中南大學(xué)隧道工程課件4(隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力).ppt

1、第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,中南大學(xué),第4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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)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(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,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(duì)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

2、 力學(xué),第4章 隧道圍巖分級(jí)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(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)？,第4章 隧道圍巖分級(jí)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(jí)與圍巖壓力,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,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

3、沿巖石剪斷,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,3) 流變特性 蠕變：指應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)。 松弛：應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時(shí)間而衰減 問題：圍巖流變特性對(duì)隧道的影響？,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,2、巖體強(qiáng)度 巖石強(qiáng)度：通過試件獲得。 巖體強(qiáng)度：低于巖石強(qiáng)度，約為巖石強(qiáng)度的7080。,第4章 隧道圍巖分級(jí)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(hù)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(jí)與圍巖壓力,圍巖級(jí)別的工程作用： 判斷圍巖穩(wěn)定性。 判斷施工難易程度，投資

4、依據(jù)。 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的依據(jù),第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,4.2.2 影響圍巖穩(wěn)定性的因素 地質(zhì)因素客觀因素 人為因素主觀因素、工程因素,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,1、地質(zhì)因素 從5個(gè)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(xué)性質(zhì) 地下水的影響 圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài),第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,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：,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力, 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

5、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？,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力, 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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力, 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

6、脹等。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,2、人為因素 隧道形狀和尺寸 支護(hù)結(jié)構(gòu)類型 施工方法,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,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),第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,圍巖分級(jí)的發(fā)展過程：,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,其它分級(jí)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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,4.3.2圍巖分級(jí)方法 3個(gè)基本因素： 巖性：抗壓強(qiáng)度

7、、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(shí)，圍巖級(jí)別應(yīng)降低。 1個(gè)附加因素： 初始地應(yīng)力：適當(dāng)考慮。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,（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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,(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

8、級(jí)法借鑒了泰沙基法，考慮巖體綜合物性，共6級(jí)。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,（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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,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:,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,(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)。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力

9、,(五)我國(guó)鐵路與公路隧道的圍巖分級(jí)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(biāo)。 隧道圍巖分級(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)。 隧道圍巖分級(jí)2001年版，不變。 隧道圍巖分級(jí)2005年版，不變。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力, 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。 主要考慮4種因素： 巖石堅(jiān)硬程度 圍巖完整狀態(tài) 地下水 圍巖初始地應(yīng)力 基本分級(jí) 修正基本分級(jí) 最終分級(jí),基本分級(jí),修正基本分級(jí),第4章 隧道圍巖

10、分級(jí)與圍巖壓力, 基本分級(jí) 依據(jù)：圍巖主要工程地質(zhì)條件，由兩條組成： 巖石堅(jiān)硬程度 軟硬巖分界指標(biāo)：30Mpa Rb30 硬巖 5 Rb30 軟巖 Rb 5 極軟巖 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：,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,巖體完整程度的劃分,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響程度等級(jí)劃分,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,圍巖節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度劃分,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,(4) 鐵路隧道圍巖分級(jí)表 基本分級(jí)+圍巖彈性縱波速度=鐵路隧道圍巖分級(jí)表 見教材P82-83。 特點(diǎn) 給出了

11、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(yīng)力。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力, 修正分級(jí) 地下水 地下水的3種處理方法： 分級(jí)時(shí)按無水考慮，而是根據(jù)地下水的狀態(tài)，適當(dāng)降低圍巖等級(jí)(12級(jí))； 分級(jí)時(shí)按有水考慮，當(dāng)確認(rèn)圍巖無水則提高圍巖等級(jí)； 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(gè)分級(jí)指標(biāo)。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,鐵路隧道分級(jí)按第1種方法處理： 地下水狀態(tài)的分級(jí)表 地下水影響的修正,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,初始地應(yīng)力,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,初始地應(yīng)力影響的修正,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,兩點(diǎn)說明： 設(shè)計(jì)階段：采用修正后的圍巖分級(jí)

12、。 施工階段：根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)一步判定圍巖分級(jí)，依據(jù)仍然是： 巖石堅(jiān)硬程度 圍巖完整狀態(tài) 地下水 初始地應(yīng)力,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,2.公路隧道 初步分級(jí)相當(dāng)于鐵路的基本分級(jí) 依據(jù)：圍巖主要定性特征 該特征由兩個(gè)基本因素組成： 巖石堅(jiān)硬程度Rc(即強(qiáng)度) 巖體完整性Kv(即彈性波速) 推出圍巖基本質(zhì)量指標(biāo) BQ=90+3Rc+250Kv,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,詳細(xì)分級(jí)相當(dāng)于鐵路的修正分級(jí) 修正BQ值：當(dāng)有以下3方面影響時(shí)，應(yīng)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(yīng)力K3 BQ=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3) K1K3各值可查公路隧道規(guī)范

13、附錄A.0.2-1A.0.2-3,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,公路圍巖分級(jí)表： 參數(shù)： 圍巖主要定性特征 BQ值，或BQ值(當(dāng)需要修正時(shí)),第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,(六)問題及研究方向 1.問題 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 發(fā)展物探手段，增加定量指標(biāo)。 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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,4.4 圍巖壓力 4.4.1 巖體初始應(yīng)力狀態(tài) 自重應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力 地下水壓力 溫度應(yīng)力,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,一、圍巖壓力及其分類 (一)圍巖壓力,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍

14、巖壓力,（二）圍巖壓力分類 1松動(dòng)壓力圍巖變形過大，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？,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,4.4.2 影響圍巖壓力的因素 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 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,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,4.4.3 圍巖

15、松動(dòng)壓力的形成和確定方法 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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,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(duì)圍巖的擾動(dòng)程度 2、圍巖壓力的確定方法 直接量測(cè)法 理論估算法 統(tǒng)計(jì)法（經(jīng)驗(yàn)法、工程類比法）,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,1)深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 (1) 統(tǒng)計(jì)法我國(guó)隧規(guī)所推薦的方法 式中 圍巖容重

16、； hq坍落拱高度； s 圍巖級(jí)別； w 寬度影響系數(shù)，由 w=1+i（B-5）計(jì)算： B 坑道寬度，當(dāng) B5m時(shí)，取 i =0.2，當(dāng) B5m時(shí)，取i =0.1。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,水平壓力見表4-7： 表4-7圍巖水平均布?jí)毫?第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,統(tǒng)計(jì)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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍巖垂直松動(dòng)壓力的分布可概括為4種，如圖4-7。 統(tǒng)計(jì)法公式僅針對(duì)圖中第一種情況。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,(2) 普氏理論 散粒體理論：巖體被節(jié)理、

17、裂隙所切割，視為散粒體。 普氏系數(shù)f(巖體堅(jiān)固性系數(shù)):,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,巖體堅(jiān)固性系數(shù) f 的概念： f是一個(gè)以巖體強(qiáng)度為主的指標(biāo)，兼顧抗鉆性、抗爆性、地下水等性質(zhì)。 前述自然拱概念 最早由普氏提出：,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,堅(jiān)硬巖體: 松散破碎巖體： 式中bt為隧道凈跨度的一半；Ht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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,(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：,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,3.解

18、微分方程，得： 4.討論： 當(dāng)埋深h 達(dá)到一定程度時(shí)，為恒值： 取側(cè)壓力系數(shù)k=1，則有： 與普氏法對(duì)照，能發(fā)現(xiàn)什么？,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,2)淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 深、淺埋隧道的判定原則 Hp（22.5）hq HHp時(shí)為深埋 HHp時(shí)為淺埋 H 為覆蓋層厚度 I一III級(jí)圍巖取: Hp2hq IVVI級(jí)圍巖取: Hp2.5hq,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力,(2) 淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 土柱法 要點(diǎn)：忽略滑動(dòng)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。,第4章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓