隧道圍巖分級與應(yīng)用

1、.WD.WD.WD.第三節(jié) s 隧道圍巖分級及其應(yīng)用隧道圍巖分級是正確進展隧道設(shè)計與施工的根基。一個合理的、符合地下工程實際情況的圍巖分級，對于改善地下構(gòu)造設(shè)計、開展新的隧道施工工藝、降低工程造價、多快好省地修建隧道有著十分重要的意義。近年來，由于各種類型地下工程的大量修建，隧道圍巖分級的研究也得到了很大的開展，出現(xiàn)了各種各樣不同的圍巖分類；但都是為一定的工程目的服務(wù)的。如提供選擇施工方法的根據(jù)和開挖的難易程度，確定構(gòu)造上的荷載或給出隧道臨時支撐與襯砌構(gòu)造的類型和參考尺寸等。人們對圍巖及其自然規(guī)律的認識是不斷深化的，因此，對圍巖分類也有一個開展過程。在早期，從國外情況來看，如日本，最初主要借用

2、適合于土石方工程的“國鐵土石分類來進展隧道的設(shè)計與施工，主要是根據(jù)開挖巖土體的難易程度強度來劃分的。前蘇聯(lián)在很長的時期內(nèi)采用以巖石的穩(wěn)固性來分類，采用一個綜合注的指標f值，稱為巖石穩(wěn)固性系數(shù)。理論上穩(wěn)固性是巖體抵抗任何外力作用及其造成破壞的能力，不同于強度和硬度，而實際上只反映巖石抗壓強度的性能，很少考虜巖體的構(gòu)造特征。在英、美等國，主要沿用泰沙基K，Terzaghi提出的分級法，其中考慮到一些巖體的構(gòu)造和巖性等影響，比較好地反映隧道圍巖的穩(wěn)定狀況。目前美國也有用巖石質(zhì)量指標RQD或隧道圍巖在不支護條件下，暫時穩(wěn)定的時間作為分級依據(jù)。我國五十年代初期，鐵路隧道圍巖分級， 基本上是沿用解放前的以

3、巖石極限抗壓強度與巖石天然容重為根基，這種分級僅運用上石方工程的土石分級法，沒有適合隧道圍巖的專門分類，只是把隧道圍巖分為堅石、次堅石、松石及土質(zhì)四類。 以后，借用蘇聯(lián)的巖石穩(wěn)固系數(shù)進展分類，即通常所謂的普氏系數(shù)f值。在長期大量的地下工程實踐中發(fā)現(xiàn)：這種單純以巖石穩(wěn)固性主要是強度指標為根基的分類方法，不能全面反映隧道圍巖的實際狀態(tài)。逐漸認識到：隧道的破壞，主要取決于圍巖的穩(wěn)定性，而影響圍巖穩(wěn)定性的因素是多方面的，其中隧道圍巖構(gòu)造特征和完整狀態(tài)，是影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素。隧道圍巖體的強度，對隧道的穩(wěn)定性有著重要的影響，地下水、風(fēng)化程度也是隧道圍巖喪失穩(wěn)定性的重要原因。從圍巖的穩(wěn)定性出發(fā)，197

4、5年編制了我國“鐵路隧道圍巖分類，這個分類由穩(wěn)定到不穩(wěn)定共分六類，代替了多年沿用的從巖石穩(wěn)固性系數(shù)來分級的方法。我國公路隧道圍巖分級起步較晚，隨著我國經(jīng)濟的開展，公路交通得到較大的開展，大量的公路隧道修建，需要有一個適合我國工期的公路隧道圍巖分級，于1990年，根據(jù)我國鐵路隧道的圍巖分級為根基，編制了我國“公路隧道圍巖分級。從國外圍巖分級的開展趨勢看，圍巖分級主要以隧道穩(wěn)定性分級為主，且從對巖石的分級逐漸演變到對巖體的分級；從按單參數(shù)分級轉(zhuǎn)變到按多參數(shù)分級，并逐漸向多參數(shù)組成的綜合指標法演變；從經(jīng)歷性很強的分級逐步過渡到半經(jīng)歷、半定量分級和定量化分級，并將圍巖分級與巖體力學(xué)的開展相聯(lián)系，隨著巖

5、體力學(xué)的開展，這一趨勢更為明顯。在多參數(shù)綜合分級法中， 基本采用和差法或積商法。圍巖分級方法是隨著地質(zhì)勘查方法的進步而快速開展的。圍巖分級方法與隧道構(gòu)造設(shè)計標準化、施工方法標準化的聯(lián)系越來越密切。土質(zhì)圍巖分級方法逐步與巖質(zhì)圍巖分級方法別離，將會形成專門土質(zhì)圍巖分級方法。從國內(nèi)圍巖分級的開展趨勢看，從1975年以后，我國隧道圍巖分級方法的開展 基本與國際同步，主要以隧道穩(wěn)定性進展分級，并在已公布的國標和部標中表達了這一成果。此外，我國隧道圍巖分級中更加重視施工階段圍巖級別的修正，即根據(jù)施工階段獲得的圍巖分級信息對設(shè)計階段的預(yù)分級進展修正。我國隧道圍巖分級方法主要采用兩個步驟：第一步以 基本指標進

6、展 基本分級；第二步用修正指標對 基本級別進展修正，最終獲得修正后的圍巖級別。我國巖質(zhì)圍巖分級方法主要采用定量和定性相結(jié)合的方法；土質(zhì)圍巖采用定性分級方法，分級指標采用描述性語言。我國隧道圍巖分級主要分為六級，其中巖質(zhì)圍巖為-級，土質(zhì)圍巖-級。但與國際上有重要影響的圍巖分級方法比，分級級數(shù)偏少。除鐵路隧道圍巖分級方法與隧道構(gòu)造設(shè)計標準化、施工方法標準化的聯(lián)系較嚴密外，其它國標和部標中，圍巖分級方法與隧道構(gòu)造設(shè)計標準化、施工方法標準化的聯(lián)系還不夠嚴密。一、隧道圍巖分級的因素指標及其選擇圍巖分級的指標，主要考慮影響圍巖穩(wěn)定性的因素或其組合的因素，大體有以下幾種：1單一的巖性指標一般有巖石的抗壓和抗

7、拉強度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)；巖石的抗鉆性、抗爆性等工程指標。在一些特定的分級中，如確定鉆眼成效、炸藥消耗量等，土石方工程中劃分巖石的軟硬、開挖的難易，均可采用巖石的單一巖性指標進展分級。一般多采用巖石的單軸飽和極限抗壓強度作為 基本的分級指標，具有試驗簡單，數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點。但單一巖性指標只能表達巖體特征的一個方面，用來作為分級的唯一指標是不適宜的。如老黃土地層，在無水的條件下，強度雖然低，但穩(wěn)定性卻很高。2單一的綜合巖性指標以單一的指標，反映巖體的綜合因素。這些指標包括：1巖體的彈性波傳播速度彈性波傳播速度與巖體的強度和完整性成正比，其指標反映了巖石的力學(xué)性質(zhì)和巖體的軟硬、破碎程度的綜合因

8、素。我國1986年施行的“鐵路隧道設(shè)計標準中將彈性波(縱波)速度引入隧道圍巖分級中，將圍巖分為6級(表4-2)。表4-2 彈性波(縱波)速度分級圍巖類別彈性波速(km/s)4.53.54.52.54.01.53.01.02.01.0(飽和土1.5)2巖石質(zhì)量指標RQD是綜合反映巖體的強度和巖體的破碎程度的指標。所謂巖石質(zhì)量指標是指鉆探時巖心復(fù)原率，或稱為巖芯采取率。鉆探時巖芯的采取率、巖芯的平均和最大長度是受巖體原始的裂隙、硬度、均質(zhì)性的影響的，巖體質(zhì)量的好壞主要取決于巖芯采取長度小于10cm以下的細小巖塊所占的比例。因此，巖芯采取率是以單位長度鉆孔中10cm以上的巖芯占有的比例來判斷的。即R

9、QD10cm以上巖芯累計長度1004-8單位鉆孔長度巖石質(zhì)量指標分級認為：RQD90為優(yōu)質(zhì)； 75 RQD 90為良好； 50 RQD 75為好； 25 RQD 50為差；RQD 25為很差。3圍巖的自穩(wěn)時間圍巖自穩(wěn)時間也被認為是綜合巖性指標。隧道開挖后，圍巖通常都有一段暫時穩(wěn)定的時間，不同的地質(zhì)環(huán)境，自穩(wěn)時間是不同的，勞費H.Lauffer認為隧道圍巖的自穩(wěn)時間ts可用下式表示：ts=常數(shù)L(1)4-9式中：L隧道未支護地段的長度(m)；視圍巖情況在01之間變化，好的巖體可取=0；極差的=1。勞費H.Lauffer根據(jù)圍巖的自穩(wěn)時間和未支護地段的長度，將圍巖分為： 穩(wěn)定的、易掉塊的、極易掉塊

10、的、破碎的、很破碎的、有壓力的、有很大壓力的七級。具體的取值標準可參考有關(guān)專著。單一綜合巖性指標一般與地質(zhì)勘察技術(shù)的水平有關(guān)，因此，其應(yīng)用受到一定的限制。3.復(fù)合指標是一種用兩個或兩個以上的巖性指標或綜合巖性指標所表示的復(fù)合性指標。1Q復(fù)合指標分級Q復(fù)合指標分級是巴頓N.Barton等人提出的巖體質(zhì)量Q指標，Q綜合表達了巖體質(zhì)量的六個地質(zhì)參數(shù)，見下式：QRQD/Jh(Jr/Ja)(Jw/SRF)4-10式中：RQD巖石質(zhì)量指標，其取值方法見式4-8；Jh節(jié)理組數(shù)目，巖體愈破碎，Jh取值愈大，可參考以下經(jīng)歷數(shù)值； 沒有或很少節(jié)理，Jh0.51.0； 兩個節(jié)理組時，Jh4； 破碎巖體時，Jh20。

11、Jr節(jié)理粗糙度，節(jié)理愈光滑，Jr取值愈小，可參考以下經(jīng)歷數(shù)值； 不連續(xù)節(jié)理，Jr4； 平整光滑節(jié)理，Jr0.5等。Ja節(jié)理蝕變值，蝕變愈嚴重，Ja取值愈大，可參考以下經(jīng)歷數(shù)值； 節(jié)理面嚴密結(jié)合，節(jié)理中填充物堅硬不軟化，Ja0.75； 節(jié)理中填充物是膨脹性粘土，如蒙脫土，Ja812等。Jw節(jié)理含水折減系數(shù)，節(jié)理滲水量愈大，水壓愈高，Jw取值愈小，可參考以下經(jīng)歷數(shù)值；微量滲水，水壓90Kv+30時，應(yīng)以Rc=90Kv+30代入(4-12)式計算BQ值；當Kv0.04Rc+0.4時，應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4代入(4-12)式計算BQ值。在計算出BQ 的值以后，可以根據(jù)表4-5對巖體 基本質(zhì)量進

12、展分級。表4-5巖體 基本質(zhì)量分級 基本質(zhì)量級別巖體 基本質(zhì)量的定性特征堅硬巖,巖體完整堅硬巖,巖體較完整;較堅硬巖,巖體完整堅硬巖,巖體較破碎;較軟巖,巖體完整堅硬巖,巖體破碎;較堅硬巖,巖體較破碎破碎較軟巖,巖體破碎;軟巖,巖體較破碎破碎 基本質(zhì)量指標BQ 5504513515504513502511.0好或一般節(jié)理、裂隙、層面為原生型或構(gòu)造型密閉整體狀或巨厚層構(gòu)造較完整121.0差節(jié)理、裂隙、層面呈X形，較規(guī)那么，以構(gòu)造型為主，多數(shù)為密閉局部微張，少有充填物塊狀或厚層狀構(gòu)造231.00.4好或一般塊狀構(gòu)造較破碎231.00.4差節(jié)理、裂隙、層面、小斷層不規(guī)那么，呈X形或米字形；以構(gòu)造型或

13、風(fēng)化型為主，大局部張開，局部有充填物裂隙塊狀或中厚層構(gòu)造30.40.2好鑲嵌碎裂構(gòu)造一般中、薄層狀構(gòu)造破碎30.40.2差各種類型構(gòu)造面以風(fēng)化型和構(gòu)造型為主，微張或張開，均有充填物裂隙塊狀構(gòu)造0.2一般或差破碎狀構(gòu)造極破碎無序很差散體狀構(gòu)造表4-7圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響程度等級劃分等級地質(zhì)構(gòu)造作用特征輕微圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動小，無斷裂(層)；層狀巖一般呈單斜構(gòu)造；節(jié)理不發(fā)育較重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動較大，位于斷裂(層)或褶曲軸的鄰近地段，可有小斷層，節(jié)理較發(fā)育嚴重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動強烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內(nèi)；軟巖多見扭曲及拖拉現(xiàn)象；節(jié)理發(fā)育很嚴重位于斷裂破碎帶內(nèi)，節(jié)理很發(fā)育；巖體破碎呈碎石、角礫狀，有的

14、甚至呈粉末、土狀(2)巖石強度將巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖按巖性、物理力學(xué)參數(shù)、耐風(fēng)化能力和作為建筑材料的要求劃分為硬質(zhì)巖石及軟質(zhì)巖石二級，依飽和抗壓極限強度Rc與工程的關(guān)系分為四種，其標準及代表性巖石見表4-8；當風(fēng)化作用使巖石成分改變、強度降低時，應(yīng)按風(fēng)化后之強度確定巖石等級。表4-8巖石等級劃分巖石等級飽和抗壓極限強度Rc(MPa)耐風(fēng)化能力代表性巖石程度現(xiàn)象硬質(zhì)巖石堅硬巖60強暴露后1、2年尚不易風(fēng)化1花崗巖、閃長巖、玄武巖等巖漿巖類2硅質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的礫巖及砂巖、石灰?guī)r、白云巖等沉積巖類3片麻巖、石英巖、大理巖、板巖、片巖等變質(zhì)巖類較堅硬巖6030軟質(zhì)巖石較軟巖3015弱暴露后數(shù)日至數(shù)月即

15、出現(xiàn)風(fēng)化殼1凝灰?guī)r等噴出巖類2泥礫巖、泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)頁巖、灰質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r、泥巖、劣煤等沉積巖類3云母片巖和干枚巖等變質(zhì)巖類軟巖155極軟巖5(3)圍巖 基本質(zhì)量指標BQ根據(jù)上述巖石堅硬程度和巖體完整程度兩個 基本因素的定性、定量特征，根據(jù)式4-12確定圍巖 基本質(zhì)量指標BQ，并由此對圍巖進展初步分級。其中，巖體完整程度的定量指標用巖體完整系數(shù)Kv表達。Kv一般用彈性波探測之，如無探測值時，可用巖體體積節(jié)理數(shù)Jv按表4-9確定對應(yīng)的Kv。此外，Kv與定性劃分巖體完整程度的對應(yīng)關(guān)系可按表4-10確定。表4-9 Jv與Kv對照表Jv條/m333101020203535Kv0.750.750.550

16、.550.350.350.150.15表4-10 Kv與定性劃分巖體完整程度的對應(yīng)關(guān)系Kv0.750.750.550.550.350.350.15550II堅硬巖(Rb30MPa)，巖體較完整，塊狀或厚層狀構(gòu)造較堅硬巖，巖體完整，塊狀整體構(gòu)造550451III堅硬巖，巖體較破碎，巨塊石碎(石)狀鑲嵌構(gòu)造較堅硬巖或較軟硬質(zhì)巖，巖體較完整，塊狀體或中厚層狀構(gòu)造450351IV堅硬巖，巖體破碎，碎裂(石)構(gòu)造較堅硬巖，巖體較破碎破碎，鑲嵌碎裂構(gòu)造較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整較破碎，中薄層狀構(gòu)造350251土體：1壓密或成巖作用的粘性土及砂性土2黃土(Q1，Q2)3一般鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的

17、碎、卵石土、大塊石土V較軟巖，巖體破碎軟巖，巖體較破碎破碎極破碎各類巖體，碎、裂狀、松散構(gòu)造250一般第四系的半干硬硬塑的粘性土及稍濕至潮濕的一般碎、卵石土、圓礫、角礫土及黃土(Q3 、Q4)。非粘性土呈松散構(gòu)造，粘性土及黃土呈松軟構(gòu)造VI軟塑狀粘性土及潮濕、飽和粉細砂層、軟土等公路隧道圍巖分級表中“級別和“圍巖主要定性特征欄，不包括特殊地質(zhì)條件的圍巖，如膨脹性圍巖、多年凍土等。層狀巖層的層厚劃分為：厚層：大于0.5m；中層：0.10.5m；薄層：小于0.1m。4.隧道施工圍巖分級圍巖分級的重要開展趨勢是加強施工階段圍巖級別的判定。因為，只有施工階段的判定才是最直接、最可靠的判定，由于施工后的

18、隧道地質(zhì)狀態(tài)已充分暴露，這給圍巖級別的判定創(chuàng)造了極好的條件，因此，施工階段圍巖級別的判定是一個重要而現(xiàn)實的問題。施工階段圍巖分級的評定因素采用圍巖堅硬程度、圍巖完整性程度、和地下水狀態(tài)三項因素，細分為十三個子因素，見圖4-8。施工階段圍巖分級因素圍巖堅硬程度圍巖完整程度地下水狀態(tài)極硬巖硬巖軟巖極軟巖土砂完整較完整較破碎破碎極破碎偶有涌水經(jīng)常涌水枯燥或潮濕圖4-8 施工階段圍巖分級的評定因素在三個因素中，最困難的是圍巖完整性程度的評定，因此研究的重點是如何根據(jù)掌子面的地質(zhì)數(shù)據(jù)評價圍巖的完整程度。由于隧道開挖，掌子面的地質(zhì)狀態(tài)暴露無遺，為評定掌子面的穩(wěn)定，提供了充分的根基。根據(jù)對國內(nèi)外施工階段圍巖

19、分級的調(diào)查，應(yīng)采用多種方法對圍巖完整程度進展分級，采用定性和定量相結(jié)合的方法，如可采用圖4-9的指標，對圍巖完整程度進展劃分。指標可參考有關(guān)專著。風(fēng)化程度完整性地質(zhì)構(gòu)造影響程度地質(zhì)構(gòu)造面間距延展性粗糙性張開性其他SHAPE * MERGEFORMAT圖4-9 施工階段圍巖分級完整程度的分級指標四、我國鐵路隧道圍巖分級2005年公布實施的最新?鐵路隧道設(shè)計標準?TB10003-2005的圍巖分級方法是在1975年鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性分類法以及85年版、2001年版標準根基上提出的，并與國標?工程巖體分級標準?GB50218-94接軌，考慮了巖石的堅硬程度和巖體的完整性，結(jié)合了地下水和地應(yīng)力狀態(tài)的修

20、正因素。從過去的圍巖分類改稱圍巖分級，分為I VI級，圍巖穩(wěn)定性由好到差，與公路隧道圍巖分級類似。鐵路隧道圍巖級別可按表4-15綜合確定。表4-15 鐵路隧道圍巖分級圍巖級別圍巖主要工程地質(zhì)條件圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)單線圍巖彈性縱波速度vp(km/s)主要工程地質(zhì)條件構(gòu)造特征和完整狀態(tài)I極硬巖(飽和抗壓極限強度Rc60MPa)：受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微，節(jié)理不發(fā)育，無軟弱面(或夾層)；層狀巖層為巨厚層或厚層，層間結(jié)合良好，巖體完整呈巨塊狀整體構(gòu)造圍巖穩(wěn)定、無坍塌，可能產(chǎn)生巖爆4.5II硬質(zhì)巖(Rc30MPa)：受地質(zhì)構(gòu)造影響較重，節(jié)理較發(fā)育，有少量軟弱面(或夾層)和貫穿微張節(jié)理，但其產(chǎn)狀及組合關(guān)系不致產(chǎn)生滑動，層狀巖層為中層或厚層，層間結(jié)合一般，很少有別離現(xiàn)象，或為硬質(zhì)巖石偶夾軟質(zhì)巖石呈大塊狀砌體構(gòu)造暴露時間長，可能會出現(xiàn)局部小坍塌；側(cè)壁穩(wěn)定；層間結(jié)合差的平緩巖層，頂板易塌落3.54.5III硬質(zhì)巖(Rc30MPa)：受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重，節(jié)理發(fā)育，有層伏軟弱面(或夾層)，但其產(chǎn)狀及組合關(guān)系尚不