隧道圍巖分級及圍巖壓力

1、第一章隧道圍巖分級和圍巖壓力surroundingrockclassificationandpressure，第一節(jié)圍巖分級第二節(jié)圍巖壓力和拱作用第三節(jié)圍巖壓力的計算，第一、概述第一圍巖的概念：隧道挖掘后，在其周圍形成應(yīng)力分布范圍內(nèi)的巖體(流沙和花崗巖圍巖的穩(wěn)定性：隧道開挖后不加支護時圍巖自身的穩(wěn)定性充分穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、暫時穩(wěn)定、不穩(wěn)定。 第一節(jié)圍巖分級、下一張、流砂、管涌現(xiàn)象、回流、花崗巖、回流、長期工程實踐表明，各種圍巖的物理性質(zhì)之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，穩(wěn)定性相似2圍巖等級目的：為隧道設(shè)計和施工提供依據(jù)。 (1)可以相應(yīng)地選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒ǎ?2)確定支撐結(jié)構(gòu)上的載荷(松散的載荷)

2、(3)確定襯砌結(jié)構(gòu)的類型及其尺寸，分析下一張、隧道圍巖的變化情況，返回到街道隧道施工現(xiàn)場，下一張、砂性土圍巖、下一張、開口部圍巖分級方法的介紹現(xiàn)行的圍巖分級法，與巖性有關(guān)的要素：如巖的強度和變形性(抗壓強度、彈性模量、彈性波速等)可以將巖分為硬巖、軟巖、膨脹巖等。 2與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的因素：巖體的完整性或構(gòu)造狀態(tài)。 例如軟弱結(jié)構(gòu)面的分布和性狀、風(fēng)化程度、節(jié)理發(fā)育程度、塊度的大小等，其等級指標(biāo)在圍巖等級中占有重要地位。 3地下水相關(guān)因素：水是穩(wěn)定隧道的重要原因，地下水對圍巖穩(wěn)定性的影響有： (1)地下水軟化圍巖，降低圍巖體的強度；(2)地下水軟化圍巖體中的構(gòu)造面，降低圍巖體的剪切強度，使圍巖體容易

3、滑動；(3)地下水形成壓力水體，周圍的巖石總而言之，地下水不利于圍巖的穩(wěn)定性。 三、目前國內(nèi)外隧道圍巖分級方法： (一)以巖石強度和物理性質(zhì)為指標(biāo)的分級法： 1以巖石強度為指標(biāo)的分級法(我國解放初期的分級法，成渝線建設(shè)時使用過):巖石越硬坑道越穩(wěn)定，圍巖越好。 該分級法一般有圍巖4種：堅巖、次堅巖、松石和土四級。 地坑院，下一張，地坑院，下一張，地坑院出入口，下一張，地坑院出入口，下一張，地坑院室內(nèi)，返回2巖石物理性質(zhì)為指標(biāo)的分級法：前蘇聯(lián)的普氏分級法(也稱為值分級法)，值是綜合的物性指標(biāo)，表示巖石的相對堅固性。 例如巖石的耐鉆性、耐爆性、強度。 -巖石飽和單軸極限抗壓強度。 我國還考慮到圍巖

4、的節(jié)理、裂隙、風(fēng)化等地質(zhì)條件的影響。 地質(zhì)條件的減少系數(shù)使實質(zhì)上由強度決定的“”的值適當(dāng)?shù)販p少。 (2)以巖體構(gòu)造、巖性特征為指標(biāo)的分級法： 1太沙基(K.terzaghi )分級法：將不同的巖性、構(gòu)造條件的圍巖分為9級，對應(yīng)各級有相應(yīng)的壓力范圍和支護措施。 這種分級法在美國和英國等地廣泛應(yīng)用。 2巖體綜合物性指標(biāo)分級法：該分級法是我國現(xiàn)有的鐵路隧道圍巖分級法。 這個分級法把圍巖分為六個階段。 (3)與地質(zhì)勘探手段有關(guān)的分級方法： 1圍巖彈性波的縱波速度分級：波速度越高，圍巖越好。 該法是日本最初提出的，將圍巖分為七級。 2以巖石質(zhì)量為指標(biāo)的等級法： RQD(rock quality desi

5、gnation )等級法。 用巖芯復(fù)原率表示巖石的質(zhì)量指標(biāo)，巖芯的完整性與巖體原始裂縫、硬度、均勻性等狀態(tài)有關(guān)。所謂巖芯復(fù)原率，是指單位長度的鉆頭，10cm以上的巖芯所占的比例。 該圍巖分級方法將圍巖分為優(yōu)、良、良、惡、惡五個階段。 下一塊，巖芯，回歸，3 .各種因素組合而成的巖體質(zhì)量-Q等級法： 1974年挪威地質(zhì)學(xué)家伯頓將圍巖分為九級。 -巖石質(zhì)量指標(biāo)-節(jié)理組數(shù)-節(jié)理粗糙度-節(jié)理食品值-節(jié)理含水減率-(stress rebate factor )應(yīng)力的減少系數(shù)-巖塊的大小-巖塊間的剪切強度-作用應(yīng)力、四，我國鐵路隧道的圍巖分級法， 我國目前鐵路隧道設(shè)計規(guī)范(TB 100032005 )明確

6、規(guī)定采用基于圍巖穩(wěn)定性的分級法和基于彈性波速度的分級法。 該分級法主要考慮圍巖的構(gòu)造特征和完善狀態(tài)、巖石強度和地下水等工程地質(zhì)條件和彈性波的縱波速度因素，將圍巖分為6級，根據(jù)其穩(wěn)定性，與、有差異。 1、圍巖的結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)圍巖體通常在各種結(jié)構(gòu)面上大小不同，形態(tài)不同，被切成種類不同的巖石單元體(即結(jié)構(gòu)體)，圍巖結(jié)構(gòu)特征是結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的特征。 結(jié)構(gòu)特征表示圍巖體的受力特征，完全狀態(tài)表示圍巖體受到各種地質(zhì)力表現(xiàn)的形態(tài)。 把圍巖的結(jié)構(gòu)特征與完整狀態(tài)結(jié)合，成為評價圍巖穩(wěn)定性的最直接和最重要的指標(biāo)。 地質(zhì)結(jié)構(gòu)變動特征(分為輕微、重、嚴(yán)重、嚴(yán)重)、結(jié)構(gòu)面密集度、節(jié)理(裂隙)發(fā)育度(不發(fā)育、發(fā)育、發(fā)達)

7、、風(fēng)化度(全風(fēng)化、強風(fēng)、弱風(fēng)化、微風(fēng)化)巖層厚度為厚層(大于0.5m )、中層(0.10.5m )。 可分為差圍巖的構(gòu)造特征和完全狀態(tài)好的大地質(zhì)變動劇烈、規(guī)模、次數(shù)少的大構(gòu)造面密集度小的大節(jié)理(裂隙)發(fā)育度小的大風(fēng)化度小的小巖層的厚度為表1-1-2圍巖構(gòu)造類型及其特征，2 .圍巖強度、構(gòu)造特征和完全狀態(tài)相同時，圍巖的穩(wěn)定一般來說，沒有裂縫或較少的圍巖具有整體結(jié)構(gòu)，其強度可以用巖石試料的抗壓強度和剪切強度來表示，對于多裂縫的圍巖體，其強度可以用工程類比法來判斷。 風(fēng)化作用使巖石成分變化，降低強度時，必須用風(fēng)化后的強度來決定巖石的等級。 巖石硬度程度的劃分表1-1-2，3，3 .地下水遇到地下水時

8、，按照以下原則調(diào)整圍巖等級： (1)級及級硬質(zhì)巖石，不考慮降級。 (2)級圍巖或級軟質(zhì)巖石根據(jù)地下水的種類、水量的大小和危害程度調(diào)整圍巖級。 地下水影響圍巖的穩(wěn)定，發(fā)生局部崩潰或軟土面軟化的情況下，可以適當(dāng)降低1個階段。 (3)級、級圍巖為碎石狀松散結(jié)構(gòu)，裂縫中有黏土填充物時，可根據(jù)地下水的種類、水量的大小、滲透條件、動水和靜水壓力等情況判斷對圍巖的危害程度，適當(dāng)降低12級。 對于(4)級圍巖，分級時考慮了一般含水地質(zhì)狀況的影響，但對于特殊的含水地層(如有飽和水或大壓力水流的情況)需要另行處理。 我國鐵路隧道圍巖分級、五、圍巖分級的發(fā)展趨勢： 1分級時以巖體為對象。 巖塊和巖塊之間包含柔軟構(gòu)造

9、面的2等級與地質(zhì)勘探手段有機地相關(guān)。 等級指標(biāo)更量化的3等級需要明確的工程對象和工程目的。 一、圍巖壓力(一)圍巖壓力的定義：引起地下挖掘空間周圍的巖體和支撐結(jié)構(gòu)變形或破壞的力。 狹義理解：圍巖壓力是圍巖對支護結(jié)構(gòu)的作用力。(二)圍巖壓力的分類：根據(jù)力的發(fā)生形態(tài)，一般將一個松弛壓力(loosening pressure )因挖掘而松弛或崩潰的巖體以重力形式直接作用于支護結(jié)構(gòu)的壓力稱為松弛壓力。 松弛壓力根據(jù)作用于支護的力的位置分為縱壓力、橫壓力、底壓力。 第二節(jié)圍巖壓力和拱作用、返回、下一張、南京地鐵支撐、下一張、南京地鐵臨時支撐、返回、2變形壓力(彈性阻力)變形壓力由于圍巖變形受到與其緊密接

10、觸的支護，如錨支護等的抑制，圍巖和支護結(jié)構(gòu)都因此，變形壓力除了與周圍巖石的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與支護時間和支護剛性有關(guān)。 3當(dāng)“膨脹壓力”(inflate pressure )巖體具有吸水膨脹崩潰的特征時，圍巖吸水膨脹崩潰產(chǎn)生的壓力稱為膨脹壓力。 和變形壓力的基本差異是吸水膨脹引起的。 4“沖擊壓力”(通常是由鎖定突發(fā)引起的。 沖擊壓力是在圍巖中積蓄了大量的彈性變形能后，通過隧道的挖掘解除了圍巖的約束，能量突然放出的壓力。 下張、五道嶺隧道內(nèi)襯砌、返回、二、礦井挖掘前后圍巖應(yīng)力狀態(tài)(一)礦井挖掘前圍巖應(yīng)力狀態(tài)(初始應(yīng)力狀態(tài))礦井挖掘前，地層處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。 地層中的任何土石都被上、下、左、右、

11、前、后土石擠壓，保持了相對平衡，故稱為原始應(yīng)力狀態(tài)。 它取決于上霸地層的自重、地殼運動的殘馀應(yīng)力和地下水活動等因素。 連續(xù)介質(zhì)理論：假設(shè)巖體是均勻連續(xù)的介質(zhì)，巖體為半無限體，地面水平。 為了便于研究，只考慮上霸地層自重引起的原始應(yīng)力，對深度h上的一個單元進行了應(yīng)力分析。 由于該單元體三對大小相等，方向受到相反的壓力，所以該單元體處于力的平衡狀態(tài)和變形運動的相對靜止?fàn)顟B(tài)。 由于上霸地層的自重，垂直壓力為：式中：地層容積重h床到單元體的深度。 單元體的側(cè)方變形受周圍地形的限制，產(chǎn)生側(cè)方壓力，其中由上位霸地層的自重和地層的物理力學(xué)性質(zhì)決定：式中：側(cè)方壓力系數(shù)。 根據(jù)、巖體為半無限體、側(cè)方應(yīng)變()為零

12、的條件，將地層視為各向同性的彈性體，公式中：泊松比，根據(jù)地層的性質(zhì)，可導(dǎo)出值在0.140.5之間變化。 (二)礦井挖掘后圍巖應(yīng)力狀態(tài)(二次應(yīng)力狀態(tài))圍巖應(yīng)力的再分布：坑道挖掘后，由于其周邊巖體的逃逸作用，原來的平衡狀態(tài)被破壞，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，同時產(chǎn)生位移，促進應(yīng)力的再調(diào)整，達到新的平衡。1-2-2a坑道挖掘前的圍巖應(yīng)力狀態(tài)1-2-2b坑道挖掘后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)，三、圍巖的拱形作用在坑道挖掘后，如果任意變形、松弛、崩塌，最后在坑道上方形成比較穩(wěn)定的拱形洞穴。 被稱為“天然拱門”和“平衡拱門”。 其上的巖體的一部分受到上霸地層的所有重力，就像裝載環(huán)一樣，把裝載重力傳遞到兩側(cè)，就是所謂的圍巖的

13、拱形作用。 四、影響圍巖壓力的因素1 .時間因素。 無論什么圍巖，礦井挖掘后的暴露時間越短越好。 2 .礦井的尺寸和形狀要素。 圍巖壓力隨著礦井尺寸的增大而增大，在礦井有引起應(yīng)力集中的形狀，即有明顯的角時，圍巖壓力相對較大。 3 .坑道的埋入因素?？拥赖穆裨O(shè)深度在一定范圍內(nèi)時，圍巖壓力隨著埋設(shè)深度的變大而變大時。當(dāng)坑道的埋入深度超過該范圍時，圍巖壓力的大小幾乎不受埋入深度的變化的影響。 4 .支護因素。 有支撐的礦井圍巖的壓力比沒有支撐的礦井小，支撐必須比比支撐晚的圍巖的壓力小。支撐和礦井周邊的密合越好，圍巖的壓力越小，支撐的剛性越小，即在柔軟的支撐的情況下，礦井的圍巖壓力相對小。 5 .爆破

14、因素，采用爆破法開采對周圍巖石的穩(wěn)定極為不利，特別是對地質(zhì)條件差的周圍巖石，爆破紊亂大，周圍巖石的壓力太大，巖體松弛或崩塌。 因此，隧道施工要嚴(yán)格控制爆破劑量，提倡采用光面爆破、預(yù)裂爆破等先進的爆破技術(shù)。 6 .挖掘回填因素。 襯砌背后的超挖掘部分在施工時回填不密，周圍的巖石得不到良好的支撐，持續(xù)松動，嚴(yán)重時周圍的巖石崩塌，引起襯砌的破損。 第三節(jié)深埋隧道圍巖壓力的計算方法，一、概要1 .圍巖壓力的確定方法(1)現(xiàn)場測定法。 (2)理論計算法。 (3)統(tǒng)計法。 目前，隧道和地下工程經(jīng)常通過上述三種方法相互驗證。 2 .影響隧道圍巖壓力的主要因素(1)圍巖壓力的大小與圍巖等級成正比。 (2)圍巖壓力的大小與礦井的跨度成比例。 回來，二、國內(nèi)、國外深埋隧道圍巖壓力的確定方法，一、普氏理論作用于支撐結(jié)構(gòu)的垂直壓力，作用于支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)方壓力為式中坑道高度的水平均布圍巖壓力() 圍巖計算摩擦角。