隧道围岩分级及围岩压力

5.1 隧道围岩分级及其应用
●
目前，隧道围岩分级是隧道设计、施工的
基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基
础上的）。
认识事物的同一性和差异性的方法就是将事 物进行分类和分级
●
围岩分类: 主要突出同一性,是质的定性评价, 强调的是属性特征. 围岩分级: 主要突出差异性,是量的界定,强 调的是等级特征.
第II类：与地质构造有关的要素。其分类指
标采用诸如岩石的质量指标、地质因素平分法 等，这些指标实质上是对岩体完整性或结构状 态的评价。这类指标在划分围岩的级别中一般 占有重要地位；
第III类：与地下水有关的要素。
目前国内外围岩的分级方法，考虑上述三大 基本要素，按其性质主要分为： ⑴ 以岩石强度或物理指标为代表的分级方法
●
●
优点：目的明确，使用方便，能指导施工
缺点：分级指标以定性描述为主，人为因
素较大。
围岩的分级方法有以下几方面的发展趋势：
⑴ 分级应主要以岩体为对象。岩体则包括岩 块和各岩块之间的软弱结构面。因此分类应重 点放在岩体的研究上 ⑵ 分级宜与地质勘探手段有机的联系起来 有一个方便而又可靠的判断手段。随着地质勘 探技术的发展，这将使分类指标更趋定量化。
⑷ 冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性 变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被 解除，能量突然释放所产生的压力。 冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所 以它与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩 体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性 变形能，一旦遇到适宜条件，就会突然猛烈的 大量释放。
ts=常数×L
－(1＋a)
式中：L－隧道未支护地段的长度； a－视围岩情况在0～1之间变化，好的岩体 可取a =0;极差的a = 1
劳费(uffer)根据围岩的自稳时间和未支护 地段的长度，将围岩分为： 稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、 很破碎的、有压力的、有很大压力等七级
● 岩体质量指标（Q指标）
Q＝(RQD/Jh)(Jr/Ja)(Jw /SRF)
RQD － 岩石质量指标； Jh－ 节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大； Jr－ 节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小； Ja－ 节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大； Jw － 节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，
Jw取值愈小 SRF －应力折减系数，初始应力愈高，SRF取值愈大
●
●
围岩压力按作用力发生形态分为：
⑴ 松散压力：
⑵ 形变压力： ⑶ 膨胀压力：
⑷ 冲击压力：
⑴ 松散压力：常通过下列三种情况发生： ① 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动 掉块的岩石； ② 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片 帮冒落； ③在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位 沿弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。
比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿等人提出 的“岩体质量——Q”的分类方法。岩体质量值Q实 质上是岩块尺寸、抗剪强度和作用力复合指标，根 据不同的Q值，可将岩体进行分类。
⑸ 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
●
●
围岩分级的目的
① 作为选择施工方法的依据；
② 进行科学管理及正确评价经济效益； ③ 确定结构上的荷载（松散荷载）；
④ 给出衬砌结构的类型及其尺寸；
⑤ 制定劳动定额、材料消耗标准基础等；
● 人们对围岩的认识是不断深入的
土石方工程分 类法(开挖难 易程度) 岩石的坚固性 来分类: 如坚 固性系数f 从围岩稳定性出发分类来 代替多年沿用的坚固性为 基础的分类
10～ 40
● 指标的选择
⑴ 首先选择对隧道围岩稳定性有重大影响的 因素指标； ⑵ 选择测试设备简单、人为因素小、科学性 强的定量指标；
⑶ 选择指标要有一定的综合性。
2、隧道围岩分级的方法 现行的许多围岩分级方法中，分类基本要素 大致有三大类： 第I类：与岩性有关的要素。其分类指标是 采用岩石强度和变形性质等：如岩石的单轴 抗压强度、变形模量或弹性波速等。
1.5~3.0 0.4~0.6
<250
1.0~2.0 0.2~0.4 <1.0 （饱和粘土） <0.2
0.8～1.0
⑷ 隧道施工围岩分级
施工阶段围岩判定具有直接性、可靠性、重 要性特征，因此，施工阶段围岩级别的判定是 一个重要而现实的问题。
●
评定因素采用围岩坚硬程度、围岩完整性程 度、和地下水状态三项因素，细分为十三个子 因素， 即3－13评定;
●
R.Q.D、岩体弹性波（纵波）速度、岩 体完整性系数的分级法。
●
⑶ 公路隧道围岩分级
级 参数 RQD（％）
Ⅰ
>95
Ⅱ
85~75
Ⅲ
75~86
Ⅳ
50~75
Ⅴ
25~50
Ⅵ
<25
BQ
Vp(km/s) I
>550
>4.5
550~451
3.5~4.5
450~351
2.5~4.0 0.6~0.8
350~251
● 岩石质量指标(RQD)
岩石质量指标分级认为： RQD > 90％ 为优质； 75％ < RQD < 90％ 为良好； 50％ < RQD < 75％ 为好； 25％ < RQD < 50％ 为差； RQD < 25％ 为很差
● 围岩的自稳时间 ：从隧道开挖到顶部开始发
生可察觉的移动、松弛所经历的时间，被认为是 综合岩性指标。劳费(uffer)认为隧道围岩 的自稳时间ts可用下式表示：
上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合
分类法”，并于1975年经修正后正式作为铁路隧道
围岩分类方法。
● 优点： 正确的考虑了地质构造特征、风化状 况、地下水情况等多因素对围岩的影响。
● 缺点：分级指标缺乏定量描述。
⑶ 以地质勘探手段相联系的分级方法：
① 按弹性波（纵波）速度的分级方法 围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综 合指标，它既可反映岩石软硬，又可表达岩体 结构的破碎程度。1970年前后，日本提出按围 岩弹性波速度进行分类，我国从1986年起，也 开始将围岩弹性波（纵波）速度引入我国围岩 分类法中。
⑵ 以岩体构造特征为代表的分级方法 ⑶ 以地质勘探手段相联系的分级方法 ⑷ 组合多种因素的分级方法 ⑸ 以工程对象为代表的分级法
⑴ 以岩石强度或物理指标为代表的分级方法：
①按岩石强度为单一岩性指标的分级法:把岩 石分为坚石、次坚石、松石及土 ② 以岩石的物性指标为基础的分级方法：具 有代表意义的是我国工程界广泛采用的岩石坚 固系数“f”值分级法； ● 优点：指标单一，使用方便； ● 缺点：不能全面反映岩体固有的性态。
( RQD/Jh) ——表达了岩体的岩块大小
(Jr/Ja) ——表示了岩体的岩块强度
(Jw / SRF) ——表示了岩体的作用应力。
岩体 特别 极好 良好 好 质量 好 特别 极坏 坏
0.01 ～0.1 0.001 ～ 0.01
中等 不良 坏
4～10 1～4 0.1～ 1
Q
400～ 100～ 40～ 1000 400 100
分级指标应采用定性和定量指标结合方式；
●
●
明确工程目的和内容，并提出相应的措施；
分级应简明，便于使用；
●
考虑吸收其它围岩分级优点，并尽量和我国 其它工程分级一致。
3、我国公路隧道围岩分级 ⑵ 考虑分级的指标和因素
● ●
岩体的结构Байду номын сангаас征与完整状态 考虑岩石强度围岩基本质量指标BQ
BQ 90 3Rc 250Kv 当 Rc 90kv 30 取 Rc 90kv 30
⑶ 分级要有明确的工程对象和工程目的。
⑷ 分级宜逐渐定量化。
值得注意，近年国内外有关学者提出 采用模糊数学分级；根据隧道周边量测的收 敛值分级；采用人工智能－专家系统分类等 建议，这些设想都将使围岩分级方法日趋完 善。
3、我国公路隧道围岩分级 ⑴ 公路隧道围岩分级的出发点
●
●
强调岩体的地质特征的完整性和稳定性；
响的岩体
● 围岩压力：是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支
护上的压力，是隧道支撑或衬砌结构的主要荷载之一。 其性质、大小、方向以及发生和发展的规律，对正确 地进行隧道设计与施工有很重要的影响。
● 地质环境：隧道工程所赋存的地质环境的内涵很
广，包括地层特征、地下水状况、开挖隧道前就存在
于地层中的原始地应力状态、地温梯度等 。
RQD
从分级指标方面：
大多数从 定性描述
经验判断 定量描述
● 以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是隧道
围岩分类的总趋势。
1、隧道围岩分级的因素指标及其选择
围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定 性的因素或其组合的因素. ⑴ 单一的岩性指标 ⑵ 综合岩性指标
⑴ 单一的岩性指标 岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的 分级指标，具有试验简单，数据可靠的优点；
●
构面，围岩分级时一般可酌情降低1级；
③ 碎石状松散结构岩体，裂隙中有泥质充 填物，地下水对稳定性影响很大，可根据地下 水的性质、水量、渗流条件、动水和静水压力 等情况，可降低1～2级；
④ 强烈的断裂带，或软塑性粘土和潮湿的 粉细砂，分类时已考虑了一般含水地质情况的 影响 ，不再降级。
⑶ 公路隧道围岩分级 根据以上对分级因素和指标，公路隧道 围岩分级将围岩分为六级；
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
<0.15
较破碎 极破碎
● 岩石质量指标(RQD)：是综合反映岩体的强度
和岩体的破碎程度的指标。岩石质量指标是指钻 探时岩心复原率，或称为岩芯采取率:
RQD（％）＝ 10cm以上岩芯累计长度×100 单位钻孔长度
●
⑷ 隧道施工围岩分级 即3－13评定
在三个因素中，最困难的是围岩完整性程度 的评定，重点是如何根据掌子面的地质数据评 价围岩的完整程度。
根据对国内外施工阶段围岩分级的调查， 应采用多种方法对围岩完整程度进行分级，采 用定性和定量相结合的方法，如可采用下图的 指标 ：
5.2 围岩压力的确定
1、围岩压力的概念 围岩压力：是指引起地下开挖空间周围岩 体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应 力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在 支护结构上的作用力。从狭义上来理解，围岩 压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工 程中一般研究狭义的围岩压力。
⑵ 以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法：
① 这类分级法以泰沙基分级法为代表
这类分类法是早期提出的，仅把不同岩性、不同构造 条件的围岩分成九类，每类都有一个相应的地压范围值 和支护措施建议。这类分类法曾长期被各国采用，至今 仍有广泛的影响。
② 以岩体综合物性为指标的分级法 60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础
重庆交通大学 隧道及岩土工程系
2012年10月
本章学习要求：
（1）掌握公路隧道围岩分级方法； （2）掌握公路隧道围岩压力计算方法； （3）理解影响围岩稳定性的因素；
本章主要内容
5.1 隧道围岩分级及其作用
5.2 围岩压力的确定
5.3 影响围岩稳定性的因素
● 围岩：隧道周围一定范围内，对其稳定性产生影
●
岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量、泊松 比等物理力学参数 ；
● ●
岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。
⑵ 综合岩性指标
● 岩体的弹性波传播速度：该指标反映了
岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合因素， 通常用岩体的完整性系数Kv来评价,即
v岩体 Kv v 岩石

2
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(下表)。
⑶ 以地质勘探手段相联系的分级方法： ② 以岩石质量为指标的分级方法——R.Q.D.方 法 ● 优点：考虑了多种因素的影响，但分级指 标大体上是半定量的。 ● 缺点：分级的判断还带有一定的主观性。
⑷ 组合多种因素的分级方法
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。
当 kv 0.04Rc 0.4 取 kv 0.04Rc 0.4
地下水 在公路隧道围岩的分级中，遇有地下水时， 一般的处理采用降级的方法 ① 整体的硬质岩石中，一般的地下水对其 稳定性影响不大，不考虑降级； ② 块状硬质岩和整体软质岩中，地下水将 影响其稳定性，产生局部坍塌，或软化软弱结
⑵ 形变压力：是指由于围岩变形受到与之 密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与 支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施 加的接触压力。形变压力除与围岩应力状态有 关外，还与支护时间和支护刚度有关。 ⑶ 膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩 解所引起的压力。它与形变压力的基本区别在 于它是由吸水膨胀引起的。