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1、第三节 s 隧道围岩分级及其应用隧道围岩分级是正确进行隧道设计与施工的基础。一个合理的、符合地下工程实际情况的围岩分级，对于改善地下结构设计、发展新的隧道施工工艺、降低工程造价、 多快好省地修建隧道有着十分重要的意义。近年来， 由于各种类型地下工程的大量修建，隧道围岩分级的研究也得到了很大的发展，出现了各种各样不同的围岩分类；但都是为一定的工程目的服务的。如提供选择施工方法的根据和开挖的难易程度，确定结构上的荷载或给出隧道临时支撑与衬砌结构的类型和参考尺寸等。人们对围岩及其自然规律的认识是不断深化的，因此，对围岩分类也有一个发展过程。在早期， 从国外情况来看， 如日本， 最初主要借用适合于土石
2、方工程的“国铁土石分类” 来进行隧道的设计与施工，主要是根据开挖岩（土）体的难易程度（强度）来划分的。前苏联在很长的时期内采用以岩石的坚固性来分类，采用一个综合注的指标f 值，称为岩石坚固性系数。理论上坚固性是岩体抵抗任何外力作用及其造成破坏的能力，不同于强度和硬度，而实际上只反映岩石抗压强度的性能，很少考虏岩体的构造特征。在英、美等国，主要沿用泰沙基（K，Terzaghi）提出的分级法，其中考虑到一些岩体的构造和岩性等影响，比较好地反映隧道围岩的稳定状况。目前美国也有用岩石质量指标（RQD）或隧道围岩在不支护条件下，暂时稳定的时间作为分级依据。我国五十年代初期，铁路隧道围岩分级，基本上是沿用
3、解放前的以岩石极限抗压强度与岩石天然容重为基础， 这种分级仅运用上石方工程的土石分级法，没有适合隧道围岩的专门分类，只是把隧道围岩分为坚石、次坚石、松石及土质四类。以后，借用苏联的岩石坚固系数进行分类，即通常所谓的普氏系数（ f 值） 。在长期大量的地下工程实践中发现：这种单纯以岩石坚固性（主要是强度）指标为基础的分类方法， 不能全面反映隧道围岩的实际状态。逐渐认识到： 隧道的破坏， 主要取决于围岩的稳定性，而影响围岩稳定性的因素是多方面的，其中隧道围岩结构特征和完整状态，是影响围岩稳定性的主要因素。隧道围岩体的强度，对隧道的稳定性有着重要的影响，地下水、风化程度也是隧道围岩丧失稳定性的重要原
4、因。从围岩的稳定性出发，1975 年编制了我国“铁路隧道围岩分类”，这个分类由稳定到不稳定共分六类，代替了多年沿用的从岩石坚固性系数来分级的方法。我国公路隧道围岩分级起步较晚，随着我国经济的发展，公路交通得到较大的发展，大量的公路隧道修建，需要有一个适合我国工期的公路隧道围岩分级，于1990 年，根据我国铁路隧道的围岩分级为基础，编制了我国“公路隧道围岩分级”。从国外围岩分级的发展趋势看，围岩分级主要以隧道稳定性分级为主，且从对岩石的分级逐渐演变到对岩体的分级；从按单参数分级转变到按多参数分级，并逐渐向多参数组成的综合指标法演变；从经验性很强的分级逐步过渡到半经验、半定量分级和定量化分级，并将
5、围岩分级与岩体力学的发展相联系，随着岩体力学的发展，这一趋势更为明显。在多参数综合分级法中，基本采用和差法或积商法。围岩分级方法是随着地质勘查方法的进步而快速发展的。围岩分级方法与隧道结构设计标准化、施工方法规范化的联系越来越密切。土质围岩分级方法逐步与岩质围岩分级方法分离，将会形成专门土质围岩分级方法。从国内围岩分级的发展趋势看，从1975 年以后，我国隧道围岩分级方法的发展基本与国际同步，主要以隧道稳定性进行分级，并在已颁布的国标和部标中体现了这一成果。此外，我国隧道围岩分级中更加重视施工阶段围岩级别的修正，即根据施工阶段获得的围岩分级信息对设计阶段的预分级进行修正。我国隧道围岩分级方法主
6、要采用两个步骤：第一步以基本指标进行基本分级；第二步用修正指标对基本级别进行修正，最终获得修正后的围岩级别。我国岩质围岩分级方法主要采用定量和定性相结合的办法； 土质围岩采用定性分级方法，分级指标采用描述性语言。我国隧道围岩分级主要分为六级，其中岩质围岩为 -级，土质围岩-级。但与国际上有重要影响的围岩分级方法比，分级级数偏少。除铁路隧道围岩分级方法与隧道结构设计标准化、施工方法规范化的联系较紧密外，其它国标和部标中，围岩分级方法与隧道结构设计标准化、施工方法规范化的联系还不够紧密。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
7、 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 一、隧道围岩分级的因素指标及其选择围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素，大体有以下几种：1单一的岩性指标一般有岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量等物理力学参数；岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。在一些特定的分级中，如确定钻眼功效、炸药消耗量等，土石方工程中划分岩石的软硬、开挖的难易，均可采用岩石的单一岩性指标进行分级。一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级指标，具有试验简单， 数据可靠的优点。但单一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，用来作为分级的唯一指标是不合
8、适的。如老黄土地层，在无水的条件下，强度虽然低，但稳定性却很高。2单一的综合岩性指标以单一的指标，反映岩体的综合因素。这些指标包括：（1）岩体的弹性波传播速度弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比，其指标反映了岩石的力学性质和岩体的软硬、破碎程度的综合因素。我国 1986 年施行的 “ 铁路隧道设计规范” 中将弹性波 (纵波 )速度引入隧道围岩分级中，将围岩分为6级(表 4-2)。表 4-2 弹性波 (纵波 )速度分级围岩类别弹性波速 (km/s) 4.5 3.54.5 2.54.0 1.53.0 1.02.0 1.0 (饱和土 1.5) （2）岩石质量指标（RQD）是综合反映岩体的强度和岩
9、体的破碎程度的指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率。 钻探时岩芯的采取率、岩芯的平均和最大长度是受岩体原始的裂隙、硬度、均质性的影响的，岩体质量的好坏主要取决于岩芯采取长度小于10cm 以下的细小岩块所占的比例。因此，岩芯采取率是以单位长度钻孔中10cm 以上的岩芯占有的比例来判断的。即RQD（） 10cm 以上岩芯累计长度 100 （4-8）单位钻孔长度岩石质量指标分级认为：RQD 90 为优质；75 RQD 90 为良好；50 RQD 75 为好；25 RQD 50 为差；RQD 25为很差。（3）围岩的自稳时间围岩自稳时间也被认为是综合岩性指标。隧道开挖后， 围岩
10、通常都有一段暂时稳定的时间，不同的地质环境，自稳时间是不同的，劳费（H.Lauffer ）认为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示：ts=常数 L(1) （4-9）式中： L隧道未支护地段的长度(m)；视围岩情况在01 之间变化，好的岩体可取 =0；极差的 =1。劳费（ H.Lauffer ）根据围岩的自稳时间和未支护地段的长度，将围岩分为：稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的七级。具体的取值标准可参考有关专着。单一综合岩性指标一般与地质勘察技术的水平有关，因此，其应用受到一定的限制。3.复合指标是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。
11、（1）Q 复合指标分级Q 复合指标分级是巴顿（N.Barton ）等人提出的岩体质量Q 指标， Q 综合表达了岩体质量的六个名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - 地质参数，见下式：Q（ RQD/Jh）(Jr/Ja) (Jw/SRF) （4-10）式中： RQD岩石质量指标，其取值方法见式（4-8） ；Jh节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大，可参考下列经验数值；没有或很少节理，Jh0.51.0；两个节理组时，Jh4；
12、破碎岩体时， Jh20。Jr节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小，可参考下列经验数值；不连续节理， Jr4；平整光滑节理，Jr0.5 等。Ja节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大，可参考下列经验数值；节理面紧密结合，节理中填充物坚硬不软化，Ja0.75；节理中填充物是膨胀性粘土，如蒙脱土，Ja812 等。Jw节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，Jw取值愈小，可参考下列经验数值；微量渗水，水压90Kv+30 时，应以 Rc=90Kv+30 代入 (4-12)式计算 BQ 值；当 Kv0.04Rc+0.4 时，应以 Kv=0.04Rc+0.4 代入 (4-12)式计算 BQ 值。在计算出B
13、Q 的值以后，可以根据表4-5 对岩体基本质量进行分级。表 4-5 岩体基本质量分级基本质量级别岩体基本质量的定性特征坚硬岩 , 岩体完整坚硬岩 ,岩体较完整;较坚硬岩 ,岩体完整坚硬岩 ,岩体较破碎 ;较软岩 ,岩体完整坚硬岩 ,岩体破碎 ;较坚硬岩 ,岩体较破碎破碎较软岩 ,岩体破碎 ;软岩 ,岩体较破碎破碎基本质量指标 BQ 550 451351 550451 350251 1.0 好或一般节理、裂隙、层面为原生型或构造型密闭整体状或巨厚层结构较完整12 1.0 差节理、裂隙、层面呈X 形，较规则，以构造型为主，多数为密闭部分微张，少有充填物块状或厚层状结构23 1.00.4 好或一般块
14、状结构较破碎23 1.00.4 差节理、裂隙、层面、小断层不规则，呈 X 形或米字形；以构造型或风化型为主，大部分张开，部分有充填物裂隙块状或中厚层结构3 0.40.2 好镶嵌碎裂结构一般中、薄层状结构破碎3 0.40.2 差各种类型结构面以风化型和构造型为主，微张或张开，均有充填物裂隙块状结构0.2 一般或差破碎状结构极破碎无序很差散体状结构表 4-7 围岩受地质构造影响程度等级划分等级地质构造作用特征轻微围岩地质构造变动小，无断裂(层)；层状岩一般呈单斜构造；节理不发育较重围岩地质构造变动较大，位于断裂(层)或褶曲轴的邻近地段，可有小断层，节理较发育严重围岩地质构造变动强烈，位于褶曲轴部或
15、断裂影响带内；软岩多见扭曲及拖拉现象；节理发育很严重位于断裂破碎带内，节理很发育；岩体破碎呈碎石、角砾状，有的甚至呈粉末、土状(2)岩石强度将岩浆岩、 沉积岩、 变质岩按岩性、 物理力学参数、耐风化能力和作为建筑材料的要求划分为硬质岩石及软质岩石二级，依饱和抗压极限强度Rc与工程的关系分为四种，其标准及代表性岩石见表4-8；当风化作用使岩石成分改变、强度降低时，应按风化后之强度确定岩石等级。表 4-8 岩石等级划分岩石等级饱和抗压极限强度Rc(MPa) 耐风化能力代表性岩石程度现象硬质岩石坚硬岩60 强暴露后 1、2 年尚不易风化1花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩类2硅质、铁质胶结的砾岩及砂岩、
16、石灰岩、白云岩等沉积岩类3片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩类较坚硬岩6030 软较软岩3015 弱暴露后数日至1凝灰岩等喷出岩类名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 质岩石软岩155 数月即出现风化壳2 泥砾岩、 泥质砂岩、 泥质页岩、 灰质页岩、泥灰岩、泥岩、劣煤等沉积岩类3云母片岩和干枚岩等变质岩类极软岩5 (3)围岩基本质量指标BQ 根据上述岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性、定量特征，根据
17、式（4-12）确定围岩基本质量指标BQ，并由此对围岩进行初步分级。其中，岩体完整程度的定量指标用岩体完整系数Kv表达。 Kv一般用弹性波探测之，如无探测值时，可用岩体体积节理数Jv按表 4-9 确定对应的Kv。此外，Kv与定性划分岩体完整程度的对应关系可按表4-10 确定。表 4-9 Jv与 Kv对照表Jv（条 /m3）3 310 1020 2035 35 Kv0.75 0.750.55 0.550.35 0.350.15 0.15 表 4-10 Kv与定性划分岩体完整程度的对应关系Kv0.75 0.750.55 0.550.35 0.350.15 550 II 坚硬岩 (Rb30MPa)，岩
18、体较完整，块状或厚层状结构较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构550451 III 坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎(石)状镶嵌结构较坚硬岩或较软硬质岩，岩体较完整，块状体或中厚层状结构450351 IV 坚硬岩，岩体破碎，碎裂(石)结构较坚硬岩，岩体较破碎破碎，镶嵌碎裂结构较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整较破碎，中薄层状结构350251 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 土体：1压密或成岩作用的粘性土及
19、砂性土2黄土 (Q1，Q2)3一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土V 较软岩，岩体破碎软岩，岩体较破碎破碎极破碎各类岩体，碎、裂状、松散结构250 一般第四系的半干硬硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土、圆砾、角砾土及黄土 (Q3、Q4)。非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构VI 软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等公路隧道围岩分级表中“级别”和“围岩主要定性特征”栏，不包括特殊地质条件的围岩，如膨胀性围岩、多年冻土等。层状岩层的层厚划分为：厚层：大于0.5m；中层： 0.10.5m；薄层：小于0.1m。4.隧道施工围岩分级围岩分级的重要发展趋势是加强施工阶段围岩级别的判定。
20、因为，只有施工阶段的判定才是最直接、最可靠的判定， 由于施工后的隧道地质状态已充分暴露，这给围岩级别的判定创造了极好的条件，因此，施工阶段围岩级别的判定是一个重要而现实的问题。施工阶段围岩分级的评定因素采用围岩坚硬程度、围岩完整性程度、和地下水状态三项因素，细分为十三个子因素，见图4-8。图 4-8 施工阶段围岩分级的评定因素在三个因素中， 最困难的是围岩完整性程度的评定，因此研究的重点是如何根据掌子面的地质数据评价围岩的完整程度。由于隧道开挖，掌子面的地质状态暴露无遗，为评定掌子面的稳定，提供了充分的基础。 根据对国内外施工阶段围岩分级的调查，应采用多种方法对围岩完整程度进行分级，采用定性和
21、定量相结合的方法，如可采用图4-9 的指标，对围岩完整程度进行划分。指标可参考有关专着。施工阶段围岩分级因素围岩坚硬程度围岩完整程度地下水状态极硬岩硬岩软岩极软岩土砂完整较完整较破碎破碎极破碎偶有涌水经常涌水干燥或潮湿名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - 图 4-9 施工阶段围岩分级完整程度的分级指标四、我国铁路隧道围岩分级2005 年颁布实施的最新铁路隧道设计规范（TB10003-2005 ）的围岩分级方法是在19
22、75 年铁路隧道围岩稳定性分类法以及85 年版、 2001 年版规范基础上提出的，并与国标工程岩体分级标准（GB50218-94 ）接轨，考虑了岩石的坚硬程度和岩体的完整性，结合了地下水和地应力状态的修正因素。从过去的围岩分类改称围岩分级，分为 I VI 级，围岩稳定性由好到差，与公路隧道围岩分级类似。铁路隧道围岩级别可按表4-15 综合确定。表 4-15 铁路隧道围岩分级围岩级别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态（单线）围岩弹性纵波速度vp(km/s) 主要工程地质条件结构特征和完整状态I 极硬岩 (饱和抗压极限强度Rc60MPa)：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面(或夹层 )
23、；层状岩层为巨厚层或厚层，层间结合良好，岩体完整呈巨块状整体结构围岩稳定、无坍塌，可能产生岩爆4.5 II 硬质岩 (Rc30MPa)：受地质构造影响较重， 节理较发育， 有少量软弱面(或夹层 )和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动，层状岩层为中层或厚层， 层间结合一般， 很少有分离现象， 或为硬质岩石偶夹软质岩石呈大块状砌体结构暴露时间长，可能会出现局部小坍塌；侧壁稳定；层间结合差的平缓岩层，顶板易塌落3.54.5 III 硬质岩 (Rc30MPa)：受地质构造影响严重， 节理发育， 有层伏软弱面(或夹层 )，但其产状及组合关系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差， 多
24、有分离现象； 硬、软质岩石互层呈块(石)碎(石)状镶嵌结构拱部无支护时可产中小坍塌，侧壁基本稳定，爆破振动过大易塌2.54.0 完整性地质构造影响程度地质构造面间距延展性粗糙性张开性其他风化程度名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - 软质岩石 (Rc530MPa)：受地质构造影响严重， 节理较发育； 层状岩层为薄层、 中层或厚层， 层间结合一般呈大块状砌体结构IV 硬质岩石 (Rc30MPa)：受地质构造影响极严重，
25、 节理很发育， 层状软弱面(或夹层 )巳基本被破坏呈碎石状压碎结构拱部无支护时，可产生较大的坍塌；侧壁有时失去稳定1.53.0 软质岩石 (Rc530MPa)：受地质构造影响严重，节理发育呈块(石)碎(石)状镶嵌结构土体：（1）略具压密或成岩作用的粘性土及砂性土（2）黄土 (Q1，Q2) （3）一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土（1）和（ 2）呈大块状压密结构（3） 呈巨块状整体结构V 岩体：软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）呈角砾碎石状松散结构围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌；浅埋时易出现地表下沉 (陷)或坍至地表1.02.0
26、 土体：一般第四系坚硬、 硬塑黏性土，稍密及以上、 稍湿或潮湿的碎石土、卵石土、 圆砾土、 角砾土及黄土(Q3、Q4) 非黏性土呈松散结构，黏性土及黄土呈松软结构VI 岩体：受构造影响严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带呈松软结构围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一齐涌出；浅埋时易坍至地表1.0 (饱和土1.5) 土体： 软塑状粘性土、 饱和的粉土、潮湿的砂类土等粘性土呈易蠕动的松软结构，砂性土呈潮湿松散结构有关围岩分级，国内外还有其他分级方法，这里不一一介绍，具体可参照相应规范。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -