第4章 围岩压力

隧道工程第4章隧道围岩分级与围岩压力本章学习要求：（1）掌握公路隧道围岩分级；（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；4.1隧道围岩分级及其作用4.2围岩压力的计算4.3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。4.1隧道围岩分级●

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）。1、

围岩分级的目的

①作为选择施工方法的依据；②进行科学管理及正确评价经济效益；③确定结构上的荷载（松散荷载）；④给出衬砌结构的类型及其尺寸；⑤制定劳动定额、材料消耗标准基础等；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。3、我国公路隧道围岩分级公路隧道围岩分级将围岩分为六级围岩级别围岩或土体主要定性特征围岩基本质量指标（BQ）或修正的围岩基本质量指标[BQ]

Ⅰ坚硬岩，岩体完整，巨整体状或巨厚层状结构>550

Ⅱ坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构550~451较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构450~351

较坚硬岩或较软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚层结构Ⅳ坚硬岩,岩体破碎,碎裂结构350~251较坚硬岩,岩体较破碎～破碎,镶嵌碎裂结构较软岩或软硬岩互层,且以软岩为主,岩体较完整～较破碎,中薄层状结构土体：1.压密或成岩作用的粘性土及砂性土2.黄土(Q1、Q2)3.一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；极破碎各类岩体。碎、裂状、松散结构≤250一般第四系的半干硬至硬塑的黏性土及稍湿至潮湿的碎石土，卵石土、圆砾、角砾土及黄土（Q3、Q4）。非粘性土呈松散结构、黏性土及黄土呈松软结构Ⅵ软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等

⑶公路隧道围岩分级

级参数ⅠⅡⅢⅣⅤⅥRQD（％）>9585~7575~8650~7525~50<25BQ>550550~451450~351350~251<250Vp(km/s)>4.53.5~4.52.5~4.01.5~3.01.0~2.0<1.0（饱和粘土）I0.8～1.00.6~0.80.4~0.60.2~0.4<0.24.1隧道围岩分级及其作用4.2围岩压力的计算4.3影响围岩稳定性的因素本章主要内容4.2围岩压力的计算

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：⑴松散压力：

⑵形变压力：

⑶膨胀压力：

⑷冲击压力：1、围岩压力的种类

⑴松散压力：常通过下列三种情况发生：

①在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；②在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落；③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。

⑵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。

⑶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。

⑷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

⑴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；⑵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；⑶顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段；⑷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。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。

4.围岩压力的计算

——工程类比法

(1)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2～2.5倍的坍方平均高度值

Hp＝（2～2.5）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：

hq＝q/γq—深埋隧道竖向均布压力kN／m2；γ—围岩容重（kN／m2）。

在矿山法施工的条件下I～Ⅲ级围岩取

Hp＝2hqⅣ～Ⅵ级围岩取

Hp＝2.5hq

当隧道覆盖层厚度H≥Hp时为深埋，H＜Hp时为浅埋（2）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=0.45×2s-1×γω(kN/m2)

式中：S—围岩级别，如属II级，则S＝2；γ—围岩容重，(kN/m3)；

ω＝1+i(Bt-5)—宽度影响系数；

Bt—隧道宽度,(m）；

i—以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。当B<5m，取i＝0.2；当B>5m,取i＝0.1。

q=0.45×2s-1×γω(kN/m2)●适用条件①Ht/Bt<1.7，式中H为隧道高度；②深埋隧道；③不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道；④采用矿山法施工的隧道。●

围岩的水平匀布压力e的确定，按下表中的经验公式计算围岩级别I、IIIIIIVVVI水平匀布压力0<0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q（3）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=γH式中:q—匀布布竖向压力；

γ—深度上覆围岩容重；

H—隧道埋深，抬隧道顶至地面的距离。侧向压力e，按匀布考虑时，其值为：

e=γ(H+1/2Hi)tan2(450–Φ/2)式中:e—侧向匀布压力；γ—围岩容重，以kN/m3计；

H—隧道埋深，以m计；Hi—隧道高度，以m计；

Φ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=γH（1－H/B·λtanθ）

e=γ(H＋h)λ/2式中λ一侧压力系数，即：λ=(tanβ-tanΦ)/｛tanβ[1+tanβ(tanΦ-tanθ)+tanΦtanθ]｝

tanβ=tanΦ+｛(tan2Φ+1)tanΦ/(tanΦ-tanθ)｝1/2

4.3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⑴岩土体结构状态⑵岩石的工程性质⑶地下水的作用和影响⑷围岩的初应力状态⑴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，二是这些岩块的组合形态。

⑵岩石的工程性质●岩石的工程性质是多方面的，一般主要指岩石的强度或坚固性。●在岩体结构状态成为控制围岩稳定的主要因素时，强调岩石强度意义是不大的。●岩石强度在完整的岩体中是起主要作用的。⑶地下水的作用和影响

●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；●有软弱结构面的围岩，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。

⑷围岩的初应力状态

围岩的初应力状态对岩体的构造和力学特征是有一定影响的。因此，在围岩分级中，如何根据地质构造的特征引进初应力的影响，是需要进一步研究的问题。2、设计和施工因素，或人为因素

人为因素也是造成隧道丧失稳定的重要条件⑴隧道的形状和尺寸，尤其是跨度影响较为显著

在同类围岩中，跨度愈大，隧道围岩的稳定性就愈差⑵支护结构的类型及支护时间●隧道自稳时间：是指从开挖后到顶部开始发生可以察觉到的移动、松弛时为止所经历的时间。●围岩的自稳时间对隧道围岩的稳定性产生重要影响。

⑶施工方法

在同类岩体中，采用普通爆破法施工和控制爆破法施工，采用矿山