1、隧道圍巖分級與圍巖壓力隧道圍巖分級與圍巖壓力學習本章的學習本章的目的目的：（1 1）要求掌握有關隧道的勘查、設計、）要求掌握有關隧道的勘查、設計、構造原理和有關計算方法；構造原理和有關計算方法；（2 2）理解隧道圍巖穩定性的影響因素及）理解隧道圍巖穩定性的影響因素及其與施工方法的關系；其與施工方法的關系；（3 3）了解隧道圍巖分級時考慮的因素。）了解隧道圍巖分級時考慮的因素。n 4.1 隧道圍巖的概念與工程性質隧道圍巖的概念與工程性質n 4.2 圍巖的穩定性圍巖的穩定性n 4.3 圍巖分級圍巖分級n 4.4 圍巖壓力的確定圍巖壓力的確定 第第4 4章章 隧道圍巖分級與圍巖壓力隧道圍巖分級與圍巖

2、壓力 Surrounding rock classification and pressure4.1 隧道圍巖的概念與工程性質隧道圍巖的概念與工程性質4.1.14.1.1圍巖的概念圍巖的概念圍巖圍巖: :隧道開挖后對其隧道開挖后對其穩定性穩定性產生影響的那部分巖產生影響的那部分巖( (土土) )體。體。說明：說明：圍巖既指巖體也指土體。圍巖既指巖體也指土體。4.1.24.1.2圍巖的工程性質圍巖的工程性質 物理物理工程性質工程性質 水理水理 力學力學巖石與巖體的區別：巖石與巖體的區別： 巖石：均質、連續、各向同性巖石：均質、連續、各向同性 巖體：非均質、不連續、各向異性巖體：非均質、不連續、各

3、向異性巖體力學性質獲取的方式：巖體力學性質獲取的方式： 現場試驗：真實、費時、費錢現場試驗：真實、費時、費錢 室內試驗：不易取樣、代表性差室內試驗：不易取樣、代表性差問題：問題： 1.1.結構計算與力學性質的關系？結構計算與力學性質的關系？ 2.2.隧道結構計算的難點？隧道結構計算的難點？1、巖體的變形特性、巖體的變形特性 受拉、受壓、剪切、流變受拉、受壓、剪切、流變 問題：巖體能受拉嗎？問題：巖體能受拉嗎？ 1) 受壓變形受壓變形 巖石：線性、彈性巖石：線性、彈性 軟弱結構面：非線性、塑性軟弱結構面：非線性、塑性 巖體：彈塑性體巖體：彈塑性體 2) 剪切變形剪切變形 (1) (1) 沿結構面

4、滑動沿結構面滑動 (2) (2) 巖石的斷裂巖石的斷裂 (3) (3) 在結構面的影響下沿巖石剪斷在結構面的影響下沿巖石剪斷 3) 流變特性流變特性蠕變：蠕變：指應力不變，而應變隨時間增長。指應力不變，而應變隨時間增長。松弛：松弛：應變不變，而應力隨時間而衰減應變不變，而應力隨時間而衰減問題：圍巖流變特性對隧道的影響？問題：圍巖流變特性對隧道的影響？圖圖4-2 4-2 巖體的流變巖體的流變2 2、巖體強度、巖體強度 巖石強度：通過試件獲得。巖石強度：通過試件獲得。 巖體強度：低于巖石強度，約為巖石強度的巖體強度：低于巖石強度，約為巖石強度的70708080。4.2 圍巖的穩定性圍巖的穩定性4.

5、2.1 研究圍巖穩定性的意義研究圍巖穩定性的意義圍巖的穩定性：圍巖的穩定性：隧道開挖后，在不支護條件下圍巖的隧道開挖后，在不支護條件下圍巖的穩定性。穩定性。問題：什么是隧道工程的頭等大事？問題：什么是隧道工程的頭等大事？研究圍巖的穩定性，如何促使圍巖穩定。研究圍巖的穩定性，如何促使圍巖穩定。圍巖級別的工程作用：圍巖級別的工程作用： 判斷圍巖穩定性。判斷圍巖穩定性。 判斷施工難易程度，投資依據。判斷施工難易程度，投資依據。 結構分析計算的依據結構分析計算的依據 地質因素客觀因素地質因素客觀因素人為因素主觀因素、工程因素人為因素主觀因素、工程因素4.2.2 4.2.2 影響圍巖穩定性的因素影響圍巖

6、穩定性的因素1 1、地質因素、地質因素 從從5 5個方面來分析：個方面來分析： 巖體結構特征巖體結構特征 結構面性質和空間的組合結構面性質和空間的組合 巖石的力學性質巖石的力學性質 地下水的影響地下水的影響 圍巖的初始應力狀態圍巖的初始應力狀態巖體結構特征巖體結構特征指巖體的破碎程度或完整狀態。指巖體的破碎程度或完整狀態。破碎程度：破碎程度：裂隙率、裂隙間距。裂隙率、裂隙間距。裂隙是廣義的：包括層理、節理、斷裂及夾層等結構面。裂隙是廣義的：包括層理、節理、斷裂及夾層等結構面。完整狀態：完整狀態：整塊狀、大塊狀等。整塊狀、大塊狀等。 結構面性質和空間組合結構面性質和空間組合 性質性質 1) 1)

7、 結構面的成因；結構面的成因； 2) 2) 結構面的光滑程度；結構面的光滑程度； 3) 3) 結構面的物質組成；結構面的物質組成； 4) 4) 結構面的規模；結構面的規模； 5) 5) 結構面的密集度。結構面的密集度?？臻g組合空間組合 指結構面的相互位置狀態。指結構面的相互位置狀態。問題：問題： 軟弱結構面有怎樣的害處？軟弱結構面有怎樣的害處？ 什么是不利空間組合？什么是不利空間組合？ 張家界圖節理較發育節理較發育 巖石的力學性質巖石的力學性質 主要指巖石的單軸飽和極限抗壓強度主要指巖石的單軸飽和極限抗壓強度R Rb b。 巖石強度越高，隧道越穩定。巖石強度越高，隧道越穩定。(4) (4) 圍

8、巖的初應力狀態圍巖的初應力狀態 初始應力是隧道圍巖變形、破壞的根本作用力。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。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。在高的初始應力場條件下，圍巖級別應適當降低。 地下水的影響地下水的影響 軟化圍巖；軟化圍巖； 減少層間摩阻力促使巖塊滑動；減少層間摩阻力促使巖塊滑動； 具膨脹性的圍巖，遇水后產生膨脹等。具膨脹性的圍巖，遇水后產生膨脹等。 2 2、人為因素、人為因素 隧道形狀和尺寸隧道形狀和尺寸 支護結構類型支護結構類型 施工方法施工方法 超挖超挖4.3 圍巖分級圍巖分級 4.3

9、.1 4.3.1 概概 述述 圍巖分級：圍巖分級：根據巖體的若干指標，按照穩定性根據巖體的若干指標，按照穩定性將圍巖分成不同的級別。將圍巖分成不同的級別。 工程目的工程目的： （1 1）結構設計依據）結構設計依據 （2 2）施工方法依據）施工方法依據 （3 3）工程造價依據）工程造價依據 圍巖分級的發展過程：圍巖分級的發展過程：土石分類法土石分類法單一因素分類法單一因素分類法綜合物性分類法綜合物性分類法其它分級法：其它分級法：組合多因素分類法組合多因素分類法與地質勘探手段與地質勘探手段相聯系的分類法相聯系的分類法總結：總結：早期僅巖石強度；早期僅巖石強度； 現在綜合多種因素，如巖體現在綜合多種

10、因素，如巖體構造、巖石強度、構造、巖石強度、RQD指標等。指標等。4.3.24.3.2圍巖分級方法圍巖分級方法 3 3個基本因素：個基本因素： 巖性：巖性：抗壓強度、彈性模量、彈性波速等?？箟簭姸取椥阅Ａ?、彈性波速等。 地質構造：地質構造：巖體完整性或結構狀態。巖體完整性或結構狀態。 地下水：地下水：地下水發育時，圍巖級別應降低。地下水發育時，圍巖級別應降低。 1 1個附加因素：個附加因素： 初始地應力：初始地應力：適當考慮。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（一）以巖石強度或巖石的物性指標為代表的分級法 1 1. .以巖石強度為基礎的分級法以巖石強度為基礎的分級法 代

11、表：代表：土石分類法堅石、次堅石、松石、土。土石分類法堅石、次堅石、松石、土。 2.2.以巖石物性指標為基礎的分級法以巖石物性指標為基礎的分級法 代表：代表：巖石堅固性系數巖石堅固性系數(f(f值值) )分級法普氏法分級法普氏法 f f值：一個綜合的物性指標值，如巖石的抗鉆性、抗值：一個綜合的物性指標值，如巖石的抗鉆性、抗爆性、強度等。爆性、強度等。 但核心還是巖石強度。但核心還是巖石強度。 ( (二二) ) 以巖體構造、巖性特征為代表的分級方法以巖體構造、巖性特征為代表的分級方法 代表：代表： 泰沙基法泰沙基法考慮圍巖的完整狀態和巖性，考慮圍巖的完整狀態和巖性，共共9 9級。級。 我國交通隧

12、道圍巖分級法我國交通隧道圍巖分級法借鑒了泰沙基借鑒了泰沙基法，考慮巖體綜合物性，共法，考慮巖體綜合物性，共6 6級。級。 （三）與地質勘探手段相聯系的分級方法（三）與地質勘探手段相聯系的分級方法 代表：代表： 彈性波速分級法彈性波速分級法波速是反映巖性與巖體結構的一項綜合波速是反映巖性與巖體結構的一項綜合指標，波速越高，圍巖越好。指標，波速越高，圍巖越好。波速波速 KvKv0.750.750.750.750.550.550.550.550.350.350.350.350.150.150.15 0.90.75 R 0.90.5 R 0.750.25 R 0.5R 30 30 硬巖硬巖 5 R5

13、Rb b30 30 軟巖軟巖 R Rb b 5 5 極軟巖極軟巖圍巖完整程度圍巖完整程度 指標指標1 1：結構面發育程度：結構面發育程度 指標指標2 2：地質構造影響程度：地質構造影響程度 由此兩指標，將巖體完整程度分為由此兩指標，將巖體完整程度分為5 5個級別，見下表：個級別，見下表： 完整程度完整程度結構面發育程度結構面發育程度地質構造影響程度地質構造影響程度完整完整不發育不發育輕微輕微較完整較完整較發育、不發育較發育、不發育較重、輕微較重、輕微較破碎較破碎發育、較發育發育、較發育嚴重嚴重破碎破碎極發育、發育極發育、發育極嚴重、嚴重極嚴重、嚴重極破碎極破碎極發育極發育極嚴重極嚴重等級等級地

14、質構造作用特征地質構造作用特征輕微輕微圍巖地質構造變動小，無斷裂（層）；層狀巖體一般呈單斜構造；節理不發育較重較重圍巖地質構造變動較大；位于斷裂（層）或褶曲軸的鄰近地段；可有小斷層，節理較發育嚴重嚴重圍巖地質構造變動較強烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內；軟巖多見扭曲及拖拉現象；節理發育很嚴重很嚴重位于斷裂（層）破碎帶內；節理很發育；巖體呈碎石、角礫狀，有的呈粉末泥土狀等級等級地質構造作用特征地質構造作用特征節理不發育節理不發育節理（裂隙）1-2組，規則，為原生型或構造型，多數的間距在1.0m以上，為密閉型。巖體被切割成塊狀節理較發育節理較發育節理（裂隙）2-3組，呈x型，較規則，以構造型為主，多

15、數的間距大于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理發育節理發育節理（裂隙）3組以上，不規則，呈x型或米字型，以構造型或風化型為主，多數間距小于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、碎石狀節理很發育節理很發育節理（裂隙）3組以上，雜亂，以構造型或風化型為主，多數間距小于0.2m，微張開或張開，部分為粘土充填。巖體被切割成碎石狀 特點特點 給出了單線隧道圍巖開挖后的穩定狀態。給出了單線隧道圍巖開挖后的穩定狀態。 尚未考慮地下水和地應力。尚未考慮地下水和地應力。 修正分級修正分級地下水地下水地下水的地下水的3 3種處理方法：種處理方法：分級

16、時按無水考慮，而是根據地下水的狀態，適當降分級時按無水考慮，而是根據地下水的狀態，適當降低圍巖等級低圍巖等級(1(12 2級級) )；分級時按有水考慮，當確認圍巖無水則提高圍巖等級；分級時按有水考慮，當確認圍巖無水則提高圍巖等級；直接將地下水狀況直接將地下水狀況( (水質、水量、流通條件、靜水壓水質、水量、流通條件、靜水壓力等力等) )作為一個分級指標。作為一個分級指標。 地下水狀態的分級表地下水狀態的分級表級別級別狀態狀態滲水量滲水量L/(minL/(min10m)10m)干燥或濕潤干燥或濕潤1010偶有滲水偶有滲水10251025經常滲水經常滲水2512525125 圍巖基本分類圍巖基本分

17、類地下水狀態分級地下水狀態分級初始地初始地應力狀應力狀態態主主 要要 現現 象象評估基準評估基準 （R Rc c/maxmax）極高應極高應力力1.1.硬質巖：開挖過程中時有巖爆發生，有巖塊彈硬質巖：開挖過程中時有巖爆發生，有巖塊彈出，洞壁巖體發生剝離，新生裂縫多，成洞性差出，洞壁巖體發生剝離，新生裂縫多，成洞性差442.2.軟質巖：巖芯常有餅化現象，開挖過程中洞壁軟質巖：巖芯常有餅化現象，開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發生大位移，巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發生大位移，持續時間長，不易成洞持續時間長，不易成洞高應力高應力1 .1 .硬質巖硬質巖: : 開挖過程中可能出現巖爆，

18、洞壁巖體開挖過程中可能出現巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現象，新生裂紋較多，成洞性較差有剝離和掉塊現象，新生裂紋較多，成洞性較差4-74-72.2.軟質巖：巖芯時有餅化現象，開挖過程中洞壁軟質巖：巖芯時有餅化現象，開挖過程中洞壁巖體位移極顯著，持續時間長，成洞性差巖體位移極顯著，持續時間長，成洞性差圍巖基本分級圍巖基本分級 修正級別修正級別初始地應力狀態初始地應力狀態極高應力極高應力或或高應力高應力或或( (六六) )問題及研究方向問題及研究方向 1.1.問題問題 指標定性的多、定量的少。如何做到準確、方便、好用？指標定性的多、定量的少。如何做到準確、方便、好用？ 2.2.研究研究 發展物探手段，

19、增加定量指標。發展物探手段，增加定量指標。 發展分析理論發展分析理論 模糊數學圍巖分級；模糊數學圍巖分級； 隧道位移圍巖分級；隧道位移圍巖分級； 人工智能專家系統圍巖分級等。人工智能專家系統圍巖分級等。一、圍巖壓力及其分類一、圍巖壓力及其分類( (一一) )圍巖壓力圍巖壓力 圍巖壓力圍巖壓力地層對洞室的作用力地層對洞室的作用力廣義：包括有、無支護時的壓力廣義：包括有、無支護時的壓力狹義：僅指對支護的壓力狹義：僅指對支護的壓力（二）圍巖壓力分類（二）圍巖壓力分類 1 1松動壓力松動壓力圍巖變形過大，發生松動而形成的壓力。圍巖變形過大，發生松動而形成的壓力。 2 2形變壓力形變壓力圍巖變形在有限范

20、圍內而形成的壓力。圍巖變形在有限范圍內而形成的壓力。這是最重要的兩種壓力形態。這是最重要的兩種壓力形態。 問題：問題： 1.1.這兩種壓力性質上有何不同？這兩種壓力性質上有何不同？ 2.2.壓力的性質與圍巖穩定性有何關系？壓力的性質與圍巖穩定性有何關系？3 3膨脹壓力膨脹壓力膨脹性巖層。膨脹性巖層。4 4沖擊壓力沖擊壓力明洞，落石；明洞，落石； 暗洞，坍方、巖爆。暗洞，坍方、巖爆。4.4.2 4.4.2 影響圍巖壓力的因素影響圍巖壓力的因素 地質因素地質因素 1.1.巖體初始應力狀態巖體初始應力狀態 2.2.巖石力學性質巖石力學性質 3.3.巖體結構面巖體結構面 4.4.地下水等地下水等 工程

21、因素工程因素 1.1.施工方法施工方法 2.2.支護設置時間支護設置時間 3.3.支護本身剛度支護本身剛度 4.4.隧道斷面形狀等隧道斷面形狀等1.1.圍巖松動壓力的形成圍巖松動壓力的形成 自然拱的概念：自然拱的概念：圍巖的變形不能得到有效的控制，當變圍巖的變形不能得到有效的控制，當變形超過一定限度后，圍巖發生松動、坍落，最終在洞室上方形超過一定限度后，圍巖發生松動、坍落，最終在洞室上方形成拱形。形成拱形。 (a) (a) 變形階段；變形階段； (b) (b) 松動階段；松動階段； (c) (c) 塌落階段；塌落階段； (d) (d) 成拱階段。成拱階段。 4.4.3 圍巖松動壓力的形成和確定

22、方法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：影響自然拱的因素： 隧道埋深隧道埋深成拱的必要條件成拱的必要條件 隧道斷面形狀和大小隧道斷面形狀和大小拱的范圍拱的范圍 施工因素施工因素對圍巖的擾動程度對圍巖的擾動程度2 2、圍巖壓力的確定方法、圍巖壓力的確定方法 直接量測法直接量測法 理論估算法理論估算法 統計法（經驗法、工程類比法）統計法（經驗法、工程類比法） 1)1)深埋隧道圍巖松動壓力的確定方法深埋隧道圍巖松動壓力的確定方法 (1) (1) 統計法統計法我國我國隧規隧規所推薦的方法所推薦的方法式中式中 圍巖容重；圍巖容重； s s 圍巖級別圍巖級別; ; w w 寬度影響系數，

23、由寬度影響系數，由 w=1+iw=1+i（B-5B-5）計算：）計算： B B 坑道寬度，當坑道寬度，當 B B5m5m時，取時，取 i =0.2i =0.2，當，當 B B5m5m時，取時，取i =0.1i =0.1。 I I 以以B=5mB=5m為基準，為基準，B B每增減每增減1m1m時圍巖壓力的增減率，當時圍巖壓力的增減率，當B5mB5mB5m時，取時，取i=0.1i=0.1。1245. 0sq水平壓力見表水平壓力見表4-74-7：表表4-74-7圍巖水平均布壓力圍巖水平均布壓力圍巖級別圍巖級別、水平均布壓力水平均布壓力00.15q( 0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0

24、)q 統計法公式的適用條件：統計法公式的適用條件：H/BH/B1.71.7，H H為坑道的高度；為坑道的高度；深埋隧道；深埋隧道；不產生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖；不產生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖；采用礦山法施工。采用礦山法施工。(2) (2) 普氏理論普氏理論 散粒體理論：巖體被節理、裂隙所切割，視為散粒體理論：巖體被節理、裂隙所切割，視為散粒體。散粒體。 普氏系數普氏系數f(f(巖體堅固性系數巖體堅固性系數):):0tantantanccf巖體堅固性系數巖體堅固性系數 f f 的概念：的概念： f f是一個以巖體強度為主的指標，兼顧抗鉆性、抗爆性、是一個以巖體強度為主的指標，兼顧抗鉆性、抗爆性、地下水等性質。地下水等性質。 前述自然拱概念最早由普氏提出：前述自然拱概念最早由普氏提出：fbhk h hk k自然拱高度；自然拱高度； bb自然拱半跨度。自然拱半跨度。 一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。一般來說，普