第十一章隧洞的工程地质研究

第十一章隧洞的工程地质研究第一节概述第二节地下洞室围岩应力重分布第三节围岩的变形与破坏第四节影响地下洞室围岩稳定的因素及洞线选择第五节与衬砌及支护设计有关的几个参数第六节围岩分类第七节围岩施工的工程地质问题及措施

主要内容HooverDam胡佛大坝1936年3月建成，位于内华达州和亚利桑那州交界之处的黑峡(BlackCanyon)，坝高221.4m，计划装机容量245.2万kW胡佛大坝工程示意图泄洪隧洞取水塔电力房压力水管广州抽水蓄能電站总装机容量240万千瓦上下水库间引水距离约3km，水位落差500m；一期工程的地下厂房长146.5m，宽21m，高44.54m。10万千瓦的电厂年发电量约5.0亿度左右压力水管调压室主机室发电机组引流管出水管母线竖井变电站取水口片岩中的隧洞（1）地下洞室围岩稳定问题的特点①普遍存在：水电工程、交通工程、国防工程；②与地质环境的联系更密切：置于岩土体内，处于复杂的地应力、地下水、地温和有害气体环境；③埋深大：几十至几百米，甚至可达上千米，如锦屏二级、南水北调西线、广蓄、二滩；④规模大：往往构成复杂的、庞大的地下建筑群；⑤问题多：变形破坏形式多样；⑥合理利用岩体的问题更重要；⑦运营条件复杂：内水压力、外水压力、山岩压力、长期强度、蠕变、松弛。

例：二滩：双曲拱坝，坝高245m，玄武岩，地下厂房：埋深200m，246m×28.5m×71.15m，主变室：2个，190m×17m×27m，45.25m×8m×6.09m，尾水洞：330m、7m（16m~14m），尾水闸门井：61.87m×6.5m×13m。鲁布革：堆石坝，坝高100m，白云岩、灰岩，主厂房：115m×24m×45m，副厂房：14m×24m×45m，引水隧洞：φ8m，洞长8786.8m。

广蓄：花岗岩，最大埋深570m，洞长3700m，φ9m，（2）具体任务全面认识岩体有效而适时地支护岩体实时跟踪观测岩体尽量保护岩体合理利用岩体选择最优洞线第一节

概述南水北调西线工程73km长隧,最大埋深1000多米(巴颜喀拉山)深埋长隧穿越活动断裂、冻土冻害、岩爆、突水...3900m3500m3400m3300m通天河雅砻江大渡河黄河290m500-1100m500-1100m170m2001年7月17日，广西南丹拉甲坡矿(锡矿)突水事故，死亡81人。地下工程突水灾害事故埋深>700m隔水层厚度30cm违规放炮作业事故原因：在-166米(深度700余m)的3号工作面实施爆破作业，致使隔水岩层击穿，发生透水。（1）机理在地应力作用下，岩体产生压缩变形→洞室开挖在岩体内形成自由面→洞壁围岩失去径向约束而向洞内产生收敛变形（单向回弹变形）→→因围岩发生收敛变形，使洞径、周长减小，即围岩在发生径向回弹变形的同时，切向压缩变形加剧→围岩切向压应力增大。所以，围岩应力重分布的实质是：

围岩由三向受力状态→平面受力状态（洞壁）→将径向应力加到切向应力上（但不等），轴向应力变化不大。

（2）重分布应力均质、连续、弹性、圆形断面围岩中的重分布应力：“弹性力学”G.吉尔西应力分布解：式中：r0为洞半径；

r为质点距洞心的距离；σv为垂向自重应力。第二节地下洞室围岩应力重分布讨论：①r=

r0时，即洞壁上：，，

；②λ=1，即很软、很深时，洞壁上：

，

，

；围岩内：，，；

③λ=0，即很硬时（刚体），洞壁上：

，

，

；围岩内复杂。（3）影响应力重分布的因素①洞室断面形态：应力集中的程度、部位、范围因洞形而异；②地应力水平（含方向）；③岩性：坚硬程度、变形模量；④岩体结构：结构面产状有很大影响：主应力的大小、方向及最不利部位；⑤时间：洞壁应力集中到大于弹性极限（屈服应力）后→产生屈服现象→向围岩深部迁移→形成3个应力分布区：塑性松动区→弹性压密区→天然应力区应力降低区→应力升高区→天然应力区。⑥衬砌刚度及支护时间。1、脆性破裂（1）表现形式：岩爆、板裂。（2）机理：单向受压、爆破裂隙、应力集中。（3）产生条件：1）岩性坚硬完整；2）高地应力；3）轴线垂直于σ1；4）钻爆施工。2、块体滑动与塌落（1）表现形式：滑动破坏。（2）机理：在重力和切向应力共同作用下产生。（3）产生条件：1）岩性坚硬，但发育2~3组软弱结构面，软、硬互层，倾斜地层；

2）地应力水平较高，或洞室规模较大；侧重结构面与临空面组合特征的研究。3、弯曲折断（1）表现形式：内鼓、折断破坏。（2）机理：层间结合力差，岩体呈迭板状，且软硬互层，抗弯能力较差。缓倾岩层：洞顶岩体在重力和切向应力作用下产生下沉弯曲、张裂、折断、塌落；陡倾岩层：边墙在切向应力和径向应力作用下，岩层向洞内发生鼓出、弯曲、折断、垮塌

(典型碧口水电站p198~199.图7-8.千枚岩、凝灰岩，倾角70°~80°）；倾斜岩层：拱角岩体在重力和切向应力作用下，向下、向临空方向下沉、张裂、塌落。（3）产生条件：1)中厚层、薄层软、硬互层状岩体；

2)劈理带；

3)裂隙密集带（一组特别发育）。第三节围岩的变形与破坏

美国LuckyFriday金属矿采场中发生的岩爆：

(埋深超过700m,震级3.6-4.2,发生于1988年10月18日)

冲击地压与岩爆

岩爆造成损害细部岩块嵌入水管表面电缆被高速抛出的岩块割断(实验结果表明：岩石弹射速度>50m/s)

巷道变形与破坏

4、松动垮塌（1）表现形式：塌方、冒顶、拱顶破裂。（例：小浪底F236、F238断层）（2）机理：破碎、松散岩体在重力、渗压、动荷载作用下产生塌落（3）产生条件：1)断层破碎带、裂隙密集带、槽状、囊状风化带、溶洞堆积物

2）多位于洞顶→边墙5、塑性变形与膨胀（1）表现形式：内鼓、缩径、局部挤出、剪切、滞后性。

如：青藏公路某隧道一个长240m的导洞，开挖断面3.0m×2.5m，半年后缩为1.5m×1.2m。（2）机理：塑性变形、膨胀、流变、蠕变。（3）产生条件：1）岩性软弱：形成年代新、胶结差；

2）膨胀岩：含蒙脱石等粘土矿物、硬石膏等→物理化学效应；

3）高围压.1、地质因素（1）地形地貌1）洞身：负地形←汇水或承载力不足2）进出口：上覆厚度→陡，明流段（2）地层岩性坚硬、半坚硬、岩浆岩、正变质岩、岩溶、不良矿物，块状岩体、层状岩体，三大岩类分别阐述（3）地质构造（重要因素）

1）褶皱：导致不均匀性，一定程度上反映岩体的完整性和连续性：两翼：层间错动、块体滑动、山压不对称；核部：破碎、背斜松散、向斜汇水。2）断裂：取决于规模、胶结程度、力学性质、组合形式；

导致掉块、塌方、超挖、突水、块体滑动；影响：弹性抗力、山岩压力。第四节影响地下洞室围岩稳定的因素及洞线选择（4）地质环境因素

1）地应力：大小、方向→控制围岩能否破坏和破坏形式；控制围岩的应力重分布、决定能否产生岩爆；构造应力具有很强的方向性：要求轴线平行σ12）高地温：可较高：西藏一口井水温204℃；日本黑部川第三发电站尾水洞，岩层温度达175℃影响施工、温度应力、指示地质异常

3）有害气体：CH4、CO2、CO、H2S危害：影响施工、磨蚀设备、瓦斯爆炸分布于：煤层、石油、硫化矿床、沥青。（5）地下水：突水，塌方、塌滑也与地下水有关。影响：①外水压力；②动水压力；③溶解、软化、泥化作用；④吸水膨胀；⑤机械潜蚀分布：断层破碎带、岩溶、裂隙化脆性岩体（6）风化2、施工因素：开挖方法、爆破方法、钻孔质量、爆破质量、支护方式等。3、洞室的形态和尺寸：圆形→椭圆形→城门洞形→方形→扁形。与荷载有关的参数：内水压力、山岩压力、外水压力；与强度有关的参数：弹性抗力、承载力。1、围岩压力（山岩压力、地层压力、岩石压力、地压）（1）定义：由围岩的变形与破坏产生的、作用于支护或衬砌上的压力。是作用于衬砌的主要荷载。（2）形成机理：按形成机制及表现形式可分为：变形山压：普遍存在；松动山压：局部存在；膨胀山压：特定环境下存在；冲击山压：特定环境下存在。分布及类型随时间可转换。1）变形山压：由于围岩的弹性回弹（开挖后即完成）和塑性变形（滞后性）所产生的山压。所以一般仅考虑塑性变形形成的山压。软岩、破碎岩体较突出，分布取决于λ2）松动压力：由于围岩的松动破坏（含松动垮塌、块体滑动、弯曲折断）所产生的山压。局部范围、大小取决于脱落体重量。3）膨胀压力：是围岩吸水膨胀（含蒙脱石及大量伊利石矿物）所产生的山压。4）冲击压力：由岩爆所产生的山压。高地应力地区，分布及大小难确定。第五节与衬砌及支护设计有关的几个参数（3）确定方法：非均布及偏压问题。方法很多、差异很大：考虑机理及岩体结构，建立不同的力学模型1）散粒体理论：①普氏压力拱理论：安全储备？②太沙基理论③修正的普氏理论2）弹塑性平衡理论：3）块体极限平衡理论：2、深埋隧洞外水压力（1）定义：是地下水作用在围岩和衬砌上的动、静水压力，是水工隧洞的基本荷载之一。可抵消内水压力的作用。但对于：无压隧洞和厂房外水压力过大可能会导致衬砌和围岩的破坏，采取排水方法削减水头。内水水头骤减时例：云南绿水河电站，D=2m，H=2.2cm的低合金钢管，在182m外水水头压力作用下，约100m长严重变形。（2）影响因素：大小及分布受控于水文地质条件，确定时侧重考虑：补、排水条件：尤其是负地形（如冲沟）汇水条件；不均匀和各向异性：岩体透水性、透水带（如断层破碎带）的分布；水头损失、水力折减。（3）确定方法1）半理论半经验方法：岩体和衬砌都是均质时，且渗流断面大小不变：式中：H0——内水压力，用水柱高度(m)表示；

HA、HB——A点与B点对MN面的位能与压力之和(m);

L1、L2——地下水渗径与衬砌厚度(m);

K1、K2——岩体和衬砌的渗透系数(m/d);半径为r的圆形隧洞：

2)折减系数法：（常用方法）β依据平硐编录资料由《水工隧洞设计规范》确定（书中P214、表7-5），3）实测法：渗压计4）类比法：3、围岩弹性抗力（1）围岩的抗力：是指在内水压力作用下围岩对衬砌的反力。（类似于地基承载力）（2）围岩弹性抗力：围岩仅发生弹性变形（考虑衬砌的允许变形，确保衬砌在内水压力作用下不发生破坏）时所产生的反力。以礼河电站内水压力的34%~56%由玄武岩围岩承担。（3）弹性抗力系数K：是指围岩在放射状压力作用下产生一个单位变形时，单位面积上所需要的压力。

y（cm），σMPa

是根据文克尔假定确立的，均质连续，各向同性，围岩厚度＞3D时，才能考虑其存在。

K=f（围岩性质、断面形状、尺寸、衬砌与围岩接触程度等）（4）单位弹性抗力系数：隧洞半径为100cm时的K：为设计隧洞的半径（5）影响K0的因素：1）压力的大小和岩体的强度特征

K0与压力呈负相关，但不完全呈线性关系：刘家峡云母石英片岩现场P215表7-6。2）受力方向与主要结构的关系：

K0平行>K0垂直：碧口绢云母千枚岩

K0平行/K0垂直=3~6

南水工程砂岩

K0平行/K0垂直=73）地应力状态内水压力<地应力：K0↑，云峰水电站引水洞（凝灰岩）埋深>内水水头时：K0↑

内水压力>地应力：K0↓（6）确定方法：1）现场试验直接测定法：给围岩施加已知压力，测围岩变形，按公式计算。常用方法：橡皮囊法，径向千斤顶法，水压法。《岩石力学》已讲。优缺点：2）间接测量计算法原理：均匀连续；非均匀、不连续，洞壁形成半径为R0的环形开裂区；

开裂区的变形模量降低。R0可实测，经验：

E1、E2分别为未开裂区和开裂区围岩的弹模。即利用K~E、μ的关系，通过测E、μ（静力法或动力法），换算K。当E、μ采用室内试验成果时，需乘修正系数A=f(岩体完整性）：3）工程类比法：考虑风化程度、岩体完整性（第一版，P214,表7-6）。4、高压隧洞围岩承载力在内水压力作用下，围岩中σθ可能为负（拉）。用覆盖比表示。

（1）覆盖比：指岩层覆盖厚度与内水压力水头之比。（2）确定方法：很多。1）岩体上抬理论①假定：a.松散介质；

b.承载力完全由覆盖厚度决定，不考虑构造应力；

c.不考虑洞径及形状。②原则：取单宽:上抬压力（p1·D)<岩柱重量（γ·H·D)③最小覆盖厚度H：p·D≤γ·H·D→H≥p/γ

缺点：没考虑岩石的强度因素，太偏保守

云南以礼河电站支洞：上覆45m厚的破碎玄武岩，内水水头629m，围岩未见松动，开裂。④考虑抗剪强度修正：

B为开挖（毛洞）跨度（m）；

D为衬砌后的跨度（m）；K为安全系数，取1.5；

C为凝聚力（kPa）；γ为岩体重度（kN/m3）。

2）岩石拉力理论①假定：a.连续弹性介质；

b.考虑地应力；

c.考虑应力重分布；

d.侧重洞壁抗拉。②洞周切向应力：P217,式7-31（由P193，式7-1中令r=a得出）。

注意：书中式7-31有误：

改为：由式7-31确定的为压应力。③洞顶切向应力：式7-32（由式7-31，令θ=90°得出）

④洞腰切向应力：式7-33（由式7-31，令θ=0°或θ=180°得出）式7-34的导出？（先作为作业）式7-34的导出：假定：λ=1，破裂区厚度x（x/r→很小），破裂区外缘的重分布应力仍为2γH（即应力重分布区向围岩深处迁移）。在内水压力P1作用下，对于深埋洞室（具有圆孔的无限大薄板）洞壁附近：

（见《弹性力学》上册P87）由P193式7-1，令λ=1，则围岩中距轴线为r(r=a+x)的点σθ为：

围岩中：3）地质分析法岩体结构：坚固完整岩体裂隙较发育岩体软弱和破碎岩体覆盖比：0.2~0.250.3~0.40.5~0.7因上覆岩体厚度太薄而发生拉裂破坏的例子：下马岭水电站：长207m，D=5.4~4.2m，H=20m，弱风化玢岩，断裂较发育：

fb取4~6，K0取3500~8500MPa/m，隧洞上段136.6m，按84m水头考虑，采用混凝土衬砌，下部段75.7m，按107m水头考虑，采用8mm钢板衬砌。运行第3天，地面集中喷水，出现3条裂缝，宽约1cm。问题：2种衬砌交接处，围岩中2条长32m，1cm宽的大裂缝及若干小裂缝：衬砌设计错用了K0。实质是工程地质类比法，几百种，7大类：①单一指标：fk、Rc②一个综合指标：RQD、山压、Vp③少量指标并列：铁道部门的分类方法④多个指标并列：原水电部门的分类方法⑤多个指标复合：多个指标乘除：巴顿分类（Q分类）、多个指标加减：RMR分类⑥岩体力学属性：⑦膨胀岩类：第六节围岩分类分类目的：①系统地认识围岩的工程特性；②是揭示具有复杂结构面性状的围岩变形失稳机制的基础研究工作；③确定设计参数；④确定支护类型、支护时机。分类方法：①单指标分类：如据fk的分类（按强度或力学属性分类）②多指标分类：BQ分类(Rc及完整性）③围岩质量分类：如，Q分类、RMR分类等。具体见书P228-2301.隧洞施工的工程地质问题：

围岩变性破坏：塌方，岩爆

地下涌水和突泥

有害气体的冒出

高温。。。第七节围岩施工的工程地质问题及措施2.围岩加固措施：1）支撑：木支撑、钢支撑及混凝土预制构件支撑（临时性结构）2）衬砌：有单层混凝土、钢筋混凝土及浆砌条石；双层

有联合衬砌—内环用钢筋混凝土或钢板，外环用混凝土

厚度：坚硬类岩石（20-30cm），中等坚硬（40-50cm）

软弱岩石（50-150cm）2.围岩加固措施：3）支护：喷锚支护能使混凝土喷层与围岩连续紧密地贴紧，能及时有效

控制和调整围岩应力的重分布

喷混凝土支护：高速（100m/s）；厚度（5-20cm）

锚固：楔缝式金属锚杆，钢丝绳砂浆锚杆，普通砂浆金属锚杆，预应

力锚杆及木锚杆4）固结灌浆：水泥灌浆、沥青灌浆、水玻璃灌浆及冻结法3.合理施工：导洞分部开挖：适于断面较大而岩体又不太稳定导洞全面开挖：适于围岩较稳定全断面开挖：适于围岩稳定4.新奥法、TBM和盾构法1）新奥法：

NewAustrianTunnelingMethod（NATM）奥地利人L.v.Rabcewicz根据本国多年隧道施工经验总结出的一种施工法。既适用于坚硬岩石，也适于软弱岩石，特别适于破碎、变质、易变形的施工困难段。特点是采用光面爆破；以锚喷作一次支护，必要时加钢拱支架；根据围岩地压及变形实测数据，再合理进行二次支护；对软岩强调封底。三大支柱：喷射混凝土、锚杆和现场测量新奥法施工顺序4.新奥法、TBM和盾构法2）TBM：隧道掘进机（TunnelBoringMachine）利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械；相对于目前常用的方法，TBM集钻、掘进、支护于一体，使用电子、信息、遥测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态。在国际上，现已广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等工程中测量4.新奥法、TBM和盾构法2）TBM：隧道掘进机（TunnelBoringMachine）利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械；相对于目前常用的方法，TBM集钻、掘进、支护于一体，使用电子、信息、遥测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态。在国际上，现已广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等工程中测量4.新奥法、TBM和盾构法3）盾构法：ShieldMethod是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法（施工概貌）优点1、安全开挖和衬砌，掘进速度快；

2、盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。3、不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；4、穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动；5、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。缺点1、断面尺寸多变的区段适应能力差；2、新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济。盾构法施工概貌4.新奥法、TBM和盾构法3）盾构法：ShieldMethod是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法（施工概貌）优点1、安全开挖和衬砌，掘进速度快；

2、盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。3、不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；4、穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动；5、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。缺点1、断面尺寸多变的区段适应能力差；2、新型盾构购置费昂贵，对施工区段短的工程不太经济。RockMassClassificationsRockQualityDesignation(RQD)RockMassRatingSystem(RMR)RockTunnellingQualityIndex(Q)ClassQualitativedescriptionBQValueIHardrock,intact>550IIHardrock,relativelyintact;

Relativelyhardrock,intact550~451IIIHardrock,relativelyfractured;

Relativelyhardorinterlayeredofhardandweakrock,relatively

intact;

Relativelyweakrock,intact450~351IVHardrock,fractured;

Relativelyhardrock,fractured-relativelyfractured;

Relativelyweakrock,orinterlayeredofweakandhardrockwithdominantweakrock,relativelyintactorrelativelyfractured;

Weakrock,intactorrelativelyintact350~251VRelativelyweakrock,fractured;

Weakrock,fractured-relativelyfractured;

Extremelyweakrock,extremelyfractured<250NationalStandardforEngineeringClassificationofRockMasses(GB50218-94)

Table1 Basicquality(BQ)ofrockmass

BQ=90+3Rc+250Kv

where Rc=uniaxialcompressivestrength(MPa) Kv=intactnessindexofrockmassTable2 ClassificationbasedonuniaxialcompressivestrengthRc

Rc(MPa)>6060~3030~1515~5<5DescriptionHardrockRelativelyhardrockRelativelyweakrockWeakrockExtremelyweakrock

Table4 IntactnessFactorKvasafunctionofJointIndexJv

Jv(numberofjoints/m3)<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15

Kv=

Vpm=in-situvelocityoflongitudinalelasticwave(km/s)

Vpr =velocityoflongitudinalelasticwaveinintactrock(km/s)

Forengineeringclassification,use[BQ]amendedforgroundwater,jointorientationandin-situstressconditions:

[BQ]=BQ–100(K1+K2+K3)

where BQ=basicquality

K1=correctionfactorforgroundwater

K2=correctionfactorfororientationofplanesofweakness

K3=correctionfactorforin-situstressconditions

Table5 K1values-Correctionfactorforgroundwaterconditions

>450450~351350~251<250Wetordrops00.10.2~0.30.4~0.6ShowerorflowP<0.1MPaQ<10L/min.m0.10.2~0.30.4~0.60.7~0.9ShowerorflowP<0.1MPaQ<10L/min.m0.21.0BQK1Groundwaterinflow

Table6 K2values-Correctionfactorfororientationofplanesofweakness

Relationofstructureplanetotunnelaxis<30o

=30o~75o>30o

>75oOthercombinationsK20.4~0.60~0.20.2~0.4

* -anglebetweenstrikeofstructureplaneandtunnelaxis; -dippingangleofstructureplaneTable7 K3values-Correctionfactorforin-situstressconditions

>550550~351450~351350~251<250Extremelyhighstress1.01.01.0~1.51.0~1.51.0Highstress0.50.50.50.5~1.00.5~1.0BQK3InitialstressstateTechnicalSpecificationsforWaterResourcesandHydropowerProjectsRockMassRatingforTunnellingProjects

RockclassRockstabilityHostrockratingStrength/

StressSSupporttypeIStable,longterm

stability,generallynounstableblock100~85>4Nosupportorlocallybolting,orthinshotcretingincaseoflargespansystematicshotcrete,boltandmeshIIBasicallystable,noplasticitydeformation85~65>4;

ifS<4,

gotoIIIIIIPoorstability,locallyplasticitydeformation,orcollapse65~45>2;

ifS<2,

gotoIVSystematicshotcrete,boltandmeshifspan=20~25m,concreteliningisneededIVUnstable,shortself-standingtime,largescalecollapse45~25>2;

ifS<2,

gotoVSystematicshotcrete,boltandmesh,andconcreteliningVExtremelyunstable,severecollapse<25Nolimits

Hostrockrating(HRR)=A+B+C+D+E(somewhatsimilartoBieniawski’sRMR)Ratingonrockstrength(A)

TypeofrockmaterialHardrockWeakrockHardrockModeratelyhardrockRelativelyweakrockWeakrockUniaxialstrengthofsaturatedrock(MPa)100~6060~3030~1515~5Rating(A)Hardrock30~2020~10

Weakrock

10~55~0

* Foruniaxialstrengthc>100MPa,rockmassratingis30.

Ratingonrockintactness(B)

IntactnessIntactRelativelyintactPoorintactnessRelativelyfracturedFracturedIntactnessfactorKv1.0~0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15Rating(B)Hardrock40~3030~2222~1414~6<6Weakrock25~1919~1414~99~4<4Ratingonstateofstructureplanes(C)

Aperture(mm)FillingRoughness,evennessHardrockRelativelyweakrockWeakrockClosed<0.5

Undulating,rough272718Planar,smooth212114Slightopen0.5~5.0NofillingUndulating,rough242417Undulating,smooth,orplanar,rough212114Planar,smooth15158SlacksUndulating,rough212114Undulating,smooth,orplanar,rough171711Planar,smooth12128MudUndulating,rough151510Undulating,smooth,orplanar,rough12128Open>5.0Planar,smooth996Slacks

12128Mud

664

*Foralengthofstructureplanewhichislessthan3m,inhardrockandrelativelyweakrock,ratingwouldincreaseby3;forweakrock,ratingwouldincreaseby2.Forlength>10m,decreaseratingby3and2respectivelyforhardrockandrelativelyweakrock.Ifaperture>10m,withoutfilling,ratingis0.Ratingongroundwatercondition(D)

Basicrating

(A+B+C)StateWet,DropsLinearFlowFlowQuantityofflow

(L/min.m)<25

or

<1025-125

or

10-100>125

or

>100Waterhead

(m)100-85RatingonGroundwaterConditions(D)00-2~-685-650~-20~-2-6~-1065-45-2~-6-2~-6-10~-1445~25-6~-10-10~-14-14~-18<25-10~-14-14~-18-18~-20

Ratingonorientationofstructureplanes(E)

Anglebetweenstrikeofstructureplaneandtunnelaxis(o)90o~60o60o~30o<30oDippingangle(o)>7075~4545~20<20>7075~4545~20<20>7070~4545~20<20Rating(E)Crown0-2-5-10-2-5-10-12-5-10-12-12Wall-2-5-20-5-10-20-10-12-50FactorBasisforRatingRatingASaturatedCompressiveStrength(MPa)>100100-6060-3030-1515-5RatingforA>3030-2020-1010-55-0BIntactnessCoefficient1.0-0.750.75-0.550.55-0.350.35-0.15<0.15RatingforBc>30MPa40-3030-2222-1414-5<6c<30MPa25-1919-1414-99-4<4C1StructuralsurfaceconditionDegreeofopennessClosed<0.5mmSlightlyopen,0.5–5.0mmOpen>5mmInfillingsNilRockfragmentsClayFragmentedClayPolishnessofsurfaceFlat,polishedtocurved,roughRatingforC1c>60MPa27-2124-1521-1215-912-6c60-30MPa27-2124-1521-1215-912-6c<30MPa18-1417-814-810-68-4C2Lengthofstructuralsurface<3m3-10m>10mRatingforC2c>60MPa+30-3c<60MPa+20-2DA+B+C1+C2Rating100-8585-6564-4545-25<25RatingforDSeeping,dripping00-2-2-6-6-10-10-14Linearflow0-2-2-6-6-10-10-14-14-18Gushofwater-2-6-6-10-10-14-14-18-18-20EAnglebetweentunnelalignmentandstructuralorientation(strike)90o-60o60o-30o<30oDipofstructuralorientation>70o70o-45o45o-

20o<20o>70o70o-45o45o-20o<20o>70o70o-45o45o-20o<20oRatingforERoof0-2-5-102-5-10-12-5-10-12-12Sidewall-2-5-20-5-10-20-10-12-50HostRockRating(HRR)Recommendedrockparameters

ClassGravitydensity(kN/m3)Frictionangle(o)CohesionC(MPa)DeformationmoduleE(MPa)PoissonratioI>26.5>60>2.1>33<0.2II60~502.1~1.533~200.2~0.25III26.5~24.550~391.5~0.720~60.25~0.3IV24.5~22.539~270.7~0.26~1.30.3~0.35V<22.5<27<0.2<1.3>0.35Recommendedrockstrengthparameters

ClassConcrete-rockcontactRockmassDeformationmodulusfc(MPa)fc(MPa)E0X104(MPa)I1.5~1.31.5~1.31.6~1.42.5~2.0>2.0II1.3~1.11.3~1.11.4~1.22.0~1.52.0~1.0III1.1~0.91.1~0.71.2~0.81.5~0.71.0~0.5IV0.9~0.70.7~0.30.8~0.550.7~0.30.5~0.2V0.7~0.40.3~0.050.55~0.400.3~0.050.2~0.02

* f,c-ShearstrengthDesignApplicationsofHRRRockTypeRockMassStabilityHostRockRating(HRR)StrengthvsStressRatio(S)RockPropertiesSupportRequirementsfC(MPa)E(x104MPa)IStable,withlong-termstability;nounstableblocksingeneral100-851.6-1.42.5-2.0>2.0Unsupportedorlocalizedbolts/shotcreteorthinshotcrete;addwiremeshfortunnelswithlargespanIIEssentiallystable,withoverallstability;noplasticdeformation;localizedrockfall85-65DowngradetoIIIforS<41.4-1.22.0-1.52.0-1.0IIIPoorstability;localizedplasticdeformation,cave-inifunsupported;temporarilystableinintact,relativelysoftrock65-45DowngradetoIVforS<21.2-0.81.5-0.71.0-0.5Boltsandshotcrete,withwiremesh;concreteliningfortunnelspanof20-25mIVUnstable;veryshortstanduptime;relativelylargedeformation/failuremayoccur45-25DowngradetoVforS<10.8-0.550.7-0.30.5-0.2Boltsandshotcrete,withre-barmeshandconcreteliningVVeryunstable,couldnotstandup;severedeformation/failure<250.55-0.400.3-0.050.2-0.02GB-J86-85(Revised)

SUPPORTPARAMETERS(NationalStandardforDesignofBolt-shotcreteSupport)

Span(m)RockClassB<5m5<B<1010<B<2015<B<2020<B<25mINosupportShotcrete

50mm(1)Shotcrete80-100mm

(2)Shotcrete50mm

bolt2.0-2.5mShotcreteShotcrete120-150mm

withmeshbolt3.0-4.0mIIShotcrete

50mm(1)Shotcrete80-100mm

(2)Shotcrete50mm

bolt1.5-2m(1)Shotcrete120-150mmmesh,ifnecessary

(2)Shotcrete80-120mm

bolt2-3mmesh,ifnecessaryShotcrete120-150mm

meshbolt2.5-3.0mShotcrete150-200mm

meshbolt3-4mIII(1)Shotcrete80-100mm

(2)Shotcrete50mm

bolt1.5-2m(1)Shotcrete120-150mmmesh,ifnecessary

(2)Shotcrete80-120mm

bolt2-3mmesh,ifnecessaryShotcrete100-150mm

meshbolt2.0-3.0mShotcrete150-200mm

meshbolt3-4m

IVShotcrete80-100mm

bolt1.5-2.0mShotcrete100-200mm

meshbolt2.0-2.5mbottomarchifnecessaryShotcrete150-200mm

meshbolt2.5-3.0mbottomarchifnecessary

VShotcrete120-150mm

meshbolt1.5-2.0mbottomarchifnecessaryShotcrete150-200mm

meshbolt2.0-3.0mbottomframe,ifnecessary

GB-J86-85(Revised)ComparisonofRockMassClassificationSystems

SystemRange#ofClassesMainFactorsQ0.01-10009RQD;Jn(jointsetnumber),Jr(jointroughnessnumber),Ja(jointalterationnumber);StressreductionfactorSRFRMR0-1005Rockstrength;RQD;Spacing,conditionsandorientationofjoints;GroundwaterHRR0-1005Rockstrength;Intactness;ConditionsandOrientationofWeaknessPlanes;Groundwater;InitialStressesBQ<250-

>5005Rockstrength;Intactness;Groundwater;OrientationofWeaknessPlanes;InitialStressesImportantFactorsthatarecommonamongthevarioussystems

1.

Rockstrength

2.

Intactness

3.

Conditionofplanesofweakness

4.

Groundwater

5.

Orientationofdiscontinuities

6.

Initialstresses

SupportsystemsforundergroundexcavationsinChina

RockClass

Span(m)

Shotcrete

SteelMesh

Bolt

ConcreteLiningTotalNumberofProjects

Thickness(cm)Diameters(mm)Spacing(m)Diameter(mm)Length(m)Spacing(m)Thickness(cm)NumberofWorks

I5-103-15nono18-221.2-3.0Randomno

910-153-206-120.25-1.518-221.5-3.51.0-1.5no

915-2010-20nono20-221.0-3.01.0-1.5no

3II5-105-156-100.2-1.316-201.2-2.11.0-1.2no21010-154-206-180.2-1.318-221.5-3.50.8-1.530-50

1315-208-168-120.2-1.316-322.0-4.01.2-1.5no

10III5-105-206-100.2-1.018-221.6-3.01.0-1.5wall11210-155-205-120.2-1.016-241.5-3.51.0-1.5

1115-2010-166-120.2-0.816-302.0-4.00.8-1.2

8IV5-1015-206-140.2-0.2518-221.8-4.00.75-1.254041010-155-206-120.2-0.316-222.5-4.00.8-1.25502515-202010-190.25222.01.2

1V5-1010-158-140.2-0.2516-221.5-3.60.8-1.2402

4710-1518-206-120.2-0.320-222.5-3.50.8-1.060

4ThreeGorgesProject

Amended[BQ]ValuesforGranite

Maximum [BQ]max=630

Minimum [BQ]min=500

Average [BQ]mean=565

ClassI-toII+GuangzhouPumpedStorageProject

Location:northofGuangzhou,Guangdo