隧道工程第二章 隧道工程地质环境及围岩分级
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第二章 隧道工程地质环境及围岩分级
褶皱
断层
节理
所有方法的基础 直观，但成本高，施工影响大 适用基本认定不良地质区段，对 施工干扰大
围岩自重应力场的变化规律
应力是随深度成线性增加 水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等
更为常用
第四节 围岩分级
根据坑道开挖实践，坑道开挖后的稳定性可分为以下几类： 1)充分稳定的 坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护 而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。 2)基本稳定的 坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不 会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的。 3)暂时稳定的 大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同 程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。
0.01 ～0.1
(五)以工程对象为代表的分级法
这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的 围岩分级法(1979年)、苏联在巴库修建地下铁道时所采用的 围岩分级法(1966年)等，优点是目的明确，而且和支护尺寸
直接挂钩，因此，使用方便，对指导施工很起作用。
三、我国现行铁路隧道围岩分级方法
我国现行的《铁路隧道设计规范》明确规定，目前铁路隧道 围岩分级采用以围岩稳定性为基础的分级方法。 ㈠ 围岩分级的基本因素及围岩基本分级 1、围岩分级的基本因素 围岩基本分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基 本因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分 和定量指标两种方法确定。
极硬岩，岩体完整 极硬岩，岩体较完整； 硬岩，岩体完整 极硬岩，岩体较破碎； 硬岩或软硬岩互层，岩体较完整； 较软岩，岩体完整 极硬岩，岩体破碎； 硬岩，岩体较破碎或破碎； 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主 ，岩体较完整或较破碎； 软岩，岩体完整或较完整 软岩，岩体破碎至极破碎； 全部极软岩及全部极破碎岩(包括受 构造影响严重的破碎带) 受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉 末、泥土状的断层带
(岩性、风化程度、破碎状态、含水及涌水状态等)，将围岩分 为7级。
我国1986年施行的“铁路隧道设计规范”中将弹性波(纵
波)速度引入隧道围岩分级中，将围岩分为6级(表4-4)。
表4-4 弹性波(纵波)速度分级
围岩类别 弹性波速 (km/s) Ⅵ Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ 1.0 ＜ 饱 和 土 ＜1.5
＞4.5
表2-4-4 地下水状态的分级
级别
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
状态
干燥或湿润 偶有渗水 经常渗水
渗水量 [L/(min· 10m)] ＜10 10～25 25～125
表2-4-5 地下水影响的修正
围岩级别 地下水状态级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅳ Ⅳ Ⅳ Ⅳ Ⅴ Ⅴ Ⅴ Ⅴ Ⅵ Ⅵ Ⅵ -
软 质 岩
软 岩
极软岩
5～15
＜15
凝灰岩等喷出岩； 砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、炭质页岩、泥灰 岩、泥岩、煤等沉积岩； 云母片石或千枚岩等变质岩
岩体完整程度划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破 碎等5类(表2-4-2)。
完整程度 结构面特征 结构类型
表2-4-2
岩体完整性指数
Kv
巨块状整体结构 ＞0.75
较完整
块状结构
0.75≥
Kv
＞0.55
较破碎
层状结构、 块石碎石结构
0.55≥ v＞0.35
K
破 碎
碎石角砾状结构
0.35≥ K ＞0.15 v
极破碎
散体状结构
Kv
≤0.15
2、围岩基本分级
根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为6级(见下表)。
围岩 级别 Ⅰ Ⅱ 岩体特征 土体特征 围岩弹性纵波 速度(km/s) ＞4.5 3.5～4.5
RQD J r Jw Q Jh J a SRF
根据不同的Q值，将岩体质量评为九等，详见表4-5。
表4-5 岩体质量评估
岩 体 质 量 Q
特别 好
极好
良好
好
中等
不良
坏
极坏
特别 坏 0.001 ～ 0.01
400～ 1000
100～ 400
40～ 100
10～ 40
4～10
1～4
0.1～ 1
4)不稳定的
二、围岩的分级方法
(一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法
在这种分级方法中，具有代表性的是前苏联普落托奇雅 柯诺夫(M.Jipoctonbn Monos)教授提出的“岩石坚固系数”分 级法(或称“ ”值分级法，或普氏分级法)。这种分级方法在 f
我国的隧道工程中得到了广泛的应用。
级法最早考虑了埋深对围岩级别的影响。其缺点是分类指标
还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法， 在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。
三、与地质勘探手段相联系的分级方法
围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既 可以反映岩石软硬，又可以表达岩体结构的破碎程度。因此，
在弹性波速度基础上，综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素
3.5～4.5
2.5～4.0
1.5～3.0
1.0～2.0
(四)以多种因素进行组合的分级方法
这种分级法认为，评价一种岩体的好坏，既要考虑地 质构造、岩性、岩石强度，还要考虑施工因素，如掘进方 向与岩层之间的关系、开挖断面的大小等，因此就需要建 立在多种因素的分析基础之上。 在这类分级法中，比较完善的是1974年挪威地质学家 巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量—Q”分级法。Q 与六个表明岩体质量的地质参数有关，表达如下：
岩石坚硬程度划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩
和极软岩等5类（表2-4-1）
表2-4-1 岩石坚硬程度的划分
岩石类别 单轴饱和抗压极限强度 R (MPa)
b
代表性岩石
硬 质 岩
极硬岩 硬 岩 较软岩
＞60 30～60 15～30
花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩； 硅岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩 等沉积岩； 片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩
我国工程部门在将分级法应用到隧道工程的设计、施工时， 已注意到必须考虑岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等 多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的值适当降低，即： 式中
f 岩体 K f 岩石 值是由岩石强度决定的，
是考虑地质条件的折减
系数，一般情况下， ＜1.0。 f 岩石
K
K
(二)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法
1.0～2.0
＜1.0(饱和状态 的土＜1.5)
㈡ 围岩分级的影响因素及分级的修正
1、地下水 在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的，在同级围 岩中，遇水后则适当降低围岩级别。降低的幅度主要视： ①围岩的岩性及结构面的状态；②地下水的性质、大小、 流通条件及对围岩浸润状况和危害程度而定。本围岩分级 中关于地下水影响的修正参照表2-4-4和表2-4-5。
评估基准 (
Rb max
)
极高应力
＜4
高应力
4～7
表2-4-7 初始地应力影响的修正
围岩级别 初始地应力状态 极高应力 高应力 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ或Ⅳ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅳ或Ⅴ Ⅴ Ⅵ Ⅵ
-
Ⅲ
-
2.5～4.0
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
来自百度文库
具压密或成岩作用的粘性土、 粉土及砂类土，一般钙质、铁 质胶结的碎(卵)石土、大块石土， 黄土(Q1、Q2) 一般第四系坚硬、硬塑粘性土， 稍密及以上、稍湿、潮湿的碎 (卵)石土、圆砾土、角砾土、粉 土及黄土(Q3、Q4) 软塑状粘性土、饱和的粉土、 砂类土等
1.5～3.0
完 整
结构面1～2组，以构造型节理或层面 为主，密闭型
结构面2～3组，以构造型节理、层面 为主，裂隙多呈密闭型，部分为微张 型，少有充填物 结构面一般为3组，以节理及风化裂 隙为主，在断层附近受构造影响较大， 裂隙以微张型和张开型为主，多有充 填物 结构面大于3组，多以风化型裂隙为 主，在断层附近受构造作用影响大， 裂隙以张开型为主，多有充填物 结构面杂乱无序，在断层附近受断层 作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥 夹岩屑充填，充填物厚度大
60年代，我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上， 提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”， 并于1975年经修正后被我国“铁路工程技术规范(隧道)”所采 用。该分级法将隧道围岩分为6级 。 这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状 况、地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建 议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。此外，这种分
2、初始应力场 围岩的初始应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定
影响的。因此，围岩分级中考虑了初始应力状态的影响，将
初始应力场采取修正系数的方法，对围岩级别予以降级(表24-6和表2-4-7)。
表2-4-6 初始地应力状态评估
初始地应 力状态
主要现象
硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁 岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差 软质岩：岩心常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥 离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不 易成洞 硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和 掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差 软质岩：岩心时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移 显著，持续时间长，成洞性差
褶皱
断层
节理
所有方法的基础 直观，但成本高，施工影响大 适用基本认定不良地质区段，对 施工干扰大
围岩自重应力场的变化规律
应力是随深度成线性增加 水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等
更为常用
第四节 围岩分级
根据坑道开挖实践，坑道开挖后的稳定性可分为以下几类： 1)充分稳定的 坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护 而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。 2)基本稳定的 坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不 会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的。 3)暂时稳定的 大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同 程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。
0.01 ～0.1
(五)以工程对象为代表的分级法
这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的 围岩分级法(1979年)、苏联在巴库修建地下铁道时所采用的 围岩分级法(1966年)等，优点是目的明确，而且和支护尺寸
直接挂钩，因此，使用方便，对指导施工很起作用。
三、我国现行铁路隧道围岩分级方法
我国现行的《铁路隧道设计规范》明确规定，目前铁路隧道 围岩分级采用以围岩稳定性为基础的分级方法。 ㈠ 围岩分级的基本因素及围岩基本分级 1、围岩分级的基本因素 围岩基本分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基 本因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分 和定量指标两种方法确定。
极硬岩，岩体完整 极硬岩，岩体较完整； 硬岩，岩体完整 极硬岩，岩体较破碎； 硬岩或软硬岩互层，岩体较完整； 较软岩，岩体完整 极硬岩，岩体破碎； 硬岩，岩体较破碎或破碎； 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主 ，岩体较完整或较破碎； 软岩，岩体完整或较完整 软岩，岩体破碎至极破碎； 全部极软岩及全部极破碎岩(包括受 构造影响严重的破碎带) 受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉 末、泥土状的断层带
(岩性、风化程度、破碎状态、含水及涌水状态等)，将围岩分 为7级。
我国1986年施行的“铁路隧道设计规范”中将弹性波(纵
波)速度引入隧道围岩分级中，将围岩分为6级(表4-4)。
表4-4 弹性波(纵波)速度分级
围岩类别 弹性波速 (km/s) Ⅵ Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ 1.0 ＜ 饱 和 土 ＜1.5
＞4.5
表2-4-4 地下水状态的分级
级别
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
状态
干燥或湿润 偶有渗水 经常渗水
渗水量 [L/(min· 10m)] ＜10 10～25 25～125
表2-4-5 地下水影响的修正
围岩级别 地下水状态级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅳ Ⅳ Ⅳ Ⅳ Ⅴ Ⅴ Ⅴ Ⅴ Ⅵ Ⅵ Ⅵ -
软 质 岩
软 岩
极软岩
5～15
＜15
凝灰岩等喷出岩； 砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、炭质页岩、泥灰 岩、泥岩、煤等沉积岩； 云母片石或千枚岩等变质岩
岩体完整程度划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破 碎等5类(表2-4-2)。
完整程度 结构面特征 结构类型
表2-4-2
岩体完整性指数
Kv
巨块状整体结构 ＞0.75
较完整
块状结构
0.75≥
Kv
＞0.55
较破碎
层状结构、 块石碎石结构
0.55≥ v＞0.35
K
破 碎
碎石角砾状结构
0.35≥ K ＞0.15 v
极破碎
散体状结构
Kv
≤0.15
2、围岩基本分级
根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为6级(见下表)。
围岩 级别 Ⅰ Ⅱ 岩体特征 土体特征 围岩弹性纵波 速度(km/s) ＞4.5 3.5～4.5
RQD J r Jw Q Jh J a SRF
根据不同的Q值，将岩体质量评为九等，详见表4-5。
表4-5 岩体质量评估
岩 体 质 量 Q
特别 好
极好
良好
好
中等
不良
坏
极坏
特别 坏 0.001 ～ 0.01
400～ 1000
100～ 400
40～ 100
10～ 40
4～10
1～4
0.1～ 1
4)不稳定的
二、围岩的分级方法
(一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法
在这种分级方法中，具有代表性的是前苏联普落托奇雅 柯诺夫(M.Jipoctonbn Monos)教授提出的“岩石坚固系数”分 级法(或称“ ”值分级法，或普氏分级法)。这种分级方法在 f
我国的隧道工程中得到了广泛的应用。
级法最早考虑了埋深对围岩级别的影响。其缺点是分类指标
还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法， 在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。
三、与地质勘探手段相联系的分级方法
围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既 可以反映岩石软硬，又可以表达岩体结构的破碎程度。因此，
在弹性波速度基础上，综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素
3.5～4.5
2.5～4.0
1.5～3.0
1.0～2.0
(四)以多种因素进行组合的分级方法
这种分级法认为，评价一种岩体的好坏，既要考虑地 质构造、岩性、岩石强度，还要考虑施工因素，如掘进方 向与岩层之间的关系、开挖断面的大小等，因此就需要建 立在多种因素的分析基础之上。 在这类分级法中，比较完善的是1974年挪威地质学家 巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量—Q”分级法。Q 与六个表明岩体质量的地质参数有关，表达如下：
岩石坚硬程度划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩
和极软岩等5类（表2-4-1）
表2-4-1 岩石坚硬程度的划分
岩石类别 单轴饱和抗压极限强度 R (MPa)
b
代表性岩石
硬 质 岩
极硬岩 硬 岩 较软岩
＞60 30～60 15～30
花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩； 硅岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩 等沉积岩； 片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩
我国工程部门在将分级法应用到隧道工程的设计、施工时， 已注意到必须考虑岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等 多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的值适当降低，即： 式中
f 岩体 K f 岩石 值是由岩石强度决定的，
是考虑地质条件的折减
系数，一般情况下， ＜1.0。 f 岩石
K
K
(二)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法
1.0～2.0
＜1.0(饱和状态 的土＜1.5)
㈡ 围岩分级的影响因素及分级的修正
1、地下水 在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的，在同级围 岩中，遇水后则适当降低围岩级别。降低的幅度主要视： ①围岩的岩性及结构面的状态；②地下水的性质、大小、 流通条件及对围岩浸润状况和危害程度而定。本围岩分级 中关于地下水影响的修正参照表2-4-4和表2-4-5。
评估基准 (
Rb max
)
极高应力
＜4
高应力
4～7
表2-4-7 初始地应力影响的修正
围岩级别 初始地应力状态 极高应力 高应力 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ或Ⅳ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅳ或Ⅴ Ⅴ Ⅵ Ⅵ
-
Ⅲ
-
2.5～4.0
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
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具压密或成岩作用的粘性土、 粉土及砂类土，一般钙质、铁 质胶结的碎(卵)石土、大块石土， 黄土(Q1、Q2) 一般第四系坚硬、硬塑粘性土， 稍密及以上、稍湿、潮湿的碎 (卵)石土、圆砾土、角砾土、粉 土及黄土(Q3、Q4) 软塑状粘性土、饱和的粉土、 砂类土等
1.5～3.0
完 整
结构面1～2组，以构造型节理或层面 为主，密闭型
结构面2～3组，以构造型节理、层面 为主，裂隙多呈密闭型，部分为微张 型，少有充填物 结构面一般为3组，以节理及风化裂 隙为主，在断层附近受构造影响较大， 裂隙以微张型和张开型为主，多有充 填物 结构面大于3组，多以风化型裂隙为 主，在断层附近受构造作用影响大， 裂隙以张开型为主，多有充填物 结构面杂乱无序，在断层附近受断层 作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥 夹岩屑充填，充填物厚度大
60年代，我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上， 提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”， 并于1975年经修正后被我国“铁路工程技术规范(隧道)”所采 用。该分级法将隧道围岩分为6级 。 这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状 况、地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建 议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。此外，这种分
2、初始应力场 围岩的初始应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定
影响的。因此，围岩分级中考虑了初始应力状态的影响，将
初始应力场采取修正系数的方法，对围岩级别予以降级(表24-6和表2-4-7)。
表2-4-6 初始地应力状态评估
初始地应 力状态
主要现象
硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁 岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差 软质岩：岩心常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥 离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不 易成洞 硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和 掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差 软质岩：岩心时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移 显著，持续时间长，成洞性差