第四章 隧道围岩分级及围岩压力(陈秋南)

『第四章▎隧道围岩分级及围岩压力4『4.1▎岩石的地质特征『4.2▎岩体的物理、力学性质『4.3▎隧道围岩分级隧道工程SUIDAOGONGCHENG『4.4▎围岩压力计算

岩石是由具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体组成的。岩石的力学性质主要取决于组成岩石的矿物成分及其相对含量。一般来说，含硬度大的粒柱状矿物（如石英、长石、角闪石、辉石等）越多，则岩石强度越高；含硬度小的片状矿物（如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等）越多时，则岩石强度越低。『4.1▎岩石的地质特征『4.1.1▎岩石的物质组成

隧道围岩指隧道周围一定范围内，对隧道稳定性能产生影响的岩（土）体。隧道围岩分级是正确进行隧道设计计算及施工组织的基础。常见的硅酸盐类矿物有长石、辉石、角闪石、橄榄石及云母和粘土矿物等。这类矿物除云母和粘土矿物外，硬度大，呈粒、柱状晶形。因此，含这类矿物多的岩石如花岗岩、闪长岩及玄武岩等，强度高，抗变形性能好。但该类矿物在各种风化用力下，易风化成高岭石、水云母等。长石辉石角闪石橄榄石云母云母

粘土矿物属层状硅酸盐矿物，主要有高岭石、水云母及蒙脱石三类，具薄片状或鳞片状构造，硬度小，含这类矿物多的岩石如粘土岩、粘土质岩，物理力学性质差，并具有不同程度的胀缩性。蒙脱石←高岭石碳酸盐类矿物是石灰岩和白云岩类的主要造岩矿物。岩石的物理力学性质取决于岩石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量越高，如纯灰岩、白云岩等强度高、抗变形和抗风化性能都比较好。泥质含量高的，如泥质炭岩等，力学性质较差。←石灰岩白云岩氧化物类矿物以石英最常见，是地壳岩石的主要造岩矿物，呈等轴晶系，硬度大，化学性质稳定。因此，一般随石英含量增加，岩石的强度和抗变形性能都明显增强。石英岩石英岩

岩石的矿物组成与其成因类型密切相关。

岩浆岩多以硬度大的粒柱状硅酸盐、石英等矿物为主，所以其岩石物理力学性质一般都很好。

沉积岩中的粗碎屑岩如砂砾岩等。其碎屑多为硬度大的粒柱状矿物，岩块的力学性质除与碎屑成分有关外，在很大程度上取决于胶结物成分及其类型。细碎屑岩如页岩、泥岩等，矿物成分多以片状的粘土矿物为主，其岩石力学性质一般很差。

变质岩的矿物组成与母岩类型及变质程度有关，浅变质岩如千枚岩、板岩等多含片状矿物（如绢云母、绿泥石及粘土矿物等），岩块力学性质较差。深变质岩如片麻岩、混合岩、石英岩等，多以粒柱状矿物（如长石、石英、角闪石等）为主，其岩块力学性质较好。『4.1.2▎岩石的结构构造

岩石的结构是指岩石内矿物颗粒的大小、形状和排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩石构成上的特征。岩石的粒间连结结晶连结胶结连结结晶连结是矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触，一般强度较高。等粒结构的岩块强度比非等粒结构的高，且抗风化能力强。在等粒结构中，细粒结构岩石强度比粗粒结构的高。在斑状结构中，具细粒基质的岩石强度比玻璃基质的高。

胶结连结是矿物颗粒通过胶结物连结在一起，如碎屑岩等具这种连结方式，胶结连结的岩石强度取决于胶结物成分及胶结类型。一般来说，硅质胶结的岩块强度最高；钙铁质胶结的次之；泥质胶结的岩块强度最低，且抗水性差。从胶结类型来看，基底式胶结的岩块强度最高，孔隙式胶结的次之，接触式胶结的最低。a)基底胶结b)孔隙胶结c)接触胶结

微结构面是指存在于矿质颗粒内部或颗粒间的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层面及片理面、片麻理面等。它们的存在不仅降低了岩块的强度，还往往导致岩块力学性质有明显的各向异性。

岩石的构造是指矿物集合体之间及其与其他组分之间的排列组合方式。如岩浆岩中的流线、流面构造。沉积岩中的微层状构造，变质岩中的片状构造及其定向构造等。这些都可使岩石物理力学性质复杂化。『4.1.3▎岩石的风化程度

风化作用可以改变岩石的矿物组成和结构构造，进而改变岩石的物理力学性质。岩石的风化程度分类见表4-1。—<0.2组织结构全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性残积土—0.2~0.4结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进全风化<0.40.4~0.6结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进强风化0.4~0.80.6~0.8结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩体被切割成块状，用镐难挖，岩芯钻方可钻进弱风化0.8~0.90.8~0.9结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙微风化0.9~1.00.9~1.0岩质新鲜，偶见风化痕迹未风化风化系数波速比风化程度参数指标野外特征风化程度表4-1岩石风化程度分类表『4.1.4▎岩体的结构类型

岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体（或称岩块）和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。具有一定的结构是岩体的显著特征之一。由于组成岩体的岩性、遭受的构造变动及次生变化的不均一性，导致了岩体结构的复杂性。为概括地反映岩体中结构面和结构体的成因、特征及其排列组合关系，将岩体结构划分为5大类。各类结构岩体的基本特征见表4-2。由表可知，不同结构类型的岩体，其岩石类型、结构体和结构面的特征不同，岩体的工程地质性质与变形破坏机理也都不同。不稳定结构可能产生滑塌。特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形接近均一的各向异性体、其变形及强度特征受层面及岩层组合控制。可视为弹塑性体，稳定性较差有层理、片理、节理、常有层间错动面层状板状多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩层状结构整体强度较高、结构面互相牵制。岩体基本稳定，接近弹性各向同性体只具有少量贯穿性较好的节理型隙，裂隙结构面间距0.7～1.5m。一般为2～3组，有少量分离体块状柱状厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩块状结构不稳定结构的局部滑动或坍塌洞室的岩爆整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性以原生构造节理为主，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于2.5m，一般不超过1～2组，无危险结构面组成的落石掉块巨块状均质，巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层沉积岩、正变质岩整体块状结构可能发生的岩土工程问题岩土工程特征结构面发育情况主要结构体形状岩体地质类型岩体结构类型表4-2岩体结构类型划分表易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳完整性遭到极大破坏。稳定性极差，岩体属性接近松散体介质断层破碎带交叉。构造及风化裂隙密集、结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块碎屑状颗粒状构造影响剧烈的断层破啐带，强风化带、全风化带散体状结构易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质。稳定性很差断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育。裂隙结构面间距0.25~0.5m。一般在3组以上，由许多分离体碎块状构造影响严重的破碎岩层碎裂状结构可能发生的岩土工程问题岩土工程特征结构面发育情况主要结构体形状岩体地质类型岩体结构类型(续)表4-2岩体结构类型划分表『4.2▎岩石的物理力学性质『4.2.1▎岩石的物理性质岩石重度是指单位体积内岩石的重量，单位为kN/m3。1．岩石的重度

(4-1)式中γ——岩石重度（kN/m3）；

W——岩石试件的重量（kN）；V——试件的体积（m3）。岩石重度按其试件的含水状态，又分为干重度（γd）、天然重度（γ）和饱和重度（γsat），在未指明含水状态时一般是指岩石的天然重度，常见岩石的天然重度见表4-3。0.24~0.740.5~3.20.4~10.023.0~26.2页岩0.65~0.970.2~9.01.6~28.022.0~27.1砂岩0.50~0.960.3~2.40.8~10.024.0~26.6砾岩0.3~0.950.3~2.80.5~7.225.0~31.0玄武岩0.60~0.800.3~5.00.2~0.525.2~29.6闪长岩0.72~0.970.1~0.40.4~0.523.0~28.0花岗岩软化系数ηc吸水率wa(%)空隙率n（%）岩石重度γ/（kN/m3）岩石类型表4-3常见岩石的物理性质指标表0.94~0.960.1~1.50.1~8.724.0~28.0石英岩0.39~0.520.1~0.30.1~0.523.0~28.0泥质板岩0.44~0.840.1~0.30.7~3.021.0~27.0石英片岩0.75~0.970.1~0.70.7~2.223.0~30.0片麻岩0.65~0.940.1~3.00.3~25.021.0~27.0白云岩0.44~0.540.5~3.01.0~10.021.0~27.0泥灰岩0.70~0.940.1~4.50.5~27.023.0~27.7石灰岩岩石类型表4-3常见岩石的物理性质指标表(续)软化系数ηc吸水率wa(%)空隙率n（%）岩石重度γ/（kN/m3）岩石中的孔隙及裂隙统称为岩石的空隙。有开型空隙和闭型空隙之分。与此相对应，可把岩石的空隙率分为总空隙率（n）、开空隙率（no）及闭空隙率（nc）几种，各自的含义如下：2．岩石的空隙性

(4-2)(4-3)(4-4)式中V、Vv、Vvo、Vvc分别表示岩石试件的体积及试件中空隙的总体积、开空隙体积及闭空隙体积。一般岩石空隙率系指总空隙率，常见岩石的空隙率见表4-3。一般来说，空隙率愈大，岩石的强度愈小、塑性变形和渗透性质进一步恶化。岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。常用吸水率与饱水系数指标表示。3．岩石的吸水性

岩石的吸水率（wa）是指岩石试件在一个大气压和室温条件下自由吸入水的重量（Ww1）与岩样干重量（Ws）之比的百分率，即(4-5)岩石的吸水率大小主要取决于岩石中空隙和裂隙的数量、大小及其开启程度，同时还受到岩石成因、时代及岩性的影响。常见岩石的吸水率见表4-3。

岩石的饱和吸水率（wsa）是指岩石试件在高压（一般压力15MPa）或真空条件下吸入水的重量（Ww2）与岩样干重量（Ws）之比的百分率，即(4-6)岩石的饱和吸水率是表示岩石物理性质的一个重要指标。它反映了岩石总开空隙的发育程度，可间接地用它来判定岩石的抗风化能力和抗冻性。

饱水系数是指岩石的吸水率与饱和吸水率的比值。岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数（ηc）表示。即岩石试件的饱和抗压强度（Rc）与干抗压强度（σc）的比值，即:4．岩石的软化性

(4-7)岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性，常见岩石的软化系数见表4-3，由表可知，岩石均具有不同程度的软化性。一般认为，软化系数ηc<0.75的岩石是软化性较强和工程地质性质较差的岩石。『4.2.2▎岩石的强度性质岩石抵抗外力破坏的能力称为岩石的强度根据破坏时的应力类型，岩石的破坏有拉破坏、剪切破坏和流动三种基本类型。由于受力状态的不同，岩石的强度也不同，如单轴抗压强度、单轴抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等等。1．单轴抗压强度

在单向压缩条件下，岩石能承受的最大压应力，称为单轴抗压强度，简称抗压强度。抗压强度是反映岩石基本力学性质的重要参数，与抗拉强度和剪切强度之间有着一定的比例关系。表4-4列出了常见岩石几种强度与抗压强度的比值。0.1760.06-0.11石英岩0.090.080.02-0.08花岗岩0.2720.08-0.226大理岩0.150.08-0.100.01-0.067石灰岩0.06-0.190.06-0.440.02-0.17砂岩0.1-0.240.33-0.5450.09-0.18砂质页岩0.22-0.510.25-0.480.06-0.325页岩抗弯强度抗剪强度抗拉强度与抗压强度的比值岩石名称表4-4岩石的几种强度与抗压强度比值岩块的抗压强度通常是采用标准试件在压力机上加轴向荷载，直至试件破坏。如设试件破坏时的荷载为Pc（N），横断面面积为A(mm2)，则岩石的单轴抗压强度Rc(MPa)为：(4-8)除抗压试验外，还可用点荷载试验和不规则试件的抗压试验间接的求岩石的Rc。如用点荷载试验求Rc时，常用如下的经验公式换算：(4-9)式中Is(50)为直径为50mm标准试件的点荷载强度。15-3035-507-20100-250大理岩2-2045-607-1560-200板岩20-5035-5015-2580-250白云岩3-530-505-2050-200片麻岩10-5035-505-2050-200石灰岩20-6050-6010-30150-350石英岩8-5035-502-1510-150砾岩20-6048-5510-30150-300玄武岩8-4035-504-2520-200砂岩10-5045-6015-30180-300流纹岩3-2015-302-1010-100页岩14-5045-607-25100-250花岗岩岩石名称内聚力C/MPa摩擦角Ф(°)抗拉强度Rt/MPa抗压强度Rc/MPa岩石名称表4-5常见岩石的强度指标值内聚力C/MPa摩擦角Ф(°)抗拉强度Rt/MPa抗压强度Rc/MPa岩石的抗压强度受一系列因素影响和控制。一是岩石本身性质方面的因素，如矿物组成、结构构造（颗粒大小、连结结构发育特征等）、密度及风化程度等；二是试验条件方面的因素，主要包括试件的几何形状及加工精度、加荷速率、端面条件、试验温度及湿度等。2．三轴抗压强度

试件在三向压应力作用下能抵抗的最大的轴向应力，称为岩石的三轴压缩强度。在一定的围压σ3下，对试件进行三轴试验时，如设试件破坏时的荷载为Pm(N)，横断面面积为A(mm2)，岩石的三轴压缩强度σ1m(MPa)为：(4-10)根据一组试件（4个以上）试验得到三轴压缩强度σ1m和相应的围压σ3，在σ-τ坐标系中可绘制出一组破坏应力圆及其公切线，即得岩石的强度包络线（图4-1）。包络线与σ轴的交点，称为包络线的顶点，除顶点外，包络线上所有点的切线与σ轴的夹角及其在τ轴上的截距分别代表相应破坏面的内摩擦角(φ)和内聚力(C)。当围压不大时，岩石的强度包络线常可近似地视为一直线，据此，可求得岩石强度参数σ1m、C、φ与围压σ3间的关系为：στOσccσcσ1σ1σ3σ3σ1φ2φ图4-1岩石莫尔强度包络线(4-11)『4.2.3▎岩石的变形性质岩石变形性质可用岩石变形试验所得到的应力-应变-时间关系及变形模量、泊松比等参数来表示。弹性变形岩石变形塑性变形流变变形在刚性压力机上进行试验时，在单轴连续加载条件下对岩石试件进行变形试验，可得到各级荷载下的轴向应变()、横向应变()及其体积应变()。通过这些数据可绘制出反映岩石变形特征的应力-应变全过程曲线（图4-2）。据此可将岩石变形过程划分成不同的阶段。Lede压缩扩容εσvdεLDⅣCⅡBAⅠABCOⅠⅡⅢⅢ图4-2岩石应力-应变全过程曲线εε

孔隙裂隙压密阶段(OA段)：即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形。σ—e曲线呈上凹型，表明微裂隙的闭合开始较快，随后逐渐减慢。本阶段变形对裂隙岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。弹性变形至微破裂稳定发展阶段(AC段)：该阶段的σ-eL曲线呈近似直线关系，而σ-ev曲线开始（AB段）为直线关系，随σ增加逐渐变为曲线关系，又可细分弹性变形阶段（AB段）和微破裂稳定发展阶段（BC段）。弹性变形阶段不仅变形随应力成比例增加，而且在很大程度上表现为可恢复的弹性变形，B点的应力可称为弹性极限。微破裂稳定发展阶段的变形主要表现为塑性变形，由于微破裂的出现，试件体积压缩速率减缓，σ-eL曲线偏离直线向纵轴方向弯曲。这一阶段的上界应力（C点应力）称为屈服极限。

非稳定破裂发展阶段（或称累进性破裂阶段）(CD段)：进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化。由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，若使外荷载保持不变，破裂仍会不断发展，并在某些薄弱部位首先破坏，应力重新分布，依次引起次薄弱部位的破坏，直至试件完全破坏。试件由体积压缩转为体积膨胀，轴向应变和体积应变速率迅速增大，试件承载能力达到最大，本阶段的上界应力称为峰值强度或单轴抗压强度。破坏后阶段（D点以后段）：岩石承载力达到峰值后，其内部结构完全破坏，但试件仍基本保持整体状。本阶段裂隙快速发展、交叉且相互联合形成宏观断裂面，此后，岩石变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降。根据各类应力-应变曲线，可以确定岩石的变形模量和泊松比等变形参数。变形模量是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比，其确定方法如图4-3。σLεεiσiiσiεE=OPPAΔLσ=APε=ΔLLεLσOiεiσσ150σ2σε2ε50ε1EitEEsa)b)图4-3岩石变形模量确定方法示意图L当岩石应力-应变为直线关系时(图4-3a)，岩石的变形模量E(Mpa)为：(4-12)式中σi、ei，分别为应力-应变曲线上任一点i的轴向应力（MPa）和轴向应变。当应力-应变为非直线关系时，岩石的变形模量为一变量（图4-3b），即不同应力段上的变形量不同。常用的有如下几种。1)初始模量(Ei)指曲线原点处的切线斜率，即:(4-13)2)切线模量(Et)指曲线上任一点处切线的斜率，一般特指中部直线段的斜率，即(4-14)3)割线模量(Es)指曲线某特定点与原点连线的斜率，通常取σc/2处的点与原点连线的斜率，即(4-15)

泊松比（m）是指在单轴压缩条件下，横向应变（ed）与轴向应变eL之比，即(4-16)岩石的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。当垂直于层理、片理等微结构面方向加荷时，变形模量最小，而平行微结构面加荷时，其变形模量最大。两者的比值，沉积岩一般为1.08～2.05；变质岩为2.0左右。表4-6列出了常见岩石的变形模量和泊松比的经验值。0.2~0.351~91~9大理岩0.2~0.32~82~5板岩0.2~0.354~84~8白云岩0.22~0.351~101~8片麻岩0.2~0.355~101~8石灰岩0.1~0.256~206~20石英岩0.2~0.32~80.5~8砾

岩0.1~0.356~126~10玄武岩0.2~0.31~100.5~8砂岩0.1~0.255~102~8流纹岩0.2~0.42~81~3.5页岩0.2~0.35~102~6花岗岩弹性初始弹性初始泊松比变形模量/104MPa岩石名称泊松比变形模量/104MPa岩石名称表4-6常见岩石的变形模量和泊松比

还有一些从不同角度反映岩石变形性质的参数。如剪切模量（G）、弹性抗力系数（K）、拉梅常数（λ）及体积模量（KV）等。这些参数与变形模量（E）及泊松比（μ）之间有如下关系:(4-17)(4-18)(4-19)(4-20)式中R0——为地下洞室半径。『4.2.3▎岩石的蠕变蠕变松驰弹性后效岩石的流变在应力为恒定的情况下岩石变形随时间发展的现象。指在形变保持恒定的情况下岩石应力随时间而减少的现象。指在卸载过程中弹性应变滞后于应力的现象。岩石的性质不同，岩石的蠕变性质也有所不同，通常用蠕变曲线（ε-t曲线）来表示。岩石的蠕变曲线具有两种典型形式，即稳定蠕变和不稳定蠕变。图4-4为几种岩石的典型蠕变曲线。ε(10)-6t/104s0246810122468花岗岩砂岩页岩图4-4在10Mpa的常应力及常温下几种岩石的典型蠕变曲线软弱岩石的典型蠕变曲线可分为三个阶段（图4-5）。第I阶段（AB段）称作初始蠕变段：初始应变速率最大，随后则逐渐减小，应变与时间大致呈对数关系，即ε∝lgt；第II阶段(BC段)：变形缓慢，应变与时间近于线性关系，也称等速蠕变段或稳定蠕变段；第III阶段(C点以后)：应变速率迅速增加，变形无限发展，直致岩石产生破坏，称为加速蠕变段。tεBACD图4-5软弱岩石典型的蠕变曲线OIIIIII

岩石的蠕变还受其承受的应力大小影响。同一种岩石，所承受的恒定荷载不同，可能发生稳定蠕变，也可能发生不稳定蠕变。显然，由稳定蠕变向不稳定蠕变的转化，其间必然存在一临界荷载，当荷载小于这个临界荷载时，岩石不会发展到蠕变破坏；而大于这个临界荷载时，岩石会持续变形，并发展到破坏。这个临界荷载即岩石的长期强度，对工程很有意义。对于隧道工程，工作面开挖后，及时对围岩进行锚喷支护，一般不允许出现不稳定变形，在正常情况下，隧道围岩的变形类似于图4-4中砂岩的变形曲线。隧道开挖后围岩变形初始速率最大，以后逐渐减小，应变与时间关系曲线呈上凸形。随着变形速率的递减，围岩的变形越来越小，一般认为，当变形速率小于0.1mm/d时，围岩基本处于稳定状态。『4.3▎隧道围岩分级『4.3.1▎现行公路隧道围岩分级方法

现行《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）规定隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级。首先，根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量岩体基本质量指标BQ，进行初步分级。然后，考虑修正因素的影响（如：地下水、软弱结构面产状、初始应力状态等），修正岩体基本质量指标值，按修正后的岩体基本质量指标[BQ]，结合岩体的定性特征综合评判，确定围岩的详细分级（表4-7）。软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等Ⅵ一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的碎石土，卵石土、圆砾、角砾土及黄土（Q3、Q4）。非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构≤250较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎~破碎；极破碎各类岩体，碎、裂状，松散结构Ⅴ土体：1压密或成岩作用的粘性土及砂性土；2黄土（Q1、Q2）；3一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土350~251坚硬岩，岩体破碎，碎裂结构；较坚硬岩，岩体较破碎~破碎，镶嵌碎裂结构；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整~较破碎，中薄层状结构Ⅳ450~351坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构；较坚硬岩或较软岩，岩体较完整，块状或中厚层结构Ⅲ550~451坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构；较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构Ⅱ>550坚硬岩，岩体完整，整体状或巨厚层状结构Ⅰ围岩基本质量指标BQ或修正的围岩基本质量指标[BQ]围岩或土体主要定性特征围岩级别表4-7公路隧道围岩分级注：本表不适用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、多年冻土等。1.岩石的强硬程度岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度Rc表达。Rc一般采用实测值，若无实测值时，可采用实测的岩石点荷载强度指数IS(50)来换算（式4-9）。岩石坚硬程度的划分见表4-8。1）弱风化的坚硬岩；2）未风化~微风化的熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰岩、钙质胶结的砂页岩等锤击声较清脆，有轻微回弹，稍震手，较难击碎；浸水后有轻微吸水反应60~30较坚硬岩未风化~微风化的花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英片岩、硅质板岩、石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、硅质石灰岩等锤击声清脆，有回弹，震手，难击碎；浸水后大多无吸水反应>60坚硬岩硬质石代表性岩石定性鉴定Rc/MPa名称表4-8岩石坚硬程度划分表1)全风化的各种岩石；2)各种半成岩锤击声哑，无回弹，有较深凹痕，手可捏碎；浸水后可捏成团<5极软岩1）强风化的坚硬岩；2）弱风化~强风化的较坚硬岩；3）弱风化的较软岩；4）未风化的泥岩等锤击声哑，无回弹，有凹痕，易击碎；浸水后手可掰开15~5软岩1）强风化的坚硬岩；2）弱风化的较坚硬岩；3）未风化~微风化的熔结凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等锤击声不清脆，无回弹，较易击碎；浸水后指甲可刻出印痕30~15较软岩软质石代表性岩石定性鉴定Rc/MPa名称(续)注：表中岩石的风化程度划分见表4-1。表4-8岩石坚硬程度划分表

Kv=(vpm/vpr)2

(4-21)式中vpm——岩体弹性纵波速度（km/s）；vpr——岩石弹性纵波速度（km/s）。Kv一般用弹性波探测值，若无探测值时，可用岩体体积节理数对应的值。岩体完整程度的划分见表4-9。2.岩体的完整程度

岩体完整程度的定量指标用岩体完整性系数Kv(岩体弹性纵波速度与岩石纵波速度比值的平方)表达:散体状结构很差无序>35<0.15极破碎碎裂状结构一般或差<0.2裂隙块状结构各种类型结构面差0.4~0.2>320~350.35~0.15破碎中、薄层状结构一般镶嵌碎裂结构好0.4~0.2>3裂隙块状或中厚层结构节理、裂隙、层面、小断层差1.0~0.42~310~200.55~0.35较破碎块状结构好或一般1.0~0.42~3块状或巨厚层状结构节理、裂隙、层面差>1.01~23~100.75~0.55较完整整体状或巨厚层结构节理、裂隙、层面好或一般>1.01~2<3>0.75完整平均间距/m组数相应结构类型主要结构面类型主要结构面的结合程度结构面发育程度Jv/(条/m3)Kv名称表4-9岩体完整程度划分表注：平均间距指主要结构面（1-2组）间距的平均值；结构类型划分见表4-2。3.围岩基本质量指标

围岩基本质量指标[BQ]应根据分级因素的定量指标Rc值和Kv值按下式计算：BQ=90+3Rc+250Kv

(4-22)

当Rc>90Kv+30时，以Rc=90Kv+30和Kv代入式(4-22)计算BQ值；当Kv>0.04Rc+0.4时，以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入式(4-22)计算BQ值。

当隧道围岩处于高地应力区或围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用或有地下水作用时，应对岩体基本质量指标BQ进行修正，修正值[BQ]按下式计算：[BQ]=BQ–100（K1+K2+K3）(4-23)式中K1——地下水影响修正系数；K2——主要软弱结构面产状影响修正系数；K3——初始应力状态影响修正系数。

K1、K2、K3值可分别按表4-10~4-12确定，无表中所列情况时，修正系数取0。表4-10地下水影响修正系数K1

1.00.7~0.90.4~0.60.2淋雨状或涌流状出水，水压>0.1MPa或单位出水量>10L/(min•m)0.7~0.90.4~0.60.2~0.30.1淋雨状或涌流状出水，水压<0.1MPa或单位出水量<10L/(min•m)0.4~0.60.2~0.30.10潮湿或点滴状出水≤250350~251450~351>450BQ地下水出水状态0.2~0.40~0.20.4~0.6K2其它组合结构面走向与洞轴线夹角>60°，结构面倾角>75°结构面走向与洞轴线夹角<30°，结构面倾角30°~75°结构面产状及其与洞轴线的组合关系0.5~1.00.5~1.00.50.50.5高应力区1.0~1.51.0~1.51.0~1.51.01.0极高应力区<250350~251450~351550~451>550初始应力状态表4-11主要软弱结构面产状影响修正系数K2

表4-12初始应力状态影响修正系数K3

注：初始应力状态根据表4-13判断。BQ4~71)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，成洞性差；2)软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差高应力<41)硬质岩：开挖过程中有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差；2)软质岩：岩芯常有饼化现象，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，不易成洞极高应力Rc/σmax主要现象应力情况表4-13高初始应力地区围岩在开挖过程中出现的主要现象4.各级围岩的物理力学参数及自稳能力

各级围岩的物理力学参数可按表4-14选用，结构面抗剪强度按表4-15选用；各级围岩的自稳能力根据表4-16作大致评判。30~40<0.2<200.4~0.5<1<10015~17Ⅵ40~500.05~0.220~270.35~0.451~2100~20017~20Ⅴ50~600.2~0.727~390.3~0.351.3~6200~50020~23Ⅳ60~700.7~1.539~500.25~0.36~20500~120023~25Ⅲ70~781.5~2.150~600.2~0.2520~331200~180025~27Ⅱ>78>2.1>60<0.2>331800~280026~28Ⅰ计算摩擦角φc(°)粘聚力C/MPa内摩擦角φ(°)泊松比μ变形模量E/GPa弹性抗力系数k/(MPa/m)重度γ/(kN/m3)围岩级别表4-14各级围岩物理力学指标标准值注：1.本表数值不包括黄土地层。2.选用计算摩擦角时，不再计内摩擦角和粘聚力。<0.05<13较坚硬岩及全部软质岩，结合很差；软质岩泥化层本身50.08~0.0519~13较坚硬~较软岩，结合差~结合很差；软岩，结合差；软质岩的泥化面40.12~0.0829~19坚硬~较坚硬岩，结合差；较软岩~软岩，，结合一般30.22~0.1237~29坚硬~较坚硬岩，结合一般；较软岩，结合好2>0.22>37坚硬岩，结合好1粘聚力C/MPa内摩擦角φ(°)两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度序号表4-15岩体结构面抗剪断峰值强度无自稳能力Ⅵ无自稳能力，跨度5m或更小时，可稳定数日Ⅴ跨度5m，一般无自稳能力，数日~数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展为中~大塌方。埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏；跨度小于5m，可稳定数日~1个月Ⅳ跨度10~20m，可稳定数日~1个月，可发生小~中塌方；跨度5~10m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小~中塌方；跨度5m，可基本稳定Ⅲ跨度10~20m，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方；跨度10m，可长期稳定，偶有掉块Ⅱ跨度20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方Ⅰ自稳能力围岩级别表4-16隧道各级围岩自稳能力判断注：1.小塌方：塌方高度<3m,或塌方体积<30m3。2.中塌方：塌方高度3~6m,或塌方体积30~100m3。3.大塌方：塌方高度>6m,或塌方体积>100m3。『4.3.2▎普氏围岩分类法

普氏方法是以岩石强度指标为基础的围岩分类法。普氏认为：所有围岩都不同程度地被节理、裂隙所切割，因此，可视围岩为散粒体。但围岩又不同于一般的散粒体，还存在不同程度的粘结力（内聚力）。由这些假定出发，普氏提出了围岩的坚固性系数（又叫似摩擦系数或普氏系数）的概念。围岩坚固性系数fup值表达式为：(4-24)式中φ、φ0——围岩的似摩擦角和内摩擦角；τ、σ——围岩的抗剪强度和剪切破坏时的正应力；

c——围岩的粘聚力。

岩石的坚固性系数是一个说明围岩条件性质（如强度、抗粘性、构造及地下水等）的笼统的指标。不同的岩石通常用不同的经验计算公式求得：

对于松散性岩石、土及砂质土：(4-25)

对于坚硬岩石：(4-26)

对于软岩：(4-27)

对于粘土或黄土：(4-28)式中

fup——岩石坚固性系数；

Rc——岩石试件单轴饱和极限抗压强度（MPa）；

φ——土体内摩擦角；

c——土的粘结力。

普氏按fup值进行围岩分类（表4-17）。普氏围岩分类法较简单，因为fup是岩石强度指标的一个反映，但普氏分类法没有充分考虑围岩体的构造因素及稳定性。因此，围岩的fup不仅由岩石强度决定，而应当是由岩体强度决定，即：

fup岩体＝k×fup岩石

(4-29)式中

k——考虑地质条件的修正系数（实质是折减系数）。0.2~0.30.4~0.80.5~0.63015~16湿砂、粘沙土、种植土、泥炭、轻型粘土0.60.2~0.30.8~1.50.6~1.24518密实粘土、坚硬的冲积土10.2~0.31.5~2.51.2~2.06018~20碎石土壤、破碎片石、粘结的卵石和碎石、硬化粘土1.50.3~0.42.5~42~36524软片岩、软石灰岩、破碎砂岩、胶结的卵石、块石土壤20.3~0.44~53~47025不坚硬的片石、密实的泥灰岩、坚硬胶结的粘土30.3~0.45~7.54~67025~28坚硬的板岩、不坚硬的砂岩及石灰岩，砾岩40.4~0.57.5~106~872°30＇25砂质片岩、片状砂岩50.4~0.510~158~127524普通砂岩60.4~0.515~2512~208025坚硬的石灰岩、大理岩，不坚硬的花岗岩≥8基层k2×105侧向k1×105地层与衬砌间摩擦系数(侧向)μ弹性压缩系数/(kN/m3)似摩擦角Φ(°)重度γ/(kN/m3)地层代表名称表4-17普氏按fup值的围岩分类注：μ为圬工与围岩间摩擦系数。fup『4.3.3▎太沙基围岩分类法太沙基根据3.0m×3.0m断面的坑道中实际量测资料，以坑道支护所需的地压值为对象进行围岩分类。泰沙基分类如表4-18所示。要用圆形支撑，激烈时采用可缩性支撑与(B+Ht)无关，一般达80m以上9．膨胀性地质条件有很大侧压，必要时修仰拱，推荐采用圆形支撑(2.10~4.50)(B+Ht)8．同上，但覆盖层较厚有很大侧压，必要时修仰拱，推荐采用圆形支撑(1.10~2.10)(B+Ht)7．挤压变形缓慢的岩层（覆盖厚度中等）有一定侧压。由于漏水，隧道下部分变软，支撑下部要作基础。必要时可采用圆形支撑1.10(B+Ht)6．完全破碎的，但不受化学侵蚀的侧压很小或没有(0.35~1.10)(B+Ht)5．裂隙较多，块度小的岩层无侧压0.25B~0.35(B+Ht)4．有裂痕，块度一般的岩层采用轻型支撑，荷载局部作用，变化不规则(0~0.25)B3．大块，有一般节理的采用轻型支撑，荷载局部作用，变化不规则(0~0.5)B2．坚硬的，呈层状或片状的岩层当有掉块或岩爆时，可设轻型支撑01．坚硬的，无损害的说明岩石荷载高度(m)岩层状态表4-18太沙基围岩分类表注：表中B、Ht分别为坑道宽度及高度。

由表4-17可见，太沙基分类是以岩体构造、岩体地质特征为依据进行分类的。围岩的定性描述比较概括，每类围岩都有一个相应的地压范围值。分类是以有水条件为基础，当无水时，表中第4~7栏围岩的地压值要降低50%。目前，欧美各国的地下工程中，仍广泛地采用泰沙基围岩分类方法。『4.4▎围岩压力计算『4.4.1▎围岩压力及成拱作用1.围岩压力的概念

人们对围岩压力的认识是从开挖洞穴后围岩的变形和坍塌的现象开始的。它是作用于隧道支撑或衬砌结构上的主要荷载之一。松动压力形变压力围岩压力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。竖向压力侧向压力由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力。

影响围岩压力的因素：围岩的工程地质条件及水文地质条件、围岩岩体的强度、隧道的埋置深度、围岩压力的时间效应、隧道断面的形状及尺寸、支护结构的特征和施工方法等等。2.围岩压力的产生

隧道开挖前，地层中各点的应力保持着相对的平衡，地层处于相对静止状态，称为原始应力状态。为了研究方便，仅考虑由上覆地层自重所形成的原始应力，并取深度H处的一个单元体来作应力分析（图4-6）。该单元体受到三对大小相同、方向相反的压力作用，因此该单元体处于力的平衡状态和变形运动的相对静止状态。Hxσσyzσxyz地面图4-6隧道开挖前任一点的应力状态

在上覆地层自重作用下，竖直压力Pz为：(4-30)式中γ——上覆地层的平均重度（kN/m3）；

H——从地面到单元体所处的深度(m)。

由于单元体的侧向变形受到周围地层的限制，便产生了侧向压力Px、Py：(4-31)式中ξ

——侧压力系数。

根据侧向应变为零的条件，并把地层假定为各向同性的弹性体，可推导出ξ：(4-32)式中μ

——地层岩石的泊松比。

隧道开挖后，围岩原来保持的平衡状态受到破坏，由相对的静止状态变成显著的运动状态，由于围岩在应力及应变方面开始了一个新的变化运动，出现了围岩应力的重分布和围岩向开挖空间的变形，力图达到新的平衡。变形的大小取决于应力变化的大小和围岩抵抗这些变形的能力。3.围岩压力的确定方法直接测量法经验法或工程类比法围岩压力确定方法理论估算法4.围岩的成拱作用

隧道开挖后围岩力学形态将经历“平衡—变形、破坏、坍塌—应力重分布——新的平衡”的过程，这种过程的最终产物就是人们所熟知的“坍落拱”或“平衡拱”（图4-7）。其上方的一部分岩体承受着上覆地层的全部重力，如同一个承载环一样，并将荷载重力向侧传递下去，这就是所谓围岩的成拱作用。坍落拱Hh图4-7围岩的成拱作用M·M·普洛托季亚可诺夫从松散介质的极限平衡出发，认为坍落拱呈抛物线状，其高度为：(4-33)式中

h——坍落拱高度(m)；b——隧道跨度的一般(m)；fup——普氏系数。我国现行隧道设计规范用数理统计的方法给出计算各级围岩坍塌高度的经验公式：h=0.45×2S-1×[1+i(B-5)](4-34)式中S——围岩级别；B——隧道宽度(m)；i——B每增减1m时围岩压力的增减率，以B=5m的围岩垂直均布压力为准，当B＜5m时，取i=0.2；当B＞5m时，取i=0.1。『4.4.2▎深埋隧道围岩压力计算1.松动压力计算Ⅴ级及Ⅵ级围岩产生的围岩压力一般为松动压力，Ⅳ级围岩当岩体结构面胶结不好时，也可能产生松动压力。松动压力包括垂直压力及水平压力，为了计算简便，一般均按均布压力计算。垂直压力的计算公式如下：(4-35)式中q——垂直均布压力（KN/m2）；γ——围岩重度（kN/m3）；h——坍落拱高度（m），按式（4-34）计算。水平压力可按表4-19确定：(0.5~1.0)q(0.3~0.5)q(0.15~0.3)q<0.15q0水平匀布压力eⅥⅤⅣⅢⅠ、Ⅱ围岩级别表4-19围岩水平匀布压力注：采用式(3-35)及表4-19计算深埋隧道围岩压力时，必须同时具备两个条件，即：①H/B<1.7，式中H为隧道开挖高度，B为隧道开挖宽度；②不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道。2.形变压力计算Ⅳ级以下围岩隧道开挖后变形的发展会持续较久的时间，喷射混凝土层将在同围岩共同变形的过程中对围岩提供支护，从而使围岩保持稳定。与此同时，喷层将受到来自围岩的挤压力，这种挤压力由围岩变形引起，常称做“形变压力”。围岩与支护间形变压力的传递是一个随时间的推进而逐渐发展的过程。这类现象习称时间效应。形变压力可采用有限元法计算。『4.4.3▎浅埋隧道围岩压力计算1.浅埋或深埋隧道的确定浅埋和深埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。荷载等效高度值的计算公式如下：Hp=(2~2.5)hq

(4-36)式中Hp——浅埋隧道分界深度（m）；hq——荷载等效高度(m)，；q为用式（4-35）算出的深埋隧道垂直均布压力（kN/m2）；g为围岩