隧道围岩类别划分与判定

1隧道围岩级别划分与判定隧道围岩分级就是评定围岩性质、判断隧道围岩稳定性，作为选择隧道位置、支护类型的依据和指导安全施工。国内外现在的围岩分级方法有定性、定量、定性与定量相结合3种方法，且多以前两种方法为主。定性分级的做法是，在现场对影响岩体质量的诸因素进行定性描述、鉴别、判断，或对主要因素作出评判、打分，有的还引入分量化指标进行综合分级。以定性为主的分级方法，如现行的公路、铁路隧道围岩分级等方法经验的成分较大，有一定人为因素和不确定性，在使用中，往往存在不一致，随勘察人员的认识和经验的差别，对同一围岩作出级别不同的判断。采用定性分级的围岩级别，常常出现与实际差别1～2级的情况。定量分级的做法是根据对岩体性质进行测试的数据或对各参数打分，经计算获得岩体质量指标，并以该指标值进行分级。如国外N.Barton的Q分级，Z.T.Bieniawsks的地质力学（MRM）分级、Dree的RQD值分级等方法。但由于岩体性质和赋存条件十分复杂，分级时仅用少数参数和某个数学公式难以全面准确地概括所有情况，而且参数测试数量有限，数据的代表性和抽样的代表性均存在一定的局限，实施时难度较大。影响围岩稳定的因素多种多样，主要是岩石的物理力学性质、构造发育情况、承受的荷载（工程荷载和初始应力）、应力变形状态、几何边界条件、水的赋存状态等。这些因素中，岩体的物理力学性质和构造发育情况是独立于各种工作类型的，反映出了岩体的基本特性，在岩体的各项物理力学性质中，对稳定性关系最大的是岩石坚硬程度，岩体的构造发育状态、岩体的不连续性、节理化程度所反映的岩体完整性是地质体的又一基本属性。国内外多数围岩分级都将岩石坚硬程度和岩体的完整程度作为岩体基本质量分级的两个基本因素。1国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级1.1围岩分级围岩级别的划分应根据岩石坚硬性岩体完整性结构面特征地下水和地应力状况等因素综合确定并应符合表1.1规定。表1.1围岩分级围岩级别主要工程地质特征毛洞稳定情况岩体结构构造影响程度，结构面发育情况和组合状态岩石强度指标岩体声波指标岩体强度应力比单轴饱和抗压强度(MPa)点荷载强度(MPa)岩体纵波速度(km/s)岩体完整性指标I整体状及层间结合良好的厚层状结构构造影响轻微，偶有小断层结构面不发育，仅有2~3组，平均间距大于0.8m，以原生和构造节理为主，多数闭合，无泥质充填，不贯通。层间结合良好，一般不出现不稳定块体602.550.75——毛洞跨度5~10m时长期稳定，无碎块掉落Ⅱ同I级围岩结构同I级围岩特征30~601.25~2.53.7~5.20.75毛洞跨度5~10m时，围2块状结构和层间结合较好的中厚层或厚层状结构构造影响较重，有少量断层，结构面发育，一般为3组，平均间距0.4~0.8m，以原生和构造节理为主，多数闭合，偶有泥质充填，贯通性较差，有少量软弱结构面。层间结合较好，偶有层间错动和层面张开现象602.53.7~5.20.5——岩能较长时间(数月至数年)维持稳定，仅出现局部小块掉落Ⅲ同I级围岩结构同I级围岩特征20~300.85~1.253.0~4.50.752毛洞跨度5~10m时围岩能维持一个月以上的稳定主要出现局部掉块塌落同Ⅱ级围岩块状结构和层间结合较好的中厚层或厚层状结构同Ⅱ级围岩块状结构和层间结合较好的中厚层或厚层状结构特征30~601.25~2.503.0~4.50.5~0.752层间结合良好的薄层和软硬岩互层结构构造影响较重结构面发育一般为3组平均间距02~04m以构造节理为主节理面多数闭合少有泥质充填岩层为薄层或以硬岩为主的软硬岩互层层间结合良好少见软弱夹层层间错动和层面张开现象60(软岩20)25030~45030~0502碎裂镶嵌结构构造影响较重结构面发育一般为3组以上平均间距02~04m以构造节理为主节理面多数闭合少数有泥质充填块体间牢固咬合6025030~4.5030~0502Ⅳ同Ⅱ级围岩块状结构和层间结合较好的中厚层或厚层状结构同Ⅱ级围岩块状结构和层间结合较好的中厚层或厚层状结构特征10~30042~12520~35050~0751毛洞跨度5m时围岩能维持数日到一个月的稳定主要失稳形式为冒落或片帮3散块状结构构造影响严重一般为风化卸荷带结构面发育一般为3组平均间距04~08m以构造节理卸荷风化裂隙为主贯通性好多数张开夹泥夹泥厚度一般大于结构面的起伏高度咬合力弱构成较多的不稳定块体30125200151层间结合不良的薄层中厚层和软硬岩互层结构构造影响严重结构面发育一般为3组以上平均间距02~04m以构造风化节理为主大部分微张(05~10mm)部分张开(10mm)有泥质充填层间结合不良多数夹泥层间错动明显30(软岩10)12520~35020~0401碎裂状结构构造影响严重多数为断层影响带或强风化带结构面发育一般为3组以上平均间距02~04m大部分微张(05~10mm)部分张开(10mm)有泥质充填形成许多碎块体3012520~35020~0401Ⅴ散体状结构构造影响很严重多数为破碎带全强风化带破碎带交汇部位构造及风化节理密集节理面及其组合杂乱形成大量碎块体块体间多数为泥质充填甚至呈石夹土状或土夹石状————20————毛洞跨度5时围岩稳定时间很短约数小时至数日注1围岩按定性分级与定量指标分级有差别时一般应以低者为准。2本表声波指标以孔测法测试值为准如果用其他方法测试时可通过对比试验进行换算。3层状岩体按单层厚度可划分为厚层大于05m中厚层01~05m薄层小于01m4一般条件下确定围岩级别时应以岩石单轴湿饱和抗压强度为准当洞跨小于5m，服务年限小于10年的工程确定围岩级别时可采用点荷载强度指标代替岩块单轴饱和抗压强度指标可不做岩体声波指标测试5测定岩石强度做单轴抗压强度测定后可不做点荷载强度测定。1.2围岩分级的主要影响因素1.2.1体完整性指标用岩体完整性系数Kv表示，Kv可按下式计算:Kv=(Vpm/Vpr)2（1.2-1）式中：Vpm——岩体弹性纵波速度（km/s）Vpr——岩石弹性纵波速度（km/s）当无条件进行声波实测时也可用岩体体积节理数Jv按表1.2定Kv值。表1.2Jv与Kv对照表Jv(条/m3)33～1010～2020～35＞35Kv＞0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15＜0.1541.2.2岩体强度应力比岩体强度应力比的计算应符合下列规定：1当有地应力实测数据时Sm=Kvfr/σ1（1.2-2）式中：Sm--岩体强度应力比；fr--岩石单轴饱和抗压强度(MPa)；Kv--岩体完整性系数；σ1--垂直洞轴线的较大主应力(kN/m2)。2当无地应力实测数据时σ1=γH(3.2-3)式中：γ--岩体重力密度(kN/m3)；H--隧洞顶覆盖层厚度(m)。1.2.3地下水对Ⅲ、Ⅳ级围岩当地下水发育时应根据地下水类型水量大小软弱结构面多少及其危害程度适当降级。1.2.4断层带对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩当洞轴线与主要断层或软弱夹层的夹角小于30时应降一级。2铁路隧道围岩分级2.1铁路隧道围岩分级及其适用条件目前，我国铁路隧道采用的围岩分级如表2.1所示。当用物探法测有弹性纵波速度时，可参照围岩弹性纵波速度测定值确定围岩级别。本分级适用于一般地质情况的隧道，对特殊地质条件的围岩，如膨胀岩、盐岩、多年冻土等需另行考虑。关于隧道围岩分级的基本因素和围岩基本分级及其修正,可参照2.3内容确定。表2.1铁路隧道围岩分级围岩级别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态（单线）围岩弹性纵波速度vp（km/s）主要工程地质特征结构特征和完整状态Ⅰ极硬岩（单轴饱和抗压强度Rc60MPa）：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面（或夹层）；层状岩层为巨厚层或厚层，层间结合良好，岩体完整呈巨块状整体结构围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆4.5Ⅱ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；层状岩层为中厚层或厚层，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巨块或大块状结构暴露时间长，可能会出现局部小坍塌；侧壁稳定；层间结合差的平3.5～4.55缓岩层，顶板易塌落Ⅲ硬质岩（Rc30MPa）：受地质构造影响严重，节理发育，有层状软弱面（或夹层），但其产状及组合关系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多有分离现象；硬、软质岩石互层呈块（石）碎（石）状镶嵌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2.5～4.0较软岩（Rc≈15～30MPa）：受地质构造影响较重，节理较发育；层状岩层为薄层、中厚层或厚层，层间一般呈大块状结构Ⅳ硬质岩（Rc30MPa）：受地质构造影响极严重，节理很发育；层状软弱面（或夹层）已基本破坏呈碎石状压碎结构拱部无支护时，可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定1.5～3.0软质岩（Rc≈5®～30MPa）：受地质构造影响严重，节理发育呈块（石）碎（石）状镶嵌结构土体：1.具压密或成岩作用的黏性土、粉土及砂类土2.黄土（Q1、Q2）3.一般钙质、铁质胶结的碎石土、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Ⅴ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）或塌至地表1.0～2.0土体：一般第四系坚硬、硬塑黏性土，稍密及以上、稍湿或潮湿的碎石土著人、卵石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土（Q3、Q4）非黏性土呈松散结构，黏性土及黄土呈松软结构Ⅵ岩体：受构造影响严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带黏性土呈易壖动的松软结构，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；浅埋时易塌至地表1.0(饱和状态的土1.5)土体：软塑状黏性土、饱和的粉土、砂类土等注：层状岩层的层厚划分：巨厚层：厚度大于1.0m；厚层：厚度大于0.5m，且小于等于1.0m；中厚层：厚度大于0.1m，且小于等于0.5m；薄层：厚度小于或等于0.1m。2.2各级围岩的物理力学指标各级围岩的物理力学指标标准值应按试验资料确定，无试验资料时可按表2.2选用。表2.2各级围岩的物理力学指标围岩级别重度γ（kN/m3）弹性反力系数K(MPa/m)变形模量E（GPa）泊松比υ内摩擦角φ（º）黏聚力C（MPa）计算摩擦角φ（º）6Ⅰ26～281800～2800330.2602.178Ⅱ25～271200～180020～330.2～0.2550～601.5～2.170～78Ⅲ23～25500～12006～200.25～0.339～500.7～1.560～70Ⅳ20～23200～5001.3～60.3～0.3527～390.2～0.750～60Ⅴ17～20100～2001～20.35～0.4520～270.05～0.240～50Ⅵ15～1710010.4～0.5220.130～40注：1.本表数值不包括黄土地层；2.选用计算摩擦角时，不再计内摩擦角和黏聚力。2.3围岩分级的主要因素2.3.1围岩基本分级围岩基本分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定；岩石坚硬程度和岩体完整程度，应采用定性划分和定量指标两种方法综合确定。岩石坚硬程度可按表2.3.1-1划分。岩体完整程度可按表2.3.1-2划分。围岩基本分级可按表2.3.1-3确定。表2.3.1-1岩石坚硬程度划分岩石类别单轴饱和抗压强度Rc（MPa）代表性岩石硬质岩极硬岩Rc60未风化可微风化的花岗岩、片麻岩、闪长岩、石英岩、硅质灰岩、钙质胶结的砂岩或砾岩等硬岩30Rc≤60弱风化的极硬岩；未风化或微风化的熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、灰岩、钙质胶结的砂岩、结晶颗粒较粗的岩浆岩等软质岩较软岩15Rc≤30强风化的极硬岩；弱风化的硬岩；未风化或微风化的云母片岩、千枚岩、砂质泥岩、钙泥质胶结的粉砂