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1、隧道工程力学原理第二章 围岩分级及围岩压力第一节 围岩的工程性质 一、围岩、岩石和岩体的概念 隧隧道道围围岩岩：是是指指地地壳壳中中受受隧隧道道开开挖挖影影响响的的那那一一部部分分岩岩体体，或或是是指指对对隧隧道道稳稳定定性性有有影影响响的的那那一一部分岩体。部分岩体。从从力力学学分分析析的的角角度度来来看看，围围岩岩的的边边界界应应划划在在因因开开挖挖隧隧道道而而引引起起的的应应力力变变化化可可以以忽忽略略不不计计的的地地方方，或或者者说说在在围围岩岩的的边边界界上上因因开开挖挖隧隧道道而而产产生生的的位位移移应应该该为为零零，这这个个范范围围在在横横断断面面上上约约为为6 61010倍倍的
2、洞径。的洞径。围围岩岩的的工工程程性性质质，一一般般包包括括三三个个方方面面：物物理理性性质质、水水理理性性质质和和力力学学性性质质。而而对对围围岩岩稳稳定定性性最最有有影影响响的的则则是是力力学学性性质质，即即围围岩岩抵抵抗抗变变形形和和破破坏坏的性能。围岩既可以是岩体，也可以是土体。的性能。围岩既可以是岩体，也可以是土体。岩岩体体被被许许许许多多多多不不同同方方向向、不不同同规规模模的的断断层层面面、层层理理面面、节节理理面面和和裂裂隙隙面面等等各各种种地地质质界界面面切切割割为为大大小不等、形状各异的各种块体（称结构体）。小不等、形状各异的各种块体（称结构体）。从从岩岩体体构构造造力力学
3、学特特性性上上看看，大大体体上上可可分分为为无无裂裂隙隙岩岩体体和和裂裂隙隙岩岩体体两两大大类类。地地下下工工程程在在多多数数情情况况下是修筑在裂隙岩体中的。下是修筑在裂隙岩体中的。岩岩体体是是由由结结构构面面和和结结构构体体组组合合而而成成的的具具有有结结构构特特征征的的地地质质体体。岩岩体体的的力力学学性性质质主主要要取取决决于于岩岩体体的的结结构构特特征征、结结构构体体岩岩石石的的特特性性以以及及结结构构面面的的特特性性。环环境境因因素素尤尤其其是是地地下下水水和和地地温温对对岩岩体体的的力力学学性性质质影影响也很大。响也很大。结结构构面面把把岩岩体体分分割割成成各各种种类类型型和和尺尺
4、寸寸的的岩岩块块，因因此此，岩岩体体也也可可以以说说是是各各种种类类型型和和尺尺寸寸的的岩岩块块的的集集合合体体。它它们们在在初初始始应应力力场场下下，彼彼此此联联锁锁在在一一起起而而处处于平衡状态。因此，岩体是由下述几部分构成的：于平衡状态。因此，岩体是由下述几部分构成的：a)a)不同尺寸和类型的岩块；不同尺寸和类型的岩块；b)b)结构面；结构面；c)c)岩块间的充填物。岩块间的充填物。在在各各种种类类型型的的结结构构面面中中，结结构构弱弱面面对对岩岩体体稳稳定性影响很大。定性影响很大。有有些些虽虽然然是是结结构构面面，但但不不一一定定是是软软弱弱面面，如如硅硅质质、钙钙质质胶胶结结的的节节
5、理理面面、岩岩脉脉接接触触面面等等，它它们们的的强强度度很很大大。因因此此，软软弱弱面面基基本本上上是是指指那那些些断断层层、剪剪切切带带、破破碎碎带带、泥泥质质充充填填的的节节理理、软软弱弱夹夹层层等等控控制制岩岩体强度的结构面，其强度较岩石强度低。体强度的结构面，其强度较岩石强度低。岩岩体体的的天天然然不不均均质质性性及及各各向向异异性性也也是是它它的的显显著著特征。特征。岩岩体体与与岩岩石石相相比比，两两者者有有着着很很大大的的区区别别。和和工工程程问问题题的的尺尺度度相相比比，岩岩石石几几乎乎可可以以被被认认为为是是均均质质、连连续续和和各各向向同同性性的的介介质质，而而岩岩体体则则具
6、具有有明明显显的的非非均均质质性性、不不连连续续性性和和各各向向异异性性。关关于于岩岩体体的的力力学学性性质质，包包括括变变形形破破坏坏特特性性和和强强度度，一一般般都都需需要要在在现现场场进进行行原位试验才能获得较为真实的结果。原位试验才能获得较为真实的结果。岩岩体体和和岩岩石石的的变变形形、破破坏坏机机理理是是很很不不相相同同的的，前前者者主主要要受受宏宏观观的的结结构构面面所所控控制制，而而后后者者则则受受岩岩石石的的微微裂裂隙隙所所制制约约。因因而而岩岩体体的的强强度度要要比比岩岩石石的的强强度度低得多，并具有明显的各向异性。低得多，并具有明显的各向异性。一一般般情情况况下下，岩岩体体
7、的的抗抗压压强强度度只只有有岩岩石石抗抗压压强强度的度的70708080，结构面发育的岩体，仅有，结构面发育的岩体，仅有5 51010。目前通常采用下式经验地初步估计岩体的强度：目前通常采用下式经验地初步估计岩体的强度：式中式中 岩体强度；岩体强度；岩石强度；岩石强度；岩石强度降低系数岩石强度降低系数 估估计计岩岩体体强强度度的的关关键键是是如如何何确确定定岩岩石石强强度度降降低低系系数数值值。目目前前有有多多种种方方法法进进行行判判定定。如如前前苏苏联联建建议议的值，列于下表，供参考。的值，列于下表，供参考。岩体强度降低系数岩体强度降低系数 值值岩体状态岩体状态层厚大于层厚大于1.0m1.0
8、m，有一组裂隙，间距，有一组裂隙，间距1.5m1.5m0.90.9层厚大于层厚大于0.5-1.0m0.5-1.0m，不超过，不超过2 2组裂隙，间距组裂隙，间距1-1.5m1-1.5m0.70.7层厚大于层厚大于0.5-1.0m0.5-1.0m，有，有3 3、4 4组裂隙，间距组裂隙，间距0.5-1.0m0.5-1.0m 0.50.5层厚小于层厚小于0.5m0.5m，裂隙小于，裂隙小于6 6组，间距小于组，间距小于0.5m0.5m0.30.3层厚小于层厚小于0.3m0.3m，裂隙小于，裂隙小于6 6组，间距小于组，间距小于0.3m0.3m0.1-0.20.1-0.2 二、岩体结构分类及其破坏特
9、征二、岩体结构分类及其破坏特征 根根据据不不同同岩岩体体对对岩岩体体力力学学性性质质和和围围岩岩稳稳定定性性的的影影响响(称称为为岩岩体体的的结结构构效效应应)，工工程程地地质质学学中中把把岩岩体体划分为四大种结构类型：划分为四大种结构类型：.整体结构、块状结构整体结构、块状结构 .层状结构、板状结构层状结构、板状结构 .碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构 .散体结构散体结构 整整体体结结构构岩岩体体的的变变形形主主要要是是结结构构体体的的变变形形，其其重重要要特特征征是是横横向向应应变变与与纵纵向向应应变变之之比比小小于于0.50.5，破破坏坏前前的的变变形形是
10、是连连续续的的，在在低低围围压压作作用用下下多多为为脆脆性性破破裂，高围压时为塑性剪切破坏。裂，高围压时为塑性剪切破坏。块块状状和和层层状状结结构构岩岩体体的的变变形形主主要要是是结结构构面面的的变变形形，故故其其变变形形特特性性一一般般不不用用变变形形模模量量，而而常常用用刚刚度度系系数数来来表表示示。岩岩体体的的破破坏坏则则是是沿沿软软弱弱结结构构面面滑滑动动，应力传播具有明显的不连续性。应力传播具有明显的不连续性。碎碎裂裂和和散散体体结结构构岩岩体体的的变变形形，开开始始是是将将裂裂隙隙或或孔孔隙隙压压密密，随随后后是是结结构构体体变变形形，并并伴伴随随有有结结构构面面张张开开。破破坏坏
11、形形式式主主要要为为剪剪切切破破裂裂和和塑塑性性变变形形。应应力力传传播播与与岩岩体体结结构构特特征征关关系系十十分分密密切切，并并具具有有不不连连续续性，随着围压的提高很快就转化为连续的。性，随着围压的提高很快就转化为连续的。三、隧道围岩失稳破坏性态三、隧道围岩失稳破坏性态 隧道围岩失稳破坏大致有以下五种情况：隧道围岩失稳破坏大致有以下五种情况：1 1脆性破裂脆性破裂 整体状和块状结构岩体，仅产生局部掉块或岩爆整体状和块状结构岩体，仅产生局部掉块或岩爆 2 2块状运动块状运动 块块状状或或层层状状岩岩体体，向向临临空空面面运运动动，逐逐渐渐形形成成块块体体塌塌落落、滑滑动动、转转动动、倾倾倒
12、倒以以及及块块体体挤挤出出等等失失稳稳破破坏坏性性态态。在在支支护护结结构构和和围围岩岩之之间间如如有有较较大大空空隙隙而而又又未未回回填填密密实实或或根根本本没没有有回回填填，块块体体运运动动可可能能对对支支护护结构产生冲击荷载，而使之破坏。结构产生冲击荷载，而使之破坏。3 3弯曲折断破坏弯曲折断破坏 层层状状岩岩体体尤尤其其是是有有软软弱弱夹夹层层的的互互层层岩岩体体，由由于于层层间间结结合合力力差差，易易于于错错动动，所所以以抗抗弯弯能能力力较较低低。洞洞顶顶岩岩体体受受重重力力作作用用易易产产生生下下沉沉弯弯曲曲，进进而而张张裂裂、折折断断形形成成塌塌落落体体。边边墙墙岩岩体体在在侧侧
13、向向水水平平力力作作用用下下弯弯曲曲变变形形而而鼓鼓出出，也也将将对对支支护护结结构构产产生生压压力力，严严重重时时可可使支护结构折断而塌落。使支护结构折断而塌落。4 4松动解脱松动解脱 碎碎裂裂结结构构岩岩体体基基本本上上是是由由碎碎块块组组合合而而成成的的，在在张张拉拉力力、单单轴轴压压力力、振振动动力力作作用用下下容容易易松松动动，溃溃散散(解解脱脱)而而成成碎碎块块脱脱落落。一一段段在在洞洞顶顶表表现现为为崩崩塌塌，在边墙则为滑塌、坍塌。在边墙则为滑塌、坍塌。5 5塑性变形和剪切破坏塑性变形和剪切破坏 散散体体结结构构岩岩体体或或碎碎裂裂结结构构岩岩体体，表表现现为为坍坍方方、边边墙墙
14、挤挤入入、底底鼓鼓以以及及洞洞径径缩缩小小等等等等，而而且且变变形形的的时时间效应比较明显。间效应比较明显。第二节 隧道围岩分级方法 判判断断隧隧道道围围岩岩的的稳稳定定性性，并并针针对对围围岩岩稳稳定定的的程程度度制制定定相相应应的的工工程程措措施施最最佳佳的的施施工工方方法法和和支支护护结结构构，乃乃是是研研究究隧隧道道地地质质环环境境需需要要解解决决的的两两个个基基本本问题。问题。由由于于隧隧道道工工程程所所处处地地质质环环境境十十分分复复杂杂，人人们们对对它它的的认认识识远远没没有有达达到到完完善善的的地地步步，所所以以，至至今今在在隧隧道道工工程程中中经经验验方方法法（经经验验设设计
15、计、经经验验施施工工）仍仍然然占占有有一一定定的的地地位位，即即根根据据以以往往的的工工程程经经验验对对设设计计和和施施工作出决策，决策依据就是隧道围岩稳定性分级。工作出决策，决策依据就是隧道围岩稳定性分级。隧隧道道围围岩岩分分级级的的目目的的是是：作作为为选选择择施施工工方方法法的的依依据据；进进行行科科学学管管理理及及正正确确评评价价经经济济效效益益；确确定定结结构构上上的的荷荷载载；确确定定支支护护结结构构的的类类型型和和尺尺寸寸；制制定定劳动定额、材料消耗标准的基础等。劳动定额、材料消耗标准的基础等。隧隧道道围围岩岩分分级级是是为为了了解解决决坑坑道道支支护护这这个个目目的的而而建建立
16、立起起来来的的，即即坑坑道道开开挖挖后后是是否否需需要要支支护护、采采用用什什么么类类型型的的支支护护结结构构、如如何何支支护护等等。而而坑坑道道支支护护与与坑坑道道开开挖挖后后的的稳稳定定性性有有直直接接的的关关系系。因因此此，隧隧道道围围岩岩分级的基础条件是坑道开挖后的稳定性。分级的基础条件是坑道开挖后的稳定性。根根据据坑坑道道开开挖挖实实践践，坑坑道道开开挖挖后后的的稳稳定定性性大大体体上可分为以下几类：上可分为以下几类：1)1)充充分分稳稳定定的的。坑坑道道在在长长时时间间内内有有足足够够的的自自稳稳能能力力，无无需需任任何何人人为为支支护护而而能能维维持持稳稳定定，无无坍坍塌塌、偶尔
17、有掉块。偶尔有掉块。2)2)基基本本稳稳定定的的。坑坑道道会会因因爆爆破破、岩岩块块结结合合松松弛弛等等而而产产生生局局部部掉掉块块，但但不不会会引引起起坑坑道道的的坍坍塌塌，坑坑道道是是稳稳定定的的，层层间间结结合合差差的的平平缓缓岩岩层层顶顶板板可可能能弯弯曲曲、断裂。此时应采取局部支护或轻型的支护。断裂。此时应采取局部支护或轻型的支护。3)3)暂暂时时稳稳定定的的。大大多多数数坑坑道道是是属属于于这这个个类类型型的的。坑坑道道开开挖挖后后呈呈现现出出不不同同程程度度的的坍坍塌塌现现象象，坍坍塌塌后后的的坑坑道道呈呈拱拱形形而而处处于于暂暂时时稳稳定定状状态态。在在外外界界（如如爆爆破破、
18、重重新新更更换换支支撑撑等等）和和内内部部（如如地地下下水水等等）条条件件的的影影响响下下，坑坑道道如如不不及及时时支支护护，会会进进一一步步丧丧失失稳稳定定。因因此，在这种围岩中，必须采取各种类型的支护措施。此，在这种围岩中，必须采取各种类型的支护措施。4)4)不不稳稳定定的的。坑坑道道在在不不支支护护条条件件下下是是难难以以开开挖挖的的，随随挖挖随随坍坍，常常常常要要先先支支后后挖挖，坑坑道道的的坍坍塌塌发发生生迅迅速速、影影响响范范围围大大，有有时时可可坍坍塌塌到到地地表表，或或在在地地面面形形成成塌塌盆盆地地。在在有有水水的的情情况况下下，土土体体流流动动造造成成极极大大的的荷荷载载。
19、在在这这种种情情况况下下，需需要要采采取取专专门门的的支支护护措措施施和施工方法来保和施工方法来保证证坑道的坑道的稳稳定。定。由由此此可可见见，坑坑道道围围岩岩稳稳定定性性的的不不同同，采采取取的的施施工工方方法法和和支支护护措措施施也也是是不不同同的的。因因此此，按按坑坑道道围围岩岩稳稳定定性性大大致致相相同同的的围围岩岩工工程程地地质质条条件件并并结结合合工工程程实实践进行围岩分级是有可能的，也是有根据的。践进行围岩分级是有可能的，也是有根据的。目目前前国国内内外外隧隧道道围围岩岩分分类类的的方方法法大大体体上上有有以以下几种下几种类类型：型：一、以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法
20、 具具有有代代表表性性的的是是前前苏苏联联普普落落托托奇奇雅雅柯柯诺诺夫夫(M.Jipoctonbn M.Jipoctonbn Monos)Monos)教教授授提提出出的的“岩岩石石坚坚固固系系数数”分分级级法法(或称或称“f f”值值分分级级法，或普氏分法，或普氏分级级法法)。岩岩石石的的坚坚固固系系数数值值表表示示岩岩石石在在开开挖挖时时的的相相对对坚坚固固性性，如如人人工工破破碎碎岩岩石石时时的的抗抗破破碎碎性性、机机械械钻钻眼眼时时的的抗抗钻钻性性、对对炸炸药药的的抗抗爆爆性性、开开挖挖坑坑道道时时围围岩岩作作用用在支护结构上的压力值等等。在支护结构上的压力值等等。确确定定f f值值的
21、的主主要要方方法法：f f岩岩石石=R/100R/100（R R为为岩岩石石单单轴轴抗抗压压强强度度）。）。考虑到岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的值适当降低，即取取 岩体的岩体的坚坚固系数固系数f f岩体岩体=K Kf f岩石岩石 K K是是考考虑虑地地质质条条件件的的折折减减系系数数，一一般般情情况况下下，K K1.01.0。然后按照然后按照f f岩体岩体进行分级。进行分级。f f岩体岩体围岩地质特征岩层名称重度 15坚硬、密实、稳固、无裂隙和未风化的岩层很坚硬的花岗岩和石英岩，最坚硬的砂岩和石灰岩2630-8坚硬、密实、稳固，岩层有很小裂缝坚硬
22、的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚硬的花岗岩25806相当坚硬的、较密实的、稍有风化的岩层普通砂岩、铁矿2425755较坚硬的、较密实的、稍有风化的岩层砂质片岩、片状砂岩2425734较坚硬的、岩层可能沿层面或节理脱落的岩层，已受风化的岩层坚硬的粘土岩、不坚硬的石灰岩、砂岩、砾岩2528703中等坚硬的岩层不坚硬的片岩，密实的泥灰岩，坚硬胶结的粘土25702较软岩石软片岩、软石灰岩、冻结土、普通泥灰岩、破碎砂岩、胶结的卵石24651.5较软或破碎的地层碎石土壤、破碎片石、硬化粘土、硬煤、粘结的卵石和碎石1820601.0较软或破碎的地层密实粘土、坚硬的冲积土、粘土质土壤、掺砂土、普通
23、煤18450.6颗粒状的和松软的地层湿沙、粘砂土、种植土、泥灰、软砂粘土151630二、以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法 具有代表性的是泰沙基分具有代表性的是泰沙基分级级法。法。泰泰沙沙基基分分级级法法，以以坑坑道道支支护护所所需需的的地地压压值值为为对对象象的的，把把不不同同岩岩性性、不不同同构构造造条条件件的的围围岩岩分分为为9 9级级，每每级级围围岩岩都都有有一一个个相相应应的的地地压压范范围围值值和和支支护护措措施施建建议议。在在分分级级时时是是以以坑坑道道有有水水为为基基础础的的，当当确确认认无无水水时，时，4 47 7级围岩所对应的地压值应降低级围岩所对应的地压值应降低50%5
24、0%。三、与地质勘探手段相联系的分级方法 用用弹弹性波性波在岩体中传播的在岩体中传播的速度速度进进行行围围岩分岩分级级 围围岩岩弹弹性性波波速速度度是是判判断断岩岩性性、岩岩体体结结构构的的综综合合指指标标，它它既既可可以以反反映映岩岩石石软软硬硬，又又可可以以表表达达岩岩体体结结构构的的破破碎碎程程度度。因因此此，在在弹弹性性波波速速度度基基础础上上，综综合合考考虑虑与与隧隧道道开开挖挖及及土土压压有有关关的的因因素素(岩岩性性、风风化化程程度度、破破碎碎状状态态、含含水水及及涌涌水水状状态态等等)，日日本本将将围围岩岩分分为为7 7级级。该该方方法法仍仍然然是是半半定定量量的的，但但是是综
25、综合合的的。它它把把岩岩体体的的很很多多错错综综复复杂杂的的因因素素，统统统统用用一一个个指指标标表表达达，难难免免给给判判断断带带来来一一定定的的“主主观观性性”。例例如如弹弹性性波波速速度度低低，就就可可能能有有几几种种情情况况：(1)(1)岩岩体体完完整整，但但岩岩质质松松软软；(2)(2)岩岩质质坚坚硬硬，但但岩岩体体破破碎碎；(3)(3)出出现现于于地地形形上上局局部部高高低低差差显显著著的的谷谷部部等等。因因而而在在判判断断上上还还要要借借助于其他条件，如地质测绘、岩性等手段或资料。助于其他条件，如地质测绘、岩性等手段或资料。用用钻钻探探时时的的岩岩心心复复原原率率(或或称称岩岩芯
26、芯采采取取率率)进进行行分分级级 美美国国伊伊利利诺诺斯斯大大学学狄狄丽丽等等人人提提出出的的采采用用 “岩岩石石质质量量指指标标”(RQD)(RQD)就就是是一一例例。狄狄丽丽指指出出，岩岩心心的的采采取取状状态态(采采用用率率)、岩岩心心的的平平均均长长度度、最最大大长长度度等等受受到到原原始始裂裂隙隙、硬硬度度、均均质质性性等等状状态态所所支支配配。因因此此，岩岩心心采采取取率率是是可可以以表表达达岩岩体体质质量量的的。同同时时指指出出，岩岩体体质质量量好好坏坏主主要要决决定定于于小小于于10cm10cm以以下下的的细细小小岩岩块块状态。状态。岩岩心心复复原原率率是是以以单单位位长长度度
27、钻钻孔孔中中1010cmcm以以上上的的岩岩心占有比例来判断的，即：心占有比例来判断的，即：该该分分级级法法将将围围岩岩分分为为5 5级级：RQDRQD9090即即为为优优质质的的；7575RQDRQD9090为为良良好好的的；5050RQDRQD7575为为好好的的；2525RQDRQD5050为为差差的的；RQDRQD2525为为很很差差的的。分分级级也也给给出出相相应应的的地地压压值值及及可可采采取取的的支支护护系系统统。同同时时指指出出，在在采采用用掘掘进进机机掘掘进进时时地地压压值值可适当降低可适当降低(约约减小减小2020)。四、以多种因素进行组合的分级方法 比比 较较 完完 善善
28、 的的 是是 19741974年年 挪挪 威威 地地 质质 学学 家家 巴巴 顿顿(N.Barton)N.Barton)等等人人所所提提出出的的“岩岩体体质质量量 Q Q”分分级级法法。Q Q与与六六个个表表明明岩岩体体质质量量的的地地质质参参数数有有关关。根根据据不不同同的的Q Q值值，将岩体，将岩体质质量量评为评为九等九等。岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q4001000100400401001040410140.110.010.10.0010.01 五、以工程对象为代表的分级法 分分类类指指标标以定性描述以定性描述为为主主。这这类类分分级级法法如如专专门门适适用用于于喷喷锚锚
29、支支护护的的原原国国家家建建委委颁颁布布的的围围岩岩分分级级法法(1979(1979年年)、苏苏联联在在巴巴库库修修建建地地下下铁铁道道时时所所采采用用的的围围岩岩分分级级法法(1966(1966年年)等等，优优点点是是目目的的明明确确，而而且且和和支支护护尺尺寸寸直直接接挂挂钩钩，因因此此，使使用用方方便便，对对指指导导施施工工很很起起作作用用。但但分分类类指指标标以以定定性性描描述为主，带有很大的人为因素。述为主，带有很大的人为因素。由由上上述述可可知知，隧隧道道围围岩岩分分级级方方法法有有简简有有繁繁，并并无无统统一一格格式式。目目前前，国国内内外外许许多多学学者者都都认认为为，隧隧道道
30、围围岩岩分分级级的的详详细细程程度度，在在工工程程建建设设的的不不同同阶阶段段可可以以有所不同。有所不同。在在工工程程规规划划和和初初步步设设计计阶阶段段的的围围岩岩分分级级，可可以以定定性性评评价价为为主主，判判别别的的依依据据主主要要来来源源于于地地表表的的地地质质测绘以及部分的勘探工作。测绘以及部分的勘探工作。在在工工程程的的技技术术设设计计和和施施工工设设计计阶阶段段，围围岩岩分分级级是是为为专专门门目目的的服服务务的的，如如为为支支护护结结构构设设计计服服务务的的围围岩岩分分级级，为为钻钻爆爆工工作作服服务务的的围围岩岩分分类类等等。围围岩岩类类别别除除了了取取决决于于地地质质条条件
31、件外外，还还应应和和工工程程尺尺度度、形形状状、施施工工工工艺艺技技术术等等条条件件有有关关。其其判判别别依依据据除除了了地地质质测测绘绘资资料料外外，更更重重要要的的是是详详细细勘勘探探(包包括括钻钻探探、坑坑探探、物物探探等等)资资料料和和岩岩石石(体体)的的室室内内和和现现场场试试验验数数据据。这这一阶段的分类指标应该是半定量的或定量的。一阶段的分类指标应该是半定量的或定量的。在在施施工工阶阶段段，应应利利用用各各种种量量测测和和观观测测到到的的实实际际资资料料对对围围岩岩分分类类进进行行补补充充修修正正，此此时时的的分分类类仍仍属属第第二二阶阶段段的的详详细细分分类类，但但数数据据则则
32、是是岩岩体体暴暴露露后后的的实实际际值。值。第三节第三节 我国现行铁路隧道围岩分级我国现行铁路隧道围岩分级 一、围岩分级的基本因素及围岩基本分级一、围岩分级的基本因素及围岩基本分级 1 1围岩分级的基本因素围岩分级的基本因素 围围岩岩基基本本分分级级应应由由岩岩石石坚坚硬硬程程度度和和岩岩体体完完整整程程度度两两个个基基本本因因素素确确定定。岩岩石石坚坚硬硬程程度度和和岩岩体体完完整整程程度度应应采采用用定定性性划划分分和和定定量量指指标标两两种种方方法法确确定定。岩岩石石坚坚硬硬程程度度划划分分为为极极硬硬岩岩、硬硬岩岩、较较软软岩岩、软软岩岩和和极极软岩等软岩等5 5类。类。岩岩体体完完整
33、整程程度度划划分分为为完完整整、较较完完整整、较较破破碎碎、破碎和极破碎等破碎和极破碎等5 5类。类。完整程度结 构 面 特 征结构类型岩体完整性指数完 整结构面12组，以构造型节理或层面为主，密闭型巨块状整体结构Kv0.75较完整结构面23组，以构造型节理、层面为主，裂隙多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物块状结构0.75 Kv 0.55较破碎结构面一般为3组，以节理及风化裂隙为主，在断层附近受构造影响较大，裂隙以微张型和张开型为主，多有充填物层状结构、块石碎石结构0.55 Kv 0.35破 碎结构面大于3组，多以风化型裂隙为主，在断层附近受构造作用影响大，裂隙以张开型为主，多有充填物碎石角
34、砾状结构0.35 Kv 0.15极破碎结构面杂乱无序，在断层附近受断层作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥夹岩屑充填，充填物厚度大散体状结构Kv 0.15 2 2围岩基本分级围岩基本分级 根根据据岩岩石石坚坚硬硬程程度度和和岩岩体体完完整整程程度度将将围围岩岩分分为为6 6级。级。二、围岩分级的影响因素及分级的修正二、围岩分级的影响因素及分级的修正 在在围围岩岩基基本本分分级级的的基基础础上上，结结合合考考虑虑隧隧道道工工程程的的特特点点，考考虑虑地地下下水水状状态态、初初始始应应力力状状态态等等必必要要的的因素进行修正。因素进行修正。1 1地下水地下水 隧隧道道施施工工的的大大量量实实践践证证明
35、明，水水是是造造成成施施工工坍坍方方、使坑道围岩丧失稳定的重要原因之一。使坑道围岩丧失稳定的重要原因之一。水的影响：水的影响：使使岩岩质质软软化化，强强度度降降低低，对对软软岩岩尤尤为为明明显显，对对土体土体则则可促使其液化或流可促使其液化或流动动；在在有有软软弱弱结结构构面面的的围围岩岩中中，会会冲冲走走充充填填物物或或使使夹层夹层液化，减少液化，减少层间层间摩阻力促使岩摩阻力促使岩块块滑滑动动；在在某某些些围围岩岩中中，如如石石膏膏、岩岩盐盐和和蒙蒙脱脱石石为为主主的的粘粘土土岩岩中中，遇遇水水后后产产生生膨膨胀胀，在在未未胶胶结结或或弱弱胶胶结结的砂岩中可的砂岩中可产产生流砂和潜生流砂和
36、潜蚀蚀。修正办法：在同级围岩中，遇水后则适当降低修正办法：在同级围岩中，遇水后则适当降低围岩级别。围岩级别。降低幅度的根据：降低幅度的根据：围岩的岩性及结构面的状态；围岩的岩性及结构面的状态；地下水的性质、大小、流通条件及对围岩浸地下水的性质、大小、流通条件及对围岩浸润状况和危害程度。润状况和危害程度。地下水状态的分级如下表：级别状态渗水量L/(min10m)干燥或湿润10偶有渗水1025经常渗水25125 地下水影响的修正如下表：围岩级别地下水状态级别-地下水状态级别-地下水状态级别-2 2初始应力场初始应力场 围岩的初始应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定影响的。因此，围岩分级中考虑了初
37、始应力状态的影响，将初始应力场采取修正系数的方法，对围岩级别予以降级。（见下页表）另外，若隧道洞身埋藏较浅，应根据围岩受地表的影响情况进行修正。当围岩为风化层时应按风化层的围岩围岩基本分级考虑；当围岩仅受地表影响时，应较相应的围岩降低12级。初始地应力状态按照下表评估：初始地应力状态主 要 现 象评估基准(Rb/max)极高应力硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差4软质岩：岩心常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞高应力硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性
38、较差47软质岩：岩心时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差初始地应力影响的修正如下表：第四节 隧道围岩压力计算 围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护结构变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起护结构变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。因此，从广义的角度来理解，围岩压力的作用力。因此，从广义的角度来理解，围岩压力既包括围岩有支护的情况，也包括围岩无支护的情既包括围岩有支护的情况，也包括围岩无支护的情况；既包括作用在普通的传统支护况
39、；既包括作用在普通的传统支护(如架设的支撑如架设的支撑或施作的衬砌上所显示的力学性态或施作的衬砌上所显示的力学性态)，也包括在锚，也包括在锚喷和压力灌浆等现代支护的方法中所显示的力学性喷和压力灌浆等现代支护的方法中所显示的力学性态。从狭义的角度来理解，围岩压力是指围岩作用态。从狭义的角度来理解，围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。岩压力。一、围岩压力分类 围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型：1.松动压力 由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力的形式直接作用在支护结构上压力称为松动压力。松动压力按其作用在支
40、护结构上的位置不同，松动压力按其作用在支护结构上的位置不同，分为竖向压力、侧向压力和底压力。分为竖向压力、侧向压力和底压力。松动压力常通过下列三种情况发生：松动压力常通过下列三种情况发生：a.a.在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；块的岩石；b.b.在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落；冒落；c.c.在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。2.2.形变压力形变压力 形变压力是由于围岩变形受到与之
41、密贴的支护形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护结构的抑制，而使围岩与支护结构共同变形的过程结构的抑制，而使围岩与支护结构共同变形的过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。中，围岩对支护结构施加的接触压力。形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。3.膨胀压力 当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区别在于它是由围岩吸水膨胀引起的。4.冲击压力 冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，由于隧道的开挖，围岩约束被解除，能量突然释放所产生的压力。由于冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与围岩弹性模量直接相关。
42、弹性模量较大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜的条件，它就会突然猛烈地大量释放，从而产生“岩爆”现象。影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类：一类是地质因素，包括原始应力状态、岩体力学性质、岩体结构面等；另一类是工程因素，包括施工方法、支护时间、支护刚度、坑道形状等。二、围岩松动压力的形成和确定的方法 作用在支护结构上的围岩松动压力总是远远小于其上覆盖地层自重所造成的压力。这可以用围岩的“成拱作用”来解释。在水平成层的围岩中开挖隧道时，开挖后围岩由变形到坍塌成拱的整个变化过程可分为以下几个阶段：变形阶段：隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉
43、断裂纹。松动阶段：项板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因，逐渐转变为松动。塌落阶段：顶板岩体视其强度的不同而逐步塌落。成拱阶段：顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形。将隧道所形成的相对稳定的拱称为“天然供”或“塌落拱”。它如同一个承载环一样承受着上覆地层的全部重量，并且将荷载向两侧传递下去。这就是围岩的“成拱作用”。而天然拱范围内破坏了的岩体的重量，就是作用在支护结构上的围岩松动压力的来源。天然拱范围的大小 与下列因素有关：a.围岩地质条件 b.支护结构架设的时间 c.支护结构的刚度 d.支护结构与围岩的接触状态 e.隧道的形状和尺寸。隧道拱圈越平坦，跨度越大，则天
44、然拱越高，围岩的松动压力也越大。f.隧道的埋深。只有深埋隧道才有可能形成天然拱，浅埋隧道不能形成天然拱。g.施工因素。如爆破的影响，爆破所产生的震动，常常是引起塌方的重要原因之一，造成围岩压力过大。又如分布开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大天然拱范围。确定围岩的松动压力的方法有：(1)现场实地量测 (2)按某一理论公式计算确定 (3)根据大量的实际资料，采用统计的方法分析确定。(一)深埋隧道围岩松动压力的确定方法 围岩的松动压力是和围岩的类别成反比的，围岩的松动压力是和隧道跨度成正比的。1、统计法我国隧规所推荐的方法 在我国隧规中所推荐的计算围岩竖向匀布松动压力的公式，是根据357个铁路
45、隧道的塌方资料统计分析而拟定的：式中的 为围岩容重；s 为围岩级别；为宽度影响系数，由 w=1+i（B-5）计算；B 为坑道宽度，i 为B每增减1m时的围岩压力增减率，当 B5m时，取 i=0.2，当 B5m时，取i=0.1。公式的适用条件为：H/B1.7，H为坑道的高度；深埋隧道；不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩；采用矿山法施工。上述公式适用于采用破损阶段法或容许应力法设计的隧道衬砌结构计算，当采用概率极限状态法设计隧道时，深埋单线隧道围岩竖向均布松动压力可按下式计算：围岩水平匀布的松动压力，按下表中的经验公式计算，适用条件同上。作用在支护结构上的荷载是很不均匀的，这是因为在级及级围岩中，
46、局部塌方是主要的，而在其它类别的围岩中，岩体破坏范围的形状和大小，受岩体结构、施工方法等因素的控制，也是极不规则的。根据统计资料，围岩竖向松动压力的分布图形大致可以概括为以下六种，用等效荷裁，即非匀布压力的总和应与匀布压力的总和相等的方法，来确定各荷载图形的最大压力值。在分析支护结构时，一般以竖向和水平的匀布荷载图形为主，并用局部压力、偏压以及其它非均匀分布的水平和竖直荷载图形进行校核，较好的围岩着重于局部压力校核。2、普氏理论 普洛托李雅克诺夫认为：所有的岩体都不同程度地被节理、裂隙所切割，因此可以视为散粒体。基于这些认识，普氏提出了岩体的坚固性系数(又叫似摩擦系数)的概念。式中 、为岩体的
47、似摩擦角和内摩擦角；、为岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力；为岩体的粘结力。为了确定围岩的松动压力，普氏还提出了基于天然拱概念的计算理论，作用在支护结构上的围岩压力就是天然拱以内的松动岩体的重量。而天然拱的尺寸，即它的高度和跨度则与反映岩体特征的值和所开挖的隧道宽度有关，其具体表达式为式中 为天然拱高度；b为天然拱半跨度。在坚硬岩体中，坑道侧壁较稳定，天然拱的跨度就是隧道的宽度，即b=bt(bt为隧道的净宽度的一半)，如图a所示，在松散和破碎岩体中，坑道的侧壁也受扰动而滑移，天然拱的跨度也相应加大为(图b)：式中 为隧道净跨度的一半；为隧道净高度；其余符号含义同前。围岩竖向均布松动压力为 围岩
48、水平均布松动压力按朗金公式计算：一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中。对于软质围岩按此法所算得的压力值偏小，在坚硬的围岩中所得压力偏大。3、泰沙基理论 泰沙基(K.Terzaghi)也将岩体视为散粒体。他认为坑道开挖后，其上方的岩体将因坑道变形而下沉，并产生如图所示的错动面OAB，假定作用在任何水平面上的竖向压应力 是匀布的，相应的水平应力 (k为侧压力系数)。在地面深度为h处取出一厚度为dh的水平条带，考虑其平衡条件 ，得出 整理后，得：解此微分方程，并引入边界条件(h=0时 =0)可得隧道上方岩层中任意点的竖向均布压力为：当隧道埋深超过一定值后，上式趋近于某一个固定值，即 泰沙基
49、根据实验结果，得出k=11.5，若取k=1 则有此时便与普氏理论的计算公式一致。在泰沙基公式中，也可以将错动面上的粘结力考虑进去，只需在平衡方程的左端加上一项2c.dh 即可。通常，当地面与隧道顶部之间的岩层厚度超过塌方平均高度的22.5倍以上时，一般可作为深埋隧道处理。对于特殊情况应作具体分析。(二)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法如图，坑道开挖后若不及时支护，或施工时支护下沉，会引起洞顶上覆盖岩体EFHG的下沉与移动，而且它的移动受到两侧其它岩体的夹持，反过来又带动了两侧三棱体ACE和BDF的下滑，形成两个破裂面(为了简化，假定它们都是与水平面成角的斜直面，如图中的AC和BD)。研究洞项上覆
50、盖岩体EFHG的平衡条件，即可求出作用在支护结构上的围岩松动压力。研究中沿隧道纵向取单位长度。作用在下滑岩体EFHG上的力为：岩体重量Wl、两侧三棱体ACE和BDF给予它的挟持力T1以及隧道支护结构给予它的反力(也就是围岩给支护结构的荷载P)。三棱块BDF的重量W2为：由力的平衡条件图c(正弦定理)，可知：从而 令 则有 上式中的T为FD面上的带动下滑力，其值为图a中的T1、T2之和。显然，三棱块给洞顶上方岩体的夹持力T1随隧道施工方法等因素的不同而变化，其变化范围应在 到 之间。为安全起见，计算中取 假定是下滑岩体达到极限平衡时的破裂面倾角，此时夹持力T1必为最大值。由T1的极值条件即可将其