隧道圍巖分級與圍巖壓力的確定方法

隧道圍巖分級與圍巖壓力的確定方法隧道圍巖的概念及其性質(zhì)影響圍巖穩(wěn)定性的因素隧道圍巖分級隧道圍巖壓力的確定方法1、隧道圍巖的概念及其性質(zhì)（1）隧道圍巖的概念（2）隧道圍巖的工程性質(zhì)（3）圍巖與隧道工程的相互關(guān)系1、隧道圍巖的概念及其性質(zhì)（1）隧道圍巖的概念定義:隧道開挖后其周圍產(chǎn)生應(yīng)力重分布范圍內(nèi)的巖（土）體隧道開挖后對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖(土)體。圍巖（6-10倍洞徑）1、隧道圍巖的概念及其性質(zhì)（1）隧道圍巖的概念注意幾個(gè)問題:圍巖≠巖體圍巖不是整個(gè)巖土體，是受隧道建設(shè)影響（工程意義上的影響）的那部分巖土體巖體≠巖石巖體=巖石+結(jié)構(gòu)面圍巖既可能是巖質(zhì)，也可能是土質(zhì)，或是二者混合體1、隧道圍巖的概念及其性質(zhì)（2）隧道圍巖的工程性質(zhì)物理性質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)（密度、容重等）孔隙指標(biāo)（孔隙率等）水理指標(biāo)（吸水率、含水率、飽水率等）其它指標(biāo)（膨脹性、軟化性、抗凍性等）力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（抗拉、抗剪、抗壓等）變形特性（壓縮變形、剪切變形、流變等）注意巖體和巖石性質(zhì)的差異1、隧道圍巖的概念及其性質(zhì)（2）隧道圍巖的工程性質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)（密度、容重等）

巖石單位體積(包括巖石中孔隙體積)的質(zhì)量和重量稱為密度和容重。

可分為：天然密度、飽和密度、干密度、顆粒密度等孔隙指標(biāo)（孔隙率、孔隙比）

巖石試樣中孔隙體積與試樣體積的百分比稱為孔隙率。

孔隙體積與固體體積的比值稱為孔隙比1、隧道圍巖的概念及其性質(zhì)（2）隧道圍巖的工程性質(zhì)水理指標(biāo)（含水率、吸水率、飽水率等）

含水率是天然狀態(tài)下巖石中水的重量與巖石干重量的百分比。

吸水率是干燥巖樣在室溫和一個(gè)大氣壓下吸入水的重量與巖石干重量的百分比。

飽水率是巖石在強(qiáng)制飽和狀態(tài)下巖樣的最大吸入水的重量與巖石干重量的百分比。

飽水系數(shù)是吸水率與飽水率的百分比。1、隧道圍巖的概念及其性質(zhì)（2）隧道圍巖的工程性質(zhì)其它物理指標(biāo)（膨脹性、抗?jié)B性、軟化性、抗凍性等）

膨脹性是巖石浸水后體積增大的性質(zhì)，用膨脹率和膨脹力衡量。

滲透性是在水壓力作用下，巖石孔隙和裂隙透過水的能力，用滲透系數(shù)衡量。

軟化性是巖石與水相互作用時(shí)強(qiáng)度降低的特性，用軟化系數(shù)衡量。

抗凍性是巖石抗凍融破壞的性能，用抗凍系數(shù)衡量。1、隧道圍巖的概念及其性質(zhì)（2）隧道圍巖的工程性質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（抗壓、抗拉、抗剪等）

巖石在荷載作用下破壞時(shí)承受的最大荷載應(yīng)力稱為強(qiáng)度。包括抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度等，其中以抗壓和抗剪為最為重要，很少考慮抗拉強(qiáng)度。變形指標(biāo)（壓縮、剪切、流變等）

影響因素十分復(fù)雜。包括作用力的大小和方式；巖石物理性質(zhì)，如礦物組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造；變形條件，如圍壓、溫度、孔隙壓力、時(shí)間、含水量等。1、隧道圍巖的概念及其性質(zhì)（3）圍巖與隧道工程的相互關(guān)系圍巖在隧道工程中具有三位一體特性:圍巖是修建隧道的介質(zhì)，是構(gòu)成隧道的基本材料和環(huán)境;圍巖是產(chǎn)生圍巖壓力的原因，是隧道結(jié)構(gòu)的荷載來源；圍巖同時(shí)可以分擔(dān)一部分圍巖壓力，還是承載結(jié)構(gòu)。1、隧道圍圍巖的概概念及其其性質(zhì)（3）圍巖與與隧道工工程的相相互關(guān)系系圍巖對隧隧道設(shè)計(jì)計(jì)施工的的影響:隧道開挖挖難易程程度;隧道開挖挖后的穩(wěn)穩(wěn)定程度度；隧道支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)承承受荷載載的大小小。2、影響隧隧道圍巖巖穩(wěn)定性性的因素素（1）影響因因素總攬攬（2）影響因因素詳解解2、影響隧隧道圍巖巖穩(wěn)定性性的因素素（1）影響因因素總攬攬自然因素素（地質(zhì)條條件）巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)面性性質(zhì)和空空間組合合特征巖石的力力學(xué)性質(zhì)質(zhì)初始地應(yīng)應(yīng)力場人為因素素（設(shè)計(jì)施施工因素素）隧道形狀狀和尺寸寸隧道埋深深地下水支護(hù)類型型和時(shí)間間施工方法法2、影響隧隧道圍巖巖穩(wěn)定性性的因素素（2）影響因因素詳解解1)巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)特征●破碎程度度：裂隙率、、裂隙間間距。巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)特征是指巖體體的破碎碎程度或或完整狀狀態(tài)。●完整狀態(tài)態(tài)：整塊狀、、大塊狀狀等。裂隙是廣廣義的：：包括層層理、節(jié)節(jié)理、斷斷裂及夾夾層等結(jié)結(jié)構(gòu)面。。2、影響隧隧道圍巖巖穩(wěn)定性性的因素素（2）影響因因素詳解解2)結(jié)構(gòu)面的的性質(zhì)和和空間組組合狀態(tài)態(tài)結(jié)構(gòu)面性性質(zhì)結(jié)構(gòu)面成成因結(jié)構(gòu)面光光滑程度度結(jié)構(gòu)面充充填狀態(tài)態(tài)結(jié)構(gòu)面規(guī)規(guī)模結(jié)構(gòu)面空空間組合合（相互互位置））結(jié)構(gòu)面密密集程度度2、影響隧隧道圍巖巖穩(wěn)定性性的因素素（2）影響因因素詳解解3)巖石的力力學(xué)性質(zhì)質(zhì)巖石的工工程性質(zhì)質(zhì)是多方方面的，，一般主主要指巖巖石的強(qiáng)強(qiáng)度或堅(jiān)堅(jiān)固性。。在巖體結(jié)結(jié)構(gòu)狀態(tài)態(tài)成為控控制圍巖巖穩(wěn)定的的主要因因素時(shí)，，強(qiáng)調(diào)巖巖石強(qiáng)度度意義是是不大的的。巖石強(qiáng)度度在完整整的巖體體中是起起主要作作用的。。2、影響隧隧道圍巖巖穩(wěn)定性性的因素素（2）影響因因素詳解解4)初始地應(yīng)應(yīng)力場●初始應(yīng)力力是隧道道圍巖變變形、破破壞的根根本作用用力。●已初步步將初始始應(yīng)力考考慮進(jìn)圍圍巖分級級之中。。在高的初初始應(yīng)力力場條件件下，圍圍巖級別別應(yīng)適當(dāng)當(dāng)降低。。2、影響隧隧道圍巖巖穩(wěn)定性性的因素素（2）影響因因素詳解解5)地下水●使巖質(zhì)軟軟化，強(qiáng)強(qiáng)度降低低，對軟軟巖尤為為明顯，，對土體體則可促促使其液液化或流流動(dòng)；●有軟軟弱結(jié)構(gòu)構(gòu)面的圍圍巖，會(huì)會(huì)沖走充充填物或或使夾層層液化，，減少層層間摩阻阻力促使使巖塊滑滑動(dòng)；●在某某些圍巖巖中，如如石膏、、巖鹽和和蒙脫石石為主的的粘土巖巖中，遇遇水后產(chǎn)產(chǎn)生膨脹脹，在未未膠結(jié)或或弱膠結(jié)結(jié)的砂巖巖中可產(chǎn)產(chǎn)生流砂砂和潛蝕蝕。2、影響隧隧道圍巖巖穩(wěn)定性性的因素素（2）影響因因素詳解解6)隧道形狀狀和尺寸寸形狀方面面（一般般情況））:圓形斷面面受力較較好，穩(wěn)穩(wěn)定性好好；高度跨度比比（簡稱高高跨比）越越大越容易易穩(wěn)定；斷面圓順可可以避免應(yīng)應(yīng)力集中，，有利于圍圍巖穩(wěn)定；；特殊地應(yīng)力力狀態(tài)則需需要具體分分析。尺寸方面:斷面越大，，穩(wěn)定性越越差2、影響隧道道圍巖穩(wěn)定定性的因素素（2）影響因素素詳解7)隧道埋深埋深較淺時(shí)時(shí)，隨著埋埋深的增加加，隧道由由淺埋逐步步進(jìn)入深埋埋，圍巖自自穩(wěn)能力增增大；埋深很大時(shí)時(shí)，隨著埋埋深的增加加，初始應(yīng)應(yīng)力場隨之之增大，可可能出現(xiàn)巖巖爆、大變變形問題，，圍巖穩(wěn)定定性可能下下降。2、影響隧道道圍巖穩(wěn)定定性的因素素（2）影響因素素詳解8)支護(hù)類型和和時(shí)間較早支護(hù)較遲支護(hù)2、影響隧道道圍巖穩(wěn)定定性的因素素（2）影響因素素詳解9)施工方法開挖方法與與擾動(dòng)強(qiáng)度度普通爆破法法、控制爆爆破法；礦山法、盾盾構(gòu)法或掘掘進(jìn)機(jī)；斷面劃分與與擾動(dòng)次數(shù)數(shù)大斷面、小小斷面；分部開挖。。3、隧道圍巖巖分級（1）圍巖分級級的目的（2）圍巖分級級的發(fā)展及及類型（3）鐵路和公公路隧道圍圍巖分級3、隧道圍巖巖分級（1）圍巖分級級的目的圍巖分級的的目的①作為選選擇施工方方法的依據(jù)據(jù)；②進(jìn)行科科學(xué)管理及及正確評價(jià)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益益；③確定結(jié)結(jié)構(gòu)上的荷荷載；④給出襯襯砌結(jié)構(gòu)的的類型及其其尺寸；⑤制定勞勞動(dòng)定額、、材料消耗耗標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)礎(chǔ)等；3、隧道圍巖巖分級（2）圍巖分級級的發(fā)展及及類型土石分類單一指標(biāo)分分類綜合指標(biāo)分分類圍巖分級的的發(fā)展趨勢勢①越來越越重視巖體體而非巖石石；②與勘察察手段緊密密聯(lián)系；③針對明明確的工程程對象及目目的；④分類逐逐漸量化；；3、隧道圍巖巖分級（2）圍巖分級級的發(fā)展及及類型（A）以巖石強(qiáng)強(qiáng)度或巖石石的物性指指標(biāo)為代表表的分級法法a.以巖石強(qiáng)度度為基礎(chǔ)的的分級法代表：土石石分類法～～堅(jiān)石、次次堅(jiān)石、松松石、土。。b.以巖石物性性指標(biāo)為基基礎(chǔ)的分級級法代表：巖石石堅(jiān)固性系系數(shù)(f值)分級法～普普氏法f值：一個(gè)綜綜合的物性性指標(biāo)值，，如巖石的的抗鉆性、、抗爆性、、強(qiáng)度等。。但核心還是是巖石強(qiáng)度度。3、隧道圍巖巖分級（2）圍巖分級級的發(fā)展及及類型（B）以巖體構(gòu)構(gòu)造、巖性性特征為代代表的分級級方法代表：●泰沙基法法～考慮圍圍巖的完整整狀態(tài)和巖巖性，共9級。●我國交通通隧道圍巖巖分級法～～借鑒了泰泰沙基法，，考慮巖體體綜合物性性，共6級。3、隧道圍巖巖分級（2）圍巖分級級的發(fā)展及及類型（C）與地質(zhì)勘勘探手段相相聯(lián)系的分分級方法代表：彈性波速分分級法～波速是反反映巖性與與巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)的一項(xiàng)綜綜合指標(biāo)，，波速越高高，圍巖越越好。波速Kv>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15完整性完整較完整破碎較破碎極破碎3、隧道圍巖巖分級（2）圍巖分級級的發(fā)展及及類型（C）與地質(zhì)勘勘探手段相相聯(lián)系的分分級方法代表：巖石質(zhì)量指指標(biāo)～RQD指標(biāo)也是反反映巖性與與巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)的一項(xiàng)綜綜合指標(biāo)。。R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5R<0.25優(yōu)良好差很差3、隧道圍巖巖分級（2）圍巖分級級的發(fā)展及及類型（D）組合多種種因素的分分級方法代表：巖體質(zhì)量分分級法巴頓等人提提出的“巖巖體質(zhì)量—Q”分級法。表表達(dá)如下：：組合了6個(gè)參數(shù)：巖石質(zhì)量指指標(biāo)、節(jié)理理組數(shù)目、、節(jié)理粗糙糙度、節(jié)理蝕變值值、節(jié)理含含水折減系系數(shù)、應(yīng)力力折減系數(shù)數(shù)。3、隧道圍巖巖分級（3）鐵路和公公路隧道圍圍巖分級(A)鐵路隧道圍圍巖分級沿沿革●巖體綜合分分類～60年代，成昆昆線，五類類?！袼淼绹鷰r分分類～74年版，首部部鐵路隧道道規(guī)范，六六類。●隧道圍巖分分類～86年版，加入入圍巖彈性性波速指標(biāo)標(biāo)。●隧道圍巖分分級～99年版，采用用國標(biāo)分級級排序，改改稱“圍巖分級”，六級?！袼淼绹鷰r分分級～2001年版，不變變?！袼淼绹鷰r分分級～2005年版，不變變。3、隧道圍巖巖分級（3）鐵路和公公路隧道圍圍巖分級(B)現(xiàn)行鐵路隧隧道圍巖分分級基本理論：：“以巖體構(gòu)造造和巖性特特征為代表表的”的綜合指標(biāo)標(biāo)分級方法法基本方法：：按圍巖穩(wěn)定定性由好至至差劃分為為ⅠⅡⅢⅢⅣⅤⅤⅥ級基本流程：：基本分級——————修正基本分分級========最終圍巖分分級巖石堅(jiān)硬程度巖體完整程度地下水地應(yīng)力3、隧道圍巖巖分級（3）鐵路和公公路隧道圍圍巖分級(C)現(xiàn)行鐵路隧隧道圍巖分分級方法圍巖基本分分級修正基本分分級①巖石堅(jiān)硬程程度軟硬巖分界界指標(biāo)：30MpaRb>30硬巖5<Rb≤30軟巖Rb<5極軟巖②巖體完整程程度指標(biāo)1：結(jié)構(gòu)面發(fā)發(fā)育程度指標(biāo)2：地質(zhì)構(gòu)造造影響程度度由此兩指標(biāo)標(biāo)，將巖體體完整程度度分為5個(gè)級別。3、隧道圍巖巖分級（3）鐵路和公公路隧道圍圍巖分級(C)現(xiàn)行鐵路隧隧道圍巖分分級方法圍巖基本分分級修正基本分分級①巖石堅(jiān)硬程程度②巖體完整程程度③圍巖彈性波波測試④地下水修正正⑤地應(yīng)力修正正3、隧道圍巖巖分級（3）鐵路和公公路隧道圍圍巖分級(C)現(xiàn)行鐵路隧隧道圍巖分分級方法圍巖基本分分級修正基本分分級鉆探取芯巖體完整程程度地下水發(fā)育育程度地應(yīng)力測試試巖樣試驗(yàn)巖石強(qiáng)度踏勘調(diào)繪節(jié)理裂隙發(fā)發(fā)育程度地質(zhì)構(gòu)造影影響程度彈性波測試試注水試驗(yàn)地應(yīng)力水平平最終圍巖分分級4、隧道圍巖巖壓力的確確定（1）圍巖壓力力的形成及及類型（2）圍巖壓力力的理論計(jì)計(jì)算方法（3）鐵路、公公路隧道圍圍巖壓力規(guī)規(guī)范確定方方法（4）圍巖壓力力實(shí)測方法法4、隧道圍巖巖壓力的確確定（1）圍巖壓力的形形成及類型原巖毛洞穩(wěn)定洞室開挖支護(hù)自重應(yīng)力初始地應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力地下水壓力溫度應(yīng)力松動(dòng)壓力圍巖壓力形變壓力膨脹壓力沖擊壓力4、隧道圍巖壓力力的確定（2）圍壓壓力的理理論計(jì)算方法(A)普氏壓力拱理論論(B)太沙基理論4、隧道圍巖壓力力的確定（2）圍壓壓力的理理論計(jì)算方法(A)普氏壓力拱理論論基本前提：松散并具有一定定粘性的圍巖中中；埋深較大；；壓力拱的概念：：在具有一定粘結(jié)結(jié)力的松散介質(zhì)質(zhì)中開挖隧道后后，其上方會(huì)形形成一拋物線狀狀的天然拱，這這實(shí)質(zhì)上就是在在松散介質(zhì)、裂裂隙巖層中開挖挖坑道時(shí)的破壞壞范圍。而作用用在支護(hù)上的豎豎向壓力就是這這個(gè)破壞范圍（（天然拱）以內(nèi)內(nèi)的松動(dòng)巖體的的重量。4、隧道圍巖壓力力的確定（2）圍壓壓力的理理論計(jì)算方法(A)普氏壓力拱理論論壓力拱的受力特特征：(1)在任何一截面上上無彎矩作用；；(2)拱腳能保持穩(wěn)定定而不致產(chǎn)生水水平滑動(dòng)。壓力拱外部圍巖巖穩(wěn)定，內(nèi)部的的圍巖才會(huì)形成成圍巖壓力。問題：如何確定定壓力拱高度hk？隧道寬度Bt隧道高度Ht壓力拱高度hk壓力拱寬度2b側(cè)壁破裂角45°+φ0/2TVHPYXhkbxyA任意點(diǎn)A右側(cè)結(jié)構(gòu)對A彎矩為零，得：：對拱腳，x=b,y=hk，則：拱腳在摩阻力作作用下，不能滑滑動(dòng)，應(yīng)有安全全系數(shù)K>1，則：因此：通常取K=24、隧道圍巖壓力力的確定（2）圍壓壓力的理理論計(jì)算方法(A)普氏壓力拱理論論似摩擦系數(shù)f的概念及其確定定：將具有一定定粘性的松散圍圍巖視為無粘性性的松散體。(1)具有粘性時(shí)的抗抗剪強(qiáng)度(2)無粘性松散體的的抗剪強(qiáng)度按照抗剪強(qiáng)度不不變的原則進(jìn)行行等效，應(yīng)有：：似摩擦系數(shù)f又稱為普氏系數(shù)數(shù)4、隧道圍巖壓力力的確定（2）圍壓壓力的理理論計(jì)算方法(A)普氏壓力拱理論論按照普氏壓力拱拱理論，確定普普氏系數(shù)、普氏氏壓力拱高度后后，即可計(jì)算作作用在隧道支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖巖壓力。通常將豎向壓力力視為均布壓力力，側(cè)向壓力為為梯形分布。4、隧道圍巖壓力力的確定（2）圍壓壓力的理理論計(jì)算方法(B)太沙基理論理論假設(shè)與受力力特征：圍巖為散粒體;形成兩個(gè)主動(dòng)滑滑動(dòng)面；豎向壓力均勻分分布；側(cè)壓力與豎向壓壓力成