第5章 隧道围岩分级与围岩压力

1、第五章隧道围岩分级和围岩压力隧道工程具有的地质环境内涵广泛，包括地层特征、地下水状况、挖掘隧道前就存在于地层中的原始地应力状态、地温梯度等。 因此，隧道围岩的稳定性是反映地质环境的综合指标。 我们建设隧道工程也是围岩特征研究的重要内容之一。隧道围岩压力是指隧道开挖后围岩作用于隧道支护的压力，是隧道支护和衬砌结构的主要载荷之一。 其性质、大小、方向以及发生和发展规律，对正确进行隧道设计和施工有着重要的影响。5.1隧道围岩等级及其应用隧道围岩分级是正确进行隧道设计和施工的基础。 比较好，符合地下工程实际的围岩等级，改进地下结构设计，发展新的隧道工程技术，降低工程启蛰价格，尽快节约建设隧道具有非常重

2、要的意义。是借苏联岩石的坚固系数进行分类的所谓一般系数(f值)。 在长期大量的地下工程实践中，发现这种基于简单岩石坚固性(主要是强度)指标的分类方法，不能全面反映隧道围岩的实际情况。 隧道的破坏主要依赖围岩的稳定性，影响围岩稳定性的因素是多方面的，其中逐渐认识到隧道围岩结构的特征和完整状态是影响围岩稳定性的主要因素。 隧道围岩的强度对隧道稳定性有重要影响，地下水、风化程度也是隧道围岩失去稳定性的重要原因。由于围岩的稳定性，1975年制定了中国的“铁路隧道围岩分类”。 该分类分为从稳定到不稳定6种，取代了从多年来使用的岩石的坚固性系数进行分类的方法。我国道路隧道围岩分级开始得晚，随着我国经济的发

3、展，道路交通大幅度发展，建设大量的道路隧道，需要适合我国工期的道路隧道围岩分级，1990年，在我国铁路隧道围岩分级的基础上，我国“道路隧道围岩分级”国内外发展表明，以隧道围岩稳定性为基础进行分级是总体趋势。 但是，在等级指标方面，大多从定性的记述、经验的判断向定量的记述发展。5.1.1隧道围岩等级的要素指标及其选择考虑到主要影响围岩稳定性的因素及其组合，围岩分级的指标包括以下因素1 .单一岩性指标一般是具有岩石抗压和拉伸强度、弹性模量等物理力学参数的岩石耐钻性、耐爆性等工程指标。 在几个特定等级中，可以确定钻孔效果、炸药消耗量等，用土石方工程划分岩石的硬软、挖掘难易度，用岩石的单一岩性指标来划

4、分等级。 一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本等级指标，具有试验简单、数据可靠的优点。 但是，单一的岩性指标只能表现岩体特征的一面，不适合作为等级的唯一指标。 像老黄土地层一样，在没有水的条件下，强度低，但稳定性高。2 .单一综合岩性指标用单一指标反映岩体的综合因素。 这些指标岩体的弹性波传播速度弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成比例，其指标反映了岩体的力学性质和岩体破碎程度的综合因素。岩石质量指标(RQD )是综合反映岩体强度和岩体破碎程度的指标。 岩石的质量指标被称为挖掘时的岩心复原率，或岩心采集率。 挖掘时岩芯的采收率、岩芯的平均和最大长度受岩体原始裂缝、硬度、均质性的影响，岩

5、体质量的好坏主要取决于岩芯采收长度在10cm以下的小岩体所占的比例。 因此，岩盘采集率是通过每单位长度的钻头上10cm以上的岩盘所占的比例来判断的。 也就是说RQD(%)=10cm以上的核心累积长度100 (5.1.1)单位钻头长度岩石质量指标等级认为，rqd的90%为优质75% RQD 90%良好50% RQD 75%较好25% RQD 50%不好PS有25%不好。围岩的自稳定时间被认为是综合岩性指标，隧道开挖后，围岩经常有暂时稳定的时间，不同的地质环境、自稳定时间不同，工费(H.Lauffer )可以用下式表示隧道围岩的自稳定时间tsts=常数L-(1 a) (5.1.2)式中： L -隧

6、道未支护区的长度看到a -周围岩石的状况在01之间变化，好岩体最好是a=0，最坏的a=1。劳动费用(H.Lauffer )根据围岩的稳定时间和未支护区的长度，把围岩分为稳定、易碎、易碎、有压力、有压力、七级。 具体的估价标准可以参考有关特辑。单一综合岩性指标一般与地质调查技术水平有关，因此其应用受到一定限制。3 .复合指标是两个以上岩性指标或综合岩性指标表示的复合性指标。 代表性的复合指标等级是巴顿(N.Barton )等提出的岩体质量-Q指标，q综合表现岩体质量的6个地质参数，参照下式q=(RQD/JH ) (Jr/ja ) (jw/SRF ) (5.1.3)式中RQD -岩石的质量指标，取

7、其值的方法参照式(5-1)Jh -节理组的数量、岩体越破碎，Jh的值越大，因此可以参考以下的经验值无理或少，Jh=0.51.0；对于两个节理组，Jh=4破碎岩体时，Jh=20。Jr -节理粗糙度、节理光滑，Jr值越小，越能参考以下的经验值不连续的节理，Jr=4；平滑的节理，Jr=0.5等。Ja -节理饮食变化值、饮食变化越严重，Ja的值就越大，因此可以参考以下的经验值节理面紧密结合，节理中填充物不硬软化，Ja=0.75节理中填充物为膨胀性粘土，例如蒙脱土、Ja=812等.Jw -节理含水减率、节理透水量越大，水压越高，Jw的值越小，能够参考以下的经验值微量浸水、水压0.1Mpa、Jw=1.0；

8、透水量多，水压特别高，持续时间长，Jw=0.10.05等。SRF -应力减少系数，周围岩石的初始应力越高，SRF的值越大。 可以参考以下经验值脆性硬，有严重岩爆现象的岩石，SRF=1020；坚硬，有单一剪切带的岩石，SRF=2.5。上述6个参数的详细说明和值的标准，可以参考相关的特集。 这6个地质参数表示岩体的岩体大小(RQD/Jh )、岩体的剪切强度(Jr/Ja )、作用应力(Jw/SRF )。 因此，岩体质量q实际上是岩体大小、剪切强度、作用应力的复合指标。 根据不同的q值，岩体的质量被评价为9级，参见表5.1.1。表5.1.1岩体质量评价岩体的质量很好。太棒了太好了太好了中等程度不良不好

9、意思极其恶劣很坏q.q4001000100400四十到一百十到四十4到10140.110.0010.10.0010.01复合指标考虑各种因素的影响，判断隧道围岩的稳定性合理可靠，它可以根据工程对象的要求，选择不同的指标。 但是，复合指标的定量数值一般取决于试验、现场实测或经验，具有很大的主观因素。通过以上分析，隧道围岩等级必须首先把对选定围岩稳定性有重大影响的因素，如岩石强度、岩体完整性、地下水、地应力、结构面产量及他们的组合关系作为等级指标来考虑，其次，测试设备比较简单，人为因素小也就是说，需要在充分的实测资料的基础上，全面反映围岩的工程性质。5.1.2隧道围岩分级的方法国内外隧道围岩分级方

10、法多，采用的指标也不同，但在隧道工程实践的基础上逐渐建立，随着对隧道工程、地质环境之间相互关系的认识和理解，围岩分级方法也逐渐深化和提高。 发展过程大致有以下类型1、以岩石强度为单一岩性指标的等级法，具有代表性意义的是我国工程界广泛采用的岩石坚固系数“f”值等级法。 该方法的优点是指标单一，使用方便，特别是f值分类法中，将定量指标的f值与作用于支撑结构的围岩压力直接结合起来，给设计和施工带来很大的便利。 缺点是不能全面反映岩体固有的性质。2、以岩体结构和岩性特征为代表的分级法，如泰沙基分级法、1975年我国铁路工程技术规范中采用的铁路隧道围岩分级法，属于这一类。 这种方法的优点是，正确考虑了地

11、质结构特征、风化情况、地下水情况等各种因素对隧道围岩稳定性的影响，提出了各种围岩应采用的支护型和施工方法。 缺点是分级指标还缺乏定量描述，没有提供预测隧道周围岩水平的方法，在某种程度上隧道被挖掘之前无法确定。3 .与地质调查手段有关的分级法。 1979年前后日本提出的基于围岩弹性波速度的分级方法、岩芯复原率分级法等属于这一范畴。 这种方法的优点是等级指标几乎是半定量的，考虑了各种因素的影响，这一点是分级的判断在一定程度上是主观的，弹性波速度低的话岩体可能是完全的，但岩质柔软的地质很硬，但是破裂地形上的局部的高低差等几个原因造成的。4 .各种要素的组合等级法。 例如岩体品质“q”法、我国的防卫工

12、程围岩等级法等属于这一范畴。 这种方法是目前围岩分类法的发展方向，优点很多，但部分定量指标还需要经验确定。5、以工程对象为代表的分类法。 专门保护锚的旧国家建设委员会公布的围岩分类法(1979年)，苏联在巴库建设地铁时采用的围岩分类法(1966年)属于这一范畴。 这种方法的优点，目的明确，而且与支护尺寸直接相关，使用方便，能指导施工。 但是等级指标以定性描述为主，具有很大的人为因素。根据上述介绍，隧道围岩分类方法简单，没有统一的格式。 目前国内外很多学者认为，隧道围岩等级的详细程度在工程建设的不同阶段应该不同。 工程规划和初步规划阶段围岩等级以定性评价为主，判别依据主要是地表地质测绘和部分调查

13、工作，工程设计和施工阶段围岩等级必须为专业目的服务。 为设计提供依据的围岩等级，其判别依据主要为地质测绘资料、地质详细调查资料、岩石和岩体的室内和现场试验数据。 等级指标一般是半定量的和定性的。 为隧道工程挖掘提供依据的围岩分级，主要利用各种测量和观测的实际资料来校正围岩分级，此时的分级依据是岩体暴露后的实际值。围岩分级的阶段性实施除了围岩分级取决于地质条件外，还与工程规模、形状、施工技术等技术条件有关。 不同阶段的地质调查、实验研究、工作流程可以用图5.1.1所示的方框图表示。图5.1.1工程各阶段围岩等级系统框图5.1.3我国公路隧道围岩等级经过长期的隧道工程实践，我国公路隧道基于铁路隧道

14、围岩等级标准，结合国内外有关围岩等级的成果，提出了适合我国公路隧道实际情况的围岩等级标准，以下介绍围岩等级的起点和依据。(1)公路隧道围岩等级的起点主要考虑了以下几点1、强调岩体地质特征的完整性和稳定性，避免单一岩石强度指标分级的方法2 .等级指标必须采用定性和定量指标相结合的方式3、明确工程的目的和内容，提出相应的措施4 .等级必须简洁、好用5 .考虑到吸收其他围岩等级的优点，应尽量与我国其他工程等级一致。(2)等级的指标和要素主要考虑了以下种类影响围岩稳定性的因素1 .岩体的结构特征和完整性岩体结构的完整状态是影响围岩稳定性的主要因素，现在主要由表5.1.2区分，风化作用使岩体结构发生变化

15、，在松、破碎、硬软不暂时的情况下，风化作用结合各种情况，应综合考虑围岩结构的完整状态的结构面(节理)的发生表5.1.2岩体完整性的等级划分等级结构面的发育程度地质构造的影响度完整性不发育很轻比较完整发育而不发育。比较严重轻微易碎。发育比较发育严重，严重打碎极发育发育极其重大而重大极其破碎极为发达极其严重。表5.1.3围岩构造面(节理)发育程度等级划分等级结构面(节理)发育程度结构面(节理)组数和平均间距(m )主要结构面(节理)的类型岩体结构类型不发育一两对平均间距1.0是原生型或结构型的密闭巨大的块状结构比较发达。23组平均间距0.4呈x形，规则，以结构型为中心多数密闭部分微张，填充物少大块状结构发育三班平均间距0.4不规则，呈x形或米形的结构型或风化型为主，大部分开口，部分有填充物石块和碎石状发育良好三班，杂乱