第二章围岩分类及围岩压力

隧道工程力学原理第二章围岩分级及围岩压力第一节围岩的工程性质一、围岩、岩石和岩体的概念隧道围岩：是指地壳中受隧道开挖影响的那一部分岩体，或是指对隧道稳定性有影响的那一部分岩体。从力学分析的角度来看，围岩的边界应划在因开挖隧道而引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零，这个范围在横断面上约为6～10倍的洞径。围岩的工程性质，一般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。而对围岩稳定性最有影响的则是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能。围岩既可以是岩体，也可以是土体。岩体被许许多多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为大小不等、形状各异的各种块体（称结构体）。从岩体构造—力学特性上看，大体上可分为无裂隙岩体和裂隙岩体两大类。地下工程在多数情况下是修筑在裂隙岩体中的。岩体是由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。岩体的力学性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特性以及结构面的特性。环境因素尤其是地下水和地温对岩体的力学性质影响也很大。结构面把岩体分割成各种类型和尺寸的岩块，因此，岩体也可以说是各种类型和尺寸的岩块的集合体。它们在初始应力场下，彼此联锁在一起而处于平衡状态。因此，岩体是由下述几部分构成的：a)不同尺寸和类型的岩块；b)结构面；c)岩块间的充填物。在各种类型的结构面中，结构弱面对岩体稳定性影响很大。有些虽然是结构面，但不一定是软弱面，如硅质、钙质胶结的节理面、岩脉接触面等，它们的强度很大。因此，软弱面基本上是指那些断层、剪切带、破碎带、泥质充填的节理、软弱夹层等控制岩体强度的结构面，其强度较岩石强度低。岩体的天然不均质性及各向异性也是它的显著特征。岩体与岩石相比，两者有着很大的区别。和工程问题的尺度相比，岩石几乎可以被认为是均质、连续和各向同性的介质，而岩体则具有明显的非均质性、不连续性和各向异性。关于岩体的力学性质，包括变形破坏特性和强度，一般都需要在现场进行原位试验才能获得较为真实的结果。岩体和岩石的变形、破坏机理是很不相同的，前者主要受宏观的结构面所控制，而后者则受岩石的微裂隙所制约。因而岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具有明显的各向异性。一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石抗压强度的70～80％，结构面发育的岩体，仅有5～10％。目前通常采用下式经验地初步估计岩体的强度：式中—岩体强度；—岩石强度；—岩石强度降低系数估计岩体强度的关键是如何确定岩石强度降低系数值。目前有多种方法进行判定。如前苏联建议的值，列于下表，供参考。kRRbMMRbRk岩体强度降低系数值k岩体状态层厚大于1.0m，有一组裂隙，间距1.5m0.9层厚大于0.5-1.0m，不超过2组裂隙，间距1-1.5m0.7层厚大于0.5-1.0m，有3、4组裂隙，间距0.5-1.0m0.5层厚小于0.5m，裂隙小于6组，间距小于0.5m0.3层厚小于0.3m，裂隙小于6组，间距小于0.3m0.1-0.2k二、岩体结构分类及其破坏特征根据不同岩体对岩体力学性质和围岩稳定性的影响(称为岩体的结构效应)，工程地质学中把岩体划分为四大种结构类型：Ⅰ.整体结构、块状结构Ⅱ.层状结构、板状结构Ⅲ.碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构Ⅳ.散体结构整体结构岩体的变形主要是结构体的变形，其重要特征是横向应变与纵向应变之比小于0.5，破坏前的变形是连续的，在低围压作用下多为脆性破裂，高围压时为塑性剪切破坏。块状和层状结构岩体的变形主要是结构面的变形，故其变形特性一般不用变形模量，而常用刚度系数来表示。岩体的破坏则是沿软弱结构面滑动，应力传播具有明显的不连续性。碎裂和散体结构岩体的变形，开始是将裂隙或孔隙压密，随后是结构体变形，并伴随有结构面张开。破坏形式主要为剪切破裂和塑性变形。应力传播与岩体结构特征关系十分密切，并具有不连续性，随着围压的提高很快就转化为连续的。三、隧道围岩失稳破坏性态隧道围岩失稳破坏大致有以下五种情况：1．脆性破裂整体状和块状结构岩体，仅产生局部掉块或岩爆2．块状运动块状或层状岩体，向临空面运动，逐渐形成块体塌落、滑动、转动、倾倒以及块体挤出等失稳破坏性态。在支护结构和围岩之间如有较大空隙而又未回填密实或根本没有回填，块体运动可能对支护结构产生冲击荷载，而使之破坏。3．弯曲折断破坏层状岩体尤其是有软弱夹层的互层岩体，由于层间结合力差，易于错动，所以抗弯能力较低。洞顶岩体受重力作用易产生下沉弯曲，进而张裂、折断形成塌落体。边墙岩体在侧向水平力作用下弯曲变形而鼓出，也将对支护结构产生压力，严重时可使支护结构折断而塌落。4．松动解脱碎裂结构岩体基本上是由碎块组合而成的，在张拉力、单轴压力、振动力作用下容易松动，溃散(解脱)而成碎块脱落。一段在洞顶表现为崩塌，在边墙则为滑塌、坍塌。5．塑性变形和剪切破坏散体结构岩体或碎裂结构岩体，表现为坍方、边墙挤入、底鼓以及洞径缩小等等，而且变形的时间效应比较明显。第二节隧道围岩分级方法判断隧道围岩的稳定性，并针对围岩稳定的程度制定相应的工程措施—最佳的施工方法和支护结构，乃是研究隧道地质环境需要解决的两个基本问题。由于隧道工程所处地质环境十分复杂，人们对它的认识远没有达到完善的地步，所以，至今在隧道工程中经验方法（经验设计、经验施工）仍然占有一定的地位，即根据以往的工程经验对设计和施工作出决策，决策依据就是隧道围岩稳定性分级。隧道围岩分级的目的是：作为选择施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的荷载；确定支护结构的类型和尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准的基础等。隧道围岩分级是为了解决坑道支护这个目的而建立起来的，即坑道开挖后是否需要支护、采用什么类型的支护结构、如何支护等。而坑道支护与坑道开挖后的稳定性有直接的关系。因此，隧道围岩分级的基础条件是坑道开挖后的稳定性。根据坑道开挖实践，坑道开挖后的稳定性大体上可分为以下几类：1)充分稳定的。坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。2)基本稳定的。坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的，层间结合差的平缓岩层顶板可能弯曲、断裂。此时应采取局部支护或轻型的支护。3)暂时稳定的。大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。在外界（如爆破、重新更换支撑等）和内部（如地下水等）条件的影响下，坑道如不及时支护，会进一步丧失稳定。因此，在这种围岩中，必须采取各种类型的支护措施。4)不稳定的。坑道在不支护条件下是难以开挖的，随挖随坍，常常要先支后挖，坑道的坍塌发生迅速、影响范围大，有时可坍塌到地表，或在地面形成塌盆地。在有水的情况下，土体流动造成极大的荷载。在这种情况下，需要采取专门的支护措施和施工方法来保证坑道的稳定。由此可见，坑道围岩稳定性的不同，采取的施工方法和支护措施也是不同的。因此，按坑道围岩稳定性大致相同的围岩工程地质条件并结合工程实践进行围岩分级是有可能的，也是有根据的。目前国内外隧道围岩分类的方法大体上有以下几种类型：一、以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法具有代表性的是前苏联普落托奇雅柯诺夫(M.JipoctonbnMonos)教授提出的“岩石坚固系数”分级法(或称“f”值分级法，或普氏分级法)。岩石的坚固系数值表示岩石在开挖时的相对坚固性，如人工破碎岩石时的抗破碎性、机械钻眼时的抗钻性、对炸药的抗爆性、开挖坑道时围岩作用在支护结构上的压力值等等。确定f值的主要方法：f岩石=R/100（R为岩石单轴抗压强度）。考虑到岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的值适当降低，即取岩体的坚固系数f岩体=Kf岩石K是考虑地质条件的折减系数，一般情况下，K＜1.0。然后按照f岩体进行分级。f岩体围岩地质特征岩层名称重度φ15坚硬、密实、稳固、无裂隙和未风化的岩层很坚硬的花岗岩和石英岩，最坚硬的砂岩和石灰岩26～30-8坚硬、密实、稳固，岩层有很小裂缝坚硬的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚硬的花岗岩2580°6相当坚硬的、较密实的、稍有风化的岩层普通砂岩、铁矿24～2575°5较坚硬的、较密实的、稍有风化的岩层砂质片岩、片状砂岩24～2573°4较坚硬的、岩层可能沿层面或节理脱落的岩层，已受风化的岩层坚硬的粘土岩、不坚硬的石灰岩、砂岩、砾岩25～2870°3中等坚硬的岩层不坚硬的片岩，密实的泥灰岩，坚硬胶结的粘土2570°2较软岩石软片岩、软石灰岩、冻结土、普通泥灰岩、破碎砂岩、胶结的卵石2465°1.5较软或破碎的地层碎石土壤、破碎片石、硬化粘土、硬煤、粘结的卵石和碎石18～2060°1.0较软或破碎的地层密实粘土、坚硬的冲积土、粘土质土壤、掺砂土、普通煤1845°0.6颗粒状的和松软的地层湿沙、粘砂土、种植土、泥灰、软砂粘土15～1630°二、以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法具有代表性的是泰沙基分级法。泰沙基分级法，以坑道支护所需的地压值为对象的，把不同岩性、不同构造条件的围岩分为9级，每级围岩都有一个相应的地压范围值和支护措施建议。在分级时是以坑道有水为基础的，当确认无水时，4～7级围岩所对应的地压值应降低50%。三、与地质勘探手段相联系的分级方法①用弹性波在岩体中传播的速度进行围岩分级围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可以反映岩石软硬，又可以表达岩体结构的破碎程度。因此，在弹性波速度基础上，综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素(岩性、风化程度、破碎状态、含水及涌水状态等)，日本将围岩分为7级。该方法仍然是半定量的，但是综合的。它把岩体的很多错综复杂的因素，统统用一个指标表达，难免给判断带来一定的“主观性”。例如弹性波速度低，就可能有几种情况：(1)岩体完整，但岩质松软；(2)岩质坚硬，但岩体破碎；(3)出现于地形上局部高低差显著的谷部等。因而在判断上还要借助于其他条件，如地质测绘、岩性等手段或资料。②用钻探时的岩心复原率(或称岩芯采取率)进行分级美国伊利诺斯大学狄丽等人提出的采用“岩石质量指标”(RQD)就是一例。狄丽指出，岩心的采取状态(采用率)、岩心的平均长度、最大长度等受到原始裂隙、硬度、均质性等状态所支配。因此，岩心采取率是可以表达岩体质量的。同时指出，岩体质量好坏主要决定于小于10cm以下的细小岩块状态。岩心复原率是以单位长度钻孔中10cm以上的岩心占有比例来判断的，即：10010cm(%)钻孔长度以上岩心累计长度RQD该分级法将围岩分为5级：RQD＞90％即为优质的；75％＜RQD＜90％为良好的；50％＜RQD＜75％为好的；25％＜RQD＜50％为差的；RQD＜25％为很差的。分级也给出相应的地压值及可采取的支护系统。同时指出，在采用掘进机掘进时地压值可适当降低(约减小20％)。四、以多种因素进行组合的分级方法比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量—Q”分级法。Q与六个表明岩体质量的地质参数有关。根据不同的Q值，将岩体质量评为九等。岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q400～1000100～40040～10010～404～101～40.1～10.01～0.10.001～0.01五、以工程对象为代表的分级法分类指标以定性描述为主。这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分级法(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)等，优点是目的明确，而且和支护尺寸直接挂钩，因此，使用方便，对指导施工很起作用。但分类指标以定性描述为主，带有很大的人为因素。由上述可知，隧道围岩分级方法有简有繁，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可以有所不同。在工程规划和初步设计阶段的围岩分级，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探工作。在工程的技术设计和施工设计阶段，围岩分级是为专门目的服务的，如为