隧道围岩分级及围岩压力ppt课件

.,隧道工程,第5章隧道围岩分级与围岩压力,重庆交通大学隧道及岩土工程系2012年10月,.,本章学习要求：（1）掌握公路隧道围岩分级方法；（2）掌握公路隧道围岩压力计算方法；（3）理解影响围岩稳定性的因素；,.,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,本章主要内容,.,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，隧道围岩分级是隧道设计、施工的基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基础上的）。,.,认识事物的同一性和差异性的方法就是将事物进行分类和分级围岩分类:主要突出同一性,是质的定性评价,强调的是属性特征.围岩分级:主要突出差异性,是量的界定,强调的是等级特征.,.,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、材料消耗标准基础等；,.,人们对围岩的认识是不断深入的,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围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素.单一的岩性指标综合岩性指标,.,单一的岩性指标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。,.,综合岩性指标岩体的弹性波传播速度：该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，通常用岩体的完整性系数Kv来评价,即,.,岩体完整程度划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎等5类(下表)。,.,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。岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率:RQD（）10cm以上岩芯累计长度100单位钻孔长度,.,岩石质量指标(RQD)岩石质量指标分级认为：RQD90为优质；75RQD90为良好；50RQD75为好；25RQD50为差；RQD25为很差,.,围岩的自稳时间：从隧道开挖到顶部开始发生可察觉的移动、松弛所经历的时间，被认为是综合岩性指标。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(1a)式中：L隧道未支护地段的长度；a视围岩情况在01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、有很大压力等七级,.,岩体质量指标（Q指标）,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，初始应力愈高，SRF取值愈大,.,(RQD/Jh)表达了岩体的岩块大小(Jr/Ja)表示了岩体的岩块强度(Jw/SRF)表示了岩体的作用应力。,.,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级方法中，分类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III类：与地下水有关的要素。,.,目前国内外围岩的分级方法，考虑上述三大基本要素，按其性质主要分为：以岩石强度或物理指标为代表的分级方法以岩体构造特征为代表的分级方法以地质勘探手段相联系的分级方法组合多种因素的分级方法以工程对象为代表的分级法,.,以岩石强度或物理指标为代表的分级方法：按岩石强度为单一岩性指标的分级法: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“f”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：这类分级法以泰沙基分级法为代表这类分类法是早期提出的，仅把不同岩性、不同构造条件的围岩分成九类，每类都有一个相应的地压范围值和支护措施建议。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级法60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分类法”，并于1975年经修正后正式作为铁路隧道围岩分类方法。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级方法：按弹性波（纵波）速度的分级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。,.,以地质勘探手段相联系的分级方法：以岩石质量为指标的分级方法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。,.,组合多种因素的分级方法评价一种岩体的好坏，既要考虑地质构造、岩性、岩石强度，还要考虑施工因素，如掘进方向与岩层之间的关系、开挖断面的大小等。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级法：这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分级法(1979年)、苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法(1966年)等优点：目的明确，使用方便，能指导施工缺点：分级指标以定性描述为主，人为因素较大。,.,围岩的分级方法有以下几方面的发展趋势：分级应主要以岩体为对象。岩体则包括岩块和各岩块之间的软弱结构面。因此分类应重点放在岩体的研究上分级宜与地质勘探手段有机的联系起来有一个方便而又可靠的判断手段。随着地质勘探技术的发展，这将使分类指标更趋定量化。分级要有明确的工程对象和工程目的。分级宜逐渐定量化。,.,值得注意，近年国内外有关学者提出采用模糊数学分级；根据隧道周边量测的收敛值分级；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级方法日趋完善。,.,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；分级指标应采用定性和定量指标结合方式；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。,.,3、我国公路隧道围岩分级考虑分级的指标和因素岩体的结构特征与完整状态考虑岩石强度围岩基本质量指标BQ,当取当取,.,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；,.,碎石状松散结构岩体，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，可降低12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。,.,公路隧道围岩分级根据以上对分级因素和指标，公路隧道围岩分级将围岩分为六级；R.Q.D、岩体弹性波（纵波）速度、岩体完整性系数的分级法。,.,公路隧道围岩分级,.,隧道施工围岩分级施工阶段围岩判定具有直接性、可靠性、重要性特征，因此，施工阶段围岩级别的判定是一个重要而现实的问题。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313评定;,.,隧道施工围岩分级即313评定,.,在三个因素中，最困难的是围岩完整性程度的评定，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形态分为：松散压力：形变压力：膨胀压力：冲击压力：,.,松散压力：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。,.,围岩松动压力的形成,(a)变形阶段,(b)松动阶段,(c)塌落阶段,(d)成拱阶段,.,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。,.,.,.,地层负温度,.,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：直接量测法经验法或工程类比法理论估算法,.,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多，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。,.,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=0.452s-1(kN/m2)式中：S围岩级别，如属II级，则S2；围岩容重，(kN/m3)；1+i(B-5)宽度影响系数；B隧道宽度,(m）；i以B5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。当B5m,取i0.1。,.,深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法)q=0.452s-1(kN/m2)适用条件H/B1.7，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。,.,围岩的水平匀布压力e的确定，按下表中的经验公式计算,.,铁路新规范：qhh=0.411.79S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。注：铁路隧道跨度小于公路隧道,.,围岩压力分布特征,作用在支护结构上的荷载是很不均匀的，这是因为在级及级围岩中，局部塌方是主要的。根据统计资料，围岩竖向松动压力的分布图形大致可以概括为以下六种，如图所示。,.,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，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22.5倍的坍方平均高度值,.,深、浅埋隧道的判定原则Hp（22.5）hq式中:Hp深浅埋隧道分界深度;hq荷载等效高度，按下式计算：hqq/q深埋隧道竖向均布压力kNm2；围岩容重（kNm2）。,.,在矿山法施工的条件下I级围岩取Hp2hq级围岩取Hp2.5hq当隧道覆盖层厚度HHp时为深埋，HHp时为浅埋,.,浅埋隧道围岩压力的确定方法埋深(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。,.,浅埋隧道围岩压力的确定方法侧向压力e，按匀布考虑时，其值为：e=(H+1/2Hi)tan2(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；一围岩计算摩擦角，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（1H/Btan）e=(Hh)/2式中一侧压力系数，即：=(tan-tan)/tan1+tan(tan-tan)+tantantan=tan+(tan2+1)tan/(tan-tan)1/2,.,围岩压力的现场量测现场实测围岩压力的方法很多，可归纳为两类：直接量测间接量测,.,直接量测：主要采用仪器为压力盒、压力传感器等设备。压力盒按工作原理分为以下三类：机械作用式电测式液压式目前使用较多的是钢弦式压力盒。,.,钢弦式测试技术属于“非电量电测法”的范畴，测试工作系统一般由钢弦式传感器和钢弦频率测定仪组成。测试系统如图：,.,钢弦式传感器的基本原理由钢弦内应力的变化转化为钢弦振动频率的变化。钢弦应力和振动频率的关系如下：,式中：为钢弦振动频率为钢弦的长度为钢弦的密度为钢弦所受的张拉应力,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,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。影响隧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。,.,1、地质因素的影响岩土体结构状态岩石的工程性质地下水的作用和影响围岩的初应力状态,.,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