
25
28
30
28
24
5块石到大块2-4英尺
36
38
40
33
35
36
34
28
6大块4英尺以上
40
43
45
37
40
40
38
34
岩体结构额定值-参数C：
地下水,节理条件（1974年Wickham等人修订）
预测来水量（gpm/1,000ft）
参数A+B
13.44
45.75
节理条件2
好
中
差
好
中
差
无
22
18
12
25
22
18
弱<200gpm
19
15
9
23
19
14
中200-1000gpm
15
11
7
21
16
12
重>1000gpm
10
8
6
18
14
10
1倾角:
平:
0.20度;倾斜:
20-50度;垂直50-90度。
2节理条件：
好=致密或胶结；中=弱风化或变质；差=严重风化、变质或敞开。
c.地质力学分类（RMR系统）
（1）由Bieniawski在1979年创建的该系统,采用了下列6个参数:
✧岩石单轴抗压强度
✧RQD
✧不连续面的间距
✧不连续面的断面条件
✧地下水条件
✧不连续面的方向
这种分类系统的构成如表7-4所示。
表中A部分表示5个基本参数和它们依靠岩体条件的范围。
这5个参数的额定值与基本的RMR值加在一起，而表中的B部分则给出了根据相对隧洞方向的不连续面方向的调整系数。
隧洞开挖的走向和倾角影响见表7-5。
表7-4中的C部分示出了根据RMR法的岩体综合分类，范围从非常好的岩石到非常差的岩石。
D部分给出了一些根据RMR确定的对自稳时间、岩体凝聚力和摩擦角的数值预测。
Unal在1983年就提出了下列公式来计算地层荷载,并作为岩石荷载高度进行测定。
Hb=（1-RMR/100）B
其中B为隧洞宽度。
表7-6给出了通过钻爆施工的10m宽隧洞的开挖和支护建议。
（2）还开发了采用RMR的其他相关性。
图7-3（参见英文原稿的图7-3，所有的附图都是如此）表示了RMR与岩体原位变形模量的相关关系。
此外，Serafin和Pereira在1983年提出了一种不同的相关关系，同样适用于RMR<50的的情况，公式如下：
EM=10（RMR/40-0.25）。
（3）RMR系统是由一组以钻爆开挖的较大断面隧洞的工程实例为基础的。
围岩支护的构成包括岩石锚杆（插筋）、喷砼、挂网,以及用于两种最差岩石额定值的钢肋等。
该系统完全适合于类似条件的隧洞，但不适用于TMB开挖隧洞，以及岩石破坏很小和那些实施喷砼并不可行的隧洞。
表7-4节理岩体的地质力学分类
A．分类参数及其额定值
参数
数值范围
1.完好岩石强度
点荷载强度指标
>10MPa
4-10MPa
2-4MPa
1-2MPa
提出低范围轴向抗压强度
材料
>250MPa
100-150MPa
50-100MPa
25-50MPa
5-25Mpa1-5Mpa<1Mpa
额定值
15
12
7
4
210
2.钻孔质量RQD
90-100%
75-90%
50-75%
25-50%
<25%
额定值
20
17
13
8
3
3.不连续面间距
>2m
0.6-2m
200-600mm
60-200mm
<60mm
额定值
20
15
10
8
5
4.不连续面条件
表面很粗
糙,不连
续,无分离,岩壁
未风化
表面微粗
糙,分离
<1mm,岩
壁微风化
表面微粗
糙,分离
<1mm,岩
壁强风化
表面擦裂
或擦伤厚
<5mm,分
离1-5mm
连续
软擦伤>5mm厚或分离>5mm,连续
额定值
30
25
20
10
0
5.地下水
10m洞长来水率
无
<10L/min
10-25L/min
25-125L/min
>125L/min
或节理水压主应力
0
0.0-0.1
0.1-0.2
0.2-0.5
>0.5
或一般条件
完全干燥
潮湿
湿
滴水
流水
额定值
15
10
7
4
0
B．节理方向额定值调整
走向与倾斜方向和倾角
很有利
有利
可以
不利
很不利
额定值
隧洞
0
-2
-5
-10
-12
基础
0
-2
-7
-15
-25
坡
0
-5
-25
-50
-60
C．由总额定值确定岩体分类
额定值
100←81
80←61
60←41
41←21
<20
分类编号
I
II
III
IV
V
说明
岩石很好
岩石好
岩石尚可
岩石差
岩石很差
D．岩体分类的含义
分类编号
I
II
III
IV
V
平均支撑时间
15米跨10年
8米跨6个月
5米跨1周
2.5米跨10个小时
1米跨30分钟
岩体粘结力
>400kPa
300-400kPa
200-300kPa
100-200kPa
<100kPa
岩体摩擦角
>45°
35-45°
25-45°
15-25°
<15°
表7-5隧洞开挖中的不连续走向和趋向的影响
与隧洞轴线垂直的走向
走向倾角
倾角45-90°
倾角20-45°
倾角45-90°
倾角20-45°
与隧洞轴线平行的走向
倾角20-45°
倾角45-90°
倾角0-20°
尚可
很不利
尚可
表7-6岩石隧洞开挖与支护的地质力学分类导则,Bieniawaki（1979）
型式:
马蹄形；宽度：
10米；垂直应力：
25Mpa以下；施工：
钻爆
岩体分类
开挖
岩栓（20毫米直径、完全粘结）
喷混凝土
布筋
岩石很好,IRMR；81-100
全面深入3米
除随机的定点螺栓外,一般不需要支护
岩石好,IIRMR；61-80
全面深入1.0-1.5米,支护20米
顶冠3毫米长的局部螺栓,间距2.5米随机挂网
在需要的顶冠处50毫米
无
岩石尚可,IIIRMR；41-60
深入顶部掌子面内1.5-3米顶部和台地,之后开始支护
系统锚杆4-5米长,顶冠和墙内间距1-1.5米带挂网
顶冠100-150毫米,侧边100毫米
无
岩石差,IVRMR；21-40
深入顶部掌子面内1.0-1.5米顶部和台地,开挖10米后同时开始安装支护
系统锚杆4.5米长,顶冠和墙内间距1-1.5米带挂网
顶冠100-150毫米,侧边100毫米
在必要的地方配置轻到中度钢肋,间距1.5米
岩石很差,VRMR；<20
多种偏移,深入顶掌子面0.5-1.5米,开挖同时支护,爆破后尽快喷混凝土
系统锚杆5.6米长,顶冠和墙内间距1-1.5米,带挂网,底部锚杆
顶冠150-200毫米,侧边150毫米,面上50毫米
轻度到重度配置钢肋,间距0.75米，必要时带钢背板和前支柱
d.用于岩体分类的Q系统法.
（1）NGI的Q系统（Barto、Lien和Lunde在1974提出）通常认为是地下工程中进行围岩支护的最精确最详尽的岩体分类系统。
岩体质量指标Q的数值确定如下:
Q=（RQD/Jn（Jy/Ja）（Jw/SRF）
其中：
Jn=节理组系数
Jr=节理糙率系数
Ja=节理蚀度系数
Jw=节理减水系数
SRF=应力折减系数
确定的上述参数的量化数值如表7-7所示。
（2）为使Q值与地面支护需要相对应,将一个等效尺寸定义为地下洞室的跨度,除以开挖支护比（ESR）。
ESR值取决于地下洞室的最大使用率和暴露时间,推荐如下的ESR值:
✧ESR=3-5临时性矿山巷道
✧ESR=2-2.5垂直竖井（圆形取最大值）
✧ESR=1.6永久性矿山巷道、水电站引水隧洞（不包括高压管道）和临时性工程（包括最终衬砌在后期浇筑的隧洞）
✧ESR=1.3二级交通洞、调压室和交通洞
✧ESR=1.0大多数的土建工程,包括地下电站、主要交通隧道、压力隧洞、隧洞的交叉口和进出口
✧ESR=0.8地下火车站、地下运动场以及其它类似公共场所
（3）在工程后期浇筑最终衬砌时,计算初期支护时在ESR值上乘以1.5。
尽管还存在相当多的变数，也可采用下列公式:
✧最大不支护跨度=IESRQ0.4（M）
✧永久支护压力,有三组或更多节理组:
P=2.0Q-1/3/Jr
（4）Barton、Lien和Lunde在1974年就提出了38组支护类别（如图7-4所示）及其详细的支护建议，如在表7-8中所注释列举的那样。
（5）表中附注的释义表明,Q系统是一个相当专业的系统。
仔细阅读所有的释义表明该系统融入了岩石性状特征而并不是完全从基本参数中得出。
这样就增加了该系统的应用范围和灵活性。
（6）Q系统由采用钻爆施工并采用岩石锚杆（张力和非张力）、喷砼、挂网、接网和现浇砼拱进行支护的地下洞室数据库获得。
对于TBM掘进的隧洞，建议Q值可通过5.0的系数予以增加。
e.根据经验选择系统支护的局限性
（1）选择围岩支护的经验方法提供了一种可根据开挖、观察和试验确定的实际情况来选择围岩支护方案的方式。
它们还远远不够完善而且有时还会导致选择不适当的围岩支护。
因此，有必要检查可以利用的岩体信息,以确定是否存在任何单单依靠经验系统无法确定的失效模式.
（2）所有经验系统的主要缺陷就是它们会导致使用者不是直接依据岩体地质特征而是依据所推荐的围岩支护,并不考虑可能的失效模式。
某些潜在的失效模式并没有包括在有些或全部的经验方法之中,必须单独进行考虑，主要包括以下内容:
✧因岩体风化或蚀变产生的失效；
✧由移动水（冲刷、溶蚀、过量渗漏等）引起的失效；
✧因地面支护构件腐蚀引起的失效；
✧因挤压和膨胀条件引起的失效；
✧因大块岩石的超限应力引起的失效。
（3）经验理论系统在很大程度上钻爆的隧洞并提出作为经验系统函数的地面支护建议值。
系统推荐值应根据现时应用的开挖方式进行解释。
例如，TBM隧洞掘进会提供有利的隧洞形而且地层扰动最小；但是，在贴近隧洞面应用喷混凝土就很困难。
因此，必须采用包括带挂网的插筋、带挂网的钢肋或预制管片在内的喷砼替代产品。
（4）同样,必须考虑新的围岩支护方法和构成。
例如，在经验系统中并没有包含钢纤维混凝土、摩擦锚杆、格栅拱架或管片混凝土衬砌的应用。
7-3理论和半经验半理论方法
大多数的岩石锚杆、插筋和喷混凝土的设计理论方法都是根据有关不连续面构造的某些假定实施的。
a.岩石锚杆分析
（1）最简单的岩石锚杆分析方法是块体分析，块体稳定分析就是采用二维或三维均衡方程式进行。
图7-5中就是此类例子。
当不连续面的方向已知时这些分析类型都有用的,并且可显示哪个楔块可能会失稳并指明用于支护的锚杆或插筋的适当方向。
（2）对于水平层岩石的平顶拱（如图7-6所示）,Lang和Bischoff在1982年就创立了一种体现岩石锚杆作用的分析方法。
如果岩石锚杆要么通过主动拉力受拉，要么通过地面移动被动受拉的,就会在锚杆作用区域内产生一种水平压应力。
这就使得由层状岩石组成的梁连接在一起共同承受弯矩,梁端承受剪切荷载。
这样,加固的岩石就保持着悬吊状态。
在拱形周围安装的锚杆也将会以同样的方式增加锚杆作用区内约束水平（如图7-7所示）,从而增加拱顶材料内的有效抗压强度。
（3）对这种类型进行分析后使Lang在1961年形成了他的岩石锚杆设计经验准则，如表7-9所示。
该表适用于围岩条件不单单需要定点锚杆支护的情况。
当节理间距过密以致使锚杆间有可能折成散块时,岩石锚杆的型式就必须与挂网、喷混凝土或钢纤维喷混凝土相组合。
表7-7估算Q值的输入值
1．岩石质量规定（RQD）
A
很差
0-25
B
差
25-50
C
中
50-75
D
良
75-90
E
优
90-100
注:
1）当报告或测定的RQD值小于10时（包括零）,10的公称值用来评价方程式
（1）中的Q值;
2）相隔5的RQD值,即100、95、90等是足够准确的。
2．节理组编号
（Jn）
A
大块、无节理或少量节理
0.5-1.0
B
1个节理组
2
C
1个节理组加随机
3
D
2个节理组
4
E
2个节理组加随机
6
F
3个节理组
9
G
3个节理组加随机
12
H
4个或更多节理组、随机、严重节理、“糖块体”等
15
J
破碎岩体、土类
20
注:
1）交叉断面，采用（3.0×Jn）;
2）洞口，采用（2.0Jn）。
3．节理糙率编号
（a）岩壁接触，而且
（b）岩壁接触的100毫米后剪切
（Jr）
A
不连续节理
4
B
粗糙或无规律、波纹状
3
C
平滑、波纹状、随机
2
D
擦裂、波纹状
1.5
E
粗糙或无规律、平面
1.5
F
平滑、平面
1.0
G
擦裂、平面
0.5
注:
1）有关小型或中型特性的叙述为该次序;。
（c）剪切时无岩壁接触
H
含有粘土材料的厚度足以防止岩壁接触的区域
1.0
J
砂质、卵石或破碎的一定厚度足以防止岩壁接触
1.0
注:
1）如果确定的相关节理平均间距大于3米,那么就增加1.0;
2）只要线性构造的方向有利于最小强度,带线性构造的平面擦裂节理就可采用（Jr=0.5）。
4
节理蚀变系数
（Ja）
Φr
A
密封愈合、坚硬、非软化
0.75
（-）
B
不渗水填筑，即石英或绿帘石
1.0
（25-35°）
C
微蚀变的节理壁,非软化矿物涂层,砂质颗粒、未夹泥崩解岩石等
2.0
（25-30°）
D
粉沙或砂质
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