第01章 巖石性質與工程分級

井巷施工技術第一章巖石的性質及其工程分級1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。主隧道結構采用復合式襯砌結構,根據(jù)不同圍巖地段的結構受力要求,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,設置仰拱;陸域段采用三心圓拱形斷面,Ⅳ,Ⅴ級斷面設置仰拱,Ⅱ,Ⅲ級圍巖不設仰拱,結構如圖4,圖5所示。2難點：基巖弱風化多為中等透水性、少數(shù)弱透水性。海水對鋼筋砼有腐蝕性,由于隧道縱坡呈V形,滲漏水不能順自然坡流出洞外,對砼耐久性和隧道防、排水質量要求較高。超淺埋,超大斷面隧道下穿建筑群，引起樓房基礎沉降、結構開裂。海底地壓比較大。施工方法：工程采用鉆爆法開挖，噴錨構筑法支護。Ⅱ，Ⅲ級圍巖段采用四臂鑿巖臺車下導洞超前減震全斷面爆破開挖作業(yè)；Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖；Ⅴ級圍巖陸域段和擠壓型海底破碎帶采用自進式管棚超前支護和超前預注漿加固堵水結合的方法，分步開挖。3第一章巖石的性質及工程分類井巷施工技術的最基本工作就是破巖與維護。因此，在這一章主要講述巖石的一些基本性質，為破巖與維護的基礎知識；另外，圍巖的工程分級一直是工程設計的基本依據(jù)之一。本章的重點是巖石的物理、力學性質，圍巖分級。難點是圍巖分級。4第一節(jié)巖石的物理性質一、概述1.幾個定義

①巖石

②巖塊

③巖體

④表土

⑤基巖

是由一種或多種礦物組成的。每種礦物都有一定的內部結構和固定的化學成份，因而各具有一定的物理性質和形態(tài)。包括巖漿巖、沉積巖、變質巖。從地殼中切取出來的小塊體，不包含軟弱面（巖體中的地質遺跡、層理、節(jié)理、斷層、裂隙面），近似認為各向同性的連續(xù)介質,。地下工程周圍較大范圍內的自然地質體。從煤礦采掘工程角度：包括巖石、地下水、瓦斯。巖體的性質復雜，是我們研究的主要對象。

建井工作者把覆蓋在地殼上部的第四紀沉積物成為表土，也稱為松散性巖石，如：黃土、流沙、粘土等。表土以下的固結性巖石稱為基巖、巖漿巖、沉積巖、變質巖。巖體＝巖塊（巖石材料）＋弱面（層理、節(jié)理、斷層）5

巖塊：6巖體7

表土和基巖8巖石材料的性質對巖體性質影響很小，而弱面控制著巖體的性質。例如：巖體壓縮時，破壞是沿著已存在的弱面發(fā)生的；在拉伸時，由于弱面的存在，強度很小。巖塊（Rock）性質：強度：抗壓強度、抗拉強度、剪切強度等；變形：彈性模量、泊松比；礦物：礦物成分、顆粒大小、結構等；物理性質：密度、水理性、孔隙性等。弱面(Discontinuities)性質弱面包括層理、節(jié)理、斷層等。性質包括：剪切強度、方位、距離、硬度、張開度、充填性、風化性、粗糙性等9第二節(jié)巖石物理性質1、相對密度（比重）：取決于組成巖石的礦物的相對密度。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、說明：巖石由固體、空氣和水組成；干濕密度的區(qū)分對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

巖石物理力學性質是巖體最基本、最重要的性質之一，也是巖石力學學科中研究最早、最完善的內容之一。干密度濕密度10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，使其密度和強度降低，透水性增大；另一方面會增加風化速度。進一步降低力學強度和增大透水性。二、巖石的孔隙性111、吸水率三、巖石的水理性質（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、開裂程度及其分布情況，并且與試驗條件有關。時間和尺寸均有影響。2、透水性：巖石能被水透過的性能。與地下水水頭、巖體應力、孔隙度、孔隙大小及其連通程度有關。巖石樣品滲透性的確定對實際問題的意義，例如：將水、油或氣泵入多孔的巖層中，或從其中抽出來；在多孔巖層中處理鹵水廢物；為了能量轉換而在地下洞穴中貯存液體；評價水庫的不透水性；排除深處洞室的海水，或預估流入隧洞的水量等。123、溶蝕性：由于水化學作用而把巖石中某些物質帶走的現(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1314四、巖石的碎脹性巖石名稱砂、礫巖砂質粘土中硬巖石堅硬巖石煤碎脹系數(shù)k1.05~1.21.2~1.251.3~1.51.5~2.5<1.2意義：采場管理、提升運輸、充填效果、圍巖壓力等。15巖石名稱碎脹系數(shù)殘余碎脹系數(shù)砂1.06～1.151.01～1.03粘土＜1.201.03～1.07碎煤＜1.201.05泥質頁巖1.401.10砂質頁巖1.60～1.801.10～1.15硬砂巖1.50～1.80表1-3煤礦中常見巖石的碎脹系數(shù)殘余碎碎脹系數(shù)：指巖石在破碎后，在其自重和外加荷載的作用下將逐漸壓實，體積隨之減小，這種壓實后的體積與破碎前原始體積之比，叫作殘余碎碎脹系數(shù)。殘余碎碎脹系數(shù)反映破碎巖石被壓實的程度，它與巖石的物理力學性質、外加荷載的大小及破碎后經歷的時間長短有關。16第三節(jié)巖石力學性質巖石力學性質。分為變形和強度性質。變形性質體現(xiàn)對外力的尺寸效應；強度性質表現(xiàn)抵抗外力破壞的能力。研究力學主要研究巖石的變形、破壞和強度等性質。

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

171.巖石的單軸壓縮全應力—應變曲線裂隙閉合階段、線彈性階段、塑性階段、軟化階段擴容；脆性和塑性巖石，6種應力應變曲線、目的是為了破巖。182.巖石在三軸壓縮條件下的力學性質192.巖石在三軸壓縮條件下的力學性質

首先，破壞前巖石的應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，且由脆性逐漸轉化為延性。圍壓增加時，試件承載力則隨圍壓穩(wěn)定增長，出現(xiàn)所謂應變硬化現(xiàn)象。圍壓是影響巖石力學屬性的主要因素之一。從圖分析圍壓對巖石變形影響，得出如下結論：

①隨著圍壓的增大，巖石的抗壓強度顯著增加；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，巖石的應力一應變曲線形態(tài)發(fā)生明顯改變，巖石的性質發(fā)生了變化：由彈脆性一彈塑性一應變硬化。203.錨固體的圍巖受力特征從錨固體的圍巖受力特征看出，破裂巖體的極限強度和殘余強度隨支護阻力的增加而不斷強化，達到一定程度就能保持圍巖的穩(wěn)定。從下圖中還可以看出，在支護阻力為0的情況，即圍巖的殘余強度很低，不利于沿空巷道圍巖的控制，采用架棚支護就屬于這種情況；當采用錨桿支護時，屬于主動支護，在支護初期可以結圍巖施加一定的預緊力，從下圖中可以看出，當支護阻力在0.22MPa時，圍巖的殘余強度增加數(shù)倍，這就是錨桿支護設計、支護參數(shù)研究的基本依據(jù)。但當?shù)刭|條件較差時，不能保證錨桿支護有良好的錨固性能時，要采用架U型棚或采用復合支護。錨固體應力應變曲線

214.巖石的強度：巖石抵抗外力破壞的能力。單向抗壓強度單向抗拉強度剪切強度三軸壓縮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度的意義

⑴巖石的強度是各種巖石分類（級）中的重要數(shù)量指標。⑵作為強度(安全)準則，判別所計算或測定的巖土工程是否穩(wěn)定.⑶在簡單的工程條件下，可作為極限平衡條件（塑性條件），求解彈塑性問題的塑性區(qū)范圍、彈性區(qū)和塑性區(qū)應力與應變。225、單軸抗拉、抗剪強度1.定義：巖石在單軸拉伸荷載作用下達到破壞時所能承受的最大拉應力稱為巖石的單軸抗拉強度。2)抗剪切強度定義：巖石在剪切荷載作用下達到破壞前所能承受的最大剪應力稱為巖石的抗剪切強度。3）限制性剪切強度試驗結果及其分析①試驗結果：剪切面上正應力越大，試件被剪破壞前所能承受的剪應力也越大。原因：剪切破壞一要克服內聚力，二要克服摩擦力，正應力越大，摩擦力也越大。23將破壞時的剪應力和正應力標注到σ-τ應力平面上就是一個點，不同的正、剪應力組合就是不同的點。將所有點連接起來就獲得了莫爾強度包絡線，如圖所示。24②殘余強度：當剪切面上的剪應力超過了峰值剪切強度后，剪切破壞發(fā)生，然后在較小的剪切力作用下就可使巖石沿剪切面滑動。能使破壞面保持滑動所需的較小剪應力就是破壞面的殘余強度。正應力越大，殘余強度越高，如圖所示。所以只要有正應力存在，巖石剪切破壞面仍具有抗剪切的能力。256、巖石的流變性質（1）流變的概念1）流變現(xiàn)象：材料應力-應變關系與時間因素有關的性質，稱為流變性。材料變形過程中具有時間效應的現(xiàn)象，稱為流變現(xiàn)象。2）流變的種類：蠕變：應力不變，應變隨時間增加而增長松弛：當應變不變時，應力隨時間增加而減小的現(xiàn)象彈性后效：加載或卸載時，彈性應變滯后于應力的現(xiàn)象26271）大多數(shù)情況下，巖石表現(xiàn)為脆性破壞；2）同種巖石強度并非常數(shù)；3）不同受力情況下，巖石的極限強度相差懸殊。三向等壓抗壓強度>三向不等壓抗壓強度>雙向抗壓強度>單向抗壓強度>單向抗剪強度>單向抗彎強度>單向抗拉強度。單向抗壓強度RC、單向抗剪強度τ、單向抗拉強度Rt之間有下列關系：；；7、巖石的強度特征（1）巖石在靜荷載作用下的強度

282．動荷載作用下的強度29⑵三種破壞形式脆性破壞：永久變形或全變形小于3%者為脆性破壞。具有這種特性的巖石稱為脆性巖石；塑性破壞：永久變形或全變形大于5%者塑性破壞。具有這種特性的巖石稱為塑性巖石；過度狀態(tài)：永久變形或全變形在3%到5%之間。

30第四節(jié)巖體工程分類（1）為巖石工程建設的勘察、設計、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,交流,推廣。（3）便于行業(yè)內技術改革和管理。1、分類的目的與意義312.分類原則

(1）有明確的類級和適用對象（專題性的、綜合性的)。（2）根據(jù)適用對象，選擇考慮因素（單因素、多因素）。（3）有定量的指標。（4）類級一般分五級為宜。（5）分類方法簡單明了、數(shù)字便于記憶和應用。發(fā)展趨勢：“多因素、綜合特征值”分類法323分類的獨立因素

（1）巖石材料的質量（強度指標）。（2）巖體的完整性，密集度、切割度、連續(xù)性等。（3）巖體結構面產狀與巖體工程的相對空間位置關系等。（4）地下水（軟化、沖蝕、降低有效正應力、c、φ）（5）地應力（大小、最大主應力方向）（6）其它因素（自穩(wěn)時間、位移率）其中（1）（2）是巖石基本質量，（3）－（6）是考慮工程巖體特點的其它因素33（1）巖石強度：單軸抗壓強度為巖體穩(wěn)定性評價的重要指標。（2）結構面：結構面的研究應包括組數(shù)、密度、產狀、延展性、結構面內物質成分等。（3）水對巖體的影響：水對巖體穩(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度。（4）原巖應力狀態(tài)：對巖體穩(wěn)定性影響最大的是最大主應力。在缺乏地應力資料時，可選用γH值。4、分類指標：34普羅托奇亞可夫于1926年提出：共劃分為10級15種1.普氏系數(shù)分類法我國煤炭系統(tǒng)按巖石堅固性將煤巖分類為：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堅硬巖石：f＝12～14最堅硬巖石：f＝15～20存在問題：這一分類主要考慮的是巖石試件強度（單軸抗壓強度），圍巖應力、巖體的完整性、巖體結構特征等在分類中沒有表達出來，因此不能正確地評價圍巖的穩(wěn)定性。

352.巖芯質量指標美國伊利諾斯大學狄勒（Deere）在1964年形成該標準，但直到1967年才以出版的形式首次提出該概念。36RQD是一修正的巖芯取出率，僅考慮長度大于100mm的完整巖芯。RQD（%）﹤2525～5050～7575～9090～100巖石質量很差差一般好優(yōu)秀37掘巷后：（1）巷道周邊應力集中；（2）圍巖強度降小(三向應力狀態(tài)→兩向應力狀態(tài)）（3）開挖擾動等圍巖應力與圍巖強度的關系發(fā)生變化（超過則破壞，等于為極限平衡，小于則穩(wěn)定）；3.圍巖松動圈分類法38圍巖類別分類名稱圍巖松動圈/cm支護機理及方法備注小松動圈I穩(wěn)定圍巖0～40噴混凝土支護圍巖整體性好，不易風化的可不支護中松動圈Ⅱ較穩(wěn)定圍巖40～100錨桿懸吊理論，噴層局部支護局部錨桿支護Ⅲ一般圍巖100～150錨桿懸吊理論，噴層局部支護剛性支護有局部破壞，采用可縮性支護大松動圈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)局部支護剛性支護大面積破壞，采用可縮性支護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)合支護圍巖變形在一般支護下無穩(wěn)定期39圍巖松動圈分類有三個突出優(yōu)點：（1）繞過了地應力、圍巖強度、結構面性質測定等困難問題，但又著重抓住了它們的影響結果，即松動圈是一個綜合指標；（2）松動圈系實測所得，未在重要方面作任何假設；（3）松動圈大小很容易用聲測法獲得，確定支護參數(shù)時直觀簡單，現(xiàn)場應用十分方便。40煤巷圍巖塑性區(qū)分布414.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的難易程度，將回采巷道圍巖分為五類：巷道維護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＞100042中國煤炭科學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435.按施工需要分類1988年，煤炭工業(yè)部根據(jù)全國58條試驗巷道的地質特征、井巷開拓后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，共為五類：44①巖體的地質力學分類（CSIR分類)

畢昂斯基(Bieniaski,1973)提出RMR(RockMassRating)值分類法南非科學和工業(yè)委員會（CSIR)式中：R1-巖石抗壓強度評分，R2-RQD評分，R3-節(jié)理間距評分，R4-節(jié)理狀態(tài)評分，R5-地下水狀態(tài)評分，R6-節(jié)理的方向對工程的影響修正評分，這6個指標分別由如下各表來確定。6、按巖體綜合指標分類－145（1）與巖石強度相關的巖體評分值R1可以用標準試件進行單軸壓縮來確定，也可由點荷載試驗確定。46（2）巖石質量指標RQD評分R2（3）對應于節(jié)理組間距的巖石評分值R3節(jié)理間距評分值R3節(jié)理間距/cm≥20060~20020~606~20＜6R3評分值2015108547（4）與節(jié)理狀態(tài)相關的巖體評分值R448（5）與地下水狀態(tài)相關的巖體評分值R549@1973，南非科學和工業(yè)委員會（CSIR)畢昂斯基(Bieniaski)提出RMR計算式@1979年，提出修正RMR計算式@為什么要考慮節(jié)理方向對工程是否有利（R6）修正前五個評分之和？@看下面的幾幅圖的情況，如何？5051（6）考慮節(jié)理方向對工程是否有利來修正前五個評分之和R6

52€

根據(jù)6個參數(shù)之和RMR值，把巖體的質量劃分為五類53

@本分類還給出了對巖體穩(wěn)定性（隧洞巖體自穩(wěn)時間）以及對應的巖體c,φ值適用：堅硬、節(jié)理巖體，淺埋隧道不適用：擠壓、膨脹、涌水的及軟巖體。54③我國工程巖體分級標準（GB50218-94）

分兩步計算：1）巖體基本質量分級－－計算BQ2）巖體穩(wěn)定性分級－－計算[BQ],判斷分類。

3）按巖體綜合指標分類－255（1）工程巖體分級的基本方法（1.1）計算BQ(1.1.1）確定巖體基本質量兩個指標：巖石的堅硬程度σc；巖體完整性指數(shù)Kv。

a.巖石堅硬程度的確定

巖石堅硬程度采用巖石單軸飽和抗壓強（σc）56σc與定性劃分的巖石堅硬程度的關系b.巖體完整性指數(shù)（Kv）的確定。①用彈性波測試，計算龜裂系數(shù)Kv。②選擇有代表性露頭或開挖面，對不同的工程地質巖組進行節(jié)理裂隙統(tǒng)計，節(jié)理數(shù)（Jv）(條/m3)57Jv與

Kv的對照關系Kv與巖體完整性程度定性劃分的對應關系58（1.1.2）基本質量分級a.計算巖體基本質量指標BQBQ=90+3σC+250KV式中：σC－巖石單軸飽和抗壓強度,MPa;KV－巖體完整性指數(shù)值注：①當σC>90KV+30,代σC＝90KV+30②當KV>0.04RC+0.4,代KV＝0.04RC+0.459b.按計算所得的BQ值分級60（1.2）結合工程情況，計算巖體基本質量指標修正值[BQ][BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)K1－地下水影響修正系數(shù)；K2－結構面產狀影響修正系數(shù)；K3－地應力影響修正系數(shù)。616263[BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)BQ=90+3σC+250KV64按計算所得的[BQ]值分級[BQ]＝BQ－100(K1+K2+K3)652.工程巖體分級標準的應用－2條（1）巖體物理力學參數(shù)的選用6667（2）地下工程巖體自穩(wěn)能力的確定

注：小塌方：塌方高度<3m，或體積<30m3；中塌方：塌方高度3～6m，或體積30～100m3；

大塌方：塌方高度>6m，或體積>100m3；68我國工程巖體分級標準（GB50218-94）的評價

優(yōu)點：1）對地下隧道適用性較強；2）能反映巖體基本質量分級－－計算BQ3）考慮工程巖體特性（地下水、節(jié)理與工程位置關系、地應力－－計算[BQ],判斷分類。缺點：對邊坡巖體和地基巖體的分級研究較少。

695）煤礦錨噴支護巷道圍巖分類

隨著采礦業(yè)、水電工程和其它地下工程技術的迅速發(fā)展，我國煤炭、冶金和鐵路等部門的地下工程，都提出了巖體穩(wěn)定性的分類方法。其中煤礦錨噴支護巷道的圍巖分類，根據(jù)錨噴支護設計需要，結合煤礦巖體的特點，將圍巖劃分為五類，如下表所示，具體分類方法詳見（錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范－GB50086-2001）

上述分類方法，是作為錨噴支護類型而選擇參數(shù)服務的。這種圍巖分類，充分考慮了圍巖的節(jié)理、裂隙影響，為選擇錨噴支護類型和確定錨噴支護參數(shù)提供了依據(jù)，彌補了普氏分級法的不足。但還缺少綜合性的分類指標，仍然缺乏簡單易行的現(xiàn)場實測手段，有待不斷改進。

70煤礦錨噴支護巷道圍巖分類表圍巖分類巖層描述巷道開掘后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)（3～5m跨度）巖種舉例類別名稱Ⅰ穩(wěn)定巖層1.完整堅硬巖層，Rb＞60MPa，不易風化，2.層狀巖層層間狡結好，無軟弱夾層圍巖穩(wěn)定，長期不支護無碎塊掉落現(xiàn)象完整的玄武巖;石英質砂巖;奧陶紀灰?guī)r;茅口灰?guī)r，大冶厚層灰?guī)rⅡ穩(wěn)定性較好巖層1.完整比較堅硬巖層，Rb=40～60MPa2.層狀巖層，膠結較好3.堅硬塊狀巖層，裂隙面閉合，無泥質充填物．Rb>60MPa圍巖基本穩(wěn)定，較長時間不支護會出現(xiàn)小塊掉落膠結好的砂巖、礫巖；大冶薄層灰?guī)rⅢ中等穩(wěn)定巖層1.完整的中硬巖層，Rb＞20～40MPa2.層狀巖層,以堅硬巖層為主,夾有少數(shù)軟巖層3.比較堅硬的塊狀巖層，Rb=40～60MPa圍巖能維持一個月以上穩(wěn)定,有時會產生局部巖塊掉落砂巖、砂質頁巖、粉砂巖、石灰?guī)r、硬質疑灰?guī)rⅣ穩(wěn)定性較差巖層1.較軟的完整巖層，Rb＜20MPa2.中硬的層狀巖層3.中硬的塊狀巖層，Rb=20～40MPa圍巖的穩(wěn)定時間僅有幾天頁巖、泥巖、膠結不好的砂巖、硬煤Ⅴ不穩(wěn)定巖層1.易風化潮解剝落的松軟巖層2.各類破碎巖層圍巖很容易產生冒頂片幫炭質頁巖、花斑泥巖、軟質凝灰?guī)r、煤、破碎的各類巖石716按圍巖松動圈的分類方法

1.松動圈：巷道開挖后，圍巖應力由三相變?yōu)槎啵瑢⒅匦路植?，巷道周圍將產生應力集中，如果集中應力值大于巖石強度，則圍巖將產生破裂，這種破裂將從巷道周邊開始逐漸向深部擴展，直至達到新的三相應力平衡，此時圍巖中會出現(xiàn)一個破裂帶，這個破裂帶叫做松動圈。2.支護對象圍巖松動圈巷