西南交大隧道教案

D30/3 c/c4 cm 12
5
9c
4c
m
5c
m
m
4m ② sb ④ B(+S) ③ B 2.0m 1.6m 3m ① 不支护
3 2.4
⑦ Sfr+B D25/3 c/c2.9
⑥ Sfr+B
⑤ Sfr+B
2
10 E=
J 00 E= 70
0J
E=
0J 70
1.3m
未
1m
喷
混
凝
土
区
的
锚
杆
间
距
1.5
1
0.001 0.004 0.01 0.04 0.1
当定性划分和定量指标确定的级别不一 致时，应对定性划分和定量指标的综合 分析，确定岩体基本质量级别。必要时 应重新进行测试。
围岩分级
影响地下工程围岩稳定性的因素包括：
1. 2. 岩体的破碎程度，也即完整性 岩石的力学性质，主要指岩石单轴饱和抗压强度
3.
4.
结构面性质和空间的组合
围岩的初始应力场
5.
围岩分级
2、宏观地质构造对Q值的影响分析
Q系统
断层（fault）和褶皱（fold）是地质构造的两种最基本形式，它们 的存在不仅可以对原岩应力的量值产生影响，而且还可影响其分布。
受结构面和围岩材料相对强度的关系的影响，结构面附近应力可能
会出现以下三种情况：
围岩分级
2、宏观地质构造对Q值的影响分析
Q系统
围岩分级
3、地形对Q值的影响分析
Q系统
地形坡度对原 岩应力的影响
为全面考察地形坡度对原岩应力的影响情况，取一理想化的山体 进行分析，两侧对称，山脚下为平地，在地形坡度变化时，分析竖向 压力与埋深的关系。
A
100m
B θ
C
200m
围岩分级
3、地形对Q值的影响分析
A
Q系统
地形坡度对原 岩应力的影响
B
围岩分级
《工程岩体分级标准》采用的思路
岩石的坚硬程度
岩体基本质量分级：
岩体的完整程度
根据各行各业、各类型工程岩体特点，考 虑相关影响因素修正，由此形成一个各行各 业都能接受的分级标准
围岩分级
《工程岩体分级标准》确定岩体基本质量的方法
定性划分和定量指标2种方法确定： 定性划分： 定量指标BQ：主要考虑了单轴饱和抗 压强度Rb 和岩体完整指数KV
6.
地下水状况
工程活动中的人为因素，尤以坑道尺寸、形状以
及施工方法的影响较为显著
围岩分级
目前我国铁路隧道分级方法
对岩石坚硬程度和围岩完整程度2个因素采
用定性划分和定量指标2种方法确定，在此基础
上确定基本分级，再结合隧道工程特点，考虑
地下水和初始地应力的状态进行修正，2001年
修订后的铁路围岩级别判定表补充弹性波速度 影响，将隧道围岩分为6级。
C
A
0.15 0.29 0.43 0.57 0.71 0.85 0.99 1.13 1.27
B
C
在斜坡一定深度的范围内，主 应力方向发生了明显的偏转， 形成应力分异带，在应力分异 带内，最大主应力方向与坡面 近于平行，最小主应力则近于 垂直坡面。
围岩分级
3、地形对Q值的影响分析
Q系统
河谷对原岩 应力的影响
Q值的计算式为 ：
Jn——节理组数；
Jr——节理粗糙度； Ja——节理蚀变系数； Jw——节理水折减系数；
围岩分级
1、Q值计算式及其影响因素：
Q系统
《挪威隧道和地下工程 2004年度报告》中的版本
D Poor
2.1m
围岩分级 G Exeptionally Poor F Extremely Poor E Very Poor C Fair
D D
情况3
三种情况： ①如果结构面是张开的，最大主应力转向平行于结构面； ②如果结构面是由一种类似于围岩的材料组成，主应力不受影响； ③如果结构面内的材料是刚性的，最大主应力转向垂直于结构面。
围岩分级
2、宏观地质构造对Q值的影响分析
Q系统
褶皱
如图：褶皱的地层中包括了较软弱的岩层 和较刚性的岩层，其中较刚性的岩层厚度 较小。垂直于该褶皱轴向，进行两条隧道 的开挖，在图中分别为AA´和BB´。沿着 AA´线，左右两侧的背斜产生拱的作用， 使应力向着向斜核部转移，在背斜下面， 局部的垂直压力减小，而在向斜中增大， 超过平均值。沿着BB´线，背斜的拱的作 用仍然存在，但是由于较刚性的岩层的附 加的重量，在向斜槽部的垂直压力比在 AA´的情况下高。显然，褶皱类型与应力 值间存在一定的关系，并且同一褶皱的不 同部位应力值也有差异。在此引入“褶皱 影响系数”对Q计算式进行修正，反映褶 皱对Q值的影响。
一些学者认为：河谷区应力存在分区现象，可划分为岸坡至一定 深度范围内的应力变异区和超过这一深度以后的原岩应力分布区，其 中应力变异区可根据应力量值的变化进一步划分为应力松弛区和应力 增高区。王士天给出了雅砻江锦屏坝区河谷应力分带图，根据应力值 的大小，将应力区分为：应力释放区、应力扰动区、原岩应力区以及 高地应力区四个区域。
分类与分级 岩体、工程岩体和围岩 建议采用“岩体分级”或“工程岩体 分级”的名称；当然对于地下工程而 言，“围岩分级”是适用的
围岩分级
为什么要对工程岩体进行分级?
对于地下工程而言，一个准确而合理的围
岩分级，不仅是人们认识洞室围岩特征，
正确进行隧道或其他地下洞室的设计、施
工的基础，而且也是现场进行科学管理，
较稳定围岩 一般围岩
一般不稳定围 岩（软岩）
40~100 100~150
150~200
大松 动圈
Ⅴ
不稳定围岩 （较软围岩）
极不稳定围岩
200~300
锚杆组合拱理论， 喷层、金属网局部 支护
待定
围岩变形有稳定 期
围岩变形在一般 支护条件下无稳
Ⅵ
>300
围岩分级
1、屈服及屈服接近度
基于屈服接近度的围岩稳定性分级
围岩分级
4、Q值的修正计算
Q系统
对各影响系数 定量取值目前 还比较困难！
围岩分级
4、Q值的修正计算
Q系统
对各影响系数 定量取值目前 还比较困难！
A B
B
A
B B
围岩分级
1、围岩松动圈
基于围岩松动圈的围岩稳定性分级
20世纪80年代初，中国矿业大学以董方庭教授为首的课题组，在国内外 首先提出了“围岩松动圈支护理论”。包括三部分： 围岩松动圈支护理论。立论有三点：一是围岩松动圈是隧道开挖后客观存 在和普遍存在的；二是阐明支护对象为松动破裂发展中的岩石碎胀变形或碎 胀力；三是支护的作用一方面是维护破裂的岩石在原位不垮落，另一方面是 限制围岩松动圈形成过程中的有害变形。 围岩松动圈分类方法。围岩松动圈是反映了地应力、围岩强度、结构面性 质等影响因素的一个综合指标，其值越大碎胀变形量越大，而围岩的变形量 也越大，支护也越困难。因此在统计的基础上可以用其值作为分类指标，对 围岩的稳定性和支护难度进行分类。 围岩松动圈喷锚支护技术。从围岩松动圈支护理论出发，根据松动圈大小 进行喷锚支护设计。
围岩分级
基于围岩松动圈的围岩稳定性分级
2、围岩松动圈稳定性判据
围岩分级
3、围岩松动圈分类
围岩类别 小松 动圈 Ⅰ 稳定围岩 Ⅱ 中松 动圈 Ⅲ Ⅳ 分类名称
基于围岩松动圈的围岩稳定性分级
松动圈 （cm） 0~40 支护机理及方法 喷射混凝土支护 锚杆悬吊理论喷层 局部支护 锚杆悬吊理论喷层 局部支护 锚杆组合拱理论， 喷层、金属网局部 支护 刚性支护局部破 坏 刚性支护大面积 破坏 备注 围岩整体性好， 不易风化的可不 支护
SEE 图 例
应力释放区 应力扰动区 原岩应力区 高地应力区
围岩分级
Q系统
3、地形对Q值的影响分析
河谷对原岩应力的影 响——有限元分析
5 7°
20
A B C D E F G
K tf
A' B' C' D' E' F' G'
300
50 50 50 50 50 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0 50
74 °
引入地形影响 系数，对Q进行 修正，反映地 形对Q值的影响
0.4
1
4
10
40
100
400
1000
围岩分级
1、Q值计算式及其影响因素：
Q系统
6个参数从岩体的完整性、结构面发育程度、地下水和地应力的影
响等方面，比较全面地反映了岩体的工程地质状况和水文地质状况对 洞室围岩稳定性的影响。根据计算得到的Q值，就可判断围岩的稳定 程度，Q值越大，围岩稳定性就越好。然而，通过研究发现，宏观地 质构造（如断层、褶皱等）、地形对洞室稳定性的影响也不容小视， 有时还起控制作用，这些因素主要通过对原岩地应力的影响而间接地 对洞室稳定性产生影响。也就是说，宏观地质构造、地形的影响对Q 值都产生了一定的折减，那究竟如何对Q值进行折减呢？
cm 15 D40/4 D30/3 c/c2.9 c/c3.2
D55/6 c/c1.2 ⑨ CCA D40/4 c/c1.2
D70/8 D55/8 c/c1.7 c/c2.3 cm 25 D45/6 D45/3 c/c1.7 c/c2.3 ⑧ Sfr+RRS+B D35/3 D35/5 c/c1.7 c/c2.3
围岩分级 岩体工程分类分级不可能是固定不变的，随着
经验的积累和分析手段的提高，分级方案和标
准应逐渐得到改善；
当前单就地下工程方面的围岩分级标准也很多，
统一分级方法势在必行；
同时还应考虑如何实现与国际分级标准接轨。
围岩分级
1、Q值计算式及其影响因素：
Q系统
Q——N.Barton岩质评定系数； RQD——岩体质量指标；
A
H
A' B'
B 4 3
σz /γH
BB' AA'
2 1 0
围岩分级
2、宏观地质构造对Q值的影响分析
Q系统
断层
断层是存在于地质体中的破裂构造。无论是活动断层还是非活动 断层，均对岩体中的应力有明显影响。活动断层的影响主要表现在： 与区域主应力方位相比，断层附近的主应力方位均不同程度地变化， 而这种变化主要限于断层附近一定距离内；断层及其附近应力量值的 变化较为复杂，既有应力增大地段，也有降低地段，应力的增大和降 低主要取决于断层带的几何形态和断层与区域应力方向之间的关系， 而应力变化的幅度与断层的规模有关。非活动断层的影响主要表现在： 在断层附近，与区域应力场相比，应力方位发生转向，断层组成地应 力局部分区的界面，断层的上盘与下盘应力大小和方向都有差别。断 层对地应力的影响十分复杂，对其进行定量地描述还很困难，需要根 据具体的工程通过数值模拟或现场测试进行单独分析。同样在此引入 “断层影响系数”对Q计算式进行修正，反映断层对Q值的影响。
发展新的施工工艺以及正确评价经济效益
的有力工具。
围岩分级
《工程岩体分级标准》GB50218-94出现的背景
我国各行业、各种工程类型已建立了数十种岩体分级方
法，体系庞杂，称呼、分级指标、评价标准等各方面都不 统一，显得极其混乱，与工程建设标准化要求不协调 ， 而且对同一处岩体进行分级评价时，有时会矛盾，带来失 误，有必要通过总结分析，把这些方法统一起来。 由水利部、铁道部、建设部联合制定，1995年7月开始 施行的《工程岩体分级标准》GB50218-94，是对于各行 各业各类岩石工程都适用的统一的工程岩体分级方法。
非连续体充填物 E -非连续体充填物的弹性模量
D
最小主应力σ 3 情况1 σ1 最大主应力σ 1 σ3=0 σ1 情况3 σ3 σ3 情况2 情况2 σ1
E-围岩的弹性模量 情况1：E =0张开的非连续体 情况2：E =非连续体内充填物的模量与围岩相同 情况3：E =无穷大 非连续体内充填物非常坚硬
2.3m
B Good
2.5m
100 50
跨度或高度（m） ESR
Very good
A Ext good
Exe good
20
ESR=1时的锚杆长度（m）
1.7m
20 10 5
D70/10 c/c1.0
喷混
凝
的 土区
间 锚杆
距
1.3m
1.5m
11 7
1.2m D55/6 D40/4 c/c2.9 c/c3.2
s
o
u
t
h
w
e
s
t
j
I
a
o
t
o
n
g
u
n
I
v
e
r
s
I
t
y
地下工程力学原理
围岩分级
单层衬砌
锚杆受力
专 授
业：桥梁与隧道工程 课：仇 文 革 教授
s
o
u
t
h
w
e
s
t
j
I
a
o
t
o
n
g
w
n
I
v
e
r
s
I
t
y
一：围岩分级
西南交通大学
Southwest Jiaotong University
概念澄清
岩石和岩体
物体受到荷载作用后，随着荷载的增大，由弹性状态过渡到塑性 状态，这种过渡叫做屈服，而物体内某一点开始产生塑性应变时，应 力或应变所必需满足的条件叫做屈服条件。岩石全程应力应变曲线如：
围岩分级
基于屈服接近度的围岩稳定性分级
2、毛洞稳定性的屈服接近度分析-Drucker-Prager准则
围岩分级
σ
基于屈服接近度的围岩稳定性分级
σ'
2
2、毛洞稳定性的屈服接近度分析——Drucker-Prager准则
2
y
π 平面
A B C D O'
屈服面
D O' A
θσ
x
3c
.ct
gυ
O
σ
1
σ'
3
σ'
1
τ
σ
3
π
A