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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展隧道设计与施工的根底。一个合理的、符合地下工程实际情况的围岩分级，对于改善地下构造设计、开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开展，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效劳的。如提供选择施工方法的根据和开挖的难易程度，确定构造上的荷载或给出隧道临时支撑与衬砌构造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开展过程。在早期，从国外情况来看，如日本，最初主要借用适合于土石方工程
2、的国铁土石分类来进展隧道的设计与施工，主要是根据开挖岩土体的难易程度强度来划分的。前联在很长的时期采用以岩石的巩固性来分类，采用一个综合注的指标 f 值，称为岩石巩固性系数。理论上巩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，比拟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，根本上是沿用解放前的以岩石极限抗压强度与
3、岩石天然容重为根底，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，借用联的岩石巩固系数进展分类，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：这种单纯以岩石巩固性 主要是强度 指标为根底的分类方法，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，其中隧道围岩构造特征和完整状态，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因。从围岩的稳定性出发，1975 年编制了我国
4、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巩固性系数来分级的方法。我国公路隧道围岩分级起步较晚，随着我国经济的开展，公路交通得到较大的开展，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根底，编制了我国公路隧道围岩分级。从国外围岩分级的开展趋势看，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；从经历性很强的分级逐步过渡到半经历、半定量分级和定量化分级，并将围岩分级与岩体力学的开展相联系，随着岩体力学的开展，
5、这一趋势更为明显。在多参数综合分级法中，根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开展的。围岩分级方法与隧道构造设计标准化、施工方法规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别离，将会形成专门土质围岩分级方法。从国围岩分级的开展趋势看，从 1975 年以后，我国隧道围岩分级方法的开展根本与国际同步，主要以隧道稳定性进展分级，并在已公布的国标和部标中表达了这一成果。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展修正。我国隧道围岩分级方法主要采用两个步骤：第一步以根本指标进展根本分级；第二步用
6、修正指标对根本级别进展修正，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方法；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构造设计标准化、施工方法规化的联系较严密外，其它国标和部标中，围岩分级方法与隧道构造设计标准化、施工方法规化的联系还不够严密。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
7、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，如确定钻眼成效、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展分级。一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为根本的分级指标，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适宜的。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
8、年施行的铁路隧道设计规中将弹性波(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
9、判断的。即 RQD10cm 以上岩芯累计长度1004-8 单位钻孔长度 岩石质量指标分级认为：RQD90 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
10、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著。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。1Q 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地质参数，见下式：QRQD/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，可参考以下经历数值；没有或很少节理，Jh0.51.0；两
11、个节理组时，Jh4；破碎岩体时，Jh20。Jr节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小，可参考以下经历数值；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，可参考以下经历数值；节理面严密结合，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，可参考以下经历数值；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
12、。在计算出 BQ 的值以后，可以根据表 4-5 对岩体根本质量进展分级。表 4-5 岩体根本质量分级 根本质 量级别 岩体根本 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 根本质量 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 巨厚层构造 较完整 12 1.0 差 节理、裂隙、层面呈*形，较规则，以构造型为主，多数为密闭局部微，少有充填物 块状或厚 层状构造
13、23 1.00.4 好或一般 块状构造 较破碎 23 1.00.4 差 节理、裂隙、层面、小断层不规则，呈*形或米字形；以构造型或风化型为主，大局部开，局部有充填物 裂隙块状 或中厚层构造 3 0.40.2 好 镶嵌碎裂构造 一般 中、薄层状构造 破碎 3 0.40.2 差 各种类型构造面以风化型和构造型为主，微或开，均有充填物 裂隙块状构造 0.2 一般或差 破碎状构造 极破碎 无序 很差 散体状构造 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
14、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，位于褶曲轴部或断裂影响带；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，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 耐风化能力 代表性岩石 程度 现象.Rc(MPa)硬 质 岩 石 坚硬岩
15、 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、石灰岩、白云岩等沉积岩类 3片麻岩、石英岩、岩、板岩、片岩等变质岩类 较坚硬岩 6030 软 质 岩 石 较软岩 3015 弱 暴露后数日至数月即出现风化壳 1凝灰岩等喷出岩类 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 软岩 155 极软岩 5(3)围岩根本质量指标 BQ 根据上述岩石坚硬程度和岩体完整程度两个根本因素的定性、定量特征，根据式 4-12确定围岩根本质量指标 BQ，并由此对围岩进展初步分级。其中，岩体完整程度的定量
16、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 Kv 0.75 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 Kv 0.75 0.750.55 0.550.35 0.350.15 550 II 坚硬岩(Rb30MPa)，岩体较完整，块状或厚层状构造 较坚硬岩，岩体完整，块状整体构造 550451 III
17、 坚硬岩，岩体较破碎，巨块石碎(石)状镶嵌构造 较坚硬岩或较软硬质岩，岩体较完整，块状体或中厚层状构造 450351 IV 坚硬岩，岩体破碎，碎裂(石)构造 较坚硬岩，岩体较破碎破碎，镶嵌碎裂构造 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整较破碎，中薄层状构造 350251 土体：1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 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、松散构造 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)。非粘性土呈松散构造，粘性土及黄土呈松
18、软构造 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 围岩分级的重要开展趋势是加强施工阶段围岩级别的判定。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
19、-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 枯燥或潮湿.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，提供了充分的根底。根据对国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展分级，采用定性和定量相结合的方法，如可采用图 4-9 的指标，对围岩完整程度进展划分。指标可参考有关专著。图 4-9 施工阶段围岩分级完整程
20、度的分级指标 四、我国铁路隧道围岩分级 2005 年公布实施的最新铁路隧道设计规TB10003-2005的围岩分级方法是在 1975年铁路隧道围岩稳定性分类法以及 85 年版、2001 年版规根底上提出的，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
21、地质条件 构造特征和完整状态 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)；层状岩层为巨厚层或厚层，层间结合良好，岩体完整 呈巨块状整体构造 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)和贯穿微节理，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，很少有别离现象，或为硬质岩石偶夹软质岩石 呈大块状砌体构造 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 完整性 地质构造影响程度 地质构造面 间距
22、延展性 粗糙性 张开性 其他 风化程度.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，多有别离现象；硬、软质岩石互层 呈块(石)碎(石)状镶嵌构造 拱部无支护时可产中小坍塌，侧壁根本稳定，爆破振动过大易塌 2.54.0 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 呈大块状砌体构造 IV 硬质岩石(Rc30MPa)：受地质构造影响极严重，节理很发育，层状软弱面(或夹层)巳根本被破坏 呈碎石状压碎构造 拱部无支护时，可产生较大的坍
23、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)状镶嵌构造 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呈大块状压密构造 3 呈巨块状整体构造 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 呈角砾碎石状松散构造 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 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)非黏性土呈松散构造，黏性土及黄土呈松软构造 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 呈松软构造 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构造，砂性土呈潮湿松散构造 有关围岩分级，国外还有其他分级方法，这里不一一介绍，具体可参照相应规。