地下建筑結(jié)構(gòu) 第5章 隧道圍巖分級(jí)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(jì)、構(gòu)造原理和有關(guān)計(jì)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(jí)時(shí)考慮的因素。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(jí)4.4圍巖壓力的確定第4章隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力

Surroundingrockclassificationandpressure4.1隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)4.1.1圍巖的概念圍巖:隧道開挖后對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖(土)體。說(shuō)明：圍巖既指巖體也指土體。4.1.2圍巖的工程性質(zhì)

物理工程性質(zhì)水理力學(xué)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(chǎng)試驗(yàn)：真實(shí)、費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢室內(nèi)試驗(yàn)：不易取樣、代表性差問(wèn)題：1.結(jié)構(gòu)計(jì)算與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系？2.隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的難點(diǎn)？1、巖體的變形特性

受拉、受壓、剪切、流變問(wèn)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。

圖4-1典型巖體全應(yīng)力應(yīng)變曲線巖體：①壓密階段(OA)②彈性階段(AB)③塑性階段(BC)④破裂和破壞階段(CD)

2)剪切變形(1)沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)(2)巖石的斷裂(3)在結(jié)構(gòu)面的影響下沿巖石剪斷3)流變特性●蠕變：指應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)?！袼沙冢簯?yīng)變不變，而應(yīng)力隨時(shí)間而衰減問(wèn)題：圍巖流變特性對(duì)隧道的影響？

圖4-2巖體的流變2、巖體強(qiáng)度

巖石強(qiáng)度：通過(guò)試件獲得。巖體強(qiáng)度：低于巖石強(qiáng)度，約為巖石強(qiáng)度的70～80％。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(hù)條件下圍巖的穩(wěn)定性。問(wèn)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。圍巖級(jí)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(jì)算的依據(jù)

⑴地質(zhì)因素～客觀因素⑵人為因素～主觀因素、工程因素4.2.2影響圍巖穩(wěn)定性的因素1、地質(zhì)因素從5個(gè)方面來(lái)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)⑴巖體結(jié)構(gòu)特征

指巖體的破碎程度或完整狀態(tài)。

●破碎程度：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。

●完整狀態(tài)：整塊狀、大塊狀等。按這2個(gè)指標(biāo)有下圖：

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。●空間組合指結(jié)構(gòu)面的相互位置狀態(tài)。問(wèn)題：軟弱結(jié)構(gòu)面有怎樣的害處？什么是不利空間組合？張家界圖節(jié)理較發(fā)育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(qiáng)度Rb。巖石強(qiáng)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(jìn)圍巖分級(jí)之中。在高的初始應(yīng)力場(chǎng)條件下，圍巖級(jí)別應(yīng)適當(dāng)降低。⑸地下水的影響●軟化圍巖；●減少層間摩阻力促使巖塊滑動(dòng)；●具膨脹性的圍巖，遇水后產(chǎn)生膨脹等。

2、人為因素⑴隧道形狀和尺寸⑵支護(hù)結(jié)構(gòu)類型⑶施工方法

超挖4.3圍巖分級(jí)

4.3.1概述

圍巖分級(jí)：根據(jù)巖體的若干指標(biāo)，按照穩(wěn)定性將圍巖分成不同的級(jí)別。工程目的：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)（2）施工方法依據(jù)（3）工程造價(jià)依據(jù)

圍巖分級(jí)的發(fā)展過(guò)程：土石分類法單一因素分類法綜合物性分類法其它分級(jí)法：組合多因素分類法與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分類法總結(jié)：早期～僅巖石強(qiáng)度；現(xiàn)在～綜合多種因素，如巖體構(gòu)造、巖石強(qiáng)度、RQD指標(biāo)等。

4.3.2圍巖分級(jí)方法

3個(gè)基本因素：①巖性：抗壓強(qiáng)度、彈性模量、彈性波速等。②地質(zhì)構(gòu)造：巖體完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。③地下水：地下水發(fā)育時(shí)，圍巖級(jí)別應(yīng)降低。1個(gè)附加因素：④初始地應(yīng)力：適當(dāng)考慮。（一）以巖石強(qiáng)度或巖石的物性指標(biāo)為代表的分級(jí)法

1.以巖石強(qiáng)度為基礎(chǔ)的分級(jí)法

代表：土石分類法～堅(jiān)石、次堅(jiān)石、松石、土。

2.以巖石物性指標(biāo)為基礎(chǔ)的分級(jí)法代表：巖石堅(jiān)固性系數(shù)(f值)分級(jí)法～普氏法f值：一個(gè)綜合的物性指標(biāo)值，如巖石的抗鉆性、抗爆性、強(qiáng)度等。但核心還是巖石強(qiáng)度。

(二)以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分級(jí)方法代表：●泰沙基法～考慮圍巖的完整狀態(tài)和巖性，共9級(jí)。

●我國(guó)交通隧道圍巖分級(jí)法～借鑒了泰沙基法，考慮巖體綜合物性，共6級(jí)。

（三）與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級(jí)方法代表：

●彈性波速分級(jí)法～波速是反映巖性與巖體結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，波速越高，圍巖越好。波速Kv>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15完整性完整較完整破碎較破碎極破碎

●巖石質(zhì)量指標(biāo)～RQD指標(biāo)也是反映巖性與巖體結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。RQD指標(biāo)的具體含義為巖芯復(fù)原率:

R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5R<0.25優(yōu)良好差很差表中R為RQD指標(biāo)。(四)組合多種因素的分級(jí)方法代表：

巖體質(zhì)量分級(jí)法巴頓等人提出的“巖體質(zhì)量—Q”分級(jí)法。表達(dá)如下：組合了6個(gè)參數(shù)：巖石質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理組數(shù)目、節(jié)理粗糙度、節(jié)理蝕變值、節(jié)理含水折減系數(shù)、應(yīng)力折減系數(shù)。(五)我國(guó)鐵路與公路隧道的圍巖分級(jí)方法1.鐵路隧道⑴沿革●巖體綜合分類～60年代，成昆線，五類?！袼淼绹鷰r分類～74年版，首部鐵路隧道規(guī)范，六類?！袼淼绹鷰r分類～86年版，加入圍巖彈性波速指標(biāo)?！袼淼绹鷰r分級(jí)～99年版，采用國(guó)標(biāo)分級(jí)排序，改稱“圍巖分級(jí)”，六級(jí)?！袼淼绹鷰r分級(jí)～2001年版，不變。●隧道圍巖分級(jí)～2005年版，不變。⑵分級(jí)的理論基礎(chǔ)●以圍巖的穩(wěn)定性判斷為基礎(chǔ)。

屬于“以巖體構(gòu)造和巖性特征為代表”的分級(jí)方法?！裰饕紤]4種因素：

①巖石堅(jiān)硬程度②圍巖完整狀態(tài)③地下水④圍巖初始地應(yīng)力

基本分級(jí)修正基本分級(jí)

基本分級(jí)修正基本分級(jí)最終分級(jí)⑶基本分級(jí)依據(jù)：圍巖主要工程地質(zhì)條件，由兩條組成：

①巖石堅(jiān)硬程度

軟硬巖分界指標(biāo)：30MpaRb>30硬巖5<Rb≤30軟巖Rb<5極軟巖②圍巖完整程度

指標(biāo)1：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度指標(biāo)2：地質(zhì)構(gòu)造影響程度由此兩指標(biāo)，將巖體完整程度分為5個(gè)級(jí)別，見下表：

完整程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度地質(zhì)構(gòu)造影響程度完整不發(fā)育輕微較完整較發(fā)育、不發(fā)育較重、輕微較破碎發(fā)育、較發(fā)育嚴(yán)重破碎極發(fā)育、發(fā)育極嚴(yán)重、嚴(yán)重極破碎極發(fā)育極嚴(yán)重等級(jí)地質(zhì)構(gòu)造作用特征輕微圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)小，無(wú)斷裂（層）；層狀巖體一般呈單斜構(gòu)造；節(jié)理不發(fā)育較重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)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(yán)重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)較強(qiáng)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(yán)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(jí)地質(zhì)構(gòu)造作用特征節(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（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（裂隙）3組以上，不規(guī)則，呈x型或米字型，以構(gòu)造型或風(fēng)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（裂隙）3組以上，雜亂，以構(gòu)造型或風(fēng)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⑸特點(diǎn)◆給出了單線隧道圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)?！羯形纯紤]地下水和地應(yīng)力。

地下水狀態(tài)的分級(jí)表級(jí)別狀態(tài)滲水量[L/(min·10m)]Ⅰ干燥或濕潤(rùn)<10Ⅱ偶有滲水10~25Ⅲ經(jīng)常滲水25~125

圍巖基本分類地下水狀態(tài)分級(jí)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ—ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ—ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ—初始地應(yīng)力狀態(tài)主要現(xiàn)象評(píng)估基準(zhǔn)（Rc/σmax）極高應(yīng)力1.硬質(zhì)巖：開挖過(guò)程中時(shí)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<42.軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過(guò)程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不易成洞高應(yīng)力1.硬質(zhì)巖:開挖過(guò)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4-72.軟質(zhì)巖：巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象，開挖過(guò)程中洞壁巖體位移極顯著，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，成洞性差圍巖基本分級(jí)修正級(jí)別初始地應(yīng)力狀態(tài)ⅠⅡⅢⅣⅤ極高應(yīng)力ⅠⅡⅢ或ⅣⅤⅥ高應(yīng)力ⅠⅡⅢⅣ或ⅤⅥ(六)問(wèn)題及研究方向1.問(wèn)題指標(biāo)定性的多、定量的少。如何做到準(zhǔn)確、方便、好用？

2.研究⑴發(fā)展物探手段，增加定量指標(biāo)。⑵發(fā)展分析理論模糊數(shù)學(xué)～圍巖分級(jí)；隧道位移～圍巖分級(jí)；人工智能專家系統(tǒng)～圍巖分級(jí)等。自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力地下水壓力溫度應(yīng)力原巖毛洞穩(wěn)定洞室開挖支護(hù)一、圍巖壓力及其分類(一)圍巖壓力

圍巖壓力地層對(duì)洞室的作用力廣義：包括有、無(wú)支護(hù)時(shí)的壓力狹義：僅指對(duì)支護(hù)的壓力（二）圍巖壓力分類

1．松動(dòng)壓力～圍巖變形過(guò)大，發(fā)生松動(dòng)而形成的壓力。2．形變壓力～圍巖變形在有限范圍內(nèi)而形成的壓力。這是最重要的兩種壓力形態(tài)。問(wèn)題：1.這兩種壓力性質(zhì)上有何不同？2.壓力的性質(zhì)與圍巖穩(wěn)定性有何關(guān)系？3．膨脹壓力～膨脹性巖層。4．沖擊壓力～明洞，落石；暗洞，坍方、巖爆。4.4.2影響圍巖壓力的因素

㈠地質(zhì)因素1.巖體初始應(yīng)力狀態(tài)2.巖石力學(xué)性質(zhì)3.巖體結(jié)構(gòu)面4.地下水等㈡工程因素1.施工方法2.支護(hù)設(shè)置時(shí)間3.支護(hù)本身剛度4.隧道斷面形狀等1.圍巖松動(dòng)壓力的形成

自然拱的概念：圍巖的變形不能得到有效的控制，當(dāng)變形超過(guò)一定限度后，圍巖發(fā)生松動(dòng)、坍落，最終在洞室上方形成拱形。

(a)變形階段；(b)松動(dòng)階段；(c)塌落階段；(d)成拱階段。

4.4.3圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定方法自然拱影響自然拱的因素：

●隧道埋深～成拱的必要條件