隧道工程地质环境围岩分级与围岩压力讲义著名教授

隧道工程复习与回顾隧道结构构造主体构造物附属构造物洞身衬砌洞门构造物洞身衬砌洞身衬砌的平、纵、横断面的形状由隧道的几何设计确定

衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定明洞通风照明排水、消防、通讯等隧道工程的地质环境1隧道工程地质环境的相关概念2隧道围岩的工程性质4隧道围岩分级5初始应力场及围岩压力3围岩的稳定性内容隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念1主要相关概念地下结构支护结构周边围岩地层围岩稳定性隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念地上结构地下结构地下结构与地上结构的对比约束约束位于岩土体以上位于岩土体以内隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念地下结构与地上结构的对比隧道是一种结构体系隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念隧道是一种地下结构体系隧道是地下工程的一种主要形式地下结构支护结构周边围岩地层是地下结构承载的主体用于约束地层限制变形和坍塌地层是地下结构荷载的主要来源地层起主导作用围岩压力地下水压力地质勘探、地形线路勘测、地质预报、施工重要理念围岩对支护结构有嵌固作用隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念是地层的一部分，是隧道开挖后对其稳定性产生影响那部分岩(土)体。或隧道开挖影响的那部分岩体。在隧道开挖和支护过程中，围岩将产生应力重分布，其性质也发生变化。围岩的边界：开挖引起的应力变化可以忽略不计的地方。围岩围岩是直接影响隧道稳定性的因素，围岩的好坏直接影响隧道的设计施工及造价。约为6~10倍隧道直径说明：围岩既指岩体也指土体围岩相关内容围岩工程性质围岩初始应力围岩压力围岩分级围岩稳定性岩体构造物理、力学特征地层、围岩与隧道的关系地层隧道围岩(6-10)DD隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质2隧道围岩的工程性质围岩的工程性质岩体的变形特性岩体的强度岩体结构分类隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质围岩的工程性质物理性质水理性质力学性质断层面、层理面、、节理面、裂隙面面等结构面结构体岩体岩体概念被结构面切割的块块体由结构面和结构体体组成的具有结构构特征的地质体岩体力学性质取决决于岩体结构特征征和结构面特性地下水对岩体力学学性质影响很大！！岩体性质容重、节理产状等等溶水性、透水性和和持水性等抗拉、抗压、抗剪剪强度等对围岩稳定性影响响最大的是力学性质！围岩抵抗变形和破破坏的性质*了解岩体的工程程性质,有助于理理解隧道围岩稳定定性隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质层理面断层面节理面断层带中软弱夹层层隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质自然界中的岩体隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质自然界中的岩体隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质岩体与岩石围岩的工程性质岩石：均质、连续、各向同性岩体：具有明显的非均质、不连续、各向异性岩体力学性质获取取现场试验：真实、费时、费钱室内试验：不易取样、代表性差隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质岩体的变形特性1.岩体的变形特特性：2.受压变形问题：岩体能受拉拉吗？受拉、受压、剪切切、流变岩石：线性、弹性性岩体：弹塑性体、、四个阶段软弱结构面：非线线性、塑性岩体既不是简单的的弹性体，也不是是纯粹的塑性体完整性好，接近弹弹性体而是复杂的弹塑性性体破裂和松散，接近近塑性体有限，一般不考虑虑隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质典型岩体全应力应应变曲线岩体：①压密阶段(OA)②弹性阶段(AB)③塑性阶段(BC)④破裂和破坏阶段段(CD)esABC岩体岩石软弱结构面0峰值强度高软弱结构面隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质3.剪切变形岩体的变形特性沿结构面滑动结构面起主导作用用沿岩石断裂岩石起主导作用在结构面的影响下下沿岩石剪断介于上述二者之间间隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质4.流变特性流变：岩体的变形或应力力随时间而变化－－时间效应岩体的变形特性蠕变：指应力不变，而而应变随时间增长长松弛：应变不变，而应应力随时间而衰减减问题：围岩流变特性对对隧道的影响？应变应力tt00应变=常数应力=常数蠕变曲线松弛曲线隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质岩体的强度1.岩石强度：通过试件获得2.岩体强度：低于岩石强度，约约为岩石强度的70～80％。抗剪强度：受结构面的制约结构面发育的岩体体，只有抗压的5~10%抗压强度：岩石：受微裂隙制制约，强度大岩体：受结构面制制约，强度小，具具有各向异性岩体结构分类岩体的结构不同块度、形状、、产状的结构体构构成不同类型整体结构、块状结结构层状结构、板状结结构碎裂结构、镶嵌结结构、层状碎裂结结构散体结构隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质岩石试验隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性研究围岩稳定性的的意义3围岩的稳定性性影响围岩稳定性的的因素围岩失稳破坏性态态隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性答：研究围岩的稳定性性，如何促使围岩岩稳定!研究围岩稳定性的的意义围岩的稳定性：隧道开挖后，在不不支护条件下围岩岩的稳定程度问题：什么是隧道工程程的头等大事？围岩级别的工程应应用：判断围岩稳定性判断施工难易程度度，投资依据结构分析计算的依依据隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的的因素两大类：地质因素—客观因因素人为因素－主观因因素、工程因素⑴岩体结构特征⑵结构面性质和空间的组合⑶岩石的力学性质⑷地下水的影响⑸围岩的初始应力状态⑴隧道尺寸⑵支护结构性质：强、弱⑶隧道开挖方法隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的的因素●破碎程度：裂隙率、裂隙间间距。裂隙是广义的：包括层理、节理理、断裂及夹层等等结构面。●完整状态：整块状、大块状状等。⑴岩体结构特征指岩体的破碎程度度或完整状态。按这2个指标：围岩岩体整体块d>1.0cm

大块体

d=0.4-1.0cm

块石状d=0.2-0.4cm碎石块

d<0.2cm土石块松散状松软状土体归入土类d为裂缝间距1.地质因素隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性岩体的破碎程度或或完整状态。隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的的因素●性质1)结构面的成成因；2)结构面的光光滑程度；3)结构面的物物质组成；4)结构面的规规模；5)结构面的密密集度。●空间组合指结构面的相互位位置状态。⑵结构面性质和和空间组合问题：软弱结构面有怎怎样的害处？什么么是不利空间组合合？隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性充分认识岩体的复复杂性及危害性!隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的的因素节理较发育张家界图隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的的因素主要指岩石的单轴轴饱和极限抗压强强度Rb。岩石强度越高，隧隧道越稳定。⑶岩石的力学性性质初始应力是隧道围围岩变形、破坏的的根本作用力。已初步将初始应力力考虑进围岩分级级之中。在高的初始应力场场条件下，围岩级级别应适当降低。。(4)围岩的初初应力状态软化围岩；减少层间摩阻力促促使岩块滑动；具膨胀性的围岩，，遇水后产生膨胀胀等。⑸地下水的影响响隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的的因素2.人为因素1)坑道尺寸和形形状尺寸：跨度越大，，围岩稳定性越差差形状：圆形或椭圆圆形围岩以压应力力为主，利于围岩岩稳定性矩形或梯形，顶板板处的围岩出现拉拉应力，不利于围围岩稳定性2)支护结构类型型强支护：在软弱、松散围岩岩条件下利于围岩岩稳定性；在膨胀性（挤压性性）围岩条件下支支护受力较大；弱支护：在软弱、松散围岩岩条件下不利于围围岩稳定性；在膨胀性（挤压性性）围岩条件下利利于释放变形，减减轻支护受力3)开挖方法普通爆破法、控制制爆破法、盾构及及掘进机法、全断断面一次开挖、小小断面分部开挖等等对围岩稳定性有有不同的影响⑴隧道形状和尺尺寸⑵支护结构类型型⑶施工方法隧道工程的地质环环境---3围岩的稳定性隧道围岩失稳破坏坏形态1)脆性断裂整体状、块状岩体体、岩性坚硬，局局部掉块、“岩爆爆”2)块状运动块状或层状岩体、、块体向临空面运运动（趋势）3)弯曲折断破坏坏洞顶层状岩体、下下沉弯曲－断裂；；变墙侧向鼓出弯曲曲变形－折断4)松动解脱碎裂结构岩体、在在各种作用下松动动、溃散－脱落5)塑性变形和剪剪切破坏碎裂岩体、在较多多软弱结构面下，，产生塑性变形和和剪切破坏表现：塌方、边墙墙挤入、底鼓、洞洞径缩小等，膨胀胀性围岩表现隧道工程的地质环环境---4初始应力场与围围岩压力隧道围岩失稳破坏坏形态隧道工程的地质环环境---4初始应力场与围围岩压力隧道围岩失稳破坏坏形态隧道工程的地质环环境---2围岩的工程性质质岩体的结构性导致致的破坏隧道工程的地质环环境---4隧道围岩分级概述4隧道围岩分级级隧道围岩分级方法法我国现行的隧道围围岩分级围岩分级的概念工程目的发展过程围岩分级考虑的因素以岩石强度或岩石的物性指标为代表以岩体构造、岩性特征为代表与地质勘探手段相联系以多种因素进行组合铁路隧道公路隧道隧道工程的地质环环境---4隧道围岩分级隧道围岩分级概述述1.概念围岩分级：根据岩体的若干指指标（一个或几个个），按照稳定性性将围岩（无限岩岩体）分成不同的的级别（有限），，将稳定性相似的围岩岩划分为一级。2.工程目的：（1）结构设计依依据（2）施工方法依依据（3）工程造价依依据3.发展过程：综合物性分类法土石分类法单一因素分类法组合多因素分类法与地质勘探手段相联系的分类法早期～仅岩石强度度；现在～综合多种因因素，如岩体构造造、岩石强度、RQD指标等。开挖后稳定程度：：充分稳定基本稳定暂时稳定不稳定隧道工程的地质环环境---4隧道围岩分级4.围岩分级考虑虑的因素：隧道围岩分级方法法3个基本因素：①岩性：抗压强度、弹性性模量、弹性波速速等。②地质构造：岩体完整性或结结构状态。③地下水：地下水发育时，，围岩级别应降低低。1个附加因素：④初始地应力：适适当考虑。隧道工程的地质环环境---4隧道围岩分级（一）以岩石强度度或岩石的物性指指标为代表的分级级方法隧道围岩分级方法法1.以岩石强度为基础的分级法代表：土石分类法法～坚石、次坚石石、松石、土2.以岩石物性指标为为基础的分级法代表：岩石坚固性性系数(f值)分分级法～普氏法f值：一个综合的物物性指标值，如岩岩石的抗钻性、抗抗爆性、强度等但但核心还是岩石强强度。代表●泰沙基法～考虑围岩的完整整状态和岩性，共共9级。●我国交通隧道围岩分级级法～借鉴泰沙基法法，考虑岩体综合合物性，共6级。。（二）以岩体构造造、岩性特征为代代表的分级方法隧道工程的地质环环境---4隧道围岩分级●弹性波速分级法～波速是反映岩性性与岩体结构的一一项综合指标，波波速越高，围岩越越好。波速Kv>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15完整性完整较完整破碎较破碎极破碎（三）与地质勘探探手段相联系的分分级方法隧道围岩分级方法法●岩石质量指标～RQD指标也是是反映岩性与岩体体结构的一项综合合指标。RQD指标的具具体含义为岩芯复复原率:代表R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5R<0.25优良好差很差隧道工程的地质环环境---4隧道围岩分级隧道围岩分级方法法岩芯隧道工程的地质环环境---4隧道围岩分级组合了6个参数：岩石质量指标RQD节理组数目Jh节理粗糙度Jr（四）组合多种因因素的分级方法隧道围岩分级方法法●岩体质量分级法～巴顿等人提出的的“岩体质量—Q”分级法。表达达如下：代表节理蚀变值Ja节理含水折减系数数Jw应力折减系系数SRF。岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q400-1000100-40040-10010-404-101-40.1-10.01-0.10.001-0.01隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级我国现行的的隧道围岩岩分级（一）铁路路隧道围岩岩分级（1）历史史沿革●岩体综合分分类～60年代，成成昆线，五五类●隧道围岩分分类～74年版，首首部铁路隧隧道规范，，六类。●隧道围岩分分类～86年版，加加入围岩弹弹性波速指指标。●隧道围岩分分级～99年版，采采用国标分分级排序，，改称“围围岩分级””，六级。。●隧道围岩分分级～2001年年版，不变变。●隧道围岩分分级～2005年年版，不变变。隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级①岩石坚硬硬程度②围岩完整整状态基本分级修正基本分级基本分级修正基本分级最终分级（2）分级级的理论基基础我国现行的的隧道围岩岩分级（一）铁路路隧道围岩岩分级●以围岩的稳稳定性判断断为基础。属于“以岩岩体构造和和岩性特征征为代表””的分级方方法。●主要考虑4种因素：：③地下水④围岩初始始地应力隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级（3）基本本分级我国现行的的隧道围岩岩分级（一）铁路路隧道围岩岩分级依据：围岩岩主要工程地质条条件，由两条组组成：①岩石坚硬硬程度软硬岩分界界指标（抗抗压强度））：30MPaRb>30硬岩岩5<Rb≤30软软岩Rb<5极软软岩②围岩完整整程度指标1：结结构面发育育程度指标2：地地质构造影影响程度由此两指标标，将岩体体完整程度度分为5个个级别见下表：隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级完整程度(Ⅰ)结构面发育程度(Ⅱ)地质构造影响程度完整不发育轻微较完整较发育、不发育较重、轻微较破碎发育、较发育严重破碎极发育、发育极严重、严重极破碎极发育极严重岩体完整程程度的划分分隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级等级地质构造作用特征节理不发育节理（裂隙）1-2组，规则，为原生型或构造型，多数的间距在1.0m以上，为密闭型。岩体被切割成块状节理较发育节理（裂隙）2-3组，呈x型，较规则，以构造型为主，多数的间距大于0.4m，多为密闭。部分微张开，少有填充物。岩体被切割成大块状节理发育节理（裂隙）3组以上，不规则，呈x型或米字型，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.4m，大部分微张开，部分张开，大部分为粘性土填充。岩体被切割成块、碎石状节理很发育节理（裂隙）3组以上，杂乱，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.2m，微张开或张开，部分为粘土充填。岩体被切割成碎石状(Ⅰ)围岩岩结构面发发育程度划划分隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级等级地质构造作用特征轻微围岩地质构造变动小，无断裂（层）；层状岩体一般呈单斜构造；节理不发育较重围岩地质构造变动较大；位于断裂（层）或褶曲轴的邻近地段；可有小断层，节理较发育严重围岩地质构造变动较强烈，位于褶曲轴部或断裂影响带内；软岩多见扭曲及拖拉现象；节理发育很严重位于断裂（层）破碎带内；节理很发育；岩体呈碎石、角砾状，有的呈粉末泥土状(Ⅱ)围岩岩受地质构构造影响程程度等级划划分隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级我国现行的的隧道围岩岩分级（一）铁路路隧道围岩岩分级（6）修修正分级地下水修正正下水的3种种处理方法：①分级时按按无水考虑虑，而是根根据地下水水的状态，，适当降低低围岩等级级(1～2级)；②分级时按按有水考虑虑，当确认认围岩无水水则提高围围岩等级；；③直接将地地下水状况况(水质、、水量、流流通条件、、静水压力力等)作为为一个分级级指标。（4）铁路隧道围围岩分级表表基本分级+围岩弹性性纵波速=铁路路隧道围岩岩分级表◆给出了单单线隧道围围岩开挖后后的稳定状状态。◆尚未考虑虑地下水和和地应力。。（5）特特点地下水修正正地应力修正正隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级地下水状态态的分级表表级别状态渗水量[L/(min·10m)]Ⅰ干燥或湿润<10Ⅱ偶有渗水10~25Ⅲ经常渗水25~125

围岩基本分级地下水状态分级ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ—ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ—ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ—铁路隧道分分级按第1种方法处处理：地下水影响响的修正我国现行的的隧道围岩岩分级（一）铁路路隧道围岩岩分级隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级初始地应力状态主要现象评估基准（Rc/σmax）极高应力1.硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差<42.软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞高应力1.硬质岩:开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂纹较多，成洞性较差4-72.软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移极显著，持续时间长，成洞性差初始地应力力（6）修修正分级我国现行的的隧道围岩岩分级（一）铁路路隧道围岩岩分级隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级ⅡⅡⅡⅠⅠⅠⅢⅢ或ⅣⅢⅣ或ⅤⅤⅣⅥⅥⅤ高应力极高应力围岩基本分级修正级别初始地应力状态初始地应力力影响的修修正（6）修修正分级我国现行的的隧道围岩岩分级（一）铁路路隧道围岩岩分级隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级我国现行的的隧道围岩岩分级（一）铁路路隧道围岩岩分级（6）修修正分级两点说明：：设计阶段：采用修正正后的围岩岩分级。施工阶段：根据实际际情况，进进一步判定定围岩分级级，依据仍仍然是：岩石坚硬程程度围岩完整状状态地下水初始地应力力隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级围岩级别岩体特征土体特征围岩弹性纵波速度(km/s)Ⅰ极硬岩，岩体完整-＞4.5Ⅱ极硬岩，岩体较完整；硬岩，岩体完整-3.5～4.5Ⅲ极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较完整较软岩，岩体完整-2.5～4.0Ⅳ极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的碎(卵)石土、大块石土，黄土(Q1、Q2)1.5～3.0Ⅴ软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩(包括受构造影响严重的破碎带)一般第四系坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍湿、潮湿的碎(卵)石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土(Q3、Q4)1.0～2.0Ⅵ受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状粘性土、饱和的粉土、砂类土等＜1.0(饱和状态的土＜1.5)铁路隧道围围岩基本分分级隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级我国现行的的隧道围岩岩分级（二）公路路隧道围岩岩分级⑴初步分级级～相当于于铁路的基基本分级推出围岩基本质质量指标BQ=90+3Rc+250Kv依据：围岩主要要定性特征征该特征由两两个基本因因素组成：：●岩石坚硬程程度Rc(即强度)●岩体完整性性Kv(即即弹性波速速)⑵详细分级级～相当于于铁路的修修正分级修正BQ值值：当有以下下3方面影影响时，应应予修正：：①地下水K1②软弱结构构面(比铁铁路多此条条)K2③高初始地地应力K3[BQ]=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3)K1～K3各值可查查公路隧道规规范附录A.0.2-1～A.0.2-3公路围岩分分级表：指指标：①围岩主要要定性特征征②BQ值，，或[BQ]值(当当需要修正正时)隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级我国现行的的隧道围岩岩分级（二）公路路隧道围岩岩分级隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级公路隧道围围岩分类级别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态主要工程地质条件结构特征和完整状态V1硬质岩石(饱和抗压极限强度Rb＞60MPa)，受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面(或夹层)；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构围岩稳定、无坍塌，可能产少岩爆V硬质岩石(Rb＞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，顶板易塌落软质岩石(Rb≈30MPa)，受地质构造影响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构IV硬质岩石(Rb＞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；或为硬、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，则壁基本稳定，爆破振动过大易塌软质岩石(Rb＝5以上~30MPu)，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III硬质岩石(Rb(＞30MPa)，受地质构造影响很严重，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((Rb＝5以上～3．0助Pa)，受地质构造影响严重，节理发育呈块(石)碎(石)状镶嵌结构1．略具压密或成岩作用的粘性土及砂性土2．一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土3．黄土(Q1，Q2)1．呈大块状压密结构2．呈巨块状整体结构3．呈巨块状整体结构II石质图岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹土或土夹石状呈角(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)或坍至地表一般第四系的半干硬～硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土、圆砾、角砾土及黄土(Q3、Q4)非钻性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构I石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥松软体呈松软结构围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一齐涌出；浅埋时易坍至地表软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等粘性土呈易蠕动的松软结构砂性土呈潮湿松散结构隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级我国现行的的隧道围岩岩分级（二）公路路隧道围岩岩分级隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级我国现行的的隧道围岩岩分级（二）公路路隧道围岩岩分级隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级我国现行的的隧道围岩岩分级（二）公路路隧道围岩岩分级隧道工程的的地质环境境---4隧道围岩岩分级1.问题指标定性的的多、定量量的少。如如何做到准准确、方便便、好用？？2.研究⑴发展物探探手段，增增加定量指指标。⑵发展分析析理论模糊数学～～围岩分级级；隧道位移～～围岩分级级；人工智能专专家系统～～围岩分级级等。问题及研究究方向围岩分级实实例－烟台台西山隧道道5围岩的的初始应力力场及围岩岩压力围岩初始应应力场围岩压力组成自重应力场构造应力场影响因素隧道工程的的地质环境境---5初始应力力场与围岩岩压力围岩压力围岩压力分类围岩压力影响因素围岩松动压力明洞压力围岩压力量测公路隧道围岩压力围岩初始应应力场1.围岩初初始应力场场隧道开挖前前未扰动的的围岩应力力状态2.分类：：自重应力场场和构造应应力场埋深较浅的的隧道以自自重应力场场为主（埋埋深在500m以内内）自重应力构造应力地下水压力温度应力扩展隧道工程的的地质环境境---5初始应力力场与围岩岩压力(1)自重应力：：岩层自重引引起的应力力(2)构造应力：：构造残余应应力－过去去地质构造造运动形成成的地应力力；新构造应力力－现在地地质构造运运动形成的的地应力。。初始地应力力=自重应应力+构造造应力围岩初始应应力场3.自重应应力场假定：岩体体是均质连连续体又称：原岩岩应力状态态或一次应应力状态研究：地表以以下任一一深度h处单元体体的应力状态态地表以下下任一深深度h处单元体体的垂直直应力等等与其上上覆岩体体的重量量hσ1σ3σ2z垂直应力力水平应力力隧道工程程的地质质环境---5初始应应力场与与围岩压压力上覆岩体体为多层层时围岩初始始应力场场3.自重重应力场场应力是随随深度成成线性增增加**围岩岩自重应应力场的的变化规规律水平应力力总是小小于垂直直应力，，最多也也只能与与其相等等隧道工程程的地质质环境---5初始应应力场与与围岩压压力γ1、h1σ1σ3σ2zγ2、h2γ3、h3γ4、h4围岩初始始应力场场自重应力力场计算算示例隧道工程程的地质质环境---5初始应应力场与与围岩压压力计算某地地层深度度为35m处的的自重应应力。其其上至地地表地层层共三层层：γ1=18.0kN/m3γ2=18.5kN/m3γ3=19.2kN/m33051020围岩初始始应力场场4.围岩岩构造应应力场构造应力力场：构造体系系和构造造形式在在形成过过程中的的应力状状态特点：①地质质构造形形态不仅仅改变了了重力应应力场，，除以各各种构造造形态获获得释放放外，还还以各种种形式积积蓄在岩岩体内，，这种残余构造造应力将将对地下下工程产产生重大大影响。②垂直直应力随随深度增增加而增增大，而而且水平应力力普遍大大于垂直直应力。③水平平主应力力具有明明显的各向异性性。隧道工程程的地质质环境---5初始应应力场与与围岩压压力5.围岩岩应力场场影响因因素地形和地地貌。岩体的力力学性质质。地温。人类活动动。第一类：：重力、温温度、岩岩体的物物理力学学性质及及构造、、地形等等经常性性的第二类：：地壳运动动、地下下水活动动、人类类的长期期活动等等暂时性性的或局局部性的的要特别研研究下面面几点：：围岩压力力围岩压力力是隧道道荷载的的主要来来源！隧道工程程的地质质环境---5初始应应力场与与围岩压压力铁路隧道道荷载分分类围岩压力力1.概概念洞室开挖后，围岩将将形成压力力有支护：：将形成对对支护的的压力；；无支护：：压力将由由围岩本本身承受受，体现现为围岩岩中的应应力急剧剧升高地层对洞室的作用力广义：包包括有、、无支护护时的压压力狭义：仅仅指对支支护的压压力围岩压力围岩初始应力开挖隧道工程程的地质质环境---5初始应应力场与与围岩压压力松动压力力～围岩变变形过大大，发生生松动而而形成的的压力形变压力力～围岩变变形在有有限范围围内而形形成的压压力膨胀压力力～膨胀性性岩层冲击压力力～明洞,落石；暗暗洞,坍方,岩爆(高地应力力)2.围岩岩压力分分类最重要的的两种压压力形态态!由于围岩岩变形受受到与之之密贴的的支护（（如锚喷喷等）抑抑制，而而使围岩岩与支护护结构共共同变形形的过程程中，围围岩对支支护结构构施加的的接触压压力.隧道工程程的地质质环境---5初始应应力场与与围岩压压力围岩压力力3.影响响围岩压压力的因因素施工方法法支护设置置时间支护本身身刚度隧道断面面形状等等岩体初始始应力状状态岩石力学学性质岩体结构构面地下水等等地质因素素工程因素素隧道工程程的地质质环境---5初始应应力场与与围岩压压力围岩压力力4.围岩岩松动压压力(1)围围岩松动动压力的的形成围岩的变变形不能能得到有有效的控控制，当当变形超超过一定定限度后后，围岩岩发生松动、坍坍落，最终在在洞室上上方自然形成成拱形。自然拱的的概念：：(a)变变形阶段段(b)松松动阶段段(c)塌塌落阶段段(d)成成拱阶段段自然成拱拱隧道工程程的地质质环境---5初始应应力场与与围岩压压力围岩压力力4.围岩岩松动压压力(1)围围岩松动动压力的的形成●隧道埋埋深影响自然然拱的因因素：实践证明明，只有有当隧道埋深深超过某某一临界界值时，才可可能形成成自然拱拱。称这这种隧道道为深埋隧道道，否则为为浅埋隧隧道。由由于浅埋埋隧道不不能形成成自然拱拱，所以以，其围围岩压力力大小与与埋深直直接相关关。以形成自自然拱为为原则！！深浅临界界：塌方平均均高度hq的(2~2.5)倍倍隧道埋深深：地面与隧隧道顶部部之间岩层厚度度(埋深h)hqhh>(2~2.5)hq－深埋h<(2~2.5)hq－浅埋塌落拱——成拱拱的必要要条件●施工因因素爆破震动动：松动、、引起塌塌方，造造成围岩岩压力过大大；分部开挖挖多次扰扰动：引起围岩失失稳，加大自然拱范围围。——对围岩的的扰动程度同一围岩，不不同隧道断面面隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(1)围岩松松动压力的形形成影响自然拱的的因素：●隧道断面形形状和大小隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越越大——拱的范围围和松散压力力●围岩稳定性性同一隧道断面面，不同围岩岩——拱的范围围和松散压力力围岩越破碎，，稳定性越差差，则自然拱越高，围岩松散压力也越越大好中差隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力埋深与塌落拱拱hhhqhh>(2~2.5)hq－深埋h<(2~2.5)hq－浅埋塌落拱塌落拱塌落拱隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力hq围岩松动压力力隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(2)围岩松松动压力的确确定方法现场量测法理论估算法统计法(经验法、构成类比法)符合实际，但但有局限性只能符合大致致规律，有待待改进比较符合实际际，但缺乏理理论根据统计法普氏理论法太沙基理论法深埋隧道围岩岩松动压力浅埋隧道围岩岩松动压力明洞压力土柱法一院法公路隧道围岩岩压力土力学挡土墙墙土压力方法法借鉴铁路隧道道围岩压力方方法隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力围岩松动压力力的现场量测测法直接量测法间接量测法●直接量测：主要采用压压力盒、压力力传感器等，，压力盒按工工作原理分为为机械作用式式、电测式和和液压式等，，目前使用较较多的是钢弦弦式压力盒。。●间接量测：利用量测隧隧道衬砌的应变、变形来推算作用在在其上的围岩岩压力的方法法，即间接量量测法。如电电阻应变片、、钢筋应变计计、遥测应变变计、混凝土土应变砖等在支护结构背背后埋设压力力盒.所测测得的围岩压压力实际上是是围岩与支护护结构之间接接触应力，可可能是围岩的的松动压力，，也可能既包包含松动压力力又包括因支支护结构变形形而引起的围围岩抗力。取决于围岩特特性和接触条条件。隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力直接量测法隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力间接量测法隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(2)围岩松松动压力的确确定1)深埋隧道道围岩松动压压力的确定方方法(a)统计计法—我国《《铁路隧规》》所推荐的方方法式中γ—围围岩容重；hq—坍落拱拱高度；s—围岩级级别；w—宽度影影响系数，由由w=1+i（（B-5）计计算：B—坑道宽宽度当B＜5m时时，取i=0.2，当当B＞5m时时，取i=0.1。垂直松动压力力破损阶段法或或容许应力法法hqh塌落拱B隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(2)围岩松松动压力的确确定1)深埋隧道道围岩松动压压力的确定方方法(a)统计计法—我国《《铁路隧规》》所推荐的方方法适用条件：H/B<1.7，H为坑道的高度深埋隧道不产生显著偏压及膨胀力的一般围岩采用矿山法施工的隧道概率极限状态态设计法*由于施工控控制，围岩变变形小，松动动压力小！大多为形变压压力！水平松动压力力(0.5～1.0)q(0.3～0.5)q(0.15～0.3)q<0.15q0水平匀布压力VIVIVIIII、II围岩级别隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(2)围岩松松动压力的确确定围岩压力分布布特征(a)统计计法—我国《《铁路隧规》》所推荐的方方法隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(2)围岩松松动压力的确确定(a)统计计法—我国《《铁路隧规》》所推荐的方方法各种围岩的坍塌高度与围围岩分级的关关系：为设计和施工工方便，将复复杂地层按工工程性质，分为六级。按三车道隧道计，各种种围岩的塌方高度和单位荷载重量量为：Ⅰ级：约0.9m；约约25kNⅡ级：约1.8m；约约47kNⅢ级：约3.5m；约约88kNⅣ级：约7.2m；约约173kNⅤ级：约15.0m；约约345kNⅥ级：约31.0m；约约682kN隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(2)围岩松松动压力的确确定1)深埋隧道道围岩松动压压力的确定方方法(b)普氏理理论方法普氏理论：岩体被结构构面切割，视视为散体。但但结构面上存存在粘结力。粘结力体现现为摩擦力，以似摩擦系系数f表示，称为““坚固性系数”，又称“普氏系数”。坚固性系数：是一个笼统统的指标或综综合的指标—似摩擦角和和内摩擦角岩体抗剪强度度隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(2)围岩松松动压力的确确定(b)普氏理理论方法普氏提出自然然拱：具有粘结力的的松散介质中中开挖坑道，，上方会形成成抛物线形的自然拱，，自然拱尺寸寸（高度与跨度）与岩体的f值有关。自然拱的两种种形态BthqBbHthqBBt坚硬岩体松散破碎岩体Hq－自然拱高度度Ht－隧道净高度度B、b－自然拱跨度度、半跨Bt、bt－隧道跨度、、半跨坚硬松散隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(2)围岩松松动压力的确确定1)深埋隧道道围岩松动压压力的确定方方法(b)普氏理理论方法①坚硬岩体自然拱高度②松散破碎岩岩体一般来说，普普氏理论比较较适用于松散散、破碎的围围岩中。自然拱半跨bHtbt隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(2)围岩松松动压力的确确定1)深埋隧道道围岩松动压压力的确定方方法(b)普氏理理论方法作用于支护结结构上的围岩岩压力自然拱内松散散岩体的重力力，垂直均匀匀分布围岩水平均匀匀分布压力按按朗肯公式隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力1)深埋隧道道围岩松动压压力的确定方方法(c)太沙基基理论方法理论：散粒体理论论假定：破裂面为折折线OA-AB方法：研究微分条条带dh的平衡。步骤：1.ΣV=0，建立微分分方程2.边界条件件：隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力1)深埋隧道道围岩松动压压力的确定方方法(c)太沙基基理论方法3.解微分方方程，得：4.讨论：⑴当埋深H达到一定程程度时，σv为恒值：⑵取侧压力系数k=1，，则有：⑶与普氏法对对照，能发现现什么？垂直压力水平侧压力当埋深H很大大时，二者一一致！太沙基：H>5b时为深深埋隧道！2)浅埋隧道道围岩松动压压力的确定方方法(a)土柱法法滑动面概念：：当隧道埋深不不大，开挖影影响波及地表表，岩体向下下滑移形成塌塌陷区域，在在隧道两侧出出现滑动面。。下滑的两种种阻力：摩擦阻力和支支护反力水平压力按朗肯公式：：滑动岩体未扰动土体滑动面hHt要点：忽略滑动面面上的阻力。。适于：埋深小于自自然拱高度垂直压力：围岩压力隧道工程的地地质环境---5初始应力场场与围岩压力力围岩压力4.围岩松动动压力(2)围岩松松动压力的确确定2)浅埋隧道道围岩松