第四章 圍巖壓力及圍巖分級

1、肯隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)1巖的穩(wěn)定性2016/10/16中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地下工系1圍巖分級圍巖壓力的確定傘例序£犬卑(5)；hinaUniversityoffMining&Technology,Beijing本章學(xué)習(xí)要求:(1) 掌握公路隧道圍巖分級方法；(2) 掌握公路隧道圍巖壓力計算方法;(3) 理解影響圍巖穩(wěn)定性的因素。2UJ6/JO/J635.1隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)4.1.1圍巖的概念2UJ6/JO/J6£55巖:隧道開挖后對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖(±)體。說明:圍巖既指巖體也指土體。4.1.2圍巖的工程性質(zhì)r物理工程性質(zhì)水理力學(xué)巖石

2、與巖體的區(qū)別：j巖石：均質(zhì)、連續(xù)、各向同性（巖體：非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異性巖體力學(xué)性質(zhì)獲取的方式：j現(xiàn)場試驗：真實、費時、費錢（室內(nèi)試驗：不易取樣、代表性差問題：1. 結(jié)構(gòu)計算與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系?2. 隧道結(jié)構(gòu)計算的難點？4.1隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)1、巖體的變形特性覺抗、覺壓、剪切、流變問題：巖體能受拉嗎?1）受壓變形巖石：線性、彈性軟弱結(jié)構(gòu)面：非線性、塑性巖體：彈塑性體，見下圖。2LJi/lU/ly舉（北京）地下工程系#4.1隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)2)剪切變形(1) 沿結(jié)構(gòu)面滑動(2) 巖石的斷裂(3) 在結(jié)構(gòu)面的影響下沿巖石剪斷下系2UJ6/JO/J64.1隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)3）

3、流變冷性蠕變:指應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時間增長。松弛:應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時間而衰減圍巖流變特性對隧道的影響?C=1問題二松他曲線©4-2巖體的流變2、巖體強度巖石強度：通過試件獲得。巖體強度：低于巖石強度，約為巖石強度的7080%。，下工«系4.2隧道圍巖的穩(wěn)定性4.2.1研究圍巖穩(wěn)定性的意義圍巖的穩(wěn)定性：隧道開挖后，在不支護條件下圍巖的穩(wěn)定性。問題：什么是隧道工程的頭等大事?研究圍巖的穩(wěn)定性，如何促使圍巖穩(wěn)定。圍巖級別的工程作用: 判斷圍巖穩(wěn)定性。 判斷施工難易程度，投資依據(jù)。 結(jié)構(gòu)分析計算的依據(jù)2DJi/JO/J6業(yè)大學(xué)（北京）地下工程系#勇4.2隧道圍巖的穩(wěn)定性422影響

4、圍巖穩(wěn)定性的因素地質(zhì)因素客觀因素人為因素主觀因素、工程因素（北京）地下工程系121v地質(zhì)因素從5個方面來分析：（1）巖體結(jié)構(gòu)特征（2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合巖石的力學(xué)性質(zhì)地下水的影響圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)于曰曠乂尢少（北宮）#4.2隧道圍巖的穩(wěn)定性巖體結(jié)構(gòu)特征指巖體的破碎程度或完整狀態(tài)。破碎程度：裂隙率、裂隙間距。裂隙是廣義的：包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結(jié)構(gòu)面。完整狀態(tài)：整塊狀、大塊狀等。按這2個指標(biāo)有嚴j土體巖體松散狀松軟狀整體塊大塊體塊石狀碎石塊土石塊d1.0cmd=0.4-l.0cmd=0.2-0.4cmd<0.2cm歸入土類d為裂鋒間距結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間組合性質(zhì)1）結(jié)構(gòu)面的成因;2D

5、Ji/JO/J6212)結(jié)構(gòu)面的光滑程度;3）結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成;4）結(jié)構(gòu)面的規(guī)模；5)結(jié)構(gòu)面的密集度?？臻g組合指結(jié)構(gòu)面的相互位置狀態(tài)。問題：軟弱結(jié)構(gòu)面有怎樣的害處?什么是不利空間組合？6flasA(3) 巖石的力學(xué)性質(zhì)主要指巖石的單軸飽和極限抗壓強度。巖石強度越高,隧道越穩(wěn)定。4.2隧道圍巖的穩(wěn)定性(4) 圍巖的初應(yīng)力狀態(tài)初始應(yīng)力是隧道圍巖變形.破壞的根本作用力。已初步將初始應(yīng)力考慮進圍巖分級之中。在高的初始應(yīng)力場條件下，圍巖級別應(yīng)適當(dāng)降低。2DJi/JO/J6業(yè)大學(xué)(北京)地下工程系#4.2隧道圍巖的穩(wěn)定性(5) 地下水的影響軟化圍巖;減少層間摩阻力促使巖塊滑動;具膨脹性的圍巖,遇水后產(chǎn)生膨

6、脹等。2DJi/JO/J6業(yè)大學(xué)(北京)地下工程系4.2隧道圍巖的穩(wěn)定性2、人為因素（1）隧道形狀和尺寸（2）支護結(jié)構(gòu)類型（3）施工方法25FA4.3圍巖分級4.3.1概述巖分級：根據(jù)巖體的若干指標(biāo)，按照穩(wěn)定性將巖分成不同的級別。工程目的：(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)(2) 施工方法依據(jù)(3) 工程造價依據(jù)巖分級的發(fā)展過程=土石分類法單一因素分類法綜合物性分類法于曰曠乂尢少（北宮）29其它分級法:與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分類法組合多因素分類法總結(jié)：早期僅巖石強度；現(xiàn)在綜合多種因素，如巖體構(gòu)造、巖石強度、RQD指標(biāo)等。4.3圍巖分級4.3.2圍巖分級方法3個基本因素： 巖性：抗壓強度、彈性模量、彈性波速等

7、。 地質(zhì)構(gòu)造：巖體完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 地下水：地下水發(fā)育時，圍巖級別應(yīng)降低。1個附加因素： 初始地應(yīng)力：適當(dāng)考慮。£5314.3圍巖分級（一）以巖石強度或巖石的物性指標(biāo)為代表的分級法1.以巖石強度為基礎(chǔ)的分級法代表：土石分類法堅石.次堅石.松石、土。2.以巖石物性指標(biāo)為基礎(chǔ)的分級法代表：巖石堅固性系數(shù)（f值）分級法普氏法f值:一個綜合的物性指標(biāo)值，如巖石的抗鉆性.抗爆性.強度等。但核心還是巖石強度。(-)以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分級方法代表:泰沙基法考慮圍巖的完整狀態(tài)和巖性，共9級。我國交通隧道圍巖分級法借鑒了泰沙基法,LTJ考慮巖體綜合物性，共6級。2UJ6/JO/J6

8、3;5354.3圍巖分級（三）與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級方法代表:彈性波速分級法波速是反映巖性與巖體結(jié)構(gòu)的_項綜合指標(biāo)，波速越高,巖越好。波速Kv>0.750.750.550.35<0.150.550.350.15完整性完整較完整破碎較破碎極破碎巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD指標(biāo)也是反映巖性與巖體結(jié)構(gòu)的一項綜合指標(biāo)。RQD指標(biāo)的具體含義為巖芯復(fù)原率：RQD=1%加以上的巖心累計長度x1°%鉆孔總長度R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5Rv0.25優(yōu)良好差很差表中R為RQD指標(biāo)。于曰曠乂尢少（北宮）37（四）組

9、合多種因素的分級方法代表：巖體質(zhì)量分級法巴頓等人提出的"巖體質(zhì)量一”分級法。表達如下:組合了6個參數(shù):巖石質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理組數(shù)目、節(jié)理粗糙度、節(jié)理蝕變值、節(jié)理含水折減系數(shù)、應(yīng)力折減系數(shù)。2UJ6/JO/J6£5#4.3圍巖分級iLJi/lD/lu39成昆線，五類。首部鐵路隧道規(guī)范，六類。加入圍巖彈性波速指標(biāo)。采用國標(biāo)分級排序，改稱“圍巖伍）我國鐵路與公路隧道的圍巖分級方法1.鐵路隧道沿革巖體綜合分類60年代，隧道圍巖分類74年版，隧道圍巖分類86年版，隧道圍巖分級99年版，分級”，六級。隧道圍巖分級2001年版，不變。隧道圍巖分級2005年版，不變。4.3圍巖分級2DJi/J

10、O/J6業(yè)大學(xué)（北京）地下工程系#（2）分級的理論基礎(chǔ)以圍巖的穩(wěn)定性判斷為基礎(chǔ)。屬于“以巖體構(gòu)造和巖性特征為代表汀的分級方法。巖石堅硬程度基本分級主要考慮4種因素:巖完整狀態(tài) 地下水 圍巖初始地應(yīng)力1，修正基本分級基本分級修正基本分級最終分級4.3圍巖分級（3）基本分級依據(jù)：圍巖主要工程地質(zhì)條件，由兩條組成: 巖石堅硬程度軟硬巖分界指標(biāo)：30MpaRb>30硬巖5<Rb<30軟巖Rb<5極軟巖 圍巖完整程度指標(biāo)結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度指標(biāo)2:地質(zhì)構(gòu)造影響程度由此兩指標(biāo)，將巖體完整程度分為5個級別，見下表:414.3圍巖分級巖體完整程度的劃分完整程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度地質(zhì)構(gòu)造影響程度完

11、整不發(fā)育輕微較完整較發(fā)育、不發(fā)育較重.輕微較破碎發(fā)育、較發(fā)育嚴重破碎極發(fā)育、發(fā)育極嚴重.嚴重極破碎極發(fā)育極嚴重2UI6/ID/I62UJ6/JO/J6£547(4)鐵路隧道圍巖分級基本分級+圍巖彈性縱波速度=鐵路隧道圍巖分級表(5)特點給出了單線隧道圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)。尚未考慮地下水和地應(yīng)力O（6）修正分級地下水地下水的3種處理方法: 分級時按無水考慮，而是根據(jù)地下水的狀態(tài)，適當(dāng)降低圍巖等級（12級）;分級時按有水考慮,當(dāng)確認圍巖無水則提高圍巖等級; 直接將地下水狀況（水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓力等）作為一個分級指標(biāo)。鐵路隧道分級按第1種方法處理:地下水狀態(tài)的分級表級別狀態(tài)滲水量

12、L/(min-10m)I干燥或濕潤<10n偶有滲水1025m經(jīng)常滲水25125地下水影響的修正圍巖基本分類地下水狀態(tài)分級inmIVVVIIinmIVVninIVVVImiiinIVVVI初始地應(yīng)力初始地應(yīng)力狀態(tài)主要現(xiàn)象評估基準（Rc/f）極高應(yīng)力1硬質(zhì)巖：開挖過程中時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差<42軟質(zhì)巖:巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時間長，不易成洞高應(yīng)力1硬質(zhì)巖：開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂紋較多，成洞性較差4-72軟質(zhì)巖：巖芯時有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移極顯

13、著，持續(xù)時間長，成洞性差初始地應(yīng)力影響的修正圍巖基本分級修正級別IIImIVV極高應(yīng)力IIIin或IVVVI高應(yīng)力IIImIV或VVI4.3圍巖分級兩點說明:設(shè)計階段:采用修正后的圍巖分級。施工階段：根據(jù)實際情況，進一步判定圍巖分級，依據(jù)仍然是:巖石堅硬程度圍巖完整狀態(tài)地下水初始地應(yīng)力2UI6/ID/I6地下系404.3圍巖分級2.公路隧道初步分級相當(dāng)于鐵路的基本分級依據(jù)：圍巖主要定性特征該特征由兩個基本因素組成：巖石堅硬程度&（即強度）巖體完整性山（即彈性波速）推出圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ=90+3Rc+250Kv2DJi/JO/J6業(yè)大學(xué)（北京）地下工程系53詳細分級相當(dāng)于鐵路的修正分

14、級修正BQ值：當(dāng)有以下3方面影響時，應(yīng)予修正: 地下水K 軟弱結(jié)構(gòu)面（比鐵路多此條）k2 高初始地應(yīng)力K3BQ=<JEBQ<=BQ-100(K1+K2+K3)K%各值可查公路隧道規(guī)范附錄A.0.2-1A.0.2-34.3圍巖分級(3) 公路隧道圍巖分級根據(jù)以上對分級因素和指標(biāo)，公路隧道圍巖分級將圍巖分為六級;R.Q.D、巖體彈性波(縱波)速度、巖體完整性系數(shù)的分級法。2心/"55(3)公路隧道圍巖分級級參數(shù)InmIVVVIRQD(%)>9585-75758650752550<25BQ>550550451450-351350-251<250Vp(km

15、/s)>4.53545254.0153.01.02.0<1.0(飽和粘土)I0.8-1.00.6080.40.60204<0.24.3圍巖分級（六）問題及研究方向1問題指標(biāo)定性的多、定量的少。如何做到準確、方便、好用？2研究發(fā)展物探手段，增加定量指標(biāo)。發(fā)展分析理論模糊數(shù)學(xué)圍巖分級；隧道位移圍巖分級；人工智能專家系統(tǒng)圍巖分級等。571v什么是圍巖壓力?定義：圍巖壓力：是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護變形或破壞的作用力。它包括由地應(yīng)力引起的圍巖應(yīng)力以及圍巖變形受阻而作用在支護結(jié)構(gòu)上的作用力。從狹義上來理解,圍巖壓力是指圍巖作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力。在工程中一般研究狹義的圍巖壓力。

16、2心/"#2UJ6/JO/J6£559分類：按作用力發(fā)生形態(tài)分為:/松散壓力：形變壓力:膨脹壓力:/沖擊壓力:2UJ6/JO/l6#2、圍巖松散壓力的產(chǎn)生up開挖隧道所引起的圍巖松動和破壞的范圍有大有小，對于一般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅局限在隧道周圍一定深度，作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖松散壓力遠遠小于其上覆巖層自重所造成的壓力，這可用圍巖的“成拱作用”來解釋。(b)松動階段亠=nnn一B(d)成拱階段f二一二二二2DJi/JO/l6612DJi/JO/J6煜邂北畝）弊69圍巖松動壓力的形成階段:變形階段：隧道開挖后，在圍巖應(yīng)力重分變形階段布過程中，頂板開始沉陷，并出現(xiàn)

17、拉斷裂紋。松動階段：頂板的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開,由于結(jié)構(gòu)面切割等原,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗蓜?。松動階段坍塌階段：頂板巖體視其強度的不同而逐步坍塌。坍塌階段成拱階段：頂板塌落停止，達到新的平衡,此時其界面形成一近似的拱形。坍塌階段2UJi/J0/1671自然拱的范圍的大小除受上述的圍巖地質(zhì)條件、支護結(jié)構(gòu)架設(shè)時間、剛度以及它與圍巖的接觸狀態(tài)外，還取決于以下諸因素:(1) 隧道的形狀和尺寸：隧道拱圈越平坦,跨度越大，則自然拱越高，圍巖松散壓力也越大;(2) 隧道的埋深：實踐證明，只有當(dāng)隧道埋深超過某一臨界值時，才有可能形成自然拱。習(xí)慣上稱這種隧道為深埋隧道，否則為淺埋隧道。(3) 施工因素：如爆破所產(chǎn)生的震動

18、，常常是引起塌方的重要原因之一，造成圍巖壓力過大,ZJ又如分部開挖多次擾動圍巖，也會引起圍巖失穩(wěn),加大自然拱范圍2k1：J礦業(yè)大學(xué)（北京）地下工程系圍巖壓力的確定，大學(xué)（北京）地下工程系57地下系582UI6/ID/I62UJ6/JO/J6813、圍巖壓力的確定方法圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法:直接量測法經(jīng)驗法或工程類比法理論估算法直接量測法：是一種切合實際的方法，對隧道工程而言，也是研究發(fā)展的方向；但由于受量測設(shè)備和技術(shù)水平的制約，目前還不能普遍常用。經(jīng)驗法或工程類比法：是根據(jù)大量以前工程的實際資料的統(tǒng)計和總結(jié)，按不同圍巖分級提出圍巖壓力的經(jīng)驗數(shù)值，作為后建隧道工程確定圍巖壓力的依據(jù)

19、的方法。是目前使用較多的方法。理論估算法：是在實踐的基礎(chǔ)上從理論上研究圍巖壓力的方法。由于地質(zhì)條件的不確定性，影響圍巖壓力的因素多，企圖建立一種完善的和適合各種實際情況的通用圍巖壓力理論及計算方法是困難的。(3)圍巖壓力的現(xiàn)場量測現(xiàn)場實測圍巖壓力的方法很多，可歸納為兩類：ZJ直接量測間接量測Ji/JD/J6于曰曠乂尢少(北宮)832DJi/JO/J6煜邂北畝）弊87直接量測：主要采用儀器為壓力盒、壓力傳感器等設(shè)備。壓力盒按工作原理分為以下三類: 機械作用式 電測式 液壓式目前使用較多的是鋼弦式壓力盒。鋼弦式測試技術(shù)屬于"非電量電測法”的范疇，測試工作系統(tǒng)一般由鋼弦式傳感器和鋼弦頻率測

20、定儀組成O測試系統(tǒng)如圖：鋼弦式傳感器的基本原理由鋼弦內(nèi)應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)化為鋼弦振動頻率的變化。鋼弦應(yīng)力和振動頻率的關(guān)系如下：CT八丄2L式中為鋼弦振動頻率厶為鋼弦的長度p為鋼弦的密度b為鋼弦所受的張拉應(yīng)力1一量測薄膜2底座鼻3-鋼弦來緊裝置.4佚5電磁線圈6封蓋.7鋼弦卡8塞子»豺線WMi10防水材料11電歟幾2鋼弦支地下系#2LJi/lU/ly4.4圍巖壓力的確定(X¥44)型雙膜壓力盒鋼弦式土壓力傳扇尋最適用于市政工程.機豳道基此鐵路.壩體.省土埴、地下鐵道.英道.連壤墻-地下熱力管道礦山等工程的疫線壓力和基克壓力的長髯現(xiàn)測中.該產(chǎn)品也可以和逓清素配套使用。瀝清It遼明見注

21、型號.名稱主要技術(shù)指際MM型壓輯暢謨土壓力傳感器01020304050.60B1.0.15,20.2.5.10.50608.0外里：4>I14x3?(rrm)兩非址t1.5«FS_(2) 重復(fù)性W上0.5%FS.(3) 滯后JQ5賤S.W分解率0紐5.笛1潢量程愛出董4如206)溫度漂»0.1%FAC零點漂務(wù)0.5Sm浪度范H-10-60鞍蜒5XMQ2UJi/JO/16地下系93(a)舉膜式1一承壓板;2-底座;3鋼弦夾;4一鐵芯泊一電磁線圈i封蓋汀一鋼弦潰一塞;X引線管;10防水涂料；11-電纜J2鋼弦架；13拉緊因定螺栓4.4圍巖壓力的確定DC-5型振弦讀數(shù)儀WB

22、WMB*«*«自DC-5型振弦讀數(shù)僅是鋼弦式傳感養(yǎng)使用的拿上型袖證式儀脣：WV"荃夷弦儀是仿羌背帝式仗器円9該類儀鉛適用于水.電九鐵道交通.冶金舷.市敢諄部門衽水壩.隧道處哥-橋袈.礦井等建就豹中的量雷便用.:璽號盤_主要枝案指際|DC-5S(1)工荒電匣：DO3-6V淸耗電S：5nA(平埒值;(3)清量范凰解(F)500KXMHZ(F)星示值：102潘矍精廈1Q嘶(5)髓聿可讀費業(yè)16：101HZ瑋肯號230QJV,慈續(xù)討閭500mSm毎點平均離時同；1&環(huán)境溢度：-5048匸：(»相對涅度5卷J2UJ6/JO/J671（北京）地下工程系J4?

23、f/Ji/JD/J6于曰曠乂尢少（北宮）724.4圍巖壓力的確定2UJi/lU/l6地下系732Uli/JU/l6奪舊：丁竺尢學(xué)（北禺地下系742心/U/M地下系1034.4圍巖壓力的確定76地下系2UJi/lU/l6間接量測：利用量測隧道襯砌的應(yīng)變、變形來推算作用在其上的圍巖壓力的方法，即間接量測法。如電阻應(yīng)變片、鋼筋應(yīng)變計、遙測應(yīng)變計、混凝土應(yīng)變磚等。CY-XZ-EJC(XJHTSPC)型埋入式混;g土應(yīng)變傳感器aM.IMIOBI«|MBM*«Hp««»«Ml«4HB<»«*«»«MT«»«»MM