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隧道工程 第五章隧道围岩分级与围岩压力 第五章隧道围岩分级与围岩压力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 5 1隧道围岩分级及其应用 目前 隧道围岩分级是设计 施工的基础 工程类比法就是建立在围岩分级的基础上的 围岩分级的目的 作为选择施工方法的依据 进行科学管理及正确评价经济效益 确定结构上的荷载 松散荷载 给出衬砌结构的类型及其尺寸 制定劳动定额 材料消耗标准的基础等等 人们对围岩的认识是不断深入的 从在国外的情况看 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 RQD 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 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 单一的岩性指标 一般多采用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 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 单一的综合岩性指标 岩体的弹性波传播速度 弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比 其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Kv来评价 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 所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率 或称为岩芯采取率 即 RQD 10cm以上岩芯累计长度 100单位钻孔长度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 隧道开挖后 围岩通常都有一段暂时稳定的时间 不同的地质环境 自稳时间是不同的 劳费 H Lauffer 认为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示 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 H Lauffer 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 有很大压力的七级 复合指标是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标 具有代表性的复合指标分级 是巴顿N Barton等人提出的岩体质量 Q指标 即 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 围岩初始应力愈高 SRF取值愈大 指标的选择 首先选择对隧道围岩稳定性有重大影响的因素指标 选择测试设备简单 人为因素小 科学性强的定量指标 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类方法中 作为分类的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 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 类 与地下水有关的要素 目前国内外围岩的分类方法 考虑上述三大基本要素 按其性质主要分为如下几种 以岩石强度或岩石的物理指标为代表的分类方法 按岩石强度为单一岩性指标的分级法 具有代表性是我国解放前或解放后初期的土石分类法 即把岩石分为坚石 次坚石 松石及土 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 以岩体构造 岩性特征为代表的分级方法 这类分类法以泰沙基分类法为代表这类分类法是在早期提出的 限于当时的条件 仅把不同岩性 不同构造条件对围岩分类 这类分类法曾长期被各国采用 至今仍有广泛的影响 以岩体综合物性为指标的分类法60年代我国提出了以岩体综合物性指标为基础的 岩体综合分类法 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 以地质勘探手段相联系的分类方法 按弹性波 纵波 速度的分类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 以岩石质量为指标的分类方法 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 组合多种因素的分类方法比较完善的是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 以工程对象为代表的分类法 优点 目的明确 使用方便 能够指导施工 缺点 分级指标以定性描述为主 人为因素较大 纵上所述 围岩的分类方法有以下几方面的发展趋势 分类应主要以岩体为对象 分类宜与地质勘探手段有机的联系起来 分类要有明确的工程对象和工程目的 分类宜逐渐定量化 值得注意的是 近年国内外有关学者提出采用模糊数学分类 根据坑道周边量测的收敛值分类 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类方法日趋完善 围岩分级的分阶段实施 是因为围岩分级除了取决于地质条件外 还和工程规模 形状 施工工艺等技术条件有关 不同阶段的地质勘察 试验研究 工作顺序可用右图所示的框图来表示 3 我国公路隧道围岩分级 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 避免单一的岩石强度指标分级的方法 分级指标应采用定性和定量指标相结合的方式 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 考虑分级的指标和因素 岩体的结构特征与完整状态岩体的结构特征与完整状态是评价围岩稳定程度最直接 最重要的指标 岩石强度将岩浆岩 沉积岩 变质岩按岩性 物理力学参数 耐风化能力和作为建筑材料的要求划分为硬质岩石及软质岩石二级 依饱和抗压极限强度Rb与工程的关系分为四种 其标准及代表性岩石见表 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 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 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 或软化软弱结构面 围岩分级时一般可酌情降低1级 碎石状松散结构的岩体中 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 判断其对围岩的危害程度 可降低1 2级 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 对于特殊含水地层如已达到饱和状态或具有较大的承压水时 需另作处理 公路隧道围岩分级 根据以上对分级因素和指标的分析 公路隧道围岩分级将围岩分为六级 见表 R Q D 岩体弹性波 纵波 速度 岩体完整性系数的分类法 隧道施工围岩分级 施工阶段围岩判定具有直接性 可靠性 重要性的特征 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 在三个因素中 最困难的是围岩完整性程度的评定 研究的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 围岩压力按作用力发生的形态 一般可分为如下几种类型 松散压力 是指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 常通过下列三种情况发生 在整体稳定的岩体中 可能出现个别松动掉块的岩石 在松散软弱的岩体中 坑道顶部和两侧片帮冒落 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 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 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 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 2 围岩松散压力的产生开挖隧道所引起的围岩松动和破坏的范围有大有小 对于一般裂隙岩体中的深埋隧道 其波及范围仅局限在隧道周围一定深度 作用在支护结构上的围岩松散压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力 这可用围岩的 成拱作用 来解释 下面以水平岩层中开挖一个矩形坑道 来说明坑道开挖后围岩由形变到坍塌成拱的整个变形过程 成拱过程 隧道开挖后 在围岩应力重分布过程中 顶板开始沉陷 并出现拉断裂纹 可视为变形阶段 顶板的裂纹继续发展并且张开 由于结构面切割等原因 逐渐转变为松动 可视为松动阶段 顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌 可视为坍塌阶段 顶板塌落停止 达到新的平衡 此时其界面形成一近似的拱形 可视为成拱阶段 自然拱的范围的大小除受上述的围岩地质条件 支护结构架设时间 刚度以及它与围岩的接触状态外 还取决于以下诸因素 隧道的形状和尺寸 隧道拱圈越平坦 跨度越大 则自然拱越高 围岩的松散压力也越大 隧道的埋深 实践证明 只有当隧道埋深超过某一临界值时 才有可能形成自然拱 习惯上称这种隧道为深埋隧道 否则为浅埋隧道 施工因素 如爆破所产生的震动 常常是引起塌方的重要原因之一 造成围岩压力过大 又如分部开挖多次扰动围岩 也会引起围岩失稳 加大自然拱范围 3 围岩压力的确定方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法 直接量测法 是一种切合实际的方法 对隧道工程而言 也是研究发展的方向 但由于受量测设备和技术水平的制约 目前还不能普遍常用 经验法或工程类比法 是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结 按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值 作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法 是目前使用较多的方法 理论估算法 是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法 由于地质条件的不确定性 影响围岩压力的因素又非常多 这些因素本身及它们之间的组合也带有一定的偶然性 企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的 在理论计算方法中 考虑几个主要因素 使其结果相对地接近实际围岩压力的情况 是目前隧道工程设计中采用较多的方法 深埋隧道围岩压力的确定 工程类比法 围岩竖向匀布压力q按下式计算 q 0 45 2s 1 kN m2 式中 S 围岩级别 如属II级 则S 2 围岩容重 kN m2 1 i B 5 宽度影响系数 B 隧道宽度 m i 以B 5m为基准 B每增减1m时的围岩压力增减率 当B5m 取i 0 1 适用条件为 H B 1 7 式中H为隧道高度 深埋隧道 不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道 采用钻爆法施工的隧道 铁路新规范 q h h 0 41 1 79S这是全国1046座铁路隧道得出的经验公式 其中S 新规范围岩的分级 围岩的水平匀布压力e的确定 按下表中经验公式计算 下面压力分布图形只概括一般情况 当地质 地形或其它原因可能产生特殊荷载时 围岩压力的大小和分布应根据实际情况分析确定 在分析支护结构时 一般以竖向和水平的匀布荷载图形为主 并用局部压力 偏压以及非匀布的荷载图形进行校核 较好的围岩着重于局部压力校核 围岩压力分布特征 浅埋隧道围岩松散压力的计算 深 浅埋隧道的判定原则 隧道埋深不同 确定围岩压力的计算方法不同 一般情况下应以隧道顶部覆盖层能否形成 自然拱 为原则 深埋隧道围岩松散压力值是以施工坍方平均高度 等效荷载高度值 为根据 为了形成此高度值 隧道上覆岩体就有一定的厚度 根据经验 这个深度通常为2 2 5倍的坍方平均高度值 即 Hp 2 2 5 hq 式中 Hp 深浅埋隧道的分界深度 hq 荷载等效高度 q 深埋隧道竖向均布压力 在矿山法施工的条件下 I一III级围岩取Hp 2hqIV VI级围岩取Hp 2 5hq当隧道覆盖层厚度H Hp时为深埋 H Hp时为浅埋 浅埋隧道围岩压力的确定方法浅埋隧道围岩压力分下述两种情况分别计算 埋深 H 小于或等于等效荷载高度hq时 荷载视为均布竖向压力q H式中 q 匀布布竖向压力 深度上覆围岩容重 H 隧道埋深 抬隧道顶至地面的距离 侧向压力e 按匀布考虑时 其值为 e H 1 2Hi tg2 450 2 式中 e 侧向匀布压力 围岩容重 以kN m3计 H 隧道埋深 以m计 Hi 隧道高度 以m计 围岩计算摩擦角 其值可查有关规范 埋深大于hq 小于等于Hp时采用松散介质极限平衡理论进行分析 即 围岩松动压力 滑动岩体重量 滑面上的阻力 q浅 Q浅 B H 1 H B tg e H h 2式中 一侧压力系数 即 tan tan tan 1 tan tan tan tan tan tan tan tan2 1 tan tan tan 1 2 围岩应力的现场量测实测围岩压力的方法很多 可归纳为两类 直接量测和间接量测 直接量测 主要采用压力盒 压力传感器等 压力盒按工作原理分为机械作用式 电测式和液压式等 目前使用较多的是钢弦式压力盒 间接量测 利用量测隧道衬砌的应变 变形来推算作用在其上的围岩压力的方法 即间接量测法 如电阻应变片 钢筋应变计 遥测应变计 混凝土应变砖等 5 3影响围岩稳定性的因素隧道围岩分级的是对隧道开挖后 围岩稳定程度的分级和评价 围岩分级的因素 也就是影响隧道围岩稳定性的因素 影响坑道围岩稳定性的因素一般认为有两类 一类是客观存在的地质因素 另一类是设计和施工因素 或称为人为因素 前者是基本的 后者是通过前者而起作用的 1 地质因素的影响 岩土体结构状态 岩土体结构是长时间地质运动的产物 在地质因素的影响中起着主要作用 围岩的结构状态通常用其破碎程度或完整状态来表示 岩体的完整状态或破碎程度有两个含义 一是构成岩体的岩块大小 二是这些岩块的组合形态 岩石的工程性质 岩石的工程性质是多方面的 一般主要指岩石的强度或坚固性 在岩体结构状态成为控制围岩稳定的主要因素时 强调岩石强度意义是不大的 岩石强度在完整的岩体中是起主要作用的 围岩的初应力状态围岩的初应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定影响的 因此 在围岩分级中 如何根据地质构造的特征引进初应力的影响 是需要进一步研究的问题 地下水的作用和影响在不同的围岩中水的影响一般有下列几种情况 使岩质软化 强度降低 对软岩尤为明显 对土体则可促使其液化或流动 在有软弱结构面的围岩中 会冲走充填物或使夹层液化 减少层间摩阻力促使岩块滑动 在某些围岩中 如石膏 岩盐和蒙脱石为主的粘土岩中 遇水后产生膨胀 在未胶结或弱胶结的砂岩中可产生流砂和