第05章 围岩分级与围岩压力

兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology主讲：乔雄Surroundingrockclassificationandpressure兰州理工大学土木工程学院隧道工程内容5.1概述5.2围岩分级及其应用5.3围岩压力的确定5.4影响围岩稳定性的因素第05章隧道围岩分级与围岩压力5.1概述兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程5.1概述5.1.1隧道和地面结构物的区别1.赋存环境不同：地层——空间２.结构体系不同隧道是由地层和支护组成２.结构体系不同地面结构物是由结构和地基组成３.荷载不同地层压力（围岩压力）３.荷载不同自重和外部荷载４.力学作用机理地层承载结构荷载的主要来源工期长短投资多少建设进程构成结构的主要材料塌方涌水开裂围岩的稳定性问题隧道围岩破坏或稳定的规律影响围岩稳定的主要因素围岩稳定性的判别标准分析围岩稳定性的方法维护围岩稳定采取的工程措施隧道工程研究的主要内容围岩的原始地应力围岩的工程性质施工对地层原始状态干扰施工对地层原始状态破坏科学的研究方法围岩变形与破坏的根本作用力出发点综合研究兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程5.1概述5.1.2基本概念（1）围岩:隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩（土）体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(土)体。说明：围岩既指岩体也指土体。（2）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。（3）地质环境：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。兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程地质环境内涵地层特征地温地层原始应力地下水状况隧道围岩的稳定性兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程岩石与岩体的区别：岩石：均质、连续、各向同性岩体：非均质、不连续、各向异性岩体力学性质获取的方式：现场试验：真实、费时、费钱室内试验：不易取样、代表性差（4）岩石是由具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体组成的。其力学性质主要取决于组成岩石的矿物成分及其相对含量。（5）岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体（或称岩块）和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。5.1.2基本概念兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程5.1概述5.1.3围岩分级的重要性围岩分级的目的是：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。目前，隧道围岩分级是隧道设计、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：根据岩体的若干指标，按照稳定性将围岩分成不同的级别。兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程土石分类法单一因素分类法综合物性分类法5.1概述5.1.4围岩分级的发展过程兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程其它分级法：组合多因素分级法与地质勘探手段相联系的分级法总结：早期～仅岩石强度；现在～综合多种因素，如岩体构造、岩石强度、RQD指标等。兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程3个基本因素：①岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等。②地质构造：岩体完整性或结构状态。③地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。1个附加因素：④初始地应力：适当考虑。5.1概述5.1.5围岩分级方法兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程1）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法（1）以岩石强度为基础的分级法代表：土石分类法～坚石、次坚石、松石、土。（2）以岩石物性指标为基础的分级法代表：岩石坚固性系数(f值)分级法～普氏法f值：一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等。但核心还是岩石强度。5.1概述5.1.5围岩分级方法兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程2)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法代表：●泰沙基法～考虑围岩的完整状态和岩性，共9级。●我国交通隧道围岩分级法～借鉴了泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6级。5.1概述5.1.5围岩分级方法兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程3）与地质勘探手段相联系的分级方法代表：●弹性波速分级法～波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标，波速越高，围岩越好。波速Kv0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.150.15完整性完整较完整破碎较破碎极破碎5.1概述5.1.5围岩分级方法兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程●岩石质量指标～RQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。RQD指标的具体含义为岩芯复原率:R0.90.75R0.90.5R0.750.25R0.5R0.25优良好差很差表中R为RQD指标。%10010钻孔总长度以上的岩心累计长度cmRQD兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程4)组合多种因素的分级方法代表：岩体质量分级法巴顿等人提出的“岩体质量—Q”分级法。表达如下：SRFJJJJRQDQwarh组合了6个参数：岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。第05章隧道围岩分级与围岩压力5.2围岩分级及其应用兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程5.2围岩分级及其应用5.2.1现行公路隧道围岩分级方法1）公路隧道围岩分级的出发点●强调岩体的地质特征的完整性和稳定性；●分级指标应采用定性和定量指标结合方式；●明确工程目的和内容，并提出相应的措施；●分级应简明，便于使用；●考虑吸收其它围岩分级优点，并尽量和我国其它工程分级一致。兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程2）考虑分级的指标和因素●岩体的结构特征与完整状态●考虑岩石强度围岩基本质量指标BQ5.2围岩分级及其应用5.2.1现行公路隧道围岩分级方法兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程3）分级的理论基础●以围岩的稳定性判断为基础。属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法。●主要考虑4种因素：①岩石坚硬程度②围岩完整状态③地下水④围岩初始地应力初步分级修正初步分级兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程（1）初步分级依据：围岩主要定性特征该特征由两个基本因素组成：●岩石坚硬程度Rc(即强度)●岩体完整性Kv(即弹性波速)推出围岩基本质量指标BQ=90+3Rc+250Kv5.2围岩分级及其应用5.2.1现行公路隧道围岩分级方法3）具体分级方法初步分级详细定级最终详细分级4.004.04.004.030903090cvcvvcvcRkRkkRkR，当，当兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程（2）详细分级修正BQ值：当有以下3方面影响时，应予修正：①地下水K1②软弱结构面K2③高初始地应力K3[BQ]=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3)K1～K3各值可查公路隧道规范附录A.0.2-1～A.0.2-35.2围岩分级及其应用5.2.1现行公路隧道围岩分级方法兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程5.2围岩分级及其应用5.2.2现行公路隧道围岩分级的应用5.2围岩分级及其应用5.2.2现行公路隧道围岩分级的应用5.2围岩分级及其应用5.2.2现行公路隧道围岩分级的应用兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程5.2围岩分级及其应用5.2.2现行公路隧道围岩分级的应用5.2.2现行公路隧道围岩分级的应用兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程47•普氏系数分类法是以岩石强度为基础的围岩分类方法•普氏系数分类法全称为普氏岩石坚固性系数（f）分类法，是由俄罗斯学者普罗托奇雅可诺夫1907年提出的，经过近二十年的实践后，1926年普氏又提出岩石分类表。5.2围岩分级及其应用5.2.3普氏（普洛托季雅柯诺夫）围岩分类法兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程48普氏系数f（坚固系数，硬度）可由下式求得。fup是岩石强度指标反映，衡量岩体软硬的一个指标。Cfup0tantan岩石岩体upupkff5.2围岩分级及其应用5.2.3普氏围岩分类法数（实质是折减系数）考虑地质条件的修正系—围岩的粘聚力—破坏时的正应力围岩的抗剪强度和剪切—、擦角围岩的似摩擦角和内摩—、kc0式中：兰州理工大学土木工程学院SchoolofcivilengineeringLanzhouUniversityofTechnology隧道工程495.2围岩分级及其应用5.2.3普氏围岩分类法tan1001~8011501~1001tancupcupcupupRcfRfRff粘土或黄土软岩坚硬岩石土松散性岩石、土及砂质岩石的坚固系数是一个说明围岩条件性质（如强度、抗粘性、构造及地下水等）的笼统指标。不同的岩石常用不同的经验计算公式求得。级别坚固性程度岩石性质坚固性系数fⅠ最坚固的岩石最坚固、最致密的石英岩及玄武岩。其它最坚固的岩石20Ⅱ很坚固的岩石很坚固的花岗岩类：石英斑岩、很坚固的花岗岩，硅质片岩；坚固程度较Ⅰ级岩石稍差的石英岩；最坚固的砂岩及石灰岩15Ⅲ坚固的岩石花岗岩（致密的）及花岗岩类岩石；很坚固的砂岩及石灰岩；石英质矿脉，坚固的砾岩；很坚