《隧道围岩分级》PPT课件

隧道围岩分级 岩体基本性质 隧道围岩分级 隧道工程SUIDAOGONGCHENG 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 说明 隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩 土 体 围岩既指岩体也指土体 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 围岩的工程性质物理工程性质水理力学岩石与岩体的区别 岩石 均质 连续 各向同性岩体 非均质 不连续 各向异性 岩石与岩体有很大差别 概括来说 天然岩体与实验室内制作的岩石试件 岩石 有显著不同 1 岩体赋存于一定地质环境之中 地应力 地温 地下水等因素对其物理力学性质有很大影响 而岩石试件只是为实验室实验而加工的岩块 已完全脱离了原有的地质环境 2 岩体在自然状态下经历了漫长的地质作用过程 其中存在着各种地质构造和弱面 如不整合 褶皱 断层 节理 裂隙等等 3 一定数量的岩石组成岩体 且岩体无特定的自然边界 只能根据解决问题的需要来圈定范围 根据上述特征 将岩体定义为地质体的一部分 并且是由处于一定地质环境中的各种岩性和结构特征岩石所组成的集合体 也可以看成是由结构面所包围的结构体和结构面共同组成的 围岩的稳定性 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性 问题 什么是隧道工程的头等大事 研究围岩的稳定性 如何促使围岩稳定 围岩级别的工程作用 判断围岩稳定性 判断施工难易程度 投资依据 结构分析计算的依据 地质因素 客观因素 人为因素 主观因素 工程因素 影响围岩稳定性的因素 1 地质因素从5个方面来分析 岩体结构特征 结构面性质和空间的组合 岩石的力学性质 地下水的影响 围岩的初始应力状态 岩体结构特征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个指标有下图 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 围岩节理 裂隙 发育程度划分 张家界图 节理较发育 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 地下水的影响 软化围岩 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 2 人为因素 隧道形状和尺寸 支护结构类型 施工方法 超挖 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 4 0 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 8 0 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 9 0 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 0 0 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 岩石风化程度分类表 风化系数Kf是风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比 波速比Kv是风化岩石与新鲜岩石压缩波速度之比 某工程岩体风化岩石饱和单轴抗压强度为4 2MPa 压缩波速度为2 1km s 新鲜岩石饱和单轴抗压强度为10 5MPa 压缩波速度为3 4km s 该岩石的风化程度为 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 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 压破坏等类型 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 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 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 试样被两加荷锥头压裂时的极限荷载 P 与两锥顶间距 D 的平方之比 称为点荷载强度指数 即 通常在无条件取得单轴饱和抗压强度时 用点荷载强度指数进行换算 常用如下的经验公式换算 Is 50 为直径为50mm标准试件的点荷载强度 15 30 35 50 7 20 100 250 大理岩 2 20 45 60 7 15 60 200 板岩 20 50 35 50 15 25 80 250 白云岩 3 5 30 50 5 20 50 200 片麻岩 10 50 35 50 5 20 50 200 石灰岩 20 60 50 60 10 30 150 350 石英岩 8 50 35 50 2 15 10 150 砾岩 20 60 48 55 10 30 150 300 玄武岩 8 40 35 50 4 25 20 200 砂岩 10 50 45 60 15 30 180 300 流纹岩 3 20 15 30 2 10 10 100 页岩 14 50 45 60 7 25 100 250 花岗岩 岩石名称 内聚力C MPa 摩擦角 抗拉强度Rt MPa 抗压强度Rc MPa 岩石名称 表3常见岩石的强度指标值 内聚力C MPa 摩擦角 抗拉强度Rt MPa 抗压强度Rc MPa 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 长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值 以百分比表示 表中R为RQD指标 某隧道工程地质钻探时 某一回次进尺中共进尺1 2m 采取的岩芯长度分别为3 2cm 1 5cm 9 8cm 16cm 30cm 6cm 27cm 11cm 10cm 5 3cm 该段岩石的质量指标为 A 好的B较好的C较差的D差的 隧道围岩分级 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 软塑状粘性土及潮湿 饱和粉细砂层 软土等 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 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 450 351 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 550 451 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 550 坚硬岩 岩体完整 整体状或巨厚层状结构 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 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 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 岩体弹性波速度 km s vpr 岩石弹性波速度 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 3 20 35 0 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 4 2 3 10 20 0 55 0 35 较破碎 块状结构 好或一般 1 0 0 4 2 3 块状或巨厚层状结构 节理 裂隙 层面 差 1 0 1 2 3 10 0 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 0 1 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 0 0 7 0 9 0 4 0 6 0 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 9 0 4 0 6 0 2 0 3 0 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 6 0 2 0 3 0 1 0 潮湿或点滴状出水 250 350 251 450 351 450 BQ 地下水出水状态 0 2 0 4 0 0 2 0 4 0 6 K2 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 0 0 5 1 0 0 5 0 5 0 5 高应力区 1 0 1 5 1 0 1 5 1 0 1 5 1 0 1 0 极高应力区 250 350 251 450 351 550 451 550 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 BQ 4 7 1 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 4 1 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 max 主要现象 应力情况 表4 13高初始