《隧道工程》（第二版）第四章-隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

1隧道圍巖分級(jí)2圍巖壓力的確定3影響圍巖穩(wěn)定性的因素第四章隧道圍巖分級(jí)及圍巖壓力學(xué)習(xí)要求及重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容及要求：了解隧道圍巖分級(jí),圍巖壓力的確定,影響圍巖穩(wěn)定性的因素。通過(guò)本章的學(xué)習(xí),應(yīng)了解隧道圍巖分級(jí)的指標(biāo)和影響圍巖穩(wěn)定性的因素,熟悉不同圍巖分級(jí)的方法,掌握圍巖壓力的概念及其計(jì)算方法,以及不同條件下松動(dòng)圍巖壓力的確定方法重點(diǎn)：隧道圍巖分級(jí)指標(biāo)及分級(jí)方法,影響圍巖穩(wěn)定性的因素。難點(diǎn)：作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上圍巖壓力的確定。概述圍巖：隧道開挖后其周圍產(chǎn)生應(yīng)力重分布范圍內(nèi)的巖體,或指隧道開挖后對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖體。圍巖分級(jí)：根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐,工程師們認(rèn)識(shí)到各種圍巖的物理性質(zhì)之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律,依照這些聯(lián)和規(guī)律,可將圍巖劃分為若干級(jí),這就是圍巖分級(jí)。人們對(duì)于圍巖的認(rèn)識(shí)是不斷深入的。土石方工程分類法（按開挖難易程度）巖石的堅(jiān)固程度（如堅(jiān)固系數(shù)f）RQD從圍巖穩(wěn)定性出發(fā)來(lái)分類代替之前多年沿用的堅(jiān)固性為基礎(chǔ)的分類隧道圍巖分級(jí)4.14.1.1隧道圍巖分級(jí)指標(biāo)從國(guó)內(nèi)外隧道圍巖分級(jí)工作的研究進(jìn)程來(lái)看,以圍巖穩(wěn)定性作為分級(jí)基礎(chǔ)是一個(gè)大趨勢(shì),但分級(jí)指標(biāo)的選擇已經(jīng)開始從經(jīng)驗(yàn)判斷、定性描述向定量分析發(fā)展?，F(xiàn)今圍巖分級(jí)大多以巖性指標(biāo)為判別依據(jù),主要考慮影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素或其他組合因素?？梢詺w納為單一的巖性指標(biāo)(單一指標(biāo)反映單一因素)、單一的綜合巖性指標(biāo)(單一指標(biāo)反映綜合因素)、復(fù)合指標(biāo)(多指標(biāo)反映綜合因素)3大類。單一的巖性指標(biāo)物理力學(xué)參數(shù)：巖石抗壓、抗拉強(qiáng)度；彈性模量；泊松比。工程指標(biāo)：巖石抗鉆性；抗爆性。優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)可靠。局限性：普適性不高，單一巖性指標(biāo)只能表達(dá)巖體特征的一個(gè)方面。單一的綜合巖性指標(biāo)

圍巖類別IIIIIIIVVVI彈性波速/(Km.s-1)＞5.34.5~5.33.5~4.52.5~3.51.0~2.5＜1.0（飽和土＜1.5）單一的綜合巖性指標(biāo)（3）圍巖的自穩(wěn)時(shí)間圍巖的自穩(wěn)時(shí)間也被認(rèn)為是綜合巖性指標(biāo)。隧道開挖后,圍巖通常都有一段暫時(shí)穩(wěn)定的時(shí)間,不同的地質(zhì)環(huán)境中,自穩(wěn)時(shí)間也不同。勞費(fèi)(H.Lauffer)根據(jù)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間和未支護(hù)地段的長(zhǎng)度,將圍巖分為7級(jí):穩(wěn)定的、易掉塊的、極易掉塊的、破碎的、很破碎的、有壓力的、有很大壓力的單一綜合巖性指標(biāo)一般與地質(zhì)勘察技術(shù)的水平有關(guān),因此,其應(yīng)用受到一定的限制復(fù)合指標(biāo)

巖體質(zhì)量特別好極好良好好中等不良?jí)臉O壞特別壞Q400~1000100~40040~10010~404~101~40.1~10.001~0.10.001~0.01復(fù)合指標(biāo)

類別IIIIIIIVV巖體描述很好的巖石好的巖石較好的巖石較差的巖石很差的巖石RMR值81~10061~8041~6021~400~20復(fù)合指標(biāo)

基本質(zhì)量級(jí)別IIIIIIIVV巖體基本質(zhì)量的定性標(biāo)準(zhǔn)堅(jiān)硬巖，巖體完整堅(jiān)硬巖，巖體較完整；較硬巖體，巖體完整堅(jiān)硬巖，巖體較破碎；較軟巖，巖體完整堅(jiān)硬巖，巖體破碎；較堅(jiān)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(biāo)BQ＞550550~451450~351350~251≤2504.1.2隧道圍巖分級(jí)的方法在過(guò)去的200多年中,針對(duì)不同的工程類別和研究目的提出了數(shù)十種圍巖分級(jí)的方法和理論,并在工程應(yīng)用中進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和完善。總體而言,隧道圍巖分級(jí)發(fā)展過(guò)程大體有以下幾種分級(jí)方法:（1）以巖石強(qiáng)度為單一巖性指標(biāo)的分級(jí)法巖石堅(jiān)固系數(shù)f值分級(jí)法。優(yōu)點(diǎn)：指標(biāo)單一、使用方便。不足：不能全面地反映巖體固有的性態(tài)。（2）以巖體構(gòu)造和巖性特征為代表的分級(jí)法太沙基分級(jí)法、鐵路隧道圍巖分級(jí)法。優(yōu)點(diǎn)：考慮了地質(zhì)構(gòu)造特征、風(fēng)化狀況、地下水情況。不足：分級(jí)指標(biāo)還缺乏定量描述,沒有提供可靠的預(yù)測(cè)隧道圍巖級(jí)別的方法。（3）與地質(zhì)勘察手段相聯(lián)系的分級(jí)法圍巖彈性波速度進(jìn)行分級(jí)方法、巖芯復(fù)原率分級(jí)法。優(yōu)點(diǎn)：分級(jí)指標(biāo)大體上是半定量的,同時(shí)考慮了多種因素的影響。不足：分級(jí)的判斷還帶有一定的主觀性。4.1.2隧道圍巖分級(jí)的方法（4）多種因素的組合分級(jí)法巖體質(zhì)量Q法、BQ法、國(guó)防工程圍巖分級(jí)法。這類方法是當(dāng)前圍巖分級(jí)法的發(fā)展方向,優(yōu)點(diǎn)很多,只是部分定量指標(biāo)仍需憑經(jīng)驗(yàn)確定。（5）以工程對(duì)象為代表的分級(jí)法專門適用于噴錨支護(hù)的由原國(guó)家建委頒布的圍巖分級(jí)法(1979年),蘇聯(lián)在巴庫(kù)修建地下鐵道時(shí)所采用的圍巖分級(jí)法(1966年)等優(yōu)點(diǎn)：目的明確,而且和支護(hù)尺寸直接掛鉤,使用方便,能指導(dǎo)施工。不足：分級(jí)指標(biāo)以定性描述為主,帶有很大的人為因素。4.1.3我國(guó)公路隧道圍巖分級(jí)1）公路隧道圍巖分級(jí)的出發(fā)點(diǎn)①?gòu)?qiáng)調(diào)巖體的結(jié)構(gòu)特征的完整性和穩(wěn)定性,避免單一的巖石強(qiáng)度指標(biāo)分級(jí)的方法。②分級(jí)指標(biāo)應(yīng)采用定性和定量指標(biāo)相結(jié)合的方式。③明確工程目的和內(nèi)容,并提出相應(yīng)的措施。④分級(jí)應(yīng)簡(jiǎn)明,便于使用。⑤應(yīng)考慮吸收其他圍巖分級(jí)的優(yōu)點(diǎn),并盡量和我國(guó)其他工程分級(jí)一致。4.1.3我國(guó)公路隧道圍巖分級(jí)2）分級(jí)需考慮的指標(biāo)和因素（1）巖體的結(jié)構(gòu)特性與完整性（2）巖石強(qiáng)度（3）圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ（4）地下水等影響因素4.1.3我國(guó)公路隧道圍巖分級(jí)圍巖級(jí)別圍巖巖體或土體主要定性特征圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ或巖體修正質(zhì)量指標(biāo)【BQ】I堅(jiān)硬巖,巖體完整＞550II堅(jiān)硬巖,巖體較完整;較堅(jiān)硬巖,巖體完整550~451III較堅(jiān)硬巖,巖體較完整;較軟巖,巖體完整,整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)450~351IV堅(jiān)硬巖,巖體破碎;較堅(jiān)硬巖,巖體較破碎~破碎;較軟巖,巖體較完整~較破碎;軟巖,巖體完整~較完整350~251壓密或成巖作用的黏性土及砂性土;黃土(Q1,Q2);一般鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的碎石土、卵石土、大塊石土V較軟巖,巖體破碎;軟巖,巖體較破碎~破碎;全部極軟巖和全部極破碎巖≤250一般第四系的半干硬至硬塑的黏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)。非黏性土呈松散結(jié)構(gòu),黏性土及黃土呈松軟結(jié)構(gòu)VI軟塑狀黏性土潮濕、飽和粉細(xì)砂層、軟土等4.1.3我國(guó)公路隧道圍巖分級(jí)4）隧道施工圍巖分級(jí)4.1.3我國(guó)公路隧道圍巖分級(jí)在上述3項(xiàng)因素中,最困難的是圍巖完整性程度的評(píng)定,因此研究的重點(diǎn)是如何根據(jù)掌子面的地質(zhì)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)圍巖的完整程度。4.1.4我國(guó)鐵路隧道圍巖分級(jí)2016年頒布實(shí)施的最新《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2016)的圍巖分級(jí)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年版和2005年版規(guī)范基礎(chǔ)上提出的,并與《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50218—2014)接軌。該規(guī)范考慮了巖石的堅(jiān)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)的修正因素進(jìn)行圍巖分級(jí),分為Ⅰ—Ⅵ級(jí),圍巖穩(wěn)定性由好到差,與公路隧道圍巖分級(jí)類似。為了提高和強(qiáng)化圍巖定量分級(jí),鐵路建設(shè)者開展了大量的科學(xué)研究和測(cè)試試驗(yàn)工作,通過(guò)對(duì)圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ和不同巖性圍巖彈性波速范圍的細(xì)化,提出了圍巖亞級(jí)的概念,分別將Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖各劃分為2個(gè)亞級(jí),各亞級(jí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)組合情況即為亞級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。4.1.5圍巖物理力學(xué)參數(shù)各級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù),是巖體和結(jié)構(gòu)面固有的物理力學(xué)性質(zhì),從量上反映了巖體和結(jié)構(gòu)面的基本屬性。圍巖級(jí)別容重γ/(kN·m-3)彈性抗力系數(shù)k

/(MPa·m-1)變形模量E/GPa泊松比μ內(nèi)摩擦角φ/(°)黏聚力C/MPa計(jì)算摩擦角φ/(°)I>26.51800~2800>33＜0.2＞60＞2.1＞78II1200~180020~330.2~0.2550~601.5~2.170~78III26.5~24.5500~12006~200.25~0.339~500.7~1.560~70IV24.5~55.5200~5001.3~60.3~0.3527~390.2~0.750~60V17~22.5100~200＜1.30.35~0.4520~270.05~0.240~50VI15~17＜100＜10.4~0.5＜20＜0.230~404.1.5圍巖物理力學(xué)參數(shù)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強(qiáng)度序號(hào)兩側(cè)巖體的堅(jiān)硬程度及結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度內(nèi)摩擦角φ/(°)黏聚力C/MPa1堅(jiān)硬巖,結(jié)合好＞37＞0.222堅(jiān)硬~較堅(jiān)硬巖,結(jié)合一般;較軟巖,結(jié)合好37~290.22~0.123堅(jiān)硬~較堅(jiān)硬巖,結(jié)合差;較軟巖~軟巖,結(jié)合一般29~190.12~0.085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19~130.08~0.056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＜13＜0.05圍巖壓力的確定4.24.2.1圍巖松動(dòng)壓力的形成變形階段松動(dòng)階段坍塌階段成拱階段作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆巖層自重所造成的壓力4.2.2圍巖壓力的計(jì)算方法圍巖壓力值是進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性研究的重要依據(jù),圍巖壓力的確定目前常用列3種方法:（1）直接量測(cè)法（2）經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法（3）理論估算法在理論計(jì)算方法中,考慮幾個(gè)主要因素,使其結(jié)果相對(duì)地接近實(shí)際圍巖壓力的情況,是目前隧道工程設(shè)計(jì)中采用較多的方法4.2.2圍巖壓力的計(jì)算方法4.2.2圍巖壓力的計(jì)算方法4.2.3深埋隧道圍巖壓力的確定

隧道寬度B/mB＜55≤B＜1414≤B＜25圍巖壓力增減率i0.20.1考慮施工過(guò)程分導(dǎo)洞開挖0.07上下臺(tái)階或一次性開挖0.124.2.3深埋隧道圍巖壓力的確定圍巖壓力分部特征圖4.2.4淺埋隧道圍巖壓力的確定

4.2.4淺埋隧道圍巖壓力的確定

4.2.4淺埋隧道圍巖壓力的確定（2）埋深大于hq，小于等于Hp時(shí)假定土體中形成的破裂面是一條與水平成β角的斜直線,

EFHG巖(土)體下沉,帶動(dòng)兩側(cè)三棱土體(如圖中FDB及ECA)下沉,整個(gè)土體ABDC下沉?xí)r,又要受到未擾動(dòng)巖(土)體的阻力;斜直線AC或BD是假定的破裂面4.2.4淺埋隧道圍巖壓力的確定

4.2.4淺埋隧道圍巖壓力的確定

4.2.4淺埋隧道圍巖壓力的確定

淺埋隧道換算均布荷載4.2.4淺埋隧道圍巖壓力的確定換算為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的均布荷載淺埋隧道換算均布荷載

4.2.5偏壓隧道圍巖壓力的確定偏壓隧道一般是指承受顯著偏壓荷載(不對(duì)稱壓力)的隧道。偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算應(yīng)按其產(chǎn)生偏壓的原因分別考慮。1）由地形引起偏壓的計(jì)算方法當(dāng)隧道外側(cè)拱肩至地表面的垂直距離t小于下表時(shí)，一般按偏壓隧道圍巖壓力公式計(jì)算。圍巖級(jí)別地面橫坡1:m示意圖1:11:1.51:21:2.5IV石544土10865.5V181612104.2.5偏壓隧道圍巖壓力的確定傍山淺埋隧道施工時(shí),因支撐或襯砌下沉,以及超挖、回填不實(shí)等原因,引起洞身上部圍巖的下沉及隧道兩側(cè)地表開裂,在巖體內(nèi)形成兩個(gè)非對(duì)稱的滑動(dòng)面。假定隧道施工時(shí),洞頂土柱W1發(fā)生下沉,因而帶動(dòng)兩側(cè)三棱體W2及W3下沉,土體沿AD及BC出現(xiàn)破裂面,兩側(cè)三棱體ADE及BCF受到洞頂土柱的推力。反過(guò)來(lái),它作用于土柱DE、FC的摩阻力為T及T‘,如右圖。4.2.5偏壓隧道圍巖壓力的確定

4.2.5偏壓隧道圍巖壓力的確定

4.2.5偏壓隧道圍巖壓力的確定

4.2.5偏壓隧道圍巖壓力的確定1）由地質(zhì)構(gòu)造引起偏壓的驗(yàn)算①必須查明圍巖可能產(chǎn)生偏壓的被割裂或松動(dòng)的范圍大小。②盡量取得控制弱面的強(qiáng)度計(jì)算指標(biāo),如c、φ值等。當(dāng)弱面的c、φ值不能通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)取得時(shí),可結(jié)合弱面的性質(zhì)、充填情況、地下水影響用工程類比法選用。③當(dāng)為塊體運(yùn)動(dòng)時(shí),可近似地按巖塊剛體平衡的方法計(jì)算。當(dāng)一部分為軟層、另一部分為硬層時(shí)可分別取用不同的指標(biāo)計(jì)算。如圖所示,巖體受兩個(gè)軟弱面及一組不利節(jié)理所割切,而形成塊體構(gòu)造偏壓。4.2.5偏壓隧道圍巖壓力的確定當(dāng)巖塊abcd下滑時(shí),在ab面上有一定的阻力,不計(jì)cd面的阻力,這樣作用在襯砌上的偏壓力Qp等于:4.2.6明挖淺埋隧道圍巖壓力的確定

4.2.6明挖淺埋隧道圍巖壓力的確定

4.2.6明挖淺埋隧道圍巖壓力的確定

4.2.6明挖淺埋隧道圍巖壓力的確定（3）邊墻回填土石側(cè)壓力4.2.6明挖淺埋隧道圍巖壓力的確定①填土坡面向上傾斜：4.2.6明挖淺埋隧道圍巖壓力的確定

4.2.6明挖淺埋隧道圍巖壓力的確定③填土坡面水平時(shí)：影響圍巖穩(wěn)定性的因素4.34.3.1地層因素的影響1）巖土體結(jié)構(gòu)狀態(tài)巖土體結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物,在地質(zhì)因素的影響中起著主要作用。圍巖的結(jié)構(gòu)狀態(tài)通常用其破碎程度或完整狀態(tài)來(lái)表示。實(shí)踐指出,在相同巖性的條件下