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第四章围岩分级及围岩压力主讲人冯冀蒙博士隧道工程1岩体的基本工程性质围岩分级主要内容隧道工程2围岩和围岩分级的定义我国铁路隧道围岩分级的方法学习重点隧道工程3由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖隧道前岩体中就已存在的地应力场，称之为围岩的初始应力场。围岩初始应力场的形成与围岩的结构、性质、埋藏条件以及地质构造运动的历史等有密切关系，根据地应力场的成因将其分为自重应力场和构造应力场两大类。初始应力场（一）概念隧道工程41自重应力场自重应力场是上覆岩体自重产生的应力场。初始应力场（二）初始应力场的变化规律xyzσyxσσz地面γ11HH22γγiiH…隧道工程51自重应力场该点的水平应力主要是由岩体的泊松效应引起的，按弹性理论应为初始应力场（二）初始应力场的变化规律大多数围岩的泊松比变化在0.15~0.35左右。因此，在自重应力中，水平应力通常是小于竖直应力的。隧道工程61自重应力场岩体自重应力场的变化规律为：地应力随深度线性增加；水平应力总是不大于垂直应力；地质构造形态改变了自重应力场的状态，这在实际工程中不容忽视；深度对初始应力状态有重大影响。初始应力场（二）初始应力场的变化规律隧道工程72构造应力场构造应力场的变化规律为：地质构造形态的变化不仅改变了自重应力场，除了以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在岩体内，其中残余应力将对地下工程产生重大影响；初始应力场（二）初始应力场的变化规律隧道工程82构造应力场构造应力场的变化规律为：构造应力场在不深的地方已普遍存在，最大构造应力的方向多近似水平，且水平应力普遍大于自重应力场中水平应力分量，甚至大于垂直分量。初始应力场（二）初始应力场的变化规律隧道工程9岩体的基本工程性质岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。地下结构围岩（岩体+土体）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。其中力学性质对围岩的稳定性影响最大。隧道工程10岩体的基本工程性质岩体物理力学性质的不均匀性；相同的天然岩体其物理力学性质随在岩体中所测点的空间位置不同而有差异，呈现出岩体的不均匀性。岩体是由结构面分割的多裂隙体；结构面的存在，决定着岩体的完整程度，关系着岩体的力学介质属性，即控制着岩体的强度、变形和破坏特征。（一）物理性质隧道工程11岩体的基本工程性质岩体具有各项异性；岩体中由于岩石的结构、构造具有方向性，使岩体强度、变形，甚至渗透等性质在不同方向上显示出差异，称为岩体的各向异性；主要是由于沉积岩中的层理、变质岩中的片理，以及定向的节理裂隙、劈理、断裂和夹层等存在引起的。（一）物理性质隧道工程12岩体的基本工程性质一般岩石的强度随着含水量增大的不同其降低程度也不同，主要取决于岩石中的亲水矿物和易溶性的矿物的含量及裂隙发育情况。通常用软化系数来表示岩石的软化性。一般规定软化系数小于0.75的岩石称为软化岩石。（二）水理性质隧道工程13岩体的基本工程性质1单向应力状态下围岩的变形特征（三）力学性质典型的岩体应力—应变曲线分解为4个阶段：压密阶段（OA）；弹性阶段（AB）；塑性阶段（BC）；破坏和破裂阶段（CD）。隧道工程14岩体的基本工程性质2三轴压缩下岩石的强度及变形特性（三）力学性质隧道工程15岩体的基本工程性质3裂隙岩体的强度性质（三）力学性质试验研究结果表明，裂隙岩体的强度随着裂隙组数的增加而明显减小，但当裂隙组数增加到一定的程度之后，强度不再降低，而接近岩石的残余强度。具体见下表。隧道工程16岩体的基本工程性质3裂隙岩体的强度性质（三）力学性质试件尺寸(cm):15×15×30试件强度(MPa):32.8~34.6结构面强度：c=0.11MPa;φ=38表中数值为试件的强度与岩石试件强度的比值隧道工程17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）。依据各种围岩的物理性质之间存在的内在联系和规律，可将围岩划分为若干级，这就是围岩分级。围岩分级概述隧道工程18围岩分级的目的：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；确定结构上的松散荷载；给出衬砌结构的类型及尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准的基础。围岩分级概述隧道工程19围岩分级概述•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。隧道工程20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围岩分级概述隧道工程21围岩的分级方法大致分三类：第Ⅰ类：与岩性有关的要素，例如分为硬岩、软岩、膨胀性岩类等；第Ⅱ类：与地质构造有关的要素，如软弱结构面的分布与形态、风化程度等；第Ⅲ类：与地下水有关的要素。（一）围岩分级的基本要素隧道工程22⑴第I类指岩体的破碎程度或完整状态。●破碎程度：裂隙率、裂隙间距。裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。●完整状态：整块状、大块状等。按这2个指标有下图：围岩岩体整体块d1.0cm大块体d=0.4-1.0cm块石状d=0.2-0.4cm碎石块d0.2cm土石块松散状松软状土体归入土类d为裂缝间距隧道工程23⑵第II类●性质1)结构面的成因；2)结构面的光滑程度；3)结构面的物质组成；4)结构面的规模；5)结构面的密集度。●空间组合指结构面的相互位置状态。隧道工程24隧道工程25（3）地下水的影响●软化围岩；●减少层间摩阻力促使岩块滑动；●具膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀等。隧道工程26围岩的分级方法1以岩石强度为基础的分级方法该方法单纯以岩石的强度为分级依据。该方法认为：坑道开挖后，它的稳定性主要取决于岩石的强度。岩石愈坚硬，坑道愈稳定；反之岩石愈松软，坑道的稳定性就愈差。该法不全面！（二）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法隧道工程27围岩的分级方法2以岩石的物性指标为基础的分级方法代表性方法：普洛托奇雅柯诺夫提出的“岩石坚固性系数”分级法（“f”值分级法）。“f”值是一个综合的物性指标值，表示岩石在采矿中各个方面的相对坚固性。（二）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法隧道工程28围岩的分级方法1泰沙基分级法该法把不同岩性、不同构造条件的围岩分为九类，每类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的条件为基础，当确认无水时，4~7类围岩的地压值降低50%。（三）以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法隧道工程29围岩的分级方法2以岩体综合物性为指标的分级方法20世纪60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出的以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”。经多次修订现列入我国现行的《铁路隧道设计规范》。（三）以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法隧道工程30围岩的分级方法1按弹性波（纵波）速度的分级方法围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可反应岩石软硬、又可表达岩体结构的破碎程度。根据岩性、构造状况及土压状态，将围岩分为7类。（四）与地质勘探手段相联系的分级方法隧道工程31围岩的分级方法2以岩石质量为指标的分级方法-RQD方法RQD是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。岩芯复原率即单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例：（四）与地质勘探手段相联系的分级方法该法将围岩分为5类。隧道工程32围岩的分级方法比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿等提出的“Q指标”分级法。该法将表明岩体质量的6个地质参数之间的关系表达为：（五）组合多因素的分级方法岩体质量值Q实质上是岩块尺寸、抗剪强度和作用力的复合指标，根据不同的Q值，将岩体质量评为9级。隧道工程33●岩体综合分类～60年代，成昆线，五类。●隧道围岩分类～74年版，首部铁路隧道规范，六类。●隧道围岩分类～86年版，加入围岩弹性波速指标。●隧道围岩分级～99年版，采用国标分级排序，改称“围岩分级”，六级。●隧道围岩分级～2001年版，不变。●隧道围岩分级～2005年版，不变。我国铁路隧道围岩分级方法隧道工程34●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围岩初始地应力基本分级修正基本分级基本分级修正基本分级最终分级我国铁路隧道围岩分级方法隧道工程35我国铁路隧道围岩分级方法围岩基本分级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可采用定性划分和定量指标两种方法确定。（一）围岩分级的基本因素隧道工程36我国铁路隧道围岩分级方法1岩石坚硬程度将岩浆岩、沉积岩和变质岩三大岩类按岩性、物理力学参数、耐风化能力划分为硬质岩和软质岩两大类。然后根据单轴饱和极限抗压强度再分为5级，即极硬岩、硬质岩、较软岩、软岩、极软岩。（一）围岩分级的基本因素隧道工程37岩石坚硬程度软硬岩分界指标：30MpaRb30硬岩5Rb≤30软岩Rb5极软岩我国铁路隧道围岩分级方法（一）围岩分级的基本因素隧道工程38我国铁路隧道围岩分级方法2岩体的完整程度该指标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。衡量围岩的完整程度，考虑以下四方面的因素：按照软弱面的产状、贯通性以及充填物的情况，将围岩分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。（一）围岩分级的基本因素隧道工程39我国铁路隧道围岩分级方法2岩体的完整程度按照围岩受地质构造影响程度，将围岩分为：构造变动轻微、较重、严重、很严重4个等级。按照节理发育程度的不同分为：节理不发育、节理较发育、节理发育、节理很发育4级。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4级。（一）围岩分级的基本因素隧道工程40围岩完整程度指标1：结构面发育程度指标2：地质构造影响程度由此两指标，将岩体完整程度分为5个级别，见下表：我国铁路隧道围岩分级方法（一）围岩分级的基本因素隧道工程41岩体完整程度的划分完整程度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、不发育较重、轻微较破碎发育、较发育严重破碎极发育、发育极严重、严重极破碎极发育极严重隧道工程42围岩受地质构造影响程度等级划分围岩节理（裂隙）发育程度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）；层状岩体一般呈单斜构造；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较强烈，位于褶曲轴部或断裂影响带内；软岩多见扭曲及拖拉现象；节理发育很严重位于断裂（层）破碎带内；节理很发育；岩体呈碎石、角砾状，有的呈粉末泥土状等级地质构造作用特征节理不发育节理（裂隙）1-2组，规则，为原生型或构造型，多数的间距在1.0m以上，为密闭型。岩体被切割成块状节理较发育节理（裂隙）2-3组，呈x型，较规则，以构造型为主，多数的间距大于0.4m，多为密闭。部分微张开，少有填充物。岩体被切割成大块状节理发育节理（裂隙）3组以上，不规则，呈x型或米字型，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.4m，大部分微张开，部分张开，大部分为粘性土填充。岩体被切割成块、碎石状节理很发育节理（裂隙）3组以上，杂乱，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.2m，微张开或张开，部分为粘土充填。岩体被切割成碎石状隧道工程43我国铁路隧道围岩分级方法1基本分级根据以上分级的因素和指标，给出各级围岩的主要工程地质特征、结构特征和完整性及围岩弹性纵波波速等要素。《铁路隧道设计规范》将单、双线铁路隧道的围岩划分为6级：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。（二）围岩基本分级及其修正隧道工程44我国铁路隧道围岩分级方法2隧道级别的修正（1）地下水影响的修正地下水对围岩的影响主要表现在：软化围岩、软化结构面、承压水作用。根