隧道工程围岩分级及围岩压力实用教案

1、 地面结构体系一般都是由结构和地基组成(z chn)，地基在结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部。 而地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成(z chn)的，即 地下结构支护结构周边围岩 。第1页/共125页第一页，共125页。 其中以地层为主，各种围岩都是具有一定自承能力的介质(jizh)，即周边围岩在很大程度上是地下结构承载主体，支护仅用来约束地层，使它不产生过大的变形而破坏、坍塌。在地层稳固的情况下，体系中可以不设支护结构而只留下地层，如我国陕北的黄土窑洞。第2页/共125页第二页，共125页。 地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本身地层，故称为地层压力或围岩压力。 在

2、地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成(zo chn)荷载的主要来源，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。第3页/共125页第三页，共125页。一、围岩的力学(l xu)性质1.岩体岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变(tubin)而形成的地质体。2.地质界面地质界面：断层面、层理面、节理面和裂隙面第4页/共125页第四页，共125页。 3.结构体工程地质学中地质界面称之为结构面或不连续面，将这些(zhxi)块体称之为结构体，并将岩体看作是由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。第5页/共125页第五页，共125页。 4.岩体的力学(l

3、 xu)性质影响因素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(l xu)性质影响也很大。第6页/共125页第六页，共125页。 （1）在软弱围岩中，节理和裂隙比较发育，岩体被切割得很破碎，结构面对岩体的变形和破坏都不起作用，岩体与结构体岩石特性无本质区别。 （2）在坚硬的块状岩体中，由于(yuy)受软弱结构面切割，使块体之间的联系减弱，岩体的力学性质主要由结构面的性质及其在空间的位置决定。第7页/共125页第七页，共125页。 5.岩体与岩石性质的区别岩石几乎可以(ky)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

4、连续性和各向异性。第8页/共125页第八页，共125页。二、岩体的变形(bin xng)特性 岩体的抗拉变形能力很弱，或者根本就没有，因此，岩体受拉后立即沿结构面发生断裂(dun li)。 岩体的受压变形特性，可以用它在受压时的应力应变曲线图8-1(亦称本构关系)来说明。第9页/共125页第九页，共125页。ABC岩体岩石软弱结构面0图8-1第10页/共125页第十页，共125页。 从图中可以看出，岩石的应力应变曲线线性关系比较明显，说明它是以弹性变形为主。软弱结构面的应力应变曲线呈现出非线性特征，说明了它是以塑性变形为主。而岩体的应力应变曲线则要复杂的多了，典型的岩体全应力应变曲线可以分解(

5、fnji)为四个阶段。第11页/共125页第十一页，共125页。 1、压密阶段(OA) 这一阶段的变形主要是由于岩体中结构(jigu)面的闭合和充填物的压缩而产生的。随着应力的增加，变形增长率减小，应力应变关系呈非线性凹状曲线。变形模量小，总的压缩量取决于结构(jigu)面的形态。第12页/共125页第十二页，共125页。 2、弹性阶段(AB)岩体充分(chngfn)压密后便进入弹性阶段。所出现的弹性变形是岩体的结构面和结构体共同产生的，应力应变关系呈直线型。第13页/共125页第十三页，共125页。 3、塑性阶段(BC) 岩体继续受力，变形发展到弹性极限后便进入塑性阶段，此时岩体的变形受结构

6、面和结构体变形的共同(gngtng)制约。延性小的岩体，塑性变形不明显，达到强度极限后迅速破坏。破裂岩体塑性变形大，甚至有的从压密阶段直接发展到塑性阶段，而不经过弹性阶段。 第14页/共125页第十四页，共125页。 4、破裂和破坏阶段(CD)应力达到峰值后，岩体即开始破裂和破坏，破坏开始时，应力下降比较缓慢，说明破裂面上仍具有一定摩擦力，岩体还能承受一定的荷载。而后(r hu)，应力急剧下降，岩体全面崩溃。最后当破坏终止时，出现弯曲点，应变无约束地增大，但保留一定的强度，即所谓的残余强度。第15页/共125页第十五页，共125页。 结论：岩体既不是简单的弹性体，也不是简单的塑性体，而是较为(

7、jio wi)复杂的弹塑性体。整体性好的岩体接近弹性体，破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。第16页/共125页第十六页，共125页。 注意：岩体的全应力应变曲线只有在刚性试验机上才能测出，普通万能试验机因刚度小，实验时，试验机的变形量和储存的弹性应变能都比岩体大。所以(suy)，当岩体达到强度极限后，抗力下降，试验机内存储的弹性变形能就突然释放，并对岩体产生冲击作用，使其迅速崩溃，无法再继续试验，测不出岩样破坏后的变形特性。第17页/共125页第十七页，共125页。 岩体受剪时的剪切变形特性主要受结构面控制。根据结构体和结构面的具体形态，岩体的剪切变形可能有三种方式(fngsh)： 1、沿结构

8、面滑动 结构面的变形特性即为岩体的变形特性。 第18页/共125页第十八页，共125页。 2、结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂(dun li)。岩石的变形特性起主导作用。 3、在结构面影响下，沿岩石剪断。岩体的变形特性介于上述二者之间。第19页/共125页第十九页，共125页。三、岩体结构分类及其破坏(phui)特征 地下工程围岩是指地层中受开挖作用影响的那一部分岩体。在围岩的边界上因开挖而产生的位移应该为0，这个范围在横断面上约为6-10倍的洞径。 围岩的工程性质主要是强度与变形(bin xng)两个方面，与岩体结构、岩石的物理力学特性、原始地应力和地下水条件有关。围岩主要是各种岩体，也包

9、括土体。第20页/共125页第二十页，共125页。 根据它们对岩体力学性质(xngzh)和围岩稳定性的影响(称为岩体的结构效应)，工程地质学中岩体划分为四大种结构类型： 、整体块状结构 、块状结构 、层状结构 、散体结构 第21页/共125页第二十一页，共125页。四、 围岩(wi yn)的初始应力场 1.定义围岩的初始应力场又称原始地应力场。由于岩体的自重和地质构造作用，在地下工程开挖(ki w)前岩体中就已经存在着一定的地应力场，称之为围岩的初始应力场。 第22页/共125页第二十二页，共125页。 2.性质(xngzh)围岩的初始应力场经历了漫长的应力历史而逐渐构成的，并处于相对稳定和平

10、衡状态之中。洞室开挖后，使得围岩在开挖边界处解除了约束，失去平衡，此时洞室周边的应力都变为0。其结果引起了洞室变形，产生应力重分布，形成新的应力场，称为围岩二次应力场。第23页/共125页第二十三页，共125页。 因开挖隧道而引起的围岩变形、破坏、应力传播等一切岩石力学现象(xinxing)无一不与围岩的初始应力场密切相关，都是初始应力发展的延续。第24页/共125页第二十四页，共125页。第25页/共125页第二十五页，共125页。 3.组成 自重应力场和构造应力场这两类应力场的基本规律有明显的差异。围岩的自重应力场比较好理解，它是地心引力和离心惯性力共同作用(zuyng)的结果。围岩的构造

11、应力场就比较复杂，按其形成的时间，分为两类构造残余应力和新构造应力。 第26页/共125页第二十六页，共125页。 构造残余应力a由于过去地质构造运动引起的，虽然(surn)外部作用力移去后有了部分恢复，但仍残存在岩体中的应力。b岩石在形成过程中，由于热力和构造作用所引起的，虽经过风化、卸载，部分释放，现在仍残存着的原生内应力。 第27页/共125页第二十七页，共125页。 新构造应力：正在活动(hu dng)和变化的构造运动，如地层升降、板块运动等所引起的应力，称为新构造应力，地震的产生正是新构造应力的反映。第28页/共125页第二十八页，共125页。 4.探讨（1）岩体内的应力主要是在自重

12、作用下产生(chnshng)的垂直应力，水平应力则是由岩体的泊松效应引起的，最大只能等于垂直应力（即取泊松系数等于0.5）。这是否认地质构造运动能改变岩体的应力状态。与实际情况不符。第29页/共125页第二十九页，共125页。 资料表明，围岩初始应力场中水平应力与垂直应力之比常常大于1，有的甚至高达7-8 ，而且主应力方向与当地区域构造的迹象非常一致。说明地质(dzh)构造运动不仅改变了岩体原生的结构特征，而且也改变了岩体原生的应力状态。第30页/共125页第三十页，共125页。 （2）岩体中的应力主要是地球自转和自转速度变化而产生的离心惯性力。因此，应以水平应力为主。说明现阶段围岩(wi y

13、n)的初始应力场主要是构造残余应力场。第31页/共125页第三十一页，共125页。 只有在埋深较浅而又比较破碎(p su)的岩体中，由于构造变动引起的剥蚀作用使构造应力释放殆尽，才是以自重应力场为主。在那些从未遭到过较大构造运动的沉积岩体中，也可能是自重应力占主要地位。第32页/共125页第三十二页，共125页。 5、围岩(wi yn)初始应力场的变化规律与影响因素在以自重应力场为主的岩体中，地表以下任一深度 H 处的垂直应力嵘等于其上覆岩体的重量。围岩(wi yn)自重应力场的变化规律为：第33页/共125页第三十三页，共125页。 ( l ）垂直方向的自重应力是随深度成线性增加(zngji

14、)； ( 2 ）水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。 a垂直方向的自重应力是随深度成线性增加(zngji)； b水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。第34页/共125页第三十四页，共125页。 构造应力场：由于形成构造应力场的原因非常复杂，因而它在空间的分布极不均匀，而且随着时间的推移还不断发生变化，属于非稳定的应力场。但相对于工程结构物的使用期限(qxin)来说，可以忽略时间因素，将它视为相对稳定的。第35页/共125页第三十五页，共125页。 我国大陆初始应力场（包括自重应力场和构造(guzo)应力场）的变化规律如下： 在一定深度内，垂直应力的量值随深度线性增大，而且水

15、平应力普遍大于垂直应力； 水平主应力具有明显的各向异性。水平主应力的另一个显著特点，就是具有很强的方向性，一般以一个方向的主应力占优势，很少有大、小主应力相等的情况。第36页/共125页第三十六页，共125页。 6、影响围岩初始应力场的因素围岩的初始应力状态，一般受到两类因素的影响：重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质及地温等经常性的因素；新构造运动、地下水活动、人类(rnli)的长期活动等暂时性的或局部性的因素。第37页/共125页第三十七页，共125页。 ( l ）地形和地貌。地形的变化并不产生新的地应力场，只对应力起调整作用。在靠近山坡(shn p)，最大压应力方向近似平行山坡(sh

16、n p)表面。从主应力的量值来看，在接近山谷岸坡表面部分是应力偏低的地带，往里则转变为应力偏高带，再往山体深部逐渐过渡到应力稳定区，在山谷底部则有较大的应力集中。第38页/共125页第三十八页，共125页。 ( 2 ）岩体的力学性质。按照强度理论，岩体中的应力状态不能超出岩体强度，所以岩体强度越高地应力值越大。可用应力度（垂直应力与岩体单轴抗压强度的比值来表示岩体在开挖前的状态，应力度越小，岩体的潜在能力很大，开挖后就越稳定(wndng)，引起的位移就越小。第39页/共125页第三十九页，共125页。 应力的积累还与岩体的变形特性有关，变形模量较大的接近弹性(tnxng)的岩体对应力的积累比较

17、有利，例如，E = 5104MPa以上的岩体，最大压应力为1030MPa ，而该值以下的岩体最大压应力很少有超过 10 MPa 。塑性岩体易产生变形，不利于应力的积累。在这类岩体中常以自重应力场为主。 第40页/共125页第四十页，共125页。 （3）地温。温度变化使温度应力的一部分会残留下来产生残余应力。 （4）人类活动。人类活动包括大堆碴场的形成(xngchng)、深的露天开采和地下开挖、水库、抽水、采油及高坝建筑等都可能局部地影响围岩的初始应力场。第41页/共125页第四十一页，共125页。五、围岩初始(ch sh)应力场的确定方法 通过现场实地量测应力。但实测工作由于费时费钱，不可能大

18、量进行，这就提出了如何利用少数测点实测资料，建立可靠的围岩初始(ch sh)应力场的问题。可行的是实地量测和地质力学分析相结合的方法。第42页/共125页第四十二页，共125页。（一）地应力量(l ling)测 实地应力(yngl)量测就是直接在未经开挖扰动过的岩体中进行应力(yngl)量测。岩体应力(yngl)量测有两种： 量测围岩的绝对应力(yngl)值，包括其大小和方向；第43页/共125页第四十三页，共125页。 量测围岩应力在开挖过程中的相对变化。前者(qin zh)用来确定围岩的初始应力场，后者可评价施工程序的优劣及开挖对相邻地下工程的影响等。岩体应力的量测方法有如下 3 种类型。

19、第44页/共125页第四十四页，共125页。 1、应力全解除法基本原理就是将包含着量测元件的那一部分岩体单元从岩体中分离出来，解除周围岩体中对它的约束作用(zuyng)，然后量测由于解除约束而产生的应变，利用岩体的应力一应变关系，反算出所解除的应力，也就是原存于围岩中的初始应力。应力全解除法的具体做法有以下两种。第45页/共125页第四十五页，共125页。 ( 1 ）孔底法，其步骤如图8-4所示。用环钻钻孔至所要求量测应力的深度，将岩芯取出；再用打磨钻头将孔底磨平，将应变计粘贴到孔底上，读取应变计的初读数；然后继续钻孔，使贴有应变计的岩芯与周围岩体分离开(l ki)，解除对岩芯的约束作用，直到

20、岩芯末端的应力完全释放（即应变计读数不再变化）为止。第46页/共125页第四十六页，共125页。 并读取最终读数，根据初读数和最终读数即可求得垂直于钻孔(zun kn)轴平面的由于应力解除而产生的任意3个方向的应变值 、 、 （图 b, 0 ) ；据岩体的应力一应变关系可算出围岩中垂直于钻孔(zun kn)轴平面上的应力。NoImage第47页/共125页第四十七页，共125页。 孔底法所测得的孔底应力(yngl)，由于钻孔引起的应力(yngl)集中，使之比真实的围岩原始应力(yngl)要高些。第48页/共125页第四十八页，共125页。 （2）孔壁和孔径(kngjng)法，其步骤如图8-5所

21、示。首先用大口径钻头钻孔到要量测应力的深度，并将孔底磨平；再改用小口径钻头在大孔底中心钻一个小钻孔，并在其中安装孔壁三轴应变仪（图8-5 ( d ) ) ，取初读数；第49页/共125页第四十九页，共125页。 然后用大口径钻头套钻，产生环状岩芯，解除约束，释放应力，并取最终读数；根据初读数、最终读数，求得应力释放后孔壁上三个不同的应变值 。根据有关的力学(l xu)公式和岩体应力一应变关系，即可反算出围岩中三维的应力状态。第50页/共125页第五十页，共125页。第51页/共125页第五十一页，共125页。 2、应力恢复(huf)法基本原理：先在洞室的岩壁表面安装应变计，并记录下应变的初读数

22、，然后在岩壁上掏一个狭长的槽口，这就解除了垂直于槽口的法向约束和平行于槽口的切向约束，应变计读数下降；最后将扁千斤顶放入槽口，固定后加压，使应变计读数恢复(huf)到掏槽前的数值。此时千斤顶显示的压力即为岩体中相应方向的应力，如图8-6所示。第52页/共125页第五十二页，共125页。第53页/共125页第五十三页，共125页。 扁千斤顶量测，习惯上是在几个相互垂直的槽口中进行。例如，可以在地下洞室边墙上切割水平 和垂直槽口，来量测岩壁表面(biomin)竖向和纵向的应力分量 、 ( y 轴平行洞室轴线），在洞顶切割纵向槽口，来量测垂直轴线的水平应力分量 。0 x0Z0y第54页/共125页第

23、五十四页，共125页。 扁千斤顶所测得的岩体应力严格来说并非围岩(wi yn)的初始应力，而是由于开挖产生应力集中后的洞室周边应力，如图8-7所示。所以需对扁千斤顶所测得的结果进行修正，对于弹性岩体中的或断面形状规则的隧道，如圆形、矩形隧道，应力集中的修正比较简单，可以用弹性力学方法进行。第55页/共125页第五十五页，共125页。 对于断面形状复杂的洞室可以采用光弹性试验。但需注意，在隧道开挖过程中或多或少要损伤岩壁表面，从而(cng r)使应力集中现象有所缓和；因此按弹性力学方法进行修正时，要考虑不同的施工方法对岩壁表面损害的程度，而将应力集中系数进行折减。第56页/共125页第五十六页，

24、共125页。图8-7 洞室周边应力这种方法的优点，就是岩体应力的量测结果不受岩体应力一应变(yngbin)关系的制约。第57页/共125页第五十七页，共125页。（二）地质力学(d zh l xu)分析 岩体中的一切构造形迹，如岩层倾斜、褶曲、破裂和错动等，无一不是岩体在地应力作用下形成的永久变形的形象，是地壳构造运动的力学作用的残迹。因此，根据构造形迹可以宏观地反推出地应力的性质(xngzh)和方向，这就是地质力学分析的基本概念。第58页/共125页第五十八页，共125页。 应用地质力学方法分析围岩的初始应力状态(zhungti)：先进行区域性的构造形迹的调查和测绘，查明应力场的方向，其次根

25、据构造形迹的特征，定性地估计初始应力场的量级，最后再考虑其他地质力学标志。第59页/共125页第五十九页，共125页。 在分析初始应力场的方向时，首要的工作(gngzu)是寻找由于最大水平应力作用所形成的构造形迹，它们的走向称为构造线，最大水平压应力的方向必然与构造线相垂直。第60页/共125页第六十页，共125页。 可根据一对共扼的 X 形节理(jil)来确定水平应力的方向。因为整块岩层受压后，首先产生的就是由最大的剪应力所引起的 x 形剪切破坏，两组节理(jil)面之间所形成的锐角指向最大水平压力方向如图。 第61页/共125页第六十一页，共125页。第62页/共125页第六十二页，共12

26、5页。 岩体在褶皱过程中，尽管区域构造应力场的方向已知，但在褶皱的不同部位(bwi)的应力状态还会有所变化。在褶皱的顶部可能产生与区域最大压应力方向平行的局部拉应力，层面之间产生很大的剪应力，如下图。 第63页/共125页第六十三页，共125页。第64页/共125页第六十四页，共125页。第二节 隧道围岩(wi yn)分级一、 影响围岩稳定性的主要(zhyo)因素 影响围岩稳定性的因素可以归纳为两大类：1、地质环境方面的自然因素，是客观存在的，它们决定了地下工程围岩的质量。第65页/共125页第六十五页，共125页。 2、工程活动(hu dng)的人为因素，如地下工程的形状、跨度、施工方法、洞

27、室轴线与岩层产状的关系等。不能决定围岩质量的好坏，但却能给围岩的质量和稳定性带来不可忽视的影响。第66页/共125页第六十六页，共125页。 1、地质因素（1）岩体结构特征岩体的结构特征是长时间地质构造运动(u zo yn dn)的产物，是控制岩体破坏形态的关键。依稳定性分级岩体的结构特征可以用岩体的破碎程度或完整性来表示。围岩的破碎程度对洞室的稳定与否起主导作用，在相同岩性的条件下，岩体愈破碎，洞室就愈容易失稳。 第67页/共125页第六十七页，共125页。 a.岩体的破碎程度或完整状态:指构成岩体的岩块大小及这些岩块的组合排列形态。关于岩块的大小通常都是用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙间距

28、等指标(zhbio)表示。第68页/共125页第六十八页，共125页。 所谓裂隙率就是指沿裂隙法线方向单位长度内的裂隙数目，裂隙间距则是指沿裂隙法线方向上裂隙间的距离。在分级中常(zhngchng)将裂隙间距大于1.0 l.5m 的视为整体的，而将小于0.2m的视为碎块状的。仅适用于跨度在515m范围内的地下工程。据此，可以按裂隙间距将岩体分类。第69页/共125页第六十九页，共125页。 （2）结构面性质和空间的组合 在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏(phui)的主要因素是软弱结构面的性质及它们在空间的组合状态。 对于地下洞室来说，围岩中存在单一的软弱面，一般并不会影响洞室的稳定性。只

29、有当结构面与洞室轴线的相互关系不利时，或者出现两组或两组以上的结构面时，才能构成容易堕落的分离岩块。第70页/共125页第七十页，共125页。n例如，有两组平行但倾向相反的结构(jigu)面和一组与之垂直或斜交的陡倾结构(jigu)面，就可能构成屋脊形分离岩块如图 。第71页/共125页第七十一页，共125页。 （3）岩石的力学性质 在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质，尤其是岩石的强度。一般来说，岩石单轴饱和极限抗压强度强度越高，洞室越稳定。岩石强度还影响(yngxing)围岩失稳破坏的形态，强度高的硬岩多表现为脆性破坏，在洞室内可能发生岩爆现象；而在强度低的软岩中，

30、则以塑性变形为主，流变现象较为明显。第72页/共125页第七十二页，共125页。 （4）围岩的初始应力场 围岩的初始应力场是地下工程围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。 （5）地下水状况 水的影响有如下几种(j zhn)： 使岩质软化，强度降低，对软岩尤其突出；对土体则可促使其液化或流动；第73页/共125页第七十三页，共125页。 在有软弱结构面的岩体中，会冲走充填物质或使夹层软化，减少(jinsho)层间摩阻力，促使岩块滑动； 在某些岩体中，如含有生石膏、岩盐或以蒙脱土为主的粘土岩，遇水后将产生膨胀，其势能很大；在未胶结或弱胶结的砂岩中，水的存在可以产生流砂和潜蚀。第74页

31、/共125页第七十四页，共125页。 因此，在围岩(wi yn)分级中，对软岩、碎裂结构和散体结构岩体、有软弱结构面的层状岩体及膨胀岩等，应着重考虑地下水的影响。 2. 工程活动所造成的人为因素 施工等人为因素也是造成围岩(wi yn)失稳的重要条件，其中尤其以洞室的尺寸（主要指跨度）、形状及施工中所采用的开挖方法等影响显著。 第75页/共125页第七十五页，共125页。 （1）地下洞室尺寸和形状 在同一级围岩中，洞室跨度愈大，围岩的稳定性就愈差。因为岩体的破碎程度相对加大了。地下洞室的形状主要影响开挖后围岩的应力状态。圆形或椭圆形洞室围岩应力状态以压应力为主，这对维持围岩的稳定性是有好处(h

32、o chu)的。而矩形或梯形洞室，在顶板处的围岩中将出现较大的拉应力，从而导致岩体张裂破坏。第76页/共125页第七十六页，共125页。（2）施工中采用的开挖方法开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为(jio wi)明显，在分级中必须予以考虑。例如，在同一级岩体中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用矿山法和采用掘进机法，采用全断面一次开挖和采用小断面分部开挖，对围岩的影响都不相同。第77页/共125页第七十七页，共125页。二、分级的因素(yn s)指标及其选择 1、单一的岩性指标包括(boku)岩石的抗压和抗拉强度、岩石坚固性系数无弹性模量等物理力学参数，以及如抗钻性、抗爆性等工程指标。

33、第78页/共125页第七十八页，共125页。 单一的岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，因此用来作为分级(fn j)的唯一指标是不合适的。例如，中国西部的老黄土，在无水条件下，虽然强度较低，只有十分之几的 MPa，但稳定性却很高，有些黄土洞室可维持几十年之久而不破坏 。 第79页/共125页第七十九页，共125页。 2、单一的综合岩性指标它表明(biomng)指标是单一的，反映的因素却是综合的。岩体的弹性波传播速度，它既可反映岩石的力学性质，又可表示岩体的破碎程度。因为，岩体的弹性波传播速度与岩体的强度和完整状态成比例。第80页/共125页第八十页，共125页。 岩石质量指标是反映岩体破碎程度

34、和岩石强度的综合指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯复原(f yun)率，或称岩芯采取率。 3、复合指标第81页/共125页第八十一页，共125页。三、围岩(wi yn)分级标准 1、岩石坚硬程度(chngd)岩石坚硬程度(chngd)划分的定量指标采用岩石的单轴饱和抗压强度 Rc ，如无Rc的实测值亦可采用岩石点荷载强度指数 ，它与Rc的换算关系为(50)sI第82页/共125页第八十二页，共125页。 岩石单轴饱和抗压强度Rc与定性划分的岩石坚硬程度的对应(duyng)关系，可按表确定。第83页/共125页第八十三页，共125页。 2、岩体完整程度岩体完整程度的定性划分(hu fn)可见表

35、。第84页/共125页第八十四页，共125页。 说明： 表中结构(jigu)面的结合程度定义如下。 结合好 张开度小于 1，无充填物； 张开度 13，为硅质或铁质胶结； 张开度大于3，结构(jigu)面粗糙，为硅质胶结。 结合一般张开度1一3，为钙质或泥质胶结；第85页/共125页第八十五页，共125页。 张开度大于3，结构面粗糙(cco)，为铁质或钙质胶结。 结合差 张开度1一3，结构面平直，为泥质或泥质和钙质胶结； 张开度大于3，多为泥质或岩屑充填。 结合很差 泥质充填或泥夹岩屑充填，充填物厚度大于起伏差。第86页/共125页第八十六页，共125页。 岩体完整程度划分的定量指标采用岩体完整

36、性指数 Kv 。Kv可用岩体弹性(tnxng)纵波速度 ，和同一岩体取样测定的岩石弹性(tnxng)纵波速度 。按式计算而得，即pmVprV第87页/共125页第八十七页，共125页。 岩体完整性指数（ Kv ）与定性划分(hu fn)的岩体完整程度的对应关系，可按表确定。第88页/共125页第八十八页，共125页。 如无实测的岩体完整性指数 Kv ，亦可用岩体体积(tj)节理数 Jv （条）代替，它与Kv的对应关系可按表确定。第89页/共125页第八十九页，共125页。 3、岩体基本质量分级岩体基本质量分级可根据上述的分级因素(yn s)结合岩体基本质量指标以之按表进行。岩体基本质量指标 B

37、Q 应根据Rc的兆帕数值和Kv值计算而得，即 BQ = 90 + 3Rc250Kv。 第90页/共125页第九十页，共125页。 当Rc 90 Kv + 30 时，应以Rc = 90Kv 30 和Kv 代计算 BQ 值； 当 Kv 0 . 04 Rc + 0 . 4 时，应以Kv = 0 . 04 Rc 0 . 4 和Rc代计算 BQ 值。 当根据基本质量定性特征和基本质量指标 BQ 确定的级别(jbi)不一致时，则可通过对定性划分和定量指标的综合分析，确定岩体基本质量级别(jbi)。第91页/共125页第九十一页，共125页。第92页/共125页第九十二页，共125页。 3、工程岩体级别的确

38、定 对于实际的工程岩体，仅确定了其基本质量级别尚不能满足设计和施工的需求，须在岩体基本质量分级的基础上，结合实际工程的特点，考虑地下水状态、初始(ch sh)地应力场、工程轴线或走向线的方位与主要软弱结构面产状的组合关系等必要的修正因素。修正的岩体基本质量指标可按式计算，即 第93页/共125页第九十三页，共125页。式中，BQ 岩体基本质量指标修正(xizhng)值； 岩体基本质量指标； K1 地下水影响修正(xizhng)系数； K2主要软弱结构面产状影响修正(xizhng)系数； K3初始应力状态影响修正(xizhng)系数。 K1、K2、K3值可分别按表确定。无表中所列 情况时，修正(

39、xizhng)系数取 0 。 第94页/共125页第九十四页，共125页。第95页/共125页第九十五页，共125页。4、地下工程岩体自稳能力(nngl)第96页/共125页第九十六页，共125页。四、 公路(gngl)隧道设计规范 的围岩分级 1990 年发布的 公路隧道设计规范 （ JTJ 02690 ）称围岩分类，分成-类，类围岩稳定性最好，类围岩稳定性最差。为了与国标 工程岩体分级标准 （ GB 50218 94 ）接轨(ji u)， 2004 年发布的 公路隧道设计规范 （ JTG D70 2 004 ）改称围岩分级。第97页/共125页第九十七页，共125页。 其围岩分级的思路、方

40、法和采用的分级指标与国标 工程岩体分级标准 （ GB 5021894 ）完全相同，即采用了两步分级法，只是分级的对象范围更广，包括了土体。 1、根据岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性、定量特征和定量的岩体基本质量指标 BQ ，综合(zngh)进行初步分级（岩体基本质量分级）。第98页/共125页第九十八页，共125页。 2、在岩体基本质量分级的基础上，考虑地下水、主要软弱结构面产状、初始应力状态的影响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(qudng)围岩的详细分级。 有下列情况之一，应对岩体基本质量指标进行修正：有地下水；围岩稳定

41、性受软弱结构面影响，且由健巨起控制作用；存在高初始应力。 第99页/共125页第九十九页，共125页。第100页/共125页第一百页，共125页。第三节 围岩(wi yn)压力计算方法 一、深埋隧道围岩压力的确定从长期的坑道开挖实践及实地围岩压力量测可看出，围岩压力值受到许多因素(yn s)影响，但主要取决于岩体构造和结构面的组合等地质因素(yn s)，并且压力分布很不均匀（指径向压力而言），岩质多裂隙岩体比土质岩体中压力分布更不均匀。第101页/共125页第一百零一页，共125页。 平衡拱：暂时稳定呈平衡的拱形。 除粘性土及某些塑性岩石外，荷载的时间效应不显著，压力增长很快，在较短时间内就趋

42、于稳定。用下式确定围岩坍塌高度的经验公式(gngsh)： 式中：S 坑道围岩级别； 围岩的天然容重（ kN / m3 ) ；NoImage1245.0Sh第102页/共125页第一百零二页，共125页。 跨度(kud)影响系数，其值为： 式中：B 坑道宽度（ m ) B每增减 lm 时的围岩压力增减率，以 B = 5 m 的垂直均布压力为准。当 B 5m ，故i= 0.1则 w = 1 + 0.1 ( 9.9一5 ）=1.49 所以 q= 0. 452S-1221.49=118kPa 水平均布围岩压力为： e = ( 0 . 15 0 .3 ) q e =（0 . 15 0 .3 ) 118

43、= 17 . 7 35 . 4kPa 7.60.771.79.9ttHBhq第106页/共125页第一百零六页，共125页。 例题：隧道高度Ht=7.6m、隧道宽度Bt=9.9m的公路隧道，围岩普氏系数 =1.5 ， 硬粘土， =600 , =22kNm3。试用普氏理论确定(qudng)围岩压力值。 解 此时，平衡拱跨度Bt 为：kpfg1602tan(45)9.9 2 7.6tan(45) 13.9722gttBBHm 第107页/共125页第一百零七页，共125页。 平衡拱高度 h 为： 垂直(chuzh)压力视为均布时： 侧压力视为均布时：kpahq5 .10266.422221160(

44、)tan(45)(102.522 7.6)tan (45)49.92222geqykPa 13.97 / 24.661.5kpbhmf第108页/共125页第一百零八页，共125页。大跨隧道与小净距隧道围岩(wi yn)压力探讨 随着高速公路(gngl)建设的发展，公路(gngl)隧道得到了广泛的应用，其形式也多种多样，大跨隧道及小净距隧道是其中特殊的结构形式。在地形复杂的山区高速公路(gngl)设计中，此种结构形式的隧道对于改善公路(gngl)线型、节省占地、节省工程投资有着重要意义，特别是在山区高速公路(gngl)隧道中修建的中短隧道，有着较大的优势。第109页/共125页第一百零九页，共

45、125页。 现行规范的围岩压力计算仅仅(jnjn)适用于隧道跨度小于 15m 的清况。对于大跨隧道及小净距隧道的围岩压力计算采用何种计算模式还处于研究之中。 1、大跨隧道 大跨隧道具有扁平的拱形结构（如图），与两车道公路隧道断面相比，具有以下特征：第110页/共125页第一百一十页，共125页。第111页/共125页第一百一十一页，共125页。 （1）开挖后的应力重分布变得不利。对圆形断面隧道来说，在弹性介质、静水压力场中，开挖后隧道周边的最大主应力是初始(ch sh)应力的 2 倍，若围岩的单轴抗压强度小时，隧道周边围岩将出现塑性化，因此，需要强大的支护结构来控制变形。第112页/共125页第一百一十二页，共125页。 （2）隧道底脚处的应力集中过大，要求较大的地基承载力。一般(ybn)开挖后的应力在侧壁处比较大，隧道开挖宽度越大，轴力也越大，特别是侧压系数较小时，净空宽度有扩大的