巖石性質(zhì)與工程分級(jí)

井巷施工技術(shù)第一章巖石的性質(zhì)及其工程分級(jí)1膠州灣海底隧道

2010.4.28全線貫通,南接黃島區(qū)的薛家島，北連青島老市區(qū)團(tuán)島，下穿膠州灣灣口海域。工程全長(zhǎng)8800米，隧道全長(zhǎng)約7800米，跨海域部分約3950米，膠州灣隧道是繼廈門翔安海底隧道之后內(nèi)地第二條海底隧道，目前在海底隧道中長(zhǎng)度排名國(guó)內(nèi)第一、世界第三,預(yù)計(jì)于2011年4月通車。

23膠州灣海底隧道膠州灣隧道地處膠州灣灣口,隧址區(qū)平均水深30m,最大水深42m,覆蓋層平均厚30m。主隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),根據(jù)不同圍巖地段的結(jié)構(gòu)受力要求,考慮到海域段隧道地下水壓力大,海域段斷面采用三心圓拱形斷面,設(shè)置仰拱;陸域段采用三心圓拱形斷面,Ⅳ,Ⅴ級(jí)斷面設(shè)置仰拱,Ⅱ,Ⅲ級(jí)圍巖不設(shè)仰拱,結(jié)構(gòu)如圖4,圖5所示。4難點(diǎn)：基巖弱風(fēng)化多為中等透水性、少數(shù)弱透水性。海水對(duì)鋼筋砼有腐蝕性,由于隧道縱坡呈V形,滲漏水不能順自然坡流出洞外,對(duì)砼耐久性和隧道防、排水質(zhì)量要求較高。超淺埋,超大斷面隧道下穿建筑群，引起樓房基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。海底地壓比較大。施工方法：工程采用鉆爆法開(kāi)挖，噴錨構(gòu)筑法支護(hù)。Ⅱ，Ⅲ級(jí)圍巖段采用四臂鑿巖臺(tái)車下導(dǎo)洞超前減震全斷面爆破開(kāi)挖作業(yè)；Ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開(kāi)挖；Ⅴ級(jí)圍巖陸域段和擠壓型海底破碎帶采用自進(jìn)式管棚超前支護(hù)和超前預(yù)注漿加固堵水結(jié)合的方法，分步開(kāi)挖。5第一章巖石的性質(zhì)及工程分類井巷施工技術(shù)的最基本工作就是破巖與維護(hù)。因此，在這一章主要講述巖石的一些基本性質(zhì)，為破巖與維護(hù)的基礎(chǔ)知識(shí)；另外，圍巖的工程分級(jí)一直是工程設(shè)計(jì)的基本依據(jù)之一。本章的重點(diǎn)是圍巖分級(jí)。6第一節(jié)概述巖石：是由一種或多種礦物組成的。每種礦物都有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和固定的化學(xué)成份，因而各具有一定的物理性質(zhì)和形態(tài)。巖體＝巖塊（巖石材料）＋弱面（層理、節(jié)理、斷層）巖塊：從地殼巖層中切取出來(lái)的小塊體，通常是指巖石材料。巖體：指巖石工程周圍較大范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體。7表土：指覆蓋在地殼上部的第四紀(jì)沉積物如黃土、粘土、流砂、淤泥、礫石等。基巖：表土以下固結(jié)性巖石的統(tǒng)稱。煤系地層中最常遇到的是各種沉積巖，如砂巖，頁(yè)巖等。巖石材料的性質(zhì)對(duì)巖體性質(zhì)影響很小，而弱面控制著巖體的性質(zhì)。例如：巖體壓縮時(shí)，破壞是沿著已存在的弱面發(fā)生的；在拉伸時(shí)，由于弱面的存在，強(qiáng)度很小。巖塊（Rock）性質(zhì)：強(qiáng)度：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等；變形：彈性模量、泊松比；礦物：礦物成分、顆粒大小、結(jié)構(gòu)等；物理性質(zhì)：密度、水理性、孔隙性等。弱面(Discontinuities)性質(zhì)弱面包括層理、節(jié)理、斷層等。性質(zhì)包括：剪切強(qiáng)度、方位、距離、硬度、張開(kāi)度、充填性、風(fēng)化性、粗糙性等8第二節(jié)巖石物理性質(zhì)1、相對(duì)密度（比重）：取決于組成巖石的礦物的相對(duì)密度。

一、巖石的比重與密度

2、密度（容重）（kN/m3）。分為干密度和濕密度。

3、說(shuō)明：巖石由固體、空氣和水組成；干濕密度的區(qū)分對(duì)粘土類礦物意義重大。取決于礦物成分、孔隙度和含水量。與埋深也有關(guān)

巖石物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。9指巖石的裂隙和孔隙發(fā)育的程度，用孔隙度n和孔隙比e來(lái)表示。隨著孔隙度增大，一方面消弱了巖石的整體穩(wěn)定性，使其密度和強(qiáng)度降低，透水性增大；另一方面會(huì)增加風(fēng)化速度。進(jìn)一步降低力學(xué)強(qiáng)度和增大透水性。二、巖石的孔隙性101、吸水率三、巖石的水理性質(zhì)（吸水率、透水性、溶蝕性、軟化性、膨脹性和崩解性）巖石吸水率大小取決于巖石中的孔隙、裂隙數(shù)量和大小、開(kāi)裂程度及其分布情況，并且與試驗(yàn)條件有關(guān)。時(shí)間和尺寸均有影響。2、透水性：巖石能被水透過(guò)的性能。與地下水水頭、巖體應(yīng)力、孔隙度、孔隙大小及其連通程度有關(guān)。巖石樣品滲透性的確定對(duì)實(shí)際問(wèn)題的意義，例如：將水、油或氣泵入多孔的巖層中，或從其中抽出來(lái)；在多孔巖層中處理鹵水廢物；為了能量轉(zhuǎn)換而在地下洞穴中貯存液體；評(píng)價(jià)水庫(kù)的不透水性；排除深處洞室的海水，或預(yù)估流入隧洞的水量等。113、溶蝕性：由于水化學(xué)作用而把巖石中某些物質(zhì)帶走的現(xiàn)象。4、膨脹性和崩解性：前者是指巖石浸水后體積增大和壓力增大的性能；后者是指浸水后發(fā)生解體的現(xiàn)象。5、軟化性12四、巖石的碎脹性巖石名稱砂、礫巖砂質(zhì)粘土中硬巖石堅(jiān)硬巖石煤碎脹系數(shù)k1.05~1.21.2~1.251.3~1.51.5~2.5<1.2意義：采場(chǎng)管理、提升運(yùn)輸、充填效果、圍巖壓力等。13第三節(jié)巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)。分為變形和強(qiáng)度性質(zhì)。變形性質(zhì)體現(xiàn)對(duì)外力的尺寸效應(yīng)；強(qiáng)度性質(zhì)表現(xiàn)抵抗外力破壞的能力。研究力學(xué)主要研究巖石的變形、破壞和強(qiáng)度等性質(zhì)。

試驗(yàn)所需的試件應(yīng)該加工成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形，其高與直徑之比應(yīng)該介于2.0～3.0之間，試件的直徑最好不要超過(guò)50mm。試件的直徑應(yīng)該至少是巖石最大顆粒直徑的20倍。

141.巖石的單軸壓縮全應(yīng)力—應(yīng)變曲線裂隙閉合階段、線彈性階段、塑性階段、軟化階段擴(kuò)容；脆性和塑性巖石，6種應(yīng)力應(yīng)變曲線、目的是為了破巖。15

2.巖石在三軸壓縮條件下的力學(xué)性質(zhì)16

2.巖石在三軸壓縮條件下的力學(xué)性質(zhì)

首先，破壞前巖石的應(yīng)變隨圍壓增大而增加；另外，隨圍壓增大，巖石的塑性也不斷增大，且由脆性逐漸轉(zhuǎn)化為延性。圍壓增加時(shí)，試件承載力則隨圍壓穩(wěn)定增長(zhǎng)，出現(xiàn)所謂應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

圍壓是影響巖石力學(xué)屬性的主要因素之一。

從圖分析圍壓對(duì)巖石變形影響，得出如下結(jié)論：

①隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增加；②隨著圍壓的增大，巖石的變形顯著增大；③隨著圍壓的增大，巖石的彈性極限顯著增大；④隨著圍壓的增大，巖石的應(yīng)力一應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生明顯改變，巖石的性質(zhì)發(fā)生了變化：由彈脆性一彈塑性一應(yīng)變硬化。173.巖石的強(qiáng)度：巖石抵抗外力破壞的能力。單向抗壓強(qiáng)度單向抗拉強(qiáng)度剪切強(qiáng)度三軸壓縮4.巖石的硬度：巖石抵抗其它較硬物體侵入的能力。5.巖石的可鉆性與可爆性研究巖石的強(qiáng)度的意義

⑴巖石的強(qiáng)度是各種巖石分類（級(jí)）中的重要數(shù)量指標(biāo)。⑵作為強(qiáng)度(安全)準(zhǔn)則，判別所計(jì)算或測(cè)定的巖土工程是否穩(wěn)定.⑶在簡(jiǎn)單的工程條件下，可作為極限平衡條件（塑性條件），求解彈塑性問(wèn)題的塑性區(qū)范圍、彈性區(qū)和塑性區(qū)應(yīng)力與應(yīng)變。18第四節(jié)巖體工程分類（1）為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計(jì)、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)。（2）便于施工方法的總結(jié),交流,推廣。（3）便于行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革和管理。19（1）巖石強(qiáng)度：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度為巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。（2）結(jié)構(gòu)面：結(jié)構(gòu)面的研究應(yīng)包括組數(shù)、密度、產(chǎn)狀、延展性、結(jié)構(gòu)面內(nèi)物質(zhì)成分等。（3）水對(duì)巖體的影響：水對(duì)巖體穩(wěn)定性有著重要的影響。巖體遇水后可以發(fā)生泥化、崩解、碎裂，致使巖體膨脹并大大降低強(qiáng)度。（4）原巖應(yīng)力狀態(tài)：對(duì)巖體穩(wěn)定性影響最大的是最大主應(yīng)力。在缺乏地應(yīng)力資料時(shí)，可選用γH值。分類指標(biāo)：20普羅托奇亞可夫于1926年提出：共劃分為10級(jí)15種1.普氏系數(shù)分類法我國(guó)煤炭系統(tǒng)按巖石堅(jiān)固性將煤巖分類為：軟煤：f＝1～1.5硬煤：f＝2～3軟巖：f＝2～3中硬巖：f＝4～6硬巖：f＝8～10堅(jiān)硬巖石：f＝12～14最堅(jiān)硬巖石：f＝15～20

存在問(wèn)題：這一分類主要考慮的是巖石試件強(qiáng)度（單軸抗壓強(qiáng)度），圍巖應(yīng)力、巖體的完整性、巖體結(jié)構(gòu)特征等在分類中沒(méi)有表達(dá)出來(lái)，因此不能正確地評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性。

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2.巖芯質(zhì)量指標(biāo)美國(guó)伊利諾斯大學(xué)狄勒（Deere）在1964年形成該標(biāo)準(zhǔn)，但直到1967年才以出版的形式首次提出該概念。22RQD是一修正的巖芯取出率，僅考慮長(zhǎng)度大于100mm的完整巖芯。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100巖石質(zhì)量很差差一般好優(yōu)秀23掘巷后：（1）巷道周邊應(yīng)力集中；（2）圍巖強(qiáng)度降小(三向應(yīng)力狀態(tài)→兩向應(yīng)力狀態(tài)）（3）開(kāi)挖擾動(dòng)等圍巖應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度的關(guān)系發(fā)生變化（超過(guò)則破壞，等于為極限平衡，小于則穩(wěn)定）；

3.圍巖松動(dòng)圈分類法24圍巖類別分類名稱圍巖松動(dòng)圈/cm支護(hù)機(jī)理及方法備注小松動(dòng)圈I穩(wěn)定圍巖0～40噴混凝土支護(hù)圍巖整體性好，不易風(fēng)化的可不支護(hù)中松動(dòng)圈Ⅱ較穩(wěn)定圍巖40～100錨桿懸吊理論，噴層局部支護(hù)局部錨桿支護(hù)Ⅲ一般圍巖100～150錨桿懸吊理論，噴層局部支護(hù)剛性支護(hù)有局部破壞，采用可縮性支護(hù)大松動(dòng)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(hù)剛性支護(hù)大面積破壞，采用可縮性支護(hù)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(hù)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(hù)圍巖變形在一般支護(hù)下無(wú)穩(wěn)定期25圍巖松動(dòng)圈分類有三個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：（1）繞過(guò)了地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)測(cè)定等困難問(wèn)題，但又著重抓住了它們的影響結(jié)果，即松動(dòng)圈是一個(gè)綜合指標(biāo)；（2）松動(dòng)圈系實(shí)測(cè)所得，未在重要方面作任何假設(shè)；（3）松動(dòng)圈大小很容易用聲測(cè)法獲得，確定支護(hù)參數(shù)時(shí)直觀簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用十分方便。26煤巷圍巖塑性區(qū)分布274.按圍巖變形量分類陸士良教授根據(jù)圍巖變形量的大小和維護(hù)的難易程度，將回采巷道圍巖分為五類：巷道維護(hù)狀況圍巖平均變形速度，mm/d圍巖變形量，mm容易中等困難極難＜11~22~4＞4＜200200~500500~1000＞100028中國(guó)煤炭科學(xué)研究院建井所段振西教授提出以圍巖的變形量大小分類圍巖的理論及方法295.按施工需要分類1988年，煤炭工業(yè)部根據(jù)全國(guó)58條試驗(yàn)巷道