地下工程-分類、圍巖壓力

第四章地下工程第四章地下工程第1節(jié)概述第2節(jié)圍巖應(yīng)力分布第3節(jié)圍巖變形破壞第4節(jié)圍巖分類第5節(jié)圍巖壓力第6節(jié)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)第7節(jié)地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)第4節(jié)圍巖分類根據(jù)巖體工程地質(zhì)特征，考慮支護(hù)及施工方法，將分類歸為(國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表的圍巖分級(jí)（類）方法近百種)：一、洞室圍巖質(zhì)量分級(jí)穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)，意義--洞室設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)二、洞室圍巖分類三、巖體地質(zhì)力學(xué)分類（RMR分類）四、巴頓巖體質(zhì)量（Ｑ）分類國(guó)標(biāo)?工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)?(GB50218-94,1995)提出按巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行分級(jí)。兩個(gè)定義：巖體工程：以巖體為工程建筑物地基及環(huán)境，并對(duì)巖體進(jìn)行開挖或加固的工程，包括地下工程和地面工程。工程巖體：巖體工程影響范圍內(nèi)的巖體，包括地下工程圍巖、工業(yè)與民用建筑地基、大壩基巖、邊坡巖體等。一、洞室圍巖質(zhì)量分級(jí)：分級(jí)方法巖體基本質(zhì)量由巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)因素確定。應(yīng)采用定性劃分和定量指標(biāo)兩種方法確定。巖石堅(jiān)硬程度定性劃分：錘擊、浸水、巖石風(fēng)化特征觀察。巖體完整程度定性劃分：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度（組數(shù)、平均間距）、主要結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度、主要結(jié)構(gòu)面類型和巖體結(jié)構(gòu)類型。巖石堅(jiān)硬程度的定量指標(biāo)：巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度。巖體完整程度定量指標(biāo)：巖體完整性指數(shù)、巖體體積節(jié)理數(shù)巖體基本質(zhì)量級(jí)別的確定巖體基本質(zhì)量分級(jí)，應(yīng)根據(jù)巖體基本質(zhì)量的定性特征和巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ）兩者相結(jié)合確定。BQ的表達(dá)式為：σc-巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度；Kv-巖體完整性系數(shù)。應(yīng)用時(shí)，當(dāng)時(shí)，以和Kv

代入上式計(jì)算BQ值；當(dāng)時(shí)，以和σc

代入計(jì)算BQ值。一、洞室圍巖質(zhì)量分級(jí)：式中：Vpm-巖體縱波速度；vpr-巖塊縱波速度。無波速資料，可用巖體體積節(jié)理數(shù)（單位巖體體積內(nèi)結(jié)構(gòu)面條數(shù)）Jv查表求Kv值。Kv用聲波試驗(yàn)資料按下式確定：一、洞室圍巖質(zhì)量分級(jí)：用巖體體積節(jié)理數(shù)Jv查表求Kv值。Jv（條/m3)<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)主要考慮了圍巖質(zhì)量分級(jí)表組成巖體的巖石堅(jiān)硬程度依據(jù)BQ值和巖體質(zhì)量定性特征將巖體劃分為5級(jí)。巖體完整性級(jí)別巖體基本質(zhì)量的定性特征巖體質(zhì)量指標(biāo)BQⅠ堅(jiān)硬巖（σc>60MPa），巖體完整（Kv>0.75）。>550Ⅱ堅(jiān)硬巖（σc>60MPa），巖體較完整（Kv=0.75~0.55）；較堅(jiān)硬巖（σc=60~30MPa），巖體完整（Kv>0.75）。550~451Ⅲ堅(jiān)硬巖（σc>60MPa），巖體較破碎（Kv>0.55~0.35）；較堅(jiān)硬巖（σc=60~30MPa）或軟硬互層，巖體較完整（Kv=0.75~0.55）；較軟巖（σc=30~15MPa），巖體完整（Kv>0.75）。450~351Ⅳ堅(jiān)硬巖（σc>60MPa），巖體破碎（Kv=0.35~0.15）；較堅(jiān)硬巖（σc=60~30MPa）或軟硬互層，巖體較完整（Kv=0.75~0.55）；較軟巖（σc=30~15MPa）或軟硬互層，軟巖為主，巖體較完整至較破碎（Kv=0.75~0.35）；軟巖（σc=15~5MPa）巖體完整至較完整（Kv=0.75~0.55）。350~251Ⅴ較軟巖（σc=30~15MPa），巖體破碎（Kv=0.55~0.35）；軟巖（σc=15~5MPa）巖體較破碎至破碎（Kv=0.55~0.15）；全部極軟巖（σc<5MPa）及全部極破碎巖（Kv<0.15）?！?50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-天然應(yīng)力影響修正系數(shù)。巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]當(dāng)圍巖處于高天然應(yīng)力區(qū)有不利于穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面存在地下水巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)進(jìn)行修正工程巖體級(jí)別的確定--在巖體基本質(zhì)量分級(jí)基礎(chǔ)上，結(jié)合工程特點(diǎn)，考慮地下水狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)、工程軸線與主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的關(guān)系等必要的修正因素確定。巖體質(zhì)量指標(biāo)關(guān)于天然應(yīng)力影響修正系數(shù)K3

極高應(yīng)力—σc/σmax<4，高應(yīng)力—σc/σmax=4~7。0.5~1.00.5~1.00.50.50.5高應(yīng)力區(qū)1.01.0~1.51.0~1.51.01.0極高應(yīng)力區(qū)<250350~251450~351550~451>550

K3

天然應(yīng)力狀態(tài)BQ天然應(yīng)力軟弱結(jié)構(gòu)面地下水的修正0.2~0.40~0.20.4~0.6K2其他組合結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角α＞60°，傾角β＞75°結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角α＜30°，傾角β=30~75°結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關(guān)系主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2地下水影響修正系數(shù)K11.00.7~0.90.4~0.60.2淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊畨?gt;0.1或單位出水量>100.7~0.90.4~0.60.2~0.30.1淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊?，水壓?.1或單位出水量<100.4~0.60.2~0.30.10潮濕或點(diǎn)滴狀出水<250350~251450~351>450

K1BQ地下水出水狀態(tài)水壓?jiǎn)挝?MPa；單位出水量：L/(min*m)地下工程巖體自穩(wěn)能力巖體級(jí)別自穩(wěn)能力Ⅰ跨度<20m，可長(zhǎng)期穩(wěn)定，偶有掉塊，無塌方Ⅱ跨度10~20m，可基本穩(wěn)定，局部掉塊或小塌方；跨度<10m，可長(zhǎng)期穩(wěn)定，偶有掉塊Ⅲ跨度10~20m，可穩(wěn)定數(shù)日至1個(gè)月，可發(fā)生小至中塌方；跨度5~10m，可穩(wěn)定數(shù)月，局部塊體位移及小至中塌方；跨度<5m，可基本穩(wěn)定。Ⅳ跨度>5m，一般無自穩(wěn)能力，數(shù)日至數(shù)月可發(fā)生松動(dòng)變形、小塌方，進(jìn)而發(fā)展為中至大塌方。埋深小，以拱部松動(dòng)破壞為主，埋深大時(shí)，有明顯塑流變形和擠壓破壞；跨度<5m時(shí)，可穩(wěn)定數(shù)日至1個(gè)月Ⅴ無自穩(wěn)能力根據(jù)修正值[BQ]的巖體分級(jí)可評(píng)價(jià)圍巖自穩(wěn)能力。第4節(jié)圍巖分類巖體結(jié)構(gòu)、二、洞室圍巖分類國(guó)標(biāo)?錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范?中提出的圍巖分類方案。系統(tǒng)地考慮了：將巖體分為5類，并給出毛洞自穩(wěn)性的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)。（P.264~266)巖體聲學(xué)性質(zhì)指標(biāo)巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、第4節(jié)地下建筑圍巖分類三、巖體地質(zhì)力學(xué)分類（南非-RMR分類）此分類系統(tǒng)由根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行評(píng)分，求總分（表A）得巖體類別及相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)（表C）對(duì)總分作修正（表B）5項(xiàng)指標(biāo)組成。地下水條件節(jié)理?xiàng)l件節(jié)理間距RQD值巖塊強(qiáng)度巖體地質(zhì)力學(xué)ＲＭＲ分類表Ａ．分類參數(shù)及其評(píng)分值分類參數(shù)數(shù)值范圍１完整巖石強(qiáng)度ＭＰａ點(diǎn)荷載強(qiáng)度>104~102~41~2低強(qiáng)度巖石用宜單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度>250100~25050~10025~505~251~5＜1評(píng)分值１５１２７４２１０２巖芯質(zhì)量指標(biāo)ＲＱＤ90~10075~9050~7525~50＜25（％）評(píng)分值２０１７１３８３３節(jié)理間距>20060~20020~606~20＜6（ｃｍ）評(píng)分值２０１５１０８５巖體地質(zhì)力學(xué)ＲＭＲ分類表Ａ．分類參數(shù)及其評(píng)分值（續(xù)）４節(jié)理?xiàng)l件節(jié)理面很粗糙，不連續(xù)，寬度為零，巖石堅(jiān)硬節(jié)理面稍粗糙，寬度<1mm，節(jié)理面巖石堅(jiān)硬節(jié)理面稍粗糙，寬度<1mm，節(jié)理面巖石軟弱面光滑或含厚度<5mm的軟弱夾層，張開度1~5mm，節(jié)理連續(xù)含厚度>5mm的軟弱夾層，張開度>5mm，節(jié)理連續(xù)評(píng)分值３０２５２０１００５地下水條件每10m洞長(zhǎng)涌水量無<1010~2525~125>125節(jié)理水壓力最大主應(yīng)力或０或<0.1或0.1~0.2或0.2~0.5或＞0.5總條件或完全干燥或潮濕或有濕氣或中等水壓或問題嚴(yán)重評(píng)分值１５１０７４０巖體地質(zhì)力學(xué)ＲＭＲ分類表節(jié)理走向或傾向非常有利有利一般不利非常不利評(píng)分值隧道0-2-5-10-12地基0-2-7-15-25邊坡0-5-25-50-60B.按節(jié)理方向修正評(píng)分值走向與隧道軸垂直走向與隧道軸平行與走向無關(guān)沿傾向掘進(jìn)反傾向掘進(jìn)傾角20~45°傾角45~90°傾角0~20°傾角45~90°傾角20~45°傾角45~90°傾角20~45°非常有利有利一般不利一般非常不利不利節(jié)理走向和傾向?qū)λ淼篱_挖的影響巖體地質(zhì)力學(xué)ＲＭＲ分類表評(píng)分值100~8180~6160~4140~21＜20分級(jí)ⅠⅡⅢⅣⅤ質(zhì)量描述非常好的好的一般的差的非常差的平均穩(wěn)定時(shí)間15m跨度20ａ10m跨度１ａ5m跨度1w2.5m跨度10h1m跨度30min巖體內(nèi)聚力ＫＰａ＞400300~400200~300100~200＜100巖體內(nèi)摩擦角°＞4535~4525~3515~25＜15C．按總評(píng)分值確定的巖體級(jí)別及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)第4節(jié)圍巖分類分類指標(biāo)為：式中：RQD－巖芯質(zhì)量指標(biāo)；Ｊｎ－節(jié)理組數(shù)；Ｊｒ－節(jié)理粗糙系數(shù)；Ｊａ－節(jié)理蝕變系數(shù)；Ｊｗ－節(jié)理水折減系數(shù)；SRF－應(yīng)力折減系數(shù)。四、巴頓巖體質(zhì)量分類（挪威-Ｑ系統(tǒng)）第4節(jié)圍巖分類６個(gè)參數(shù)組合反映了巖體質(zhì)量的三個(gè)方面，即：→表示水與其他應(yīng)力存在時(shí)對(duì)巖體質(zhì)量的影響?！鷰r體完整性；→結(jié)構(gòu)面形態(tài)、充填特征及次生變化等情況；四、巴頓巖體質(zhì)量分類

第四章地下工程第1節(jié)概述第2節(jié)圍巖應(yīng)力分布第3節(jié)圍巖變形破壞第4節(jié)圍巖分類第5節(jié)圍巖壓力第6節(jié)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)第7節(jié)地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)第5節(jié)圍巖壓力

圍巖在重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形（位移），進(jìn)而引起施加于支護(hù)襯砌上的壓力，稱圍巖壓力。圍巖壓力是圍巖與支襯間的相互作用力，是外力。圍巖應(yīng)力是巖體中的內(nèi)力。若圍巖強(qiáng)度高，不需支護(hù)可自穩(wěn)，便不存在圍巖壓力。圍巖壓力的大小是支護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。一、概念圍巖塑性變形（塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓）所形成，隨時(shí)間增長(zhǎng)。產(chǎn)生條件-圍巖應(yīng)力超過巖體屈服極限；深埋洞室圍巖受壓過大；粘土質(zhì)巖、含蒙脫石較多的膨脹巖遇水產(chǎn)生膨脹變形。1、形變圍壓--圍巖壓力分類--形變圍壓松動(dòng)圍壓沖擊圍壓2、松動(dòng)圍壓--3、沖擊圍壓--巖爆形成，受控于天然應(yīng)力值、圍巖力學(xué)性質(zhì)，且受洞室埋深、施工方法、洞形的影響。圍巖塌落掉塊，塊體自重施于支護(hù)上的壓力。大小取決于圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、地下水活動(dòng)、支護(hù)時(shí)間等。圍巖壓力估算：小塌方：塌高＜3m中等塌方：塌高3～6m大塌方：塌高＞6m第5節(jié)圍巖壓力1、彈塑性力學(xué)計(jì)算開挖后形成塑性圈，此時(shí)塑性變形對(duì)支護(hù)產(chǎn)生形變圍巖壓力，⑴形變圍壓-在連續(xù)、均質(zhì)、各向同性彈性巖體中開挖水平洞室，設(shè)由前節(jié)可導(dǎo)出公式：洞壁位移前后塑圈體積不變，因此：二、圍巖壓力確定方法公式表明，形變圍壓與洞壁位移成反比，因此只要適當(dāng)增大塑圈半徑，就可減少支護(hù)壓力（圍壓）。式中：R0-洞徑；G-巖體剪切模量；c,φ-巖體強(qiáng)度值；R1-塑圈半徑；uamax

-實(shí)際可接受的洞壁圍巖最大位移值;→推論：圍巖處于塑性變形階段也具有自承能力（有限的）。代入并整理，得：當(dāng)塑性松動(dòng)圈發(fā)展到一定范圍而未及時(shí)支護(hù)，松動(dòng)圈內(nèi)巖石可能掉塊，形成松動(dòng)圍壓。其值比形變圍壓值增高。當(dāng)松動(dòng)圈塌落時(shí)形成的最大松動(dòng)圍巖壓力pimax可按下式計(jì)算：ρ-巖體密度；c-內(nèi)聚力；k1,k2–松動(dòng)壓力系數(shù)；⑵松動(dòng)圍壓設(shè)定：上覆巖體厚H>5b1（b1平衡拱半跨）時(shí)，在上覆巖體中由于塌落而形成自然平衡拱。則，作用于支護(hù)上的圍壓等于平衡拱與襯砌間的巖塊自重，與拱外巖體無關(guān)。巖體堅(jiān)固性系數(shù)fk--取決于巖體的c,φ值及巖石抗壓強(qiáng)度σc。拱高為：2、普氏理論（自然平衡拱)普氏理論計(jì)算示意圖普氏理論對(duì)松散巖體有一定的應(yīng)用價(jià)值，而對(duì)于堅(jiān)硬巖體則不適用或只能近似使用。作用于側(cè)壁的圍巖壓力為：按土壓力理論，A,B處側(cè)壓力為：側(cè)壁不穩(wěn)時(shí)，作用于洞頂上的圍巖壓力為：水電部推薦公式：鐵道部推薦公式：