圍巖分類及圍巖壓力

圍巖分類及圍巖壓力第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月巖體被許許多多不同方向、不同規(guī)模的斷層面、層理面、節(jié)理面和裂隙面等各種地質(zhì)界面切割為大小不等、形狀各異的各種塊體（稱結(jié)構(gòu)體）。從巖體構(gòu)造—力學(xué)特性上看，大體上可分為無裂隙巖體和裂隙巖體兩大類。地下工程在多數(shù)情況下是修筑在裂隙巖體中的。巖體是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組合而成的具有結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)體。巖體的力學(xué)性質(zhì)主要取決于巖體的結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)體巖石的特性以及結(jié)構(gòu)面的特性。環(huán)境因素尤其是地下水和地溫對巖體的力學(xué)性質(zhì)影響也很大。結(jié)構(gòu)面把巖體分割成各種類型和尺寸的巖塊，因此，巖體也可以說是各種類型和尺寸的巖塊的集合體。它們在初始應(yīng)力場下，彼此聯(lián)鎖在一起而處于平衡狀態(tài)。因此，巖體是由下述幾部分構(gòu)成的：

a)不同尺寸和類型的巖塊；

b)結(jié)構(gòu)面；

c)巖塊間的充填物。第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

在各種類型的結(jié)構(gòu)面中，結(jié)構(gòu)弱面對巖體穩(wěn)定性影響很大。

有些雖然是結(jié)構(gòu)面，但不一定是軟弱面，如硅質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的節(jié)理面、巖脈接觸面等，它們的強(qiáng)度很大。因此，軟弱面基本上是指那些斷層、剪切帶、破碎帶、泥質(zhì)充填的節(jié)理、軟弱夾層等控制巖體強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)面，其強(qiáng)度較巖石強(qiáng)度低。

巖體的天然不均質(zhì)性及各向異性也是它的顯著特征。第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

巖體與巖石相比，兩者有著很大的區(qū)別。和工程問題的尺度相比，巖石幾乎可以被認(rèn)為是均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的介質(zhì)，而巖體則具有明顯的非均質(zhì)性、不連續(xù)性和各向異性。關(guān)于巖體的力學(xué)性質(zhì)，包括變形破壞特性和強(qiáng)度，一般都需要在現(xiàn)場進(jìn)行原位試驗才能獲得較為真實的結(jié)果。

第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

巖體和巖石的變形、破壞機(jī)理是很不相同的，前者主要受宏觀的結(jié)構(gòu)面所控制，而后者則受巖石的微裂隙所制約。因而巖體的強(qiáng)度要比巖石的強(qiáng)度低得多，并具有明顯的各向異性。

一般情況下，巖體的抗壓強(qiáng)度只有巖石抗壓強(qiáng)度的70～80％，結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體，僅有5～10％。目前通常采用下式經(jīng)驗地初步估計巖體的強(qiáng)度：式中—巖體強(qiáng)度；

—巖石強(qiáng)度；

—巖石強(qiáng)度降低系數(shù)估計巖體強(qiáng)度的關(guān)鍵是如何確定巖石強(qiáng)度降低系數(shù)值。目前有多種方法進(jìn)行判定。如前蘇聯(lián)建議的值，列于下表，供參考。第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月巖體強(qiáng)度降低系數(shù)值巖體狀態(tài)層厚大于1.0m，有一組裂隙，間距1.5m0.9層厚大于0.5-1.0m，不超過2組裂隙，間距1-1.5m0.7層厚大于0.5-1.0m，有3、4組裂隙，間距0.5-1.0m0.5層厚小于0.5m，裂隙小于6組，間距小于0.5m0.3層厚小于0.3m，裂隙小于6組，間距小于0.3m0.1-0.2第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、巖體結(jié)構(gòu)分類及其破壞特征根據(jù)不同巖體對巖體力學(xué)性質(zhì)和圍巖穩(wěn)定性的影響(稱為巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng))，工程地質(zhì)學(xué)中把巖體劃分為四大種結(jié)構(gòu)類型：

Ⅰ.整體結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)

Ⅱ.層狀結(jié)構(gòu)、板狀結(jié)構(gòu)

Ⅲ.碎裂結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)、層狀碎裂結(jié)構(gòu)

Ⅳ.散體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形，其重要特征是橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比小于0.5，破壞前的變形是連續(xù)的，在低圍壓作用下多為脆性破裂，高圍壓時為塑性剪切破壞。

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，故其變形特性一般不用變形模量，而常用剛度系數(shù)來表示。巖體的破壞則是沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動，應(yīng)力傳播具有明顯的不連續(xù)性。

第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，并伴隨有結(jié)構(gòu)面張開。破壞形式主要為剪切破裂和塑性變形。應(yīng)力傳播與巖體結(jié)構(gòu)特征關(guān)系十分密切，并具有不連續(xù)性，隨著圍壓的提高很快就轉(zhuǎn)化為連續(xù)的。三、隧道圍巖失穩(wěn)破壞性態(tài)隧道圍巖失穩(wěn)破壞大致有以下五種情況：

1．脆性破裂整體狀和塊狀結(jié)構(gòu)巖體，僅產(chǎn)生局部掉塊或巖爆

2．塊狀運(yùn)動

塊狀或?qū)訝顜r體，向臨空面運(yùn)動，逐漸形成塊體塌落、滑動、轉(zhuǎn)動、傾倒以及塊體擠出等失穩(wěn)破壞性態(tài)。在支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖之間如有較大空隙而又未回填密實或根本沒有回填，塊體運(yùn)動可能對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊荷載，而使之破壞。第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

3．彎曲折斷破壞層狀巖體尤其是有軟弱夾層的互層巖體，由于層間結(jié)合力差，易于錯動，所以抗彎能力較低。洞頂巖體受重力作用易產(chǎn)生下沉彎曲，進(jìn)而張裂、折斷形成塌落體。邊墻巖體在側(cè)向水平力作用下彎曲變形而鼓出，也將對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力，嚴(yán)重時可使支護(hù)結(jié)構(gòu)折斷而塌落。4．松動解脫

碎裂結(jié)構(gòu)巖體基本上是由碎塊組合而成的，在張拉力、單軸壓力、振動力作用下容易松動，潰散(解脫)而成碎塊脫落。一段在洞頂表現(xiàn)為崩塌，在邊墻則為滑塌、坍塌。5．塑性變形和剪切破壞散體結(jié)構(gòu)巖體或碎裂結(jié)構(gòu)巖體，表現(xiàn)為坍方、邊墻擠入、底鼓以及洞徑縮小等等，而且變形的時間效應(yīng)比較明顯。第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)隧道圍巖分級方法

判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性，并針對圍巖穩(wěn)定的程度制定相應(yīng)的工程措施—最佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)，乃是研究隧道地質(zhì)環(huán)境需要解決的兩個基本問題。

由于隧道工程所處地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，人們對它的認(rèn)識遠(yuǎn)沒有達(dá)到完善的地步，所以，至今在隧道工程中經(jīng)驗方法（經(jīng)驗設(shè)計、經(jīng)驗施工）仍然占有一定的地位，即根據(jù)以往的工程經(jīng)驗對設(shè)計和施工作出決策，決策依據(jù)就是隧道圍巖穩(wěn)定性分級。隧道圍巖分級的目的是：作為選擇施工方法的依據(jù)；進(jìn)行科學(xué)管理及正確評價經(jīng)濟(jì)效益；確定結(jié)構(gòu)上的荷載；確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型和尺寸；制定勞動定額、材料消耗標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)等。第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

隧道圍巖分級是為了解決坑道支護(hù)這個目的而建立起來的，即坑道開挖后是否需要支護(hù)、采用什么類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)、如何支護(hù)等。而坑道支護(hù)與坑道開挖后的穩(wěn)定性有直接的關(guān)系。因此，隧道圍巖分級的基礎(chǔ)條件是坑道開挖后的穩(wěn)定性。根據(jù)坑道開挖實踐，坑道開挖后的穩(wěn)定性大體上可分為以下幾類：

1)充分穩(wěn)定的?？拥涝陂L時間內(nèi)有足夠的自穩(wěn)能力，無需任何人為支護(hù)而能維持穩(wěn)定，無坍塌、偶爾有掉塊。

2)基本穩(wěn)定的?？拥罆虮?、巖塊結(jié)合松弛等而產(chǎn)生局部掉塊，但不會引起坑道的坍塌，坑道是穩(wěn)定的，層間結(jié)合差的平緩巖層頂板可能彎曲、斷裂。此時應(yīng)采取局部支護(hù)或輕型的支護(hù)。第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3)暫時穩(wěn)定的。大多數(shù)坑道是屬于這個類型的?？拥篱_挖后呈現(xiàn)出不同程度的坍塌現(xiàn)象，坍塌后的坑道呈拱形而處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)。在外界（如爆破、重新更換支撐等）和內(nèi)部（如地下水等）條件的影響下，坑道如不及時支護(hù)，會進(jìn)一步喪失穩(wěn)定。因此，在這種圍巖中，必須采取各種類型的支護(hù)措施。

4)不穩(wěn)定的?？拥涝诓恢ёo(hù)條件下是難以開挖的，隨挖隨坍，常常要先支后挖，坑道的坍塌發(fā)生迅速、影響范圍大，有時可坍塌到地表，或在地面形成塌盆地。在有水的情況下，土體流動造成極大的荷載。在這種情況下，需要采取專門的支護(hù)措施和施工方法來保證坑道的穩(wěn)定。由此可見，坑道圍巖穩(wěn)定性的不同，采取的施工方法和支護(hù)措施也是不同的。因此，按坑道圍巖穩(wěn)定性大致相同的圍巖工程地質(zhì)條件并結(jié)合工程實踐進(jìn)行圍巖分級是有可能的，也是有根據(jù)的。第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前國內(nèi)外隧道圍巖分類的方法大體上有以下幾種類型：

一、以巖石強(qiáng)度或巖石的物性指標(biāo)為代表的分級方法

具有代表性的是前蘇聯(lián)普落托奇雅柯諾夫(M.JipoctonbnMonos)教授提出的“巖石堅固系數(shù)”分級法(或稱“f”值分級法，或普氏分級法)。

巖石的堅固系數(shù)值表示巖石在開挖時的相對堅固性，如人工破碎巖石時的抗破碎性、機(jī)械鉆眼時的抗鉆性、對炸藥的抗爆性、開挖坑道時圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力值等等。

確定f值的主要方法：f巖石=R/100（R為巖石單軸抗壓強(qiáng)度）。第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

考慮到巖體的地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化程度、地下水狀況等多種因素的影響，而將由單一巖石強(qiáng)度決定的值適當(dāng)降低，即取

巖體的堅固系數(shù)f巖體=Kf巖石

K是考慮地質(zhì)條件的折減系數(shù)，一般情況下，K＜1.0。然后按照f巖體進(jìn)行分級。第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月f巖體圍巖地質(zhì)特征巖層名稱重度φ15堅硬、密實、穩(wěn)固、無裂隙和未風(fēng)化的巖層很堅硬的花崗巖和石英巖，最堅硬的砂巖和石灰?guī)r26～30-8堅硬、密實、穩(wěn)固，巖層有很小裂縫堅硬的砂巖、石灰?guī)r、大理巖、白云巖、黃鐵礦，不堅硬的花崗巖2580°6相當(dāng)堅硬的、較密實的、稍有風(fēng)化的巖層普通砂巖、鐵礦24～2575°5較堅硬的、較密實的、稍有風(fēng)化的巖層砂質(zhì)片巖、片狀砂巖24～2573°4較堅硬的、巖層可能沿層面或節(jié)理脫落的巖層，已受風(fēng)化的巖層堅硬的粘土巖、不堅硬的石灰?guī)r、砂巖、礫巖25～2870°3中等堅硬的巖層不堅硬的片巖，密實的泥灰?guī)r，堅硬膠結(jié)的粘土2570°2較軟巖石軟片巖、軟石灰?guī)r、凍結(jié)土、普通泥灰?guī)r、破碎砂巖、膠結(jié)的卵石2465°1.5較軟或破碎的地層碎石土壤、破碎片石、硬化粘土、硬煤、粘結(jié)的卵石和碎石18～2060°1.0較軟或破碎的地層密實粘土、堅硬的沖積土、粘土質(zhì)土壤、摻砂土、普通煤1845°0.6顆粒狀的和松軟的地層濕沙、粘砂土、種植土、泥灰、軟砂粘土15～1630°第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分級方法

具有代表性的是泰沙基分級法。泰沙基分級法，以坑道支護(hù)所需的地壓值為對象的，把不同巖性、不同構(gòu)造條件的圍巖分為9級，每級圍巖都有一個相應(yīng)的地壓范圍值和支護(hù)措施建議。在分級時是以坑道有水為基礎(chǔ)的，當(dāng)確認(rèn)無水時，4～7級圍巖所對應(yīng)的地壓值應(yīng)降低50%。

三、與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級方法

①用彈性波在巖體中傳播的速度進(jìn)行圍巖分級

第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月圍巖彈性波速度是判斷巖性、巖體結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo)，它既可以反映巖石軟硬，又可以表達(dá)巖體結(jié)構(gòu)的破碎程度。因此，在彈性波速度基礎(chǔ)上，綜合考慮與隧道開挖及土壓有關(guān)的因素(巖性、風(fēng)化程度、破碎狀態(tài)、含水及涌水狀態(tài)等)，日本將圍巖分為7級。

該方法仍然是半定量的，但是綜合的。它把巖體的很多錯綜復(fù)雜的因素，統(tǒng)統(tǒng)用一個指標(biāo)表達(dá)，難免給判斷帶來一定的“主觀性”。例如彈性波速度低，就可能有幾種情況：(1)巖體完整，但巖質(zhì)松軟；(2)巖質(zhì)堅硬，但巖體破碎；(3)出現(xiàn)于地形上局部高低差顯著的谷部等。因而在判斷上還要借助于其他條件，如地質(zhì)測繪、巖性等手段或資料。第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

②用鉆探時的巖心復(fù)原率(或稱巖芯采取率)進(jìn)行分級美國伊利諾斯大學(xué)狄麗等人提出的采用“巖石質(zhì)量指標(biāo)”(RQD)就是一例。狄麗指出，巖心的采取狀態(tài)(采用率)、巖心的平均長度、最大長度等受到原始裂隙、硬度、均質(zhì)性等狀態(tài)所支配。因此，巖心采取率是可以表達(dá)巖體質(zhì)量的。同時指出，巖體質(zhì)量好壞主要決定于小于10cm以下的細(xì)小巖塊狀態(tài)。巖心復(fù)原率是以單位長度鉆孔中10cm以上的巖心占有比例來判斷的，即：第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

該分級法將圍巖分為5級：RQD＞90％即為優(yōu)質(zhì)的；75％＜RQD＜90％為良好的；50％＜RQD＜75％為好的；25％＜RQD＜50％為差的；RQD＜25％為很差的。分級也給出相應(yīng)的地壓值及可采取的支護(hù)系統(tǒng)。同時指出，在采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時地壓值可適當(dāng)降低(約減小20％)。四、以多種因素進(jìn)行組合的分級方法比較完善的是1974年挪威地質(zhì)學(xué)家巴頓(N.Barton)等人所提出的“巖體質(zhì)量—Q”分級法。Q與六個表明巖體質(zhì)量的地質(zhì)參數(shù)有關(guān)。根據(jù)不同的Q值，將巖體質(zhì)量評為九等。

巖體質(zhì)量特別好極好良好好中等不良壞極壞特別壞Q400～1000100～40040～10010～404～101～40.1～10.01～0.10.001～0.01第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月五、以工程對象為代表的分級法

分類指標(biāo)以定性描述為主。這類分級法如專門適用于噴錨支護(hù)的原國家建委頒布的圍巖分級法(1979年)、蘇聯(lián)在巴庫修建地下鐵道時所采用的圍巖分級法(1966年)等，優(yōu)點是目的明確，而且和支護(hù)尺寸直接掛鉤，因此，使用方便，對指導(dǎo)施工很起作用。但分類指標(biāo)以定性描述為主，帶有很大的人為因素。由上述可知，隧道圍巖分級方法有簡有繁，并無統(tǒng)一格式。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者都認(rèn)為，隧道圍巖分級的詳細(xì)程度，在工程建設(shè)的不同階段可以有所不同。在工程規(guī)劃和初步設(shè)計階段的圍巖分級，可以定性評價為主，判別的依據(jù)主要來源于地表的地質(zhì)測繪以及部分的勘探工作。第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

在工程的技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計階段，圍巖分級是為專門目的服務(wù)的，如為支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計服務(wù)的圍巖分級，為鉆爆工作服務(wù)的圍巖分類等。圍巖類別除了取決于地質(zhì)條件外，還應(yīng)和工程尺度、形狀、施工工藝技術(shù)等條件有關(guān)。其判別依據(jù)除了地質(zhì)測繪資料外，更重要的是詳細(xì)勘探(包括鉆探、坑探、物探等)資料和巖石(體)的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。這一階段的分類指標(biāo)應(yīng)該是半定量的或定量的。在施工階段，應(yīng)利用各種量測和觀測到的實際資料對圍巖分類進(jìn)行補(bǔ)充修正，此時的分類仍屬第二階段的詳細(xì)分類，但數(shù)據(jù)則是巖體暴露后的實際值。

第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)我國現(xiàn)行鐵路隧道圍巖分級

一、圍巖分級的基本因素及圍巖基本分級

1．圍巖分級的基本因素圍巖基本分級應(yīng)由巖石堅硬程度和巖體完整程度兩個基本因素確定。巖石堅硬程度和巖體完整程度應(yīng)采用定性劃分和定量指標(biāo)兩種方法確定。巖石堅硬程度劃分為極硬巖、硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖等5類。第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

巖體完整程度劃分為完整、較完整、較破碎、破碎和極破碎等5類。完整程度結(jié)構(gòu)面特征結(jié)構(gòu)類型巖體完整性指數(shù)完整結(jié)構(gòu)面1～2組，以構(gòu)造型節(jié)理或?qū)用鏋橹鳎荛]型巨塊狀整體結(jié)構(gòu)Kv＞0.75較完整結(jié)構(gòu)面2～3組，以構(gòu)造型節(jié)理、層面為主，裂隙多呈密閉型，部分為微張型，少有充填物塊狀結(jié)構(gòu)0.75≥Kv

＞0.55較破碎結(jié)構(gòu)面一般為3組，以節(jié)理及風(fēng)化裂隙為主，在斷層附近受構(gòu)造影響較大，裂隙以微張型和張開型為主，多有充填物層狀結(jié)構(gòu)、塊石碎石結(jié)構(gòu)0.55≥Kv

＞0.35破碎結(jié)構(gòu)面大于3組，多以風(fēng)化型裂隙為主，在斷層附近受構(gòu)造作用影響大，裂隙以張開型為主，多有充填物碎石角礫狀結(jié)構(gòu)0.35≥Kv

＞0.15極破碎結(jié)構(gòu)面雜亂無序，在斷層附近受斷層作用影響大，寬張裂隙全為泥質(zhì)或泥夾巖屑充填，充填物厚度大散體狀結(jié)構(gòu)Kv

≤0.15第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2．圍巖基本分級根據(jù)巖石堅硬程度和巖體完整程度將圍巖分為6級。第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、圍巖分級的影響因素及分級的修正在圍巖基本分級的基礎(chǔ)上，結(jié)合考慮隧道工程的特點，考慮地下水狀態(tài)、初始應(yīng)力狀態(tài)等必要的因素進(jìn)行修正。

1．地下水隧道施工的大量實踐證明，水是造成施工坍方、使坑道圍巖喪失穩(wěn)定的重要原因之一。水的影響：①使巖質(zhì)軟化，強(qiáng)度降低，對軟巖尤為明顯，對土體則可促使其液化或流動；②在有軟弱結(jié)構(gòu)面的圍巖中，會沖走充填物或使夾層液化，減少層間摩阻力促使巖塊滑動；③在某些圍巖中，如石膏、巖鹽和蒙脫石為主的粘土巖中，遇水后產(chǎn)生膨脹，在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中可產(chǎn)生流砂和潛蝕。第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

修正辦法：在同級圍巖中，遇水后則適當(dāng)降低圍巖級別。降低幅度的根據(jù)：①圍巖的巖性及結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)；②地下水的性質(zhì)、大小、流通條件及對圍巖浸潤狀況和危害程度。地下水狀態(tài)的分級如下表：級別狀態(tài)滲水量[L/(min·10m)]Ⅰ干燥或濕潤＜10Ⅱ偶有滲水10～25Ⅲ經(jīng)常滲水25～125第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

地下水影響的修正如下表：

圍巖級別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ地下水狀態(tài)級別ⅠⅠⅡⅢⅣⅤ-地下水狀態(tài)級別ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ-地下水狀態(tài)級別ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ-2．初始應(yīng)力場圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)對巖體的構(gòu)造一力學(xué)特征是有一定影響的。因此，圍巖分級中考慮了初始應(yīng)力狀態(tài)的影響，將初始應(yīng)力場采取修正系數(shù)的方法，對圍巖級別予以降級。（見下頁表）另外，若隧道洞身埋藏較淺，應(yīng)根據(jù)圍巖受地表的影響情況進(jìn)行修正。當(dāng)圍巖為風(fēng)化層時應(yīng)按風(fēng)化層的圍巖圍巖基本分級考慮；當(dāng)圍巖僅受地表影響時，應(yīng)較相應(yīng)的圍巖降低1～2級。第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月初始地應(yīng)力狀態(tài)按照下表評估：初始地應(yīng)力狀態(tài)主要現(xiàn)象評估基準(zhǔn)(Rb/σmax)極高應(yīng)力硬質(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＜4軟質(zhì)巖：巖心常有餅化現(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，新生裂縫較多，成洞性較差4～7軟質(zhì)巖：巖心時有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時間長，成洞性差第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月初始地應(yīng)力影響的修正如下表：第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

第四節(jié)隧道圍巖壓力計算

圍巖壓力是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力。因此，從廣義的角度來理解，圍巖壓力既包括圍巖有支護(hù)的情況，也包括圍巖無支護(hù)的情況；既包括作用在普通的傳統(tǒng)支護(hù)(如架設(shè)的支撐或施作的襯砌上所顯示的力學(xué)性態(tài))，也包括在錨噴和壓力灌漿等現(xiàn)代支護(hù)的方法中所顯示的力學(xué)性態(tài)。從狹義的角度來理解，圍巖壓力是指圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。在工程中一般研究狹義的圍巖壓力。

一、圍巖壓力分類

圍巖壓力按作用力發(fā)生的形態(tài)，一般可分為如下幾種類型：

第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月1.松動壓力由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力的形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上壓力稱為松動壓力。松動壓力按其作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的位置不同，分為豎向壓力、側(cè)向壓力和底壓力。松動壓力常通過下列三種情況發(fā)生：

a.在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個別松動掉塊的巖石；

b.在松散軟弱的巖體中，坑道頂部和兩側(cè)片幫冒落；

c.在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿軟弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。2.形變壓力形變壓力是由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)結(jié)構(gòu)的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形的過程中，圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月形變壓力除與圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與支護(hù)時間和支護(hù)剛度有關(guān)。3.膨脹壓力當(dāng)巖體具有吸水膨脹崩解的特征時，由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由圍巖吸水膨脹引起的。

4.沖擊壓力沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能之后，由于隧道的開挖，圍巖約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。由于沖擊壓力是巖體能量的積累與釋放問題，所以它與圍巖彈性模量直接相關(guān)。彈性模量較大的巖體，在高地應(yīng)力作用下，易于積累大量的彈性變形能，一旦遇到適宜的條件，它就會突然猛烈地大量釋放，從而產(chǎn)生“巖爆”現(xiàn)象。第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月影響圍巖壓力的因素很多，通常可分為兩大類：一類是地質(zhì)因素，包括原始應(yīng)力狀態(tài)、巖體力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)面等；另一類是工程因素，包括施工方法、支護(hù)時間、支護(hù)剛度、坑道形狀等。

二、圍巖松動壓力的形成和確定的方法作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動壓力總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆蓋地層自重所造成的壓力。這可以用圍巖的“成拱作用”來解釋。在水平成層的圍巖中開挖隧道時，開挖后圍巖由變形到坍塌成拱的整個變化過程可分為以下幾個階段：①變形階段：隧道開挖后，在圍巖應(yīng)力重分布過程中，頂板開始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋。②松動階段：項板的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開，由于結(jié)構(gòu)面切割等原因，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗蓜?。?8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月③塌落階段：頂板巖體視其強(qiáng)度的不同而逐步塌落。④成拱階段：頂板塌落停止，達(dá)到新的平衡，此時其界面形成一近似的拱形。第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月將隧道所形成的相對穩(wěn)定的拱稱為“天然供”或“塌落拱”。它如同一個承載環(huán)一樣承受著上覆地層的全部重量，并且將荷載向兩側(cè)傳遞下去。這就是圍巖的“成拱作用”。而天然拱范圍內(nèi)破壞了的巖體的重量，就是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動壓力的來源。天然拱范圍的大小與下列因素有關(guān)：

a.圍巖地質(zhì)條件

b.支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)的時間

c.支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度

d.支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的接觸狀態(tài)

e.隧道的形狀和尺寸。隧道拱圈越平坦，跨度越大，則天然拱越高，圍巖的松動壓力也越大。

f.隧道的埋深。只有深埋隧道才有可能形成天然拱，淺埋隧道不能形成天然拱。第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

g.施工因素。如爆破的影響，爆破所產(chǎn)生的震動，常常是引起塌方的重要原因之一，造成圍巖壓力過大。又如分布開挖多次擾動圍巖，也會引起圍巖失穩(wěn)，加大天然拱范圍。確定圍巖的松動壓力的方法有：

(1)現(xiàn)場實地量測

(2)按某一理論公式計算確定

(3)根據(jù)大量的實際資料，采用統(tǒng)計的方法分析確定。(一)深埋隧道圍巖松動壓力的確定方法圍巖的松動壓力是和圍巖的類別成反比的，圍巖的松動壓力是和隧道跨度成正比的。1、統(tǒng)計法——我國《隧規(guī)》所推薦的方法在我國《隧規(guī)》中所推薦的計算圍巖豎向勻布松動壓力的公式，是根據(jù)357個鐵路隧道的塌方資料統(tǒng)計分析而擬定的：第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月式中的為圍巖容重；s為圍巖級別；為寬度影響系數(shù)，由w=1+i（B-5）計算；B為坑道寬度，i為B每增減1m時的圍巖壓力增減率，當(dāng)B＜5m時，取i=0.2，當(dāng)B＞5m時，取i=0.1。公式的適用條件為：①H/B＜1.7，H為坑道的高度；②深埋隧道；③不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖；④采用礦山法施工。上述公式適用于采用破損階段法或容許應(yīng)力法設(shè)計的隧道襯砌結(jié)構(gòu)計算，當(dāng)采用概率極限狀態(tài)法設(shè)計隧道時，深埋單線隧道圍巖豎向均布松動壓力可按下式計算：第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

圍巖水平勻布的松動壓力，按下表中的經(jīng)驗公式計算，適用條件同上。作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載是很不均勻的，這是因為在Ⅰ級及Ⅱ級圍巖中，局部塌方是主要的，而在其它類別的圍巖中，巖體破壞范圍的形狀和大小，受巖體結(jié)構(gòu)、施工方法等因素的控制，也是極不規(guī)則的。根據(jù)統(tǒng)計資料，圍巖豎向松動壓力的分布圖形大致可以概括為以下六種，用等效荷裁，即非勻布壓力的總和應(yīng)與勻布壓力的總和相等的方法，來確定各荷載圖形的最大壓力值。第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月在分析支護(hù)結(jié)構(gòu)時，一般以豎向和水平的勻布荷載圖形為主，并用局部壓力、偏壓以及其它非均勻分布的水平和豎直荷載圖形進(jìn)行校核，較好的圍巖著重于局部壓力校核。第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2、普氏理論普洛托李雅克諾夫認(rèn)為：所有的巖體都不同程度地被節(jié)理、裂隙所切割，因此可以視為散粒體。基于這些認(rèn)識，普氏提出了巖體的堅固性系數(shù)(又叫似摩擦系數(shù))的概念。式中、—為巖體的似摩擦角和內(nèi)摩擦角；、—為巖體的抗剪強(qiáng)度和剪切破壞時的正應(yīng)力；

—為巖體的粘結(jié)力。

為了確定圍巖的松動壓力，普氏還提出了基于天然拱概念的計算理論，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力就是天然拱以內(nèi)的松動巖體的重量。而天然拱的尺寸，即它的高度和跨度則與反映巖體特征的值和所開挖的隧道寬度有關(guān)，其具體表達(dá)式為第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月式中為天然拱高度；b為天然拱半跨度。在堅硬巖體中，坑道側(cè)壁較穩(wěn)定，天然拱的跨度就是隧道的寬度，即b=bt(bt為隧道的凈寬度的一半)，如圖a所示，在松散和破碎巖體中，坑道的側(cè)壁也受擾動而滑移，天然拱的跨度也相應(yīng)加大為(圖b)：式中為隧道凈跨度的一半；為隧道凈高度；其余符號含義同前。第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月圍巖豎向均布松動壓力為

圍巖水平均布松動壓力按朗金公式計算：

一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。對于軟質(zhì)圍巖按此法所算得的壓力值偏小，在堅硬的圍巖中所得壓力偏大。

3、泰沙基理論泰沙基(K.Terzaghi)也將巖體視為散粒體。他認(rèn)為坑道開挖后，其上方的巖體將因坑道變形而下沉，并產(chǎn)生如圖所示的錯動面OAB，假定作用在任何水平面上的豎向壓應(yīng)力是勻布的，相應(yīng)的水平應(yīng)力(k為側(cè)壓力系數(shù))。在地面深度為h處取出一厚度為dh的水平條帶，考慮其平衡條件，得出第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第48頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月整理后，得：

解此微分方程，并引入邊界條件(h=0時=0)可得隧道上方巖層中任意點的豎向均布壓力為：當(dāng)隧道埋深超過一定值后，上式趨近于某一個固定值，即泰沙基根據(jù)實驗結(jié)果，得出k=1～1.5，若取k=1則有此時便與普氏理論的計算公式一致。第49頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月在泰沙基公式中，也可以將錯動面上的粘結(jié)力考慮進(jìn)去，只需在平衡方程的左端加上一項2c.dh即可。通常，當(dāng)?shù)孛媾c隧道頂部之間的巖層厚度超過塌方平均高度的2～2.5倍以上時，一般可作為深埋隧道處理。對于特殊情況應(yīng)作具體分析。