第四章 隧道圍巖分級(jí)及圍巖壓力(陳秋南)

『第四章▎隧道圍巖分級(jí)及圍巖壓力4『4.1▎巖石的地質(zhì)特征『4.2▎巖體的物理、力學(xué)性質(zhì)『4.3▎隧道圍巖分級(jí)隧道工程SUIDAOGONGCHENG『4.4▎圍巖壓力計(jì)算

巖石是由具有一定結(jié)構(gòu)構(gòu)造的礦物（含結(jié)晶和非結(jié)晶的）集合體組成的。巖石的力學(xué)性質(zhì)主要取決于組成巖石的礦物成分及其相對(duì)含量。一般來(lái)說(shuō)，含硬度大的粒柱狀礦物（如石英、長(zhǎng)石、角閃石、輝石等）越多，則巖石強(qiáng)度越高；含硬度小的片狀礦物（如云母、綠泥石、蒙脫石和高嶺石等）越多時(shí)，則巖石強(qiáng)度越低?！?.1▎巖石的地質(zhì)特征『4.1.1▎巖石的物質(zhì)組成

隧道圍巖指隧道周圍一定范圍內(nèi)，對(duì)隧道穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響的巖（土）體。隧道圍巖分級(jí)是正確進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)計(jì)算及施工組織的基礎(chǔ)。常見(jiàn)的硅酸鹽類礦物有長(zhǎng)石、輝石、角閃石、橄欖石及云母和粘土礦物等。這類礦物除云母和粘土礦物外，硬度大，呈粒、柱狀晶形。因此，含這類礦物多的巖石如花崗巖、閃長(zhǎng)巖及玄武巖等，強(qiáng)度高，抗變形性能好。但該類礦物在各種風(fēng)化用力下，易風(fēng)化成高嶺石、水云母等。長(zhǎng)石輝石角閃石橄欖石云母云母

粘土礦物屬層狀硅酸鹽礦物，主要有高嶺石、水云母及蒙脫石三類，具薄片狀或鱗片狀構(gòu)造，硬度小，含這類礦物多的巖石如粘土巖、粘土質(zhì)巖，物理力學(xué)性質(zhì)差，并具有不同程度的脹縮性。蒙脫石←高嶺石碳酸鹽類礦物是石灰?guī)r和白云巖類的主要造巖礦物。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)取決于巖石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量越高，如純灰?guī)r、白云巖等強(qiáng)度高、抗變形和抗風(fēng)化性能都比較好。泥質(zhì)含量高的，如泥質(zhì)炭巖等，力學(xué)性質(zhì)較差?！?guī)r白云巖氧化物類礦物以石英最常見(jiàn)，是地殼巖石的主要造巖礦物，呈等軸晶系，硬度大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。因此，一般隨石英含量增加，巖石的強(qiáng)度和抗變形性能都明顯增強(qiáng)。石英巖石英巖

巖石的礦物組成與其成因類型密切相關(guān)。

巖漿巖多以硬度大的粒柱狀硅酸鹽、石英等礦物為主，所以其巖石物理力學(xué)性質(zhì)一般都很好。

沉積巖中的粗碎屑巖如砂礫巖等。其碎屑多為硬度大的粒柱狀礦物，巖塊的力學(xué)性質(zhì)除與碎屑成分有關(guān)外，在很大程度上取決于膠結(jié)物成分及其類型。細(xì)碎屑巖如頁(yè)巖、泥巖等，礦物成分多以片狀的粘土礦物為主，其巖石力學(xué)性質(zhì)一般很差。

變質(zhì)巖的礦物組成與母巖類型及變質(zhì)程度有關(guān)，淺變質(zhì)巖如千枚巖、板巖等多含片狀礦物（如絹云母、綠泥石及粘土礦物等），巖塊力學(xué)性質(zhì)較差。深變質(zhì)巖如片麻巖、混合巖、石英巖等，多以粒柱狀礦物（如長(zhǎng)石、石英、角閃石等）為主，其巖塊力學(xué)性質(zhì)較好?！?.1.2▎巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

巖石的結(jié)構(gòu)是指巖石內(nèi)礦物顆粒的大小、形狀和排列方式及微結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況與粒間連結(jié)方式等反映在巖石構(gòu)成上的特征。巖石的粒間連結(jié)結(jié)晶連結(jié)膠結(jié)連結(jié)結(jié)晶連結(jié)是礦物顆粒通過(guò)結(jié)晶相互嵌合在一起，它是通過(guò)共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸，一般強(qiáng)度較高。等粒結(jié)構(gòu)的巖塊強(qiáng)度比非等粒結(jié)構(gòu)的高，且抗風(fēng)化能力強(qiáng)。在等粒結(jié)構(gòu)中，細(xì)粒結(jié)構(gòu)巖石強(qiáng)度比粗粒結(jié)構(gòu)的高。在斑狀結(jié)構(gòu)中，具細(xì)粒基質(zhì)的巖石強(qiáng)度比玻璃基質(zhì)的高。

膠結(jié)連結(jié)是礦物顆粒通過(guò)膠結(jié)物連結(jié)在一起，如碎屑巖等具這種連結(jié)方式，膠結(jié)連結(jié)的巖石強(qiáng)度取決于膠結(jié)物成分及膠結(jié)類型。一般來(lái)說(shuō)，硅質(zhì)膠結(jié)的巖塊強(qiáng)度最高；鈣鐵質(zhì)膠結(jié)的次之；泥質(zhì)膠結(jié)的巖塊強(qiáng)度最低，且抗水性差。從膠結(jié)類型來(lái)看，基底式膠結(jié)的巖塊強(qiáng)度最高，孔隙式膠結(jié)的次之，接觸式膠結(jié)的最低。a)基底膠結(jié)b)孔隙膠結(jié)c)接觸膠結(jié)

微結(jié)構(gòu)面是指存在于礦質(zhì)顆粒內(nèi)部或顆粒間的軟弱面或缺陷，包括礦物解理、晶格缺陷、粒間空隙、微裂隙、微層面及片理面、片麻理面等。它們的存在不僅降低了巖塊的強(qiáng)度，還往往導(dǎo)致巖塊力學(xué)性質(zhì)有明顯的各向異性。

巖石的構(gòu)造是指礦物集合體之間及其與其他組分之間的排列組合方式。如巖漿巖中的流線、流面構(gòu)造。沉積巖中的微層狀構(gòu)造，變質(zhì)巖中的片狀構(gòu)造及其定向構(gòu)造等。這些都可使巖石物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜化。『4.1.3▎巖石的風(fēng)化程度

風(fēng)化作用可以改變巖石的礦物組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，進(jìn)而改變巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。巖石的風(fēng)化程度分類見(jiàn)表4-1。—<0.2組織結(jié)構(gòu)全部破壞，已風(fēng)化成土狀，鍬鎬易挖掘，干鉆易鉆進(jìn)，具可塑性殘積土—0.2~0.4結(jié)構(gòu)基本破壞，但尚可辨認(rèn)，有殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可用鎬挖，干鉆可鉆進(jìn)全風(fēng)化<0.40.4~0.6結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分顯著變化，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體破碎，用鎬可挖，干鉆不易鉆進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化0.4~0.80.6~0.8結(jié)構(gòu)部分破壞，沿節(jié)理面有次生礦物，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體被切割成塊狀，用鎬難挖，巖芯鉆方可鉆進(jìn)弱風(fēng)化0.8~0.90.8~0.9結(jié)構(gòu)基本未變，僅節(jié)理面有渲染或略有變色，有少量風(fēng)化裂隙微風(fēng)化0.9~1.00.9~1.0巖質(zhì)新鮮，偶見(jiàn)風(fēng)化痕跡未風(fēng)化風(fēng)化系數(shù)波速比風(fēng)化程度參數(shù)指標(biāo)野外特征風(fēng)化程度表4-1巖石風(fēng)化程度分類表『4.1.4▎巖體的結(jié)構(gòu)類型

巖體是指在地質(zhì)歷史過(guò)程中形成的，由巖石單元體（或稱巖塊）和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。具有一定的結(jié)構(gòu)是巖體的顯著特征之一。由于組成巖體的巖性、遭受的構(gòu)造變動(dòng)及次生變化的不均一性，導(dǎo)致了巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。為概括地反映巖體中結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的成因、特征及其排列組合關(guān)系，將巖體結(jié)構(gòu)劃分為5大類。各類結(jié)構(gòu)巖體的基本特征見(jiàn)表4-2。由表可知，不同結(jié)構(gòu)類型的巖體，其巖石類型、結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面的特征不同，巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)與變形破壞機(jī)理也都不同。不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生滑塌。特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形接近均一的各向異性體、其變形及強(qiáng)度特征受層面及巖層組合控制?？梢暈閺椝苄泽w，穩(wěn)定性較差有層理、片理、節(jié)理、常有層間錯(cuò)動(dòng)面層狀板狀多韻律的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質(zhì)巖層狀結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度較高、結(jié)構(gòu)面互相牽制。巖體基本穩(wěn)定，接近彈性各向同性體只具有少量貫穿性較好的節(jié)理型隙，裂隙結(jié)構(gòu)面間距0.7～1.5m。一般為2～3組，有少量分離體塊狀柱狀厚層狀沉積巖、正變質(zhì)巖、塊狀巖漿巖、變質(zhì)巖塊狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的局部滑動(dòng)或坍塌洞室的巖爆整體性強(qiáng)度高，巖體穩(wěn)定，可視為均質(zhì)彈性各向同性以原生構(gòu)造節(jié)理為主，多呈閉合型，裂隙結(jié)構(gòu)面間距大于2.5m，一般不超過(guò)1～2組，無(wú)危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)面組成的落石掉塊巨塊狀均質(zhì)，巨塊狀巖漿巖、變質(zhì)巖，巨厚層沉積巖、正變質(zhì)巖整體塊狀結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的巖土工程問(wèn)題巖土工程特征結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況主要結(jié)構(gòu)體形狀巖體地質(zhì)類型巖體結(jié)構(gòu)類型表4-2巖體結(jié)構(gòu)類型劃分表易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)、地下水加劇巖體失穩(wěn)完整性遭到極大破壞。穩(wěn)定性極差，巖體屬性接近松散體介質(zhì)斷層破碎帶交叉。構(gòu)造及風(fēng)化裂隙密集、結(jié)構(gòu)面及組合錯(cuò)綜復(fù)雜，并多充填粘性土，形成許多大小不一的分離巖塊碎屑狀顆粒狀構(gòu)造影響劇烈的斷層破啐帶，強(qiáng)風(fēng)化帶、全風(fēng)化帶散體狀結(jié)構(gòu)易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)、地下水加劇巖體失穩(wěn)完整性破壞較大，整體強(qiáng)度很低，并受斷裂等軟弱結(jié)構(gòu)面控制，多呈彈塑性介質(zhì)。穩(wěn)定性很差斷層、斷層破碎帶、片理、層理及層間結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。裂隙結(jié)構(gòu)面間距0.25~0.5m。一般在3組以上，由許多分離體碎塊狀構(gòu)造影響嚴(yán)重的破碎巖層碎裂狀結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的巖土工程問(wèn)題巖土工程特征結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況主要結(jié)構(gòu)體形狀巖體地質(zhì)類型巖體結(jié)構(gòu)類型(續(xù))表4-2巖體結(jié)構(gòu)類型劃分表『4.2▎巖石的物理力學(xué)性質(zhì)『4.2.1▎巖石的物理性質(zhì)巖石重度是指單位體積內(nèi)巖石的重量，單位為kN/m3。1．巖石的重度

(4-1)式中γ——巖石重度（kN/m3）；

W——巖石試件的重量（kN）；V——試件的體積（m3）。巖石重度按其試件的含水狀態(tài)，又分為干重度（γd）、天然重度（γ）和飽和重度（γsat），在未指明含水狀態(tài)時(shí)一般是指巖石的天然重度，常見(jiàn)巖石的天然重度見(jiàn)表4-3。0.24~0.740.5~3.20.4~10.023.0~26.2頁(yè)巖0.65~0.970.2~9.01.6~28.022.0~27.1砂巖0.50~0.960.3~2.40.8~10.024.0~26.6礫巖0.3~0.950.3~2.80.5~7.225.0~31.0玄武巖0.60~0.800.3~5.00.2~0.525.2~29.6閃長(zhǎng)巖0.72~0.970.1~0.40.4~0.523.0~28.0花崗巖軟化系數(shù)ηc吸水率wa(%)空隙率n（%）巖石重度γ/（kN/m3）巖石類型表4-3常見(jiàn)巖石的物理性質(zhì)指標(biāo)表0.94~0.960.1~1.50.1~8.724.0~28.0石英巖0.39~0.520.1~0.30.1~0.523.0~28.0泥質(zhì)板巖0.44~0.840.1~0.30.7~3.021.0~27.0石英片巖0.75~0.970.1~0.70.7~2.223.0~30.0片麻巖0.65~0.940.1~3.00.3~25.021.0~27.0白云巖0.44~0.540.5~3.01.0~10.021.0~27.0泥灰?guī)r0.70~0.940.1~4.50.5~27.023.0~27.7石灰?guī)r巖石類型表4-3常見(jiàn)巖石的物理性質(zhì)指標(biāo)表(續(xù))軟化系數(shù)ηc吸水率wa(%)空隙率n（%）巖石重度γ/（kN/m3）巖石中的孔隙及裂隙統(tǒng)稱為巖石的空隙。有開(kāi)型空隙和閉型空隙之分。與此相對(duì)應(yīng)，可把巖石的空隙率分為總空隙率（n）、開(kāi)空隙率（no）及閉空隙率（nc）幾種，各自的含義如下：2．巖石的空隙性

(4-2)(4-3)(4-4)式中V、Vv、Vvo、Vvc分別表示巖石試件的體積及試件中空隙的總體積、開(kāi)空隙體積及閉空隙體積。一般巖石空隙率系指總空隙率，常見(jiàn)巖石的空隙率見(jiàn)表4-3。一般來(lái)說(shuō)，空隙率愈大，巖石的強(qiáng)度愈小、塑性變形和滲透性質(zhì)進(jìn)一步惡化。巖石在一定的試驗(yàn)條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。常用吸水率與飽水系數(shù)指標(biāo)表示。3．巖石的吸水性

巖石的吸水率（wa）是指巖石試件在一個(gè)大氣壓和室溫條件下自由吸入水的重量（Ww1）與巖樣干重量（Ws）之比的百分率，即(4-5)巖石的吸水率大小主要取決于巖石中空隙和裂隙的數(shù)量、大小及其開(kāi)啟程度，同時(shí)還受到巖石成因、時(shí)代及巖性的影響。常見(jiàn)巖石的吸水率見(jiàn)表4-3。

巖石的飽和吸水率（wsa）是指巖石試件在高壓（一般壓力15MPa）或真空條件下吸入水的重量（Ww2）與巖樣干重量（Ws）之比的百分率，即(4-6)巖石的飽和吸水率是表示巖石物理性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。它反映了巖石總開(kāi)空隙的發(fā)育程度，可間接地用它來(lái)判定巖石的抗風(fēng)化能力和抗凍性。

飽水系數(shù)是指巖石的吸水率與飽和吸水率的比值。巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性，用軟化系數(shù)（ηc）表示。即巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度（Rc）與干抗壓強(qiáng)度（σc）的比值，即:4．巖石的軟化性

(4-7)巖石的軟化性取決于巖石的礦物組成與空隙性，常見(jiàn)巖石的軟化系數(shù)見(jiàn)表4-3，由表可知，巖石均具有不同程度的軟化性。一般認(rèn)為，軟化系數(shù)ηc<0.75的巖石是軟化性較強(qiáng)和工程地質(zhì)性質(zhì)較差的巖石?！?.2.2▎巖石的強(qiáng)度性質(zhì)巖石抵抗外力破壞的能力稱為巖石的強(qiáng)度根據(jù)破壞時(shí)的應(yīng)力類型，巖石的破壞有拉破壞、剪切破壞和流動(dòng)三種基本類型。由于受力狀態(tài)的不同，巖石的強(qiáng)度也不同，如單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、三軸壓縮強(qiáng)度等等。1．單軸抗壓強(qiáng)度

在單向壓縮條件下，巖石能承受的最大壓應(yīng)力，稱為單軸抗壓強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度是反映巖石基本力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，與抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度之間有著一定的比例關(guān)系。表4-4列出了常見(jiàn)巖石幾種強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值。0.1760.06-0.11石英巖0.090.080.02-0.08花崗巖0.2720.08-0.226大理巖0.150.08-0.100.01-0.067石灰?guī)r0.06-0.190.06-0.440.02-0.17砂巖0.1-0.240.33-0.5450.09-0.18砂質(zhì)頁(yè)巖0.22-0.510.25-0.480.06-0.325頁(yè)巖抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值巖石名稱表4-4巖石的幾種強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值巖塊的抗壓強(qiáng)度通常是采用標(biāo)準(zhǔn)試件在壓力機(jī)上加軸向荷載，直至試件破壞。如設(shè)試件破壞時(shí)的荷載為Pc（N），橫斷面面積為A(mm2)，則巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rc(MPa)為：(4-8)除抗壓試驗(yàn)外，還可用點(diǎn)荷載試驗(yàn)和不規(guī)則試件的抗壓試驗(yàn)間接的求巖石的Rc。如用點(diǎn)荷載試驗(yàn)求Rc時(shí)，常用如下的經(jīng)驗(yàn)公式換算：(4-9)式中Is(50)為直徑為50mm標(biāo)準(zhǔn)試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。15-3035-507-20100-250大理巖2-2045-607-1560-200板巖20-5035-5015-2580-250白云巖3-530-505-2050-200片麻巖10-5035-505-2050-200石灰?guī)r20-6050-6010-30150-350石英巖8-5035-502-1510-150礫巖20-6048-5510-30150-300玄武巖8-4035-504-2520-200砂巖10-5045-6015-30180-300流紋巖3-2015-302-1010-100頁(yè)巖14-5045-607-25100-250花崗巖巖石名稱內(nèi)聚力C/MPa摩擦角Ф(°)抗拉強(qiáng)度Rt/MPa抗壓強(qiáng)度Rc/MPa巖石名稱表4-5常見(jiàn)巖石的強(qiáng)度指標(biāo)值內(nèi)聚力C/MPa摩擦角Ф(°)抗拉強(qiáng)度Rt/MPa抗壓強(qiáng)度Rc/MPa巖石的抗壓強(qiáng)度受一系列因素影響和控制。一是巖石本身性質(zhì)方面的因素，如礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造（顆粒大小、連結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)育特征等）、密度及風(fēng)化程度等；二是試驗(yàn)條件方面的因素，主要包括試件的幾何形狀及加工精度、加荷速率、端面條件、試驗(yàn)溫度及濕度等。2．三軸抗壓強(qiáng)度

試件在三向壓應(yīng)力作用下能抵抗的最大的軸向應(yīng)力，稱為巖石的三軸壓縮強(qiáng)度。在一定的圍壓σ3下，對(duì)試件進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)，如設(shè)試件破壞時(shí)的荷載為Pm(N)，橫斷面面積為A(mm2)，巖石的三軸壓縮強(qiáng)度σ1m(MPa)為：(4-10)根據(jù)一組試件（4個(gè)以上）試驗(yàn)得到三軸壓縮強(qiáng)度σ1m和相應(yīng)的圍壓σ3，在σ-τ坐標(biāo)系中可繪制出一組破壞應(yīng)力圓及其公切線，即得巖石的強(qiáng)度包絡(luò)線（圖4-1）。包絡(luò)線與σ軸的交點(diǎn)，稱為包絡(luò)線的頂點(diǎn)，除頂點(diǎn)外，包絡(luò)線上所有點(diǎn)的切線與σ軸的夾角及其在τ軸上的截距分別代表相應(yīng)破壞面的內(nèi)摩擦角(φ)和內(nèi)聚力(C)。當(dāng)圍壓不大時(shí)，巖石的強(qiáng)度包絡(luò)線?？山频匾暈橐恢本€，據(jù)此，可求得巖石強(qiáng)度參數(shù)σ1m、C、φ與圍壓σ3間的關(guān)系為：στOσccσcσ1σ1σ3σ3σ1φ2φ?qǐng)D4-1巖石莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線(4-11)『4.2.3▎巖石的變形性質(zhì)巖石變形性質(zhì)可用巖石變形試驗(yàn)所得到的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系及變形模量、泊松比等參數(shù)來(lái)表示。彈性變形巖石變形塑性變形流變變形在剛性壓力機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在單軸連續(xù)加載條件下對(duì)巖石試件進(jìn)行變形試驗(yàn)，可得到各級(jí)荷載下的軸向應(yīng)變()、橫向應(yīng)變()及其體積應(yīng)變()。通過(guò)這些數(shù)據(jù)可繪制出反映巖石變形特征的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線（圖4-2）。據(jù)此可將巖石變形過(guò)程劃分成不同的階段。Lede壓縮擴(kuò)容εσvdεLDⅣCⅡBAⅠABCOⅠⅡⅢⅢ圖4-2巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線εε

孔隙裂隙壓密階段(OA段)：即試件中原有張開(kāi)性結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非線性變形。σ—e曲線呈上凹型，表明微裂隙的閉合開(kāi)始較快，隨后逐漸減慢。本階段變形對(duì)裂隙巖石來(lái)說(shuō)較明顯，而對(duì)堅(jiān)硬少裂隙的巖石則不明顯，甚至不顯現(xiàn)。彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段(AC段)：該階段的σ-eL曲線呈近似直線關(guān)系，而σ-ev曲線開(kāi)始（AB段）為直線關(guān)系，隨σ增加逐漸變?yōu)榍€關(guān)系，又可細(xì)分彈性變形階段（AB段）和微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（BC段）。彈性變形階段不僅變形隨應(yīng)力成比例增加，而且在很大程度上表現(xiàn)為可恢復(fù)的彈性變形，B點(diǎn)的應(yīng)力可稱為彈性極限。微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段的變形主要表現(xiàn)為塑性變形，由于微破裂的出現(xiàn)，試件體積壓縮速率減緩，σ-eL曲線偏離直線向縱軸方向彎曲。這一階段的上界應(yīng)力（C點(diǎn)應(yīng)力）稱為屈服極限。

非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（或稱累進(jìn)性破裂階段）(CD段)：進(jìn)入本階段后，微破裂的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的變化。由于破裂過(guò)程中所造成的應(yīng)力集中效應(yīng)顯著，若使外荷載保持不變，破裂仍會(huì)不斷發(fā)展，并在某些薄弱部位首先破壞，應(yīng)力重新分布，依次引起次薄弱部位的破壞，直至試件完全破壞。試件由體積壓縮轉(zhuǎn)為體積膨脹，軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大，試件承載能力達(dá)到最大，本階段的上界應(yīng)力稱為峰值強(qiáng)度或單軸抗壓強(qiáng)度。破壞后階段（D點(diǎn)以后段）：巖石承載力達(dá)到峰值后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全破壞，但試件仍基本保持整體狀。本階段裂隙快速發(fā)展、交叉且相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面，此后，巖石變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，試件承載力隨變形增大迅速下降。根據(jù)各類應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以確定巖石的變形模量和泊松比等變形參數(shù)。變形模量是指單軸壓縮條件下，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比，其確定方法如圖4-3。σLεεiσiiσiεE=OPPAΔLσ=APε=ΔLLεLσOiεiσσ150σ2σε2ε50ε1EitEEsa)b)圖4-3巖石變形模量確定方法示意圖L當(dāng)巖石應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系時(shí)(圖4-3a)，巖石的變形模量E(Mpa)為：(4-12)式中σi、ei，分別為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上任一點(diǎn)i的軸向應(yīng)力（MPa）和軸向應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)榉侵本€關(guān)系時(shí)，巖石的變形模量為一變量（圖4-3b），即不同應(yīng)力段上的變形量不同。常用的有如下幾種。1)初始模量(Ei)指曲線原點(diǎn)處的切線斜率，即:(4-13)2)切線模量(Et)指曲線上任一點(diǎn)處切線的斜率，一般特指中部直線段的斜率，即(4-14)3)割線模量(Es)指曲線某特定點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，通常取σc/2處的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，即(4-15)

泊松比（m）是指在單軸壓縮條件下，橫向應(yīng)變（ed）與軸向應(yīng)變eL之比，即(4-16)巖石的變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風(fēng)化程度、空隙性、含水率、微結(jié)構(gòu)面及其與荷載方向的關(guān)系等多種因素的影響，變化較大。當(dāng)垂直于層理、片理等微結(jié)構(gòu)面方向加荷時(shí)，變形模量最小，而平行微結(jié)構(gòu)面加荷時(shí)，其變形模量最大。兩者的比值，沉積巖一般為1.08～2.05；變質(zhì)巖為2.0左右。表4-6列出了常見(jiàn)巖石的變形模量和泊松比的經(jīng)驗(yàn)值。0.2~0.351~91~9大理巖0.2~0.32~82~5板巖0.2~0.354~84~8白云巖0.22~0.351~101~8片麻巖0.2~0.355~101~8石灰?guī)r0.1~0.256~206~20石英巖0.2~0.32~80.5~8礫

巖0.1~0.356~126~10玄武巖0.2~0.31~100.5~8砂巖0.1~0.255~102~8流紋巖0.2~0.42~81~3.5頁(yè)巖0.2~0.35~102~6花崗巖彈性初始彈性初始泊松比變形模量/104MPa巖石名稱泊松比變形模量/104MPa巖石名稱表4-6常見(jiàn)巖石的變形模量和泊松比

還有一些從不同角度反映巖石變形性質(zhì)的參數(shù)。如剪切模量（G）、彈性抗力系數(shù)（K）、拉梅常數(shù)（λ）及體積模量（KV）等。這些參數(shù)與變形模量（E）及泊松比（μ）之間有如下關(guān)系:(4-17)(4-18)(4-19)(4-20)式中R0——為地下洞室半徑?！?.2.3▎巖石的蠕變?nèi)渥兯神Y彈性后效巖石的流變?cè)趹?yīng)力為恒定的情況下巖石變形隨時(shí)間發(fā)展的現(xiàn)象。指在形變保持恒定的情況下巖石應(yīng)力隨時(shí)間而減少的現(xiàn)象。指在卸載過(guò)程中彈性應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象。巖石的性質(zhì)不同，巖石的蠕變性質(zhì)也有所不同，通常用蠕變曲線（ε-t曲線）來(lái)表示。巖石的蠕變曲線具有兩種典型形式，即穩(wěn)定蠕變和不穩(wěn)定蠕變。圖4-4為幾種巖石的典型蠕變曲線。ε(10)-6t/104s0246810122468花崗巖砂巖頁(yè)巖圖4-4在10Mpa的常應(yīng)力及常溫下幾種巖石的典型蠕變曲線軟弱巖石的典型蠕變曲線可分為三個(gè)階段（圖4-5）。第I階段（AB段）稱作初始蠕變段：初始應(yīng)變速率最大，隨后則逐漸減小，應(yīng)變與時(shí)間大致呈對(duì)數(shù)關(guān)系，即ε∝lgt；第II階段(BC段)：變形緩慢，應(yīng)變與時(shí)間近于線性關(guān)系，也稱等速蠕變段或穩(wěn)定蠕變段；第III階段(C點(diǎn)以后)：應(yīng)變速率迅速增加，變形無(wú)限發(fā)展，直致巖石產(chǎn)生破壞，稱為加速蠕變段。tεBACD圖4-5軟弱巖石典型的蠕變曲線OIIIIII

巖石的蠕變還受其承受的應(yīng)力大小影響。同一種巖石，所承受的恒定荷載不同，可能發(fā)生穩(wěn)定蠕變，也可能發(fā)生不穩(wěn)定蠕變。顯然，由穩(wěn)定蠕變向不穩(wěn)定蠕變的轉(zhuǎn)化，其間必然存在一臨界荷載，當(dāng)荷載小于這個(gè)臨界荷載時(shí)，巖石不會(huì)發(fā)展到蠕變破壞；而大于這個(gè)臨界荷載時(shí)，巖石會(huì)持續(xù)變形，并發(fā)展到破壞。這個(gè)臨界荷載即巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，對(duì)工程很有意義。對(duì)于隧道工程，工作面開(kāi)挖后，及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行錨噴支護(hù)，一般不允許出現(xiàn)不穩(wěn)定變形，在正常情況下，隧道圍巖的變形類似于圖4-4中砂巖的變形曲線。隧道開(kāi)挖后圍巖變形初始速率最大，以后逐漸減小，應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線呈上凸形。隨著變形速率的遞減，圍巖的變形越來(lái)越小，一般認(rèn)為，當(dāng)變形速率小于0.1mm/d時(shí)，圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)?！?.3▎隧道圍巖分級(jí)『4.3.1▎現(xiàn)行公路隧道圍巖分級(jí)方法

現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）規(guī)定隧道圍巖分級(jí)的綜合評(píng)判方法采用兩步分級(jí)。首先，根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)基本因素的定性特征和定量巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，進(jìn)行初步分級(jí)。然后，考慮修正因素的影響（如：地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、初始應(yīng)力狀態(tài)等），修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)值，按修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]，結(jié)合巖體的定性特征綜合評(píng)判，確定圍巖的詳細(xì)分級(jí)（表4-7）。軟塑狀粘性土及潮濕、飽和粉細(xì)砂層、軟土等Ⅵ一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍濕至潮濕的碎石土，卵石土、圓礫、角礫土及黃土（Q3、Q4）。非粘性土呈松散結(jié)構(gòu)，粘性土及黃土呈松軟結(jié)構(gòu)≤250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，松散結(jié)構(gòu)Ⅴ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)的碎石土、卵石土、大塊石土350~251堅(jiān)硬巖，巖體破碎，碎裂結(jié)構(gòu)；較堅(jiān)硬巖，巖體較破碎~破碎，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整~較破碎，中薄層狀結(jié)構(gòu)Ⅳ450~351堅(jiān)硬巖，巖體較破碎，巨塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)；較堅(jiān)硬巖或較軟巖，巖體較完整，塊狀或中厚層結(jié)構(gòu)Ⅲ550~451堅(jiān)硬巖，巖體較完整，塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)；較堅(jiān)硬巖，巖體完整，塊狀整體結(jié)構(gòu)Ⅱ>550堅(jiān)硬巖，巖體完整，整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)Ⅰ圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ或修正的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]圍巖或土體主要定性特征圍巖級(jí)別表4-7公路隧道圍巖分級(jí)注：本表不適用于特殊條件的圍巖分級(jí)，如膨脹性圍巖、多年凍土等。1.巖石的強(qiáng)硬程度巖石堅(jiān)硬程度定量指標(biāo)用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc表達(dá)。Rc一般采用實(shí)測(cè)值，若無(wú)實(shí)測(cè)值時(shí)，可采用實(shí)測(cè)的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)IS(50)來(lái)?yè)Q算（式4-9）。巖石堅(jiān)硬程度的劃分見(jiàn)表4-8。1）弱風(fēng)化的堅(jiān)硬巖；2）未風(fēng)化~微風(fēng)化的熔結(jié)凝灰?guī)r、大理巖、板巖、白云巖、石灰?guī)r、鈣質(zhì)膠結(jié)的砂頁(yè)巖等錘擊聲較清脆，有輕微回彈，稍震手，較難擊碎；浸水后有輕微吸水反應(yīng)60~30較堅(jiān)硬巖未風(fēng)化~微風(fēng)化的花崗巖、正長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、輝綠巖、玄武巖、安山巖、片麻巖、石英片巖、硅質(zhì)板巖、石英巖、硅質(zhì)膠結(jié)的礫巖、石英砂巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等錘擊聲清脆，有回彈，震手，難擊碎；浸水后大多無(wú)吸水反應(yīng)>60堅(jiān)硬巖硬質(zhì)石代表性巖石定性鑒定Rc/MPa名稱表4-8巖石堅(jiān)硬程度劃分表1)全風(fēng)化的各種巖石；2)各種半成巖錘擊聲啞，無(wú)回彈，有較深凹痕，手可捏碎；浸水后可捏成團(tuán)<5極軟巖1）強(qiáng)風(fēng)化的堅(jiān)硬巖；2）弱風(fēng)化~強(qiáng)風(fēng)化的較堅(jiān)硬巖；3）弱風(fēng)化的較軟巖；4）未風(fēng)化的泥巖等錘擊聲啞，無(wú)回彈，有凹痕，易擊碎；浸水后手可掰開(kāi)15~5軟巖1）強(qiáng)風(fēng)化的堅(jiān)硬巖；2）弱風(fēng)化的較堅(jiān)硬巖；3）未風(fēng)化~微風(fēng)化的熔結(jié)凝灰?guī)r、千枚巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、頁(yè)巖等錘擊聲不清脆，無(wú)回彈，較易擊碎；浸水后指甲可刻出印痕30~15較軟巖軟質(zhì)石代表性巖石定性鑒定Rc/MPa名稱(續(xù))注：表中巖石的風(fēng)化程度劃分見(jiàn)表4-1。表4-8巖石堅(jiān)硬程度劃分表

Kv=(vpm/vpr)2

(4-21)式中vpm——巖體彈性縱波速度（km/s）；vpr——巖石彈性縱波速度（km/s）。Kv一般用彈性波探測(cè)值，若無(wú)探測(cè)值時(shí)，可用巖體體積節(jié)理數(shù)對(duì)應(yīng)的值。巖體完整程度的劃分見(jiàn)表4-9。2.巖體的完整程度

巖體完整程度的定量指標(biāo)用巖體完整性系數(shù)Kv(巖體彈性縱波速度與巖石縱波速度比值的平方)表達(dá):散體狀結(jié)構(gòu)很差無(wú)序>35<0.15極破碎碎裂狀結(jié)構(gòu)一般或差<0.2裂隙塊狀結(jié)構(gòu)各種類型結(jié)構(gòu)面差0.4~0.2>320~350.35~0.15破碎中、薄層狀結(jié)構(gòu)一般鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)好0.4~0.2>3裂隙塊狀或中厚層結(jié)構(gòu)節(jié)理、裂隙、層面、小斷層差1.0~0.42~310~200.55~0.35較破碎塊狀結(jié)構(gòu)好或一般1.0~0.42~3塊狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)節(jié)理、裂隙、層面差>1.01~23~100.75~0.55較完整整體狀或巨厚層結(jié)構(gòu)節(jié)理、裂隙、層面好或一般>1.01~2<3>0.75完整平均間距/m組數(shù)相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型主要結(jié)構(gòu)面類型主要結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度Jv/(條/m3)Kv名稱表4-9巖體完整程度劃分表注：平均間距指主要結(jié)構(gòu)面（1-2組）間距的平均值；結(jié)構(gòu)類型劃分見(jiàn)表4-2。3.圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)

圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]應(yīng)根據(jù)分級(jí)因素的定量指標(biāo)Rc值和Kv值按下式計(jì)算：BQ=90+3Rc+250Kv

(4-22)

當(dāng)Rc>90Kv+30時(shí)，以Rc=90Kv+30和Kv代入式(4-22)計(jì)算BQ值；當(dāng)Kv>0.04Rc+0.4時(shí)，以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入式(4-22)計(jì)算BQ值。

當(dāng)隧道圍巖處于高地應(yīng)力區(qū)或圍巖穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面影響，且由一組起控制作用或有地下水作用時(shí)，應(yīng)對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行修正，修正值[BQ]按下式計(jì)算：[BQ]=BQ–100（K1+K2+K3）(4-23)式中K1——地下水影響修正系數(shù)；K2——主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3——初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

K1、K2、K3值可分別按表4-10~4-12確定，無(wú)表中所列情況時(shí)，修正系數(shù)取0。表4-10地下水影響修正系數(shù)K1

1.00.7~0.90.4~0.60.2淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊?，水?gt;0.1MPa或單位出水量>10L/(min?m)0.7~0.90.4~0.60.2~0.30.1淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊?，水?lt;0.1MPa或單位出水量<10L/(min?m)0.4~0.60.2~0.30.10潮濕或點(diǎn)滴狀出水≤250350~251450~351>450BQ地下水出水狀態(tài)0.2~0.40~0.20.4~0.6K2其它組合結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角>60°，結(jié)構(gòu)面傾角>75°結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角<30°，結(jié)構(gòu)面傾角30°~75°結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關(guān)系0.5~1.00.5~1.00.50.50.5高應(yīng)力區(qū)1.0~1.51.0~1.51.0~1.51.01.0極高應(yīng)力區(qū)<250350~251450~351550~451>550初始應(yīng)力狀態(tài)表4-11主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2

表4-12初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3

注：初始應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)表4-13判斷。BQ4~71)硬質(zhì)巖：開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂縫較多，成洞性差；2)軟質(zhì)巖：巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象，開(kāi)挖過(guò)程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，成洞性差高應(yīng)力<41)硬質(zhì)巖：開(kāi)挖過(guò)程中有巖爆發(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；2)軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開(kāi)挖過(guò)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(shí)間長(zhǎng)，不易成洞極高應(yīng)力Rc/σmax主要現(xiàn)象應(yīng)力情況表4-13高初始應(yīng)力地區(qū)圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象4.各級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)及自穩(wěn)能力

各級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)可按表4-14選用，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度按表4-15選用；各級(jí)圍巖的自穩(wěn)能力根據(jù)表4-16作大致評(píng)判。30~40<0.2<200.4~0.5<1<10015~17Ⅵ40~500.05~0.220~270.35~0.451~2100~20017~20Ⅴ50~600.2~0.727~390.3~0.351.3~6200~50020~23Ⅳ60~700.7~1.539~500.25~0.36~20500~120023~25Ⅲ70~781.5~2.150~600.2~0.2520~331200~180025~27Ⅱ>78>2.1>60<0.2>331800~280026~28Ⅰ計(jì)算摩擦角φc(°)粘聚力C/MPa內(nèi)摩擦角φ(°)泊松比μ變形模量E/GPa彈性抗力系數(shù)k/(MPa/m)重度γ/(kN/m3)圍巖級(jí)別表4-14各級(jí)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值注：1.本表數(shù)值不包括黃土地層。2.選用計(jì)算摩擦角時(shí)，不再計(jì)內(nèi)摩擦角和粘聚力。<0.05<13較堅(jiān)硬巖及全部軟質(zhì)巖，結(jié)合很差；軟質(zhì)巖泥化層本身50.08~0.0519~13較堅(jiān)硬~較軟巖，結(jié)合差~結(jié)合很差；軟巖，結(jié)合差；軟質(zhì)巖的泥化面40.12~0.0829~19堅(jiān)硬~較堅(jiān)硬巖，結(jié)合差；較軟巖~軟巖，，結(jié)合一般30.22~0.1237~29堅(jiān)硬~較堅(jiān)硬巖，結(jié)合一般；較軟巖，結(jié)合好2>0.22>37堅(jiān)硬巖，結(jié)合好1粘聚力C/MPa內(nèi)摩擦角φ(°)兩側(cè)巖體的堅(jiān)硬程度及結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度序號(hào)表4-15巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強(qiáng)度無(wú)自穩(wěn)能力Ⅵ無(wú)自穩(wěn)能力，跨度5m或更小時(shí)，可穩(wěn)定數(shù)日Ⅴ跨度5m，一般無(wú)自穩(wěn)能力，數(shù)日~數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動(dòng)變形、小塌方，進(jìn)而發(fā)展為中~大塌方。埋深小時(shí)，以拱部松動(dòng)破壞為主，埋深大時(shí)，有明顯塑性流動(dòng)變形和擠壓破壞；跨度小于5m，可穩(wěn)定數(shù)日~1個(gè)月Ⅳ跨度10~20m，可穩(wěn)定數(shù)日~1個(gè)月，可發(fā)生小~中塌方；跨度5~10m，可穩(wěn)定數(shù)月，可發(fā)生局部塊體位移及小~中塌方；跨度5m，可基本穩(wěn)定Ⅲ跨度10~20m，可基本穩(wěn)定，局部可發(fā)生掉塊或小塌方；跨度10m，可長(zhǎng)期穩(wěn)定，偶有掉塊Ⅱ跨度20m，可長(zhǎng)期穩(wěn)定，偶有掉塊，無(wú)塌方Ⅰ自穩(wěn)能力圍巖級(jí)別表4-16隧道各級(jí)圍巖自穩(wěn)能力判斷注：1.小塌方：塌方高度<3m,或塌方體積<30m3。2.中塌方：塌方高度3~6m,或塌方體積30~100m3。3.大塌方：塌方高度>6m,或塌方體積>100m3。『4.3.2▎普氏圍巖分類法

普氏方法是以巖石強(qiáng)度指標(biāo)為基礎(chǔ)的圍巖分類法。普氏認(rèn)為：所有圍巖都不同程度地被節(jié)理、裂隙所切割，因此，可視圍巖為散粒體。但圍巖又不同于一般的散粒體，還存在不同程度的粘結(jié)力（內(nèi)聚力）。由這些假定出發(fā)，普氏提出了圍巖的堅(jiān)固性系數(shù)（又叫似摩擦系數(shù)或普氏系數(shù)）的概念。圍巖堅(jiān)固性系數(shù)fup值表達(dá)式為：(4-24)式中φ、φ0——圍巖的似摩擦角和內(nèi)摩擦角；τ、σ——圍巖的抗剪強(qiáng)度和剪切破壞時(shí)的正應(yīng)力；

c——圍巖的粘聚力。

巖石的堅(jiān)固性系數(shù)是一個(gè)說(shuō)明圍巖條件性質(zhì)（如強(qiáng)度、抗粘性、構(gòu)造及地下水等）的籠統(tǒng)的指標(biāo)。不同的巖石通常用不同的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式求得：

對(duì)于松散性巖石、土及砂質(zhì)土：(4-25)

對(duì)于堅(jiān)硬巖石：(4-26)

對(duì)于軟巖：(4-27)

對(duì)于粘土或黃土：(4-28)式中

fup——巖石堅(jiān)固性系數(shù)；

Rc——巖石試件單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度（MPa）；

φ——土體內(nèi)摩擦角；

c——土的粘結(jié)力。

普氏按fup值進(jìn)行圍巖分類（表4-17）。普氏圍巖分類法較簡(jiǎn)單，因?yàn)閒up是巖石強(qiáng)度指標(biāo)的一個(gè)反映，但普氏分類法沒(méi)有充分考慮圍巖體的構(gòu)造因素及穩(wěn)定性。因此，圍巖的fup不僅由巖石強(qiáng)度決定，而應(yīng)當(dāng)是由巖體強(qiáng)度決定，即：

fup巖體＝k×fup巖石

(4-29)式中

k——考慮地質(zhì)條件的修正系數(shù)（實(shí)質(zhì)是折減系數(shù)）。0.2~0.30.4~0.80.5~0.63015~16濕砂、粘沙土、種植土、泥炭、輕型粘土0.60.2~0.30.8~1.50.6~1.24518密實(shí)粘土、堅(jiān)硬的沖積土10.2~0.31.5~2.51.2~2.06018~20碎石土壤、破碎片石、粘結(jié)的卵石和碎石、硬化粘土1.50.3~0.42.5~42~36524軟片巖、軟石灰?guī)r、破碎砂巖、膠結(jié)的卵石、塊石土壤20.3~0.44~53~47025不堅(jiān)硬的片石、密實(shí)的泥灰?guī)r、堅(jiān)硬膠結(jié)的粘土30.3~0.45~7.54~67025~28堅(jiān)硬的板巖、不堅(jiān)硬的砂巖及石灰?guī)r，礫巖40.4~0.57.5~106~872°30＇25砂質(zhì)片巖、片狀砂巖50.4~0.510~158~127524普通砂巖60.4~0.515~2512~208025堅(jiān)硬的石灰?guī)r、大理巖，不堅(jiān)硬的花崗巖≥8基層k2×105側(cè)向k1×105地層與襯砌間摩擦系數(shù)(側(cè)向)μ彈性壓縮系數(shù)/(kN/m3)似摩擦角Φ(°)重度γ/(kN/m3)地層代表名稱表4-17普氏按fup值的圍巖分類注：μ為圬工與圍巖間摩擦系數(shù)。fup『4.3.3▎太沙基圍巖分類法太沙基根據(jù)3.0m×3.0m斷面的坑道中實(shí)際量測(cè)資料，以坑道支護(hù)所需的地壓值為對(duì)象進(jìn)行圍巖分類。泰沙基分類如表4-18所示。要用圓形支撐，激烈時(shí)采用可縮性支撐與(B+Ht)無(wú)關(guān)，一般達(dá)80m以上9．膨脹性地質(zhì)條件有很大側(cè)壓，必要時(shí)修仰拱，推薦采用圓形支撐(2.10~4.50)(B+Ht)8．同上，但覆蓋層較厚有很大側(cè)壓，必要時(shí)修仰拱，推薦采用圓形支撐(1.10~2.10)(B+Ht)7．?dāng)D壓變形緩慢的巖層（覆蓋厚度中等）有一定側(cè)壓。由于漏水，隧道下部分變軟，支撐下部要作基礎(chǔ)。必要時(shí)可采用圓形支撐1.10(B+Ht)6．完全破碎的，但不受化學(xué)侵蝕的側(cè)壓很小或沒(méi)有(0.35~1.10)(B+Ht)5．裂隙較多，塊度小的巖層無(wú)側(cè)壓0.25B~0.35(B+Ht)4．有裂痕，塊度一般的巖層采用輕型支撐，荷載局部作用，變化不規(guī)則(0~0.25)B3．大塊，有一般節(jié)理的采用輕型支撐，荷載局部作用，變化不規(guī)則(0~0.5)B2．堅(jiān)硬的，呈層狀或片狀的巖層當(dāng)有掉塊或巖爆時(shí)，可設(shè)輕型支撐01．堅(jiān)硬的，無(wú)損害的說(shuō)明巖石荷載高度(m)巖層狀態(tài)表4-18太沙基圍巖分類表注：表中B、Ht分別為坑道寬度及高度。

由表4-17可見(jiàn)，太沙基分類是以巖體構(gòu)造、巖體地質(zhì)特征為依據(jù)進(jìn)行分類的。圍巖的定性描述比較概括，每類圍巖都有一個(gè)相應(yīng)的地壓范圍值。分類是以有水條件為基礎(chǔ)，當(dāng)無(wú)水時(shí)，表中第4~7欄圍巖的地壓值要降低50%。目前，歐美各國(guó)的地下工程中，仍廣泛地采用泰沙基圍巖分類方法?！?.4▎圍巖壓力計(jì)算『4.4.1▎圍巖壓力及成拱作用1.圍巖壓力的概念

人們對(duì)圍巖壓力的認(rèn)識(shí)是從開(kāi)挖洞穴后圍巖的變形和坍塌的現(xiàn)象開(kāi)始的。它是作用于隧道支撐或襯砌結(jié)構(gòu)上的主要荷載之一。松動(dòng)壓力形變壓力圍巖壓力由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)如錨噴支護(hù)等的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形過(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。豎向壓力側(cè)向壓力由于開(kāi)挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。

影響圍巖壓力的因素：圍巖的工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件、圍巖巖體的強(qiáng)度、隧道的埋置深度、圍巖壓力的時(shí)間效應(yīng)、隧道斷面的形狀及尺寸、支護(hù)結(jié)構(gòu)的特征和施工方法等等。2.圍巖壓力的產(chǎn)生

隧道開(kāi)挖前，地層中各點(diǎn)的應(yīng)力保持著相對(duì)的平衡，地層處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，稱為原始應(yīng)力狀態(tài)。為了研究方便，僅考慮由上覆地層自重所形成的原始應(yīng)力，并取深度H處的一個(gè)單元體來(lái)作應(yīng)力分析（圖4-6）。該單元體受到三對(duì)大小相同、方向相反的壓力作用，因此該單元體處于力的平衡狀態(tài)和變形運(yùn)動(dòng)的相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。Hxσσyzσxyz地面圖4-6隧道開(kāi)挖前任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

在上覆地層自重作用下，豎直壓力Pz為：(4-30)式中γ——上覆地層的平均重度（kN/m3）；

H——從地面到單元體所處的深度(m)。

由于單元體的側(cè)向變形受到周圍地層的限制，便產(chǎn)生了側(cè)向壓力Px、Py：(4-31)式中ξ

——側(cè)壓力系數(shù)。

根據(jù)側(cè)向應(yīng)變?yōu)榱愕臈l件，并把地層假定為各向同性的彈性體，可推導(dǎo)出ξ：(4-32)式中μ

——地層巖石的泊松比。

隧道開(kāi)挖后，圍巖原來(lái)保持的平衡狀態(tài)受到破壞，由相對(duì)的靜止?fàn)顟B(tài)變成顯著的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于圍巖在應(yīng)力及應(yīng)變方面開(kāi)始了一個(gè)新的變化運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)了圍巖應(yīng)力的重分布和圍巖向開(kāi)挖空間的變形，力圖達(dá)到新的平衡。變形的大小取決于應(yīng)力變化的大小和圍巖抵抗這些變形的能力。3.圍巖壓力的確定方法直接測(cè)量法經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法圍巖壓力確定方法理論估算法4.圍巖的成拱作用

隧道開(kāi)挖后圍巖力學(xué)形態(tài)將經(jīng)歷“平衡—變形、破壞、坍塌—應(yīng)力重分布——新的平衡”的過(guò)程，這種過(guò)程的最終產(chǎn)物就是人們所熟知的“坍落拱”或“平衡拱”（圖4-7）。其上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力，如同一個(gè)承載環(huán)一樣，并將荷載重力向側(cè)傳遞下去，這就是所謂圍巖的成拱作用。坍落拱Hh圖4-7圍巖的成拱作用M·M·普洛托季亞可諾夫從松散介質(zhì)的極限平衡出發(fā)，認(rèn)為坍落拱呈拋物線狀，其高度為：(4-33)式中

h——坍落拱高度(m)；b——隧道跨度的一般(m)；fup——普氏系數(shù)。我國(guó)現(xiàn)行隧道設(shè)計(jì)規(guī)范用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法給出計(jì)算各級(jí)圍巖坍塌高度的經(jīng)驗(yàn)公式：h=0.45×2S-1×[1+i(B-5)](4-34)式中S——圍巖級(jí)別；B——隧道寬度(m)；i——B每增減1m時(shí)圍巖壓力的增減率，以B=5m的圍巖垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)，當(dāng)B＜5m時(shí)，取i=0.2；當(dāng)B＞5m時(shí)，取i=0.1。『4.4.2▎深埋隧道圍巖壓力計(jì)算1.松動(dòng)壓力計(jì)算Ⅴ級(jí)及Ⅵ級(jí)圍巖產(chǎn)生的圍巖壓力一般為松動(dòng)壓力，Ⅳ級(jí)圍巖當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)面膠結(jié)不好時(shí)，也可能產(chǎn)生松動(dòng)壓力。松動(dòng)壓力包括垂直壓力及水平壓力，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，一般均按均布?jí)毫τ?jì)算。垂直壓力的計(jì)算公式如下：(4-35)式中q——垂直均布?jí)毫Γ↘N/m2）；γ——圍巖重度（kN/m3）；h——坍落拱高度（m），按式（4-34）計(jì)算。水平壓力可按表4-19確定：(0.5~1.0)q(0.3~0.5)q(0.15~0.3)q<0.15q0水平勻布?jí)毫ⅥⅤⅣⅢⅠ、Ⅱ圍巖級(jí)別表4-19圍巖水平勻布?jí)毫ψⅲ翰捎檬?3-35)及表4-19計(jì)算深埋隧道圍巖壓力時(shí)，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件，即：①H/B<1.7，式中H為隧道開(kāi)挖高度，B為隧道開(kāi)挖寬度；②不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧道。2.形變壓力計(jì)算Ⅳ級(jí)以下圍巖隧道開(kāi)挖后變形的發(fā)展會(huì)持續(xù)較久的時(shí)間，噴射混凝土層將在同圍巖共同變形的過(guò)程中對(duì)圍巖提供支護(hù)，從而使圍巖保持穩(wěn)定。與此同時(shí)，噴層將受到來(lái)自圍巖的擠壓力，這種擠壓力由圍巖變形引起，常稱做“形變壓力”。圍巖與支護(hù)間形變壓力的傳遞是一個(gè)隨時(shí)間的推進(jìn)而逐漸發(fā)展的過(guò)程。這類現(xiàn)象習(xí)稱時(shí)間效應(yīng)。形變壓力可采用有限元法計(jì)算?！?.4.3▎淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算1.淺埋或深埋隧道的確定淺埋和深埋隧道的分界，按荷載等效高度值，并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定。荷載等效高度值的計(jì)算公式如下：Hp=(2~2.5)hq

(4-36)式中Hp——淺埋隧道分界深度（m）；hq——荷載等效高度(m)，；q為用式（4-35）算出的深埋隧道垂直均布?jí)毫Γ╧N/m2）；g為圍巖