10-13第四章隧道工程的地质环境-围岩分级与围岩压力

主讲：宋克志(工学博士、教授)复习与回顾隧道结构构造主体构造物附属构造物洞身衬砌洞门构造物洞身衬砌洞身衬砌的平、纵、横断面的形状由隧道的几何设计确定衬砌断面的轴线形状和厚度由衬砌计算决定明洞通风照明排水、消防、通讯等第四章隧道工程的地质环境4-1隧道工程地质环境的相关概念4-2隧道围岩的工程性质4-4隧道围岩分级4-5初始应力场及围岩压力4-3围岩的稳定性本章内容隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念4-1主要相关概念地下结构支护结构周边围岩地层围岩稳定性隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念地上结构地下结构地下结构与地上结构的对比约束约束位于岩土体以上位于岩土体以内隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念地下结构与地上结构的对比隧道是一种结构体系隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念隧道是一种地下结构体系隧道是地下工程的一种主要形式地下结构支护结构周边围岩地层是地下结构承载的主体用于约束地层限制变形和坍塌地层是地下结构荷载的主要来源地层起主导作用围岩压力地下水压力地质勘探、地形线路勘测、地质预报、施工重要理念围岩对支护结构有嵌固作用隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念是地层的一部分，是隧道开挖后对其稳定性产生影响那部分岩(土)体。或隧道开挖影响的那部分岩体。在隧道开挖和支护过程中，围岩将产生应力重分布，其性质也发生变化。围岩的边界：开挖引起的应力变化可以忽略不计的地方。围岩围岩是直接影响隧道稳定性的因素，围岩的好坏直接影响隧道的设计施工及造价。约为6~10倍隧道直径说明：围岩既指岩体也指土体围岩相关内容围岩工程性质围岩初始应力围岩压力围岩分级围岩稳定性岩体构造物理、力学特征地层、围岩与隧道的关系地层隧道围岩(6-10)DD隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念第四章隧道工程的地质环境4-1隧道工程地质环境的相关概念4-2隧道围岩的工程性质4-4隧道围岩分级4-5初始应力场及围岩压力4-3围岩的稳定性本章内容隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质4-2隧道围岩的工程性质围岩的工程性质岩体的变形特性岩体的强度岩体结构分类隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质围岩的工程性质物理性质水理性质力学性质断层面、层理面、节理面、裂隙面等结构面结构体岩体岩体概念被结构面切割的块体由结构面和结构体组成的具有结构特征的地质体岩体力学性质取决于岩体结构特征和结构面特性地下水对岩体力学性质影响很大！岩体性质容重、节理产状等溶水性、透水性和持水性等抗拉、抗压、抗剪强度等对围岩稳定性影响最大的是力学性质！围岩抵抗变形和破坏的性质*了解岩体的工程性质,有助于理解隧道围岩稳定性隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质层理面断层面节理面断层带中软弱夹层隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质自然界中的岩体隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质自然界中的岩体隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质岩体与岩石围岩的工程性质岩石：均质、连续、各向同性岩体：具有明显的非均质、不连续、各向异性岩体力学性质获取现场试验：真实、费时、费钱室内试验：不易取样、代表性差隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质岩体的变形特性1.岩体的变形特性：2.受压变形问题：岩体能受拉吗？受拉、受压、剪切、流变岩石：线性、弹性岩体：弹塑性体、四个阶段软弱结构面：非线性、塑性岩体既不是简单的弹性体，也不是纯粹的塑性体完整性好，接近弹性体而是复杂的弹塑性体破裂和松散，接近塑性体有限，一般不考虑隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质典型岩体全应力应变曲线岩体：①压密阶段(OA)②弹性阶段(AB)③塑性阶段(BC)④破裂和破坏阶段(CD)esABC岩体岩石软弱结构面0峰值强度高软弱结构面隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质3.剪切变形岩体的变形特性沿结构面滑动结构面起主导作用沿岩石断裂岩石起主导作用在结构面的影响下沿岩石剪断介于上述二者之间隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质4.流变特性流变：岩体的变形或应力随时间而变化－时间效应岩体的变形特性蠕变：指应力不变，而应变随时间增长松弛：应变不变，而应力随时间而衰减问题：围岩流变特性对隧道的影响？应变应力tt00应变=常数应力=常数蠕变曲线松弛曲线隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质岩体的强度1.岩石强度：通过试件获得2.岩体强度：低于岩石强度，约为岩石强度的70～80％。抗剪强度：受结构面的制约结构面发育的岩体，只有抗压的5~10%抗压强度：岩石：受微裂隙制约，强度大岩体：受结构面制约，强度小，具有各向异性岩体结构分类岩体的结构不同块度、形状、产状的结构体构成不同类型整体结构、块状结构层状结构、板状结构碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构散体结构隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质岩石试验第四章隧道工程的地质环境4-1隧道工程地质环境的相关概念4-2隧道围岩的工程性质4-4隧道围岩分级4-5初始应力场及围岩压力4-3围岩的稳定性本章内容隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性研究围岩稳定性的意义4-3围岩的稳定性影响围岩稳定性的因素围岩失稳破坏性态隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性答：研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定!研究围岩稳定性的意义围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定程度问题：什么是隧道工程的头等大事？围岩级别的工程应用：判断围岩稳定性判断施工难易程度，投资依据结构分析计算的依据隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的因素两大类：地质因素—客观因素人为因素－主观因素、工程因素⑴岩体结构特征⑵结构面性质和空间的组合⑶岩石的力学性质⑷地下水的影响⑸围岩的初始应力状态⑴隧道尺寸⑵支护结构性质：强、弱⑶隧道开挖方法隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的因素●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。⑴岩体结构特征指岩体的破碎程度或完整状态。按这2个指标：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1.地质因素隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性岩体的破碎程度或完整状态。隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的因素●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。⑵结构面性质和空间组合问题：软弱结构面有怎样的害处？什么是不利空间组合？隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性充分认识岩体的复杂性及危害性!隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的因素节理较发育张家界图隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的因素主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度Rb。岩石强度越高，隧道越稳定。⑶岩石的力学性质初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。在高的初始应力场条件下，围岩级别应适当降低。(4)围岩的初应力状态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。⑸地下水的影响隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性影响围岩稳定性的因素2.人为因素1)坑道尺寸和形状尺寸：跨度越大，围岩稳定性越差形状：圆形或椭圆形围岩以压应力为主，利于围岩稳定性矩形或梯形，顶板处的围岩出现拉应力，不利于围岩稳定性2)支护结构类型强支护：在软弱、松散围岩条件下利于围岩稳定性；在膨胀性（挤压性）围岩条件下支护受力较大；弱支护：在软弱、松散围岩条件下不利于围岩稳定性；在膨胀性（挤压性）围岩条件下利于释放变形，减轻支护受力3)开挖方法普通爆破法、控制爆破法、盾构及掘进机法、全断面一次开挖、小断面分部开挖等对围岩稳定性有不同的影响⑴隧道形状和尺寸⑵支护结构类型⑶施工方法隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性隧道围岩失稳破坏形态1)脆性断裂整体状、块状岩体、岩性坚硬，局部掉块、“岩爆”2)块状运动块状或层状岩体、块体向临空面运动（趋势）3)弯曲折断破坏洞顶层状岩体、下沉弯曲－断裂；变墙侧向鼓出弯曲变形－折断4)松动解脱碎裂结构岩体、在各种作用下松动、溃散－脱落5)塑性变形和剪切破坏碎裂岩体、在较多软弱结构面下，产生塑性变形和剪切破坏表现：塌方、边墙挤入、底鼓、洞径缩小等，膨胀性围岩表现隧道工程的地质环境---4初始应力场与围岩压力隧道围岩失稳破坏形态隧道工程的地质环境---4初始应力场与围岩压力隧道围岩失稳破坏形态隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质岩体的结构性导致的破坏第四章隧道工程的地质环境4-1隧道工程地质环境的相关概念4-2隧道围岩的工程性质4-4隧道围岩分级4-5初始应力场及围岩压力4-3围岩的稳定性本章内容隧道工程的地质环境---4隧道围岩分级概述4-4隧道围岩分级隧道围岩分级方法我国现行的隧道围岩分级围岩分级的概念工程目的发展过程围岩分级考虑的因素以岩石强度或岩石的物性指标为代表以岩体构造、岩性特征为代表与地质勘探手段相联系以多种因素进行组合铁路隧道公路隧道隧道工程的地质环境---4隧道围岩分级隧道围岩分级概述1.概念围岩分级：根据岩体的若干指标（一个或几个），按照稳定性将围岩（无限岩体）分成不同的级别（有限），将稳定性相似的围岩划分为一级。2.工程目的：（1）结构设计依据（2）施工方法依据（3）工程造价依据3.发展过程：综合物性分类法土石分类法单一因素分类法组合多因素分类法与地质勘探手段相联系的分类法早期～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。开挖后稳定程度：充分稳定基本稳定暂时稳定不稳定隧道工程的地质环境---4隧道围岩分级4.围岩分级考虑的因素：隧道围岩分级方法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。隧道工程的地质环境---4隧道围岩分级（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法隧道围岩分级方法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。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～借鉴泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6级。（二）以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法隧道工程的地质环境---4隧道围岩分级●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（三）与地质勘探手段相联系的分级方法隧道围岩分级方法●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:代表%10010钻孔总长度以上的岩心累计长度cmRQDR0.90.75R0.90.5R0.750.25R0.5R0.25优良好差很差隧道工程的地质环境---4隧道围岩分级隧道围岩分级方法岩芯隧道工程的地质环境---4隧道围岩分级SRFJJJJRQDQwarh组合了6个参数：岩石质量指标RQD节理组数目Jh节理粗糙度Jr（四）组合多种因素的分级方法隧道围岩分级方法●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：代表节理蚀变值Ja节理含水折减系数Jw应力折减系数SRF。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隧道工程的地质环境---4隧道围岩分级