隧道圍巖分級與圍巖壓力.ppt

1、,學習本章的目的： （1）要求掌握有關隧道的勘查、設計、構(gòu)造原理和有關計算方法； （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系； （3）了解隧道圍巖分級時考慮的因素。,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 4.4 圍巖壓力的確定,第4章 隧道圍巖分級與圍巖壓力 Surrounding rock classification and pressure,4.1 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。,4.1.2圍巖的工程性質(zhì) 物理 工程性質(zhì) 水理 力學,巖石與

2、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)計算與力學性質(zhì)的關系？ 2.隧道結(jié)構(gòu)計算的難點？,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。,圖4-1 典型巖體全應力應變曲線,巖體： 壓密階段(OA) 彈性階段(AB) 塑性階段(BC) 破裂和破壞階段(CD),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,3) 流變

3、特性 蠕變：指應力不變，而應變隨時間增長。 松弛：應變不變，而應力隨時間而衰減 問題：圍巖流變特性對隧道的影響？,圖4-2 巖體的流變,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7080。,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。,圍巖級別的工程作用： 判斷圍巖穩(wěn)定性。 判斷施工難易程度，投資依據(jù)。 結(jié)構(gòu)分析計算的依據(jù),地質(zhì)因素客觀因素 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

4、方面來分析： 巖體結(jié)構(gòu)特征 結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合 巖石的力學性質(zhì) 地下水的影響 圍巖的初始應力狀態(tài),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個指標有下圖：, 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, 巖石的力學性質(zhì) 主要指巖石的單軸飽和極限抗壓強度Rb。

5、 巖石強度越高，隧道越穩(wěn)定。,(4) 圍巖的初應力狀態(tài) 初始應力是隧道圍巖變形、破壞的根本作用力。 已初步將初始應力考慮進圍巖分級之中。 在高的初始應力場條件下，圍巖級別應適當降低。, 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。,2、人為因素 隧道形狀和尺寸 支護結(jié)構(gòu)類型 施工方法,超挖,4.3 圍巖分級,4.3.1 概 述 圍巖分級：根據(jù)巖體的若干指標，按照穩(wěn)定性將圍巖分成不同的級別。 工程目的： （1）結(jié)構(gòu)設計依據(jù) （2）施工方法依據(jù) （3）工程造價依據(jù),圍巖分級的發(fā)展過程：,土石分類法,單一因素分類法,綜合物性分類法,其它分級法：,組合多因

6、素分類法,與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分類法,總結(jié)：早期僅巖石強度； 現(xiàn)在綜合多種因素，如巖體構(gòu)造、巖石強度、RQD指標等。,4.3.2圍巖分級方法 3個基本因素： 巖性：抗壓強度、彈性模量、彈性波速等。 地質(zhì)構(gòu)造：巖體完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 地下水：地下水發(fā)育時，圍巖級別應降低。 1個附加因素： 初始地應力：適當考慮。,（一）以巖石強度或巖石的物性指標為代表的分級法 1.以巖石強度為基礎的分級法 代表：土石分類法堅石、次堅石、松石、土。 2.以巖石物性指標為基礎的分級法 代表：巖石堅固性系數(shù)(f值)分級法普氏法 f值：一個綜合的物性指標值，如巖石的抗鉆性、抗爆性、強度等。 但核心還是巖石強度。,(二)

7、 以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分級方法 代表： 泰沙基法考慮圍巖的完整狀態(tài)和巖性，共9級。 我國交通隧道圍巖分級法借鑒了泰沙基法，考慮巖體綜合物性，共6級。,（三）與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級方法 代表： 彈性波速分級法波速是反映巖性與巖體結(jié)構(gòu)的一項綜合指標，波速越高，圍巖越好。,巖石質(zhì)量指標RQD指標也是反映巖性與巖體結(jié)構(gòu)的一項綜合指標。 RQD指標的具體含義為巖芯復原率:,表中R為RQD指標。,(四)組合多種因素的分級方法 代表： 巖體質(zhì)量分級法 巴頓等人提出的“巖體質(zhì)量Q”分級法。表達如下：,組合了6個參數(shù)： 巖石質(zhì)量指標、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)、應力折減系

8、數(shù)。,(五)我國鐵路與公路隧道的圍巖分級方法 1.鐵路隧道 沿革 巖體綜合分類60年代，成昆線，五類。 隧道圍巖分類74年版，首部鐵路隧道規(guī)范，六類。 隧道圍巖分類86年版，加入圍巖彈性波速指標。 隧道圍巖分級99年版，采用國標分級排序，改稱“圍巖分級”，六級。 隧道圍巖分級2001年版，不變。 隧道圍巖分級2005年版，不變。, 分級的理論基礎 以圍巖的穩(wěn)定性判斷為基礎。 屬于“以巖體構(gòu)造和巖性特征為代表”的分級方法。 主要考慮4種因素： 巖石堅硬程度 圍巖完整狀態(tài) 地下水 圍巖初始地應力,基本分級,修正基本分級,基本分級 修正基本分級 最終分級, 基本分級 依據(jù)：圍巖主要工程地質(zhì)條件，由兩

9、條組成： 巖石堅硬程度 軟硬巖分界指標：30Mpa Rb30 硬巖 5 Rb30 軟巖 Rb 5 極軟巖 圍巖完整程度 指標1：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度 指標2：地質(zhì)構(gòu)造影響程度 由此兩指標，將巖體完整程度分為5個級別，見下表：,巖體完整程度的劃分,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,(4) 鐵路隧道圍巖分級表 基本分級+圍巖彈性縱波速度=鐵路隧道圍巖分級表 見教材P82-83。, 特點 給出了單線隧道圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)。 尚未考慮地下水和地應力。, 修正分級 地下水 地下水的3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)，適當降低圍巖等級(12級)； 分級時按有水考

10、慮，當確認圍巖無水則提高圍巖等級； 直接將地下水狀況(水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓力等)作為一個分級指標。,鐵路隧道分級按第1種方法處理：,地下水影響的修正,地下水狀態(tài)的分級表,初始地應力,初始地應力影響的修正,兩點說明： 設計階段：采用修正后的圍巖分級。 施工階段：根據(jù)實際情況，進一步判定圍巖分級，依據(jù)仍然是： 巖石堅硬程度 圍巖完整狀態(tài) 地下水 初始地應力,2.公路隧道,初步分級相當于鐵路的基本分級 依據(jù)：圍巖主要定性特征 該特征由兩個基本因素組成： 巖石堅硬程度Rc(即強度) 巖體完整性Kv(即彈性波速) 推出圍巖基本質(zhì)量指標 BQ=90+3Rc+250Kv,詳細分級相當于鐵路的修正分級

11、,修正BQ值：當有以下3方面影響時，應予修正： 地下水K1 軟弱結(jié)構(gòu)面(比鐵路多此條)K2 高初始地應力K3 BQ=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3) K1K3各值可查公路隧道規(guī)范附錄A.0.2-1A.0.2-3,公路圍巖分級表：,參數(shù)： 圍巖主要定性特征 BQ值，或BQ值(當需要修正時),(六)問題及研究方向 1.問題 指標定性的多、定量的少。如何做到準確、方便、好用？ 2.研究 發(fā)展物探手段，增加定量指標。 發(fā)展分析理論 模糊數(shù)學圍巖分級； 隧道位移圍巖分級； 人工智能專家系統(tǒng)圍巖分級等。,4.4 圍巖壓力,4.4.1 巖體初始應力狀態(tài),自重應力 構(gòu)造應力 地下水壓力 溫度應力,

12、原巖,毛洞,穩(wěn)定洞室,開挖,支護,一、圍巖壓力及其分類 (一)圍巖壓力,圍巖壓力,地層對洞室的作用力,廣義：包括有、無支護時的壓力,狹義：僅指對支護的壓力,（二）圍巖壓力分類 1松動壓力圍巖變形過大，發(fā)生松動而形成的壓力。 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 地質(zhì)因素 1.巖體初始應力狀態(tài) 2.巖石力學性質(zhì) 3.巖體結(jié)構(gòu)面 4.地下水等 工程因素 1.施工方法 2.支護設置時間 3

13、.支護本身剛度 4.隧道斷面形狀等,1.圍巖松動壓力的形成 自然拱的概念：圍巖的變形不能得到有效的控制，當變形超過一定限度后，圍巖發(fā)生松動、坍落，最終在洞室上方形成拱形。 (a) 變形階段； (b) 松動階段； (c) 塌落階段； (d) 成拱階段。,4.4.3 圍巖松動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 隧道斷面形狀和大小拱的范圍 施工因素對圍巖的擾動程度,2、圍巖壓力的確定方法 直接量測法 理論估算法 統(tǒng)計法（經(jīng)驗法、工程類比法）,1)深埋隧道圍巖松動壓力的確定方法,(1) 統(tǒng)計法我國隧規(guī)所推薦的方法,式中 圍巖容重； hq坍落拱高度； s 圍巖級別；

14、 w 寬度影響系數(shù)，由 w=1+i（B-5）計算： B 坑道寬度，當 B5m時，取 i =0.2，當 B5m時，取i =0.1。,水平壓力見表4-7：,表4-7圍巖水平均布壓力,統(tǒng)計法公式的適用條件： H/B1.7，H為坑道的高度； 深埋隧道； 不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖； 采用礦山法施工。,據(jù)統(tǒng)計，圍巖垂直松動壓力的分布可概括為4種，如圖4-7。,圖4-7 圍巖豎向松動壓力的分布圖形,統(tǒng)計法公式僅針對圖中第一種情況。,(2) 普氏理論 散粒體理論：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體。 普氏系數(shù)f(巖體堅固性系數(shù)):,巖體堅固性系數(shù) f 的概念： f是一個以巖體強度為主的指標，兼顧抗鉆

15、性、抗爆性、地下水等性質(zhì)。,前述自然拱概念最早由普氏提出：,圖4-8 自然拱的兩種形態(tài),堅硬巖體: 松散破碎巖體：,式中 為隧道凈跨度的一半； 為隧道凈高度。,一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。,(3) 泰沙基理論 理論：散粒體理論。,假定： 破裂面為折線OAB 方法： 研究微分條帶dh的平衡。 步驟： 1.V=0，建立微分方程 2.邊界條件：,3.解微分方程，得： 4.討論： 當埋深h 達到一定程度時， 為恒值： 取側(cè)壓力系數(shù)k=1， 則有： 與普氏法對照，能發(fā)現(xiàn)什么？,2)淺埋隧道圍巖松動壓力的確定方法 深、淺埋隧道的判定原則,Hp（22.5）hq,I一III級圍巖取: Hp

16、2hq IVVI級圍巖取: Hp2.5hq,HHp時為深埋 HHp時為淺埋 H 為覆蓋層厚度,(2) 淺埋隧道圍巖松動壓力的確定方法, 土柱法 要點：忽略滑動面上的阻力。 適于：埋深 H hq 垂直壓力：q=H 水平壓力按朗金公式：e = (H + 1/2 Ht)tg2(450 /2) Ht 為隧道凈高。,一院法 重點： 當Hhq 時，應該考慮滑動面上的阻力。 分析下圖：,1.破裂面AC、BD 2.矩形EFHG下沉 帶動三棱體ACE和BDF下滑 整個巖體ABDHGC下滑 受阻于未擾動巖體 3.作用力有： 矩形EFHGW1； 三棱體ACE,BDFW2； 三棱體與巖體EFDC之間的摩阻力T=T1+T2； 阻力N。 按力的平衡條件，作用在支護結(jié)構(gòu)上的垂直壓力為： 式中只有T1是未知，可求得： 式中 側(cè)壓力