隧道工程课件隧道围岩分级与围岩压力

第4章隧道围岩分级与围岩压力中南大学第4章隧道围岩分级与围岩压力学习本章的目的：（1）要求掌握有关隧道的勘查、设计、构造原理和有关计算方法；（2）理解隧道围岩稳定性的影响因素及其与施工方法的关系；（3）了解隧道围岩分级时考虑的因素。第4章隧道围岩分级与围岩压力4.1隧道围岩的概念与工程性质4.2围岩的稳定性4.3围岩分级4.4围岩压力的确定第4章隧道围岩分级与围岩压力4.1隧道围岩的概念与工程性质围岩的概念围岩:隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(土)体。说明：围岩既指岩体也指土体。围岩的工程性质

物理工程性质水理力学第4章隧道围岩分级与围岩压力岩石与岩体的区别：

岩石：均质、连续、各向同性岩体：非均质、不连续、各向异性岩体力学性质获取的方式：现场试验：真实、费时、费钱室内试验：不易取样、代表性差问题：

1.结构计算与力学性质的关系？

2.隧道结构计算的难点？第4章隧道围岩分级与围岩压力1、岩体的变形特性

受拉、受压、剪切、流变问题：岩体能受拉吗？

1)受压变形

岩石：线性、弹性软弱结构面：非线性、塑性岩体：弹塑性体，见下图。第4章隧道围岩分级与围岩压力第4章隧道围岩分级与围岩压力2)剪切变形

(1)沿结构面滑动

(2)岩石的断裂

(3)在结构面的影响下沿岩石剪断第4章隧道围岩分级与围岩压力3)流变特性●蠕变：指应力不变，而应变随时间增长。

●松弛：应变不变，而应力随时间而衰减问题：围岩流变特性对隧道的影响？

第4章隧道围岩分级与围岩压力2、岩体强度

岩石强度：通过试件获得。岩体强度：低于岩石强度，约为岩石强度的70～80％。第4章隧道围岩分级与围岩压力4.2围岩的稳定性4.2.1研究围岩稳定性的意义围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定性。问题：什么是隧道工程的头等大事？研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定。第4章隧道围岩分级与围岩压力围岩级别的工程作用：①判断围岩稳定性。②判断施工难易程度，投资依据。③结构分析计算的依据第4章隧道围岩分级与围岩压力4.2.2影响围岩稳定性的因素

⑴地质因素～客观因素⑵人为因素～主观因素、工程因素第4章隧道围岩分级与围岩压力1、地质因素从5个方面来分析：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第4章隧道围岩分级与围岩压力⑴岩体结构特征指岩体的破碎程度或完整状态。●破碎程度：裂隙率、裂隙间距。裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。●完整状态：整块状、大块状等。按这2个指标有下图：第4章隧道围岩分级与围岩压力⑵结构面性质和空间组合●性质

1)结构面的成因；

2)结构面的光滑程度；

3)结构面的物质组成；

4)结构面的规模；

5)结构面的密集度。●空间组合指结构面的相互位置状态。问题：软弱结构面有怎样的害处？什么是不利空间组合？第4章隧道围岩分级与围岩压力第4章隧道围岩分级与围岩压力⑶岩石的力学性质

主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度Rb。岩石强度越高，隧道越稳定。(4)围岩的初应力状态

●初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。●已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。在高的初始应力场条件下，围岩级别应适当降低。第4章隧道围岩分级与围岩压力⑸地下水的影响●软化围岩；●减少层间摩阻力促使岩块滑动；●具膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀等。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力2、人三为因三素⑴三隧道三形状三和尺三寸⑵三支护三结构三类型⑶三施工三方法第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力4.三3围岩三分级4.三3.三1概三述围岩三分级三：根据三岩体三的若三干指三标，三按照三稳定三性将三围岩三分成三不同三的级三别。工程三目的：（1）结三构设三计依三据（2）施三工方三法依三据（3）工三程造三价依三据第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力围岩三分级三的发三展过三程：第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力其它三分级三法：总结三：早期三～仅三岩石三强度三；现在三～综三合多三种因三素，三如岩三体构三造、三岩石三强度、RQ三D指标三等。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力围岩三分级三方法3个基三本因三素：①岩性三：抗压三强度三、弹三性模三量、三弹性三波速三等。②地质三构造三：岩体三完整三性或三结构三状态三。③地下三水：地下三水发三育时三，围三岩级三别应三降低三。1个附三加因三素：④初始三地应三力：适当三考虑三。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力（一三）以三岩石三强度三或岩三石的三物性三指标三为代三表的三分级三法1.以岩三石强三度为三基础三的分三级法代表三：土石三分类三法～三坚石三、次三坚石三、松三石、三土。2.以岩三石物三性指三标为三基础三的分三级法代表三：岩石三坚固三性系三数(f值)分级三法～三普氏三法f值：三一个三综合三的物三性指三标值三，如三岩石三的抗三钻性三、抗三爆性三、强三度等三。但核三心还三是岩三石强三度。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力(二)以岩三体构三造、三岩性三特征三为代三表的三分级三方法代表三：●泰沙三基法～考虑三围岩三的完三整状三态和三岩性三，共9级。●我国三交通三隧道三围岩三分级三法～借鉴三了泰三沙基三法，三考虑三岩体三综合三物性三，共6级。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力（三三）与三地质三勘探三手段三相联三系的三分级三方法代表三：●弹性三波速三分级三法～波速三是反三映岩三性与三岩体三结构三的一三项综三合指三标，三波速三越高三，围三岩越三好。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力●岩石三质量三指标～RQ三D指标三也是三反映三岩性三与岩三体结三构的三一项三综合三指标三。RQ三D指标三的具三体含三义为三岩芯三复原三率:第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力(四)组合三多种三因素三的分三级方三法代表三：岩体三质量三分级三法巴顿三等人三提出三的“岩体三质量—Q”分级三法。三表达三如下三：组合三了6个参三数：岩石三质量三指标三、节三理组三数目三、节三理粗三糙度三、节理三蚀变三值、三节理三含水三折减三系数三、应三力折三减系三数。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力(五)我国三铁路三与公三路隧三道的三围岩三分级三方法1.铁路三隧道⑴沿三革●岩体三综合三分类～60年代三，成三昆线三，五三类。●隧道三围岩三分类～74年版三，首三部铁三路隧三道规三范，三六类三。●隧道三围岩三分类～86年版三，加三入围三岩弹三性波三速指三标。●隧道三围岩三分级～99年版三，采三用国三标分三级排三序，三改称“围岩三分级”，六三级。●隧道三围岩三分级～20三01年版三，不三变。●隧道三围岩三分级～20三05年版三，不三变。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力⑵分级三的理三论基三础●以围三岩的三稳定三性判三断为三基础。属于“以岩三体构三造和三岩性三特征三为代三表”的分三级方三法。●主要三考虑4种因三素：①岩三石坚三硬程三度②围三岩完三整状三态③地三下水④围三岩初三始地三应力基本三分级三修三正基三本分三级三最终三分级基本三分级修正三基本三分级第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力⑶基本三分级依据三：围三岩主三要工三程地三质条三件，三由两三条组三成：①岩三石坚三硬程三度软硬三岩分三界指三标：30三Mp三aRb>3三0硬岩5三<Rb≤3三0软岩Rb<5极软三岩②围三岩完三整程三度指标1：结三构面三发育三程度指标2：地三质构三造影三响程三度由此三两指三标，三将岩三体完三整程三度分三为5个级三别，三见下三表：第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力岩体三完整三程度三的划三分第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力围岩三受地三质构三造影三响程三度等三级划三分第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力围岩三节理三（裂三隙）三发育三程度三划分第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力(4三)铁路三隧道三围岩三分级三表基本三分级+围岩三弹性三纵波三速度=铁路三隧道三围岩三分级三表见教三材P8三2-三83。⑸三特点◆给三出了三单线三隧道三围岩三开挖三后的三稳定三状态三。◆尚三未考三虑地三下水三和地三应力三。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力⑹修正三分级◆三地下三水地下三水的3种处三理方三法：①分三级时三按无三水考三虑，三而是三根据三地下三水的三状态三，适三当降三低围三岩等三级(1～2级)；②分三级时三按有三水考三虑，三当确三认围三岩无三水则三提高三围岩三等级三；③直三接将三地下三水状三况(水质三、水三量、三流通三条件三、静三水压三力等)作为三一个三分级三指标三。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力铁路三隧道三分级三按第1种方三法处三理：地下三水状三态的三分级三表地下三水影三响的三修正第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力◆初始三地应三力第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力◆初始三地应三力影三响的三修正第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力两点三说明三：设计三阶段三：采用三修正三后的三围岩三分级三。施工三阶段三：根据三实际三情况三，进三一步三判定三围岩三分级三，依三据仍三然是三：岩石三坚硬三程度围岩三完整三状态地下三水初始三地应三力第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力2.公路三隧道⑴初三步分三级～三相当三于铁三路的三基本三分级依据三：围三岩主三要定三性特三征该特三征由三两个三基本三因素三组成三：●岩三石坚三硬程三度Rc(即强三度)●岩体三完整三性Kv(即弹三性波三速)推出围岩三基本三质量三指标BQ三=9三0+三3Rc+2三50三Kv第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力⑵详细三分级三～相三当于三铁路三的修三正分三级修正BQ值：三当有三以下3方面三影响三时，三应予三修正三：①地三下水K1②软弱三结构三面(比铁三路多三此条)K2③高初三始地三应力K3[B三Q]三=修正BQ值=B三Q-三10三0(三K1+K2+K3)K1～K3各值三可查三公路三隧道三规范三附录三～第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力公路三围岩三分级三表：参数三：①围三岩主三要定三性特三征②BQ值，三或[B三Q]值(当需三要修三正时)第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力(六)问题三及研三究方三向1.问题指标三定性三的多三、定三量的三少。三如何三做到三准确三、方三便、三好用三？2.研究⑴发三展物三探手三段，三增加三定量三指标三。⑵发三展分三析理三论模糊三数学三～围三岩分三级；隧道三位移三～围三岩分三级；人工三智能三专家三系统三～围三岩分三级等三。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力4.三4围岩三压力4.三4.三1岩体三初始三应力三状态自重三应力构造三应力地下三水压三力温度三应力第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力一、三围岩三压力三及其三分类(一)围岩三压力第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力（二三）围三岩压三力分三类1．松三动压三力～围岩三变形三过大三，发三生松三动而三形成三的压三力。2．形三变压三力～围岩三变形三在有三限范三围内三而形三成的三压力三。这是三最重三要的三两种三压力三形态三。问题三：1.这两三种压三力性三质上三有何三不同三？2.压力三的性三质与三围岩三稳定三性有三何关三系？第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力3．膨三胀压三力～膨胀三性岩三层。4．冲三击压三力～明洞三，落三石；暗洞三，坍三方、三岩爆三。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力4.三4.三2影响三围岩三压力三的因三素㈠地三质因三素1.岩体三初始三应力三状态2.岩石三力学三性质3.岩体三结构三面4.地下三水等㈡工三程因三素1.施工三方法2.支护三设置三时间3.支护三本身三刚度4.隧道三断面三形状三等第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力4.三4.三3围岩三松动三压力三的形三成和三确定三方法1.围岩三松动三压力三的形三成自然三拱的三概念三：围岩三的变三形不三能得三到有三效的三控制三，当三变形三超过三一定三限度三后，三围岩三发生三松动三、坍三落，三最终三在洞三室上三方形三成拱三形。(a三)变形三阶段三；(b三)松动三阶段三；(c三)塌落三阶段三；(d三)成拱三阶段三。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力影响三自然三拱的三因素三：●隧道三埋深三～成拱三的必三要条三件●隧道三断面三形状三和大三小～拱的三范围●施工三因素三～对围三岩的三扰动三程度2、围三岩压三力的三确定三方法直接三量测三法理论三估算三法统计三法（三经验三法、三工程三类比三法）第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力1)深埋三隧道三围岩三松动三压力三的确三定方三法(1三)统计三法—我国《隧规》所推三荐的三方法式中γ—围岩三容重三；hq—坍落三拱高三度；s—围岩三级别三；w—宽度三影响三系数三，由w=三1+三i（B-三5）计三算：B—坑道三宽度三，当B＜5m时，三取i三=0三.2，当B＞5m时，三取i三=0三.1。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力水平三压力三见表4-三7：表4-三7围岩三水平三均布三压力第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力统计三法公三式的三适用三条件三：H/三B＜1.三7，H为坑三道的三高度三；深埋三隧道三；不产三生显三著偏三压力三及膨三胀力三的一三般围三岩；采用三矿山三法施三工。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力据统三计，三围岩三垂直三松动三压力三的分三布可三概括三为4种，三如图4-三7。统计三法公三式仅三针对三图中三第一三种情三况。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力(2三)普氏三理论散粒三体理三论：三岩体三被节三理、三裂隙三所切三割，三视为三散粒三体。普氏三系数f(岩体三坚固三性系三数):第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力岩体三坚固三性系三数f的概三念：f—是一三个以三岩体三强度三为主三的指三标，三兼顾三抗钻三性、三抗爆三性、三地下三水等三性质三。前述三自然三拱概三念最早三由普三氏提三出：第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力①坚硬三岩体:②松散三破碎三岩体三：式中bt为隧三道净三跨度三的一三半；Ht为隧三道净三高度三。一般三来说三，普三氏理三论比三较适三用于三松散三、破三碎的三围岩三中。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力(3三)泰沙三基理三论理论三：散三粒体三理论三。◆假定三：破裂三面为三折线—OA三B◆方法三：研究三微分三条带dh的平三衡。◆步骤三：1.三ΣV三=0，建三立微三分方三程2.边界三条件三：第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力3.解微三分方三程，得三：4.讨论三：⑴三当埋三深h达到三一定三程度三时，συ为恒三值：⑵三取侧三压力三系数k=三1，则三有：⑶与三普氏三法对三照，三能发三现什三么？第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力2)浅埋三隧道三围岩三松动三压力三的确三定方三法⑴三深、三浅埋三隧道三的判三定原三则Hp＝（2～2.三5）hqH≥三Hp时为三深埋H＜Hp时为三浅埋H为覆三盖层三厚度I一II三I级围三岩取:Hp＝2hqIV～VI级围三岩取:Hp＝2.三5hq第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力(2三)浅埋三隧道三围岩三松动三压力三的确三定方三法①三土柱三法要点三：忽三略滑三动面三上的三阻力三。适于三：埋三深H三≤h三q垂直三压力三：q=三γH水平三压力三按朗三金公三式：e三=γ(H三+三1三/2三H三t)三tg2(4三50–Φ/2三)Ht为隧三道净三高。第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力②一院三法重点三：当H＞hq时，三应该三考虑三滑动三面上三的阻三力。分析三下图三：第4章三隧道三围岩三分级三与围三岩压三力1.破裂三面AC、B