隧道围岩分级

隧道围岩分级第一部分地下工程系刘勇第一节隧道工程地质调查与勘测隧道工程的调查和勘测，应遵照基本建设工作程序分阶段依次进行。一般可分为施工前的调查勘测阶段(相当于初测和定测阶段)和施工时的调查阶段。阶段期限目的和要求方法范围施工前的调查勘测初测研究、必选隧道线路方案期间掌握区域工程地质和水文地质情况及其与隧道的关系，了解经济、国防、农业、环保等方面的要求，为隧道线路方案比选、初步设计及下一阶段的调查工作提供基础资料搜集和调查有关资料、法规；重点测绘包括比较线路在内的范围定测决定隧道线路后到施工前详细查明隧道所在地区的地貌、地形、工程地质和水文地质条件，农业、环保要求，材料、劳动力、设备等供应情况，以及弃土、施工场地、拆迁赔偿等要求，为评定隧道所穿越地段的地质特征，确定围岩级别及预测施工中可能遇到的问题，进行技术设计、施工计划、编制预算提供完整而准确的资料详细测绘和调查；必要的地质勘探(包括钻探、坑探、物探、触探)及试验工作；航测、遥感图片解释与隧道有关的地点及周围地区施工前的调查技术设计后至完工前技术设计有待补充的资料；预测和确认施工中产生的问题，获取变更设计和施工管理所需的资料同技术设计；洞内地质素描；量测以洞周变形和支护应力为主；地面沉陷观测；超前钻孔、辅助导坑、试验坑道隧道影响范围和隧道内一、自然概况调查以地形地貌特征为主。二、围岩条件调查围岩条件调查以隧道及其周围的围岩稳定性和有无不良地质现象为主要内容。围岩条件调查应根据当地地形和地质条件，采用适当方法进行综合勘探，相互补充，以期得出正确的结论。三、环境调查环境调查以生态环境、社会环境、生活环境和施工用水、用电、用地、交通运输条件等为主要内容。四、调查成果•说明书：叙述调查、勘测工作的概况、内容及相应的结论，对隧道围岩进行评价。•图纸：包括隧道所在地区的地形、地质图(如地质条件复杂，地质平面图应单独绘制)，隧道沿线的地形纵断面图(并逐段填绘地质及较大地质构造线、水文地质条件，注明围岩类别，探点位置)，洞口放大的平面、纵断面和横断面的地形地质图。四、调查成果•试验资料汇总表。•环境条件、施工组织及预算定额等调查资料。•与有关部门和单位的协议。•严重影响隧道工程的地质、环境等的专项资料。五、隧道施工中的危险地质现象•与重力作用有关的地质现象包括：拱顶的崩落、隧道边缘岩体的坍塌、坑道泥质底板中岩体的基础。崩落与岩体裂隙扩展而发生的瞬间脆性破碎有关与岩体风化有关与以“塑性变形”为表现形式的岩体的缓慢塑化有关五、隧道施工中的危险地质现象•与地球内力有关的地质现象包括：地震和动力现象(岩爆、震动等)。•与地下地上水活动有关的地质现象包括：水动力现象(如流砂、液化岩向山体坑道突然冲击等)、突水现象、潜蚀、喀斯特及其他渗透现象而带来的施工困难。五、隧道施工中的危险地质现象•与地下气体活动有关的地质现象在隧道和其他地下坑道的掘进过程中，常会遇到易爆及有毒的天然气体。岩石含气量、气体压力数值、含气岩石厚度等岩石的物理状态(包括应力状态)及属性，以及隧道掘进过程中它们所承受的作用的强度都可以决定是否可能孕育出一些危险的地质现象，如气体、岩石突然喷出，地下瓦斯爆炸、起火等。五、隧道施工中的危险地质现象•与地球热流作用有关的地质现象来自于地球深处的热流作用于岩石，会使它们变热而温度升高。在坑道里的高气温下，泥质岩石和水泥衬砌都有可能出现收缩而形成裂隙，还会出现大大加快地下风化作用进程和其他的伴生地质现象。五、隧道施工中的危险地质现象•与地球热流作用有关的地质现象隧道埋深加大时温度的增高有着非常复杂的特点，它取决于岩石成层的结构构造条件和它的导热性，取决于它的含水性和渗透性，取决于岩石中的水花过程和距离年轻火山源的远近等。五、隧道施工中的危险地质现象•与岩石内力作用有关的地质现象•与风化作用有关的地质现象•与岩石的冻结和融化有关的地质现象第二节岩体的基本工程性质回顾：隧道的特点？地层岩石？岩体是在一定工程规模范围内现实存在的自然地质体。是由被分割的结构体和众多结构面组成的。岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然体。岩体？明确两个概念结构面：岩体中具有一定方向、力学强度相对较低的地质界面(带)。第二节岩体的基本工程性质一、岩体处于一定的天然应力作用之下岩体在天然状态下所具有的内在应力，称之为岩体的初始应力，也有人叫它为地应力。岩体的初始应力，主要是由于岩体的自重和地质构造作用和地质地温作用引起的。假定岩体是均一连续介质1.重力应力场0xyyzxyyzyyxσxσzσyλ为侧压力系数1由于地质构造运动的作用，使得岩体内积存了一定的应力，称它为构造应力。2.构造应力场构造应力一般采取现场应力量测的方法来得到。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。二、岩体的物理力学性质的不均匀性所谓结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低的地质界面(或带)。三、岩体是由结构面分割的多裂隙体(1)原生结构面：指岩体形成过程中形成的结构面和构造面。(2)构造结构面：岩体形成后，由于地壳构造运动在岩体中产生的各种断裂面。(3)次生结构面：指在外营力作用下产生的风化裂隙面及卸荷裂隙面等。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。四、岩体具有各向异性风化岩石按风化剧烈的程度分成若干级(或带)：风化极严重、风化严重、风化颇重、风化轻微和未经风化五级。五、岩体具有可变性(风化、遇水软化)用软化系数来表示岩石的软化性：干燥岩石抗压强度饱水岩石抗压强度软化系数＝一般规定软化系数小于0.75的岩石，叫软化岩石。一、概述围岩定义：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。第三节围岩分级围岩分级的概念各种围岩的物理性质之间存在一定的内在联系和规律，依照这些联系和规律，可将围岩划分为若干级，这就是围岩分级。目前，隧道围岩分级是设计、施工的基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基础上的）。围岩分级的目的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。比较理想的分级方法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。围岩分级的发展趋势要有明确的工程对象和工程目的以岩体为对象与地质勘探结合与设计施工结合定量化二、分级(类)的指标1.单一的岩性指标包括岩石的抗压和抗拉强度、岩石坚固性系数f、弹性模量等物理力学参数，以及如抗钻性、抗爆性等工程指标。2.单一的综合岩性指标它表明指标是单一的，但反映的因素却是综合的。“岩石质量指标”(RQD)也是反映岩体破碎程度和岩石强度的综合指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。10cmRQD% =100以上岩芯累计长度单位钻孔长度3.复合指标巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量Q”rnaRQD=SRFwJJQJJ式中，RQD为岩石质量指标；Jn为节理组数目；Jr为节理粗糙度（0-20）；Ja为节理蚀变值（0.75-20）；Jw为节理含水折减系数；SRF为初始应力折减系数。目前铁路隧道围岩分级采用两种方法，即以围岩稳定为基础的分级方法和按弹性波(纵波)速度的分级方法。三、国内主要地下工程围岩分级(类)标准(一)《铁路隧道设计规范》的围岩分级围岩基本分级基本分级的修正施工阶段围岩级别的最终确定影响围岩稳定性的主要因素(1)岩体结构特征(关键)可简单用岩体的破碎程度或完整性表示。(2)结构面性质和空间的组合(块状或层状岩层)(3)岩石的力学性质(整体结构)(4)围岩的初始应力场(5)地下水状况1.地质因素2.人为因素(1)地下洞室尺寸和形状(2)施工中采用的施工方法岩石坚硬程度的划分岩石类别单轴饱和抗压强度Rc/MPa代表性岩石极硬岩60硬质岩硬岩30~60花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩；硅岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩；片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩较软岩15~30软岩5~15软质岩极软岩5凝灰岩等喷出岩；砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、灰质页岩、泥灰岩、泥岩、煤等沉积岩；云母片岩或千枚岩等变质岩1.围岩分级的基本因素(1)岩石坚硬程度根据单轴饱和极限抗压强度Rc分为5级，即极硬岩、硬质岩、较软岩、软岩、极软岩。(2)岩体的完整程度主要是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。它是评价围岩稳定程度最直接、最重要的指标。为了衡量围岩的完整程度要考虑的因素：按照软弱面的产状、贯通性以及充填物的情况，可将围岩分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。按照围岩受地质构造影响的程度，可将围岩分为：构造变动轻微、较重、严重、很严重。按照节理(裂隙)发育程度的不同又分为：节理不发育、节理较发育、节理发育及节理很发育。按照岩体风化程度的不同将围岩分为：风化轻微、较重、严重、极严重四级。岩体完整程度划分完整程度结构面状态结构类型岩体完整性指数完整结构面1~2组，以构造型节理或层面为主，密闭性巨块状整体结构0.75较完整结构面2~3组，以构造型节理、层面为主，裂隙多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物块状结构0.55~0.75较破碎结构面一般为3组，以节理及风化裂隙为主，在断层附近受构造作用影响较大，裂隙以微张型和张开型为主，多有充填物层状结构、块石碎石结构0.35~0.55破碎结构面大于3组，多以风化型裂隙为主，在断层附近受构造作用影响大，裂隙宽度以张开型为主，多有充填物碎石角砾状结构0.15~0.35极破碎结构面杂乱无序，在断层附近受断层作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥夹岩屑充填，充填物厚度大散体状结构≤0.152.围岩基本分级及其修正(1)基本分级《铁路隧道设计规范》将隧道的围岩划分为六级。铁路隧道围岩分级围岩主要工程地质条件级别主要工程地质特征结构特征和完整状态围岩开挖后的稳定状态(单线)围岩弹性纵波速度(km/s)Ⅰ硬质岩(单轴饱和抗压极限强度Rc60MPa)：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面(或夹层)；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆4.5硬质岩(Rc30MPa)：受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面(或夹层)和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩石偶夹软质岩石呈大块状砌体结构Ⅱ软质岩(Rc≈30MPa)：受地质构造影响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构暴露时间长，可能会出现局部小坍塌，侧壁稳定，层间结合差的平缓岩层，顶板易塌落3.5-4.5硬质岩(Rc30MPa)：受地质构造影响较重，节理较发育，有层状软弱面(或夹层)，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或薄层，层间结合差，多有分离现象；或为硬、软质岩石互层呈块(石)碎(石)状镶嵌结构Ⅲ软质岩(Rc＝5~30MPa)：受地质构造影响轻重，节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合一般呈大块状砌体结构拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易坍塌2.5-4.0硬质岩(Rc30MPa)：受地质构造影响很严重，节理很发育；层状软弱面(或夹层)已基本被破坏呈碎石状压碎结构软质岩(Rc＝5~30MPa)：受地质构造影响严重，节理发育呈块(石)碎(石)状镶嵌结构拱部无支护时可产生较大的坍塌、侧壁有时失去稳定Ⅳ土体：1.略具压密或成岩作用的粘性土及砂类土2.黄土(Q1,Q2)3.一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土1和2呈大块状压密结构；3呈巨块状整体结构1.5-3.0岩体：软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩(包括受构造影响严重的破碎带)