巖石性質(zhì)與工程分級課件

第一章巖石性質(zhì)與工程分級

為了有效地進行施工破巖和井巷維護，必須對巖石及其組成、性質(zhì)、分類方法等問題進行研究，并在此基礎(chǔ)上制定出科學(xué)的巖石工程分級方法，以便為設(shè)計、施工和成本核算提供依據(jù)。

△巖石的性質(zhì)：

△巖石的工程分級和圍巖分類

△巖石的性質(zhì)：

巖石的重力性質(zhì)：比重、密度

巖石的結(jié)構(gòu)性質(zhì)：孔隙度、孔隙比

巖石的水理性質(zhì)：吸水性、透水性、軟化性

溶蝕性、膨脹性、崩解性

巖石的變形特征：

巖石的強度特性：

巖石的可鉆性和可爆性：

§1-1巖石的物理性質(zhì)

一、巖體的概念及組成

巖石→巖塊→巖體

巖塊：從地殼巖層中切取出來的小塊體。

巖體：指地下工程周圍較大范圍內(nèi)的巖石，它可能由一種或幾種巖石組成?；蛘邘r體是指一定工程范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體。

從采礦角度講，巖體的組成為三個部分：

巖石地下水瓦斯

巖石：不分巖塊與巖體的泛稱。1、巖石

巖石是由一種或幾種礦物所組成的集合體，它是巖體的基本組成部分，一般將巖石分為表土和基巖兩個部分。

（1）表土：覆蓋在地殼上部的第四紀沉積物稱為表土或松散性巖石，如黃土、流砂、粘土、淤泥、礫石等。

（2）基巖：表土層以下的各種固結(jié)性巖石，如巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。2、地下水：

地表以下巖體中的水稱為地下水。地下水常充填于巖石的孔隙、層理、節(jié)理、裂隙和溶洞中，地下水有時會對井巷造成很大的危害。

3、瓦斯：（CH4、甲烷、沼氣）

井下有害氣體的總稱。在煤系地層中瓦斯主要賦存于煤層之中，而且會擴散到附近巖體的裂隙或孔洞之中，瓦斯常常給井下的生產(chǎn)和安全帶來嚴重影響甚至災(zāi)難。二、巖石的物理性質(zhì)

1、巖石的重力指標

（1）相對密度：巖石固體實體積的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之比。

d—相對密度

G—絕對干燥時的巖石質(zhì)量，g

Vc—巖石固體實體積,cm3

Pw—水的密度g/cm3

（2）巖石的密度：巖石單位體積（含孔隙體積的）質(zhì)量。

巖石的干密度：

巖石的濕密度：

（3）巖石的重度——單位體積巖石所受的重力稱為重度。又稱為重力密度，用γ表示。常見巖石的重量指標

巖石種類密度重度

砂巖2000～2600kg/m32.6～2.75

頁巖2000～2400kg/m32.57～2.77

石灰?guī)r2200～2600kg/m32.48～2.85

褐煤1200～1400kg/m3

無煙煤1300～1500kg/m32、巖石的結(jié)構(gòu)性質(zhì)——巖石的孔隙性

巖石的裂隙和孔隙的發(fā)育程度，通常用孔隙度和孔隙比來表示。

（1）孔隙度：是指巖石試件內(nèi)各種裂隙、孔隙的體積與試件總體積之比。用n表示。

V—試件總體積

Vc—試件實體積

n—孔隙度（2）孔隙比：是指巖石試件中各種裂隙、孔隙的體積總和與巖石中礦物顆粒體積之比，用e表示。

巖石的孔隙度增大，使巖石的整體性削弱，使巖石的密度、強度降低，使透水性增大，風(fēng)化速度加快，并導(dǎo)致力學(xué)強度降低。巖石中的裂隙分為原生裂隙、構(gòu)造裂隙、次生裂隙三種。3、巖石的水理性質(zhì)

巖石在水的作用下對礦山工程巖體穩(wěn)定性有很大影響，體現(xiàn)指標為：吸水率、透水性、溶蝕性、軟化性、膨脹性、崩解性等。

（1）巖石的吸水率：

（2）巖石的透水性：

（3）巖石的溶蝕性：

（4）巖石的的軟化性：

（5）巖石的膨脹性和崩解性：

4、巖石的碎脹性

巖石破碎以后的體積將比整體狀態(tài)下增大的性質(zhì)稱為巖石的碎脹性，用碎脹系數(shù)k來表示。

式中：k—碎脹系數(shù)

V1—巖石破碎膨脹后的體積

V—巖石處于整體狀態(tài)下的體積

巖石的碎脹系數(shù)與巖石的物理性質(zhì)、破碎后塊度大小及排列狀態(tài)有關(guān)。

利用巖石的破碎垮落后增大的體積可以用來支撐采空區(qū)的頂板。§1-2巖石的力學(xué)性質(zhì)

巖石的力學(xué)性質(zhì)是指巖石在機械力場作用下所表現(xiàn)出來的各種性質(zhì)，包括四個方面：

（1）強度性質(zhì)

（2）變形性質(zhì)

（3）流變性質(zhì)

（4）聲學(xué)性質(zhì)一、巖石的變形特征

變形：在載荷作用下，組成巖石的基本微粒之間的相對位置發(fā)生變化。

應(yīng)變：表示變形量的大小。

應(yīng)力：單位面積上所受的力。

當巖石上的作用載荷不斷增大或者隨著超過某一數(shù)值的恒定載荷作用時間的增長，便會導(dǎo)致巖石的破壞。

巖石的變形特征可以用應(yīng)變曲線來表示。單向受壓應(yīng)變曲線圖：

Ⅰ—OA段：裂隙在密閉合階段

Ⅱ—AB段：線彈性階段

Ⅲ—BC段：破裂發(fā)展階段

Ⅳ—CD段：軟化階段

B—屈服點二、巖石的強度特性

巖石在外載荷作用下抵抗破壞的能力稱為巖石強度。它反映了巖石的極限承載能力。強度特性分為抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、抗沖擊強度等。

測定方法：

抗壓強度

抗拉強度

抗剪強度

抗沖擊強度

巖石受外載荷作用，變形達到一定程度就要破壞，對巷道而言，如圍巖強度小于所受應(yīng)力，圍巖就要破壞，如冒頂、片幫、底臌等；如圍巖強度大于所受外力，則巷道可不支護而長期穩(wěn)定不變形。三、巖石的硬度

巖石的硬度泛指巖石抵抗其他較硬物體侵入的能力，分為靜壓入硬度和回彈硬度。

靜壓入硬度

回彈硬度

四、巖石的可鉆性和可爆性

巖石的可鉆性和可爆性用來表示鉆眼或爆破的難易程度。常用鉆眼速度、鉆眼時間、鉆頭進尺、每米炮眼磨鈍釬頭數(shù)、爆破炸藥消耗量、炮眼長度等指標來表示?！?-3巖石的工程分級和圍巖分類

一、巖石的工程分級

巖石的工程分級是按巖石的堅固性來分的。前蘇聯(lián)MM·普羅托奇雅可諾夫提出來用一個系數(shù)f來表示巖石破壞的相對難易程度，稱為普氏系數(shù)。

RC—巖石的單向抗壓強度（MPa）

根據(jù)f值的大小可將巖石分為10級共15種。二、圍巖分類

圍巖分類主要考慮

（1）圍巖強度；

（2）圍巖分層厚度；

（3）節(jié)理、裂隙發(fā)育程度；

（4）巖層傾角和地質(zhì)構(gòu)造等因素。

圍巖分為5級?！?-4隧道工程圍巖基本特性

第一節(jié)概述地面結(jié)構(gòu)體系一般都是由結(jié)構(gòu)和地基所組成，地基在結(jié)構(gòu)底部起約束作用，除了自重外，荷載都是來自外部，

（圖4-1a）。地下結(jié)構(gòu)是由周邊圍巖和支護結(jié)構(gòu)兩者組成共同并相互作用的結(jié)構(gòu)體系，即地下結(jié)構(gòu)＝支護結(jié)構(gòu)＋周邊圍巖；地下結(jié)構(gòu)所承受的荷載又主要來自結(jié)構(gòu)體系的本身—地層，故稱為地層壓力或圍巖壓力。

在地下結(jié)構(gòu)體系中，地層既是承載結(jié)構(gòu)的基本組成部分，又是造成荷載的主要來源(圖1-4-1b)，這種合二為一的作用機理與地面結(jié)構(gòu)是完全不同的。

(a)

地面結(jié)構(gòu)(b)地下結(jié)構(gòu)圖1-4-1結(jié)構(gòu)物與地層關(guān)系地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度稱為隧道圍巖的穩(wěn)定性，這是一個反映地質(zhì)環(huán)境的綜合指標。所以說，研究隧道工程地質(zhì)環(huán)境問題，歸根到底就是研究隧道圍巖的穩(wěn)定性問題，它包括隧道圍巖破壞或穩(wěn)定的規(guī)律、影響圍巖穩(wěn)定的主要因素、標志圍巖穩(wěn)定性的指標和判斷準則、分析圍巖穩(wěn)定性的方法以及為維護圍巖穩(wěn)定而必須采取的工程措施(如施工程序和方法、支護結(jié)構(gòu)的類型、數(shù)量和架設(shè)時間等)。第二節(jié)圍巖的工程性質(zhì)

隧道圍巖是指地殼中受隧道開挖影響的那一部分巖體，或是指對隧道穩(wěn)定性有影響的那一部分巖體。這部分巖體在隧道開挖和支護過程中，將產(chǎn)生應(yīng)力重新分布，其性質(zhì)也有所變化。

一、巖體的變形特性1、壓密階段(OA)

2、彈性階段(AB)

3、塑性階段(BC)

4、破裂和破壞階段(CD)

圖1-4-2典型巖體全應(yīng)力—應(yīng)變曲線二、循環(huán)荷載作用下巖體的變形特性

對于彈性材料，其加載和卸載曲線相同。巖體屬于非線性材料，如果卸載點超過了其屈服點，則卸載曲線和加載曲線不重合，形成塑性回滯環(huán)。如果經(jīng)過多次反復(fù)加載與卸載，且每次施加的最大荷載與第一次加載的最大荷載一樣，則每次加載、卸載曲線都各自形成一個塑性回滯環(huán)，如圖1-4-3所示。

圖1-4-3巖體加、卸載曲線

三、巖體的強度巖體的強度要比巖石的強度低得多，并具有明顯的各向異性。一般情況下，巖體的抗壓強度只有巖石抗壓強度的70～80％，結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體，僅有5～10％。和抗壓強度一樣，巖體的抗剪強度主要也是取決于巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的性態(tài)，包括巖體的力學(xué)性質(zhì)、充填狀況、產(chǎn)狀、分布和規(guī)模等；同時還受剪切破壞方式所制約。

四、巖體的構(gòu)造—力學(xué)特性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。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。裂隙巖體的地質(zhì)構(gòu)造特征是結(jié)構(gòu)面的存在。巖石只是巖體構(gòu)成的一部分，它的性質(zhì)不能代表巖體的物性，這一點是必須明確的。由上述條件決定的巖體構(gòu)造－力學(xué)特性是它的非連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性和突變性。五、巖體的破壞準則理論和試驗研究都表明，多數(shù)巖石在初始應(yīng)力狀態(tài)下處于彈性階段，而在開挖成洞后，洞室周圍巖體將產(chǎn)生松弛或進入塑性狀態(tài)。彈塑性模型的基本概念是認為巖石在屈服極限之前，只有可恢復(fù)的彈性變形，達到屈服極限以后，變形由可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的永久變形(塑性變形)兩部分組成，彈性變形按彈性理論計算，塑性變形按塑性理論計算。材料隨著外力的增加由彈性狀態(tài)過渡到塑性狀態(tài)。當應(yīng)力的數(shù)值等于屈服極限時，材料屈服，開始產(chǎn)生塑性變形，而就是單向應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件，也稱作“塑性條件”，它是判斷是否達到塑性狀態(tài)的準則。目前，在實際設(shè)計中，采用最多的是摩爾—庫侖破壞準則。圖4-4表示受到主應(yīng)力(>)作用時，材料屈服的應(yīng)力圓。

由圖可知圖1-4-4材料強度包絡(luò)線及應(yīng)力圓

格里非斯認為，內(nèi)部有裂隙的材料，在裂隙的尖端部位將引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致材料強度的降低。當拉應(yīng)力集中值超過材料的抗拉強度時，裂隙就會擴展，從而導(dǎo)致巖石破壞。為了計算應(yīng)力集中值，將這些裂隙假定為很小的扁平橢圓裂紋，按平面狀態(tài)破壞理論處理，如圖1-4-5所示。圖1-4-5格里非斯準則除了上述準則外，尚有許多其他的破壞準則，如Mises準則、Drucker-Prager準則等。六、巖體的流變特性流變包括兩方面：一種是指作用的應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時間增長，即所謂蠕變；另一種則是作用的應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時間而衰減，即所謂松弛，如圖1-4-6所示。圖1-4-6巖體的流變七、巖體結(jié)構(gòu)分類及其破壞特征工程地質(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，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，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。

八、隧道圍巖失穩(wěn)破壞性態(tài)隧道圍巖變形、破壞和巖體結(jié)構(gòu)的關(guān)系十分密切，根據(jù)工程實踐觀察，大致有以下五種情況：1、脆性破裂2、塊狀運動3、彎曲折斷破壞4、松動解脫5、塑性變形和剪切破壞第三節(jié)圍巖的初始應(yīng)力場一、圍巖初始應(yīng)力場的組成(一)自重應(yīng)力場在自重應(yīng)力場中，地表以下任一深度H處的垂直應(yīng)力等與其上覆巖體的重量(如圖1-4-7，a所示)以壓應(yīng)力為正，為巖體的容重當上覆巖體為多層時，則為(圖1-4-7，b)

式中—第i層巖體的容重—第i層巖體的厚度圖1-4-7地表水平時的自重應(yīng)力場圍巖自重應(yīng)力場的變化規(guī)律應(yīng)力是隨深度成線性增加水平應(yīng)力總是小于垂直應(yīng)力，最多也只能與其相等(二)構(gòu)造應(yīng)力場地質(zhì)力學(xué)認為：地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂都是地應(yīng)力作用的結(jié)果。因而地質(zhì)力學(xué)就把構(gòu)造體系和構(gòu)造形式在形成過程中的應(yīng)力狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場。我國大陸初始應(yīng)力場(包括自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場)的變化規(guī)律大致可以歸納為如下幾點：①地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不僅改變了重力應(yīng)力場，而且除以各種構(gòu)造形態(tài)獲得釋放外，還以各種形式積蓄在巖體內(nèi)，這種殘余構(gòu)造應(yīng)力將對地下工程產(chǎn)生重大影響。②垂直應(yīng)力的量值隨深度增加而增大，而且水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。③水平主應(yīng)力具有明顯的各向異性。

二、圍巖初始應(yīng)力場的影響因素圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，一般受到兩類因素的影響：第一類因素有重力、溫度、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造、地形等經(jīng)常性的因素。第二類因素有地殼運動、地下水活動、人類的長期活動等暫時性的或局部性的因素；此外，在眾多的因素中還要特別研究下面幾點：1、地形和地貌。

2、巖體的力學(xué)性質(zhì)。

3、地溫。

4、人類活動。

第四節(jié)隧道圍巖分級及其應(yīng)用根據(jù)坑道開挖實踐，坑道開挖后的穩(wěn)定性可分為以下幾類：

1)充分穩(wěn)定的坑道在長時間內(nèi)有足夠的自穩(wěn)能力，無需任何人為支護而能維持穩(wěn)定，無坍塌、偶爾有掉塊。

2)基本穩(wěn)定的坑道會因爆破、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。

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)。

4)不穩(wěn)定的

一、以巖石強度或巖石的物性指標為代表的分級方法在這種分級方法中，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“”值分級法，或普氏分級法)。這種分級方法在我國的隧道工程中得到了廣泛的應(yīng)用。我國工程部門在將值分級法應(yīng)用到隧道工程的設(shè)計、施工時，已注意到必須考慮巖體的地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化程度、地下水狀況等多種因素的影響，而將由單一巖石強度決定的值適當降低，即：式中值是由巖石強度決定的，是考慮地質(zhì)條件的折減系數(shù)，一般情況下，＜1.0。

二、以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分級方法60年代，我國在積累大量鐵路隧道修建經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了以巖體綜合物性指標為基礎(chǔ)的“巖體綜合分級法”，并于1975年經(jīng)修正后被我國“鐵路工程技術(shù)規(guī)范(隧道)”所采用。該分級法將隧道圍巖分為6級。這類方法的優(yōu)點是正確地考慮了地質(zhì)構(gòu)造特征、風(fēng)化狀況、地下水情況等多種因素對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，并建議了各類圍巖應(yīng)采用的支護類型和施工方法。此外，這種分級法最早考慮了埋深對圍巖級別的影響。其缺點是分類指標還缺乏定量描述，沒有提供可靠的預(yù)測隧道圍巖級別的方法，在一定程度上要等到隧道開挖后才能確定。

三、與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級方法圍巖彈性波速度是判斷巖性、巖體結(jié)構(gòu)的綜合指標，它既可以反映巖石軟硬，又可以表達巖體結(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)，將圍巖分為7級。我國1986年施行的“鐵路隧道設(shè)計規(guī)范”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1-4-4)。

圍巖類別ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ彈性波速(km/s)＞4.53.5～4.52.5～4.01.5～3.01.0～2.0＜1.0(飽和土＜1.5)表1-4-4彈性波(縱波)速度分級四、以多種因素進行組合的分級方法這種分級法認為，評價一種巖體的好壞，既要考慮地質(zhì)構(gòu)造、巖性、巖石強度，還要考慮施工因素，如掘進方向與巖層之間的關(guān)系、開挖斷面的大小等，因此就需要建立在多種因素的分析基礎(chǔ)之上。五、以工程對象為代表的分級法這類分級法如專門適用于噴錨支護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，而且和支護尺寸直接掛鉤，因此，使用方便，對指導(dǎo)施工很起作用。

幾個隧道圍巖分級綜合性指標

●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)和巖體的破碎程度的綜合因素，通常用Kv來評價：

Kv>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15完整性完整較完整破碎較破碎極破碎

（1）概念

掘巷后：（1）巷道周邊應(yīng)力集中；（2）圍巖強度降小(三向應(yīng)力狀態(tài)→兩向應(yīng)力狀態(tài)）（3）開挖擾動等圍巖應(yīng)力與圍巖強度的關(guān)系發(fā)生變化（超過則破壞，等于為極限平衡，小于則穩(wěn)定）；●圍巖松動圈分類法（2）松動圈聲測方法及原理

聲測法測試圍巖松動圈的物理基礎(chǔ)，是各類巖石中聲波速度不同，同種巖石則隨破裂程度的增加，聲速降低。（3）圍巖松動圈分類圍巖類別分類名稱圍巖松動圈/cm支護機理及方法備注小松動圈I穩(wěn)定圍巖0～40噴混凝土支護圍巖整體性好，不易風(fēng)化的可不支護中松動圈Ⅱ較穩(wěn)定圍巖40～100錨桿懸吊理論，噴層局部支護局部錨桿支護Ⅲ一般圍巖100～150錨桿懸吊理論，噴層局部支護剛性支護有局部破壞，采用可縮性支護大松動圈Ⅳ一般不穩(wěn)定圍巖(軟巖)150～200錨桿組合拱理論，噴層、金屬網(wǎng)局部支護剛性支護大面積破壞，采用可縮性支護Ⅴ不穩(wěn)定圍巖(較軟圍巖)200～300錨桿組合拱理論，噴層、金屬網(wǎng)局部支護圍巖變形有穩(wěn)定期Ⅵ極不穩(wěn)定圍巖(極軟圍巖)>300組合拱理論聯(lián)合支護圍巖變形在一般支護下無穩(wěn)定期圍巖松動圈分類有三個突出優(yōu)點：

（1）繞過了地應(yīng)力、圍巖強度、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)測定等困難問題，但又著重抓住了它們的影響結(jié)果，即松動圈是一個綜合指標；（2）松動圈系實測所得，未在重要方面作任何假設(shè)；（3）松動圈大小很容易用聲測法獲得，確定支護參數(shù)時直觀簡單，現(xiàn)場應(yīng)用十分方便。

●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:

RQD（％）＝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是一修正的巖芯取出率，僅考慮長度大于100mm的完整巖芯。美國伊利諾斯大學(xué)狄勒（Deere）在1964年形成該標準，但直到1967年才以出版的形式首次提出該概念?！駠鷰r的自穩(wěn)時間

：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＋a)

式中：L－隧道未支護地段的長度；a－視圍巖情況在0～1之間變化，好的巖體可取a=0;極差的a=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、極易掉塊的、破碎的、很破碎的、有壓力的、有很大壓力等七級●巖體質(zhì)量指標（Q指標）Q＝（RQD/Jh）(Jr/Ja)(Jw/SRF)

RQD－巖石質(zhì)量指標；Jh

－節(jié)理組數(shù)目，巖體愈破碎，Jh取值愈大；Jr

－節(jié)理粗糙度，節(jié)理愈光滑，Jr取值愈小；Ja

－節(jié)理蝕變值，蝕變愈嚴重，Ja取值愈大；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SRF－應(yīng)力折減系數(shù)，圍巖初始應(yīng)力愈高，SRF取值愈大。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)，表達如下：

Q＝（RQD/Jh）(Jr/Ja)(Jw/SRF)式中：RQD－巖石質(zhì)量指標，其取值方法見式（5－1）；

Jh

－節(jié)理組數(shù)目，巖體愈破碎，Jh取值愈大，可參考下列經(jīng)驗數(shù)值；沒有或很少節(jié)理，Jh＝0.5～1.0；

兩個節(jié)理組時，Jh＝4；

破碎巖體時，Jh＝20。

Jr

－節(jié)理粗糙度，節(jié)理愈光滑，Jr取值愈小，可參考下列經(jīng)驗數(shù)值；不連續(xù)節(jié)理，Jr＝4；

平整光滑節(jié)理，Jr＝0.5等。

Ja

－節(jié)理蝕變值，蝕變愈嚴重，Ja取值愈大，可參考下列經(jīng)驗數(shù)值；節(jié)理面緊密結(jié)合，節(jié)理中填充物堅硬不軟化，Ja＝0.75；

節(jié)理中填充物是膨脹性粘土，如蒙脫土，Ja＝8～12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，可參考下列經(jīng)驗數(shù)值；微量滲水，水壓<0.1Mpa,Jw=1.0；

滲水量大，水壓特別高，持續(xù)時間長，Jw＝0.1～0.05等。

SRF－應(yīng)力折減系數(shù)，圍巖初始應(yīng)力愈高，SRF取值愈大?？蓞⒖枷铝薪?jīng)驗數(shù)值；脆性而堅硬、有嚴重巖爆現(xiàn)象的巖石，SRF＝10～20；

堅硬、有單一剪切帶的巖石，SRF＝2.5。

根據(jù)不同的Q值，將巖體質(zhì)量評為九等，詳見表1-4-5。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表1-4-5巖體質(zhì)量評估

國家技術(shù)監(jiān)督局與建設(shè)部于1995年聯(lián)合發(fā)布《工程巖體分級標準》，適用于各類型巖石工程，涵蓋103個巖石工程案例。該分級標準以“巖體基本質(zhì)量”代表巖體品質(zhì)，并據(jù)此進行巖體優(yōu)劣分級。●考慮巖石強度圍巖基本質(zhì)量指標BQ《工程巖體分級標準》巖石堅硬程度與完整程度兩個基本因素，進行巖體基本質(zhì)量定性特征分級描述，巖體基本質(zhì)量指標－BQ值的計算，依此做為巖體初步分級基準。

BQ＝90＋3Rc+250KVRc－巖石單軸飽和抗壓強度，MPa；KV－巖體完整性指數(shù)＝（巖體彈性縱波速度/巖石彈性橫波速度）2對已獲取的巖體基本質(zhì)量指標值進行修正，獲得巖體基本質(zhì)量指標修正值－[BQ]值，并據(jù)此進行各類工程巖體之詳細分級。[BQ]＝BQ－100×（K1+K2+K3）K1－地下水影響；K2－主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響；K3－初始應(yīng)力狀態(tài)影響。巖體基本質(zhì)量級別巖體基本質(zhì)量的定性特征巖體基本質(zhì)量指標[BQ]值I堅硬巖：巖體完整＞550II堅硬巖，巖體較完整較堅硬巖，巖體完整550～451III堅硬巖，巖體較破碎較堅硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整較軟巖，巖體完整450～351Ⅳ堅硬巖，巖體破碎較堅硬巖，巖體較破碎～破碎較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整～較破碎軟巖，巖體完整至較完整350～251Ⅴ較軟巖，巖體破碎軟巖，巖體較破碎～破碎全部極軟巖及全部極破碎巖＜250

《工程巖體分級標準》將巖體分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等五級，并針對不同跨度地下工程，概述各級巖體穩(wěn)定能力。六、我國現(xiàn)行鐵路隧道圍巖分級在1975年鐵道部頒布了以圍巖結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)為分類基礎(chǔ)的新的鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性分級法，它總結(jié)了我國建國以來在修建鐵路隧道中使用值分級法所積累的經(jīng)驗，并參考了國內(nèi)外有關(guān)圍巖分級成果。

我國公路隧道圍巖分級的出發(fā)點:●強調(diào)巖體的地質(zhì)特征的完整性和穩(wěn)定性；●分級指標應(yīng)采用定性和定量指標結(jié)合方式；●明確工程目的和內(nèi)容，并提出相應(yīng)的措施；●分級應(yīng)簡明，便于使用；●考慮吸收其它圍巖分級優(yōu)點，并盡量和我國其它工程分級一致。㈠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兩種方法確定。我國公路隧道圍巖分級考慮因素

●巖石堅硬程度；●巖體完整程度；●考慮巖石強度圍巖基本質(zhì)量指標BQ；●地下水；●初始應(yīng)立場。巖石類別單軸飽和抗壓極限強度(MPa)代表性巖石硬質(zhì)巖極硬巖＞60花崗巖、閃長巖、玄武巖等巖漿巖；硅巖、鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖及砂巖、石灰?guī)r、白云巖等沉積巖；片麻巖、石英巖、大理巖、板巖、片巖等變質(zhì)巖硬巖30～60軟質(zhì)巖較軟巖15～30凝灰?guī)r等噴出巖；砂礫巖、泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r、泥巖、煤等沉積巖；云母片石或千枚巖等變質(zhì)巖軟巖5～15極軟巖＜15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（表1-4-6）表1-4-6巖石堅硬程度的劃分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(表4-7)。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?，密閉型巨塊狀整體結(jié)構(gòu)＞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≥＞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≥＞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≥＞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)≤0.15表4-72、圍巖基本分級圍巖級別巖體特征土體特征圍巖彈性縱波速度(km/s)Ⅰ極硬巖，巖體完整-＞4.5Ⅱ極硬巖，巖體較完整；硬巖，巖體完整-3.5～4.5Ⅲ極硬巖，巖體較破碎；硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整-2.5～4.0Ⅳ極硬巖，巖體破碎；硬巖，巖體較破碎或破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整或較破碎；軟巖，巖體完整或較完整具壓密或成巖作用的粘性土、粉土及砂類土，一般鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的碎(卵)石土、大塊石土，黃土(Q1、Q2)1.5～3.0Ⅴ軟巖，巖體破碎至極破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖(包括受構(gòu)造影響嚴重的破碎帶)一般第四系堅硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍濕、潮濕的碎(卵)石土、圓礫土、角礫土、粉土及黃土(Q3、Q4)1.0～2.0Ⅵ受構(gòu)造影響很嚴重呈碎石、角礫及粉末、泥土狀的斷層帶軟塑狀粘性土、飽和的粉土、砂類土等＜1.0(飽和狀態(tài)的土＜1.5)

根據(jù)巖石堅硬程度和巖體完整程度，我國公路隧道將圍巖分為6級(見下表)。㈡圍巖分級的影響因素及分級的修正1、地下水在隧道圍巖分級中水的影響是不容忽視的，在同級圍巖中，遇水后則適當降低圍巖級別。降低的幅度主要視：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而定。本圍巖分級中關(guān)于地下水影響的修正參照表1-4-9和表1-4-10。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表1-4-9地下水狀態(tài)的分級圍巖級別地下水狀態(tài)級別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ-ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ-ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ-表1-4-10地下水影響的修正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(表1-4-11和表1-4-12)。初始地應(yīng)力狀態(tài)主要現(xiàn)象評估基準()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，成洞性差圍巖級別初始地應(yīng)力狀態(tài)ⅠⅡⅢⅣⅤ極高應(yīng)力ⅠⅡⅢ或ⅣⅤⅥ高應(yīng)力ⅠⅡⅢⅣ或ⅤⅥ表1-4-11初始地應(yīng)力狀態(tài)評估表1-4-12初始地應(yīng)力影響的修正1、圍巖壓力的概念

●圍巖壓力：是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護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結(jié)構(gòu)上的作用力。從狹義上來理解，圍巖壓力是指圍巖作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力。在工程中一般研究狹義的圍巖壓力?！?-5隧道圍巖壓力的確定●圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為：⑴松散壓力：是指由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結(jié)構(gòu)的壓力。

⑵形變壓力：是指由于圍巖變形受到與之密貼的支護的抑制，而使圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同變形過程中，圍巖對支護結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。

⑶膨脹壓力：是指由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力。

⑷沖擊壓力：是指圍巖中積累了大量的彈性變性能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解除，

⑴松散壓力：常通過下列三種情況發(fā)生：①在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個別松動掉塊的巖石；②在松散軟弱的巖體中，坑道頂部和兩側(cè)片幫冒落；③在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。

⑵形變壓力：是指由于圍巖變形受到與之密貼的支護如錨噴支護等的抑制，而使圍巖與支護結(jié)構(gòu)共同變形過程中，圍巖對支護結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。形變壓力除與圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與支護時間和支護剛度有關(guān)。

⑶膨脹壓力：是指由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。

⑷沖擊壓力：是指圍巖中積累了大量的彈性變性能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。沖擊壓力是巖體能量的積累與釋放問題，所以它與彈性模量直接相關(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，一旦遇到適宜條件，就會突然猛烈的大量釋放。2、圍巖松散壓力的產(chǎn)生

開挖隧道所引起的圍巖松動和破壞的范圍有大有小，對于一般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅局限在隧道周圍一定深度，作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖松散壓力遠遠