隧道工程-围岩分级

第4章隧道围岩分级与围岩压力 学习本章的目的 1 要求掌握有关隧道的勘查 设计 构造原理和有关计算方法 2 理解隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系 3 了解隧道围岩分级时考虑的因素 第4章隧道围岩分级与围岩压力 4 1隧道围岩的概念与工程性质4 2围岩的稳定性4 3围岩分级4 4围岩压力的确定 第4章隧道围岩分级与围岩压力Surroundingrockclassificationandpressure 第4章隧道围岩分级与围岩压力 4 1隧道围岩的概念与工程性质 4 1 1围岩的概念围岩 隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩 土 体 说明 围岩既指岩体也指土体 4 1 2围岩的工程性质物理工程性质水理力学 第4章隧道围岩分级与围岩压力 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 各向异性岩体力学性质获取的方式 现场试验 真实 费时 费钱室内试验 不易取样 代表性差问题 1 结构计算与力学性质的关系 2 隧道结构计算的难点 1 岩体的变形特性受拉 受压 剪切 流变问题 岩体能受拉吗 1 受压变形岩石 线性 弹性软弱结构面 非线性 塑性岩体 弹塑性体 见下图 第4章隧道围岩分级与围岩压力 图4 1典型岩体全应力应变曲线 第4章隧道围岩分级与围岩压力 岩体 压密阶段 OA 弹性阶段 AB 塑性阶段 BC 破裂和破坏阶段 CD 2 剪切变形 1 沿结构面滑动 2 岩石的断裂 3 在结构面的影响下沿岩石剪断 第4章隧道围岩分级与围岩压力 3 流变特性 蠕变 指应力不变 而应变随时间增长 松弛 应变不变 而应力随时间而衰减问题 围岩流变特性对隧道的影响 图4 2岩体的流变 第4章隧道围岩分级与围岩压力 2 岩体强度岩石强度 通过试件获得 岩体强度 低于岩石强度 约为岩石强度的70 80 第4章隧道围岩分级与围岩压力 4 2围岩的稳定性 第4章隧道围岩分级与围岩压力 4 2 1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 第4章隧道围岩分级与围岩压力 地质因素 客观因素 人为因素 主观因素 工程因素 第4章隧道围岩分级与围岩压力 4 2 2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 第4章隧道围岩分级与围岩压力 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 第4章隧道围岩分级与围岩压力 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 第4章隧道围岩分级与围岩压力 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 第4章隧道围岩分级与围岩压力 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 第4章隧道围岩分级与围岩压力 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 第4章隧道围岩分级与围岩压力 2 人为因素 隧道形状和尺寸 支护结构类型 施工方法 第4章隧道围岩分级与围岩压力 超挖 4 3围岩分级 4 3 1概述围岩分级 根据岩体的若干指标 按照稳定性将围岩分成不同的级别 工程目的 1 结构设计依据 2 施工方法依据 3 工程造价依据 第4章隧道围岩分级与围岩压力 围岩分级的发展过程 土石分类法 单一因素分类法 综合物性分类法 第4章隧道围岩分级与围岩压力 其它分级法 第4章隧道围岩分级与围岩压力 组合多因素分类法 与地质勘探手段相联系的分类法 总结 早期 仅岩石强度 现在 综合多种因素 如岩体构造 岩石强度 RQD指标等 4 3 2围岩分级方法3个基本因素 岩性 抗压强度 弹性模量 弹性波速等 地质构造 岩体完整性或结构状态 地下水 地下水发育时 围岩级别应降低 1个附加因素 初始地应力 适当考虑 第4章隧道围岩分级与围岩压力 一 以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法1 以岩石强度为基础的分级法代表 土石分类法 坚石 次坚石 松石 土 2 以岩石物性指标为基础的分级法代表 岩石坚固性系数 f值 分级法 普氏法f值 一个综合的物性指标值 如岩石的抗钻性 抗爆性 强度等 但核心还是岩石强度 第4章隧道围岩分级与围岩压力 二 以岩体构造 岩性特征为代表的分级方法代表 泰沙基法 考虑围岩的完整状态和岩性 共9级 我国交通隧道围岩分级法 借鉴了泰沙基法 考虑岩体综合物性 共6级 第4章隧道围岩分级与围岩压力 三 与地质勘探手段相联系的分级方法代表 弹性波速分级法 波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标 波速越高 围岩越好 第4章隧道围岩分级与围岩压力 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 第4章隧道围岩分级与围岩压力 表中R为RQD指标 四 组合多种因素的分级方法代表 岩体质量分级法巴顿等人提出的 岩体质量 Q 分级法 表达如下 第4章隧道围岩分级与围岩压力 组合了6个参数 岩石质量指标 节理组数目 节理粗糙度 节理蚀变值 节理含水折减系数 应力折减系数 五 我国铁路与公路隧道的围岩分级方法1 铁路隧道 沿革 岩体综合分类 60年代 成昆线 五类 隧道围岩分类 74年版 首部铁路隧道规范 六类 隧道围岩分类 86年版 加入围岩弹性波速指标 隧道围岩分级 99年版 采用国标分级排序 改称 围岩分级 六级 隧道围岩分级 2001年版 不变 隧道围岩分级 2005年版 不变 第4章隧道围岩分级与围岩压力 分级的理论基础 以围岩的稳定性判断为基础 属于 以岩体构造和岩性特征为代表 的分级方法 主要考虑4种因素 岩石坚硬程度 围岩完整状态 地下水 围岩初始地应力 第4章隧道围岩分级与围岩压力 基本分级 修正基本分级 基本分级修正基本分级最终分级 基本分级依据 围岩主要工程地质条件 由两条组成 岩石坚硬程度软硬岩分界指标 30MpaRb 30硬岩5 Rb 30软岩Rb 5极软岩 围岩完整程度指标1 结构面发育程度指标2 地质构造影响程度由此两指标 将岩体完整程度分为5个级别 见下表 第4章隧道围岩分级与围岩压力 岩体完整程度的划分 围岩受地质构造影响程度等级划分围岩节理 裂隙 发育程度划分 4 铁路隧道围岩分级表基本分级 围岩弹性纵波速度 铁路隧道围岩分级表见教材P82 83 特点 给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态 尚未考虑地下水和地应力 修正分级 地下水地下水的3种处理方法 分级时按无水考虑 而是根据地下水的状态 适当降低围岩等级 1 2级 分级时按有水考虑 当确认围岩无水则提高围岩等级 直接将地下水状况 水质 水量 流通条件 静水压力等 作为一个分级指标 铁路隧道分级按第1种方法处理 地下水影响的修正 地下水状态的分级表 初始地应力 初始地应力影响的修正 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初始地应力 2 公路隧道 初步分级 相当于铁路的基本分级依据 围岩主要定性特征该特征由两个基本因素组成 岩石坚硬程度Rc 即强度 岩体完整性Kv 即弹性波速 推出围岩基本质量指标BQ 90 3Rc 250Kv 详细分级 相当于铁路的修正分级 修正BQ值 当有以下3方面影响时 应予修正 地下水K1 软弱结构面 比铁路多此条 K2 高初始地应力K3 BQ 修正BQ值 BQ 100 K1 K2 K3 K1 K3各值可查公路隧道规范附录A 0 2 1 A 0 2 3 公路围岩分级表 参数 围岩主要定性特征 BQ值 或 BQ 值 当需要修正时 第4章隧道围岩分级与围岩压力 六 问题及研究方向1 问题指标定性的多 定量的少 如何做到准确 方便 好用 2 研究 发展物探手段 增加定量指标 发展分析理论模糊数学 围岩分级 隧道位移 围岩分级 人工智能专家系统 围岩分级等 4 4围岩压力 4 4 1岩体初始应力状态 自重应力构造应力地下水压力温度应力 原岩 毛洞 稳定洞室 开挖 支护 第4章隧道围岩分级与围岩压力 一 围岩压力及其分类 一 围岩压力 围岩压力 地层对洞室的作用力 广义 包括有 无支护时的压力 狭义 仅指对支护的压力 第4章隧道围岩分级与围岩压力 二 围岩压力分类1 松动压力 围岩变形过大 发生松动而形成的压力 2 形变压力 围岩变形在有限范围内而形成的压力 这是最重要的两种压力形态 问题 1 这两种压力性质上有何不同 2 压力的性质与围岩稳定性有何关系 第4章隧道围岩分级与围岩压力 3 膨胀压力 膨胀性岩层 4 冲击压力 明洞 落石 暗洞 坍方 岩爆 第4章隧道围岩分级与围岩压力 4 4 2影响围岩压力的因素 地质因素1 岩体初始应力状态2 岩石力学性质3 岩体结构面4 地下水等 工程因素1 施工方法2 支护设置时间3 支护本身刚度4 隧道断面形状等 第4章隧道围岩分级与围岩压力 1 围岩松动压力的形成自然拱的概念 围岩的变形不能得到有效的控制 当变形超过一定限度后 围岩发生松动 坍落 最终在洞室上方形成拱形 a 变形阶段 b 松动阶段 c 塌落阶段 d 成拱阶段 4 4 3围岩松动压力的形成和确定方法 第4章隧道围岩分级与围岩压力 自然拱 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 第4章隧道围岩分级与围岩压力 2 围岩压力的确定方法直接量测法理论估算法统计法 经验法 工程类比法 1 深埋隧道围岩松动压力的确定方法 1 统计法 我国 隧规 所推荐的方法 式中 围岩容重 hq 坍落拱高度 s 围岩级别 w 宽度影响系数 由w 1 i B 5 计算 B 坑道宽度 当B 5m时 取i 0 2 当B 5m时 取i 0 1 第4章隧道围岩分级与围岩压力 水平压力见表4 7 表4 7围岩水平均布压力 第4章隧道围岩分级与围岩压力 统计法公式的适用条件 H B 1 7 H为坑道的高度 深埋隧道 不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩 采用矿山法施工 第4章隧道围岩分级与围岩压力 据统计 围岩垂直松动压力的分布可概括为4种 如图4 7 图4 7围岩竖向松动压力的分布图形 第4章隧道围岩分级与围岩压力 统计法公式仅针对图中第一种情况 2 普氏理论散粒体理论 岩体被节理 裂隙所切割 视为散粒体 普氏系数f 岩体坚固性系数 第4章隧道围岩分级与围岩压力 岩体坚固性系数f的概念 f 是一个以岩体强度为主的指标 兼顾抗钻性 抗爆性 地下水等性质 第4章隧道围岩分级与围岩压力 前述自然拱概念最早由普氏提出 图4 8自然拱的两种形态 坚硬岩体 松散破碎岩体 式中为隧道净跨度的一半 为隧道净高度 第4章隧道围岩分级与围岩压力 一般来说 普氏理论比较适用于松散 破碎的围岩中 3 泰沙基理论理论 散粒体理论 第4章隧道围岩分级与围岩压力 假定 破裂面为折线 OAB 方法 研究微分条带dh的平衡 步骤 1 V 0 建立微分方程2 边界条件 第4章隧道围岩分级与围岩压力 3 解微分方程 得 4 讨论 当埋深h达到一定程度时 为恒值 取侧压力系数k 1 则有 与普氏法对照 能发现什么 2 浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 深 浅埋隧道的判定原则 第4章隧道围岩分级与围岩压力 Hp 2 2 5 hq I一III级围岩取 Hp 2hqIV VI级围岩取 Hp 2 5hq H Hp时为深埋H Hp时为浅埋H为覆盖层厚度 2 浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 土柱法要点 忽略滑动面上的阻力 适于 埋深H hq垂直压力 q H水平压力按朗金公式 e H 1 2Ht tg2 450 2 Ht为隧道净高 第4章隧道围岩分级与围岩压力 一院法重点 当H hq时 应该考虑滑动面上的阻力 分析下图 第4章隧道围岩分级与围岩压力 1 破裂面AC BD2 矩形EFHG下沉带动三棱体ACE和BDF下滑整个岩体ABDHGC下滑受阻于未扰动岩体3 作用力有 矩形EFHG W1 三棱体ACE BDF W2 三棱体与岩体EFDC之间的摩阻力T T1 T2 阻力N 按力的平衡条件 作用在支护结构上的垂直压力为 式中只有T1是未知 可求得 式中 侧压力系数 于是 P可求出 讨论 的求解 P与T的关系 及其求解 4 4 5明洞压力的计算设计明