第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級課件

第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級（類）2.1概述2.2圍巖結(jié)構(gòu)分類及其破壞特征2.3圍巖的初始應力場2.4圍巖穩(wěn)定性影響因素及圍巖分級因素與指標2.5國內(nèi)外主要地下工程圍巖分類標準第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級（類）2.1概述2.2圍12.1概述地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的異同

同：均為結(jié)構(gòu)體系異：1、地面結(jié)構(gòu)一般由結(jié)構(gòu)和地基組成2、地下結(jié)構(gòu)由地層和支護結(jié)構(gòu)組成地層

地下結(jié)構(gòu)承受的荷載主要是結(jié)構(gòu)體系本身即地層，稱為地層壓力或圍巖壓力。

地層既承受荷載也是荷載的來源。

在地下結(jié)構(gòu)中，地層起主導作用。2.1概述地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的異同2

地質(zhì)環(huán)境

包括地層特征、地下水狀況、地層原始應力狀態(tài)等。

圍巖

開挖后應力發(fā)生重分布的地層。

地下工程圍巖的穩(wěn)定性

地層被挖成隧道等地下空間后的穩(wěn)定程度。穩(wěn)定性問題包括圍巖破壞或變形性演變規(guī)律、圍巖穩(wěn)定的影響因素、表征圍巖穩(wěn)定的指標和判定準則、分析圍巖穩(wěn)定性的方法等。地質(zhì)環(huán)境3圍巖的原始地應力

圍巖的變形與破壞的根本作用力。圍巖的原始地應力42.2圍巖結(jié)構(gòu)分類及其破壞特征

圍巖范圍

圍巖的邊界是不受開挖影響即開挖后位移為0的地方。圍巖范圍一般約為開挖斷面6至10倍的洞徑。圍巖的工程性質(zhì)：強度和變形。主要與巖體結(jié)構(gòu)、巖體的物理力學性質(zhì)、原始應力、地下水等有關。2.2圍巖結(jié)構(gòu)分類及其破壞特征圍巖范圍56

巖塊(rock或rockb1ock)是指不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石塊體，是構(gòu)成巖體的最小巖石單元體。巖塊稱為結(jié)構(gòu)體(structuralelement)、巖石材料(rockmaterial)及完整巖石(intactrock)等等。巖塊與巖體1、巖塊(rock或rockb1ock)6巖塊(rock或rockb1ock)是指不含顯著結(jié)構(gòu)面67

結(jié)構(gòu)面(structureplane)是指地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質(zhì)界面或帶，它包括物質(zhì)分界面和不連續(xù)面，如層面、不整合面、節(jié)理面、斷層、片理面等。國內(nèi)外一些文獻中又稱為不連續(xù)面(discontinuities)或節(jié)理(joint)。在結(jié)構(gòu)面中，那些規(guī)模較大、強度低、易變形的結(jié)構(gòu)面又稱為軟弱結(jié)構(gòu)面。2、結(jié)構(gòu)面(structureplane)7結(jié)構(gòu)面(structureplane)78結(jié)構(gòu)面的類型構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：受構(gòu)造應力作用所產(chǎn)生的破裂面次生結(jié)構(gòu)面：在外營力（如風化、卸荷、應力變化、地下水、人工爆破等）作用下而形成的結(jié)構(gòu)面原生結(jié)構(gòu)面：成巖過程中形成的結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面：層面、軟弱夾層不整合面巖漿結(jié)構(gòu)面：接觸面、蝕變帶原生節(jié)理

變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理、片巖夾層

節(jié)理、斷層、劈理以及層間錯動面

8結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：受構(gòu)造應力作用次生結(jié)構(gòu)面：在外營力（如風899910101011111112121213結(jié)構(gòu)面的等級：I級結(jié)構(gòu)面：大斷層、區(qū)域性斷裂帶；延伸數(shù)公里~數(shù)十公里，寬數(shù)十米~數(shù)百米。II級結(jié)構(gòu)面：較大斷層、區(qū)域性地質(zhì)界面；延伸數(shù)百米~數(shù)公里，寬數(shù)十厘米~數(shù)米。Ⅲ級結(jié)構(gòu)面：控制工程巖體穩(wěn)定的斷層、節(jié)理；延伸數(shù)十米~數(shù)百米，寬數(shù)厘米~1米左右。IV級結(jié)構(gòu)面：影響工程巖體穩(wěn)定的小斷層、裂隙；延伸20~30米，寬數(shù)厘米~數(shù)十厘米。V級結(jié)構(gòu)面：微結(jié)構(gòu)面，影響巖快的物理力學性質(zhì)。13結(jié)構(gòu)面的等級：I級結(jié)構(gòu)面：大斷層、區(qū)域性斷裂帶；II1314結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計分析裂隙的產(chǎn)狀、間距、寬度和面積

裂隙統(tǒng)計圖

14結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計分析裂隙的產(chǎn)狀、間距、寬度和面積裂隙統(tǒng)計1415巖體(rockmass)是指在地質(zhì)歷史過程中形成的，由巖石單元體(或稱巖塊)和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。

巖體結(jié)構(gòu)面巖塊不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面3、巖體(rockmass)15巖體(rockmass)是指在地質(zhì)歷史過程中形成1516巖體結(jié)構(gòu)包括兩個組成部分：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體16巖體結(jié)構(gòu)包括兩個組成部分：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體16171717182.2.1巖體結(jié)構(gòu)類型:

由于巖體中結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)、規(guī)模、切割密度等因素的不同，巖體的物理力學性質(zhì)也就不同。因此，有人就根據(jù)結(jié)構(gòu)面的等級和組合方式，把巖體結(jié)構(gòu)類型分成四個大類與九個亞類。

182.2.1巖體結(jié)構(gòu)類型:由于巖體中18第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級課件19整體結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形

塊狀和層狀結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)面的變形，巖體的破壞主要是沿軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動；碎裂和散體結(jié)構(gòu)巖體的變形，開始是將裂隙或孔隙壓密，隨后是結(jié)構(gòu)體變形，并伴隨著結(jié)構(gòu)面張開。整體結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形202121212222222.2.2圍巖的失穩(wěn)與破壞地下開挖后，巖體中形成一個自由變形空間，使原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形；如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動或巖爆，稱前者為變形，后者為破壞。2.2.2圍巖的失穩(wěn)與破壞地下開挖后，巖體中形成一個自由23地下工程圍巖失穩(wěn)破壞形態(tài)地下工程圍巖失穩(wěn)破壞形態(tài)24一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點

1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學強度和抗變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性介質(zhì)，應力應變呈近似直線關系。圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析。一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點1、整體狀和塊狀巖體圍巖25巖爆是高地應力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開裂出現(xiàn)在拉應力集中部位。塊體滑移是塊狀巖體常見的破壞形成。它是以結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開挖面的相對關系控制。堅硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙巖爆是高地應力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突26第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級課件272、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯動及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。變形破壞?？捎脧椥粤?、彈性板或材料力學中的壓桿平衡理論來分析。

2、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。28在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開裂。在傾斜層狀圍巖中，常表現(xiàn)為現(xiàn)為沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移等破壞形式，形成不對稱的塌落拱。將出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。在直立層狀圍巖中，當天然應力比值系數(shù)λ＜1/3時，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻則因壓力平行于層面，常發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，進而危及洞頂安全。在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下293、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風化破碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動。用松散介質(zhì)極限平衡理論來分析。在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入3、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風化30第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級課件314、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強烈構(gòu)造破碎、強烈風化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時，以拱頂冒落為主。當圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動巖體僅構(gòu)成局部圍巖時，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動等變形破壞形式。可用松散介質(zhì)極限平衡理論配合流變理論來分析。4、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強烈構(gòu)造破碎、強烈風化的巖體322.3圍巖的初始應力場

圍巖的初始應力場（原始地應力場）

由于巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用，在地下工程開挖前巖體中就已經(jīng)存在著一定的地應力場，稱之為圍巖的初始應力場。2.3圍巖的初始應力場圍巖的初始應力場（原始地應力場33圍巖二次應力場

洞室開挖后，部分地層的原始應力場發(fā)生變化，應力重新分布，形成的新的應力場稱為圍巖應力場。應力重新分布的地層稱之為圍巖。圍巖二次應力場342.3.1圍巖初始應力場的組成初始應力自重應力場構(gòu)造應力場形成與巖體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、埋藏條件及地質(zhì)構(gòu)造運動的歷史等有密切關系。2.3.1圍巖初始應力場的組成初自重應力場構(gòu)造應力場351、圍巖初始應力場的組成由自重應力場和構(gòu)造應力場組成。1）自重應力場指上覆巖體自重所產(chǎn)生的應力場，它是地心引力和離心慣性力共同作用的結(jié)果。2）構(gòu)造應力場指地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂所形成的地應力?？煞譃榛顒拥暮蜌堄嗟膬深悺?、圍巖初始應力場的組成1）自重應力場2）構(gòu)造應力場36

活動的構(gòu)造應力：是近期和現(xiàn)代地殼運動正在積累的應力，也是地應力中最活躍最重要的一種，常導致巖體的變形與破壞。地震的產(chǎn)生正是新構(gòu)造應力的反映。

殘余的構(gòu)造應力：是由古構(gòu)造運動殘留下來的應力，包括殘存在巖體中的應力以及原生內(nèi)應力。構(gòu)造應力場活動的構(gòu)造應力：是近期和現(xiàn)代地殼運動正在積累37382.3.2圍巖初始應力場的變化規(guī)律與影響因素

研究巖體的自重應力時，一般把巖體視為均勻、連續(xù)且各向同性的彈性體，因此可以引用連續(xù)介質(zhì)力學原理來探討巖體的自重應力問題。對于多層巖石：382.3.2圍巖初始應力場的變化規(guī)律與影響因素38

上述公式是理想情況下的自重應力計算公式。地面為水平面，地層為各向同性的半無限體。圍巖自重應力場的變化規(guī)律：（1）垂直方向的自重應力是隨深度成線性增加的。（2）水平應力總是小于垂直應力，最多也只能與其相等。上述公式是理想情況下的自重應力計算公式。圍巖自重應力場392、構(gòu)造應力場

由于其形成原因的復雜性以及隨時間地不斷變化，使得很難用具體的函數(shù)形式表述構(gòu)造應力場的特性。

我國大陸初始應力場的變化規(guī)律大致為：a、在一定深度內(nèi)，垂直應力的量值隨深度線性增大，而且水平應力普遍大于垂直應力。b、水平應力具有明顯的各向異性。水平主應力的另一個顯著特點，就是具有很強的方向性，一般總是以一個方向的主應力占優(yōu)勢，很少有大、小應力相等的情況。2、構(gòu)造應力場由于其形成原因的復雜性以及隨時間地不斷40一是重力、地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖體的物理力學性質(zhì)以及地溫等經(jīng)常性因素；二是新構(gòu)造運動、地下水活動、人類活動等暫時性或局部性的因素。3、影響圍巖初始應力場的因素一是重力、地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖體的物理力學性質(zhì)以及地溫等經(jīng)常性41影響初始應力場的因素：1）地形地貌2）巖體的力學性質(zhì)3）地溫主要是由于溫度變化而產(chǎn)生的殘余應力。4）人類活動人類活動包括：大堆渣場的形成、深的露天開采、地下開挖等等，都有可能局部地影響圍巖的初始應力場。影響初始應力場的因素：1）地形地貌2）巖體的力學性質(zhì)3）地溫42432.3.3圍巖初始應力場的實地量測實地應力量測就是直接在未經(jīng)開挖擾動過的巖體中進行應力量測。巖體應力量測有兩種：量測圍巖的絕對應力值，包括其大小和方向。量測圍巖應力在開挖過程中的相對變化。方法確定圍巖的初始應力場，方法評價施工程序的優(yōu)劣及開挖對相鄰地下工程的影響。432.3.3圍巖初始應力場的實地量測實431)應力全解除法原理：將包含著量測原件（即應變計）的那一部分巖體單元從巖體中分離出來，解除周圍巖體中對它的約束作用，然后量測由于解除約束而產(chǎn)生的應變，利用巖體的應力-應變關系，反算出所解除的應力，也就是原存于圍巖中的初始應力。應力解除法具體實施方法有兩種：孔底法，孔壁和孔徑法。1)應力全解除法原理：將包含著量測原件（44（1）孔底法實施步驟1、用環(huán)鉆鉆孔至所要求量測應力的深度，取出巖心（圖2-6a）2、磨平孔底，將應變計粘貼到孔底，讀取應變計的初讀數(shù)（圖2-6b）3、鉆孔使貼有應變計的巖芯分離，待應變計讀數(shù)不變后讀數(shù)(圖2-6c)。4、根據(jù)初讀和終讀數(shù)據(jù)可求得應力解除后垂直于鉆孔軸平面的3個應變值。5、根據(jù)巖體的應力-應變關系算出圍巖中垂直于鉆孔軸平面上的應力。由于鉆孔引起的引力集中造成孔底法所測孔底應力稍高于實際的圍巖原始應力。（1）孔底法實施步驟1、用環(huán)鉆鉆孔至所要求量測應力的深度，取45圖2-6孔底法操作示意圖圖2-6孔底46（2）孔壁和孔徑法（2）孔壁和孔徑法47（2）孔壁和孔徑法實施步驟1、用大口徑鉆頭鉆孔到要量側(cè)應力的深度，磨平孔底（圖2-7a）2、改用小鉆頭在孔底鉆一個小孔，在孔中安裝孔壁三軸應變儀，讀取初讀數(shù)（圖2-6b）3、改用大孔徑鉆產(chǎn)生環(huán)狀巖芯，解除約束，待應變計讀數(shù)不變后讀數(shù)(圖2-6c)。4、根據(jù)初讀和終讀數(shù)據(jù)可求得應力釋放后孔壁上3個不同的應變值。5、根據(jù)巖體的應力-應變關系算出圍巖中垂直于鉆孔軸平面上的應力。（2）孔壁和孔徑法實施步驟1、用大口徑鉆頭鉆孔到要量側(cè)應力的48

需要指出：兩種方法都可以在地面垂直向下鉆孔，也可在洞室內(nèi)水平鉆孔或向上鉆孔進行量測。但孔底法只能測到一個平面上的兩個主應力，第三哥主應力需要假設，若要量測三維應力狀態(tài)，一般需要不同方向的3個鉆孔。另外：應力全解除法量測巖體應力的精度與巖體應力-應變關系有關；因此，在條件許可的情況下，盡可能在量測巖體應力的現(xiàn)場同時進行巖體應力-應變關系的測定。需要指出：兩種方法都可以在地面垂直向下鉆孔，也可在洞室492）應力恢復法

基本原理：事先在洞室的巖壁表面安裝應變計，并記錄下應變的初讀數(shù)，然后在巖壁上掏一個狹長的槽口，這就解除了垂直于槽口的法向約束和平行于槽口的切向約束，應變計讀數(shù)亦將下降；最后將扁千斤頂放入槽口，固定后加壓，使應變計讀數(shù)恢復到掏槽前的數(shù)值。此時，扁千斤頂顯示的壓力即為巖體中相應的方向的應力。2）應力恢復法基本原理：事先在洞室的巖壁表面50扁千斤頂法示意圖扁千斤頂法示意圖51扁千斤頂所測得的巖體應力嚴格來說并非圍巖的初始應力，而是由于開挖產(chǎn)生集中后的洞室周邊應力。所以需對所測得的結(jié)果進行修正。結(jié)果的修正

對于彈性巖體中的或斷面形狀規(guī)則的隧道，如圓形、矩形隧道，應力集中的修正比較簡單，可以用彈性力學方法修正。對于斷面形狀復雜的洞室可以采用光彈性試驗。應力恢復法的優(yōu)點：巖體應力的量測結(jié)果不受巖體應力-應變關系的制約。扁千斤頂所測得的巖體應力嚴格來說并非圍巖的初始522.4圍巖穩(wěn)定性的影響因素及圍巖分級因素與指標的選擇研究地下工程地質(zhì)環(huán)境需要解決的兩個基本問題判斷地下工程圍巖的穩(wěn)定性最佳的施工方法和支護結(jié)構(gòu)兩種方法經(jīng)驗方法理論方法2.4圍巖穩(wěn)定性的影響因素及圍巖分級因素與指標的選擇研究53

經(jīng)驗方法：根據(jù)以往的工程經(jīng)驗對上述的兩個問題作出決策，其依據(jù)是地下工程圍巖穩(wěn)定性分級（類）。

圍巖穩(wěn)定性分級（類）：根據(jù)一個或幾個主要指標將無限的巖體序列劃分為具有不同穩(wěn)定程度的有限個級（類）別。圍巖分級（類）方法：建立一個分級（類）表，表中一般都包括分級（類）檔數(shù)、分級（類）限界和分級（類）判據(jù)3大要素。方法很多，這3大要素的確定方法也不一樣。經(jīng)驗方法：根據(jù)以往的工程經(jīng)驗對上述的兩個542.4.1影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素按其性質(zhì)來說?？梢詺w納為兩大類：第一類，屬于地質(zhì)環(huán)境方面的自然因素，它們決定了地下工程圍巖的質(zhì)量；第二類，則屬于工程活動的人為因素，如地下工程的形狀、跨度、施工方法、洞室軸線與巖層產(chǎn)狀的關系等，人為因素能夠影響到圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性。(不能決定圍巖質(zhì)量但能影響圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性)2.4.1影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素按其性質(zhì)551.地質(zhì)因素1）巖體結(jié)構(gòu)特征2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合3）巖石的力學性質(zhì)4)圍巖的初始應力場5）地下水狀況1.地質(zhì)因素1）巖體結(jié)構(gòu)特征561）巖體結(jié)構(gòu)特征巖體的結(jié)構(gòu)特征是長時間地質(zhì)構(gòu)造運動的產(chǎn)物，是控制巖體破壞形態(tài)的關鍵。從穩(wěn)定性分級的角度來看，巖體的結(jié)構(gòu)特征可以簡單地用巖體的破碎程度或完整性來表示，在某種程度上它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用的嚴重程度。實踐證明，圍巖的破碎程度對洞室的穩(wěn)定與否起主導作用，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，洞室就愈容易失穩(wěn)。因此，在近代圍巖分級（類）法中，都已將巖體的破碎程度或完整狀態(tài)作為分級（類）的基本指標之一。1）巖體結(jié)構(gòu)特征巖體的結(jié)構(gòu)特征是長時間地質(zhì)構(gòu)57

巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小及這些巖塊的組合排列形態(tài)。巖塊的大小通常都用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙間距等指標表示。

裂隙率是指沿裂隙法線方向單位長度內(nèi)的裂隙數(shù)目，裂隙間距則是指沿裂隙線法線方向上裂隙間的距離。巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小582）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是：軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及它們在空間的組合狀態(tài)。對于地下洞室來說，圍巖中存在單一的軟弱面，一般不會影響洞室的穩(wěn)定性。只有當結(jié)構(gòu)面與洞室軸線的相互關系不利時，或者出現(xiàn)兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面時，才能構(gòu)成容易墜落的分離巖塊。

2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖59例如，有兩組平行但傾向相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或斜交得陡傾結(jié)構(gòu)面，就可能構(gòu)成屋脊形分離巖塊（如圖2-13）。巖塊是否會滑動或塌落則與結(jié)構(gòu)面的抗剪強度與巖塊之間的相互聯(lián)鎖作用有關。例如，有兩組平行但傾向相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或60在圍巖分級（類）中，可以從下述的5個方面來研究結(jié)構(gòu)面對地下工程圍巖穩(wěn)定性影響的大?。海?）結(jié)構(gòu)面的成因及其發(fā)展史；（2）結(jié)構(gòu)面的平整、光滑程度；（3）結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及其充填物質(zhì)情況；（4）結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與方向性；（5）結(jié)構(gòu)面的密度與組數(shù)。在圍巖分級（類）中，可以從下述的5個方面來研613）巖石的力學性質(zhì)在整體結(jié)構(gòu)的巖體中，控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學性質(zhì)，尤其是巖石的強度。在圍巖分級（類）中所說的巖石強度指標，都是指巖石的單軸飽和極限抗壓強度。巖石強度還影響圍巖失穩(wěn)破壞的形態(tài)，輕度高的硬巖多表現(xiàn)為脆性破壞，如巖爆；而在強度低的軟巖，則以塑性變形為主。3）巖石的力學性質(zhì)624）圍巖的初始應力場圍巖的初始應力場是地下工程圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。4）圍巖的初始應力場635）地下水狀況

隧道等地下工程施工的實踐證明，地下水是造成施工塌方、使圍巖喪失穩(wěn)定的最重要因素之一。在巖性不同的巖體中，水的影響也是不相同的，歸納起來有如下幾種：

（1）使巖質(zhì)軟化，強度降低，對軟巖尤其突出；對土體則可促使其液化或流動；（2）在有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體中，會沖走充填物質(zhì)或使夾層軟化，減少層間摩阻力，促使巖塊滑動；（3）在某些巖體中，如含有生石膏、巖鹽或以蒙脫土為主的粘土巖，遇水后將產(chǎn)生膨脹，其勢能很大；在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中，水的存在可以產(chǎn)生流砂和潛蝕。因此，在圍巖分級（類）中，對軟巖、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)巖體、有軟弱結(jié)構(gòu)面的層狀巖體及膨脹巖等，應著重考慮地下水的影響。5）地下水狀況隧道等地下工程施工的實踐證明，64在目前的分級（類）中，對地下水的處理方法有3種：

在分級（類）時不將水的影響直接考慮進去，而是根據(jù)圍巖受地下水影響的程度，適當降低圍巖的等級；分級（類）時按有水情況考慮，當確認圍巖無水則可提高圍巖的等級；直接將地下水的狀況（水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓等）作為一個分級（類）的指標。在目前的分級（類）中，對地下水的處理方法有3種：652.工程活動所造成的人為因素

施工等人為因素也是造成圍巖失穩(wěn)的重要條件，其中尤其以洞室的尺寸（主要指跨度）、形狀及施工中所采用的開挖方法等影響較為顯著。1）洞室的形狀和尺寸實踐證明，在同一級（類）圍巖中，洞室跨度愈大，圍巖的穩(wěn)定性就愈差；因為巖體的破碎程度相對加大了。裂隙間距在0.4～1.0m左右的巖體，對中等跨度（5～10m）的洞室而言，是大塊狀的；但對大跨度（>15m）的洞室來說，只能算是碎塊狀的。2.工程活動所造成的人為因素施工等人為因素也66

因此，在當前的圍巖分級（類）法中，有的就明確指出分級（類）法的適用跨度范圍；有的則采用相對裂隙間距，即裂隙間距與洞室跨度的比值作為分級（類）的指標。例如，相對裂隙間距為1/5的屬完整的；1/5～1/20范圍內(nèi)的屬破碎的；大于1/20的屬極度破碎的。

但也有人反對這樣，人為將跨度引進圍巖分級（類）法中會造成對巖體結(jié)構(gòu)概念的混亂和誤解。比較通用的做法，是將跨度的影響放在確定圍巖壓力值與支護結(jié)構(gòu)類型和尺寸時考慮，這樣將分級（類）問題簡化了。因此，在當前的圍巖分級（類）法中，有的就明67

地下洞室的形狀主要影響開挖后圍巖的應力狀態(tài)。圓形或橢圓形洞室圍巖應力狀態(tài)以壓應力為主，這對維持圍巖的穩(wěn)定性是有好處的。矩形或梯形洞室，在頂板處將出現(xiàn)較大的拉應力，從而導致巖體張裂破壞。但目前各種分級（類）法中都沒考慮拉應力因素。地下洞室的形狀主要影響開挖后圍巖的應力狀態(tài)。682）施工中采用的開挖方法

從目前的施工技術水平來看，開挖方法對地下工程圍巖穩(wěn)定性的影響較為明顯，在分級（類）中必須予以考慮。例如，在同級巖體中，使用普通爆破法和控制爆破法，采用礦山法和掘進機法，采用全斷面一次開挖和采用小斷面分部開挖，對圍巖的影響都不相同。2）施工中采用的開挖方法從目前的施工技術69

工程活動造成的人為因素，雖然對圍巖穩(wěn)定性的影響很大；但為了簡化圍巖分級（類）問題，一般都是以分級（類）的使用條件來控制，而分級（類）的本身則主要從地質(zhì)因素考慮。工程活動造成的人為因素，雖然對圍巖穩(wěn)定性的影響702.4.2分級(類)的因素指標及其選擇1.單一的巖性指標2.單一的綜合巖性指標3.復合指標2.4.2分級(類)的因素指標及其選擇1.單一的巖性指711.單一的巖性指標包括巖石的抗壓強度和抗拉強度、巖石堅固性系數(shù)、彈性模量等物理學參數(shù)，以及如抗鉆性、抗爆性等指標。在單一巖性指標中，多采用巖石的單軸飽和極限抗壓強度作為基本的分級（類）指標，除了實驗方法較方便外，從定量上看也是比較可靠的。單一的巖性指標只能表達巖體特征的一個方面，因此用來作為分級（類）的唯一指標是不合適的。1.單一的巖性指標包括巖石的抗壓強度和抗拉722.單一的綜合性指標它表明指標是單一的；但反映的因素卻是綜合的。如巖體的的彈性波傳播速度，它既可反映巖石的力學性質(zhì)，又可表示巖體的破碎程度。巖石的質(zhì)量指標也是反映巖體破碎程度和巖石強度的綜合指標。2.單一的綜合性指標它表明指標是單一的；但反映73

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。即巖石質(zhì)量指標（RQD）74RQD(%)=10cm以上巖芯累計長度×100/單位鉆孔長度巖石質(zhì)量指標分級認為：RQD>90％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。RQD(%)=10cm以上巖芯累計長度×100/單位鉆孔長度75

圍巖的自穩(wěn)時間

亦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：圍巖的自穩(wěn)時間76式中：L－隧道未支護地段的長度；α－視圍巖情況在0～1之間變化，好的巖體可取α=0；極差的α=1。C—視圍巖情況而定的系數(shù)。單一綜合巖性指標一般與地質(zhì)勘察技術的水平有關，因此，其應用受到一定的限制。式中：773.復合指標這是一種用兩個或兩個以上的巖性指標或綜合性指標所表示的復合性指標。（1）巴頓等人提出的“巖體質(zhì)量-Q”指標，Q與6個表明巖體質(zhì)量的地質(zhì)參數(shù)有關。表示為：3.復合指標這是一種用兩個或兩個以上的巖性78式中RQD——巖石質(zhì)量指標

——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);SRF——初始應力折減系數(shù);

式中79（2）我國總參工程兵坑道工程圍巖分類中所采用的巖體質(zhì)量指標Rm和應力比S，其中Rm由下式確定：式中：Rc——巖石單軸飽和極限抗壓強度；KV——巖體完整性系數(shù)，巖體愈完整，KV取值愈大，變化范圍為1.0～0.08，由實測確定；KW——地下水影響折減系數(shù)，變化范圍為1.0～0.4，無水時取1.0，視具體情況由經(jīng)驗確定；KJ——巖層面產(chǎn)狀要素影響折減系數(shù)，變化范圍為1.0～0.5，層面走向與軸線夾角為60°～90°，層面傾角<30°，層面間距≥1m時，KJ=1.0，其他情況由經(jīng)驗確定。（2）我國總參工程兵坑道工程圍巖分類中所采用的巖體質(zhì)量80以Rm為基礎，考慮地應力的影響，另一個復合指標應力比S由下式表述：式中：σm為最大的垂直地應力。以Rm為基礎，考慮地應力的影響，另一個復合指81(3)圍巖/巖體強度應力比S《水工隧洞設計規(guī)范》和《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》采用S，S綜合考慮了巖石強度、巖體完整性和地應力的因素，即式中：RC——巖石飽和單軸抗壓強度，MPa；KV——巖體完整性系數(shù)；σM——圍巖的最大主應力，MPa；σ1——垂直洞軸線的較大主應力，kN/m2。(3)圍巖/巖體強度應力比S《水工隧洞設計82（4）國標《工程巖體分級標準》也采用了兩個復合指標——巖體基本質(zhì)量指標BQ和修正的巖體基本質(zhì)量指標[BQ]，對工程巖體進行分級。復合指標考慮了多因素的影響；對判斷圍巖的穩(wěn)定性是比較合理和可靠的，而且還可以根據(jù)工程對象的要求，選擇不同的指標。但復合指標的定量有的是通過試驗或現(xiàn)場實測確定，有的主要是憑經(jīng)驗決定，有很大的主觀因素。（4）國標《工程巖體分級標準》也采用了兩個復合指標83演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！84第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級（類）2.1概述2.2圍巖結(jié)構(gòu)分類及其破壞特征2.3圍巖的初始應力場2.4圍巖穩(wěn)定性影響因素及圍巖分級因素與指標2.5國內(nèi)外主要地下工程圍巖分類標準第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級（類）2.1概述2.2圍852.1概述地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的異同

同：均為結(jié)構(gòu)體系異：1、地面結(jié)構(gòu)一般由結(jié)構(gòu)和地基組成2、地下結(jié)構(gòu)由地層和支護結(jié)構(gòu)組成地層

地下結(jié)構(gòu)承受的荷載主要是結(jié)構(gòu)體系本身即地層，稱為地層壓力或圍巖壓力。

地層既承受荷載也是荷載的來源。

在地下結(jié)構(gòu)中，地層起主導作用。2.1概述地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的異同86

地質(zhì)環(huán)境

包括地層特征、地下水狀況、地層原始應力狀態(tài)等。

圍巖

開挖后應力發(fā)生重分布的地層。

地下工程圍巖的穩(wěn)定性

地層被挖成隧道等地下空間后的穩(wěn)定程度。穩(wěn)定性問題包括圍巖破壞或變形性演變規(guī)律、圍巖穩(wěn)定的影響因素、表征圍巖穩(wěn)定的指標和判定準則、分析圍巖穩(wěn)定性的方法等。地質(zhì)環(huán)境87圍巖的原始地應力

圍巖的變形與破壞的根本作用力。圍巖的原始地應力882.2圍巖結(jié)構(gòu)分類及其破壞特征

圍巖范圍

圍巖的邊界是不受開挖影響即開挖后位移為0的地方。圍巖范圍一般約為開挖斷面6至10倍的洞徑。圍巖的工程性質(zhì)：強度和變形。主要與巖體結(jié)構(gòu)、巖體的物理力學性質(zhì)、原始應力、地下水等有關。2.2圍巖結(jié)構(gòu)分類及其破壞特征圍巖范圍8990

巖塊(rock或rockb1ock)是指不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石塊體，是構(gòu)成巖體的最小巖石單元體。巖塊稱為結(jié)構(gòu)體(structuralelement)、巖石材料(rockmaterial)及完整巖石(intactrock)等等。巖塊與巖體1、巖塊(rock或rockb1ock)6巖塊(rock或rockb1ock)是指不含顯著結(jié)構(gòu)面9091

結(jié)構(gòu)面(structureplane)是指地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質(zhì)界面或帶，它包括物質(zhì)分界面和不連續(xù)面，如層面、不整合面、節(jié)理面、斷層、片理面等。國內(nèi)外一些文獻中又稱為不連續(xù)面(discontinuities)或節(jié)理(joint)。在結(jié)構(gòu)面中，那些規(guī)模較大、強度低、易變形的結(jié)構(gòu)面又稱為軟弱結(jié)構(gòu)面。2、結(jié)構(gòu)面(structureplane)7結(jié)構(gòu)面(structureplane)9192結(jié)構(gòu)面的類型構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：受構(gòu)造應力作用所產(chǎn)生的破裂面次生結(jié)構(gòu)面：在外營力（如風化、卸荷、應力變化、地下水、人工爆破等）作用下而形成的結(jié)構(gòu)面原生結(jié)構(gòu)面：成巖過程中形成的結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面：層面、軟弱夾層不整合面巖漿結(jié)構(gòu)面：接觸面、蝕變帶原生節(jié)理

變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理、片巖夾層

節(jié)理、斷層、劈理以及層間錯動面

8結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：受構(gòu)造應力作用次生結(jié)構(gòu)面：在外營力（如風929399394109495119596129697結(jié)構(gòu)面的等級：I級結(jié)構(gòu)面：大斷層、區(qū)域性斷裂帶；延伸數(shù)公里~數(shù)十公里，寬數(shù)十米~數(shù)百米。II級結(jié)構(gòu)面：較大斷層、區(qū)域性地質(zhì)界面；延伸數(shù)百米~數(shù)公里，寬數(shù)十厘米~數(shù)米。Ⅲ級結(jié)構(gòu)面：控制工程巖體穩(wěn)定的斷層、節(jié)理；延伸數(shù)十米~數(shù)百米，寬數(shù)厘米~1米左右。IV級結(jié)構(gòu)面：影響工程巖體穩(wěn)定的小斷層、裂隙；延伸20~30米，寬數(shù)厘米~數(shù)十厘米。V級結(jié)構(gòu)面：微結(jié)構(gòu)面，影響巖快的物理力學性質(zhì)。13結(jié)構(gòu)面的等級：I級結(jié)構(gòu)面：大斷層、區(qū)域性斷裂帶；II9798結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計分析裂隙的產(chǎn)狀、間距、寬度和面積

裂隙統(tǒng)計圖

14結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計分析裂隙的產(chǎn)狀、間距、寬度和面積裂隙統(tǒng)計9899巖體(rockmass)是指在地質(zhì)歷史過程中形成的，由巖石單元體(或稱巖塊)和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。

巖體結(jié)構(gòu)面巖塊不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面3、巖體(rockmass)15巖體(rockmass)是指在地質(zhì)歷史過程中形成99100巖體結(jié)構(gòu)包括兩個組成部分：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體16巖體結(jié)構(gòu)包括兩個組成部分：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體100101171011022.2.1巖體結(jié)構(gòu)類型:

由于巖體中結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)、規(guī)模、切割密度等因素的不同，巖體的物理力學性質(zhì)也就不同。因此，有人就根據(jù)結(jié)構(gòu)面的等級和組合方式，把巖體結(jié)構(gòu)類型分成四個大類與九個亞類。

182.2.1巖體結(jié)構(gòu)類型:由于巖體中102第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級課件103整體結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形

塊狀和層狀結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)面的變形，巖體的破壞主要是沿軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動；碎裂和散體結(jié)構(gòu)巖體的變形，開始是將裂隙或孔隙壓密，隨后是結(jié)構(gòu)體變形，并伴隨著結(jié)構(gòu)面張開。整體結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形10410521105106221062.2.2圍巖的失穩(wěn)與破壞地下開挖后，巖體中形成一個自由變形空間，使原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形；如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動或巖爆，稱前者為變形，后者為破壞。2.2.2圍巖的失穩(wěn)與破壞地下開挖后，巖體中形成一個自由107地下工程圍巖失穩(wěn)破壞形態(tài)地下工程圍巖失穩(wěn)破壞形態(tài)108一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點

1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學強度和抗變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性介質(zhì)，應力應變呈近似直線關系。圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析。一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點1、整體狀和塊狀巖體圍巖109巖爆是高地應力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開裂出現(xiàn)在拉應力集中部位。塊體滑移是塊狀巖體常見的破壞形成。它是以結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開挖面的相對關系控制。堅硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙巖爆是高地應力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突110第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級課件1112、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯動及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。變形破壞常可用彈性梁、彈性板或材料力學中的壓桿平衡理論來分析。

2、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。112在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開裂。在傾斜層狀圍巖中，常表現(xiàn)為現(xiàn)為沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移等破壞形式，形成不對稱的塌落拱。將出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。在直立層狀圍巖中，當天然應力比值系數(shù)λ＜1/3時，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻則因壓力平行于層面，常發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，進而危及洞頂安全。在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下1133、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風化破碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動。用松散介質(zhì)極限平衡理論來分析。在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入3、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風化114第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級課件1154、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強烈構(gòu)造破碎、強烈風化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時，以拱頂冒落為主。當圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動巖體僅構(gòu)成局部圍巖時，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動等變形破壞形式?？捎盟缮⒔橘|(zhì)極限平衡理論配合流變理論來分析。4、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強烈構(gòu)造破碎、強烈風化的巖體1162.3圍巖的初始應力場

圍巖的初始應力場（原始地應力場）

由于巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用，在地下工程開挖前巖體中就已經(jīng)存在著一定的地應力場，稱之為圍巖的初始應力場。2.3圍巖的初始應力場圍巖的初始應力場（原始地應力場117圍巖二次應力場

洞室開挖后，部分地層的原始應力場發(fā)生變化，應力重新分布，形成的新的應力場稱為圍巖應力場。應力重新分布的地層稱之為圍巖。圍巖二次應力場1182.3.1圍巖初始應力場的組成初始應力自重應力場構(gòu)造應力場形成與巖體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、埋藏條件及地質(zhì)構(gòu)造運動的歷史等有密切關系。2.3.1圍巖初始應力場的組成初自重應力場構(gòu)造應力場1191、圍巖初始應力場的組成由自重應力場和構(gòu)造應力場組成。1）自重應力場指上覆巖體自重所產(chǎn)生的應力場，它是地心引力和離心慣性力共同作用的結(jié)果。2）構(gòu)造應力場指地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂所形成的地應力?？煞譃榛顒拥暮蜌堄嗟膬深?。1、圍巖初始應力場的組成1）自重應力場2）構(gòu)造應力場120

活動的構(gòu)造應力：是近期和現(xiàn)代地殼運動正在積累的應力，也是地應力中最活躍最重要的一種，常導致巖體的變形與破壞。地震的產(chǎn)生正是新構(gòu)造應力的反映。

殘余的構(gòu)造應力：是由古構(gòu)造運動殘留下來的應力，包括殘存在巖體中的應力以及原生內(nèi)應力。構(gòu)造應力場活動的構(gòu)造應力：是近期和現(xiàn)代地殼運動正在積累1211222.3.2圍巖初始應力場的變化規(guī)律與影響因素

研究巖體的自重應力時，一般把巖體視為均勻、連續(xù)且各向同性的彈性體，因此可以引用連續(xù)介質(zhì)力學原理來探討巖體的自重應力問題。對于多層巖石：382.3.2圍巖初始應力場的變化規(guī)律與影響因素122

上述公式是理想情況下的自重應力計算公式。地面為水平面，地層為各向同性的半無限體。圍巖自重應力場的變化規(guī)律：（1）垂直方向的自重應力是隨深度成線性增加的。（2）水平應力總是小于垂直應力，最多也只能與其相等。上述公式是理想情況下的自重應力計算公式。圍巖自重應力場1232、構(gòu)造應力場

由于其形成原因的復雜性以及隨時間地不斷變化，使得很難用具體的函數(shù)形式表述構(gòu)造應力場的特性。

我國大陸初始應力場的變化規(guī)律大致為：a、在一定深度內(nèi)，垂直應力的量值隨深度線性增大，而且水平應力普遍大于垂直應力。b、水平應力具有明顯的各向異性。水平主應力的另一個顯著特點，就是具有很強的方向性，一般總是以一個方向的主應力占優(yōu)勢，很少有大、小應力相等的情況。2、構(gòu)造應力場由于其形成原因的復雜性以及隨時間地不斷124一是重力、地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖體的物理力學性質(zhì)以及地溫等經(jīng)常性因素；二是新構(gòu)造運動、地下水活動、人類活動等暫時性或局部性的因素。3、影響圍巖初始應力場的因素一是重力、地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖體的物理力學性質(zhì)以及地溫等經(jīng)常性125影響初始應力場的因素：1）地形地貌2）巖體的力學性質(zhì)3）地溫主要是由于溫度變化而產(chǎn)生的殘余應力。4）人類活動人類活動包括：大堆渣場的形成、深的露天開采、地下開挖等等，都有可能局部地影響圍巖的初始應力場。影響初始應力場的因素：1）地形地貌2）巖體的力學性質(zhì)3）地溫1261272.3.3圍巖初始應力場的實地量測實地應力量測就是直接在未經(jīng)開挖擾動過的巖體中進行應力量測。巖體應力量測有兩種：量測圍巖的絕對應力值，包括其大小和方向。量測圍巖應力在開挖過程中的相對變化。方法確定圍巖的初始應力場，方法評價施工程序的優(yōu)劣及開挖對相鄰地下工程的影響。432.3.3圍巖初始應力場的實地量測實1271)應力全解除法原理：將包含著量測原件（即應變計）的那一部分巖體單元從巖體中分離出來，解除周圍巖體中對它的約束作用，然后量測由于解除約束而產(chǎn)生的應變，利用巖體的應力-應變關系，反算出所解除的應力，也就是原存于圍巖中的初始應力。應力解除法具體實施方法有兩種：孔底法，孔壁和孔徑法。1)應力全解除法原理：將包含著量測原件（128（1）孔底法實施步驟1、用環(huán)鉆鉆孔至所要求量測應力的深度，取出巖心（圖2-6a）2、磨平孔底，將應變計粘貼到孔底，讀取應變計的初讀數(shù)（圖2-6b）3、鉆孔使貼有應變計的巖芯分離，待應變計讀數(shù)不變后讀數(shù)(圖2-6c)。4、根據(jù)初讀和終讀數(shù)據(jù)可求得應力解除后垂直于鉆孔軸平面的3個應變值。5、根據(jù)巖體的應力-應變關系算出圍巖中垂直于鉆孔軸平面上的應力。由于鉆孔引起的引力集中造成孔底法所測孔底應力稍高于實際的圍巖原始應力。（1）孔底法實施步驟1、用環(huán)鉆鉆孔至所要求量測應力的深度，取129圖2-6孔底法操作示意圖圖2-6孔底130（2）孔壁和孔徑法（2）孔壁和孔徑法131（2）孔壁和孔徑法實施步驟1、用大口徑鉆頭鉆孔到要量側(cè)應力的深度，磨平孔底（圖2-7a）2、改用小鉆頭在孔底鉆一個小孔，在孔中安裝孔壁三軸應變儀，讀取初讀數(shù)（圖2-6b）3、改用大孔徑鉆產(chǎn)生環(huán)狀巖芯，解除約束，待應變計讀數(shù)不變后讀數(shù)(圖2-6c)。4、根據(jù)初讀和終讀數(shù)據(jù)可求得應力釋放后孔壁上3個不同的應變值。5、根據(jù)巖體的應力-應變關系算出圍巖中垂直于鉆孔軸平面上的應力。（2）孔壁和孔徑法實施步驟1、用大口徑鉆頭鉆孔到要量側(cè)應力的132

需要指出：兩種方法都可以在地面垂直向下鉆孔，也可在洞室內(nèi)水平鉆孔或向上鉆孔進行量測。但孔底法只能測到一個平面上的兩個主應力，第三哥主應力需要假設，若要量測三維應力狀態(tài)，一般需要不同方向的3個鉆孔。另外：應力全解除法量測巖體應力的精度與巖體應力-應變關系有關；因此，在條件許可的情況下，盡可能在量測巖體應力的現(xiàn)場同時進行巖體應力-應變關系的測定。需要指出：兩種方法都可以在地面垂直向下鉆孔，也可在洞室1332）應力恢復法

基本原理：事先在洞室的巖壁表面安裝應變計，并記錄下應變的初讀數(shù)，然后在巖壁上掏一個狹長的槽口，這就解除了垂直于槽口的法向約束和平行于槽口的切向約束，應變計讀數(shù)亦將下降；最后將扁千斤頂放入槽口，固定后加壓，使應變計讀數(shù)恢復到掏槽前的數(shù)值。此時，扁千斤頂顯示的壓力即為巖體中相應的方向的應力。2）應力恢復法基本原理：事先在洞室的巖壁表面134扁千斤頂法示意圖扁千斤頂法示意圖135扁千斤頂所測得的巖體應力嚴格來說并非圍巖的初始應力，而是由于開挖產(chǎn)生集中后的洞室周邊應力。所以需對所測得的結(jié)果進行修正。結(jié)果的修正

對于彈性巖體中的或斷面形狀規(guī)則的隧道，如圓形、矩形隧道，應力集中的修正比較簡單，可以用彈性力學方法修正。對于斷面形狀復雜的洞室可以采用光彈性試驗。應力恢復法的優(yōu)點：巖體應力的量測結(jié)果不受巖體應力-應變關系的制約。扁千斤頂所測得的巖體應力嚴格來說并非圍巖的初始1362.4圍巖穩(wěn)定性的影響因素及圍巖分級因素與指標的選擇研究地下工程地質(zhì)環(huán)境需要解決的兩個基本問題判斷地下工程圍巖的穩(wěn)定性最佳的施工方法和支護結(jié)構(gòu)兩種方法經(jīng)驗方法理論方法2.4圍巖穩(wěn)定性的影響因素及圍巖分級因素與指標的選擇研究137

經(jīng)驗方法：根據(jù)以往的工程經(jīng)驗對上述的兩個問題作出決策，其依據(jù)是地下工程圍巖穩(wěn)定性分級（類）。

圍巖穩(wěn)定性分級（類）：根據(jù)一個或幾個主要指標將無限的巖體序列劃分為具有不同穩(wěn)定程度的有限個級（類）別。圍巖分級（類）方法：建立一個分級（類）表，表中一般都包括分級（類）檔數(shù)、分級（類）限界和分級（類）判據(jù)3大要素。方法很多，這3大要素的確定方法也不一樣。經(jīng)驗方法：根據(jù)以往的工程經(jīng)驗對上述的兩個1382.4.1影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素按其性質(zhì)來說?？梢詺w納為兩大類：第一類，屬于地質(zhì)環(huán)境方面的自然因素，它們決定了地下工程圍巖的質(zhì)量；第二類，則屬于工程活動的人為因素，如地下工程的形狀、跨度、施工方法、洞室軸線與巖層產(chǎn)狀的關系等，人為因素能夠影響到圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性。(不能決定圍巖質(zhì)量但能影響圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性)2.4.1影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素按其性質(zhì)1391.地質(zhì)因素1）巖體結(jié)構(gòu)特征2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合3）巖石的力學性質(zhì)4)圍巖的初始應力場5）地下水狀況1.地質(zhì)因素1）巖體結(jié)構(gòu)特征1401）巖體結(jié)構(gòu)特征巖體的結(jié)構(gòu)特征是長時間地質(zhì)構(gòu)造運動的產(chǎn)物，是控制巖體破壞形態(tài)的關鍵。從穩(wěn)定性分級的角度來看，巖體的結(jié)構(gòu)特征可以簡單地用巖體的破碎程度或完整性來表示，在某種程度上它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用的嚴重程度。實踐證明，圍巖的破碎程度對洞室的穩(wěn)定與否起主導作用，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，洞室就愈容易失穩(wěn)。因此，在近代圍巖分級（類）法中，都已將巖體的破碎程度或完整狀態(tài)作為分級（類）的基本指標之一。1）巖體結(jié)構(gòu)特征巖體的結(jié)構(gòu)特征是長時間地質(zhì)構(gòu)141

巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小及這些巖塊的組合排列形態(tài)。巖塊的大小通常都用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙間距等指標表示。

裂隙率是指沿裂隙法線方向單位長度內(nèi)的裂隙數(shù)目，裂隙間距則是指沿裂隙線法線方向上裂隙間的距離。巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小1422）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是：軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及它們在空間的組合狀態(tài)。對于地下洞室來說，圍巖中存在單一的軟弱面，一般不會影響洞室的穩(wěn)定性。只有當結(jié)構(gòu)面與洞室軸線的相互關系不利時，或者出現(xiàn)兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面時，才能構(gòu)成容易墜落的分離巖塊。

2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖143例如，有兩組平行但傾向相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或斜交得陡傾結(jié)構(gòu)面，就可能構(gòu)成屋脊形分離巖塊（如圖2-13）。巖塊是否會滑動或塌落則與結(jié)構(gòu)面的抗剪強度與巖塊之間的相互聯(lián)鎖作用有關。例如，有兩組平行但傾向相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或144在圍巖分級（類）中，可以從下述的5個方面來研究結(jié)構(gòu)面對地下工程圍巖穩(wěn)定性影響的大?。海?）結(jié)構(gòu)面的成因及其發(fā)展史；（2）結(jié)構(gòu)面的平整、光滑程度；（3）結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及其充填物質(zhì)情況；（4）結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與方向性；（5）結(jié)構(gòu)面的密度與組數(shù)。在圍巖分級（類）中，可以從下述的5個方面來研1453）巖石的力學性質(zhì)在整體結(jié)構(gòu)的巖體中，控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學性質(zhì)，尤其是巖石的強度。在圍巖分級（類）中所說的巖石強度指標，都是指巖石的單軸飽和極限抗壓強度。巖石強度還影響圍巖失穩(wěn)破壞的形態(tài)，輕度高的硬巖多表現(xiàn)為脆性破壞，如巖爆；而在強度低的軟巖，則以塑性變形為主。3）巖石的力學性質(zhì)1464）圍巖的初始應力場圍巖的初始應力場是地下工程圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。4）圍巖的初始應力場1475）地下水狀況

隧道等地下工程施工的實踐證明，地下水是造成施工塌方、使圍巖喪失穩(wěn)定的最重要因素之一。在巖性不同的巖體中，水的影響也是不相同的，歸納起來有如下幾種：

（1）使巖質(zhì)軟化，強度降低，對軟巖尤其突出；對土體則可促使其液化或流動；（2）在有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體中，會沖走充填物質(zhì)或使夾層軟化，減少層間摩阻力，促使巖塊滑動；（3）在某些巖體中，如含有生石膏、巖鹽或以蒙脫土為主的粘土巖，遇水后將產(chǎn)生膨脹，其勢能很大；在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中，水的存在可以產(chǎn)生流砂和潛蝕。因此，在圍巖分級（類）中，對軟巖、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)巖體、有軟弱結(jié)構(gòu)面的層狀巖體及膨脹巖等，應著重考慮地下水的影響。5）地下水狀況隧道等地下工程施工的實踐證明，148在目前的分級（類）中，對地下水的處理方法有3種：

在分級（類）時不將水的影響直接考慮進去，而是根據(jù)圍巖受地下水影響的程度，適當降低圍巖的等級；分級（類）時按有水情況考慮，當確認圍巖無水則可提高圍巖的等級；直接將地下水的狀況（水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓等）作為一個分級（類）的指標。在目前的分級（類）中，對地下水的處理方法有3種：1492.工程活動所造成的人為因素

施工等人為因素也是造成圍巖失穩(wěn)的重要條件，其中尤其以洞室的尺寸（主要指跨度）、形狀及施工中所采用的開挖方法等影響較為顯著。1）洞室的形狀和尺寸實踐證明，在同一級（類）圍巖中，洞室跨度愈大，圍巖的穩(wěn)定性就愈差；因為巖體的破碎程度相對加大了。裂隙間距在0.4～1.0m左右的巖體，對中等跨度（5～10m）的洞室而言，是大塊狀的；但對大跨度（>15m）的洞室來說，只能算是碎塊狀的。2.工程活動所造成的人為因素施工等人為因素也150

因此，在當前的圍巖分級（類）法中，有的就明確指出分級（類）法的適用跨度范圍；有的則采用相對裂隙間距，即裂隙間距與洞室跨度的比值作為分級（類）的指標。例如，相對裂隙間距為1/5的屬完整的；1/5～1/20范圍內(nèi)的屬破碎的；大于1/20的屬極度破碎的。

但也有人反對這樣，人為將跨度引進圍巖分級（類）法中會造成對巖體結(jié)構(gòu)概念的混亂和誤解。比較通用的做法，是將跨度的影響放在確定圍巖壓力值與支護結(jié)構(gòu)類型和尺寸時考慮，這樣將分級（類）問題簡化了。因此，在當前的圍巖分級（類）法中，有的就明151

地下洞室的形狀主要影響開挖后圍巖的應力狀態(tài)。圓形或橢圓形洞室圍巖應力狀態(tài)以壓應力為主，這對維持圍巖的穩(wěn)定性是有好處的。矩形或梯形洞室，在頂板處將出現(xiàn)較大的拉應力，從而導致巖體張裂破壞。但目前各種分級（類）法中都沒考慮拉應力因素。