隧道圍巖分級及圍巖壓力

隧道工程第5章隧道圍巖分級與圍巖壓力蘭州理工大學(xué)交通土建課題組主講：喬雄本章學(xué)習要求：（1）掌握公路隧道圍巖分級方法；（2）掌握公路隧道圍巖壓力計算方法；（3）理解影響圍巖穩(wěn)定性的因素；

5.1隧道圍巖分級及其作用

5.2圍巖壓力的確定

5.3影響圍巖穩(wěn)定性的因素本章主要內(nèi)容●

圍巖：隧道周圍一定范圍內(nèi)，對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的巖體●

圍巖壓力：是指隧道開挖后，圍巖作用在隧道支護上的壓力，是隧道支撐或襯砌結(jié)構(gòu)的主要荷載之一。其性質(zhì)、大小、方向以及發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，對正確地進行隧道設(shè)計與施工有很重要的影響?！?/p>

地質(zhì)環(huán)境：隧道工程所賦存的地質(zhì)環(huán)境的內(nèi)涵很廣，包括地層特征、地下水狀況、開挖隧道前就存在于地層中的原始地應(yīng)力狀態(tài)、地溫梯度等。5.1隧道圍巖分級及其應(yīng)用●

目前，隧道圍巖分級是隧道設(shè)計、施工的基礎(chǔ)（工程類比法就是建立在圍巖分級的基礎(chǔ)上的）。認識事物的同一性和差異性的方法就是將事物進行分類和分級●

圍巖分類:主要突出同一性,是質(zhì)的定性評價,強調(diào)的是屬性特征.●

圍巖分級:主要突出差異性,是量的界定,強調(diào)的是等級特征.●

圍巖分級的目的

①作為選擇施工方法的依據(jù)；②進行科學(xué)管理及正確評價經(jīng)濟效益；③確定結(jié)構(gòu)上的荷載（松散荷載）；④給出襯砌結(jié)構(gòu)的類型及其尺寸；⑤制定勞動定額、材料消耗標準基礎(chǔ)等；●人們對圍巖的認識是不斷深入的土石方工程分類法(開挖難易程度)巖石的堅固性來分類:如堅固性系數(shù)fRQD從圍巖穩(wěn)定性出發(fā)分類來代替多年沿用的堅固性為基礎(chǔ)的分類從分級指標方面：大多數(shù)從定性描述經(jīng)驗判斷定量描述●

以隧道圍巖的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)進行分級是隧道圍巖分類的總趨勢。

1、隧道圍巖分級的因素指標及其選擇

圍巖分級的指標，主要考慮影響圍巖穩(wěn)定性的因素或其組合的因素.

⑴單一的巖性指標⑵綜合巖性指標

⑴單一的巖性指標

●

巖石的單軸飽和極限抗壓強度作為基本的分級指標，具有試驗簡單，數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)點；

●

巖石的抗壓和抗拉強度、彈性模量、泊松比等物理力學(xué)參數(shù)；

●

巖石的抗鉆性、抗爆性等工程指標。

⑵綜合巖性指標

●

巖體的彈性波傳播速度：該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，通常用巖體的完整性系數(shù)Kv來評價,即

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(下表)?！駧r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。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(RQD)

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●

圍巖的自穩(wěn)時間

：從隧道開挖到頂部開始發(fā)生可察覺的移動、松弛所經(jīng)歷的時間，被認為是綜合巖性指標。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?。籎a－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)，初始應(yīng)力愈高，SRF取值愈大(RQD/Jh)——表達了巖體的巖塊大小(Jr/Ja)——表示了巖體的巖塊強度(Jw/SRF)——表示了巖體的作用應(yīng)力。

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●

指標的選擇

⑴首先選擇對隧道圍巖穩(wěn)定性有重大影響的因素指標；⑵選擇測試設(shè)備簡單、人為因素小、科學(xué)性強的定量指標；⑶選擇指標要有一定的綜合性。2、隧道圍巖分級的方法

現(xiàn)行的許多圍巖分級方法中，分類基本要素大致有三大類：

第I類：與巖性有關(guān)的要素。其分類指標是采用巖石強度和變形性質(zhì)等：如巖石的單軸抗壓強度、變形模量或彈性波速等。

第II類：與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的要素。其分類指標采用諸如巖石的質(zhì)量指標、地質(zhì)因素平分法等，這些指標實質(zhì)上是對巖體完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評價。這類指標在劃分圍巖的級別中一般占有重要地位；第III類：與地下水有關(guān)的要素。

目前國內(nèi)外圍巖的分級方法，考慮上述三大基本要素，按其性質(zhì)主要分為：⑴以巖石強度或物理指標為代表的分級方法⑵以巖體構(gòu)造特征為代表的分級方法⑶以地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級方法⑷組合多種因素的分級方法⑸以工程對象為代表的分級法⑴以巖石強度或物理指標為代表的分級方法：

①按巖石強度為單一巖性指標的分級法:把巖石分為堅石、次堅石、松石及土

②以巖石的物性指標為基礎(chǔ)的分級方法：具有代表意義的是我國工程界廣泛采用的巖石堅固系數(shù)“f”值分級法；

●

優(yōu)點：指標單一，使用方便；

●

缺點：不能全面反映巖體固有的性態(tài)。⑵以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分級方法：

①這類分級法以泰沙基分級法為代表

這類分類法是早期提出的，僅把不同巖性、不同構(gòu)造條件的圍巖分成九類，每類都有一個相應(yīng)的地壓范圍值和支護措施建議。這類分類法曾長期被各國采用，至今仍有廣泛的影響。

②以巖體綜合物性為指標的分級法

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“巖體綜合分類法”，并于1975年經(jīng)修正后正式作為鐵路隧道圍巖分類方法。●優(yōu)點：正確的考慮了地質(zhì)構(gòu)造特征、風化狀況、地下水情況等多因素對圍巖的影響。●缺點：分級指標缺乏定量描述。⑶以地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級方法：

①按彈性波（縱波）速度的分級方法

圍巖彈性波速度是判斷巖性、巖體結(jié)構(gòu)的綜合指標，它既可反映巖石軟硬，又可表達巖體結(jié)構(gòu)的破碎程度。1970年前后，日本提出按圍巖彈性波速度進行分類，我國從1986年起，也開始將圍巖彈性波（縱波）速度引入我國圍巖分類法中。

⑶以地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級方法：②以巖石質(zhì)量為指標的分級方法——R.Q.D.方法●優(yōu)點：考慮了多種因素的影響，但分級指標大體上是半定量的?！袢秉c：分級的判斷還帶有一定的主觀性。⑷組合多種因素的分級方法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。

比較完善的是1974年挪威地質(zhì)學(xué)家巴頓等人提出的“巖體質(zhì)量——Q”的分類方法。巖體質(zhì)量值Q實質(zhì)上是巖塊尺寸、抗剪強度和作用力復(fù)合指標，根據(jù)不同的Q值，可將巖體進行分類。⑸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：目的明確，使用方便，能指導(dǎo)施工●缺點：分級指標以定性描述為主，人為因素較大。

圍巖的分級方法有以下幾方面的發(fā)展趨勢：⑴

分級應(yīng)主要以巖體為對象。巖體則包括巖塊和各巖塊之間的軟弱結(jié)構(gòu)面。因此分類應(yīng)重點放在巖體的研究上⑵分級宜與地質(zhì)勘探手段有機的聯(lián)系起來有一個方便而又可靠的判斷手段。隨著地質(zhì)勘探技術(shù)的發(fā)展，這將使分類指標更趨定量化。⑶分級要有明確的工程對象和工程目的。⑷分級宜逐漸定量化。

值得注意，近年國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者提出采用模糊數(shù)學(xué)分級；根據(jù)隧道周邊量測的收斂值分級；采用人工智能－專家系統(tǒng)分類等建議，這些設(shè)想都將使圍巖分級方法日趨完善。3、我國公路隧道圍巖分級

⑴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。3、我國公路隧道圍巖分級

⑵考慮分級的指標和因素

●

巖體的結(jié)構(gòu)特征與完整狀態(tài)

●考慮巖石強度圍巖基本質(zhì)量指標BQ

當取當取●

地下水

在公路隧道圍巖的分級中，遇有地下水時，一般的處理采用降級的方法

①整體的硬質(zhì)巖石中，一般的地下水對其穩(wěn)定性影響不大，不考慮降級；②塊狀硬質(zhì)巖和整體軟質(zhì)巖中，地下水將影響其穩(wěn)定性，產(chǎn)生局部坍塌，或軟化軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖分級時一般可酌情降低1級；

③碎石狀松散結(jié)構(gòu)巖體，裂隙中有泥質(zhì)充填物，地下水對穩(wěn)定性影響很大，可根據(jù)地下水的性質(zhì)、水量、滲流條件、動水和靜水壓力等情況，可降低1～2級；

④強烈的斷裂帶，或軟塑性粘土和潮濕的粉細砂，分類時已考慮了一般含水地質(zhì)情況的影響，不再降級。⑶公路隧道圍巖分級

●根據(jù)以上對分級因素和指標，公路隧道圍巖分級將圍巖分為六級；

●

R.Q.D、巖體彈性波（縱波）速度、巖體完整性系數(shù)的分級法。⑶公路隧道圍巖分級

級參數(shù)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥRQD（％）>9585~7575~8650~7525~50<25BQ>550550~451450~351350~251<250Vp(km/s)>4.53.5~4.52.5~4.01.5~3.01.0~2.0<1.0（飽和粘土）I0.8～1.00.6~0.80.4~0.60.2~0.4<0.2⑷隧道施工圍巖分級●

施工階段圍巖判定具有直接性、可靠性、重要性特征，因此，施工階段圍巖級別的判定是一個重要而現(xiàn)實的問題?！?/p>

評定因素采用圍巖堅硬程度、圍巖完整性程度、和地下水狀態(tài)三項因素，細分為十三個子因素，即3－13評定;⑷隧道施工圍巖分級即3－13評定

在三個因素中，最困難的是圍巖完整性程度的評定，重點是如何根據(jù)掌子面的地質(zhì)數(shù)據(jù)評價圍巖的完整程度。根據(jù)對國內(nèi)外施工階段圍巖分級的調(diào)查，應(yīng)采用多種方法對圍巖完整程度進行分級，采用定性和定量相結(jié)合的方法，如可采用下圖的指標：5.2圍巖壓力的確定

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。●

圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為：⑴松散壓力：

⑵形變壓力：

⑶膨脹壓力：

⑷沖擊壓力：

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