第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力學習本章的目的：（1）要求掌握有關隧道的勘查、設計、構造原理和有關計算方法；（2）理解隧道圍巖穩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。第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力4.1隧道圍巖的概念與工程性質4.2圍巖的穩定性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

Surroundingrockclassificationandpressure第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力4.1隧道圍巖的概念與工程性質4.1.1圍巖的概念圍巖:隧道開挖后對其穩定性產生影響的那部分巖(土)體。說明：圍巖既指巖體也指土體。4.1.2圍巖的工程性質物理工程性質水理力學第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力巖石與巖體的區別：

巖石：均質、連續、各向同性巖體：非均質、不連續、各向異性巖體力學性質獲取的方式：現場試驗：真實、費時、費錢室內試驗：不易取樣、代表性差問題：

1.結構計算與力學性質的關系？

2.隧道結構計算的難點？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、彈性軟弱結構面：非線性、塑性巖體：彈塑性體，見下圖。

第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力圖4-1典型巖體全應力應變曲線第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力巖體：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)沿結構面滑動

(2)巖石的斷裂

(3)在結構面的影響下沿巖石剪斷第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力3)流變特性●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巖體的流變第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力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70～80％。第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力4.2圍巖的穩定性性第4章隧道圍巖巖分級與圍巖巖壓力4.2.1研究圍巖穩定定性的意義圍巖的穩定性性：隧道開挖后，，在不支護條條件下圍巖的的穩定性。問題：什么是是隧道工程的的頭等大事？？研究圍巖的穩穩定性，如何何促使圍巖穩穩定。圍巖級別的工工程作用：①判斷圍巖穩穩定性。②判斷施工難難易程度，投投資依據。③結構分析計計算的依據第4章隧道圍巖巖分級與圍巖巖壓力⑴地質因素～客客觀因素⑵人為因素～主主觀因素、工工程因素第4章隧道圍巖巖分級與圍巖巖壓力4.2.2影響圍巖穩定定性的因素1、地質因素從5個方面來分析析：⑴巖體結構構特征⑵結構面性性質和空間的的組合⑶巖石的力力學性質⑷地下水的的影響⑸圍巖的初初始應力狀態態第4章隧道圍巖巖分級與圍巖巖壓力⑴巖體結構特征征指巖體的破碎碎程度或完整整狀態。●破碎程度：裂隙率、裂隙隙間距。裂隙是廣義的的：包括層理理、節理、斷斷裂及夾層等等結構面。●完整狀態：整塊狀、大塊塊狀等。按這2個指標有下圖圖：第4章隧道圍巖巖分級與圍巖巖壓力⑵結構面性質和和空間組合●性質1)結構面的成因因；2)結構面的光滑滑程度；3)結構面的物質質組成；4)結構面的規模模；5)結構面的密集集度。●空間組合指結構面的相相互位置狀態態。問題：軟弱結構面有有怎樣的害處處？什么是不利空空間組合？第4章隧道圍巖巖分級與圍巖巖壓力張家界圖節理較發育⑶巖石的力學性性質主要指巖石的的單軸飽和極極限抗壓強度度Rb。巖石強度越高高，隧道越穩穩定。第4章隧道圍巖巖分級與圍巖巖壓力(4)圍巖的初應力力狀態●初始應力是是隧道圍巖變變形、破壞的的根本作用力力。●已初步將初初始應力考慮慮進圍巖分級級之中。在高的初始應應力場條件下下，圍巖級別別應適當降低低。第4章隧道圍巖巖分級與圍巖巖壓力⑸地下水的影響響●軟化圍巖巖；●減少層間摩阻阻力促使巖塊塊滑動；●具膨脹性性的圍巖，遇遇水后產生膨膨脹等。第4章隧道圍巖巖分級與圍巖巖壓力2、人為因素⑴隧道形狀狀和尺寸⑵支護結構構類型⑶施工方法法第4章隧道圍巖巖分級與圍巖巖壓力超挖4.3圍巖分分級4.3.1概述述圍巖分分級：：根據巖巖體的的若干干指標標，按按照穩穩定性性將圍圍巖分分成不不同的的級別別。工程目目的：（1）結構構設計計依據據（2）施工工方法法依據據（3）工程程造價價依據據第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力圍巖分分級的的發展展過程程：土石分分類法法單一因因素分分類法法綜合物物性分分類法法第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力其它分分級法法：第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力組合多多因素素分類類法與地質勘勘探手段相相聯系系的分類法法總結：：早期～～僅巖巖石強強度；；現在～～綜合合多種種因素素，如如巖體體構造造、巖巖石強強度、、RQD指標等等。4.3.2圍巖分分級方方法3個基本本因素素：①巖性：：抗壓強強度、、彈性性模量量、彈彈性波波速等等。②地質構構造：：巖體完完整性性或結結構狀狀態。。③地下水水：地下水水發育育時，，圍巖巖級別別應降降低。。1個附加加因素素：④初始地地應力力：適當考考慮。。第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力（一））以巖巖石強強度或或巖石石的物物性指指標為為代表表的分分級法法1.以巖石石強度度為基基礎的的分級級法代表：：土石分分類法法～堅堅石、、次堅堅石、、松石石、土土。2.以巖石石物性性指標標為基基礎的的分級級法代表：：巖石堅堅固性性系數數(f值)分級法法～普普氏法法f值：一一個綜綜合的的物性性指標標值，，如巖巖石的的抗鉆鉆性、、抗爆爆性、、強度度等。。但核心心還是是巖石石強度度。第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力(二)以巖體體構造造、巖巖性特特征為為代表表的分分級方方法代表：：●泰沙基基法～考慮圍圍巖的的完整整狀態態和巖巖性，，共9級。●我國交交通隧隧道圍圍巖分分級法法～借鑒了了泰沙沙基法法，考考慮巖巖體綜綜合物物性，，共6級。第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力（三））與地地質勘勘探手手段相相聯系系的分分級方方法代表：：●彈性波波速分分級法法～波速是是反映映巖性性與巖巖體結結構的的一項項綜合合指標標，波波速越越高，，圍巖巖越好好。第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力波速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●巖石質質量指指標～RQD指標也也是反反映巖巖性與與巖體體結構構的一一項綜綜合指指標。。RQD指標標的的具具體體含含義義為為巖巖芯芯復復原原率率:第4章隧隧道道圍圍巖巖分分級級與與圍圍巖巖壓壓力力R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5R<0.25優良好差很差表中中R為RQD指標標。。(四)組合合多多種種因因素素的的分分級級方方法法代表表：：巖體體質質量量分分級級法法巴頓頓等等人人提提出出的的“巖體體質質量量—Q”分級級法法。。表表達達如如下下：：第4章隧隧道道圍圍巖巖分分級級與與圍圍巖巖壓壓力力組合合了了6個參參數數：：巖石石質質量量指指標標、、節節理理組組數數目目、、節節理理粗粗糙糙度度、、節理理蝕蝕變變值值、、節節理理含含水水折折減減系系數數、、應應力力折折減減系系數數。。(五)我國國鐵鐵路路與與公公路路隧隧道道的的圍圍巖巖分分級級方方法法1.鐵路路隧隧道道⑴沿沿革革●巖體體綜綜合合分分類類～60年代代，，成成昆昆線線，，五五類類。。●隧道道圍圍巖巖分分類類～74年版版，，首首部部鐵鐵路路隧隧道道規規范范，，六六類類。。●隧道道圍圍巖巖分分類類～86年版版，，加加入入圍圍巖巖彈彈性性波波速速指指標標。。●隧道道圍圍巖巖分分級級～99年版版，，采采用用國國標標分分級級排排序序，，改改稱稱“圍巖巖分分級級”，六六級級。。●隧道道圍圍巖巖分分級級～2001年版版，，不不變變。。●隧道道圍圍巖巖分分級級～2005年版版，，不不變變。。第4章隧隧道道圍圍巖巖分分級級與與圍圍巖巖壓壓力力⑵分級級的的理理論論基基礎礎●以圍圍巖巖的的穩穩定定性性判判斷斷為為基基礎礎。屬于于“以巖巖體體構構造造和和巖巖性性特特征征為為代代表表”的分分級級方方法法。。●主要要考考慮慮4種因因素素：：①巖巖石石堅堅硬硬程程度度②圍圍巖巖完完整整狀狀態態③地地下下水水④圍圍巖巖初初始始地地應應力力第4章隧隧道道圍圍巖巖分分級級與與圍圍巖巖壓壓力力基本本分分級級修正正基基本本分分級級基本本分分級級修修正正基基本本分分級級最最終終分分級級⑶基本本分分級級依據據：：圍圍巖巖主主要要工工程程地地質質條條件件，，由由兩兩條條組組成成：：①巖巖石石堅堅硬硬程程度度軟硬巖分分界指標標：30MpaRb>30硬巖5<Rb≤30軟巖Rb<5極軟巖②圍巖完完整程度度指標1：結構面面發育程程度指標2：地質構構造影響響程度由此兩指指標，將將巖體完完整程度度分為5個級別，，見下表表：第4章隧道道圍巖分分級與圍圍巖壓力力巖體完整整程度的的劃分完整程度結構面發育程度地質構造影響程度完整不發育輕微較完整較發育、不發育較重、輕微較破碎發育、較發育嚴重破碎極發育、發育極嚴重、嚴重極破碎極發育極嚴重圍巖受地地質構造造影響程程度等級級劃分圍巖節理理（裂隙隙）發育育程度劃劃分等級地質構造作用特征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地質構造作用特征節理不發育節理（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（裂隙）2-3組，呈x型，較規則，以構造型為主，多數的間距大于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（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（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(4)鐵路隧道道圍巖分分級表基本分級級+圍巖彈性性縱波速速度=鐵路隧道道圍巖分分級表見教材P82-83。⑸特點◆給出了了單線隧隧道圍巖巖開挖后后的穩定定狀態。。◆尚未考考慮地下下水和地地應力。。⑹修正分級級◆地下下水地下水的的3種處理方方法：①分級時時按無水水考慮，，而是根根據地下下水的狀狀態，適適當降低低圍巖等等級(1～2級)；②分級時時按有水水考慮，，當確認認圍巖無無水則提提高圍巖巖等級；；③直接將將地下水水狀況(水質、水水量、流流通條件件、靜水水壓力等等)作為一個個分級指指標。鐵路隧道道分級按按第1種方法處處理：地下水影影響的修修正地下水狀狀態的分分級表級別狀態滲水量[L/(min·10m)]Ⅰ干燥或濕潤<10Ⅱ偶有滲水10~25Ⅲ經常滲水25~125

圍巖基本分類地下水狀態分級ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ—ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ—ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ—◆初始地應應力初始地應力狀態主要現象評估基準（Rc/σmax）極高應力1.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<42.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，持續時間長，不易成洞高應力1.硬質巖: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4-72.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，成洞性差初始地應應力影響響的修正正圍巖基本分級修正級別初始地應力狀態ⅠⅡⅢⅣⅤ極高應力ⅠⅡⅢ或ⅣⅤⅥ高應力ⅠⅡⅢⅣ或ⅤⅥ兩點說明明：設計階段段：采用修正正后的圍圍巖分級級。施工階段段：根據實際際情況，，進一步步判定圍圍巖分級級，依據據仍然是是：巖石堅硬硬程度圍巖完整整狀態地下水初始地應應力2.公路隧道道⑴初步分級級～相當當于鐵路路的基本本分級依據：圍圍巖主要要定性特特征該特征由由兩個基基本因素素組成：：●巖石堅堅硬程度度Rc(即強度)●巖體完整整性Kv(即彈性波波速)推出圍巖基本本質量指指標BQ=90+3Rc+250Kv⑵詳細分級級～相當當于鐵路路的修正正分級修正BQ值：當有有以下3方面影響響時，應應予修正正：①地下水水K1②軟弱結構構面(比鐵路多多此條)K2③高初始地地應力K3[BQ]=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3)K1～K3各值可查查公路隧隧道規范范附錄A.0.2-1～A.0.2-3公路圍巖巖分級表表：參數：①圍巖主主要定性性特征②BQ值，或[BQ]值(當需要修修正時)第4章隧道道圍巖分分級與圍圍巖壓力力(六)問題及研研究方向向1.問題指標定性性的多、、定量的的少。如如何做到到準確、、方便、、好用？？2.研究⑴發展物物探手段段，增加加定量指指標。⑵發展分分析理論論模糊數學學～圍巖巖分級；；隧道位移移～圍巖巖分級；；人工智能能專家系系統～圍圍巖分級級等。4.4圍巖壓力力4.4.1巖體初始始應力狀狀態自重應力力構造應力力地下水壓壓力溫度應力力原巖毛洞穩定洞室室開挖支護第4章隧道道圍巖分分級與圍圍巖壓力力一、圍巖巖壓力及及其分類類(一)圍巖壓力力圍巖壓力力地層對洞洞室的作作用力廣義：包包括有、、無支護護時的壓壓力狹義：僅僅指對支支護的壓壓力第4章隧道道圍巖分分級與圍圍巖壓力力（二）圍圍巖壓力力分類1．松動壓壓力～圍巖變形形過大，，發生松松動而形形成的壓壓力。2．形變壓壓力～圍巖變形形在有限限范圍內內而形成成的壓力力。這是最重重要的兩兩種壓力力形態。。問題：1.這兩種壓壓力性質質上有何何不同？？2.壓力的性性質與圍圍巖穩定定性有何何關系？？第4章隧道道圍巖分分級與圍圍巖壓力力3．膨脹脹壓力力～膨脹性性巖層層。4．沖擊擊壓力力～明洞，，落石石；暗洞，，坍方方、巖巖爆。。第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力4.4.2影響圍圍巖壓壓力的的因素素㈠地質質因素素1.巖體初初始應應力狀狀態2.巖石力力學性性質3.巖體結結構面面4.地下水水等㈡工程程因素素1.施工方方法2.支護設設置時時間3.支護本本身剛剛度4.隧道斷斷面形形狀等等第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力1.圍巖松松動壓壓力的的形成成自然拱拱的概概念：：圍巖的的變形形不能能得到到有效效的控控制，，當變變形超超過一一定限限度后后，圍圍巖發發生松松動、、坍落落，最最終在在洞室室上方方形成成拱形形。(a)變形階階段；；(b)松動階階段；；(c)塌落階階段；；(d)成拱階階段。。4.4.3圍巖松松動壓壓力的的形成成和確確定方方法第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力自然拱拱影響自自然拱拱的因因素：：●隧道埋埋深～～成拱的的必要要條件件●隧道斷斷面形形狀和和大小小～拱的范范圍●施工因因素～～對圍巖巖的擾擾動程程度第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力2、圍巖巖壓力力的確確定方方法直接量量測法法理論估估算法法統計法法（經經驗法法、工工程類類比法法）1)深埋隧隧道圍圍巖松松動壓壓力的的確定定方法法(1)統計法法—我國《隧規》所推薦薦的方方法式中γ—圍巖容容重；；hq—坍落拱拱高度度；s—圍巖級級別；；w—寬度影影響系系數，，由w=1+i（B-5）計算算：B—坑道寬寬度，，當B＜5m時，取取i=0.2，當B＞5m時，取取i=0.1。第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力水平壓壓力見見表4-7：表4-7圍巖水水平均均布壓壓力第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力圍巖級別Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布壓力0＜0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q統計法法公式式的適適用條條件：：H/B＜1.7，H為坑道道的高高度；；深埋隧隧道；；不產生生顯著著偏壓壓力及及膨脹脹力的的一般般圍巖巖；采用礦礦山法法施工工。第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力據統計計，圍圍巖垂垂直松松動壓壓力的的分布布可概概括為為4種，如如圖4-7。圖4-7圍巖豎豎向松松動壓壓力的的分布布圖形形第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力統計法法公式式僅針針對圖圖中第第一種種情況況。(2)普氏理理論散粒體體理論論：巖巖體被被節理理、裂裂隙所所切割割，視視為散散粒體體。普氏系系數f(巖體堅堅固性性系數數):第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力巖體堅堅固性性系數數f的概念念：f—是一個個以巖巖體強強度為為主的的指標標，兼兼顧抗抗鉆性性、抗抗爆性性、地地下水水等性性質。。第4章隧隧道圍圍巖分分級與與圍巖巖壓力力前述自自然拱拱概念念最早早由普普氏提提出：：圖4-8自然拱拱的兩兩種形形態①堅硬巖體:②松散破碎巖巖體：式中為為隧道凈凈跨度的一一半；為為隧道凈凈高度。第4章隧道圍圍巖分級與與圍巖壓力力一般來說，，普氏理論論比較適用用于松散、、破碎的圍圍巖中。(3)泰沙基理論論理論：散粒粒體理論。。第4章隧道圍圍巖分級與與圍巖壓力力◆假定：破裂面為折折線—OAB◆方法：研究微分條條帶dh的平衡。◆步驟：1.ΣV=0，建立微分分方程2.邊界條件：：第4章隧道圍圍巖分級與與圍巖壓力力3.解微分方程程，得：4.討論：⑴當埋深深h達到一定程程度時，為為恒恒值：⑵取側壓壓力系數k=1，則則有：⑶與普氏法法對照，能能發現什么么？2