隧道工程課件隧道圍巖分級與圍巖壓力

第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力中南大學(xué)第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力學(xué)習(xí)本章的目的：（1）要求掌握有關(guān)隧道的勘查、設(shè)計、構(gòu)造原理和有關(guān)計算方法；（2）理解隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素及其與施工方法的關(guān)系；（3）了解隧道圍巖分級時考慮的因素。第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力4.1隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)4.2圍巖的穩(wěn)定性4.3圍巖分級4.4圍巖壓力的確定第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力4.1隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)圍巖的概念圍巖:隧道開挖后對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖(土)體。說明：圍巖既指巖體也指土體。圍巖的工程性質(zhì)

物理工程性質(zhì)水理力學(xué)第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力巖石與巖體的區(qū)別：

巖石：均質(zhì)、連續(xù)、各向同性巖體：非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異性巖體力學(xué)性質(zhì)獲取的方式：現(xiàn)場試驗：真實、費時、費錢室內(nèi)試驗：不易取樣、代表性差問題：

1.結(jié)構(gòu)計算與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系？

2.隧道結(jié)構(gòu)計算的難點？第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力1、巖體的變形特性

受拉、受壓、剪切、流變問題：巖體能受拉嗎？

1)受壓變形

巖石：線性、彈性軟弱結(jié)構(gòu)面：非線性、塑性巖體：彈塑性體，見下圖。第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力2)剪切變形

(1)沿結(jié)構(gòu)面滑動

(2)巖石的斷裂

(3)在結(jié)構(gòu)面的影響下沿巖石剪斷第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力3)流變特性●蠕變：指應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時間增長。

●松弛：應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時間而衰減問題：圍巖流變特性對隧道的影響？

第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力2、巖體強度

巖石強度：通過試件獲得。巖體強度：低于巖石強度，約為巖石強度的70～80％。第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力4.2圍巖的穩(wěn)定性4.2.1研究圍巖穩(wěn)定性的意義圍巖的穩(wěn)定性：隧道開挖后，在不支護條件下圍巖的穩(wěn)定性。問題：什么是隧道工程的頭等大事？研究圍巖的穩(wěn)定性，如何促使圍巖穩(wěn)定。第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力圍巖級別的工程作用：①判斷圍巖穩(wěn)定性。②判斷施工難易程度，投資依據(jù)。③結(jié)構(gòu)分析計算的依據(jù)第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力4.2.2影響圍巖穩(wěn)定性的因素

⑴地質(zhì)因素～客觀因素⑵人為因素～主觀因素、工程因素第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力1、地質(zhì)因素從5個方面來分析：⑴巖體結(jié)構(gòu)特征⑵結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合⑶巖石的力學(xué)性質(zhì)⑷地下水的影響⑸圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力⑴巖體結(jié)構(gòu)特征指巖體的破碎程度或完整狀態(tài)?！衿扑槌潭龋毫严堵?、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?！裢暾麪顟B(tài)：整塊狀、大塊狀等。按這2個指標有下圖：第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力⑵結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間組合●性質(zhì)

1)結(jié)構(gòu)面的成因；

2)結(jié)構(gòu)面的光滑程度；

3)結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成；

4)結(jié)構(gòu)面的規(guī)模；

5)結(jié)構(gòu)面的密集度?！窨臻g組合指結(jié)構(gòu)面的相互位置狀態(tài)。問題：軟弱結(jié)構(gòu)面有怎樣的害處？什么是不利空間組合？第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力⑶巖石的力學(xué)性質(zhì)

主要指巖石的單軸飽和極限抗壓強度Rb。巖石強度越高，隧道越穩(wěn)定。(4)圍巖的初應(yīng)力狀態(tài)

●初始應(yīng)力是隧道圍巖變形、破壞的根本作用力。●已初步將初始應(yīng)力考慮進圍巖分級之中。在高的初始應(yīng)力場條件下，圍巖級別應(yīng)適當降低。第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力⑸地下水的影響●軟化圍巖；●減少層間摩阻力促使巖塊滑動；●具膨脹性的圍巖，遇水后產(chǎn)生膨脹等。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力2、人三為因三素⑴三隧道三形狀三和尺三寸⑵三支護三結(jié)構(gòu)三類型⑶三施工三方法第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力4.三3圍巖三分級4.三3.三1概三述圍巖三分級三：根據(jù)三巖體三的若三干指三標，三按照三穩(wěn)定三性將三圍巖三分成三不同三的級三別。工程三目的：（1）結(jié)三構(gòu)設(shè)三計依三據(jù)（2）施三工方三法依三據(jù)（3）工三程造三價依三據(jù)第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力圍巖三分級三的發(fā)三展過三程：第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力其它三分級三法：總結(jié)三：早期三～僅三巖石三強度三；現(xiàn)在三～綜三合多三種因三素，三如巖三體構(gòu)三造、三巖石三強度、RQ三D指標三等。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力圍巖三分級三方法3個基三本因三素：①巖性三：抗壓三強度三、彈三性模三量、三彈性三波速三等。②地質(zhì)三構(gòu)造三：巖體三完整三性或三結(jié)構(gòu)三狀態(tài)三。③地下三水：地下三水發(fā)三育時三，圍三巖級三別應(yīng)三降低三。1個附三加因三素：④初始三地應(yīng)三力：適當三考慮三。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力（一三）以三巖石三強度三或巖三石的三物性三指標三為代三表的三分級三法1.以巖三石強三度為三基礎(chǔ)三的分三級法代表三：土石三分類三法～三堅石三、次三堅石三、松三石、三土。2.以巖三石物三性指三標為三基礎(chǔ)三的分三級法代表三：巖石三堅固三性系三數(shù)(f值)分級三法～三普氏三法f值：三一個三綜合三的物三性指三標值三，如三巖石三的抗三鉆性三、抗三爆性三、強三度等三。但核三心還三是巖三石強三度。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力(二)以巖三體構(gòu)三造、三巖性三特征三為代三表的三分級三方法代表三：●泰沙三基法～考慮三圍巖三的完三整狀三態(tài)和三巖性三，共9級。●我國三交通三隧道三圍巖三分級三法～借鑒三了泰三沙基三法，三考慮三巖體三綜合三物性三，共6級。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力（三三）與三地質(zhì)三勘探三手段三相聯(lián)三系的三分級三方法代表三：●彈性三波速三分級三法～波速三是反三映巖三性與三巖體三結(jié)構(gòu)三的一三項綜三合指三標，三波速三越高三，圍三巖越三好。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力●巖石三質(zhì)量三指標～RQ三D指標三也是三反映三巖性三與巖三體結(jié)三構(gòu)的三一項三綜合三指標三。RQ三D指標三的具三體含三義為三巖芯三復(fù)原三率:第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力(四)組合三多種三因素三的分三級方三法代表三：巖體三質(zhì)量三分級三法巴頓三等人三提出三的“巖體三質(zhì)量—Q”分級三法。三表達三如下三：組合三了6個參三數(shù)：巖石三質(zhì)量三指標三、節(jié)三理組三數(shù)目三、節(jié)三理粗三糙度三、節(jié)理三蝕變?nèi)?、三?jié)理三含水三折減三系數(shù)三、應(yīng)三力折三減系三數(shù)。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力(五)我國三鐵路三與公三路隧三道的三圍巖三分級三方法1.鐵路三隧道⑴沿三革●巖體三綜合三分類～60年代三，成三昆線三，五三類?！袼淼廊龂鷰r三分類～74年版三，首三部鐵三路隧三道規(guī)三范，三六類三?！袼淼廊龂鷰r三分類～86年版三，加三入圍三巖彈三性波三速指三標?！袼淼廊龂鷰r三分級～99年版三，采三用國三標分三級排三序，三改稱“圍巖三分級”，六三級。●隧道三圍巖三分級～20三01年版三，不三變?！袼淼廊龂鷰r三分級～20三05年版三，不三變。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力⑵分級三的理三論基三礎(chǔ)●以圍三巖的三穩(wěn)定三性判三斷為三基礎(chǔ)。屬于“以巖三體構(gòu)三造和三巖性三特征三為代三表”的分三級方三法?！裰饕紤]4種因三素：①巖三石堅三硬程三度②圍三巖完三整狀三態(tài)③地三下水④圍三巖初三始地三應(yīng)力基本三分級三修三正基三本分三級三最終三分級基本三分級修正三基本三分級第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力⑶基本三分級依據(jù)三：圍三巖主三要工三程地三質(zhì)條三件，三由兩三條組三成：①巖三石堅三硬程三度軟硬三巖分三界指三標：30三Mp三aRb>3三0硬巖5三<Rb≤3三0軟巖Rb<5極軟三巖②圍三巖完三整程三度指標1：結(jié)三構(gòu)面三發(fā)育三程度指標2：地三質(zhì)構(gòu)三造影三響程三度由此三兩指三標，三將巖三體完三整程三度分三為5個級三別，三見下三表：第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力巖體三完整三程度三的劃三分第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力圍巖三受地三質(zhì)構(gòu)三造影三響程三度等三級劃三分第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力圍巖三節(jié)理三（裂三隙）三發(fā)育三程度三劃分第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力(4三)鐵路三隧道三圍巖三分級三表基本三分級+圍巖三彈性三縱波三速度=鐵路三隧道三圍巖三分級三表見教三材P8三2-三83。⑸三特點◆給三出了三單線三隧道三圍巖三開挖三后的三穩(wěn)定三狀態(tài)三。◆尚三未考三慮地三下水三和地三應(yīng)力三。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力⑹修正三分級◆三地下三水地下三水的3種處三理方三法：①分三級時三按無三水考三慮，三而是三根據(jù)三地下三水的三狀態(tài)三，適三當降三低圍三巖等三級(1～2級)；②分三級時三按有三水考三慮，三當確三認圍三巖無三水則三提高三圍巖三等級三；③直三接將三地下三水狀三況(水質(zhì)三、水三量、三流通三條件三、靜三水壓三力等)作為三一個三分級三指標三。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力鐵路三隧道三分級三按第1種方三法處三理：地下三水狀三態(tài)的三分級三表地下三水影三響的三修正第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力◆初始三地應(yīng)三力第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力◆初始三地應(yīng)三力影三響的三修正第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力兩點三說明三：設(shè)計三階段三：采用三修正三后的三圍巖三分級三。施工三階段三：根據(jù)三實際三情況三，進三一步三判定三圍巖三分級三，依三據(jù)仍三然是三：巖石三堅硬三程度圍巖三完整三狀態(tài)地下三水初始三地應(yīng)三力第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力2.公路三隧道⑴初三步分三級～三相當三于鐵三路的三基本三分級依據(jù)三：圍三巖主三要定三性特三征該特三征由三兩個三基本三因素三組成三：●巖三石堅三硬程三度Rc(即強三度)●巖體三完整三性Kv(即彈三性波三速)推出圍巖三基本三質(zhì)量三指標BQ三=9三0+三3Rc+2三50三Kv第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力⑵詳細三分級三～相三當于三鐵路三的修三正分三級修正BQ值：三當有三以下3方面三影響三時，三應(yīng)予三修正三：①地三下水K1②軟弱三結(jié)構(gòu)三面(比鐵三路多三此條)K2③高初三始地三應(yīng)力K3[B三Q]三=修正BQ值=B三Q-三10三0(三K1+K2+K3)K1～K3各值三可查三公路三隧道三規(guī)范三附錄三～第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力公路三圍巖三分級三表：參數(shù)三：①圍三巖主三要定三性特三征②BQ值，三或[B三Q]值(當需三要修三正時)第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力(六)問題三及研三究方三向1.問題指標三定性三的多三、定三量的三少。三如何三做到三準確三、方三便、三好用三？2.研究⑴發(fā)三展物三探手三段，三增加三定量三指標三。⑵發(fā)三展分三析理三論模糊三數(shù)學(xué)三～圍三巖分三級；隧道三位移三～圍三巖分三級；人工三智能三專家三系統(tǒng)三～圍三巖分三級等三。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力4.三4圍巖三壓力4.三4.三1巖體三初始三應(yīng)力三狀態(tài)自重三應(yīng)力構(gòu)造三應(yīng)力地下三水壓三力溫度三應(yīng)力第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力一、三圍巖三壓力三及其三分類(一)圍巖三壓力第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力（二三）圍三巖壓三力分三類1．松三動壓三力～圍巖三變形三過大三，發(fā)三生松三動而三形成三的壓三力。2．形三變壓三力～圍巖三變形三在有三限范三圍內(nèi)三而形三成的三壓力三。這是三最重三要的三兩種三壓力三形態(tài)三。問題三：1.這兩三種壓三力性三質(zhì)上三有何三不同三？2.壓力三的性三質(zhì)與三圍巖三穩(wěn)定三性有三何關(guān)三系？第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力3．膨三脹壓三力～膨脹三性巖三層。4．沖三擊壓三力～明洞三，落三石；暗洞三，坍三方、三巖爆三。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力4.三4.三2影響三圍巖三壓力三的因三素㈠地三質(zhì)因三素1.巖體三初始三應(yīng)力三狀態(tài)2.巖石三力學(xué)三性質(zhì)3.巖體三結(jié)構(gòu)三面4.地下三水等㈡工三程因三素1.施工三方法2.支護三設(shè)置三時間3.支護三本身三剛度4.隧道三斷面三形狀三等第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力4.三4.三3圍巖三松動三壓力三的形三成和三確定三方法1.圍巖三松動三壓力三的形三成自然三拱的三概念三：圍巖三的變?nèi)尾蝗艿萌接腥У娜刂迫?，當三變形三超過三一定三限度三后，三圍巖三發(fā)生三松動三、坍三落，三最終三在洞三室上三方形三成拱三形。(a三)變形三階段三；(b三)松動三階段三；(c三)塌落三階段三；(d三)成拱三階段三。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力影響三自然三拱的三因素三：●隧道三埋深三～成拱三的必三要條三件●隧道三斷面三形狀三和大三小～拱的三范圍●施工三因素三～對圍三巖的三擾動三程度2、圍三巖壓三力的三確定三方法直接三量測三法理論三估算三法統(tǒng)計三法（三經(jīng)驗三法、三工程三類比三法）第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力1)深埋三隧道三圍巖三松動三壓力三的確三定方三法(1三)統(tǒng)計三法—我國《隧規(guī)》所推三薦的三方法式中γ—圍巖三容重三；hq—坍落三拱高三度；s—圍巖三級別三；w—寬度三影響三系數(shù)三，由w=三1+三i（B-三5）計三算：B—坑道三寬度三，當B＜5m時，三取i三=0三.2，當B＞5m時，三取i三=0三.1。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力水平三壓力三見表4-三7：表4-三7圍巖三水平三均布三壓力第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力統(tǒng)計三法公三式的三適用三條件三：H/三B＜1.三7，H為坑三道的三高度三；深埋三隧道三；不產(chǎn)三生顯三著偏三壓力三及膨三脹力三的一三般圍三巖；采用三礦山三法施三工。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力據(jù)統(tǒng)三計，三圍巖三垂直三松動三壓力三的分三布可三概括三為4種，三如圖4-三7。統(tǒng)計三法公三式僅三針對三圖中三第一三種情三況。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力(2三)普氏三理論散粒三體理三論：三巖體三被節(jié)三理、三裂隙三所切三割，三視為三散粒三體。普氏三系數(shù)f(巖體三堅固三性系三數(shù)):第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力巖體三堅固三性系三數(shù)f的概三念：f—是一三個以三巖體三強度三為主三的指三標，三兼顧三抗鉆三性、三抗爆三性、三地下三水等三性質(zhì)三。前述三自然三拱概三念最早三由普三氏提三出：第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力①堅硬三巖體:②松散三破碎三巖體三：式中bt為隧三道凈三跨度三的一三半；Ht為隧三道凈三高度三。一般三來說三，普三氏理三論比三較適三用于三松散三、破三碎的三圍巖三中。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力(3三)泰沙三基理三論理論三：散三粒體三理論三?！艏俣ㄈ浩屏讶鏋槿劬€—OA三B◆方法三：研究三微分三條帶dh的平三衡。◆步驟三：1.三ΣV三=0，建三立微三分方三程2.邊界三條件三：第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力3.解微三分方三程，得三：4.討論三：⑴三當埋三深h達到三一定三程度三時，συ為恒三值：⑵三取側(cè)三壓力三系數(shù)k=三1，則三有：⑶與三普氏三法對三照，三能發(fā)三現(xiàn)什三么？第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力2)淺埋三隧道三圍巖三松動三壓力三的確三定方三法⑴三深、三淺埋三隧道三的判三定原三則Hp＝（2～2.三5）hqH≥三Hp時為三深埋H＜Hp時為三淺埋H為覆三蓋層三厚度I一II三I級圍三巖取:Hp＝2hqIV～VI級圍三巖取:Hp＝2.三5hq第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力(2三)淺埋三隧道三圍巖三松動三壓力三的確三定方三法①三土柱三法要點三：忽三略滑三動面三上的三阻力三。適于三：埋三深H三≤h三q垂直三壓力三：q=三γH水平三壓力三按朗三金公三式：e三=γ(H三+三1三/2三H三t)三tg2(4三50–Φ/2三)Ht為隧三道凈三高。第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力②一院三法重點三：當H＞hq時，三應(yīng)該三考慮三滑動三面上三的阻三力。分析三下圖三：第4章三隧道三圍巖三分級三與圍三巖壓三力1.破裂三面AC、B