第四章-圍巖分級(jí)與圍巖壓力

隧道工程施工技術(shù)1第4章

圍巖分級(jí)及圍巖壓力

2一、概述

4.4.1概述■研究隧道地質(zhì)環(huán)境需要解決的兩個(gè)問(wèn)題（最佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)）。■可采用的方法有（經(jīng)驗(yàn)方法和理論方法）。■我國(guó)目前的隧道工程處在（經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)施工）的階段。■經(jīng)驗(yàn)法的依據(jù)就是隧道圍巖穩(wěn)定性的分級(jí)。■隧道圍巖分級(jí)的基礎(chǔ)條件是坑道開(kāi)挖后的穩(wěn)定性

在不同的巖體中開(kāi)挖隧道后巖體所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性是不同的，可歸納為充分穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、暫時(shí)穩(wěn)定和不穩(wěn)定四種。第二節(jié)圍巖分級(jí)3

圍巖分級(jí)：各種圍巖的物理性質(zhì)之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，依照這些聯(lián)系和規(guī)律，可將圍巖劃分為若干級(jí)。圍巖分級(jí)的目的：作為選擇施工方法的依據(jù)；進(jìn)行科學(xué)管理及正確評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益；確定結(jié)構(gòu)上的荷載(松散荷載)；給出襯砌結(jié)構(gòu)的類型及其尺寸；制定勞動(dòng)定額、材料消耗標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)等等。4

比較理想的分級(jí)方法是：準(zhǔn)確客觀，有定量指標(biāo)，盡量減少因人而異的隨機(jī)性；便于操作使用，適于一般勘測(cè)單位所具備的技術(shù)裝備水平；最好在挖開(kāi)地層前得到結(jié)論。應(yīng)該說(shuō)，到現(xiàn)在還沒(méi)有出現(xiàn)一種比較完美的方法。5圍巖分類的幾個(gè)基本要素

圍巖分級(jí)的方法很多種，不同國(guó)家，不同行業(yè)都根據(jù)各自的特點(diǎn)和目的提出了各自的分級(jí)方法，現(xiàn)行的許多分級(jí)方法中，作為分級(jí)的基本要素大致有三類:

與巖性有關(guān)的要素地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的要素與地下水有關(guān)的要素6與巖性有關(guān)的要素：

例如分為硬巖，軟巖，膨脹巖。其分級(jí)指標(biāo)是巖石強(qiáng)度和變形性質(zhì)等；例如掩飾的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的變形模量或彈性波速等

與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的要素：

例如軟弱結(jié)構(gòu)面的分布與性態(tài)，風(fēng)化程度等。其分級(jí)指標(biāo)采用巖石質(zhì)量指標(biāo)，地質(zhì)因素評(píng)分法等。實(shí)際上就是對(duì)巖石完整性和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)價(jià)。它是占有重要地位的！

7與地下水有關(guān)的要素：

例如地下水發(fā)育時(shí)，圍巖級(jí)別應(yīng)降低。1個(gè)附加要素：

初始地應(yīng)力：適當(dāng)考慮。8二、圍巖分級(jí)方法(4類）(一)以巖石強(qiáng)度或巖石的物性指標(biāo)為代表的分級(jí)方法1.以巖石強(qiáng)度為基礎(chǔ)的分級(jí)方法:這種分級(jí)方法，單純以巖石強(qiáng)度為依據(jù)。這種分級(jí)方法認(rèn)為隧道開(kāi)挖后它的穩(wěn)定性取決于巖石強(qiáng)度。巖石越堅(jiān)硬，坑道越穩(wěn)定。反之，巖石越松軟，可到穩(wěn)定性就越差。實(shí)踐證明，這種認(rèn)識(shí)是不全面的，例如我國(guó)陜北的老黃土，無(wú)水時(shí)直立性很強(qiáng)，穩(wěn)定性相當(dāng)高，在無(wú)支護(hù)的情況下，可以維持十幾年，甚至幾十年。但單軸抗壓強(qiáng)度很低；又如江西福建一帶的紅砂巖，整體性很好，坑道開(kāi)挖后穩(wěn)定性較好，但強(qiáng)度卻不高，因此單純以巖石強(qiáng)度為基礎(chǔ)的分級(jí)方法需要改進(jìn)完善。92.以巖石的物性指標(biāo)為基礎(chǔ)的分級(jí)方法：見(jiàn)表1-2在這種分級(jí)方法中，具有代表性的是前蘇聯(lián)普落托奇雅柯諾夫教授提出的“巖石堅(jiān)固系數(shù)”分級(jí)法(或稱“f”值分級(jí)法，或普氏分級(jí)法)。這種分級(jí)方法在我國(guó)的隧道工程中得到了廣泛的應(yīng)用?！癴”值是一個(gè)綜合物性指標(biāo)，它表示巖石在采礦過(guò)程中各個(gè)方面的相對(duì)堅(jiān)固性，如抗暴性、抗鉆性、強(qiáng)度等。但以往人們確定“f”值主要采用強(qiáng)度試驗(yàn)法，再堅(jiān)固其他指標(biāo)。即式中--巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度。我國(guó)工程部門(mén)在將“f”值分級(jí)法應(yīng)用到隧道工程的設(shè)計(jì)、施工時(shí)，已注意到必須考慮巖體的地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化程度、地下水狀況等多種因素的影響，而將由單一巖石強(qiáng)度決定的“f”值適當(dāng)降低，即：式中“f”值是由巖石強(qiáng)度決定的，K是考慮地質(zhì)條件的折減系數(shù)，一般情況下，K＜1.0。10(二)以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分級(jí)方法

1.泰沙基分級(jí)法這種分級(jí)方法是在早期提出的，限于當(dāng)時(shí)條件，僅把不同巖性、不同構(gòu)造條件的圍巖分成九級(jí)，每級(jí)都有相應(yīng)的地壓范圍值和支護(hù)措施，在分級(jí)時(shí)是以坑道有水的條件為基礎(chǔ)的，當(dāng)確認(rèn)無(wú)水時(shí)，Ⅳ～Ⅶ圍巖的地壓值應(yīng)降低50﹪。這種分級(jí)方法曾長(zhǎng)期被各國(guó)采用，至今有廣泛影響。112.以巖體綜合物性為指標(biāo)的分級(jí)方法

60年代，我國(guó)在積累大量鐵路隧道修建經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了以巖體綜合物性指標(biāo)為基礎(chǔ)的“巖體綜合分級(jí)法”，并于1975年經(jīng)修正后被我國(guó)“鐵路工程技術(shù)規(guī)范(隧道)”所采用。該分級(jí)法將隧道圍巖分為6級(jí)。見(jiàn)表1-4

這類方法的優(yōu)點(diǎn)是正確地考慮了地質(zhì)構(gòu)造特征、風(fēng)化狀況、地下水情況等多種因素對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，并建議了各類圍巖應(yīng)采用的支護(hù)類型和施工方法。此外，這種分級(jí)法最早考慮了埋深對(duì)圍巖級(jí)別的影響。其缺點(diǎn)是分類指標(biāo)還缺乏定量描述，沒(méi)有提供可靠的預(yù)測(cè)隧道圍巖級(jí)別的方法，在一定程度上要等到隧道開(kāi)挖后才能確定。12(三)與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級(jí)方法

1.按彈性波(縱波)速度的分級(jí)方法

圍巖彈性波速度是日本提出的分級(jí)方法，圍巖彈性波速度是判斷巖性、巖體結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo)，它既可以反映巖石軟硬，又可以表達(dá)巖體結(jié)構(gòu)的破碎程度。因此，在彈性波速度基礎(chǔ)上，綜合考慮與隧道開(kāi)挖及土壓有關(guān)的因素(巖性、風(fēng)化程度、破碎狀態(tài)、含水及涌水狀態(tài)等)，將圍巖分為7級(jí)。我國(guó)1986年施行的“鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范”中將彈性波(縱波)速度引入隧道圍巖分級(jí)中，將圍巖分為6級(jí)(表1-1)。

表1-1彈性波(縱波)速度分級(jí)圍巖類別ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ彈性波速(km/s)＞4.53.5～4.52.5～4.01.5～3.01.0～2.0＜1.0(飽和土＜1.5)132.以巖石質(zhì)量為指標(biāo)的分級(jí)方法——RQD法

所謂巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD是指鉆探時(shí)巖芯復(fù)原率，或稱巖芯采取率，即單位長(zhǎng)度鉆孔中10cm以上的巖芯占有的比例，可寫(xiě)為:

RQD(％)

該分級(jí)法將圍巖分為5級(jí)R>0.90.75<R<0.90.5<R<0.750.25<R<0.5R<0.25優(yōu)良好差很差表中R為RQD指標(biāo)。14“巖體質(zhì)量——Q”的分類方法。(四)組合多種因素的分級(jí)方法

這種分級(jí)法認(rèn)為，評(píng)價(jià)一種巖體的好壞，既要考慮地質(zhì)構(gòu)造、巖性、巖石強(qiáng)度，還要考慮施工因素，如掘進(jìn)方向與巖層之間的關(guān)系、開(kāi)挖斷面的大小等，因此就需要建立在多種因素的分析基礎(chǔ)之上。在這類分級(jí)法中，比較完善的是1974年挪威地質(zhì)學(xué)家巴頓(N.Barton)等人所提出的“巖體質(zhì)量—Q”分級(jí)法。Q與六個(gè)表明巖體質(zhì)量的地質(zhì)參數(shù)有關(guān)，表達(dá)如下：15組合了6個(gè)參數(shù)：巖石質(zhì)量指標(biāo)、節(jié)理組數(shù)目、節(jié)理粗糙度、節(jié)理蝕變值、節(jié)理含水折減系數(shù)、應(yīng)力折減系數(shù)。16

根據(jù)不同的Q值，將巖體質(zhì)量評(píng)為九等，詳見(jiàn)表3-5。巖體質(zhì)量特別好極好良好好中等不良?jí)臉O壞特別壞Q400～1000100～40040～10010～404～101～40.1～10.01～0.10.001～0.01表4-2巖體質(zhì)量評(píng)估17：綜上所述，圍巖分級(jí)有以下幾方面發(fā)展趨勢(shì)：分級(jí)要以巖體為對(duì)象。分級(jí)要與地質(zhì)勘探手段有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，這樣才有一個(gè)方便而又較可靠的判斷手段分級(jí)要有明確的工程對(duì)象和工程目的。分級(jí)逐漸定量化。18三、我國(guó)鐵路隧道圍巖分級(jí)方法1.圍巖分級(jí)的基本因素(1)巖石堅(jiān)硬程度根據(jù)單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc分為5級(jí)，即極硬巖、硬質(zhì)巖、較軟巖、軟巖、極軟巖，如表。

目前鐵路隧道圍巖分級(jí)采用兩種方法:以圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的分級(jí)方法和按彈性波(縱波)速度的分級(jí)方法。(一)以圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的分級(jí)方法鐵路隧道圍巖分級(jí)19巖石堅(jiān)硬程度的劃分

巖石類別單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc/MPa代表性巖石硬質(zhì)巖極硬巖>60花崗巖、閃長(zhǎng)巖、玄武巖等巖漿巖；硅巖、鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖及砂巖、石灰?guī)r、白云巖等沉積巖；片麻巖、石英巖、大理巖、板巖、片巖等變質(zhì)巖

硬巖30～60軟質(zhì)巖較軟巖15～30凝灰?guī)r等噴出巖；砂礫巖、泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、灰質(zhì)頁(yè)巖、泥灰?guī)r、泥巖、煤等沉積巖；云母片巖或千枚巖等變質(zhì)巖軟巖5～15極軟巖<5鐵路隧道圍巖分級(jí)20

(2)巖體的完整程度：衡量圍巖的完整程度要考慮以下因素按照軟弱面的產(chǎn)狀、貫通性以及充填物的情況，可將圍巖分為：完整、較完整、較破碎、破碎、極破碎。按照圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響的程度，可將圍巖分為

構(gòu)造變動(dòng)輕微、較重、嚴(yán)重、很嚴(yán)重。鐵路隧道圍巖分級(jí)按照節(jié)理(裂隙)發(fā)育程度的不同又分為：節(jié)理不發(fā)育、節(jié)理較發(fā)育、節(jié)理發(fā)育及節(jié)理很發(fā)育。按照巖體風(fēng)化程度的不同將圍巖分為：風(fēng)化輕微、較重、嚴(yán)重、極嚴(yán)重四級(jí)。巖體完整程度按下表劃分。

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巖體完整程度的劃分

完整程度結(jié)構(gòu)面狀態(tài)結(jié)構(gòu)類型巖體完整性指數(shù)完整結(jié)構(gòu)面1~2組，以構(gòu)造型節(jié)理或?qū)用鏋橹鳎荛]性巨塊狀整體結(jié)構(gòu)>0.75較完整結(jié)構(gòu)面2~3組，以構(gòu)造型節(jié)理、層面為主，裂隙多呈密閉型，部分為微張型，少有充填物塊狀結(jié)構(gòu)0.55～0.75較破碎結(jié)構(gòu)面一般為3組，以節(jié)理及風(fēng)化裂隙為主，在斷層附近受構(gòu)造作用影響較大，裂隙以微張型和張開(kāi)型為主，多有充填物層狀結(jié)構(gòu)、塊石碎石結(jié)構(gòu)0.35～0.55破碎結(jié)構(gòu)面大于3組，多以風(fēng)化型裂隙為主，在斷層附近受構(gòu)造作用影響大，裂隙寬度以張開(kāi)型為主，多有充填物碎石角礫狀結(jié)構(gòu)0.15～0.35極破碎結(jié)構(gòu)面雜亂無(wú)序，在斷層附近受斷層作用影響大，寬張裂隙全為泥質(zhì)或泥夾巖屑充填，充填物厚度大散體狀結(jié)構(gòu)≤0.15222.圍巖基本分級(jí)及其修正(1)基本分級(jí)《公(鐵)路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》隧道圍巖劃分為六級(jí)。鐵路隧道圍巖分級(jí)(2)隧道級(jí)別的修正地下水影響的修正地下水對(duì)圍巖的影響主要表現(xiàn)在軟化圍巖軟化結(jié)構(gòu)面承壓水作用

23地下水狀態(tài)的分級(jí)級(jí)別狀態(tài)滲水量(L/(min·10m))Ⅰ干燥或濕潤(rùn)<10Ⅱ偶有滲水10-25Ⅲ經(jīng)常滲水25-125鐵路隧道圍巖分級(jí)根據(jù)單位時(shí)間的滲水量將地下水狀態(tài)分為3級(jí)24地下水影響的修正地下水狀態(tài)圍巖級(jí)別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ—ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ—ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ—鐵路隧道圍巖分級(jí)根據(jù)地下水狀態(tài)對(duì)圍巖級(jí)別的修正如表。25圍巖初始地應(yīng)力狀態(tài)修正

根據(jù)圍巖初始地應(yīng)力狀態(tài)，按下做出評(píng)估。鐵路隧道圍巖分級(jí)初始應(yīng)力狀態(tài)主要現(xiàn)象評(píng)估基準(zhǔn)Rc/σmax極高應(yīng)力硬質(zhì)巖：開(kāi)挖過(guò)程中時(shí)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<4軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開(kāi)挖過(guò)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(shí)間長(zhǎng)，不宜成洞高應(yīng)力硬質(zhì)巖：開(kāi)挖過(guò)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，成洞性較差4～7軟質(zhì)巖：巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象，開(kāi)挖過(guò)程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，成洞性差26圍巖初始地應(yīng)力狀態(tài)修正

初始地應(yīng)力對(duì)圍巖級(jí)別的修正宜按下表進(jìn)行。鐵路隧道圍巖分級(jí)初始地應(yīng)力狀態(tài)圍巖級(jí)別ⅠⅡⅢⅣⅤ極高應(yīng)力ⅠⅡⅢ或Ⅳ*ⅤⅥ高應(yīng)力ⅠⅡⅢⅣ或Ⅴ**Ⅵ注：*圍巖巖體為較破碎的極硬巖、較完整的硬巖時(shí)，定為Ⅲ級(jí)；圍巖巖體為完整的較軟巖、較完整的軟硬互層時(shí)，定為Ⅳ級(jí)。**圍巖巖體為破碎的極硬巖、較破碎及破碎的硬巖時(shí)，定為Ⅳ級(jí)；圍巖巖體為完整及較完整軟巖、較完整及較破碎的較軟巖時(shí)，定為Ⅴ級(jí)。27風(fēng)化作用的影響

當(dāng)圍巖為風(fēng)化層時(shí)應(yīng)按風(fēng)化層的圍巖基本分級(jí)考慮圍巖僅受地表影響時(shí)，應(yīng)較相應(yīng)圍巖降低1~2級(jí)。二、彈性波速度的分級(jí)方法彈性波(縱波)速度與圍巖級(jí)別的關(guān)系鐵路隧道圍巖分級(jí)圍巖類別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ彈性波(縱波)速度vp(km/s)＞4.53.5～4.52.5～4.01.5～3.01.0～2.0＜1.0＜1.5(飽和狀態(tài)的土)注：飽和狀土壤vp<1.5km/s28四、我國(guó)公路隧道圍巖分級(jí)方法采用兩步走的方法：(1)根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)基本因素的定性特征和定量的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ綜合進(jìn)行初步分級(jí)；(2)考慮修正系數(shù)，修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)值；(3)按修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]，結(jié)合巖體的定性特征綜合評(píng)判、確定圍巖的詳細(xì)分級(jí)。公路隧道圍巖分級(jí)29公路隧道圍巖分級(jí)1、分級(jí)因素及其確定方法本分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為巖體基本質(zhì)量應(yīng)由巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)因素確定。

堅(jiān)硬程度分為五級(jí)：堅(jiān)硬巖、較堅(jiān)硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖。巖體完整程度可分為五級(jí)：完整、較完整、較破碎、破碎、極破碎。巖體完整程度劃分的定量指標(biāo)采用巖體完整性指數(shù)Kv

。30公路隧道圍巖分級(jí)巖石堅(jiān)硬程度定性劃分31公路隧道圍巖分級(jí)巖石堅(jiān)硬程度定量劃分按巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc分為5級(jí)。Rc也可按實(shí)測(cè)的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)換算：32公路隧道圍巖分級(jí)定性劃分巖體完整程度33公路隧道圍巖分級(jí)定量劃分按巖體完整性指數(shù)Kv表達(dá)巖體完整性指數(shù)：

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的巖體彈性波速度v的平方與同種巖石試件彈性波速度v0的平方的比值。巖體完整程度34公路隧道圍巖分級(jí)巖體的完整程度也可按巖體體積節(jié)理數(shù)Jv確定35公路隧道圍巖分級(jí)2、確定巖體基本質(zhì)量分級(jí)巖體基本質(zhì)量分級(jí)可根據(jù)上述的分級(jí)因素結(jié)合巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行。巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ應(yīng)根據(jù)Rc的兆帕數(shù)值和Kv值計(jì)算而得。36公路隧道圍巖分級(jí)BQ=90+3Rc+250Kv

當(dāng)Rc＞90Kv+30時(shí)，應(yīng)以Rc=90Kv+30和Kv代入式計(jì)算BQ值；當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4時(shí)，應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入式計(jì)算BQ值。適用條件：37公路隧道圍巖分級(jí)3、工程巖體級(jí)別的確定

修正的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]：

[BQ]=BQ－100(K1十K2十K3)

式中，K1——地下水影響修正系數(shù)；

K2——軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；

K3——初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。圍巖詳細(xì)定級(jí)時(shí)，如遇下列情形之一，應(yīng)對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行修正：有地下水；圍巖穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面的影響，且由一組起控制作用；存在高初始地應(yīng)力。38公路隧道圍巖分級(jí)地下水影響修正系數(shù)K139公路隧道圍巖分級(jí)主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響系數(shù)K2

初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K340公路隧道圍巖分級(jí)公路隧道圍巖分級(jí)

根據(jù)[BQ]值可重新確定工程巖體的質(zhì)量級(jí)別。

41公路隧道圍巖分級(jí)4.地下工程巖體自穩(wěn)能力地下工程巖體自穩(wěn)能力42五、施工現(xiàn)場(chǎng)圍巖級(jí)別判定43第三節(jié)、圍巖壓力一、圍巖壓力及分類(一)圍巖壓力圍巖壓力是指引起地下開(kāi)挖空間周圍巖體和支護(hù)變形或破壞的作用力。它包括由地應(yīng)力引起的圍巖應(yīng)力以及圍巖變形受阻而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力。(鐵路規(guī)范)

隧道開(kāi)挖后，因圍巖變形或松動(dòng)等原因，作用于洞室周邊巖體或支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。(公路規(guī)范)(二)圍巖壓力分類圍巖壓力按作用力發(fā)生的形態(tài)，一般可分為如下幾種類型：圍巖壓力44由于開(kāi)挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力稱為松動(dòng)壓力。松動(dòng)壓力常通過(guò)下列三種情況發(fā)生：

在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個(gè)別松動(dòng)掉塊的巖石；在松散軟弱的巖體中，坑道頂部和兩側(cè)邊幫冒落；在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿軟弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。

1.松動(dòng)壓力

圍巖壓力452.形變壓力

形變壓力是由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)如錨噴支護(hù)等的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形過(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。3.膨脹壓力

當(dāng)巖體具有吸水膨脹崩解的特征時(shí)，由于圍巖吸水而膨脹脹崩解所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。46影響圍巖壓力的因素很多，通常可分為兩大類。地質(zhì)因素:(內(nèi)因）工程因素：（外因）6個(gè)因素見(jiàn)P624.沖擊壓力

沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能以后，由于隧道的開(kāi)挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。二、影響圍巖壓力的因素47光面爆破48預(yù)裂爆破49三、圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定方法(一)圍巖松動(dòng)壓力的形成坑道開(kāi)挖后圍巖由形變到坍塌成拱的整個(gè)變形過(guò)程：

(1)隧道開(kāi)挖后，在圍巖應(yīng)力重分布過(guò)程中，頂板開(kāi)始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋，可視為變形階段；

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(2)頂板的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開(kāi)，由于結(jié)構(gòu)面切割等原因，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗蓜?dòng)，可視為松動(dòng)階段；(3)頂板巖體視其強(qiáng)度的不同而逐步塌落，可視為塌落階段；51(4)頂板塌落停止，達(dá)到新的平衡，此時(shí)其界面形成一近似的拱形，可視為成拱階段。自然拱范圍的大小除了受上述的圍巖地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)時(shí)間、剛度以及它與圍巖的接觸狀態(tài)等因素影響外，還取決于以下諸因素：隧道的形狀和尺寸；尺寸↑，e↑;拐角↑，e↑。隧道的埋深；在一定范圍內(nèi)，H↑，e↑施工因素。52自然拱53(二)確定圍巖松動(dòng)壓力的方法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地量測(cè)：按目前的量測(cè)手段和技術(shù)水平來(lái)看量測(cè)的結(jié)果尚不能充分反映真實(shí)情況理論公式計(jì)算：由于圍巖地質(zhì)條件的千變?nèi)f化，所用計(jì)算參數(shù)難以確切取值，目前還沒(méi)有一種能適合于各種客觀實(shí)際情況的統(tǒng)一理論。統(tǒng)計(jì)的方法：在大量施工坍方事件的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的統(tǒng)計(jì)方法，在一定程度上能反映圍巖壓力的真實(shí)情況。

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1)深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法

(1)統(tǒng)計(jì)法—我國(guó)《隧規(guī)》所推薦的方法式中γ—圍巖容重；

hq—坍落拱高度；（鐵路隧道實(shí)際坍方體統(tǒng)計(jì)平均高度

s—圍巖級(jí)別；

w—寬度影響系數(shù)，由w=1+i（B-5）計(jì)算：

B—坑道寬度，當(dāng)B＜5m時(shí)，取i=0.2，當(dāng)B＞5m時(shí)，取i=0.1。55水平壓力見(jiàn)表4-7：表4-7圍巖水平均布?jí)毫鷰r級(jí)別Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布?jí)毫?＜0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q56統(tǒng)計(jì)法公式的適用條件：

H/B＜1.7，H為坑道的高度；深埋隧道；不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖；采用礦山法施工。57例.隧道穿經(jīng)Ⅳ級(jí)圍巖，其開(kāi)挖尺寸凈寬7.40m(單線)，凈高8.80m，圍巖天然容重21KN/m3，試確定其圍巖松動(dòng)壓力；若開(kāi)挖跨度為14.8m(雙線)，其圍巖壓力為？58解：∵H/B=8.80/7.40=1.2<1.7∴采用統(tǒng)計(jì)法方式?！呤菃尉€隧道，豎向均布（壓力）作用：水平均布（壓力）作用：若開(kāi)挖跨度為14.8m，H/B=8.80/14.80=0.6<1.7∴采用統(tǒng)計(jì)法方式?！連=14.8m>5m，故i=0.1，=1+0.1(14.8-5.00)=1.98∴豎向均布?jí)毫椋核骄級(jí)毫椋?9據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍巖垂直松動(dòng)壓力的分布可概括為4種，如圖4-7。

圖4-7圍巖豎向松動(dòng)壓力的分布圖形統(tǒng)計(jì)法公式僅針對(duì)圖中第一種情況。

60(2)普氏理論散粒體理論：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體。普氏系數(shù)f(巖體堅(jiān)固性系數(shù)):6162巖體堅(jiān)固性系數(shù)f的概念：

f—是一個(gè)以巖體強(qiáng)度為主的指標(biāo)，兼顧抗鉆性、抗爆性、地下水等性質(zhì)。前述自然拱概念最早由普氏提出：圖4-8自然拱的兩種形態(tài)63①堅(jiān)硬巖體:②松散破碎巖體：式中為隧道凈跨度的一半；為隧道凈高度。

一般來(lái)說(shuō)，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。

64(3)泰沙基理論理論：散粒體理論?！艏俣ǎ浩屏衙鏋檎劬€—OAB◆方法：研究微分條帶dh的平衡?！舨襟E：1.ΣV=0，建立微分方程2.邊界條件：653.解微分方程，得：4.討論：⑴當(dāng)埋深h達(dá)到一定程度時(shí)，為恒值：⑵取側(cè)壓力系數(shù)k=1，則有：⑶與普氏法對(duì)照，能發(fā)現(xiàn)什么？在深埋情形下，太沙基理論的計(jì)算結(jié)果與普氏理論的計(jì)算結(jié)果實(shí)質(zhì)上是一致的。太沙基理論考慮了硐室尺寸、埋深及巖石的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角等因素對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響。一般認(rèn)為太沙基理論適用硐室埋深較淺的情形。

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2)淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法⑴深、淺埋隧道的判定原則

Hp＝（2～2.5）hq

I一III級(jí)圍巖取:Hp＝2hqIV～VI級(jí)圍巖取:Hp＝2.5hq

H≥Hp時(shí)為深埋H＜Hp時(shí)為淺埋H為覆蓋層厚度67

(2)鐵路淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法①當(dāng)h≤hq

時(shí)，作用在隧道襯砌上的壓力為

q=γh

ht

為隧道開(kāi)挖高度，h為隧道埋深，e1作用在隧道頂處壓力，e2作用在隧道底處壓力，為圍巖的計(jì)算摩擦角要點(diǎn)：忽略滑動(dòng)面上的阻力。適于：埋深h≤hq

垂直壓力：q=γh

68①當(dāng)hq＜

q≤HP，垂直壓力標(biāo)準(zhǔn)值按計(jì)算式中：------圍巖重度KN/m3，按表取值------隧道覆蓋深度（m）------隧道寬度（m）------垂直均布作用夾持系數(shù)，按表取值69圍巖重度及夾持系數(shù)圍巖級(jí)別ⅣⅤⅥ圍巖重度（KN/m3）20.518.516.0拱部截面夾持系數(shù)0.100.080.01拱部截面夾持系數(shù)0.230.160.087071水平壓力按梯形分布，其標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算式中：結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)，任意點(diǎn)i的水平側(cè)壓標(biāo)準(zhǔn)值---結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)，任意點(diǎn)i離地面的高度m----側(cè)壓力系數(shù)72圍巖級(jí)別ⅣⅤⅥ拱部截面?zhèn)葔毫ο禂?shù)0.150.250.35邊墻截面?zhèn)葔毫ο禂?shù)0.350.50.65側(cè)壓力系數(shù)734.4.5明洞壓力的計(jì)算

設(shè)計(jì)明洞時(shí)，其荷載要按以下幾項(xiàng)計(jì)算

1.拱圈回填土垂直壓力

2.拱圈回填土石側(cè)壓力

3.邊墻回填土垂直壓力744.4.6圍巖應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)

直接量測(cè)間接量測(cè)754.4.1直接量測(cè)法直接量測(cè)法是指采用各種壓力盒量測(cè)圍巖作用在襯砌或支護(hù)結(jié)構(gòu)上的接觸壓力的方法。這種方法是將壓力盒（或稱壓力傳感器）放置在襯砌或支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間，并緊密接觸，使二者之間的壓力直接由壓力盒反映出來(lái)。目前用于這種量測(cè)的壓力盒主要有電阻式、電容式、電壓式和振弦式等幾種。振弦式壓力盒是電測(cè)壓力盒中最普遍的一種，其構(gòu)造如圖4-7所示。其工作原理是，當(dāng)壓力盒上作用有壓力時(shí)，由于機(jī)械作用使鋼弦拉緊，鋼弦拉得越緊，則鋼弦的振動(dòng)頻率就越高。這樣，當(dāng)由接受器向壓力盒感應(yīng)線圈輸入一脈沖電流時(shí)，線圈產(chǎn)生磁通，鐵芯對(duì)鋼弦產(chǎn)生瞬時(shí)吸力。電流中斷時(shí)，吸力消失，鋼弦彈起，從而激起鋼弦振動(dòng)。作用壓力大小不同，則鋼弦振動(dòng)的頻率也不同，這一振動(dòng)頻率使得感應(yīng)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與鋼弦的自振頻率相同時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率通過(guò)導(dǎo)線輸回接受器，從而測(cè)出鋼弦的振動(dòng)頻率。再根據(jù)壓力盒本身的標(biāo)定曲線就可查出壓力盒上所受的圍巖壓力大小。在隧道施工中壓力盒的布置如圖4-8所示。圖4-7振弦式壓力盒