第四章-围岩分级与围岩压力

隧道工程施工技术1第4章

围岩分级及围岩压力

2一、概述

4.4.1概述■研究隧道地质环境需要解决的两个问题（最佳的施工方法和支护结构）。■可采用的方法有（经验方法和理论方法）。■我国目前的隧道工程处在（经验设计和经验施工）的阶段。■经验法的依据就是隧道围岩稳定性的分级。■隧道围岩分级的基础条件是坑道开挖后的稳定性

在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的稳定性是不同的，可归纳为充分稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定四种。第二节围岩分级3

围岩分级：各种围岩的物理性质之间存在一定的内在联系和规律，依照这些联系和规律，可将围岩划分为若干级。围岩分级的目的：作为选择施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的荷载(松散荷载)；给出衬砌结构的类型及其尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。4

比较理想的分级方法是：准确客观，有定量指标，尽量减少因人而异的随机性；便于操作使用，适于一般勘测单位所具备的技术装备水平；最好在挖开地层前得到结论。应该说，到现在还没有出现一种比较完美的方法。5围岩分类的几个基本要素

围岩分级的方法很多种，不同国家，不同行业都根据各自的特点和目的提出了各自的分级方法，现行的许多分级方法中，作为分级的基本要素大致有三类:

与岩性有关的要素地质构造有关的要素与地下水有关的要素6与岩性有关的要素：

例如分为硬岩，软岩，膨胀岩。其分级指标是岩石强度和变形性质等；例如掩饰的单轴抗压强度、岩石的变形模量或弹性波速等

与地质构造有关的要素：

例如软弱结构面的分布与性态，风化程度等。其分级指标采用岩石质量指标，地质因素评分法等。实际上就是对岩石完整性和结构状态的评价。它是占有重要地位的！

7与地下水有关的要素：

例如地下水发育时，围岩级别应降低。1个附加要素：

初始地应力：适当考虑。8二、围岩分级方法(4类）(一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法1.以岩石强度为基础的分级方法:这种分级方法，单纯以岩石强度为依据。这种分级方法认为隧道开挖后它的稳定性取决于岩石强度。岩石越坚硬，坑道越稳定。反之，岩石越松软，可到稳定性就越差。实践证明，这种认识是不全面的，例如我国陕北的老黄土，无水时直立性很强，稳定性相当高，在无支护的情况下，可以维持十几年，甚至几十年。但单轴抗压强度很低；又如江西福建一带的红砂岩，整体性很好，坑道开挖后稳定性较好，但强度却不高，因此单纯以岩石强度为基础的分级方法需要改进完善。92.以岩石的物性指标为基础的分级方法：见表1-2在这种分级方法中，具有代表性的是前苏联普落托奇雅柯诺夫教授提出的“岩石坚固系数”分级法(或称“f”值分级法，或普氏分级法)。这种分级方法在我国的隧道工程中得到了广泛的应用。“f”值是一个综合物性指标，它表示岩石在采矿过程中各个方面的相对坚固性，如抗暴性、抗钻性、强度等。但以往人们确定“f”值主要采用强度试验法，再坚固其他指标。即式中--岩石饱和单轴极限抗压强度。我国工程部门在将“f”值分级法应用到隧道工程的设计、施工时，已注意到必须考虑岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的“f”值适当降低，即：式中“f”值是由岩石强度决定的，K是考虑地质条件的折减系数，一般情况下，K＜1.0。10(二)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法

1.泰沙基分级法这种分级方法是在早期提出的，限于当时条件，仅把不同岩性、不同构造条件的围岩分成九级，每级都有相应的地压范围值和支护措施，在分级时是以坑道有水的条件为基础的，当确认无水时，Ⅳ～Ⅶ围岩的地压值应降低50﹪。这种分级方法曾长期被各国采用，至今有广泛影响。112.以岩体综合物性为指标的分级方法

60年代，我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”，并于1975年经修正后被我国“铁路工程技术规范(隧道)”所采用。该分级法将隧道围岩分为6级。见表1-4

这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。此外，这种分级法最早考虑了埋深对围岩级别的影响。其缺点是分类指标还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法，在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。12(三)与地质勘探手段相联系的分级方法

1.按弹性波(纵波)速度的分级方法

围岩弹性波速度是日本提出的分级方法，围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可以反映岩石软硬，又可以表达岩体结构的破碎程度。因此，在弹性波速度基础上，综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素(岩性、风化程度、破碎状态、含水及涌水状态等)，将围岩分为7级。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1-1)。

表1-1弹性波(纵波)速度分级围岩类别ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ弹性波速(km/s)＞4.53.5～4.52.5～4.01.5～3.01.0～2.0＜1.0(饱和土＜1.5)132.以岩石质量为指标的分级方法——RQD法

所谓岩石质量指标RQD是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率，即单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例，可写为:

RQD(％)

该分级法将围岩分为5级R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5R<0.25优良好差很差表中R为RQD指标。14“岩体质量——Q”的分类方法。(四)组合多种因素的分级方法

这种分级法认为，评价一种岩体的好坏，既要考虑地质构造、岩性、岩石强度，还要考虑施工因素，如掘进方向与岩层之间的关系、开挖断面的大小等，因此就需要建立在多种因素的分析基础之上。在这类分级法中，比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量—Q”分级法。Q与六个表明岩体质量的地质参数有关，表达如下：15组合了6个参数：岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。16

根据不同的Q值，将岩体质量评为九等，详见表3-5。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表4-2岩体质量评估17：综上所述，围岩分级有以下几方面发展趋势：分级要以岩体为对象。分级要与地质勘探手段有机地联系起来，这样才有一个方便而又较可靠的判断手段分级要有明确的工程对象和工程目的。分级逐渐定量化。18三、我国铁路隧道围岩分级方法1.围岩分级的基本因素(1)岩石坚硬程度根据单轴饱和抗压强度Rc分为5级，即极硬岩、硬质岩、较软岩、软岩、极软岩，如表。

目前铁路隧道围岩分级采用两种方法:以围岩稳定性为基础的分级方法和按弹性波(纵波)速度的分级方法。(一)以围岩稳定性为基础的分级方法铁路隧道围岩分级19岩石坚硬程度的划分

岩石类别单轴饱和抗压强度Rc/MPa代表性岩石硬质岩极硬岩>60花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩；硅岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩；片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩

硬岩30～60软质岩较软岩15～30凝灰岩等喷出岩；砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、灰质页岩、泥灰岩、泥岩、煤等沉积岩；云母片岩或千枚岩等变质岩软岩5～15极软岩<5铁路隧道围岩分级20

(2)岩体的完整程度：衡量围岩的完整程度要考虑以下因素按照软弱面的产状、贯通性以及充填物的情况，可将围岩分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。按照围岩受地质构造影响的程度，可将围岩分为

构造变动轻微、较重、严重、很严重。铁路隧道围岩分级按照节理(裂隙)发育程度的不同又分为：节理不发育、节理较发育、节理发育及节理很发育。按照岩体风化程度的不同将围岩分为：风化轻微、较重、严重、极严重四级。岩体完整程度按下表划分。

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岩体完整程度的划分

完整程度结构面状态结构类型岩体完整性指数完整结构面1~2组，以构造型节理或层面为主，密闭性巨块状整体结构>0.75较完整结构面2~3组，以构造型节理、层面为主，裂隙多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物块状结构0.55～0.75较破碎结构面一般为3组，以节理及风化裂隙为主，在断层附近受构造作用影响较大，裂隙以微张型和张开型为主，多有充填物层状结构、块石碎石结构0.35～0.55破碎结构面大于3组，多以风化型裂隙为主，在断层附近受构造作用影响大，裂隙宽度以张开型为主，多有充填物碎石角砾状结构0.15～0.35极破碎结构面杂乱无序，在断层附近受断层作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥夹岩屑充填，充填物厚度大散体状结构≤0.15222.围岩基本分级及其修正(1)基本分级《公(铁)路隧道设计规范》隧道围岩划分为六级。铁路隧道围岩分级(2)隧道级别的修正地下水影响的修正地下水对围岩的影响主要表现在软化围岩软化结构面承压水作用

23地下水状态的分级级别状态渗水量(L/(min·10m))Ⅰ干燥或湿润<10Ⅱ偶有渗水10-25Ⅲ经常渗水25-125铁路隧道围岩分级根据单位时间的渗水量将地下水状态分为3级24地下水影响的修正地下水状态围岩级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ—ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ—ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ—铁路隧道围岩分级根据地下水状态对围岩级别的修正如表。25围岩初始地应力状态修正

根据围岩初始地应力状态，按下做出评估。铁路隧道围岩分级初始应力状态主要现象评估基准Rc/σmax极高应力硬质岩：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<4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，不宜成洞高应力硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差4～7软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差26围岩初始地应力状态修正

初始地应力对围岩级别的修正宜按下表进行。铁路隧道围岩分级初始地应力状态围岩级别ⅠⅡⅢⅣⅤ极高应力ⅠⅡⅢ或Ⅳ*ⅤⅥ高应力ⅠⅡⅢⅣ或Ⅴ**Ⅵ注：*围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，定为Ⅲ级；围岩岩体为完整的较软岩、较完整的软硬互层时，定为Ⅳ级。**围岩岩体为破碎的极硬岩、较破碎及破碎的硬岩时，定为Ⅳ级；围岩岩体为完整及较完整软岩、较完整及较破碎的较软岩时，定为Ⅴ级。27风化作用的影响

当围岩为风化层时应按风化层的围岩基本分级考虑围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低1~2级。二、弹性波速度的分级方法弹性波(纵波)速度与围岩级别的关系铁路隧道围岩分级围岩类别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ弹性波(纵波)速度vp(km/s)＞4.53.5～4.52.5～4.01.5～3.01.0～2.0＜1.0＜1.5(饱和状态的土)注：饱和状土壤vp<1.5km/s28四、我国公路隧道围岩分级方法采用两步走的方法：(1)根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标BQ综合进行初步分级；(2)考虑修正系数，修正岩体基本质量指标值；(3)按修正后的岩体基本质量指标[BQ]，结合岩体的定性特征综合评判、确定围岩的详细分级。公路隧道围岩分级29公路隧道围岩分级1、分级因素及其确定方法本分级标准认为岩体基本质量应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。

坚硬程度分为五级：坚硬岩、较坚硬岩、较软岩、软岩、极软岩。岩体完整程度可分为五级：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。岩体完整程度划分的定量指标采用岩体完整性指数Kv

。30公路隧道围岩分级岩石坚硬程度定性划分31公路隧道围岩分级岩石坚硬程度定量划分按岩石单轴饱和抗压强度Rc分为5级。Rc也可按实测的点荷载强度指数换算：32公路隧道围岩分级定性划分岩体完整程度33公路隧道围岩分级定量划分按岩体完整性指数Kv表达岩体完整性指数：

现场测定的岩体弹性波速度v的平方与同种岩石试件弹性波速度v0的平方的比值。岩体完整程度34公路隧道围岩分级岩体的完整程度也可按岩体体积节理数Jv确定35公路隧道围岩分级2、确定岩体基本质量分级岩体基本质量分级可根据上述的分级因素结合岩体基本质量指标BQ进行。岩体基本质量指标BQ应根据Rc的兆帕数值和Kv值计算而得。36公路隧道围岩分级BQ=90+3Rc+250Kv

当Rc＞90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入式计算BQ值；当Kv＞0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入式计算BQ值。适用条件：37公路隧道围岩分级3、工程岩体级别的确定

修正的岩体基本质量指标[BQ]：

[BQ]=BQ－100(K1十K2十K3)

式中，K1——地下水影响修正系数；

K2——软弱结构面产状影响修正系数；

K3——初始应力状态影响修正系数。围岩详细定级时，如遇下列情形之一，应对岩体基本质量指标进行修正：有地下水；围岩稳定性受软弱结构面的影响，且由一组起控制作用；存在高初始地应力。38公路隧道围岩分级地下水影响修正系数K139公路隧道围岩分级主要软弱结构面产状影响系数K2

初始应力状态影响修正系数K340公路隧道围岩分级公路隧道围岩分级

根据[BQ]值可重新确定工程岩体的质量级别。

41公路隧道围岩分级4.地下工程岩体自稳能力地下工程岩体自稳能力42五、施工现场围岩级别判定43第三节、围岩压力一、围岩压力及分类(一)围岩压力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。(铁路规范)

隧道开挖后，因围岩变形或松动等原因，作用于洞室周边岩体或支护结构上的压力。(公路规范)(二)围岩压力分类围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型：围岩压力44由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称为松动压力。松动压力常通过下列三种情况发生：

在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。

1.松动压力

围岩压力452.形变压力

形变压力是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。3.膨胀压力

当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。46影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。地质因素:(内因）工程因素：（外因）6个因素见P624.冲击压力

冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，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。二、影响围岩压力的因素47光面爆破48预裂爆破49三、围岩松动压力的形成和确定方法(一)围岩松动压力的形成坑道开挖后围岩由形变到坍塌成拱的整个变形过程：

(1)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；

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(2)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；(3)顶板岩体视其强度的不同而逐步塌落，可视为塌落阶段；51(4)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。自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等因素影响外，还取决于以下诸因素：隧道的形状和尺寸；尺寸↑，e↑;拐角↑，e↑。隧道的埋深；在一定范围内，H↑，e↑施工因素。52自然拱53(二)确定围岩松动压力的方法现场实地量测：按目前的量测手段和技术水平来看量测的结果尚不能充分反映真实情况理论公式计算：由于围岩地质条件的千变万化，所用计算参数难以确切取值，目前还没有一种能适合于各种客观实际情况的统一理论。统计的方法：在大量施工坍方事件的统计基础上建立起来的统计方法，在一定程度上能反映围岩压力的真实情况。

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1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法

(1)统计法—我国《隧规》所推荐的方法式中γ—围岩容重；

hq—坍落拱高度；（铁路隧道实际坍方体统计平均高度

s—围岩级别；

w—宽度影响系数，由w=1+i（B-5）计算：

B—坑道宽度，当B＜5m时，取i=0.2，当B＞5m时，取i=0.1。55水平压力见表4-7：表4-7围岩水平均布压力围岩级别Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布压力0＜0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q56统计法公式的适用条件：

H/B＜1.7，H为坑道的高度；深埋隧道；不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩；采用矿山法施工。57例.隧道穿经Ⅳ级围岩，其开挖尺寸净宽7.40m(单线)，净高8.80m，围岩天然容重21KN/m³，试确定其围岩松动压力；若开挖跨度为14.8m(双线)，其围岩压力为？58解：∵H/B=8.80/7.40=1.2<1.7∴采用统计法方式。∵是单线隧道，竖向均布（压力）作用：水平均布（压力）作用：若开挖跨度为14.8m，H/B=8.80/14.80=0.6<1.7∴采用统计法方式。∵B=14.8m>5m，故i=0.1，=1+0.1(14.8-5.00)=1.98∴竖向均布压力为：水平均布压力为：59据统计，围岩垂直松动压力的分布可概括为4种，如图4-7。

图4-7围岩竖向松动压力的分布图形统计法公式仅针对图中第一种情况。

60(2)普氏理论散粒体理论：岩体被节理、裂隙所切割，视为散粒体。普氏系数f(岩体坚固性系数):6162岩体坚固性系数f的概念：

f—是一个以岩体强度为主的指标，兼顾抗钻性、抗爆性、地下水等性质。前述自然拱概念最早由普氏提出：图4-8自然拱的两种形态63①坚硬岩体:②松散破碎岩体：式中为隧道净跨度的一半；为隧道净高度。

一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中。

64(3)泰沙基理论理论：散粒体理论。◆假定：破裂面为折线—OAB◆方法：研究微分条带dh的平衡。◆步骤：1.ΣV=0，建立微分方程2.边界条件：653.解微分方程，得：4.讨论：⑴当埋深h达到一定程度时，为恒值：⑵取侧压力系数k=1，则有：⑶与普氏法对照，能发现什么？在深埋情形下，太沙基理论的计算结果与普氏理论的计算结果实质上是一致的。太沙基理论考虑了硐室尺寸、埋深及岩石的粘结力和内摩擦角等因素对岩体稳定性的影响。一般认为太沙基理论适用硐室埋深较浅的情形。

66

2)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法⑴深、浅埋隧道的判定原则

Hp＝（2～2.5）hq

I一III级围岩取:Hp＝2hqIV～VI级围岩取:Hp＝2.5hq

H≥Hp时为深埋H＜Hp时为浅埋H为覆盖层厚度67

(2)铁路浅埋隧道围岩松动压力的确定方法①当h≤hq

时，作用在隧道衬砌上的压力为

q=γh

ht

为隧道开挖高度，h为隧道埋深，e1作用在隧道顶处压力，e2作用在隧道底处压力，为围岩的计算摩擦角要点：忽略滑动面上的阻力。适于：埋深h≤hq

垂直压力：q=γh

68①当hq＜

q≤HP，垂直压力标准值按计算式中：------围岩重度KN/m³，按表取值------隧道覆盖深度（m）------隧道宽度（m）------垂直均布作用夹持系数，按表取值69围岩重度及夹持系数围岩级别ⅣⅤⅥ围岩重度（KN/m³）20.518.516.0拱部截面夹持系数0.100.080.01拱部截面夹持系数0.230.160.087071水平压力按梯形分布，其标准值按下式计算式中：结构高度范围内，任意点i的水平侧压标准值---结构高度范围内，任意点i离地面的高度m----侧压力系数72围岩级别ⅣⅤⅥ拱部截面侧压力系数0.150.250.35边墙截面侧压力系数0.350.50.65侧压力系数734.4.5明洞压力的计算

设计明洞时，其荷载要按以下几项计算

1.拱圈回填土垂直压力

2.拱圈回填土石侧压力

3.边墙回填土垂直压力744.4.6围岩应力的现场量测

直接量测间接量测754.4.1直接量测法直接量测法是指采用各种压力盒量测围岩作用在衬砌或支护结构上的接触压力的方法。这种方法是将压力盒（或称压力传感器）放置在衬砌或支护结构与围岩之间，并紧密接触，使二者之间的压力直接由压力盒反映出来。目前用于这种量测的压力盒主要有电阻式、电容式、电压式和振弦式等几种。振弦式压力盒是电测压力盒中最普遍的一种，其构造如图4-7所示。其工作原理是，当压力盒上作用有压力时，由于机械作用使钢弦拉紧，钢弦拉得越紧，则钢弦的振动频率就越高。这样，当由接受器向压力盒感应线圈输入一脉冲电流时，线圈产生磁通，铁芯对钢弦产生瞬时吸力。电流中断时，吸力消失，钢弦弹起，从而激起钢弦振动。作用压力大小不同，则钢弦振动的频率也不同，这一振动频率使得感应线圈产生感应电动势，感应电动势的频率与钢弦的自振频率相同时，感应电动势频率通过导线输回接受器，从而测出钢弦的振动频率。再根据压力盒本身的标定曲线就可查出压力盒上所受的围岩压力大小。在隧道施工中压力盒的布置如图4-8所示。图4-7振弦式压力盒