隧道之一隧道圍巖分類及圍巖壓力講義

第1節(jié)隧道圍巖性質(zhì)１巖石和巖土巖石：經(jīng)過(guò)地質(zhì)作用形成的由一種或多種礦物組成的天然集合體。按其成因，巖石可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類。結(jié)構(gòu)面：節(jié)理、裂隙、斷層和沉積巖與由沉積巖變質(zhì)的變質(zhì)巖在生成過(guò)程中形成的層理和層面統(tǒng)稱。第1章隧道圍巖分類及圍巖壓力巖塊：由結(jié)構(gòu)面切割出的完整塊體

巖石和巖土相互轉(zhuǎn)化絕大部分土是地表巖石，它是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史年代的同化作用而生成的。有物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化兩種過(guò)程，土體經(jīng)長(zhǎng)期的高壓、脫水、團(tuán)結(jié)后，又會(huì)形成巖石。巖石和土的區(qū)別只是顆粒膠結(jié)的強(qiáng)弱２隧道圍巖性質(zhì)原巖：

未經(jīng)人為擾動(dòng)（如挖掘、開(kāi)采等）的巖體為原巖。原巖應(yīng)力狀態(tài)：

原巖內(nèi)部存在的應(yīng)力狀態(tài)。原巖應(yīng)力在一定時(shí)期內(nèi)可以認(rèn)為是相對(duì)平衡的。圍巖:

將開(kāi)挖后隧道周圍發(fā)生應(yīng)力重新分布的巖體稱為圍巖.二次應(yīng)力（次生應(yīng)力）：

圍巖中重新分布的應(yīng)力。彈性狀態(tài)的原巖應(yīng)力開(kāi)挖后圍巖的次生應(yīng)力狀態(tài)可能出現(xiàn)兩種情況：（１）圍巖的次生應(yīng)力狀態(tài)繼續(xù)保持彈性狀態(tài)，彈性理論的基本定律仍然適用，這種情況圍巖是穩(wěn)定的，隧道可以不加支護(hù)；（２）圍巖的次生應(yīng)力狀態(tài)在隧道的某些部位超過(guò)了巖體的屈服極限，甚至強(qiáng)度極限，這時(shí)圍巖就會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的變形，進(jìn)而破壞，為保持隧道的穩(wěn)定，必須采取支護(hù)措施，強(qiáng)制圍巖穩(wěn)定。地下水也是影響隧道穩(wěn)定的重要因素。水對(duì)巖土有軟化作用，并降低巖土體強(qiáng)度和質(zhì)量等級(jí)。

圍巖本身具有一定的自承載能力，充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，會(huì)大大降低隧道支護(hù)成本。隧道開(kāi)挖后，適當(dāng)控制圍巖的變形，對(duì)隧道的維護(hù)具有重要意義。第2節(jié)隧道圍巖分類圍巖分類的目的

圍巖分類的目的就是在對(duì)巖土體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)提供一種客觀而統(tǒng)一的比較手段和衡量標(biāo)準(zhǔn)，以便根據(jù)巖土體的質(zhì)量為工程設(shè)計(jì)和布局提供合理的計(jì)算參數(shù)和實(shí)用指標(biāo)，為工程選擇合理的施工方法提供可靠的依據(jù)。１圍巖分類方法圍巖分類需要滿足科學(xué)性和實(shí)用性要求，圍巖分類方法必須來(lái)源于實(shí)踐，然后再返回到工程實(shí)踐中去檢驗(yàn)，并得到不斷的完善。同時(shí)，任何一種圍巖分類方法都是為一定目的服務(wù)的，它必然存在一定的局限性。因?yàn)檫@些方法都是針對(duì)某種類型巖石工程或?qū)ｉT需要而制定的。１.１圍巖分類的幾個(gè)基本問(wèn)題

１.１.１圍巖分類的基本內(nèi)容

一個(gè)完整的圍巖分類方法應(yīng)包括三個(gè)組成部分，即:分類因素分類標(biāo)準(zhǔn)工作指標(biāo)分類因素：

是確定圍巖級(jí)別所必須事先知道的定性或定量指標(biāo)，通常分為基本分類因素和修正分類因素。

分類標(biāo)準(zhǔn)：

是確定圍巖級(jí)別的具體方法，它可以歸結(jié)為經(jīng)驗(yàn)分類法、數(shù)學(xué)理論分類法和經(jīng)驗(yàn)與數(shù)學(xué)理論相結(jié)合的方法。

工作指標(biāo)：

應(yīng)該包括圍巖的物理力學(xué)參數(shù)、自穩(wěn)能力及所能承受的極限荷載、或者隧道支護(hù)的設(shè)計(jì)荷載、甚至是圍巖的加固支護(hù)措施等。圍巖分類因素的選擇圍巖分類不可能包含全部眾多因素，分類因素的選擇一般應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)原則：

（1）從重性原則（2）獨(dú)立性原則（3）簡(jiǎn)易性原則圍巖分類因素權(quán)重的分配

在正確選定分類因素以后，各因素在確定圍巖級(jí)別時(shí)，權(quán)重的分配就成為分類方法合理與否的關(guān)鍵。對(duì)于不同質(zhì)量的巖體，各種因素的影響程度是不一樣的。

２圍巖分類方法（1）以巖石強(qiáng)度或巖芯質(zhì)量等單一指標(biāo)為基礎(chǔ)的分類方法代表人物：前蘇聯(lián)普羅托奇雅可諾夫“巖石堅(jiān)固性系數(shù)”即普氏系數(shù)分類法，它以巖石的普氏系數(shù)為指標(biāo)，將巖石分為10～15個(gè)級(jí)別。f＝Rc／10（2）以巖體結(jié)構(gòu)或構(gòu)造為主的分類方法中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所是巖體結(jié)構(gòu)分類方法的代表。這種方法認(rèn)為巖體與一般連續(xù)介質(zhì)的區(qū)別主要在于它是被各種各樣的結(jié)構(gòu)面切割而成的裂隙體，結(jié)構(gòu)面的分布、組合關(guān)系及其性質(zhì)在很大程度上控制著工程巖體的穩(wěn)定性。同時(shí)認(rèn)為，根據(jù)結(jié)構(gòu)面切割程度的嚴(yán)重性，應(yīng)采用不同的力學(xué)介質(zhì)模型。（3）以結(jié)構(gòu)面參數(shù)或聲波參數(shù)為基礎(chǔ)的分類方法

此類方法有著名的節(jié)理巖體地質(zhì)力學(xué)分類法（CSIR方法），該分類方法由賓尼亞斯基（Z．J．Bieniawski）提出，并得到國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）的推薦。CSIR圍巖分類法是根據(jù)巖體中五個(gè)實(shí)測(cè)參數(shù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)面的空間方位與開(kāi)挖方向之間的相對(duì)關(guān)系，以綜合評(píng)分值的代數(shù)和作為劃分圍巖級(jí)別的依據(jù)，即:

CSIR＝A＋B＋C＋D＋E＋F３圍三巖分三類的三國(guó)家三標(biāo)準(zhǔn)19三94三年，三經(jīng)過(guò)三專家三討論三和推三薦，三《工三程巖三體分三級(jí)標(biāo)三準(zhǔn)》三作為三我國(guó)三國(guó)家三標(biāo)準(zhǔn)三正式三頒布三執(zhí)行三?！度こ倘龓r體三分級(jí)三標(biāo)準(zhǔn)三》是三以現(xiàn)三有行三業(yè)和三專業(yè)三標(biāo)準(zhǔn)三的共三性作三為制三定的三基礎(chǔ)三和出三發(fā)點(diǎn)三的，三明確三提出三了巖三體基三本質(zhì)三量的三概念三和由三定性三劃分三、定三量指三標(biāo)兩三種手三段確三定巖三體基三本質(zhì)三量的三方法三。定性三劃分巖體三基本三質(zhì)量三級(jí)別三時(shí):巖石三堅(jiān)硬三程度三根據(jù)三錘擊三聲、三回彈三程度三、擊三碎難三易和三浸水三后的三反應(yīng)三來(lái)確三定；巖體三完整三程度三根據(jù)三巖體三中結(jié)三構(gòu)面三的發(fā)三育程三度和三結(jié)合三程度三（如三結(jié)構(gòu)三面的三張開(kāi)三度、三貫通三度、三起伏三粗糙三度和三充填三狀況三）來(lái)三確定三。定量三劃分巖體三基本三質(zhì)量三級(jí)別三時(shí)，三根據(jù)三巖體三基本三質(zhì)量三指標(biāo)三BQ三的大三小確三定：BQ三＝9三0＋三3R三c＋三25三0K三v式中三R三c—三—巖三石單三軸飽三和抗三壓強(qiáng)三度，三MP三a；Kv三——三巖體三完整三系數(shù)三。使用三上式三確定三巖體三基本三質(zhì)量三指標(biāo)三：當(dāng)R三c＞三90三Kv三＋3三0時(shí)三，應(yīng)三以R三c＝三90三K三v＋三30三代人三計(jì)算三：當(dāng)K三v＞三0.三04三R三c十三0三.4三時(shí)．三而以三Kv三＝0三.0三4三Rc三十三0.三4代三人計(jì)三算。３隧三道圍三巖分三類３.三１鐵三路隧三道圍三巖分三類我國(guó)三19三86三年施三行的三《鐵三路隧三道設(shè)三計(jì)規(guī)三范》三中明三確規(guī)三定，目前三鐵路三隧道三圍巖三分類三采用三兩種三方法三，即三以圍三巖穩(wěn)三定為三基礎(chǔ)三的分三類方三法和三按彈三性縱三波速三度的三分類三方法三。（１三）節(jié)三理發(fā)三育程三度的三基本三特征（２三）地三質(zhì)構(gòu)三造影三響程三度（３三）層三狀巖三層厚三度的三劃分（４三）分三類對(duì)三地下三水的三處理三采取三降級(jí)三的方三法３.三３水三工隧三洞圍三巖分三類《水三工隧三洞設(shè)三計(jì)規(guī)三范》三（S三D三13三4—三84三）推三薦的三圍巖三分類三見(jiàn)表三1三－－三6。三該分三類是三一種三定性三的分三類，三表中三的巖三體結(jié)三構(gòu)、三巖石三的堅(jiān)三硬程三度、三節(jié)理三的發(fā)三育程三度及三層狀三巖層三的厚三度劃三分均三可參三考前三面分三類相三關(guān)的三描述三。巖三體完三整性三系數(shù)三幾按三式（三O一三3）三計(jì)算三，V三表示三圍巖三的縱三波速三度。三所用三的聲三波指三標(biāo)以三孔測(cè)三法測(cè)三試值三為準(zhǔn)三，如三果用三其他三方法三測(cè)試三時(shí)，三可通三過(guò)對(duì)三比試三驗(yàn)進(jìn)三行換三算。一般三條件三下確三定圍三巖類三別時(shí)三，應(yīng)三以巖三石的三單軸三飽和三抗壓三強(qiáng)度三為準(zhǔn)三，做三單軸三抗壓三強(qiáng)度三后可三不做三點(diǎn)荷三載強(qiáng)三度；三當(dāng)隧三道跨三度小三于5三m三、服三務(wù)年三限小三于三10三年時(shí)三，可三不做三巖體三聲波三指標(biāo)三測(cè)試三。３.三２《三錨桿三、噴三射混三凝土三支護(hù)三技術(shù)三規(guī)范三》（三GB三8三6—三85三）圍三巖分三類這種三分類三以定三量和三定性三兩大三指標(biāo)三為基三礎(chǔ)確三定圍三巖分三類三，見(jiàn)三下表三；表中三Is三為巖三石的三點(diǎn)荷三載強(qiáng)三度；三Rc三為巖三石的三單軸三飽和三抗壓三強(qiáng)度三；S三m為三巖體三強(qiáng)度三應(yīng)力三比，三按下三式計(jì)三算：Sm三＝K三vR三c／式中三為垂三直于三隧道三洞軸三線平三面的三較大三主應(yīng)三力，三若無(wú)三地應(yīng)三力實(shí)三測(cè)數(shù)三據(jù)時(shí)三用下三式計(jì)三算：＝γ三H式中三γ三——三上覆三巖層三平均三容重三，N三／m三3；H—三—上三覆巖三層厚三度，三m。第3三節(jié)三圍巖三壓力三及其三確定１圍三巖壓三力廣義三的圍三巖壓三力三：巖體三力學(xué)三中把三由于三開(kāi)挖三而引三起的三圍巖三或支三護(hù)結(jié)三構(gòu)上三的力三學(xué)效三應(yīng)統(tǒng)三稱為三廣義三的圍三巖壓三力三。狹義三的圍三巖壓三力三：作用三在支三護(hù)結(jié)三構(gòu)上三的部三分圍三巖壓三力三。影響三圍巖三壓力三大小三的主三要因三素：（１三）巖三體的三初始三地應(yīng)三力狀三態(tài)（２三）巖三體的三物理三力學(xué)三性質(zhì)（３三）巖三體結(jié)三構(gòu)（４三）工三程性三質(zhì)（５三）支三護(hù)結(jié)三構(gòu)類三型及三支護(hù)三時(shí)間圍巖三壓力三就其三表現(xiàn)三形式三可分三為如三下四三類：（１三）松三動(dòng)壓三力：由于三開(kāi)挖三而引三起圍三巖松三動(dòng)或三坍塌三的巖三體以三重力三形式三作用三在支三護(hù)結(jié)三構(gòu)上三的壓三力稱三為松三動(dòng)壓三力，三亦稱三散體三壓力三。（２三）變?nèi)螇喝Γ洪_(kāi)挖三必然三引起三圍巖三變形三，支三護(hù)結(jié)三構(gòu)為三抵抗三圍巖三變形三而承三受的三壓力三稱為三變形三壓力三。變形三壓力三與支三護(hù)結(jié)三特性三和時(shí)三間的三關(guān)系（３三）沖三擊壓三力：沖擊三壓力三是圍三巖中三積累三的大三量彈三性變?nèi)文苋?，受三開(kāi)挖三的擾三動(dòng)，三這些三能量三突然三釋放三所產(chǎn)三生的三巨大三壓力三。（４三）膨三脹壓三力：某些三巖體三由于三遇水三后體三積發(fā)三生膨三脹，三從而三產(chǎn)生三膨脹三壓力三。(1三)隧三道開(kāi)三挖后三，在三圍巖三應(yīng)力三重分三布過(guò)三程中三，頂三板開(kāi)三始沉三陷，三并出三現(xiàn)拉三斷裂三紋(三圖a)，三可視三為變形三階段；(2三)頂三板的三裂紋三繼續(xù)三發(fā)展三并且三張開(kāi)三，由三于結(jié)三構(gòu)面三切割三等原三因，三逐