隧道围岩分类.docx

1、隧道围岩分类第5章 隧道围岩分级与围岩压力隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水状况、开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态、地温梯度等。因此，隧道围岩的稳定性是反映地质环境的综合指标。也是我们修建隧道工程对围岩特征研究的重要内容之一。隧道围岩压力是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌结构的主要荷载之一。其性质、大小、方向以及发生和发展的规律，对正确地进行隧道设计与施工有很重要的影响。5.1 隧道围岩分级及其应用 隧道围岩分级是正确地进行隧道设计与施工的基础。一个较好的、符合地下工程实际情况的围岩分级，多改善地下结构设计，发展新的隧道施工工艺，降低工程

2、蛰价，多快好省地修建隧道，有着十分重要的意义。 借用苏联的岩石坚固系数进行分类，即通常所谓的普氏系数（f值）。在长期大量的地下工程实践中发现：这种单纯以岩石坚固性（主要是强度）指标为基础的分类方法，不能全面反映隧道围岩的实际状态。逐渐认识到：隧道的破坏，主要取决于围岩的稳定性，而影响围岩稳定性的因素是多方面的，其中隧道围岩结构特征和完整状态，是影响围岩稳定性的主要因素。隧道围岩体的强度，对隧道的稳定性有着重要的影响，地下水、风化程度也是隧道围岩丧失稳定性的重要原因。从围岩的稳定性出发，1975年编制了我国“铁路隧道围岩分类”，这个分类由稳定到不稳定共分六类，代替了多年沿用的从岩石坚固性系数来分

3、级的方法。我国公路隧道围岩分级起步较晚，随着我国经济的发展，公路交通得到较大的发展，大量的公路隧道修建，需要有一个适合我国工期的公路隧道围岩分级，于1990年，根据我国铁路隧道的围岩分级为基础，编制了我国“公路隧道围岩分级”。 从国内外的发展中可以看出，以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是总的趋势。但分级指标方面，大多数正在从定性描述、经验判断向定量描述发展。5.1.1隧道围岩分级的因素指标及其选择围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素，大体有以下几种：1单一的岩性指标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

4、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。这些指标有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破碎程度的综合因素。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

5、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 （5.1.1）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 RQD 75 为好； 25 RQD 50 为差；RQD 25 为很差。围岩的自稳时间 以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

6、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(1a) （5.1.2）式中：L 隧道未支护地段的长度；a 视围岩情况在01之间变化，好的岩体可取 a =0;极差的 a = 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。具有代表性的复合指标分级，是巴顿（N.Bart

7、on）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) （5.1.3） 式中 RQD 岩石质量指标，其取值方法见式（51）； 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 0.51.0； 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

8、硬不软化，Ja 0.75； 节理中填充物是膨胀性粘土，如蒙脱土，Ja 812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 1.0为原生型或构造型密闭巨块状结构较发育23组平均间距0.4呈X形，较规则，以构造型为主，多数为密闭部分微张，少有充填物大块状结构发育3组平均间距3组，杂乱，平均间距9585757586507525504.53.54.52.54.01.53.01.02.01.01.5（饱和粘土）I0.81.00.60.80.40.60.20.40.2 锤击法时采用低值（I）划分。（四）隧道施工围岩分级施工阶段围岩级别的判定是一

9、个重要而现实的问题。施工阶段围岩分级的评定因素采用围岩坚硬程度、围岩完整性程度、和地下水状态三项因素，细分为十三个子因素，见图5.1.2。 图5.1.2 施工阶段围岩分级的评定因素在三个因素中，最困难的是围岩完整性程度的评定，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。由于隧道开挖，掌子面的地质状态暴露无遗，为评定掌子面的稳定，提供了充分的基础。根据对国内外施工阶段围岩分级的调查，应采用多种方法对围岩完整程度进行分级，采用定性和定量相结合的方法，如可采用图5.1.3的指标 图5.1.3施工阶段围岩分级完整程度的分级指标5.2 围岩压力的确定 5.2.1 围岩压力的概念 人们对围岩压

10、力的认识，是从开挖侗穴后围岩的出现初坍塌的现象开始的。随着隧道和地下工程的发展，人们从支撑和衬砌的变形、开裂和破坏现象，进一步认识到围岩压力的存在。在稳定的地层中开挖坑道，由于围岩在爆破后发生松动以及暴露后受到风化，个别落石现象也不可避免。在完整而坚硬的岩层中开挖隧道，也会遇到小块岩石突然脱离岩体向隧道内弹出，人们称为“岩爆”，这些都是围岩压力的现象，为了保证隧道有足够的净空，就要修建支护结构，以阻止围岩的移动和崩塌，支护结构就是用来承受围岩压力。本节所阐述的围岩压力系指松动压力，至于所涉及的弹塑性理论在“新奥法”一节中介绍。5.2.2围岩压力的产生围岩压力的产生是隧道工程的一个重要的力学特征

11、，隧道是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的。所以，围岩的初始应力场的状态极大地影响着在其中发生的一切力学现像，这是和地面工程极其不同的。因此，我们需要研究隧道开挖前后围岩的应力状态，这对指导我们隧道的设计与施工有着重要意义。（一）围岩的初始地应力场通常所指的初始应力场泛指隧道开挖前岩体的初始静应力场，它的形成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系。在隧道开挖前是客观存在的，在这种应力场中修建隧道就必须了解它的状态及其影响。岩体的初应力状态与施工引起的附加应力状态是不同的，它对坑道开挖后围岩的应力分布、变形和破坏有着极其重要的影响。可以说，不了解岩体初应力状态就无法对隧

12、道开挖后一系列力学过程和现象作出正确的评价， 岩体的初应力状态一般受到两类因素的影响：第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质、岩体的构造、地形等经常性的因素；第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。因此，初应力场是由两种力系构成，即 + (5.2.1) 式中：一 自重应力分量； 一 构造应力分量。 在上述因素中，目前主要研究和使用的是由岩体的体力或重力形成的应力场，称为自重应力场。而其它因素只认为是改变了由重力造成的初应力状态。一般来说，重力应力场可以采用连续介质力学的方法。它的可靠性则决定于对岩石的物理力学性质及岩体的构造一力学性质的研究，其误差通常是较

13、大的。而其它因素造成的初应力场，主要是用实验（现场试验）方法完成的。 1自重应力场我们研究具有水平成层。地面平坦的情况。如图5.2.1所示，设岩体是线性变形的，在xz平面内是均质的，沿y轴方向是非均质的，设E、分别为沿垂直方向的岩体弹性模量和泊松比， E1、1为沿水平方向的岩体弹性模量和泊松比。因岩体的变形性质沿深度而变，故可假定：EE（y）； =(y) ； E1E1（y）；1=1(y)。单位体积重量也认为是沿深度而变，即(y);这样，距地表面h深处一点的应力状态如图5.2.1所示，其计算式可表示如下： y=(y)dy x=x(y) (5.2.2) z=z(y) xy=xz=yz= 0 式满足了地面的边界条件，h0，y0。 一般认为，处于静力平衡状态的岩体内，沿水平方向的变形等于零，故 x=z(E/E1)1 /(1-) y (5.2.3) 当EE1=常数，1常数时，则得出大家熟知的公式 x=z/(1-) y （5.2.4） 设=/(1-),称之谓侧压力系数，则上式可写成 x=zy (5.2.5) 显然当垂直应力已知时，水平应力的大小决定于围岩的泊松比。大多数围岩的泊松比变化在0.150.35之间，因此，在自重