隧道工程第二章-圍巖分級

1、主講人主講人馮冀蒙馮冀蒙 博士博士隧隧 道道 工工 程程1 巖體的基本工程性質(zhì) 圍巖分級主要內(nèi)容主要內(nèi)容隧隧 道道 工工 程程2 圍巖和圍巖分級的定義 我國鐵路隧道圍巖分級的方法學習重點學習重點隧隧 道道 工工 程程3 由于巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用，在開挖隧道前巖體中就已存在的地應力場，稱之為圍巖的初始應力場。圍巖初始應力場的形成與圍巖的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、埋藏條件以及地質(zhì)構(gòu)造運動的歷史等有密切關(guān)系，根據(jù)地應力場的成因?qū)⑵浞譃樽灾貞龊蜆?gòu)造應力場兩大類。 l 初始應力場初始應力場（一）概（一）概 念念隧隧 道道 工工 程程41 自重應力場自重應力場 自重應力場是上覆巖體自重產(chǎn)生的應力場。l 初始應力

2、場初始應力場（二）初始應力場的變化規(guī)律（二）初始應力場的變化規(guī)律xyzyxz地面11HH22iiH隧隧 道道 工工 程程51 自重應力場自重應力場 該點的水平應力主要是由巖體的泊松效應引起的，按彈性理論應為 l 初始應力場初始應力場（二）初始應力場的變化規(guī)律（二）初始應力場的變化規(guī)律 大多數(shù)圍巖的泊松比變化在0.150.35左右。因此，在自重應力中，水平應力通常是小于豎直應力的。 隧隧 道道 工工 程程61 自重應力場自重應力場 巖體自重應力場的變化規(guī)律為： 地應力隨深度線性增加； 水平應力總是不大于垂直應力； 地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)改變了自重應力場的狀態(tài)，這在實際工程中不容忽視； 深度對初始應力狀態(tài)有

3、重大影響。l 初始應力場初始應力場（二）初始應力場的變化規(guī)律（二）初始應力場的變化規(guī)律隧隧 道道 工工 程程72 構(gòu)造應力場構(gòu)造應力場 構(gòu)造應力場的變化規(guī)律為： 地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)的變化不僅改變了自重應力場，除了以各種構(gòu)造形態(tài)獲得釋放外，還以各種形式積蓄在巖體內(nèi)，其中殘余應力將對地下工程產(chǎn)生重大影響；l 初始應力場初始應力場（二）初始應力場的變化規(guī)律（二）初始應力場的變化規(guī)律隧隧 道道 工工 程程82 構(gòu)造應力場構(gòu)造應力場 構(gòu)造應力場的變化規(guī)律為： 構(gòu)造應力場在不深的地方已普遍存在，最大構(gòu)造應力的方向多近似水平，且水平應力普遍大于自重應力場中水平應力分量，甚至大于垂直分量。 l 初始應力場初始應力場

4、（二）初始應力場的變化規(guī)律（二）初始應力場的變化規(guī)律隧隧 道道 工工 程程9l 巖體的基本工程性質(zhì)巖體的基本工程性質(zhì) 巖體是在漫長的地質(zhì)歷史中，經(jīng)過巖石建造、構(gòu)造形變和次生蛻變而形成的地質(zhì)體。 地下結(jié)構(gòu)圍巖（巖體+土體）的工程性質(zhì)，一般包括三個方面：物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學性質(zhì)。其中力學性質(zhì)對圍巖的穩(wěn)定性影響最大。 隧隧 道道 工工 程程10l 巖體的基本工程性質(zhì)巖體的基本工程性質(zhì) 巖體物理力學性質(zhì)的不均勻性；相同的天然巖體其物理力學性質(zhì)隨在巖體中所測點的空間位置不同而有差異，呈現(xiàn)出巖體的不均勻性。 巖體是由結(jié)構(gòu)面分割的多裂隙體；結(jié)構(gòu)面的存在，決定著巖體的完整程度，關(guān)系著巖體的力學介質(zhì)屬性，即

5、控制著巖體的強度、變形和破壞特征。（一）物理性質(zhì)（一）物理性質(zhì)隧隧 道道 工工 程程11l 巖體的基本工程性質(zhì)巖體的基本工程性質(zhì) 巖體具有各項異性；巖體中由于巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造具有方向性，使巖體強度、變形，甚至滲透等性質(zhì)在不同方向上顯示出差異，稱為巖體的各向異性；主要是由于沉積巖中的層理、變質(zhì)巖中的片理，以及定向的節(jié)理裂隙、劈理、斷裂和夾層等存在引起的。（一）物理性質(zhì)（一）物理性質(zhì)隧隧 道道 工工 程程12l 巖體的基本工程性質(zhì)巖體的基本工程性質(zhì) 一般巖石的強度隨著含水量增大的不同其降低程度也不同，主要取決于巖石中的親水礦物和易溶性的礦物的含量及裂隙發(fā)育情況。通常用軟化系數(shù)來表示巖石的軟化性。一

6、般規(guī)定軟化系數(shù)小于0.75的巖石稱為軟化巖石。 （二）水理性質(zhì)（二）水理性質(zhì)隧隧 道道 工工 程程13l 巖體的基本工程性質(zhì)巖體的基本工程性質(zhì)1 單向應力狀態(tài)下圍巖的變形特征單向應力狀態(tài)下圍巖的變形特征（三）力學性質(zhì)（三）力學性質(zhì)典型的巖體應力應變曲線分解為4個階段：壓密階段（OA）；彈性階段（AB）；塑性階段（BC）；破壞和破裂階段（CD）。 隧隧 道道 工工 程程14l 巖體的基本工程性質(zhì)巖體的基本工程性質(zhì)2 三軸壓縮下巖石的三軸壓縮下巖石的強度及變形特性強度及變形特性 （三）力學性質(zhì)（三）力學性質(zhì)隧隧 道道 工工 程程15l 巖體的基本工程性質(zhì)巖體的基本工程性質(zhì)3 裂隙巖體的強度性質(zhì)裂隙

7、巖體的強度性質(zhì) （三）力學性質(zhì)（三）力學性質(zhì) 試驗研究結(jié)果表明，裂隙巖體的強度隨著裂隙組數(shù)的增加而明顯減小，但當裂隙組數(shù)增加到一定的程度之后，強度不再降低，而接近巖石的殘余強度。具體見下表。 隧隧 道道 工工 程程16l 巖體的基本工程性質(zhì)巖體的基本工程性質(zhì)3 裂隙巖體的強度性質(zhì)裂隙巖體的強度性質(zhì) （三）力學性質(zhì)（三）力學性質(zhì)試件尺寸(cm):151530試件強度(MPa):32.834.6結(jié)構(gòu)面強度：c=0.11MPa;=38 表中數(shù)值為試件的強度與巖石試件強度的比值 隧隧 道道 工工 程程17 圍巖是指隧道開挖后其周圍產(chǎn)生應力重分布范圍內(nèi)的巖體，或指隧道開挖后對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖體

8、（這里所指的巖體是土體與巖體的總稱）。 依據(jù)各種圍巖的物理性質(zhì)之間存在的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，可將圍巖劃分為若干級，這就是圍巖分級。l 圍巖分級概述圍巖分級概述隧隧 道道 工工 程程18圍巖分級的目的： 作為選擇施工方法的依據(jù)； 進行科學管理及正確評價經(jīng)濟效益； 確定結(jié)構(gòu)上的松散荷載； 給出襯砌結(jié)構(gòu)的類型及尺寸； 制定勞動定額、材料消耗標準的基礎(chǔ)。l 圍巖分級概述圍巖分級概述隧隧 道道 工工 程程19l 圍巖分級概述圍巖分級概述 比較理想的分級方法是： 準確客觀，有定量指標，盡量減少因人而異的隨機性； 便于操作使用，適于一般勘測單位所具備的技術(shù)裝備水平； 最好在挖開地層前得到結(jié)論。隧隧 道道 工工

9、程程20l 圍巖分級概述圍巖分級概述隧隧 道道 工工 程程21l 圍巖的分級方法圍巖的分級方法大致分三類：大致分三類：第類：與巖性有關(guān)的要素，例如分為硬巖、軟巖、膨脹性巖類等；第類：與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的要素，如軟弱結(jié)構(gòu)面的分布與形態(tài)、風化程度等；第類：與地下水有關(guān)的要素。（一）圍巖分級的基本要素（一）圍巖分級的基本要素隧隧 道道 工工 程程22第第I I類類指巖體的破碎程度或完整狀態(tài)。指巖體的破碎程度或完整狀態(tài)。破碎程度：破碎程度：裂隙率、裂隙間距。裂隙率、裂隙間距。裂隙是廣義的：包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結(jié)構(gòu)面。裂隙是廣義的：包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結(jié)構(gòu)面。完整狀態(tài)：完整狀態(tài)：整塊狀、大塊

10、狀等。整塊狀、大塊狀等。按這按這2 2個指標有下圖：個指標有下圖：圍巖巖體整體塊d1.0cm 大塊體 d=0.4-1.0cm 塊石狀d=0.2-0.4cm碎石塊 d30 30 硬巖硬巖 5 R5 Rb b30 30 軟巖軟巖 R Rb b 5 5 極軟巖極軟巖l 我國鐵路隧道圍巖分級方法我國鐵路隧道圍巖分級方法（一）圍巖分級的基本因素（一）圍巖分級的基本因素隧隧 道道 工工 程程38l 我國鐵路隧道圍巖分級方法我國鐵路隧道圍巖分級方法2 巖體的完整程度巖體的完整程度 該指標指圍巖被各種結(jié)構(gòu)面切割成單元體的特征及其被切割后的塊度大小。衡量圍巖的完整程度，考慮以下四方面的因素： 按照軟弱面的產(chǎn)狀、

11、貫通性以及充填物的情況，將圍巖分為：完整、較完整、較破碎、破碎、極破碎。 （一）圍巖分級的基本因素（一）圍巖分級的基本因素隧隧 道道 工工 程程39l 我國鐵路隧道圍巖分級方法我國鐵路隧道圍巖分級方法2 巖體的完整程度巖體的完整程度 按照圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響程度，將圍巖分為：構(gòu)造變動輕微、較重、嚴重、很嚴重4個等級。 按照節(jié)理發(fā)育程度的不同分為：節(jié)理不發(fā)育、節(jié)理較發(fā)育、節(jié)理發(fā)育、節(jié)理很發(fā)育4級。 按照巖體風化程度的不同將圍巖分為：風化輕微、較重、嚴重、極嚴重4級。 （一）圍巖分級的基本因素（一）圍巖分級的基本因素隧隧 道道 工工 程程40圍巖完整程度圍巖完整程度 指標指標1 1：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度：

12、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度 指標指標2 2：地質(zhì)構(gòu)造影響程度：地質(zhì)構(gòu)造影響程度 由此兩指標，將巖體完整程度分為由此兩指標，將巖體完整程度分為5 5個級別，見下表：個級別，見下表： l 我國鐵路隧道圍巖分級方法我國鐵路隧道圍巖分級方法（一）圍巖分級的基本因素（一）圍巖分級的基本因素隧隧 道道 工工 程程41巖體完整程度的劃分巖體完整程度的劃分完整程度完整程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度地質(zhì)構(gòu)造影響程度地質(zhì)構(gòu)造影響程度完整完整不發(fā)育不發(fā)育輕微輕微較完整較完整較發(fā)育、不發(fā)育較發(fā)育、不發(fā)育較重、輕微較重、輕微較破碎較破碎發(fā)育、較發(fā)育發(fā)育、較發(fā)育嚴重嚴重破碎破碎極發(fā)育、發(fā)育極發(fā)育、發(fā)育極嚴重、嚴重極嚴重、嚴重極破碎

13、極破碎極發(fā)育極發(fā)育極嚴重極嚴重隧隧 道道 工工 程程42 圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響程度等級劃分圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響程度等級劃分 圍巖節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度劃分圍巖節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度劃分 等級等級地質(zhì)構(gòu)造作用特征地質(zhì)構(gòu)造作用特征輕微輕微圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動小，無斷裂（層）；層狀巖體一般呈單斜構(gòu)造；節(jié)理不發(fā)育較重較重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動較大；位于斷裂（層）或褶曲軸的鄰近地段；可有小斷層，節(jié)理較發(fā)育嚴重嚴重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動較強烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內(nèi)；軟巖多見扭曲及拖拉現(xiàn)象；節(jié)理發(fā)育很嚴重很嚴重位于斷裂（層）破碎帶內(nèi)；節(jié)理很發(fā)育；巖體呈碎石、角礫狀，有的呈粉末泥土狀等級等級地質(zhì)構(gòu)造作用特征地質(zhì)構(gòu)造作用特征節(jié)理

14、不發(fā)育節(jié)理不發(fā)育節(jié)理（裂隙）1-2組，規(guī)則，為原生型或構(gòu)造型，多數(shù)的間距在1.0m以上，為密閉型。巖體被切割成塊狀節(jié)理較發(fā)育節(jié)理較發(fā)育節(jié)理（裂隙）2-3組，呈x型，較規(guī)則，以構(gòu)造型為主，多數(shù)的間距大于0.4m，多為密閉。部分微張開，少有填充物。巖體被切割成大塊狀節(jié)理發(fā)育節(jié)理發(fā)育節(jié)理（裂隙）3組以上，不規(guī)則，呈x型或米字型，以構(gòu)造型或風化型為主，多數(shù)間距小于0.4m，大部分微張開，部分張開，大部分為粘性土填充。巖體被切割成塊、碎石狀節(jié)理很發(fā)育節(jié)理很發(fā)育節(jié)理（裂隙）3組以上，雜亂，以構(gòu)造型或風化型為主，多數(shù)間距小于0.2m，微張開或張開，部分為粘土充填。巖體被切割成碎石狀隧隧 道道 工工 程程43

15、l 我國鐵路隧道圍巖分級方法我國鐵路隧道圍巖分級方法1 基本分級基本分級 根據(jù)以上分級的因素和指標，給出各級圍巖的主要工程地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)特征和完整性及圍巖彈性縱波波速等要素。鐵路隧道設(shè)計規(guī)范將單、雙線鐵路隧道的圍巖劃分為6級：、。（二）圍巖基本分級及其修正（二）圍巖基本分級及其修正隧隧 道道 工工 程程44l 我國鐵路隧道圍巖分級方法我國鐵路隧道圍巖分級方法2 隧道級別的修正隧道級別的修正 （1）地下水影響的修正 地下水對圍巖的影響主要表現(xiàn)在：軟化圍巖、軟化結(jié)構(gòu)面、承壓水作用。 根據(jù)單位時間滲水量的大小將圍巖級別進行弱化降級處理。（二）圍巖基本分級及其修正（二）圍巖基本分級及其修正隧隧 道道

16、工工 程程45 地下水地下水地下水的地下水的3 3種處理方法：種處理方法：分級時按無水考慮，而是根據(jù)地下水的狀態(tài)，適分級時按無水考慮，而是根據(jù)地下水的狀態(tài)，適當降低圍巖等級當降低圍巖等級(1(12 2級級) )；分級時按有水考慮，當確認圍巖無水則提高圍巖分級時按有水考慮，當確認圍巖無水則提高圍巖等級；等級；直接將地下水狀況直接將地下水狀況( (水質(zhì)、水量、流通條件、靜水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓力等水壓力等) )作為一個分級指標。作為一個分級指標。隧隧 道道 工工 程程46 地下水影響的修正地下水影響的修正 地下水狀態(tài)的分級表地下水狀態(tài)的分級表級別級別狀態(tài)狀態(tài)滲水量滲水量L/(minL/(mi

17、n10m)10m)干燥或濕潤干燥或濕潤1010偶有滲水偶有滲水10251025經(jīng)常滲水經(jīng)常滲水2512525125 圍巖基本分類圍巖基本分類地下水狀態(tài)分級地下水狀態(tài)分級隧隧 道道 工工 程程47l 我國鐵路隧道圍巖分級方法我國鐵路隧道圍巖分級方法2 隧道級別的修正隧道級別的修正 （2）圍巖初始地應力狀態(tài)的修正 如初始應力狀態(tài)為極高應力、高應力時，需要對圍巖級別進行弱化降級處理。 （二）圍巖基本分級及其修正（二）圍巖基本分級及其修正隧隧 道道 工工 程程48初始地應力初始地應力初始地初始地應力狀應力狀態(tài)態(tài)主主 要要 現(xiàn)現(xiàn) 象象評估基準評估基準 （R Rc c/maxmax）極高應極高應力力1.1

18、.硬質(zhì)巖：開挖過程中時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈硬質(zhì)巖：開挖過程中時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差442.2.軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時間長，不易成洞持續(xù)時間長，不易成洞高應力高應力1 .1 .硬質(zhì)巖硬質(zhì)巖: : 開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂紋較多，成洞性較差有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂紋較多，成洞性較差4-74-72.2.軟質(zhì)巖：巖芯時有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁軟質(zhì)巖：巖芯時有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移極顯著，持續(xù)時間長，成洞性差巖體位移極顯著，持續(xù)時間長，成洞性差隧隧 道道 工工 程程49u初始地應力影響的修正初始地應力影響的修正圍巖基本分級圍巖基本分級 修正級別修正級別初始地應力狀態(tài)初始地應力狀態(tài)極高應力極高應力或或高應力高應力或或隧隧 道