围岩分级

围岩分级第二部分地下工程系刘勇一、概述围岩的概念围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体(这里所指的岩体是土体与岩体的总称)。在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的性态是不同的，可归纳为充分稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定四种。围岩分级的概念各种围岩的物理性质之间存在一定的内在联系和规律，依照这些联系和规律，可将围岩划分为若干级，这就是围岩分级。目前，隧道围岩分级是设计、施工的基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基础上的）。围岩分级的目的是：①作为选择施工方法的依据；②进行科学管理及正确评价经济效益；③确定结构上的荷载(松散荷载)；④给出衬砌结构的类型及其尺寸；⑤制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。比较理想的分级方法是：①准确客观，有定量指标，尽量减少因人而异的随机性；②便于操作使用，适于一般勘测单位所具备的技术装备水平；③最好在挖开地层前得到结论。人们对围岩的认识是不断深入的从国外的情况看：土石方工程分类法(开挖难易程度)岩石的坚固性来分类:如坚固性系数fRQD从围岩稳定性出发分类来代替多年沿用的坚固性为基础的分类从分级指标方面：大多数从定性描述经验判断定量描述以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是隧道围岩分级的总趋势。另外的发展趋势：以岩体为对象、与地质勘探结合、与设计施工结合、定量化。二、影响围岩稳定性的主要因素(1)岩体结构特征岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小及这些岩块的组合排列形态。1.地质因素(2)结构面性质和空间的组合在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质及它们在空间的组合状态。从下述的5个方面来研究结构面对地下工程围岩稳定性影响的大小：①结构面的成因及其发展史；②结构面的平整、光滑程度；③结构面的物质组成及其充填物质情况；④结构面的规模与方向性；⑤结构面的密度与组数。(3)岩石的力学性质在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质，尤其是岩石的强度。一般来说，岩石强度越高，洞室越稳定。(4)围岩的初始应力场围岩的初始应力场是地下工程围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。(5)地下水状况地下水对围岩的影响主要表现在：①软化围岩；②软化结构面；③承压水作用。2.工程活动所造成的人为因素(1)地下洞室尺寸和形状在同一级(类)围岩中，洞室跨度愈大，围岩的稳定性就愈差；地下洞室的形状主要影响开挖后围岩的应力状态。(2)施工中采用的开挖方法开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为明显，在分级(类)中必须予以考虑。三、分级(类)的因素指标及其选择1.单一的岩性指标包括岩石的抗压和抗拉强度、岩石坚固性系数f、弹性模量等物理力学参数，以及如抗钻性、抗爆性等工程指标。2.单一的综合岩性指标它表明指标是单一的，但反映的因素却是综合的。“岩石质量指标”(RQD—RockQualityDesignation)也是反映岩体破碎程度和岩石强度的综合指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。10cmRQD% =100以上岩芯累计长度单位钻孔长度洞室围岩自稳的时间ts(1)=stCL式中，L——坑道未支护地段的长度；α——视围岩情况在0~1之间变化，好的岩体可取α＝0，极差的α＝1.0；C——视围岩条件而定的系数。3.复合指标(1)巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量Q”，Q与6个表明岩体质量的地质参数有关，表示为rnaRQD=SRFwJJQJJ式中，RQD为岩石质量指标；Jn为节理组数目；Jr为节理粗糙度；Ja为节理蚀变值；Jw为节理含水折减系数；SRF为初始应力折减系数。(2)我国总参工程兵坑道工程围岩分类中所采用的岩体质量指标Rm和应力比S。式中，Rc——岩石单轴饱和极限抗压强度；Kv——岩体完整性系数，岩体愈完整，取值愈大，变化范围为1.0~0.08，由实测确定；Kw——地下水影响减折系数，变化范围为1.0~0.4，无水时取1.0，视具体情况由经验确定；mcvwJ=RRKKKKJ——岩层面产状要素影响折减系数，变化范围为1.0~0.5。式中，σm——最大的垂直地应力。mmRS(3)《水工隧洞设计规范)(SL279-2002)围岩工程地质分类和国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086－2001)所采用的围岩/岩体强度应力比S，S综合考虑了岩石强度、岩体完整性和地应力的因素。cvm=SRKcv1=SRK式中，Rc——岩石饱和单轴抗压强度；Kv——岩体完整性系数；σm——围岩的最大主应力；σ1——垂直洞轴线的较大主应力。(4)国标《工程岩体分级标准》(GB50218－94)也采用了两个复合指标——岩体基本质量指标BQ和修正的岩体基本质量指标[BQ]．根据以上对分级(类)指标的分析，可以得到如下的结论：①应选择对围岩稳定性(主要表现在变形破坏特性上)有重大影响的主要因素；②选择测试设备比较简单、人为性小、科学性较强的定量指标；③主要分级(类)指标要有一定的综合性，最好采用复合指标，以便全面、充分地反映围岩的工程性质，并应有足够的实测资料为基础。目前铁路隧道围岩分级采用两种方法，即以围岩稳定为基础的分级方法和按弹性波(纵波)速度的分级方法。四、国内主要地下工程围岩分级(类)标准(一)《铁路隧道设计规范》的围岩分级1.围岩分级的基本因素(1)岩石坚硬程度根据单轴饱和极限抗压强度Rc分为5级，即极硬岩、硬质岩、较软岩、软岩、极软岩。岩石坚硬程度的划分岩石类别单轴饱和抗压强度Rc/MPa代表性岩石极硬岩60硬质岩硬岩30~60花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩；硅岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩；片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩较软岩15~30软岩5~15软质岩极软岩5凝灰岩等喷出岩；砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、灰质页岩、泥灰岩、泥岩、煤等沉积岩；云母片岩或千枚岩等变质岩(2)岩体的完整程度主要是指围岩被各种结构面切割成单元体的特征及其被切割后的块度大小。它是评价围岩稳定程度最直接、最重要的指标。为了衡量围岩的完整程度要考虑的因素：按照软弱面的产状、贯通性以及充填物的情况，可将围岩分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。按照围岩受地质构造影响的程度，可将围岩分为：构造变动轻微、较重、严重、很严重。按照节理(裂隙)发育程度的不同又分为：节理不发育、节理较发育、节理发育及节理很发育。按照岩体风化程度的不同将围岩分为：风化轻微、较重、严重、极严重四级。岩体完整程度划分完整程度结构面状态结构类型岩体完整性指数完整结构面1~2组，以构造型节理或层面为主，密闭性巨块状整体结构0.75较完整结构面2~3组，以构造型节理、层面为主，裂隙多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物块状结构0.55~0.75较破碎结构面一般为3组，以节理及风化裂隙为主，在断层附近受构造作用影响较大，裂隙以微张型和张开型为主，多有充填物层状结构、块石碎石结构0.35~0.55破碎结构面大于3组，多以风化型裂隙为主，在断层附近受构造作用影响大，裂隙宽度以张开型为主，多有充填物碎石角砾状结构0.15~0.35极破碎结构面杂乱无序，在断层附近受断层作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥夹岩屑充填，充填物厚度大散体状结构≤0.152.围岩基本分级及其修正(1)基本分级《铁路隧道设计规范》将单、双线铁路隧道的围岩划分为六级。(2)隧道级别的修正•地下水影响的修正根据单位时间的渗水量可将地下水状态分为3级。铁路隧道围岩分级围岩主要工程地质条件级别主要工程地质特征结构特征和完整状态围岩开挖后的稳定状态(单线)围岩弹性纵波速度(km/s)Ⅰ硬质岩(单轴饱和抗压极限强度Rc60MPa)：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面(或夹层)；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆4.5硬质岩(Rc30MPa)：受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面(或夹层)和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩石偶夹软质岩石呈大块状砌体结构Ⅱ软质岩(Rc≈30MPa)：受地质构造影响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构暴露时间长，可能会出现局部小坍塌，侧壁稳定，层间结合差的平缓岩层，顶板易塌落3.5-4.5硬质岩(Rc30MPa)：受地质构造影响较重，节理较发育，有层状软弱面(或夹层)，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或薄层，层间结合差，多有分离现象；或为硬、软质岩石互层呈块(石)碎(石)状镶嵌结构Ⅲ软质岩(Rc＝5~30MPa)：受地质构造影响轻重，节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合一般呈大块状砌体结构拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易坍塌2.5-4.0硬质岩(Rc30MPa)：受地质构造影响很严重，节理很发育；层状软弱面(或夹层)已基本被破坏呈碎石状压碎结构软质岩(Rc＝5~30MPa)：受地质构造影响严重，节理发育呈块(石)碎(石)状镶嵌结构拱部无支护时可产生较大的坍塌、侧壁有时失去稳定Ⅳ土体：1.略具压密或成岩作用的粘性土及砂类土2.黄土(Q1,Q2)3.一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土1和2呈大块状压密结构；3呈巨块状整体结构1.5-3.0岩体：软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩(包括受构造影响严重的破碎带)呈角(砾)碎(石)状松散结构Ⅴ土体：一般第四系坚硬，硬塑的粘性土，稍密及以上、稍湿或潮湿的碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土(Q3,Q4)非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉(陷)或坍塌至地表1.0-2.0岩体：受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带呈松软结构Ⅵ土体：软塑状粘性土、饱和的粉土、砂类土粘性土呈易蠕动的松软结构，砂性土呈潮湿松散结构围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一齐涌出，浅埋时易坍塌至地表1.0(饱和状态的土1.5)地下水状态的分级级别状态渗水量(l/(min·10m))Ⅰ干燥或湿润10Ⅱ偶有渗水10~25Ⅲ经常渗水25~125根据地下水状态对围岩级别进行修正。地下水影响的修正围岩级别地下水状态分级ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ—ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ—ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ—•围岩初始地应力状态修正初始地应力状态评估初始应力状态主要现象评估基准Rc/σmax硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差极高应力软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不宜成洞4硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差高应力软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差4~7初始地应力影响的修正围岩级别初始地应力状态ⅠⅡⅢⅣⅤ极高应力ⅠⅡⅢ或Ⅳ*ⅤⅥ高应力ⅠⅡⅢⅣ或Ⅴ**Ⅵ•风化作用的影响隧道洞深埋深较浅，应根据围岩受地表的影响情况进行围岩级别修正。当围岩为风化层时应按风化层的围岩基本分级考虑。围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低1~2级。采取两步走的方法：先确定岩体基本质量；再结合具体工程的特点确定岩体级别。(二)国标《工程岩体分级标准》(GB50218-94)1.分级因素及其确定方法本分级标准认为岩体基本质量应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。岩体完整程度可分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。岩体完整程度划分的定量指标采用岩体完整性指数Kv。Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系Kv＞0.750.75~0.550.55~0.550.35~0.15＜0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎2.岩体基本质量分级岩