第四章 隧道圍巖分級及圍巖壓力(陳秋南)

『第四章▎隧道圍巖分級及圍巖壓力4『4.1▎巖石的地質特征『4.2▎巖體的物理、力學性質『4.3▎隧道圍巖分級隧道工程SUIDAOGONGCHENG『4.4▎圍巖壓力計算

巖石是由具有一定結構構造的礦物（含結晶和非結晶的）集合體組成的。巖石的力學性質主要取決于組成巖石的礦物成分及其相對含量。一般來說，含硬度大的粒柱狀礦物（如石英、長石、角閃石、輝石等）越多，則巖石強度越高；含硬度小的片狀礦物（如云母、綠泥石、蒙脫石和高嶺石等）越多時，則巖石強度越低?！?.1▎巖石的地質特征『4.1.1▎巖石的物質組成

隧道圍巖指隧道周圍一定范圍內(nèi)，對隧道穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響的巖（土）體。隧道圍巖分級是正確進行隧道設計計算及施工組織的基礎。常見的硅酸鹽類礦物有長石、輝石、角閃石、橄欖石及云母和粘土礦物等。這類礦物除云母和粘土礦物外，硬度大，呈粒、柱狀晶形。因此，含這類礦物多的巖石如花崗巖、閃長巖及玄武巖等，強度高，抗變形性能好。但該類礦物在各種風化用力下，易風化成高嶺石、水云母等。長石輝石角閃石橄欖石云母云母

粘土礦物屬層狀硅酸鹽礦物，主要有高嶺石、水云母及蒙脫石三類，具薄片狀或鱗片狀構造，硬度小，含這類礦物多的巖石如粘土巖、粘土質巖，物理力學性質差，并具有不同程度的脹縮性。蒙脫石←高嶺石碳酸鹽類礦物是石灰?guī)r和白云巖類的主要造巖礦物。巖石的物理力學性質取決于巖石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量越高，如純灰?guī)r、白云巖等強度高、抗變形和抗風化性能都比較好。泥質含量高的，如泥質炭巖等，力學性質較差?！?guī)r白云巖氧化物類礦物以石英最常見，是地殼巖石的主要造巖礦物，呈等軸晶系，硬度大，化學性質穩(wěn)定。因此，一般隨石英含量增加，巖石的強度和抗變形性能都明顯增強。石英巖石英巖

巖石的礦物組成與其成因類型密切相關。

巖漿巖多以硬度大的粒柱狀硅酸鹽、石英等礦物為主，所以其巖石物理力學性質一般都很好。

沉積巖中的粗碎屑巖如砂礫巖等。其碎屑多為硬度大的粒柱狀礦物，巖塊的力學性質除與碎屑成分有關外，在很大程度上取決于膠結物成分及其類型。細碎屑巖如頁巖、泥巖等，礦物成分多以片狀的粘土礦物為主，其巖石力學性質一般很差。

變質巖的礦物組成與母巖類型及變質程度有關，淺變質巖如千枚巖、板巖等多含片狀礦物（如絹云母、綠泥石及粘土礦物等），巖塊力學性質較差。深變質巖如片麻巖、混合巖、石英巖等，多以粒柱狀礦物（如長石、石英、角閃石等）為主，其巖塊力學性質較好?！?.1.2▎巖石的結構構造

巖石的結構是指巖石內(nèi)礦物顆粒的大小、形狀和排列方式及微結構面發(fā)育情況與粒間連結方式等反映在巖石構成上的特征。巖石的粒間連結結晶連結膠結連結結晶連結是礦物顆粒通過結晶相互嵌合在一起，它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸，一般強度較高。等粒結構的巖塊強度比非等粒結構的高，且抗風化能力強。在等粒結構中，細粒結構巖石強度比粗粒結構的高。在斑狀結構中，具細?；|的巖石強度比玻璃基質的高。

膠結連結是礦物顆粒通過膠結物連結在一起，如碎屑巖等具這種連結方式，膠結連結的巖石強度取決于膠結物成分及膠結類型。一般來說，硅質膠結的巖塊強度最高；鈣鐵質膠結的次之；泥質膠結的巖塊強度最低，且抗水性差。從膠結類型來看，基底式膠結的巖塊強度最高，孔隙式膠結的次之，接觸式膠結的最低。a)基底膠結b)孔隙膠結c)接觸膠結

微結構面是指存在于礦質顆粒內(nèi)部或顆粒間的軟弱面或缺陷，包括礦物解理、晶格缺陷、粒間空隙、微裂隙、微層面及片理面、片麻理面等。它們的存在不僅降低了巖塊的強度，還往往導致巖塊力學性質有明顯的各向異性。

巖石的構造是指礦物集合體之間及其與其他組分之間的排列組合方式。如巖漿巖中的流線、流面構造。沉積巖中的微層狀構造，變質巖中的片狀構造及其定向構造等。這些都可使巖石物理力學性質復雜化?！?.1.3▎巖石的風化程度

風化作用可以改變巖石的礦物組成和結構構造，進而改變巖石的物理力學性質。巖石的風化程度分類見表4-1?！?lt;0.2組織結構全部破壞，已風化成土狀，鍬鎬易挖掘，干鉆易鉆進，具可塑性殘積土—0.2~0.4結構基本破壞，但尚可辨認，有殘余結構強度，可用鎬挖，干鉆可鉆進全風化<0.40.4~0.6結構大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙很發(fā)育，巖體破碎，用鎬可挖，干鉆不易鉆進強風化0.4~0.80.6~0.8結構部分破壞，沿節(jié)理面有次生礦物，風化裂隙發(fā)育，巖體被切割成塊狀，用鎬難挖，巖芯鉆方可鉆進弱風化0.8~0.90.8~0.9結構基本未變，僅節(jié)理面有渲染或略有變色，有少量風化裂隙微風化0.9~1.00.9~1.0巖質新鮮，偶見風化痕跡未風化風化系數(shù)波速比風化程度參數(shù)指標野外特征風化程度表4-1巖石風化程度分類表『4.1.4▎巖體的結構類型

巖體是指在地質歷史過程中形成的，由巖石單元體（或稱巖塊）和結構面網(wǎng)絡組成的，具有一定的結構并賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質環(huán)境中的地質體。具有一定的結構是巖體的顯著特征之一。由于組成巖體的巖性、遭受的構造變動及次生變化的不均一性，導致了巖體結構的復雜性。為概括地反映巖體中結構面和結構體的成因、特征及其排列組合關系，將巖體結構劃分為5大類。各類結構巖體的基本特征見表4-2。由表可知，不同結構類型的巖體，其巖石類型、結構體和結構面的特征不同，巖體的工程地質性質與變形破壞機理也都不同。不穩(wěn)定結構可能產(chǎn)生滑塌。特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形接近均一的各向異性體、其變形及強度特征受層面及巖層組合控制?？梢暈閺椝苄泽w，穩(wěn)定性較差有層理、片理、節(jié)理、常有層間錯動面層狀板狀多韻律的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質巖層狀結構整體強度較高、結構面互相牽制。巖體基本穩(wěn)定，接近彈性各向同性體只具有少量貫穿性較好的節(jié)理型隙，裂隙結構面間距0.7～1.5m。一般為2～3組，有少量分離體塊狀柱狀厚層狀沉積巖、正變質巖、塊狀巖漿巖、變質巖塊狀結構不穩(wěn)定結構的局部滑動或坍塌洞室的巖爆整體性強度高，巖體穩(wěn)定，可視為均質彈性各向同性以原生構造節(jié)理為主，多呈閉合型，裂隙結構面間距大于2.5m，一般不超過1～2組，無危險結構面組成的落石掉塊巨塊狀均質，巨塊狀巖漿巖、變質巖，巨厚層沉積巖、正變質巖整體塊狀結構可能發(fā)生的巖土工程問題巖土工程特征結構面發(fā)育情況主要結構體形狀巖體地質類型巖體結構類型表4-2巖體結構類型劃分表易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)、地下水加劇巖體失穩(wěn)完整性遭到極大破壞。穩(wěn)定性極差，巖體屬性接近松散體介質斷層破碎帶交叉。構造及風化裂隙密集、結構面及組合錯綜復雜，并多充填粘性土，形成許多大小不一的分離巖塊碎屑狀顆粒狀構造影響劇烈的斷層破啐帶，強風化帶、全風化帶散體狀結構易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)、地下水加劇巖體失穩(wěn)完整性破壞較大，整體強度很低，并受斷裂等軟弱結構面控制，多呈彈塑性介質。穩(wěn)定性很差斷層、斷層破碎帶、片理、層理及層間結構面較發(fā)育。裂隙結構面間距0.25~0.5m。一般在3組以上，由許多分離體碎塊狀構造影響嚴重的破碎巖層碎裂狀結構可能發(fā)生的巖土工程問題巖土工程特征結構面發(fā)育情況主要結構體形狀巖體地質類型巖體結構類型(續(xù))表4-2巖體結構類型劃分表『4.2▎巖石的物理力學性質『4.2.1▎巖石的物理性質巖石重度是指單位體積內(nèi)巖石的重量，單位為kN/m3。1．巖石的重度

(4-1)式中γ——巖石重度（kN/m3）；

W——巖石試件的重量（kN）；V——試件的體積（m3）。巖石重度按其試件的含水狀態(tài)，又分為干重度（γd）、天然重度（γ）和飽和重度（γsat），在未指明含水狀態(tài)時一般是指巖石的天然重度，常見巖石的天然重度見表4-3。0.24~0.740.5~3.20.4~10.023.0~26.2頁巖0.65~0.970.2~9.01.6~28.022.0~27.1砂巖0.50~0.960.3~2.40.8~10.024.0~26.6礫巖0.3~0.950.3~2.80.5~7.225.0~31.0玄武巖0.60~0.800.3~5.00.2~0.525.2~29.6閃長巖0.72~0.970.1~0.40.4~0.523.0~28.0花崗巖軟化系數(shù)ηc吸水率wa(%)空隙率n（%）巖石重度γ/（kN/m3）巖石類型表4-3常見巖石的物理性質指標表0.94~0.960.1~1.50.1~8.724.0~28.0石英巖0.39~0.520.1~0.30.1~0.523.0~28.0泥質板巖0.44~0.840.1~0.30.7~3.021.0~27.0石英片巖0.75~0.970.1~0.70.7~2.223.0~30.0片麻巖0.65~0.940.1~3.00.3~25.021.0~27.0白云巖0.44~0.540.5~3.01.0~10.021.0~27.0泥灰?guī)r0.70~0.940.1~4.50.5~27.023.0~27.7石灰?guī)r巖石類型表4-3常見巖石的物理性質指標表(續(xù))軟化系數(shù)ηc吸水率wa(%)空隙率n（%）巖石重度γ/（kN/m3）巖石中的孔隙及裂隙統(tǒng)稱為巖石的空隙。有開型空隙和閉型空隙之分。與此相對應，可把巖石的空隙率分為總空隙率（n）、開空隙率（no）及閉空隙率（nc）幾種，各自的含義如下：2．巖石的空隙性

(4-2)(4-3)(4-4)式中V、Vv、Vvo、Vvc分別表示巖石試件的體積及試件中空隙的總體積、開空隙體積及閉空隙體積。一般巖石空隙率系指總空隙率，常見巖石的空隙率見表4-3。一般來說，空隙率愈大，巖石的強度愈小、塑性變形和滲透性質進一步惡化。巖石在一定的試驗條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。常用吸水率與飽水系數(shù)指標表示。3．巖石的吸水性

巖石的吸水率（wa）是指巖石試件在一個大氣壓和室溫條件下自由吸入水的重量（Ww1）與巖樣干重量（Ws）之比的百分率，即(4-5)巖石的吸水率大小主要取決于巖石中空隙和裂隙的數(shù)量、大小及其開啟程度，同時還受到巖石成因、時代及巖性的影響。常見巖石的吸水率見表4-3。

巖石的飽和吸水率（wsa）是指巖石試件在高壓（一般壓力15MPa）或真空條件下吸入水的重量（Ww2）與巖樣干重量（Ws）之比的百分率，即(4-6)巖石的飽和吸水率是表示巖石物理性質的一個重要指標。它反映了巖石總開空隙的發(fā)育程度，可間接地用它來判定巖石的抗風化能力和抗凍性。

飽水系數(shù)是指巖石的吸水率與飽和吸水率的比值。巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性，用軟化系數(shù)（ηc）表示。即巖石試件的飽和抗壓強度（Rc）與干抗壓強度（σc）的比值，即:4．巖石的軟化性

(4-7)巖石的軟化性取決于巖石的礦物組成與空隙性，常見巖石的軟化系數(shù)見表4-3，由表可知，巖石均具有不同程度的軟化性。一般認為，軟化系數(shù)ηc<0.75的巖石是軟化性較強和工程地質性質較差的巖石?！?.2.2▎巖石的強度性質巖石抵抗外力破壞的能力稱為巖石的強度根據(jù)破壞時的應力類型，巖石的破壞有拉破壞、剪切破壞和流動三種基本類型。由于受力狀態(tài)的不同，巖石的強度也不同，如單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、剪切強度、三軸壓縮強度等等。1．單軸抗壓強度

在單向壓縮條件下，巖石能承受的最大壓應力，稱為單軸抗壓強度，簡稱抗壓強度?？箟簭姸仁欠从硯r石基本力學性質的重要參數(shù)，與抗拉強度和剪切強度之間有著一定的比例關系。表4-4列出了常見巖石幾種強度與抗壓強度的比值。0.1760.06-0.11石英巖0.090.080.02-0.08花崗巖0.2720.08-0.226大理巖0.150.08-0.100.01-0.067石灰?guī)r0.06-0.190.06-0.440.02-0.17砂巖0.1-0.240.33-0.5450.09-0.18砂質頁巖0.22-0.510.25-0.480.06-0.325頁巖抗彎強度抗剪強度抗拉強度與抗壓強度的比值巖石名稱表4-4巖石的幾種強度與抗壓強度比值巖塊的抗壓強度通常是采用標準試件在壓力機上加軸向荷載，直至試件破壞。如設試件破壞時的荷載為Pc（N），橫斷面面積為A(mm2)，則巖石的單軸抗壓強度Rc(MPa)為：(4-8)除抗壓試驗外，還可用點荷載試驗和不規(guī)則試件的抗壓試驗間接的求巖石的Rc。如用點荷載試驗求Rc時，常用如下的經(jīng)驗公式換算：(4-9)式中Is(50)為直徑為50mm標準試件的點荷載強度。15-3035-507-20100-250大理巖2-2045-607-1560-200板巖20-5035-5015-2580-250白云巖3-530-505-2050-200片麻巖10-5035-505-2050-200石灰?guī)r20-6050-6010-30150-350石英巖8-5035-502-1510-150礫巖20-6048-5510-30150-300玄武巖8-4035-504-2520-200砂巖10-5045-6015-30180-300流紋巖3-2015-302-1010-100頁巖14-5045-607-25100-250花崗巖巖石名稱內(nèi)聚力C/MPa摩擦角Ф(°)抗拉強度Rt/MPa抗壓強度Rc/MPa巖石名稱表4-5常見巖石的強度指標值內(nèi)聚力C/MPa摩擦角Ф(°)抗拉強度Rt/MPa抗壓強度Rc/MPa巖石的抗壓強度受一系列因素影響和控制。一是巖石本身性質方面的因素，如礦物組成、結構構造（顆粒大小、連結結構發(fā)育特征等）、密度及風化程度等；二是試驗條件方面的因素，主要包括試件的幾何形狀及加工精度、加荷速率、端面條件、試驗溫度及濕度等。2．三軸抗壓強度

試件在三向壓應力作用下能抵抗的最大的軸向應力，稱為巖石的三軸壓縮強度。在一定的圍壓σ3下，對試件進行三軸試驗時，如設試件破壞時的荷載為Pm(N)，橫斷面面積為A(mm2)，巖石的三軸壓縮強度σ1m(MPa)為：(4-10)根據(jù)一組試件（4個以上）試驗得到三軸壓縮強度σ1m和相應的圍壓σ3，在σ-τ坐標系中可繪制出一組破壞應力圓及其公切線，即得巖石的強度包絡線（圖4-1）。包絡線與σ軸的交點，稱為包絡線的頂點，除頂點外，包絡線上所有點的切線與σ軸的夾角及其在τ軸上的截距分別代表相應破壞面的內(nèi)摩擦角(φ)和內(nèi)聚力(C)。當圍壓不大時，巖石的強度包絡線常可近似地視為一直線，據(jù)此，可求得巖石強度參數(shù)σ1m、C、φ與圍壓σ3間的關系為：στOσccσcσ1σ1σ3σ3σ1φ2φ圖4-1巖石莫爾強度包絡線(4-11)『4.2.3▎巖石的變形性質巖石變形性質可用巖石變形試驗所得到的應力-應變-時間關系及變形模量、泊松比等參數(shù)來表示。彈性變形巖石變形塑性變形流變變形在剛性壓力機上進行試驗時，在單軸連續(xù)加載條件下對巖石試件進行變形試驗，可得到各級荷載下的軸向應變()、橫向應變()及其體積應變()。通過這些數(shù)據(jù)可繪制出反映巖石變形特征的應力-應變?nèi)^程曲線（圖4-2）。據(jù)此可將巖石變形過程劃分成不同的階段。Lede壓縮擴容εσvdεLDⅣCⅡBAⅠABCOⅠⅡⅢⅢ圖4-2巖石應力-應變?nèi)^程曲線εε

孔隙裂隙壓密階段(OA段)：即試件中原有張開性結構面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非線性變形。σ—e曲線呈上凹型，表明微裂隙的閉合開始較快，隨后逐漸減慢。本階段變形對裂隙巖石來說較明顯，而對堅硬少裂隙的巖石則不明顯，甚至不顯現(xiàn)。彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段(AC段)：該階段的σ-eL曲線呈近似直線關系，而σ-ev曲線開始（AB段）為直線關系，隨σ增加逐漸變?yōu)榍€關系，又可細分彈性變形階段（AB段）和微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（BC段）。彈性變形階段不僅變形隨應力成比例增加，而且在很大程度上表現(xiàn)為可恢復的彈性變形，B點的應力可稱為彈性極限。微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段的變形主要表現(xiàn)為塑性變形，由于微破裂的出現(xiàn)，試件體積壓縮速率減緩，σ-eL曲線偏離直線向縱軸方向彎曲。這一階段的上界應力（C點應力）稱為屈服極限。

非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（或稱累進性破裂階段）(CD段)：進入本階段后，微破裂的發(fā)展出現(xiàn)了質的變化。由于破裂過程中所造成的應力集中效應顯著，若使外荷載保持不變，破裂仍會不斷發(fā)展，并在某些薄弱部位首先破壞，應力重新分布，依次引起次薄弱部位的破壞，直至試件完全破壞。試件由體積壓縮轉為體積膨脹，軸向應變和體積應變速率迅速增大，試件承載能力達到最大，本階段的上界應力稱為峰值強度或單軸抗壓強度。破壞后階段（D點以后段）：巖石承載力達到峰值后，其內(nèi)部結構完全破壞，但試件仍基本保持整體狀。本階段裂隙快速發(fā)展、交叉且相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面，此后，巖石變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，試件承載力隨變形增大迅速下降。根據(jù)各類應力-應變曲線，可以確定巖石的變形模量和泊松比等變形參數(shù)。變形模量是指單軸壓縮條件下，軸向壓應力與軸向應變之比，其確定方法如圖4-3。σLεεiσiiσiεE=OPPAΔLσ=APε=ΔLLεLσOiεiσσ150σ2σε2ε50ε1EitEEsa)b)圖4-3巖石變形模量確定方法示意圖L當巖石應力-應變?yōu)橹本€關系時(圖4-3a)，巖石的變形模量E(Mpa)為：(4-12)式中σi、ei，分別為應力-應變曲線上任一點i的軸向應力（MPa）和軸向應變。當應力-應變?yōu)榉侵本€關系時，巖石的變形模量為一變量（圖4-3b），即不同應力段上的變形量不同。常用的有如下幾種。1)初始模量(Ei)指曲線原點處的切線斜率，即:(4-13)2)切線模量(Et)指曲線上任一點處切線的斜率，一般特指中部直線段的斜率，即(4-14)3)割線模量(Es)指曲線某特定點與原點連線的斜率，通常取σc/2處的點與原點連線的斜率，即(4-15)

泊松比（m）是指在單軸壓縮條件下，橫向應變（ed）與軸向應變eL之比，即(4-16)巖石的變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結構構造、風化程度、空隙性、含水率、微結構面及其與荷載方向的關系等多種因素的影響，變化較大。當垂直于層理、片理等微結構面方向加荷時，變形模量最小，而平行微結構面加荷時，其變形模量最大。兩者的比值，沉積巖一般為1.08～2.05；變質巖為2.0左右。表4-6列出了常見巖石的變形模量和泊松比的經(jīng)驗值。0.2~0.351~91~9大理巖0.2~0.32~82~5板巖0.2~0.354~84~8白云巖0.22~0.351~101~8片麻巖0.2~0.355~101~8石灰?guī)r0.1~0.256~206~20石英巖0.2~0.32~80.5~8礫

巖0.1~0.356~126~10玄武巖0.2~0.31~100.5~8砂巖0.1~0.255~102~8流紋巖0.2~0.42~81~3.5頁巖0.2~0.35~102~6花崗巖彈性初始彈性初始泊松比變形模量/104MPa巖石名稱泊松比變形模量/104MPa巖石名稱表4-6常見巖石的變形模量和泊松比

還有一些從不同角度反映巖石變形性質的參數(shù)。如剪切模量（G）、彈性抗力系數(shù)（K）、拉梅常數(shù)（λ）及體積模量（KV）等。這些參數(shù)與變形模量（E）及泊松比（μ）之間有如下關系:(4-17)(4-18)(4-19)(4-20)式中R0——為地下洞室半徑。『4.2.3▎巖石的蠕變?nèi)渥兯神Y彈性后效巖石的流變在應力為恒定的情況下巖石變形隨時間發(fā)展的現(xiàn)象。指在形變保持恒定的情況下巖石應力隨時間而減少的現(xiàn)象。指在卸載過程中彈性應變滯后于應力的現(xiàn)象。巖石的性質不同，巖石的蠕變性質也有所不同，通常用蠕變曲線（ε-t曲線）來表示。巖石的蠕變曲線具有兩種典型形式，即穩(wěn)定蠕變和不穩(wěn)定蠕變。圖4-4為幾種巖石的典型蠕變曲線。ε(10)-6t/104s0246810122468花崗巖砂巖頁巖圖4-4在10Mpa的常應力及常溫下幾種巖石的典型蠕變曲線軟弱巖石的典型蠕變曲線可分為三個階段（圖4-5）。第I階段（AB段）稱作初始蠕變段：初始應變速率最大，隨后則逐漸減小，應變與時間大致呈對數(shù)關系，即ε∝lgt；第II階段(BC段)：變形緩慢，應變與時間近于線性關系，也稱等速蠕變段或穩(wěn)定蠕變段；第III階段(C點以后)：應變速率迅速增加，變形無限發(fā)展，直致巖石產(chǎn)生破壞，稱為加速蠕變段。tεBACD圖4-5軟弱巖石典型的蠕變曲線OIIIIII

巖石的蠕變還受其承受的應力大小影響。同一種巖石，所承受的恒定荷載不同，可能發(fā)生穩(wěn)定蠕變，也可能發(fā)生不穩(wěn)定蠕變。顯然，由穩(wěn)定蠕變向不穩(wěn)定蠕變的轉化，其間必然存在一臨界荷載，當荷載小于這個臨界荷載時，巖石不會發(fā)展到蠕變破壞；而大于這個臨界荷載時，巖石會持續(xù)變形，并發(fā)展到破壞。這個臨界荷載即巖石的長期強度，對工程很有意義。對于隧道工程，工作面開挖后，及時對圍巖進行錨噴支護，一般不允許出現(xiàn)不穩(wěn)定變形，在正常情況下，隧道圍巖的變形類似于圖4-4中砂巖的變形曲線。隧道開挖后圍巖變形初始速率最大，以后逐漸減小，應變與時間關系曲線呈上凸形。隨著變形速率的遞減，圍巖的變形越來越小，一般認為，當變形速率小于0.1mm/d時，圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)?！?.3▎隧道圍巖分級『4.3.1▎現(xiàn)行公路隧道圍巖分級方法

現(xiàn)行《公路隧道設計規(guī)范》（JTGD70-2004）規(guī)定隧道圍巖分級的綜合評判方法采用兩步分級。首先，根據(jù)巖石的堅硬程度和巖體完整程度兩個基本因素的定性特征和定量巖體基本質量指標BQ，進行初步分級。然后，考慮修正因素的影響（如：地下水、軟弱結構面產(chǎn)狀、初始應力狀態(tài)等），修正巖體基本質量指標值，按修正后的巖體基本質量指標[BQ]，結合巖體的定性特征綜合評判，確定圍巖的詳細分級（表4-7）。軟塑狀粘性土及潮濕、飽和粉細砂層、軟土等Ⅵ一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍濕至潮濕的碎石土，卵石土、圓礫、角礫土及黃土（Q3、Q4）。非粘性土呈松散結構，粘性土及黃土呈松軟結構≤250較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎~破碎；極破碎各類巖體，碎、裂狀，松散結構Ⅴ土體：1壓密或成巖作用的粘性土及砂性土；2黃土（Q1、Q2）；3一般鈣質、鐵質膠結的碎石土、卵石土、大塊石土350~251堅硬巖，巖體破碎，碎裂結構；較堅硬巖，巖體較破碎~破碎，鑲嵌碎裂結構；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整~較破碎，中薄層狀結構Ⅳ450~351堅硬巖，巖體較破碎，巨塊（石）碎（石）狀鑲嵌結構；較堅硬巖或較軟巖，巖體較完整，塊狀或中厚層結構Ⅲ550~451堅硬巖，巖體較完整，塊狀或厚層狀結構；較堅硬巖，巖體完整，塊狀整體結構Ⅱ>550堅硬巖，巖體完整，整體狀或巨厚層狀結構Ⅰ圍巖基本質量指標BQ或修正的圍巖基本質量指標[BQ]圍巖或土體主要定性特征圍巖級別表4-7公路隧道圍巖分級注：本表不適用于特殊條件的圍巖分級，如膨脹性圍巖、多年凍土等。1.巖石的強硬程度巖石堅硬程度定量指標用巖石單軸飽和抗壓強度Rc表達。Rc一般采用實測值，若無實測值時，可采用實測的巖石點荷載強度指數(shù)IS(50)來換算（式4-9）。巖石堅硬程度的劃分見表4-8。1）弱風化的堅硬巖；2）未風化~微風化的熔結凝灰?guī)r、大理巖、板巖、白云巖、石灰?guī)r、鈣質膠結的砂頁巖等錘擊聲較清脆，有輕微回彈，稍震手，較難擊碎；浸水后有輕微吸水反應60~30較堅硬巖未風化~微風化的花崗巖、正長巖、閃長巖、輝綠巖、玄武巖、安山巖、片麻巖、石英片巖、硅質板巖、石英巖、硅質膠結的礫巖、石英砂巖、硅質石灰?guī)r等錘擊聲清脆，有回彈，震手，難擊碎；浸水后大多無吸水反應>60堅硬巖硬質石代表性巖石定性鑒定Rc/MPa名稱表4-8巖石堅硬程度劃分表1)全風化的各種巖石；2)各種半成巖錘擊聲啞，無回彈，有較深凹痕，手可捏碎；浸水后可捏成團<5極軟巖1）強風化的堅硬巖；2）弱風化~強風化的較堅硬巖；3）弱風化的較軟巖；4）未風化的泥巖等錘擊聲啞，無回彈，有凹痕，易擊碎；浸水后手可掰開15~5軟巖1）強風化的堅硬巖；2）弱風化的較堅硬巖；3）未風化~微風化的熔結凝灰?guī)r、千枚巖、砂質泥巖、泥灰?guī)r、泥質砂巖、粉砂巖、頁巖等錘擊聲不清脆，無回彈，較易擊碎；浸水后指甲可刻出印痕30~15較軟巖軟質石代表性巖石定性鑒定Rc/MPa名稱(續(xù))注：表中巖石的風化程度劃分見表4-1。表4-8巖石堅硬程度劃分表

Kv=(vpm/vpr)2

(4-21)式中vpm——巖體彈性縱波速度（km/s）；vpr——巖石彈性縱波速度（km/s）。Kv一般用彈性波探測值，若無探測值時，可用巖體體積節(jié)理數(shù)對應的值。巖體完整程度的劃分見表4-9。2.巖體的完整程度

巖體完整程度的定量指標用巖體完整性系數(shù)Kv(巖體彈性縱波速度與巖石縱波速度比值的平方)表達:散體狀結構很差無序>35<0.15極破碎碎裂狀結構一般或差<0.2裂隙塊狀結構各種類型結構面差0.4~0.2>320~350.35~0.15破碎中、薄層狀結構一般鑲嵌碎裂結構好0.4~0.2>3裂隙塊狀或中厚層結構節(jié)理、裂隙、層面、小斷層差1.0~0.42~310~200.55~0.35較破碎塊狀結構好或一般1.0~0.42~3塊狀或巨厚層狀結構節(jié)理、裂隙、層面差>1.01~23~100.75~0.55較完整整體狀或巨厚層結構節(jié)理、裂隙、層面好或一般>1.01~2<3>0.75完整平均間距/m組數(shù)相應結構類型主要結構面類型主要結構面的結合程度結構面發(fā)育程度Jv/(條/m3)Kv名稱表4-9巖體完整程度劃分表注：平均間距指主要結構面（1-2組）間距的平均值；結構類型劃分見表4-2。3.圍巖基本質量指標

圍巖基本質量指標[BQ]應根據(jù)分級因素的定量指標Rc值和Kv值按下式計算：BQ=90+3Rc+250Kv

(4-22)

當Rc>90Kv+30時，以Rc=90Kv+30和Kv代入式(4-22)計算BQ值；當Kv>0.04Rc+0.4時，以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入式(4-22)計算BQ值。

當隧道圍巖處于高地應力區(qū)或圍巖穩(wěn)定性受軟弱結構面影響，且由一組起控制作用或有地下水作用時，應對巖體基本質量指標BQ進行修正，修正值[BQ]按下式計算：[BQ]=BQ–100（K1+K2+K3）(4-23)式中K1——地下水影響修正系數(shù)；K2——主要軟弱結構面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3——初始應力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

K1、K2、K3值可分別按表4-10~4-12確定，無表中所列情況時，修正系數(shù)取0。表4-10地下水影響修正系數(shù)K1

1.00.7~0.90.4~0.60.2淋雨狀或涌流狀出水，水壓>0.1MPa或單位出水量>10L/(min?m)0.7~0.90.4~0.60.2~0.30.1淋雨狀或涌流狀出水，水壓<0.1MPa或單位出水量<10L/(min?m)0.4~0.60.2~0.30.10潮濕或點滴狀出水≤250350~251450~351>450BQ地下水出水狀態(tài)0.2~0.40~0.20.4~0.6K2其它組合結構面走向與洞軸線夾角>60°，結構面傾角>75°結構面走向與洞軸線夾角<30°，結構面傾角30°~75°結構面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關系0.5~1.00.5~1.00.50.50.5高應力區(qū)1.0~1.51.0~1.51.0~1.51.01.0極高應力區(qū)<250350~251450~351550~451>550初始應力狀態(tài)表4-11主要軟弱結構面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2

表4-12初始應力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3

注：初始應力狀態(tài)根據(jù)表4-13判斷。BQ4~71)硬質巖：開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂縫較多，成洞性差；2)軟質巖：巖芯時有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時間較長，成洞性差高應力<41)硬質巖：開挖過程中有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差；2)軟質巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時間長，不易成洞極高應力Rc/σmax主要現(xiàn)象應力情況表4-13高初始應力地區(qū)圍巖在開挖過程中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象4.各級圍巖的物理力學參數(shù)及自穩(wěn)能力

各級圍巖的物理力學參數(shù)可按表4-14選用，結構面抗剪強度按表4-15選用；各級圍巖的自穩(wěn)能力根據(jù)表4-16作大致評判。30~40<0.2<200.4~0.5<1<10015~17Ⅵ40~500.05~0.220~270.35~0.451~2100~20017~20Ⅴ50~600.2~0.727~390.3~0.351.3~6200~50020~23Ⅳ60~700.7~1.539~500.25~0.36~20500~120023~25Ⅲ70~781.5~2.150~600.2~0.2520~331200~180025~27Ⅱ>78>2.1>60<0.2>331800~280026~28Ⅰ計算摩擦角φc(°)粘聚力C/MPa內(nèi)摩擦角φ(°)泊松比μ變形模量E/GPa彈性抗力系數(shù)k/(MPa/m)重度γ/(kN/m3)圍巖級別表4-14各級圍巖物理力學指標標準值注：1.本表數(shù)值不包括黃土地層。2.選用計算摩擦角時，不再計內(nèi)摩擦角和粘聚力。<0.05<13較堅硬巖及全部軟質巖，結合很差；軟質巖泥化層本身50.08~0.0519~13較堅硬~較軟巖，結合差~結合很差；軟巖，結合差；軟質巖的泥化面40.12~0.0829~19堅硬~較堅硬巖，結合差；較軟巖~軟巖，，結合一般30.22~0.1237~29堅硬~較堅硬巖，結合一般；較軟巖，結合好2>0.22>37堅硬巖，結合好1粘聚力C/MPa內(nèi)摩擦角φ(°)兩側巖體的堅硬程度及結構面的結合程度序號表4-15巖體結構面抗剪斷峰值強度無自穩(wěn)能力Ⅵ無自穩(wěn)能力，跨度5m或更小時，可穩(wěn)定數(shù)日Ⅴ跨度5m，一般無自穩(wěn)能力，數(shù)日~數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動變形、小塌方，進而發(fā)展為中~大塌方。埋深小時，以拱部松動破壞為主，埋深大時，有明顯塑性流動變形和擠壓破壞；跨度小于5m，可穩(wěn)定數(shù)日~1個月Ⅳ跨度10~20m，可穩(wěn)定數(shù)日~1個月，可發(fā)生小~中塌方；跨度5~10m，可穩(wěn)定數(shù)月，可發(fā)生局部塊體位移及小~中塌方；跨度5m，可基本穩(wěn)定Ⅲ跨度10~20m，可基本穩(wěn)定，局部可發(fā)生掉塊或小塌方；跨度10m，可長期穩(wěn)定，偶有掉塊Ⅱ跨度20m，可長期穩(wěn)定，偶有掉塊，無塌方Ⅰ自穩(wěn)能力圍巖級別表4-16隧道各級圍巖自穩(wěn)能力判斷注：1.小塌方：塌方高度<3m,或塌方體積<30m3。2.中塌方：塌方高度3~6m,或塌方體積30~100m3。3.大塌方：塌方高度>6m,或塌方體積>100m3?！?.3.2▎普氏圍巖分類法

普氏方法是以巖石強度指標為基礎的圍巖分類法。普氏認為：所有圍巖都不同程度地被節(jié)理、裂隙所切割，因此，可視圍巖為散粒體。但圍巖又不同于一般的散粒體，還存在不同程度的粘結力（內(nèi)聚力）。由這些假定出發(fā)，普氏提出了圍巖的堅固性系數(shù)（又叫似摩擦系數(shù)或普氏系數(shù)）的概念。圍巖堅固性系數(shù)fup值表達式為：(4-24)式中φ、φ0——圍巖的似摩擦角和內(nèi)摩擦角；τ、σ——圍巖的抗剪強度和剪切破壞時的正應力；

c——圍巖的粘聚力。

巖石的堅固性系數(shù)是一個說明圍巖條件性質（如強度、抗粘性、構造及地下水等）的籠統(tǒng)的指標。不同的巖石通常用不同的經(jīng)驗計算公式求得：

對于松散性巖石、土及砂質土：(4-25)

對于堅硬巖石：(4-26)

對于軟巖：(4-27)

對于粘土或黃土：(4-28)式中

fup——巖石堅固性系數(shù)；

Rc——巖石試件單軸飽和極限抗壓強度（MPa）；

φ——土體內(nèi)摩擦角；

c——土的粘結力。

普氏按fup值進行圍巖分類（表4-17）。普氏圍巖分類法較簡單，因為fup是巖石強度指標的一個反映，但普氏分類法沒有充分考慮圍巖體的構造因素及穩(wěn)定性。因此，圍巖的fup不僅由巖石強度決定，而應當是由巖體強度決定，即：

fup巖體＝k×fup巖石

(4-29)式中

k——考慮地質條件的修正系數(shù)（實質是折減系數(shù)）。0.2~0.30.4~0.80.5~0.63015~16濕砂、粘沙土、種植土、泥炭、輕型粘土0.60.2~0.30.8~1.50.6~1.24518密實粘土、堅硬的沖積土10.2~0.31.5~2.51.2~2.06018~20碎石土壤、破碎片石、粘結的卵石和碎石、硬化粘土1.50.3~0.42.5~42~36524軟片巖、軟石灰?guī)r、破碎砂巖、膠結的卵石、塊石土壤20.3~0.44~53~47025不堅硬的片石、密實的泥灰?guī)r、堅硬膠結的粘土30.3~0.45~7.54~67025~28堅硬的板巖、不堅硬的砂巖及石灰?guī)r，礫巖40.4~0.57.5~106~872°30＇25砂質片巖、片狀砂巖50.4~0.510~158~127524普通砂巖60.4~0.515~2512~208025堅硬的石灰?guī)r、大理巖，不堅硬的花崗巖≥8基層k2×105側向k1×105地層與襯砌間摩擦系數(shù)(側向)μ彈性壓縮系數(shù)/(kN/m3)似摩擦角Φ(°)重度γ/(kN/m3)地層代表名稱表4-17普氏按fup值的圍巖分類注：μ為圬工與圍巖間摩擦系數(shù)。fup『4.3.3▎太沙基圍巖分類法太沙基根據(jù)3.0m×3.0m斷面的坑道中實際量測資料，以坑道支護所需的地壓值為對象進行圍巖分類。泰沙基分類如表4-18所示。要用圓形支撐，激烈時采用可縮性支撐與(B+Ht)無關，一般達80m以上9．膨脹性地質條件有很大側壓，必要時修仰拱，推薦采用圓形支撐(2.10~4.50)(B+Ht)8．同上，但覆蓋層較厚有很大側壓，必要時修仰拱，推薦采用圓形支撐(1.10~2.10)(B+Ht)7．擠壓變形緩慢的巖層（覆蓋厚度中等）有一定側壓。由于漏水，隧道下部分變軟，支撐下部要作基礎。必要時可采用圓形支撐1.10(B+Ht)6．完全破碎的，但不受化學侵蝕的側壓很小或沒有(0.35~1.10)(B+Ht)5．裂隙較多，塊度小的巖層無側壓0.25B~0.35(B+Ht)4．有裂痕，塊度一般的巖層采用輕型支撐，荷載局部作用，變化不規(guī)則(0~0.25)B3．大塊，有一般節(jié)理的采用輕型支撐，荷載局部作用，變化不規(guī)則(0~0.5)B2．堅硬的，呈層狀或片狀的巖層當有掉塊或巖爆時，可設輕型支撐01．堅硬的，無損害的說明巖石荷載高度(m)巖層狀態(tài)表4-18太沙基圍巖分類表注：表中B、Ht分別為坑道寬度及高度。

由表4-17可見，太沙基分類是以巖體構造、巖體地質特征為依據(jù)進行分類的。圍巖的定性描述比較概括，每類圍巖都有一個相應的地壓范圍值。分類是以有水條件為基礎，當無水時，表中第4~7欄圍巖的地壓值要降低50%。目前，歐美各國的地下工程中，仍廣泛地采用泰沙基圍巖分類方法?！?.4▎圍巖壓力計算『4.4.1▎圍巖壓力及成拱作用1.圍巖壓力的概念

人們對圍巖壓力的認識是從開挖洞穴后圍巖的變形和坍塌的現(xiàn)象開始的。它是作用于隧道支撐或襯砌結構上的主要荷載之一。松動壓力形變壓力圍巖壓力由于圍巖變形受到與之密貼的支護如錨噴支護等的抑制，而使圍巖與支護結構共同變形過程中，圍巖對支護結構施加的接觸壓力。豎向壓力側向壓力由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結構上的壓力。

影響圍巖壓力的因素：圍巖的工程地質條件及水文地質條件、圍巖巖體的強度、隧道的埋置深度、圍巖壓力的時間效應、隧道斷面的形狀及尺寸、支護結構的特征和施工方法等等。2.圍巖壓力的產(chǎn)生

隧道開挖前，地層中各點的應力保持著相對的平衡，地層處于相對靜止狀態(tài)，稱為原始應力狀態(tài)。為了研究方便，僅考慮由上覆地層自重所形成的原始應力，并取深度H處的一個單元體來作應力分析（圖4-6）。該單元體受到三對大小相同、方向相反的壓力作用，因此該單元體處于力的平衡狀態(tài)和變形運動的相對靜止狀態(tài)。Hxσσyzσxyz地面圖4-6隧道開挖前任一點的應力狀態(tài)

在上覆地層自重作用下，豎直壓力Pz為：(4-30)式中γ——上覆地層的平均重度（kN/m3）；

H——從地面到單元體所處的深度(m)。

由于單元體的側向變形受到周圍地層的限制，便產(chǎn)生了側向壓力Px、Py：(4-31)式中ξ

——側壓力系數(shù)。

根據(jù)側向應變?yōu)榱愕臈l件，并把地層假定為各向同性的彈性體，可推導出ξ：(4-32)式中μ

——地層巖石的泊松比。

隧道開挖后，圍巖原來保持的平衡狀態(tài)受到破壞，由相對的靜止狀態(tài)變成顯著的運動狀態(tài)，由于圍巖在應力及應變方面開始了一個新的變化運動，出現(xiàn)了圍巖應力的重分布和圍巖向開挖空間的變形，力圖達到新的平衡。變形的大小取決于應力變化的大小和圍巖抵抗這些變形的能力。3.圍巖壓力的確定方法直接測量法經(jīng)驗法或工程類比法圍巖壓力確定方法理論估算法4.圍巖的成拱作用

隧道開挖后圍巖力學形態(tài)將經(jīng)歷“平衡—變形、破壞、坍塌—應力重分布——新的平衡”的過程，這種過程的最終產(chǎn)物就是人們所熟知的“坍落拱”或“平衡拱”（圖4-7）。其上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力，如同一個承載環(huán)一樣，并將荷載重力向側傳遞下去，這就是所謂圍巖的成拱作用。坍落拱Hh圖4-7圍巖的成拱作用M·M·普洛托季亞可諾夫從松散介質的極限平衡出發(fā)，認為坍落拱呈拋物線狀，其高度為：(4-33)式中

h——坍落拱高度(m)；b——隧道跨度的一般(m)；fup——普氏系數(shù)。我國現(xiàn)行隧道設計規(guī)范用數(shù)理統(tǒng)計的方法給出計算各級圍巖坍塌高度的經(jīng)驗公式：h=0.45×2S-1×[1+i(B-5)](4-34)式中S——圍巖級別；B——隧道寬度(m)；i——B每增減1m時圍巖壓力的增減率，以B=5m的圍巖垂直均布壓力為準，當B＜5m時，取i=0.2；當B＞5m時，取i=0.1?！?.4.2▎深埋隧道圍巖壓力計算1.松動壓力計算Ⅴ級及Ⅵ級圍巖產(chǎn)生的圍巖壓力一般為松動壓力，Ⅳ級圍巖當巖體結構面膠結不好時，也可能產(chǎn)生松動壓力。松動壓力包括垂直壓力及水平壓力，為了計算簡便，一般均按均布壓力計算。垂直壓力的計算公式如下：(4-35)式中q——垂直均布壓力（KN/m2）；γ——圍巖重度（kN/m3）；h——坍落拱高度（m），按式（4-34）計算。水平壓力可按表4-19確定：(0.5~1.0)q(0.3~0.5)q(0.15~0.3)q<0.15q0水平勻布壓力eⅥⅤⅣⅢⅠ、Ⅱ圍巖級別表4-19圍巖水平勻布壓力注：采用式(3-35)及表4-19計算深埋隧道圍巖壓力時，必須同時具備兩個條件，即：①H/B<1.7，式中H為隧道開挖高度，B為隧道開挖寬度；②不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧道。2.形變壓力計算Ⅳ級以下圍巖隧道開挖后變形的發(fā)展會持續(xù)較久的時間，噴射混凝土層將在同圍巖共同變形的過程中對圍巖提供支護，從而使圍巖保持穩(wěn)定。與此同時，噴層將受到來自圍巖的擠壓力，這種擠壓力由圍巖變形引起，常稱做“形變壓力”。圍巖與支護間形變壓力的傳遞是一個隨時間的推進而逐漸發(fā)展的過程。這類現(xiàn)象習稱時間效應。形變壓力可采用有限元法計算?！?.4.3▎淺埋隧道圍巖壓力計算1.淺埋或深埋隧道的確定淺埋和深埋隧道的分界，按荷載等效高度值，并結合地質條件、施工方法等因素綜合判定。荷載等效高度值的計算公式如下：Hp=(2~2.5)hq

(4-36)式中Hp——淺埋隧道分界深度（m）；hq——荷載等效高度(m)，；q為用式（4-35）算出的深埋隧道垂直均布壓力（kN/m2）；g為圍巖