围岩分级与围岩压力

2.工程目的
（1）结构设计依据
（2）施工方法依据 （3）工程造价依据
开挖后稳定程度： 充分稳定
土石分类法
基本稳定
暂时稳定 不稳定
单一因素分类法
（4）判别围岩稳定性
综合物性分类法 与地质勘探手段相联系的分类法
3.Biblioteka Baidu展过程
早期～仅岩石强度； 现在～综合多种因素，如岩体构造、岩石强 度、RQD指标等。
组合多因素分类法
岩体力学性质取决于岩体结构特征和结构面特性 容重、节理产状等 溶水性、透水性和持水性等 抗拉、抗压、抗剪强度等 围岩抵抗变形和破坏的性质 地下水对岩 体力学性质 影响很大！ 对围岩稳定性 影响最大的是 力学性质！
物理性质 岩体性质 水理性质 力学性质
岩体与岩石
岩石：均质、连续、各向同性 现场试验：真实、费时、费钱 室内试验：不易取样、代表性差
第4章 围岩分级与围岩压力
二、影响围岩稳定性的因素
⑶ 岩石的力学性质
主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度Rb。 岩石强度越高，隧道越稳定。
(4) 围岩的初应力状态
初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。 已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。 在高的初始应力场条件下，围岩级别应适当降低。
⑸ 地下水的影响 软化围岩；
指岩体的破碎程度或完整状态。
●破碎程度：裂隙率、裂隙间距。
裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。 ●完整状态：整块状、大块状等。 按这2个指标：
围岩
岩体
土体
整体块 d>1.0cm
大块体 块石状 碎石块 d=0.4-1.0cmd=0.2-0.4cm d<0.2cm
土石块 归入土类
松散状
松软状
隧道围岩分级方法
（四）组合多种因素的分级方法 代表 ●岩体质量分级法 ～巴顿等人提出的“岩体质量—Q”分级法。
表达如下：
RQD J r Jw Q Jh J a SRF
组合6个参数：
（1）岩石质量指标RQD （2）节理组数目Jh （3）节理粗糙度Jr
岩体 质量 Q 特别好 400-1000 极好 良好 好 中等 4-10
1)脆性断裂 整体状、块状岩体、岩性坚硬，局部掉块、“岩爆” 2)块状运动 块状或层状岩体、块体向临空面运动（趋势） 3)弯曲折断破坏 洞顶层状岩体、下沉弯曲－断裂； 变墙侧向鼓出弯曲变形－折断 4)松动解脱 碎裂结构岩体、在各种作用下松动、溃散－脱落 5)塑性变形和剪切破坏 碎裂岩体、在较多软弱结构面下，产生塑性变形和剪切破坏 表现：塌方、边墙挤入、底鼓、洞径缩小等，膨胀性围岩表现
3.剪切变形 沿结构面滑动
沿岩石断裂
结构面起主导作用 岩石起主导作用
在结构面的影响下沿岩石剪断 介于上述二者之间
第4章 围岩分级与围岩压力
s
峰值强 度高
岩石
岩体： ①压密阶段(OA) ②弹性阶段(AB) ③塑性阶段(BC) ④破裂和破坏阶段 (CD)
C
岩体 B A 软弱结构面
软弱 结构 面
0
典型岩体全应力应变曲线
修正基本分级 基本分级
基本分级+围岩弹性纵波速 = 铁路隧道围岩分级表
第4章 围岩分级与围岩压力
我国现行的隧道围岩分级
（3）基本分级 ①岩石坚硬程度 软硬岩分界指标（抗压强度）：30MPa Rb>30 Rb <5 ②围岩完整程度 硬岩 极软岩 5 <Rb≤30 软岩 （一）铁路隧道围岩分级
依据：围岩主要工程地质条件，由两条组成：
围岩压力 地下水压力
第4章 围岩分级与围岩压力
围岩
是地层的一部分，是隧道开挖后对其稳定性产生影响那部分岩(土)体。 或隧道开挖影响的那部分岩体。 在隧道开挖和支护过程中，围岩将产生应力重分布，其性质也发生变化。 围岩的边界：开挖引起的应力变化可以忽略不计的地方。 围岩是直接影响隧道稳定性的因素，围岩的好坏直接影响隧道的设计施工 及造价。 约为6~10倍隧道直径 说明：围岩既指岩体也指土体
三、岩体的强度
1.岩石强度： 通过试件获得 2.岩体强度： 低于岩石强度，约为岩石强度的70～80％。
抗压强度：
抗剪强度： 岩体的结构
岩石：受微裂隙制约，强度大 岩体：受结构面制约，强度小，具有各向异性
受结构面的制约
结构面发育的岩体，只有抗压的5~10%
四、岩体结构分类
不同块度、形状、产状的结构体构成不同类型 整体结构、块状结构
（4）节理蚀变值Ja （5）节理含水折减系数Jw （6）应力折减系数SRF。
不良 1-4 坏 极坏 特别坏 0.001-0.01
100-400 40-100 10-40
0.1-1 0.01-0.1
第4章 围岩分级与围岩压力
我国现行的隧道围岩分级
（一）铁路隧道围岩分级 （1）历史沿革 ●岩体综合分类～60年代，成昆线，五类 ●隧道围岩分类～74年版，首部铁路隧道规范，六类。 ●隧道围岩分类～86年版，加入围岩弹性波速指标。 ●隧道围岩分级～99年版，采用国标分级排序，改称“围岩分级”，六
d为裂缝间距
第4章 围岩分级与围岩压力
二、影响围岩稳定性的因素
⑵ 结构面性质和空间组合
● 性质 1) 结构面的成因； 2) 结构面的光滑程度； 3) 结构面的物质组成； 4) 结构面的规模； 5) 结构面的密集度。
●空间组合
指结构面的相互位置状态。
问题：软弱结构 面有怎样的害处？ 什么是不利空间 组合？
第4章 围岩分级与围岩压力
隧道围岩分级方法
4.围岩分级考虑的因素 3个基本因素： ①岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等。 ②地质构造：岩体完整性或结构状态。 ③地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。 1个附加因素： ④初始地应力：适当考虑。
第4章 围岩分级与围岩压力
隧道围岩分级方法
（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法
1.以岩石强度为基础的分级法
代表：土石分类法～坚石、次坚石、松石、土
2.以岩石物性指标为基础的分级法 代表：岩石坚固性系数（f值）分级法～普氏法
f 值：一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等
但核心还是岩石强度。
（二）以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法
●泰沙基法～考虑围岩的完整状态和岩性，共9级。 代表 ●我国交通隧道围岩分级法～借鉴泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6 级。
公路隧道P61
①岩石坚硬程度Rc(即强度) ②岩体完整性Kv(即弹性波速) BQ
基本分级
①地下水K1 修正分级
②软弱结构面(比铁路多此条)K2 ③高初始地应力K3 修正BQ
第4章 围岩分级与围岩压力
隧道围岩分级概述
1.概念
围岩分级：根据岩体的若干指标（一个或几个），按照稳定性将围岩（无 限岩体）分成不同的级别（有限），将稳定性相似的围岩划分为一级。
两大类：
地质因素—客观因素 ⑴ 岩体结构特征 ⑵ 结构面性质和空间的组合 ⑶ 岩石的力学性质 ⑷ 地下水的影响 ⑸ 围岩的初始应力状态 人为因素－主观因素、工程因素 ⑴ 隧道尺寸 ⑵ 支护结构性质：强、弱 ⑶ 隧道开挖方法
第4章 围岩分级与围岩压力
二、影响围岩稳定性的因素
1.地质因素 ⑴岩体结构特征
第4章 围岩分级与围岩压力
4-4 隧道围岩分级
围岩分级的概念
概述
工程目的 发展过程
围岩分级考虑的因素 以岩石强度或岩石的物性指标为代表 以岩体构造、岩性特征为代表 与地质勘探手段相联系 以多种因素进行组合
隧道围岩分级方法
我国现行的隧道围岩分级
铁路隧道P49
①岩石坚硬程度 ②围岩完整状态 ③地下水 ④围岩初始地应力
节理发育
节理（裂隙）3组以上，不规则，呈x型或米字型，以构造型或 风化型为主，多数间距小于0.4m，大部分微张开，部分张开， 大部分为粘性土填充。岩体被切割成块、碎石状
第4章 围岩分级与围岩压力
隧道围岩分级方法
（三）与地质勘探手段相联系的分级方法
代表 ●弹性波速分级法～波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标，
波速越高，围岩越好。
波速 Kv 完整性 >0.75 完整 0.75～0.55 较完整 0.55～0.35 破碎 0.35～0.15 较破碎 <0.15 极破碎
在膨胀性（挤压性）围岩条件下支护受力较大；
弱支护：在软弱、松散围岩条件下不利于围岩稳定性； 在膨胀性（挤压性）围岩条件下利于释放变形，减轻支护受力 3)开挖方法 普通爆破法、控制爆破法、盾构及掘进机法、全断面一次开挖、小
断面分部开挖等对围岩稳定性有不同的影响
第4章 围岩分级与围岩压力
三、隧道围岩失稳破坏形态
围岩工程性质 岩体构造 物理、力学特征
围岩初始应力
围岩相关内容
围岩压力
围岩分级 围岩稳定性
第4章 围岩分级与围岩压力
一、围岩的工程性质
*了解岩体的工程性质,有助于理解隧道围岩稳定性 结构面 岩体概念 结构体
断层面、层理面、节理面、裂隙面等
被结构面切割的块体
岩体
由结构面和结构体组成的具有结构特征的地质体
级。
●隧道围岩分级～2001年版，不变。 ●隧道围岩分级～2005年版，不变。
第4章 围岩分级与围岩压力
我国现行的隧道围岩分级
（一）铁路隧道围岩分级 （2）分级的理论基础 ●以围岩的稳定性判断为基础。 属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法。 ①岩石坚硬程度 ②围岩完整状态 ●主要考虑4种因素： ③地下水 ④围岩初始地应力 基本分级 修正基本分级 最终分级
减少层间摩阻力促使岩块滑动； 具膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀等。
第4章 围岩分级与围岩压力
二、影响围岩稳定性的因素
1)坑道尺寸和形状 尺寸：跨度越大，围岩稳定性越差 形状：圆形或椭圆形围岩以压应力为主，利于围岩稳定性
⑴ 隧道形状和尺寸
⑵ 支护结构类型 ⑶ 施工方法
2.人为因素
矩形或梯形，顶板处的围岩出现拉应力，不利于围岩稳定性 2)支护结构类型 强支护：在软弱、松散围岩条件下利于围岩稳定性；
指标1：结构面发育程度
指标2：地质构造影响程度 由此两指标，将岩体完整程度分为5个级别
见下表：
第4章 围岩分级与围岩压力
(Ⅰ)围岩结构面发育程度划分
等级 地质构造作用特征
节理不发育 节理（裂隙）1-2组，规则，为原生型或构造型，多数的间距 在1.0m以上，为密闭型。岩体被切割成块状 节理较发育 节理（裂隙）2-3组，呈x型，较规则，以构造型为主，多数的 间距大于0.4m，多为密闭。部分微张开，少有填充物。岩体被 切割成大块状
●岩石质量指标～RQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合 指标。RQD指标的具体含义为岩芯复原率:
RQD
R> 0.9 优
10cm以上的岩心累计长度 100% 钻孔总长度
0.5 < R < 0.75 好 0.25 < R < 0.5 差 R < 0.25 很差
0.75 < R < 0.9 良
第4章 围岩分级与围岩压力
第4章 围岩分级与围岩压力
重要理念
隧道是一种结构体系 隧道是一种地下结构体系 隧道是地下工程的一种主要形式 地下结构 支护结构 周边围岩 地层是地下结构承载的主体 地层是地下结构荷载的主要来源 地层起主导作用 地质勘探、地形线路勘测、地质预报、施工
用于约束地层 限制变形和坍塌 围岩对支护结构有嵌固作用
第4章 围岩分级与围岩压力
复习与回顾
洞身 衬砌 洞门构 造物
洞身衬砌洞身衬砌的平、纵、横断面的形状 由隧道的几何设计确定 衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定
主体构 造物 隧道 结构 构造 附属构 造物
明洞 通风 照明 排水、消防、通讯等
第4章 围岩分级与围岩压力
4-1主要相关概念
地下结构 支护结构 地层 周边围岩 围岩稳定性
e
第4章 围岩分级与围岩压力
二、岩体的变形特性
4.流变特性 岩体的变形或应力随时间而变化－时间效应 流变：
蠕变：指应力不变，而应变随时间增长
松弛：应变不变，而应力随时间而衰减 问题：围岩流变特性对隧道的影响？
应 变 应力=常数 应 力 应变=常数
0
蠕变曲线
t
0
松弛曲线
t
第4章 围岩分级与围岩压力
岩体：具有明显的非均质、不连续、各向异性
岩体力学性质获取
第4章 围岩分级与围岩压力
二、岩体的变形特性
1.岩体的变形特性： 2.受压变形 岩石：线性、弹性 软弱结构面：非线性、塑性 岩体：弹塑性体、四个阶段 岩体既不是简单的弹性体，也不是纯粹的塑性体 而是复杂的弹塑性体 完整性好，接近弹性体 破裂和松散，接近塑性体 受拉、受压、剪切、流变 问题：岩体能受拉吗？
层状结构、板状结构
碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构 散体结构
第4章 围岩分级与围岩压力
一、研究围岩稳定性的意义
围岩的稳定性：
隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定程度
问题：什么是隧道工程的头等大事？
答：研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定!
围岩的稳定 性如何？
第4章 围岩分级与围岩压力
二、影响围岩稳定性的因素