《隧道工程 第3版》 课件 第4章 隧道围岩分级及围岩压力

第四章隧道围岩分级及围岩压力『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4『4.1▎岩石的地质特征隧道围岩:隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(土)体，叫围岩。围岩既指岩体也指土体。隧道围岩分级作用

①判断围岩稳定性②判断施工难易程度，投资依据③结构分析计算的依据。『4.1.1▎岩石的物质组成

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。岩石的力学性质取决于组成岩石的矿物成分及其相对含量。含硬度大的粒柱状矿物越多时，则岩石强度越高（如石英、长石、角闪石、辉石等）含硬度小的片状矿物越多时，则岩石强度越低（如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等）。常见的硅酸盐类矿物: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，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。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，力学性质较差，如泥质炭岩等。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。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。

岩浆岩物理力学性质一般都很好。

沉积岩

粗碎屑岩除与碎屑成分有关外，还取决于胶结物成分及其类型。细碎屑岩力学性质一般很差。

变质岩

浅变质力学性质较差。深变质力学性质较好。『4.1.2▎岩石的结构构造

岩石结构：岩石内矿物颗粒大小、形状、粒间连接方式等岩石构造:矿物集合体之间排列方式，

如沉积岩的微层状、变质岩的片状。岩石的粒间连结结晶连结胶结连结结晶通过共用原子/离子使不同晶粒紧密接触，强度较高

胶接通过胶接物，硅质>钙质>泥质『4.1.3▎岩石的风化程度

分为5类，即全风化、强风化、弱/中风化、微风化和未风化

风化程度确定

通过定性指标和定量指标

定性指标：颜色、破碎程度等

定量指标：波速比Kv和风化系数Kf

波速比为风化岩石与新鲜岩石的波速的比值

风化系数为风化岩石与新鲜岩石的单轴抗压强的比值

随风化程度的加深，岩石的孔隙率和变形随着加大，强度降低，渗透性增强。『4.1.4▎岩体的结构类型

岩体由结构面及岩石组成。性质取决于结构面密度、连续性及其组合关系。岩体与岩石区别岩石：均质、连续、基本各向同性岩体：非均质、不连续、各向异性，一般岩体强度<岩石强度岩体结构类型分5类,整体块状、块状、层状、碎裂状、散体状『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

分干重度γd、天然重度γ和饱和重度γsat.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：2．岩石的空隙性

(4-2)(4-3)(4-4)

一般岩石空隙率系指总空隙率，见表4-3。空隙率愈大,岩石的强度愈小、塑性变形和渗透性恶化.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.抗拉<抗剪<抗压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)点荷载试验和不规则试件的抗压试验间接的求岩石的Rc。(4-9)式中Is(50)为直径为50mm标准试件的点荷载强度。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。

(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）。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：图4-1岩石莫尔强度包络线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)。(4-11)

围压不大时，强度包络线常可视为一直线，即库伦准则，可得：『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图4-2岩石应力-应变全过程曲线OA段－孔隙裂隙压密阶段AC段－弹性变形AB至微破裂稳定发展阶段BC

CD段－非稳定破裂发展阶段，或称累进性破裂阶段D点以后—破坏后阶段根据应力-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。图4-3岩石变形模量确定方法示意图当岩石应力-应变为直线关系时(图4-3a)，岩石的变形模量E(Mpa)为：(4-12)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。初始模量、割线模量、切线模量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)(4-13)1)初始模量(Ei)指曲线原点处的切线斜率，即: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。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:式中R0——为地下洞室半径。『4.2.4▎岩石的流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。岩石的蠕变分为稳定蠕变和不稳定蠕变。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。第I阶段（AB段）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。图4-5软弱岩石典型的蠕变曲线岩石的蠕变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。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即岩石的长期强度。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。——这个未有定论『4.3▎隧道围岩分级『4.3.1▎现行公路隧道围岩分级方法根据规范规定隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级。初步分级—岩石的坚硬程度和岩体完整程度修正—地下水、软弱结构面产状、初始应力状态

★

共分6级，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ

围岩越来越差

Kv=(vpm/vpr)2

(4-21)若无探测值时，可用岩体体积节理数对应的值。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:1.岩石的坚硬程度

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，可采用实测的岩石点荷载强度指数IS(50)来换算。（硬岩>30MPa，软岩<30MPa）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。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。

两点说明：设计阶段：采用修正后的围岩分级。

施工阶段：根据实际情况，进一步判定围岩分级，依据仍然是：

岩石坚硬程度围岩完整状态地下水软弱结构面初始地应力

『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）。坚固性系数（又叫似摩擦系数或普氏系数）：(4-24)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)岩石的坚固性系数是一个说明围岩条件性质的笼统的指标。不同的岩石通常用不同的经验计算公式求得：

fup岩体＝k×fup岩石

(4-29)

k——考虑地质条件的修正系数,实质是折减系数。

普氏按坚固系数fup值进行围岩分类-教材P101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：『4.3.3▎太沙基围岩分类法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隧道围岩压力4.4.1

围岩压力及成拱作用2.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。分区破裂化现象(深部)定义：地下洞室开挖后由于围岩的变形松动和破坏以及地应力而作用在支护结构或衬砌上的压力。围岩压力大，支护结构破坏隧道涌水，围岩塌方，支护结构破坏围岩（松动）压力分布图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。膨胀压力～膨胀性岩层冲击压力～落石/坍方/岩爆影响因素工程地质条件岩体的强度埋置深度时间效应断面的形状及尺寸支护结构形式施工方法水文地质条件岩性、构造等涌水、沽水花岗岩、页岩、灰岩、泥岩浅埋、深埋支护时间大断面、中断面、小断面喷锚、喷锚+钢支撑全断面法、台阶法、分部开挖法3.围岩压力的产生

原始应力状态：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。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)侧向压力Px、Py：(4-31)式中ξ

——侧压力系数。实际地层分层：(4-32)式中μ

——地层岩石的泊松比。隧道开挖后：围岩平衡状态受到破坏——围岩应力及应变开始新的变化运动——围岩应力重分布和围岩向开挖空间的变形——达到新的平衡。4.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抵抗围岩变形的能力影响变形大小的因素应力变化的大小初支围岩直接压力量测二衬压力直接量测（1）围岩压力直接量测法普氏理论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B的一半(m)；fup——普氏系数。（2）经验法或工程类比法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。影响自然拱的因素：●隧道埋深～成拱的必要条件●隧道断面形状和大小～拱的范围●施工因素～对围岩的扰动程度『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。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（1）形变压力：Ⅳ级以下围岩在开挖后，变形的发展会持续较长的时间，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。特点：围岩与支护结构共同作用。（2）计算：可采用有限元法、有限差分法等计算。『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。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为围岩重度（kN/m3）。在矿山法施工的条件下，Ⅳ~Ⅵ级围岩取Hp=2.5

hq

；Ⅰ~Ⅲ级围岩取Hp

=2hq。H≥Hp,深埋H<Hp,浅埋

2.埋深≤等效荷载高度时的围岩压力计算当隧道埋深（H）小于或等于等效荷载高度hq时，荷载视为均布垂直压力,按下式计算：q=γH

(4-37)式中q——垂直均布压力（kN/m2）；

g——隧道上覆围岩重度（kN/m3）；

H——隧道埋深(m)，指坑顶至地面的距离。侧向压力e按均布考虑时其值为：(4-38)式中e——侧向均布压力（kN/m2）；Ht——隧道高度（m）；φc——围岩计算摩擦角(°)，其值见表4-14。3.

埋深大于等效荷载高度时的围岩压力计算应该考虑滑动面上的阻力作用力分析：

隧道上覆岩土