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重庆交通大学教案70第5章隧道围岩分级与围岩压力隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水状况、开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态、地温梯度等。因此，隧道围岩的稳定性是反映地质环境的综合指标。也是我们修建隧道工程对围岩特征研究的重要内容之一。隧道围岩压力是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌结构的主要荷载之一。其性质、大小、方向以及发生和发展的规律，对正确地进行隧道设计与施工有很重要的影响。5.1隧道围岩分级及其应用隧道围岩分级是正确地进行隧道设计与施工的基础。一个较好的、符合地下工程实际情况的围岩分级，多改善地下结构设计，发展新的隧道施工工艺，降低工程蛰价，多快好省地修建隧道，有着十分重要的意义。借用苏联的岩石坚固系数进行分类，即通常所谓的普氏系数（f值）。在长期大量的地下工程实践中发现：这种单纯以岩石坚固性（主要是强度）指标为基础的分类方法，不能全面反映隧道围岩的实际状态。逐渐认识到：隧道的破坏，主要取决于围岩的稳定性，而影响围岩稳定性的因素是多方面的，其中隧道围岩结构特征和完整状态，是影响围岩稳定性的主要因素。隧道围岩体的强度，对隧道的稳定性有着重要的影响，地下水、风化程度也是隧道围岩丧失稳定性的重要原因。从围岩的稳定性出发，1975年编制了我国“铁路隧道围岩分类”，这个分类由稳定到不稳定共分六类，代替了多年沿用的从岩石坚固性系数来分级的方法。我国公路隧道围岩分级起步较晚，随着我国经济的发展，公路交通得到较大的发展，大量的公路隧道修建，需要有一个适合我国工期的公路隧道围岩分级，于1990年，根据我国铁路隧道的围岩分级为基础，编制了我国“公路隧道围岩分级”。从国内外的发展中可以看出，以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是总的趋势。但分级指标方面，大多数正在从定性描述、经验判断向定量描述发展。5.1.1隧道围岩分级的因素指标及其选择围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素，大体有以下几种：1．单一的岩性指标重庆交通大学教案71一般有岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量等物理力学参数；岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。在一些特定的分级中，如确定钻眼功效、炸药消耗量等，土石方工程中划分岩石的软硬、开挖的难易，均可采用岩石的单一岩性指标进行分级。一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级指标，具有试验简单，数据可靠的优点。但单一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，用来作为分级的唯一指标是不合适的。如老黄土地层，在无水的条件下，强度虽然低，但稳定性却很高。2．单一的综合岩性指标以单一的指标，反映岩体的综合因素。这些指标有岩体的弹性波传播速度弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比，其指标反映了岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合因素。岩石质量指标（RQD）是综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率。钻探时岩芯的采取率、岩芯的平均和最大长度是受岩体原始的裂隙、硬度、均质性的影响的，岩体质量的好坏主要取决于岩芯采取长度小于10cm以下的细小岩块所占的比例。因此，岩芯采取率是以单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例来判断的。即RQD（％）＝10cm以上岩芯累计长度×100（5.1.1）单位钻孔长度岩石质量指标分级认为：RQD90％为优质；75％RQD90％为良好；50％RQD75％为好；25％RQD50％为差；RQD25％为很差。围岩的自稳时间以被认为是综合岩性指标，隧道开挖后，围岩通常都有一段暂时稳定的时间，不同的地质环境，自稳时间是不同的，劳费（H.Lauffer）认为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示：ts=常数×L－(1＋a)（5.1.2）式中：L－隧道未支护地段的长度；a－视围岩情况在0～1之间变化，好的岩体可取a=0;极差的a=1。劳费（H.Lauffer）根据围岩的自稳时间和未支护地段的长度，将围岩分为：稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的七级。具体的取值标准可参考有关专著。单一综合岩性指标一般与地质勘察技术的水平有关，因此，其应用受到一定的限制。重庆交通大学教案723．复合指标是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。具有代表性的复合指标分级，是巴顿（N.Barton）等人提出的岩体质量－Q指标，Q综合表达了岩体质量的六个地质参数，见下式：Q＝（RQD/Jh）(Jr/Ja)(Jw/SRF)（5.1.3）式中RQD－岩石质量指标，其取值方法见式（5－1）；Jh－节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大，可参考下列经验数值；没有或很少节理，Jh＝0.5～1.0；两个节理组时，Jh＝4；破碎岩体时，Jh＝20。Jr－节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小，可参考下列经验数值；不连续节理，Jr＝4；平整光滑节理，Jr＝0.5等。Ja－节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大，可参考下列经验数值；节理面紧密结合，节理中填充物坚硬不软化，Ja＝0.75；节理中填充物是膨胀性粘土，如蒙脱土，Ja＝8～12等。Jw－节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，Jw取值愈小，可参考下列经验数值；微量渗水，水压0.1Mpa,Jw=1.0；渗水量大，水压特别高，持续时间长，Jw＝0.1～0.05等。SRF－应力折减系数，围岩初始应力愈高，SRF取值愈大。可参考下列经验数值；脆性而坚硬、有严重岩爆现象的岩石，SRF＝10～20；坚硬、有单一剪切带的岩石，SRF＝2.5。以上六个参数的详细说明和取值标准可参考有关专著。这六个地质参数表达了岩体的岩块大小（RQD/Jh）、岩块的抗剪强度（Jr/Ja）、作用应力（Jw/SRF）。因此，岩体质量Q实际上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力的复合指标。根据不同的Q值，岩体质量评为九级，见表5.1.1。表5.1.1岩体质量评估岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q400～1000100～40040～10010～404～101～40.1～10.001~0.10.001～0.01复合指标是考虑多种因素的影响，对判断隧道围岩的稳定性是比较合理可靠的，它可以根据工程对象的要求，选择不同的指标。但是，复合指标的定量重庆交通大学教案73数值，一般是通过试验、现场实测或凭经验确定的，带有较大的主观因素。通过以上分析，对隧道围岩的分级，首先应考虑选择的围岩稳定性有重大影响的主要因素，如岩石强度、岩体的完整性、地下水、地应力、结构面产状、以及他们的组合关系作为分级指标；其次选择测试设备比较简单、人为因素小、科学性较强的定量指标；在考虑分级指标要有一定的综合性，如复合指标等。总之，应有足够的实测资料为基础，能全面反映围岩的工程性质。5.1.2隧道围岩分级的方法国内外隧道围岩分级的方法较多，所采用的指标也不同，但都是在隧道工程的实践基础上逐步建立起来的，随着人们对隧道工程、地质环境之间相互关系的认识和理解，其围岩分级方法也在逐步深化和提高。发展过程大体有以下几类型：1．按岩石强度为单一岩性指标的分级法，具有代表意义的是我国工程界广泛采用的岩石坚固系数“f”值分级法。这种方法的优点是指标单一，使用方便，尤其是在f值分类法中，还将定量指标f值与作用在支护结构上的围岩压力直接联系起来，给设计和施工带来较大的方便。缺点是不能全面地反映岩体固有的性态。2．按岩体构造和岩性特征为代表的分级法，如泰沙基分级法，1975年我国铁路工程技术规范中所采用的铁路隧道围岩分级法，属于这一类。这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。缺点是分级指标还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法，在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。3．与地质勘察手段相联系的分级法。如1979年前后日本提出的按围岩弹性波速度进行分级方法、岩芯复原率分级法等，属于这一范畴。这类方法的优点是分级指标大体上是半定量的，同时考虑了多种因素的影响；其点是分级的判断还带有一定的主观性，如弹性波速度低，可能是有岩体完整，但岩质松软；地质坚硬，但比较破碎；地形上局部高低相差悬殊等几种原因引起的，就弹性波速度这一个指标，就很难客观地下出正确的结论。4．多种因素的组合分级法。如岩体质量“Q”法，我国国防工程围岩分级法等，属于这个范畴。这类方法是当前围岩分类法的发展方向，优点很多，只是部分定量指标仍需凭经验确定。5．以工程对象为代表的分类法。如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分类法(1979年)，苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法(1966年)，属于这一范畴。这类方法的优点是目的明确，而且和支护尺寸直接重庆交通大学教案74挂钩，使用方便，能指导施工。但分级指标以定性描述为主，带有很大的人为因素。根据上述介绍可知，隧道围岩分类方法有简有繁，并无统一格式。目前，国内外许多学者都认为，隧道围岩分级的详细程度，在工程建设的不同阶段应有所不同。在工程规划和初步期计阶段的围岩分级，可以定性评价为主，判别的依据主要来源于地表的地质测绘以及部分的勘察工作，在工程设计和施工阶段，围岩分级应为专门的目的服务。如为设计提供依据的围岩分级，其判别依据主要是地质测绘资料、地质详勘资料、岩石和岩体的室内和现场试验数据。分级指标一般是半定量和定性的。为隧道施工钻爆提供依据的围岩分级，主要利用各种量测和观测到的实际资料对围岩分级进行补充修正，此时的分级的依据是岩体暴露后的实际值。围岩分级的分阶段实施，是因为围岩分级除了取决于地质条件外，还和工程规模、形状、施工工艺等技术条件有关。不同阶段的地质勘察、试验研究、工作顺序可用图5.1.1所示的框图来表示。图5.1.1工程各阶段围岩分级系统框图5.1.3我国公路隧道围岩分级经过长期的隧道工程实践，我国公路隧道以铁路隧道围岩分级的标准为基础，参考了国内外有关围岩分级的成果，提出了适合我国公路隧道实情的围岩分级标准，下面介绍围岩分级的出发点和依据。（一）公路隧道围岩分级的出发点重庆交通大学教案75主要考虑了以下几点：1．强调岩体的地质特征的完整性和稳定性，避免单一的岩石强度指标分级的方法；2．分级指标应采用定性和定量指标相结合的方式；3．明确工程目的和内容，并提出相应的措施；4．分级应简明，便于使用；5．应考虑吸收其它围岩分级的优点，并尽量和我国其它工程分级一致。（二）分级的指标和因素主要考虑了以下几类影响围岩稳定性的因素；1．岩体的结构特征与完整性岩体结构的完整状态是影响围岩稳定性的主要因素，目前主要是根据表5.1.2进行划分的，当风化作用使岩体结构发生变化，松散、破碎、软硬不一时，应结合因风化作用造成的各种状况，综合考虑确定围岩的结构完整状态；结构面（节理）发育程度应根据结构面特征，按表5.1.3确定；地质构造影响程度按表5.1.4确定。表5.1.2岩体完整程度的等级划分等级结构面发育程度地质构造影响程度完整不发育轻微较完整较发育、不发育较严重、轻微较破碎发育、较发育严重、较严重破碎极发育、发育极严重、严重极破碎极发育极严重表5.1.3围岩结构面(节理)发育程度等级划分等级结构面（节理）发育程度结构面（节理）组数及平均间距（m）主要结构面（节理）的类型岩体结构类型不发育1—2组平均间距1.0为原生型或构造型密闭巨块状结构较发育2～3组平均间距0.4呈X形，较规则，以构造型为主，多数为密闭部分微张，少有充填物大块状结构发育3组平均间距0.4不规则，呈X形或米字形；以构造型或风化型为主，大部分张开，部分有充填物块石和碎石状很发育3组，杂乱，平均间距0.2以风化型和构造型为主，微张或张开，均有充填物碎石状重庆交通大学教案76表5.1.4围岩受地质构造影响程度等级划分等级地质构造作用特征轻微围岩地质构造变动小，无断裂(层)；层状岩一般呈单斜构造；节理不发育较重围岩地质构造变动较大，位于断裂(层)或褶曲轴的邻近地段，可有小断层，节理较发育严重围岩地质构造变动强烈，位