第二章围岩分类及围岩压力

隧道工程力学原理,第二章围岩分级及围岩压力第一节围岩的工程性质一、围岩、岩石和岩体的概念隧道围岩：是指地壳中受隧道开挖影响的那一部分岩体，或是指对隧道稳定性有影响的那一部分岩体。从力学分析的角度来看，围岩的边界应划在因开挖隧道而引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零，这个范围在横断面上约为610倍的洞径。围岩的工程性质，一般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。而对围岩稳定性最有影响的则是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能。围岩既可以是岩体，也可以是土体。,岩体被许许多多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为大小不等、形状各异的各种块体（称结构体）。从岩体构造力学特性上看，大体上可分为无裂隙岩体和裂隙岩体两大类。地下工程在多数情况下是修筑在裂隙岩体中的。岩体是由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。岩体的力学性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特性以及结构面的特性。环境因素尤其是地下水和地温对岩体的力学性质影响也很大。结构面把岩体分割成各种类型和尺寸的岩块，因此，岩体也可以说是各种类型和尺寸的岩块的集合体。它们在初始应力场下，彼此联锁在一起而处于平衡状态。因此，岩体是由下述几部分构成的：a)不同尺寸和类型的岩块；b)结构面；c)岩块间的充填物。,在各种类型的结构面中，结构弱面对岩体稳定性影响很大。有些虽然是结构面，但不一定是软弱面，如硅质、钙质胶结的节理面、岩脉接触面等，它们的强度很大。因此，软弱面基本上是指那些断层、剪切带、破碎带、泥质充填的节理、软弱夹层等控制岩体强度的结构面，其强度较岩石强度低。岩体的天然不均质性及各向异性也是它的显著特征。,岩体与岩石相比，两者有着很大的区别。和工程问题的尺度相比，岩石几乎可以被认为是均质、连续和各向同性的介质，而岩体则具有明显的非均质性、不连续性和各向异性。关于岩体的力学性质，包括变形破坏特性和强度，一般都需要在现场进行原位试验才能获得较为真实的结果。,岩体和岩石的变形、破坏机理是很不相同的，前者主要受宏观的结构面所控制，而后者则受岩石的微裂隙所制约。因而岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具有明显的各向异性。一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石抗压强度的7080，结构面发育的岩体，仅有510。目前通常采用下式经验地初步估计岩体的强度：式中岩体强度；岩石强度；岩石强度降低系数估计岩体强度的关键是如何确定岩石强度降低系数值。目前有多种方法进行判定。如前苏联建议的值，列于下表，供参考。,岩体强度降低系数值,二、岩体结构分类及其破坏特征根据不同岩体对岩体力学性质和围岩稳定性的影响(称为岩体的结构效应)，工程地质学中把岩体划分为四大种结构类型：.整体结构、块状结构.层状结构、板状结构.碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构.散体结构整体结构岩体的变形主要是结构体的变形，其重要特征是横向应变与纵向应变之比小于0.5，破坏前的变形是连续的，在低围压作用下多为脆性破裂，高围压时为塑性剪切破坏。块状和层状结构岩体的变形主要是结构面的变形，故其变形特性一般不用变形模量，而常用刚度系数来表示。岩体的破坏则是沿软弱结构面滑动，应力传播具有明显的不连续性。,碎裂和散体结构岩体的变形，开始是将裂隙或孔隙压密，随后是结构体变形，并伴随有结构面张开。破坏形式主要为剪切破裂和塑性变形。应力传播与岩体结构特征关系十分密切，并具有不连续性，随着围压的提高很快就转化为连续的。三、隧道围岩失稳破坏性态隧道围岩失稳破坏大致有以下五种情况：1脆性破裂整体状和块状结构岩体，仅产生局部掉块或岩爆2块状运动块状或层状岩体，向临空面运动，逐渐形成块体塌落、滑动、转动、倾倒以及块体挤出等失稳破坏性态。在支护结构和围岩之间如有较大空隙而又未回填密实或根本没有回填，块体运动可能对支护结构产生冲击荷载，而使之破坏。,3弯曲折断破坏层状岩体尤其是有软弱夹层的互层岩体，由于层间结合力差，易于错动，所以抗弯能力较低。洞顶岩体受重力作用易产生下沉弯曲，进而张裂、折断形成塌落体。边墙岩体在侧向水平力作用下弯曲变形而鼓出，也将对支护结构产生压力，严重时可使支护结构折断而塌落。4松动解脱碎裂结构岩体基本上是由碎块组合而成的，在张拉力、单轴压力、振动力作用下容易松动，溃散(解脱)而成碎块脱落。一段在洞顶表现为崩塌，在边墙则为滑塌、坍塌。5塑性变形和剪切破坏散体结构岩体或碎裂结构岩体，表现为坍方、边墙挤入、底鼓以及洞径缩小等等，而且变形的时间效应比较明显。,第二节隧道围岩分级方法判断隧道围岩的稳定性，并针对围岩稳定的程度制定相应的工程措施最佳的施工方法和支护结构，乃是研究隧道地质环境需要解决的两个基本问题。由于隧道工程所处地质环境十分复杂，人们对它的认识远没有达到完善的地步，所以，至今在隧道工程中经验方法（经验设计、经验施工）仍然占有一定的地位，即根据以往的工程经验对设计和施工作出决策，决策依据就是隧道围岩稳定性分级。隧道围岩分级的目的是：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；确定支护结构的类型和尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准的基础等。,隧道围岩分级是为了解决坑道支护这个目的而建立起来的，即坑道开挖后是否需要支护、采用什么类型的支护结构、如何支护等。而坑道支护与坑道开挖后的稳定性有直接的关系。因此，隧道围岩分级的基础条件是坑道开挖后的稳定性。根据坑道开挖实践，坑道开挖后的稳定性大体上可分为以下几类：1)充分稳定的。坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。2)基本稳定的。坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的，层间结合差的平缓岩层顶板可能弯曲、断裂。此时应采取局部支护或轻型的支护。,3)暂时稳定的。大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。在外界（如爆破、重新更换支撑等）和内部（如地下水等）条件的影响下，坑道如不及时支护，会进一步丧失稳定。因此，在这种围岩中，必须采取各种类型的支护措施。4)不稳定的。坑道在不支护条件下是难以开挖的，随挖随坍，常常要先支后挖，坑道的坍塌发生迅速、影响范围大，有时可坍塌到地表，或在地面形成塌盆地。在有水的情况下，土体流动造成极大的荷载。在这种情况下，需要采取专门的支护措施和施工方法来保证坑道的稳定。由此可见，坑道围岩稳定性的不同，采取的施工方法和支护措施也是不同的。因此，按坑道围岩稳定性大致相同的围岩工程地质条件并结合工程实践进行围岩分级是有可能的，也是有根据的。,目前国内外隧道围岩分类的方法大体上有以下几种类型：一、以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法具有代表性的是前苏联普落托奇雅柯诺夫(M.JipoctonbnMonos)教授提出的“岩石坚固系数”分级法(或称“f”值分级法，或普氏分级法)。岩石的坚固系数值表示岩石在开挖时的相对坚固性，如人工破碎岩石时的抗破碎性、机械钻眼时的抗钻性、对炸药的抗爆性、开挖坑道时围岩作用在支护结构上的压力值等等。确定f值的主要方法：f岩石=R/100（R为岩石单轴抗压强度）。,考虑到岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的值适当降低，即取岩体的坚固系数f岩体=Kf岩石K是考虑地质条件的折减系数，一般情况下，K1.0。然后按照f岩体进行分级。,二、以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法具有代表性的是泰沙基分级法。泰沙基分级法，以坑道支护所需的地压值为对象的，把不同岩性、不同构造条件的围岩分为9级，每级围岩都有一个相应的地压范围值和支护措施建议。在分级时是以坑道有水为基础的，当确认无水时，47级围岩所对应的地压值应降低50%。三、与地质勘探手段相联系的分级方法用弹性波在岩体中传播的速度进行围岩分级,围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可以反映岩石软硬，又可以表达岩体结构的破碎程度。因此，在弹性波速度基础上，综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素(岩性、风化程度、破碎状态、含水及涌水状态等)，日本将围岩分为7级。该方法仍然是半定量的，但是综合的。它把岩体的很多错综复杂的因素，统统用一个指标表达，难免给判断带来一定的“主观性”。例如弹性波速度低，就可能有几种情况：(1)岩体完整，但岩质松软；(2)岩质坚硬，但岩体破碎；(3)出现于地形上局部高低差显著的谷部等。因而在判断上还要借助于其他条件，如地质测绘、岩性等手段或资料。,用钻探时的岩心复原率(或称岩芯采取率)进行分级美国伊利诺斯大学狄丽等人提出的采用“岩石质量指标”(RQD)就是一例。狄丽指出，岩心的采取状态(采用率)、岩心的平均长度、最大长度等受到原始裂隙、硬度、均质性等状态所支配。因此，岩心采取率是可以表达岩体质量的。同时指出，岩体质量好坏主要决定于小于10cm以下的细小岩块状态。岩心复原率是以单位长度钻孔中10cm以上的岩心占有比例来判断的，即：,该分级法将围岩分为5级：RQD90即为优质的；75RQD90为良好的；50RQD75为好的；25RQD50为差的；RQD25为很差的。分级也给出相应的地压值及可采取的支护系统。同时指出，在采用掘进机掘进时地压值可适当降低(约减小20)。四、以多种因素进行组合的分级方法比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量Q”分级法。Q与六个表明岩体质量的地质参数有关。根据不同的Q值，将岩体质量评为九等。,五、以工程对象为代表的分级法分类指标以定性描述为主。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，优点是目的明确，而且和支护尺寸直接挂钩，因此，使用方便，对指导施工很起作用。但分类指标以定性描述为主，带有很大的人为因素。由上述可知，隧道围岩分级方法有简有繁，并无统一格式。目前，国内外许多学者都认为，隧道围岩分级的详细程度，在工程建设的不同阶段可以有所不同。在工程规划和初步设计阶段的围岩分级，可以定性评价为主，判别的依据主要来源于地表的地质测绘以及部分的勘探工作。,在工程的技术设计和施工设计阶段，围岩分级是为专门目的服务的，如为支护结构设计服务的围岩分级，为钻爆工作服务的围岩分类等。围岩类别除了取决于地质条件外，还应和工程尺度、形状、施工工艺技术等条件有关。其判别依据除了地质测绘资料外，更重要的是详细勘探(包括钻探、坑探、物探等)资料和岩石(体)的室内和现场试验数据。这一阶段的分类指标应该是半定量的或定量的。在施工阶段，应利用各种量测和观测到的实际资料对围岩分类进行补充修正，此时的分类仍属第二阶段的详细分类，但数据则是岩体暴露后的实际值。,第三节我国现行铁路隧道围岩分级一、围岩分级的基本因素及围岩基本分级1围岩分级的基本因素围岩基本分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法确定。岩石坚硬程度划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩和极软岩等5类。,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。,2围岩基本分级根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为6级。,二、围岩分级的影响因素及分级的修正在围岩基本分级的基础上，结合考虑隧道工程的特点，考虑地下水状态、初始应力状态等必要的因素进行修正。1地下水隧道施工的大量实践证明，水是造成施工坍方、使坑道围岩丧失稳定的重要原因之一。水的影响：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潜蚀。,修正办法：在同级围岩中，遇水后则适当降低围岩级别。降低幅度的根据：围岩的岩性及结构面的状态；地下水的性质、大小、流通条件及对围岩浸润状况和危害程度。地下水状态的分级如下表：,地下水影响的修正如下表：,2初始应力场围岩的初始应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定影响的。因此，围岩分级中考虑了初始应力状态的影响，将初始应力场采取修正系数的方法，对围岩级别予以降级。（见下页表）另外，若隧道洞身埋藏较浅，应根据围岩受地表的影响情况进行修正。当围岩为风化层时应按风化层的围岩围岩基本分级考虑；当围岩仅受地表影响时，应较相应的围岩降低12级。,初始地应力状态按照下表评估：,初始地应力影响的修正如下表：,第四节隧道围岩压力计算围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护结构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。因此，从广义的角度来理解，围岩压力既包括围岩有支护的情况，也包括围岩无支护的情况；既包括作用在普通的传统支护(如架设的支撑或施作的衬砌上所显示的力学性态)，也包括在锚喷和压力灌浆等现代支护的方法中所显示的力学性态。从狭义的角度来理解，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。一、围岩压力分类围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型：,1.松动压力由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力的形式直接作用在支护结构上压力称为松动压力。松动压力按其作用在支护结构上的位置不同，分为竖向压力、侧向压力和底压力。松动压力常通过下列三种情况发生：a.在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；b.在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落；c.在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。2.形变压力形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护结构的抑制，而使围岩与支护结构共同变形的过程中，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。3.膨胀压力当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区别在于它是由围岩吸水膨胀引起的。4.冲击压力冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，由于隧道的开挖，围岩约束被解除，能量突然释放所产生的压力。由于冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与围岩弹性模量直接相关。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，一旦遇到适宜的条件，它就会突然猛烈地大量释放，从而产生“岩爆”现象。,影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类：一类是地质因素，包括原始应力状态、岩体力学性质、岩体结构面等；另一类是工程因素，包括施工方法、支护时间、支护刚度、坑道形状等。二、围岩松动压力的形成和确定的方法作用在支护结构上的围岩松动压力总是远远小于其上覆盖地层自重所造成的压力。这可以用围岩的“成拱作用”来解释。在水平成层的围岩中开挖隧道时，开挖后围岩由变形到坍塌成拱的整个变化过程可分为以下几个阶段：变形阶段：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。松动阶段：项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。,塌落阶段：顶板岩体视其强度的不同而逐步塌落。成拱阶段：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。,将隧道所形成的相对稳定的拱称为“天然供”或“塌落拱”。它如同一个承载环一样承受着上覆地层的全部重量，并且将荷载向两侧传递下去。这就是围岩的“成拱作用”。而天然拱范围内破坏了的岩体的重量，就是作用在支护结构上的围岩松动压力的来源。天然拱范围的大小与下列因素有关：a.围岩地质条件b.支护结构架设的时间c.支护结构的刚度d.支护结构与围岩的接触状态e.隧道的形状和尺寸。隧道拱圈越平坦，跨度越大，则天然拱越高，围岩的松动压力也越大。f.隧道的埋深。只有深埋隧道才有可能形成天然拱，浅埋隧道不能形成天然拱。,g.施工因素。如爆破的影响，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。又如分布开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大天然拱范围。确定围岩的松动压力的方法有：(1)现场实地量测(2)按某一理论公式计算确定(3)根据大量的实际资料，采用统计的方法分析确定。(一)深埋隧道围岩松动压力的确定方法围岩的松动压力是和围岩的类别成反比的，围岩的松动压力是和隧道跨度成正比的。1、统计法我国隧规所推荐的方法在我国隧规中所推荐的计算围岩竖向匀布松动压力的公式，是根据357个铁路隧道的塌方资料统计分析而拟定的：,式中的为围岩容重；s为围岩级别；为宽度影响系数，由w=1+i（B-5）计算；B为坑道宽度，i为B每增减1m时的围岩压力增减率，当B5m时，取i=0.2，当B5m时，取i=0.1。公式的适用条件为：H/B1.7，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。上述公式适用于采用破损阶段法或容许应力法设计的隧道衬砌结构计算，当采用概率极限状态法设计隧道时，深埋单线隧道围岩竖向均布松动压力可按下式计算：,围岩水平匀布的松动压力，按下表中的经验公式计算，适用条件同上。,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，而在其它类别的围岩中，岩体破坏范围的形状和大小，受岩体结构、施工方法等因素的控制，也是极不规则的。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，用等效荷裁，即非匀布压力的总和应与匀布压力的总和相等的方法，来确定各荷载图形的最大压力值。,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、偏压以及其它非均匀分布的水平和竖直荷载图形进行校核，较好的围岩着重于局部压力校核。,2、普氏理论普洛托李雅克诺夫认为：所有的岩体都不同程度地被节理、裂隙所切割，因此可以视为散粒体。基于这些认识，普氏提出了岩体的坚固性系数(又叫似摩擦系数)的概念。,式中、为岩体的似摩擦角和内摩擦角；、为岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力；为岩体的粘结力。,为了确定围岩的松动压力，普氏还提出了基于天然拱概念的计算理论，作用在支护结构上的围岩压力就是天然拱以内的松动岩体的重量。而天然拱的尺寸，即它的高度和跨度则与反映岩体特征的值和所开挖的隧道宽度有关，其具体表达式为,式中为天然拱高度；b为天然拱半跨度。在坚硬岩体中，坑道侧壁较稳定，天然拱的跨度就是隧道的宽度，即b=bt(bt为隧道的净宽度的一半)，如图a所示，在松散和破碎岩体中，坑道的侧壁也受扰动而滑移，天然拱的跨度也相应加大为(图b)：,式中为隧道净跨度的一半；为隧道净高度；其余符号含义同前。,围岩竖向均布松动压力为围岩水平均布松动压力按朗金公式计算：一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中。对于软质围岩按此法所算得的压力值偏小，在坚硬的围岩中所得压力偏大。3、泰沙基理论泰沙基(K.Terzaghi)也将岩体视为散粒体。他认为坑道开挖后，其上方的岩体将因坑道变形而下沉，并产生如图所示的错动面OAB，假定作用在任何水平面上的竖向压应力是匀布的，相应的水平应力(k为侧压力系数)。在地面深度为h处取出一厚度为dh的水平条带，考虑其平衡条件，得出,整理后，得：,解此微分方程，并引入边界条件(h=0时=0)可得隧道上方岩层中任意点的竖向均布压力为：,当隧道埋深超过一定值后，上式趋近于某一个固定值，即,泰沙基根据实验结果，得出k=11.5，若取k=1则有,此时便与