隧道围岩分级及其应用

1、Company Document number: WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998第三节隧道围岩分级及其应用隧道围岩分级是正确进行隧道设计与施工的基础。一个合理的、符合地下工程实际 情况的围岩分级，对于改善地下结构设计、发展新的隧道施工工艺、降低工程造价、多 快好省地修建隧道有着十分重要的意义。近年来，由于各种类型地下工程的大量修建，隧道围岩分级的研究也得到了很大的 发展，出现了各种各样不同的围岩分类；但都是为一定的工程目的服务的。如提供选择 施工方法的根据和开挖的难易程度，确定结构上的荷载或给出隧道临时支撑与衬砌结构 的类型和参考尺寸等。人们对围岩及其自然规律的认识

2、是不断深化的，因此，对围岩分类也有一个发展过 程。在早期，从国外情况来看，如日本，最初主要借用适合于土石方工程的“国铁土石 分类”来进行隧道的设计与施工，主要是根据开挖岩（土）体的难易程度（强度）来划 分的。前苏联在很长的时期内采用以岩石的坚固性来分类，采用一个综合注的指标f 值，称为岩石坚固性系数。理论上坚固性是岩体抵抗任何外力作用及其造成破坏的能 力，不同于强度和硬度，而实际上只反映岩石抗压强度的性能，很少考虏岩体的构造特 征。在英、美等国，主要沿用泰沙基（K，Terzaghi）提出的分级法，其中考虑到一些 岩体的构造和岩性等影响，比较好地反映隧道围岩的稳定状况。目前美国也有用岩石质 量指

3、标（RQD）或隧道围岩在不支护条件下，暂时稳定的时间作为分级依据。我国五十年代初期，铁路隧道围岩分级，基本上是沿用解放前的以岩石极限抗压强 度与岩石天然容重为基础，这种分级仅运用上石方工程的土石分级法，没有适合隧道围 岩的专门分类，只是把隧道围岩分为坚石、次坚石、松石及土质四类。以后，借用苏联 的岩石坚固系数进行分类，即通常所谓的普氏系数（f值）。在长期大量的地下工程实 践中发现：这种单纯以岩石坚固性（主要是强度）指标为基础的分类方法，不能全面反 映隧道围岩的实际状态。逐渐认识到：隧道的破坏，主要取决于围岩的稳定性，而影响 围岩稳定性的因素是多方面的，其中隧道围岩结构特征和完整状态，是影响围岩

4、稳定性 的主要因素。隧道围岩体的强度，对隧道的稳定性有着重要的影响，地下水、风化程度 也是隧道围岩丧失稳定性的重要原因。从围岩的稳定性出发，1975年编制了我国“铁路隧道围岩分类”，这个分类由稳定到 不稳定共分六类，代替了多年沿用的从岩石坚固性系数来分级的方法。我国公路隧道围岩分级起步较晚，随着我国经济的发展，公路交通得到较大的发 展，大量的公路隧道修建，需要有一个适合我国工期的公路隧道围岩分级，于1990 年，根据我国铁路隧道的围岩分级为基础，编制了我国“公路隧道围岩分级”。从国外围岩分级的发展趋势看，围岩分级主要以隧道稳定性分级为主，且从对岩石 的分级逐渐演变到对岩体的分级；从按单参数分级

5、转变到按多参数分级，并逐渐向多参 数组成的综合指标法演变；从经验性很强的分级逐步过渡到半经验、半定量分级和定量 化分级，并将围岩分级与岩体力学的发展相联系，随着岩体力学的发展，这一趋势更为 明显。在多参数综合分级法中，基本采用和差法或积商法。围岩分级方法是随着地质勘 查方法的进步而快速发展的。围岩分级方法与隧道结构设计标准化、施工方法规范化的 联系越来越密切。土质围岩分级方法逐步与岩质围岩分级方法分离，将会形成专门土质 围岩分级方法。从国内围岩分级的发展趋势看，从1975年以后，我国隧道围岩分级方法的发展基本 与国际同步，主要以隧道稳定性进行分级，并在已颁布的国标和部标中体现了这一成 果。此外

6、，我国隧道围岩分级中更加重视施工阶段围岩级别的修正，即根据施工阶段获 得的围岩分级信息对设计阶段的预分级进行修正。我国隧道围岩分级方法主要采用两个 步骤：第一步以基本指标进行基本分级；第二步用修正指标对基本级别进行修正，最终 获得修正后的围岩级别。我国岩质围岩分级方法主要采用定量和定性相结合的办法；土 质围岩采用定性分级方法，分级指标采用描述性语言。我国隧道围岩分级主要分为六 级，其中岩质围岩为I-V级，土质围岩IV-VI级。但与国际上有重要影响的围岩分级方 法比，分级级数偏少。除铁路隧道围岩分级方法与隧道结构设计标准化、施工方法规范 化的联系较紧密外，其它国标和部标中，围岩分级方法与隧道结构

7、设计标准化、施工方 法规范化的联系还不够紧密。一、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，大体有以下几 种：1 .单一的岩性指标一般有岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量等物理力学参数；岩石的抗钻性、抗爆性 等工程指标。在一些特定的分级中，如确定钻眼功效、炸药消耗量等，土石方工程中划 分岩石的软硬、开挖的难易，均可采用岩石的单一岩性指标进行分级。一般多采用岩石 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。但单 一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，用来作为分级的唯一指标是不合适的。如老 黄土地层，在无水的条件下，强度虽然低

8、，但稳定性却很高。2.单一的综合岩性指标以单一的指标，反映岩体的综合因素。这些指标包括：岩体的弹性波传播速度弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比，其指标反映了岩石的力学性质和岩 体的软硬、破碎程度的综合因素。我国1986年施行的“铁路隧道设计规范”中将弹性波（纵波）速度引入隧道围岩分级 中，将围岩分为6级（表4-2）。表4-2弹性波（纵波）速度分级围岩类别TTTmIVVH弹性波速(km/s)（饱和土 90%为优质；75% RQD 90% 为良好；50% RQD 75% 为好；25% RQD 50% 为差；RQD 90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30代入(4-12)式计算BQ值；当Kv

9、+时，应以Kv=+代入(4-12)式计算BQ值。在计算出BQ的值以后，可以根据表4-5对岩体基本质量进行分级。表4-5岩体基本质量分级基本质量级别TIImVV岩体基本质量的定性特征坚硬岩，岩体完整坚硬岩，岩体较完 整;较坚硬岩，岩 体完整坚硬岩，岩体较 破碎;较软岩， 岩体完整坚硬岩，岩体破碎;较 坚硬岩，岩体较破 碎破碎较软岩，岩体破碎； 软岩，岩体较破 碎破碎基本质量指标BQ 550451351550451350251好或一般节理、裂隙、层面为 原生型或构造型密闭整体状或巨厚层结构较完整12差节理、裂隙、层面呈X形，较规 贝h以构造型为主，多数为密闭 部分微张，少有充填物块状或厚层状结构2

10、3好或一般块状结构较破碎23差节理、裂隙、层面、小断层不规 贝h呈x形或米字形；以构造型 或风化型为主，大部分张开，部 分有充填物裂隙块状 或中厚层结构3好镶嵌碎裂结构一般中、薄层状结 构破碎3差各种类型结构面以风化型和构造 型为主，微张或张开，均有充填 物裂隙块状结构606030.耐风化能力代表性岩石1-H- lJLj LJ_r1 / LJ_r-K t_l_r AjV t_l_rt_l_r1 .化冈石、闪长石、玄武石等石浆石类2.硅质、铁质胶结的砾岩及砂岩、石灰U_r八一LJ_r AA-?r1 XH 山 *石、白云石等沉积石类3 .片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩类程度强现象暴露后

11、1、2年 尚不易风化硬 质 岩 石坚硬岩较坚硬岩软较软岩3015暴露后数日至 数月即出现风 化壳1 .凝灰岩等喷出岩类质软岩155- 弱2 .泥砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、灰质页岩 石极软岩5岩、泥灰岩、泥岩、劣煤等沉积岩类 3.云母片岩和干枚岩等变质岩类围岩基本质量指标BQ根据上述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，根据式(4-12)确定围岩基本质量指标BQ，并由此对围岩进行初步分级。其中，岩体完整程 度的定量指标用岩体完整系数虬表达。虬一般用弹性波探测之，如无探测值时，可用 岩体体积节理数Jv按表4-9确定对应的虬。此外，Kv与定性划分岩体完整程度的对应关 系可按表4-1

12、0确定。表4-9 Jp与的对照表Jv （条 /m3）35Kv 60MPa)，岩体完整，巨块状或巨厚层状整体结构550II坚硬岩（Rb30MPa），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550451坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构III较坚硬岩或较软硬质岩，岩体较完整，块状体或中厚层状结构坚硬岩，岩体破碎，碎裂（石）结构较坚硬岩，岩体较破碎破碎，镶嵌碎裂结构350251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IV土体：.压密或成岩作用的粘性土及砂性土.黄土（Qi QU3 .一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土较软岩，岩体破碎软岩

13、，岩体较破碎破碎 60MPa）:受地质构造影响轻微，节 理不发育，无软弱面（或夹层）；层 状岩层为巨厚层或厚层，层间结合 良好，岩体完整呈巨块状整体结构围岩稳定、无坍 塌，可能产生岩爆II硬质岩（Rc 30MPa）:受地质构造 影响较重，节理较发育，有少量软 弱面（或夹层）和贯通微张节理，但 其产状及组合关系不致产生滑动， 层状岩层为中层或厚层，层间结合 一般，很少有分离现象，或为硬质 岩石偶夹软质岩石呈大块状砌体结构暴露时间长，可能 会出现局部小坍塌；侧壁稳定；层 间结合差的平缓岩 层，顶板易塌落III硬质岩（Rc 30MPa）:受地质构造 影响严重，节理发育，有层伏软弱 面（或夹层），但其

14、产状及组合关系 尚不致产生滑动；层状岩层为薄层 或中层，层间结合差，多有分离现 象；硬、软质岩石互层呈块（石）碎（石）状镶嵌 结构拱部无支护时可产 中小坍塌，侧壁基 本稳定，爆破振动 过大易塌软质岩石（Rc = 530MPa）:受地 质构造影响严重，节理较发育；层 状岩层为薄层、中层或厚层，层间 结合一般呈大块状砌体结构IV硬质岩石（Rc30MPa）:受地质构 造影响极严重，节理很发育，层状 软弱面（或夹层）巳基本被破坏呈碎石状压碎结构拱部无支护时，可 产生较大的坍塌； 侧壁有时失去稳定软质岩石（Rc = 530MPa）:受 地质构造影响严重，节理发育呈块（石）碎（石）状镶嵌 结构土体：（1）略具压密或成岩作用的粘性 土及砂性土 （2）黄土（Qi Q2）（3）一般钙质、铁质胶结的碎、卵石十、大块石十（1）和呈大块状 压密结构（3）呈巨块状整体结 构V岩体：软岩，岩体破碎至极破 碎；全部极软岩及全部极破碎岩 （包括受构诰影响严重的破碎带）呈角砾碎石状松散结构围岩易坍塌， 处理不当会出现大 坍塌，侧壁经常小 坍塌；浅埋时易出 现地表下沉（陷）或坍至地表土体：一般第四系