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围岩分类与围岩压力

围岩分类与围岩压力
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第四章围岩分类及围岩压力

第一节隧道围岩的概念与工程性质

一、隧道围岩的概念

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)。应该指出,这里所定义的围岩并不具有尺寸大小的限制。它所包括的范围是相对的,视研究对象而定,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。当然,若从区域地质构造的观点来研究围岩,其范围要比上述数字大得多。

二、围岩的工程性质

围岩的工程性质,—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。本书仅涉及岩体的力学性质,有关土体的力学性质将在《土力学》中研究。

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。它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。工程地质学中将这些地质界面称之为结构面或不连续面,将这些块体称之为结构体,并将岩体看作是由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。所以,岩体的力学性质性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特征以及结构面的特性。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。在众多的因素中,哪个起主导作用需视具体条件而定。

在软弱围岩中,节理和裂隙比较发育,岩体被切割得很破碎,结构面对岩体的变形和破坏都不起什么作用,所以,岩体的特性与结构体岩石的特性并无本质区别。当然,在完整而连续的岩体中也是如此。反之,在坚硬的块状岩体中,由于受软弱结构面切割,使块体之间的联系减弱,此时,岩体的力学性质主要受结构面的性质及其在空间的位置所控制。

由此可见,岩体的力学性质必然是诸因素综合作用的结果,只不过有些岩体是岩石的力学性质起控制作用:而有些岩体则是结构面的力学性质占主导地位。

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。但现场原位试验需要花费大量资金和时间,而且随着测点位置和加载方式不同,试验结果的离散性也很大。因此。常常用取样在试验室内进行试验来代替。但室内试验较难模拟岩体真正的力学作用条件。更重要的是对于较破碎和软弱不均质的岩体,不易取得供试验用的试样。究竟采用何种试验方法,应视岩体的结构特征而定。一般来说,破裂岩体以现场试验为主,较完整的岩体以做室内试验为宜。

(一)岩体的变形特性

岩体的抗拉变形能力很低。或者根本就没有,因此,岩体受拉后立即沿结构面发生断裂。—般没有必要专门来研究岩体的受拉变形特性。

1.受压变形

岩体的受压变形特性,可以用它在受压时的应力—应变曲线,亦称本构关系来说明。我们知道,岩石的应力—应变曲线线性关系比较明显,说明它是以弹性变形为主。软弱结构面的应力—应变曲线呈现出非线性特征,说明了它是以塑性变形为主。而岩体的应力—应变曲线则要复杂得多了,图4—1中分别绘出了典型的岩石、软弱结构面和岩体的单轴受压时的全应力—应变曲线。

从图中可以看出:典型的岩体全应力—应变曲线可以分解为四个阶段:

(1) 压密阶段(OA):主要是由于岩体中结构面的闭合和充填物的压缩而产生的,形成了非线性凹状曲线,变形模量小,总的压缩量取决了结构面的性态。

(2) 弹性阶段(AB):岩体充分压密后便进入弹性阶段。所出现的弹性变形是岩体的结构面和结构体共同产生的,应力—应变关系呈直线型。

(3) 塑性阶段(BC):岩体继续受力、变形发展到弹性极限后便进入塑性阶段,此时岩体的变形特性受结构面和结构体的变形特性共同制约。整体性好的岩体延性小、塑性变形不明显。达到强度极限后迅速破坏。破裂岩体塑性变形大,甚至有的从压密阶段直接发展到塑性阶段,而不经过弹性阶段。

(4) 破裂和破坏阶段(CD):应力达到蜂值后,岩体即开始破裂和破坏。破坏开始时,应力下降比较缓慢,说明破裂面上仍具有一定摩擦力,岩体还能承受一定的荷载。而后,应力急剧下降,岩体全面崩溃。

从岩体的全应力—应变曲线的分析中可以看出,岩体既不是简单的弹性体,也不是简单的塑性体、而是较为复杂的弹塑性体。整体性好的岩体接近弹性体,破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。

2. 剪切变形

岩体受剪时的剪切变形特性主要受结构面控制。根据结构体和结构面的具体性态,岩体的剪切变形可能有三种方式:

(1) 沿结构面滑动,所以,结构面的变形特性即为岩体的变形特性。

(2) 结构面不参与作用,沿结构体岩石断裂。所以,岩石的变形特性即起主导作用。

(3) 在结构面影响下,沿岩石剪断。此时,岩体的变形特性介乎上述二者之间。

试验和实践还发现,无论岩体是受压或受剪切,它们所产生的变形都不是瞬时完成的,而是随着时间的增长逐渐达到最终值的。岩体变形的这种时间效应,我们称之为岩体的流变特性。严格来说,流变包括两方面:一种是指作用的应力不变,而应变随时间而增长,即所

谓蠕变;另一种则是作用的应变不变,而应力随时间而衰减,即所谓松弛,如图4-2所示。

对于那些具有较强的流变性的岩体,在隧道工程的设计和施工中必须加以考虑。例如,成渝复线上的金家岩隧道,埋深120m,围岩为泥岩,开挖后围岩基本

上是稳定的,并及时进行了初次支护。但初次支护250天后拱顶下沉达40.2cm,侵入建筑限界,只好挖掉重做。属于这类的岩体大概有两类:一类是软弱的层状岩体,如薄层状岩体、含有大量软弱层的互层或间层岩体;另一类是含有大量泥质物的,受软弱结构面切割的破裂岩体。整体状、块状、坚硬的层状等类岩体,其流变性不明显,但是,在这些岩体中为数不多的软弱结构面,具有相当强的流变性,有时将对岩体的变形和破坏起控制作用。

(二) 岩体的强度

从上述可知,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。例如、志留纪泥岩的单轴抗压试验结果将能很好地说明这个问题。当层面倾角大于50°时,以层间剪切形式破坏;32°~45°时,为轴向劈裂和层间剪切混合形式破坏;

小于32°时,为轴向劈裂形式破坏。由此可见,岩体的抗压强度不仅因层面倾角增大而减小,同时其破坏形式也发生变化,如图4—3所示。只有当岩体中结构面的规模较小,结合力很强时,岩体的强度才能与岩石的强度相接近。一般情况下,岩体的抗压强度只有岩石的70~80%,结构面发育的岩体,仅有5~10%。

和抗压强度一样,岩体的抗剪强度主要也是取决于岩体内结构面的性态。包括它的力学性质、充填状况、产状、分布和规模等。同时还受剪切破坏方式所制约。当岩体沿结构面滑移时,多属于塑性破坏。峰值剪切强度较低,其强度参数

(内摩擦角)一般变化于10°~45°之间;

(粘结力)变化于0~0.3MPa之间,残余强度和峰值强度比较接近。沿岩石剪断属脆性破坏。剪断的峰值剪切强度较上述的高得多,其

值约在30°~60°之间,

值有高达几十MPa的,残余强度与峰值强度之比随峰值强度的增大而减小,变化于0.3~0.8之间。受结构面影响而沿岩石剪断,其强度介于上述两者之间。在τ—σ平面上画出岩体、岩石和结构面的抗剪强度包络线就能看出这三者之间的关系(图4—4)。

第二节围岩的稳定性

一、研究围岩稳定性的意义

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,以及地温梯度等。但对隧道工程来说,最关心的问题则是地层被挖成隧道后的稳定程度。这是不言而喻的,因为地层稳定就意味着开挖隧道所引起的地层向隧道内的变形很小,而且在较短的时间内就可基本停止,这对施工过程和支护结构都是非常有利的。地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩的稳定性,这是一个反映地质环境的综合指标。因此,研究隧道工程地质环境问题,归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题。

二、影响围岩稳定性的因素

影响围岩稳定性的因素很多,就其性质来说,基本上可以归纳分为两大类:第一类是属于地质环境方面的自然因素,是客观存在的,它们决定了隧道围岩的质量;第二类则属于工程活动的人为因素,如隧道的形状、尺寸、施工方法、支护措施等等。它们虽然不能决定围岩质量的好坏,但却能给围岩的质量和稳定性带来不可忽视的影响。

由于下一节述及的围岩分类即是对围岩稳定程度的划分,在围岩分类中必定会考虑到这两大类因素的影响,所以下面不仅简要地说明各项因素对围岩稳定性的影响,还介绍各因素在围岩分类中的作用和地位。

(一) 地质因素。

围岩在开挖隧道时的稳定程度乃是岩体力学似性质的一种表现形式。因此,影响岩体力学性质的各种因素在这里同样起作用,只是各自的重要性有所不同。

l.岩体结构特征

岩体的结构特征是长时间地质构造运动的产物,是控制岩体破坏形态的关键。从稳定性分类的角度来看,岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示。在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用严重的程度。实践证明,围岩的破碎程度对坑道的稳定与否起主导作用,在相同岩性的条件下,岩体愈破碎,坑道就愈容易失稳。因此,在近代围岩分类法中,都已将岩体的破碎或完整状态作为分类的基本指标之一。

岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小,以及这些岩块的组合排列形态。关于岩块的大小通常都是用裂隙的密集程度,如裂隙率、裂隙间距等指标表示。所谓裂隙率就是指沿裂隙法线方向单位长度内的裂隙数目,裂隙间距则是指沿裂隙法线方向上裂隙间的距离。在分类中常将裂隙间距大于1.0~1.5m者视为整体的,而将小于0.2m视为碎块状的。当然,这些数字都是相对的,仅适用于跨度在5~15m范围内的地下工程。据此,可以按裂隙间距将岩体分为:

围岩岩体

整体状大块状块石状碎石块土石状松散状松软状d>1.0m d=0.4~1.0m d=0.2~0.4 d<0.2m

d为裂隙间距。这里所说的裂隙都是广义的,包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。硅质、钙质胶结的,具有很高节理强度的裂隙不包括在内。

2.结构面性质和空间的组合

在块状或层状结构的岩体中,控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质,以及它们在空间的组合状态。对于隧道来说,围岩中存在单一的软弱面,一般并不会影响坑道的稳定性。只有当结构面与隧道轴线相互关系不利时,或者出现两组或两组以上的结构面时,才能构成容易堕落的分离岩块。例如有两组平行但倾问相反的结构面和一组与之垂直或斜交的陡倾结构面,就可能构成屋脊形分离岩块。至于分离岩块是否会塌落或滑动,还与结构面的抗剪强度以及岩块之间的相互联锁作用有关。因此,在围岩分类中,可以从下述的五个方面来研究结构面对隧道围岩稳定性影响的大小;

(1) 结构面的成因及其发展史,例如,次生的破坏夹层比原生的软弱夹层的力学性质差得多,如再发生次生泥化作用,则性质更差;

(2) 结构面的平整、光滑程度;

(3) 结构面的物质组成及其充填物质情况;

(4) 结构面的规模与方向性;

(5) 结构面的密度与组数。

3.岩石的力学性质

在整体结构的岩体中,控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质,尤其是岩石的强度。一般来说,岩石强度越高坑道越稳定。在围岩分类中所说的岩石强度指标,都是指岩石的单轴饱和极限抗压强度。因为这种强度的试验方法简便,数据离散性小,而且与其它物理力学指标有良好的换算关系。

此外,岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态,强度高的硬岩多表现为脆性破坏,在隧道内可能发生岩爆现象。而在强度低的软岩中,则以塑性变形为主,流变现象较为明显。

4.围岩的初始应力场

围岩的初始应力场是隧道围岩变形、破坏的根本作用力,它直接影响围岩的稳定性。所以,在某些分类方法中曾有所反映,例加,泰沙基(K.Terzaghi)分类法中,曾将同样是挤压变形缓慢的岩层视其埋深不同分为两类,其预计的岩石荷载值相差一倍左右,这就是考虑初始应力的结果。

在围岩分类中,如何根据地质构造特征引进围岩初始应力场的影响,仍是一个需要进一步研究解决的问题。

5.地下水状况。

隧道施工的实践证明,地下水是造成施工坍方,使隧道围岩丧失稳定的最重要因素之—,因此,在围岩分类中切不可忽视。当然,在岩性不同的岩体中,水的影响也是不相同的,归纳起来有如下几种:

(1) 使岩质软化,强度降低,对软岩尤其突出。对土体则可促使其液化或流动;

(2) 在有软弱结构面的岩体中,会冲走充填物质或使夹层软化,减少层间摩阻力促使岩块滑动;

(3) 在某些岩体中,如含有生石膏、岩盐,或以蒙脱土为主的粘土岩,遇水后将产生膨胀,其势能很大。在未胶结或弱胶结的砂岩中,水的存在可以产生流砂和潜蚀。

因此,在围岩分类中,对软岩、碎裂结构和散体结构岩体、有软弱结构面的层状岩体,以及膨胀岩等,应着重考虑地下水的影响。

在目前的分类法中,对地下水的处理方法有三种:①在分类时不将水的影响直接考虑进去,而是根据围岩受地下水影响的程度,适当降低围岩的等级;②分类时按有水情况考虑,当确认围岩无水则可提高围岩的等级;③直接将地下水的状况(水质、水量、流通条件、静水压等)作为一个分类的指标。前两种方法是定性的,后一种方法虽可定量,但对这些量值的确定,在很大程度上还是要靠经验。例如在某些分类法中,先按岩性分类,而后再按地下水涌出量分为:0~100 L/min;101~1000L/min;>1000 L/min三种,最后定出它们对围岩稳定性的影晌系数,如表4—1所示。

表4—1 地下水对围岩稳定性的影响系数

破碎程度涌水量岩性硬质岩石软质岩石

比较完整比较破碎比较完整比较破碎

0~100 L/min 1.0 0.9 1.0 0.9 101~1000L/min 0.9 0.8 0.8 0.7 >1000 L/min 0.8 0.7 0.7 0.6

在有些分类中,除了考虑上述因素外,还补充了结构面状态和地下水压力的影响,将地下水的作用进一步细分。

(二) 工程活动所造成的人为因素

施工等人为因素也是造成围岩失稳的重要条件。其中尤其以坑道的尺寸(主要指跨度) 形状以及施工中所采用的开挖方法等影响较为显著。

l.坑道尺寸和形状

实践证明,在同—类围岩中,坑道跨度愈大,坑道围岩的稳定性就愈差,因为岩体的破碎程度相对加大了。例如,裂隙间距在O.4~l.0m左右的岩体,对中等跨度(5~10m)的坑道而言,可算是大块状的,但对大跨度(>l5m)的坑道来说,只能算是碎块状的。因此,在近代的围岩分类法中,有的就明确指出分类法的适用跨度范围。有的则采用相对裂隙间距,即裂隙间距与坑道跨度的比值作为分类的指标。例如,相对裂隙间距为l/5的属完整的;1/5~1/20范围内的属破碎的;>1/20的属极度破碎的。但也有人反对这样做,认为将跨度引进围岩分类法中会造成对岩体结构概念的混乱和误解。比较通用的做法,是将跨度的影响放在确定围岩压力值和支护结构类型和尺寸时考虑,这样将分类的问题简化了。

坑道的形状主要影响开挖隧道后围岩的应力状态。圆形或椭圆形隧道围岩应力状态以压应力为主,这对维持围岩的稳定性是有好处的。而矩形或梯形隧道,在顶板处的围岩中将出现较大的拉应力,从而导致岩体张裂破坏。但是,在目前的各种分类法中都没有考虑这个因素,可能是因为深埋隧道的断面形状绝大部分都接近圆形或椭圆形的缘故。

2. 施工中所采用的开挖方法

从目前的施工技术水平来看,开挖方法对隧道围岩稳定性的影响较为明显,在分类中必须予以考虑。例如,在同一类岩体中,采用普通的爆破法和采用控制爆破

法,采用矿山法和采用掘进机法,采用全断面一次开挖和采用小断面分部开挖,对隧道围岩的影响都各不相同。所以,目前大多数围岩分类法都是建立在相应的施工方法的基础上的。

以上所述的工程活动所造成的人为因素,虽然对隧道围岩稳定性的影响很大,但为了简化围岩分类问题一般都是以分类的适用条件来控制,而分类的本身则主要从地质因素考虑。

第三节围岩分类

一、概述

上面已叙及判断隧道围岩的稳定性,而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。对此,工程界历来都并存着两种截然不同的方法可供采用:经验方法和理论方法。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,所以至今隧道工程的设计和施工仍多采用经验类比法,此法的基础是围岩分类。因为,隧道工程所赋存的地质环境千差万别,它给隧道工程所带来的问题也是各式各样的,人们不可能对每一种特定情况都有现成的经验和行之有效的处理方法。根据长期的工程实践,工程师们认识到各种围岩的物理性质之间存在着一定的内在联系和规律,因此,有必要根据一个或几个主要指标将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别,即将稳定性相似的一些围岩划归为一类,将全部的围岩划分为若干类,这就是隧道围岩稳定性分类,或简称为围岩分类。在围岩分类的基础上再依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构设计。可以说,围岩分类是选择施工方法的依据,是进行科学管理及正确评价经济效益、确定结构上的荷载(松散荷载)、确定衬砌结构的类型及其尺寸、制定劳动定额、材料消耗标准等的基础。

二、围岩分类的方法

围岩分类的原则有多种,它是在人们对隧道工程的不断实践和对围岩的地质条件逐渐加深了解的基础上发展起来的。不同的国家,不同的行业都根据各自的工程持点提出了各自的围岩分类原则。现行的许多围岩分类方法中,作为分类的基本要素大致有三大类:

第Ⅰ类与岩性有关的要素。例如分为硬岩、软岩、膨胀性岩等,其分类指标是采用岩石强度和变形性质等,如岩石的单轴抗压强度、岩石的变形模量或弹性波速度等。

第Ⅱ类与地质构造有关的要素。如软弱结构面的分布与性态、风化程度等。其分类指标采用岩石质量指标、地质因素评分法等等。这些指标实质上是对岩体完整性或结构状态的评价。这类指标在划分围岩的类别中一般占有重要的地位。

第Ⅲ类与地下水有关的要素。

目前国内外围岩的分类方法,考虑上述三大基本要素,按其性质主要有下列几种:

(一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分类方法

1.以岩石强度为基础的分类方法

这种围岩分类单纯以岩石的强度为依据,例如我国解放前及解放初期(如修建成渝线时)的土石分类法。即把岩石分为坚石、次坚石、松石及土四类。并设计出相应的四种隧道衬砌结构类型。在国外,有日本初期采用的“国铁土石分类法”。

这种分类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。实践证明,这种认识是不全面的,例如我国陕北的老黄土,无水时直立性很强,稳定性相当高,在无支护条件下能维持十几年、甚至几十年之久,但其单轴抗压强度却很低。又如江

西、福建一带的红砂岩,整体性好,坑道开挖后的稳定性较好,但其强度却不高,因此单纯以岩石强度为基础的分类方法需要改进并完善。

2.以岩石的物性指标为基础的分类方法

在这种分类方法中,具有代表性的是前苏联普洛托季雅柯诺夫教授提出的“岩石坚固性系数”分类法(或称“

”值分类法,也叫普氏分类法)。它把围岩分成10类。这种分类法曾在我国的隧道工程中得到广泛的应用。“

”值是一个综合的物性指标值,它表示岩石在采矿中各个方面的相对坚固性,如岩石的抗钻性、抗爆性、强度……等。但以往人们确定“

”值主要采用强度试验方法,即

——岩石饱和单轴极限抗压强度),再兼顾其它指标,它仍是岩石强度指标的反映。

我国把“

”值应用到隧道工程的设计、施工时,考虑了地质条件的影响,即考虑围岩的节理、裂隙、风化等条件,实质上是把由强度决定的“

”值适当降低,即:

(

——地质条件折减系数)。这样的“

”值就是岩体坚固性系数。

(二)以岩体构造、岩性特征为代表的分类方法

1.这种分类法以泰沙基分类法为代表

此法是在早期提出的,限于当时的条件仅把不同岩性、不同构造条件的围岩分成九类,每类都有一个相应的地压范围值和支护措施。在考虑问题时是以坑道有水的条件为基础的,当确认无水时,4~7类围岩的地压值应降低50%。这一分类方法曾长期被各国所采用,至今仍有广泛的影响。

2.以岩体综合物性为指标的分类方法

60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上,提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分类法”,并于1975年经修正后正式作为铁路隧道围岩分类方法,1986年再作修订后列入我国现行的《铁路隧道设计规范》。

(三)与地质勘探手段相联系的分类方法

1.按弹性波(纵波)速度的分类方法

随着工程地质勘探方法,尤其是物探方法的进展。1970年前后,日本提出了按围岩弹性波速度进行分类的方法。围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标,它既可反映岩石软硬,又可表明岩体结构的破碎程度。根据岩性、地质状况及土压状态,将围岩分成七类。我国从1986年起也开始将围岩弹性波(纵波)速度引入我国分类法中。

2. 以岩石质量为指标的分类方法——

方法

所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯的复原率,或称岩芯采取率,这是美国伊利诺大学迪尔等人提出的,认为钻探获得的岩芯其完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均质性等状态有关,因此可用岩芯复原率来表达岩体质量。所谓岩芯复原率即单位长度的钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例,可写为

(4-1)

这个分类方法将围岩分成五类,认为:

>90%为优质,75%<

<90%为良好,50%<

<75%为好,25%<

<50%为差,及

<25%为很差。

(四)组合多种因素的分类方法

比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿等人提出的“岩体质量——

”的分类方法。这个分类方法是把表明岩体质量的六个地质参数之间的关系表达为

(4-2)

式中

—岩石质量指标;

——节理组数目,岩体愈破碎,

取值愈大,例如,整体没有或很少有节理的岩体,

=0.5~1.0;两个节理组时

=4;破碎岩体,类似土的

=20等等;

——节理粗糙度,节理愈光滑,

取值愈小,例如,不连续节理

=4;平整光滑的

=0.5等等;

——节理蚀变值,蚀变愈严重,

取值愈大。例如,节理面紧密结合,夹有坚硬不软化的充填物时,

=0.75,节理中夹有膨胀性粘土,如蒙脱土时,

=8~12等等;

——节理含水折减系数,节理渗水量愈大,水压愈高,

取值愈小,例如,干燥或微量渗水,水压<0.1Mpa,

=1.0,而渗水量特别大,或水压特别高,持续无明显衰减的

=0.1~0.05等等;

——应力折减系数,围岩初始应力愈高,

取值愈大。例如:脆性而坚硬的岩石,有严重岩爆现象时,

=10~20;坚硬岩石有单一剪切带的,

=2.5。

关于以上六个参数的详细说明和取值标准可参阅有关专著。

通过进一步的分析发现,(

)表示岩块的大小,(

)表示岩块间的抗剪强度,(

)表示作用应力。所以岩体质量值实质上是岩块尺寸、抗剪强度和作用力的复合指标。根据不同的

值,将岩体质量评为九等,即:

=400~1000为特别好;

=100~400为极好;

=40~100为良好;

=10~40为好;

=4~10为中等;

=1~4为不良;

=0.1~1为坏;

=0.01~0.1为极坏;

=O.001~0.01为特别坏。

综上所述,围岩分类是多种多样的,至今还没有一个统一的分类方法,但从发展趋势看,围岩的分类方法应沿以下几个方面发展:

(1) 分类应主要以岩体为对象。单一的岩石只是分类中的一个要素,岩体则包括岩块和各岩块之间的软弱结构面,因此分类的重点应放在岩体的研究上。

(2)分类宜与地质勘探手段有机地联系起来。这样才有一个方便而又较可靠的判断手段,随着地质勘探技术的发展,这将使分类指标更趋定量化。

(3) 分类要有明确的工程对象和工程目的。目前多数的分类方法都与坑道支护相联系。坑道围岩的稳定性,坑道开挖后暂时稳定时间等与支护方法和类型密切相关。因而进行分类时以此来体现工程目的是不可缺少的。

(4) 分类宜逐渐定量化。目前大多数的分类指标是经验或定性的,只有少数分类是半定量的,这是由于客观条件的地质体非常复杂的缘故。近几年来国内外对围岩分类定量化的研究取得了一定的进展,已提出了一些定量评价围岩分类的指标值。

近年来国内外有关学者提出了采用模糊数学分类、根据坑道周边量测的收敛值分类、采用人工智能——专家系统分类等等的建议,这些设想都将使围岩分类方法日趋完善。

三、我国公路与铁路隧道的围岩分类方法

在我国1986年修订的《铁路隧道设计规范》中,明确规定了目前铁路隧道围岩分类所采用的两种方法,即:以围岩稳定性为基础的分类方法和按弹性波(纵波)速度的分类方法。交通部于1992年制订的《公路隧道设计规范》中,围岩分类采用了与铁路隧道完全相同的分类方法。

(一)以围岩稳定性为基础的分类方法

这种分类方法主要考虑如下三个基本因素:

1.岩体的结构特征与完整状态

对于受软弱面控制的岩体,按软弱面的产状、贯通性、充填情况分为:整体结构、块状结构、碎裂(镶嵌)结构、疏松结构、松软结构等五类;由于围岩的完

整性与其所受的构造变动程度直接相关,所以,将围岩分为构造变动轻微、较重、严重、很严重等四级,作为岩体受地质构造作用影响程度的定性描述,详细说明见表4—2;同时,还采用了节理(裂隙)发育程度,作为围岩完整性的定量指标。根据节理(裂隙)发育程度的不同,将围岩分为:节理不发育、节理较发育、节理发育、节理很发育等四级,见表4—3;风化作用使岩体结构发生变化时,应结合因风化作用造成的各种状态,综合考虑确定围岩的结构完整状态;对于层状岩体,以厚度大于0.5m者为厚层,0.1~0.5m之间的为中层,小于0.1m的为薄层。

2.岩石强度

将岩浆岩、沉积岩、变质岩按岩性、物理力学参数、耐风化能力和作为建筑材料的要求划分为:硬质岩石和软质岩石二级,又根据单轴饱和极限抗压强度

与工程的关系(例如,与开挖工作的关系)分为四种,其标准及代表性岩石见表4—4。当风化作用使岩石成分改变,温度降低时,应按风化后的强度确定岩石的等级。

表4-2 围岩受地质构造影响程度等级划分

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、角砾状有的甚至呈粉末泥土状

表4—3 围岩节理(裂隙)发育程度划分

隧道围岩分级及其主要力学参数

隧道围岩分级及其主要力学参数 一、一般规定 在公路勘察设计过程中,是根据周边岩体或土体的稳定特性进行围岩分级的。围岩分Ⅰ~Ⅵ级,由于每级间范围较大,施工阶段对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ基本级别,再进行亚级划分。在公路隧道按土质特性和工程特性分:岩质围岩分级——Ⅰ~Ⅴ级;土质围岩分级Ⅳ~Ⅵ级。对岩质围岩和土质围岩分别采用不同的指标体系进行评定:岩质围岩基本指标为岩质的坚硬程度和完整程度,修正指标为地下水状态,主要软弱结构面产状及初始地应力状态。 土质围岩分级指标体系宜根据土性差异而组成,粘土质围岩基本指标为潮湿程度。沙质土围岩基本指标为密实程度。修正指标潮湿程度。碎石土围岩基本指标为密实程度。至于膨胀土、冻土作为专门研究,这里暂不述。围岩分级指标体系中可用定性分析,也可用定量分析,但由于工地施工条件时间等因素,一般我们仅采用定性分析。下面我讲定性分析来确定围岩级别。 1、确定岩性及风化程度。 2、结构面发育,主要结构面结合程度,主要结构面类型,甚至产状倾角、走向结构面张开度,张裂隙。 3、水的状况涌水量等。 二、岩石坚硬程度的定性划分 1、坚硬岩:锤击声清脆、震手、难击碎,有回弹感,浸水后大多无吸水反应,如微风化的花岗岩——正长岩,闪长岩,辉绿岩,玄

武岩,安山岩,片麻岩,石英片麻岩,硅质板岩,石英岩,硅质胶结的砾岩,石英砂岩,硅质石灰岩等等。 2、较坚硬岩:锤击声较清脆,有轻微回弹,稍震手,较难击碎,浸水后有轻微吸水反应。如未风化~微风化的熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰岩、钙质胶结的砂岩等。 3、较软岩:锤击声不清脆,无回弹,较易击碎,浸水后指甲可刻击印痕。如未风化~微风化的凝灰岩,砂质泥岩,泥灰岩,泥质砂岩,粉砂岩,页岩等。 4、软岩:锤击声哑,无回弹,有凹痕,多击碎,手可掰开。如强风化的坚硬岩,弱风化~强风化的较坚硬岩,弱分化的较软岩,未风化的泥岩等。 5、极软岩:锤击声哑,无回弹,有较深凹痕,手可捏碎,浸水后可捏成团,如全风化的各种岩类,各种半成岩。Rc——岩石单轴饱和抗压强度、定性质与岩石的对应关系,一般Rc>60MPa——坚硬岩,Rc=60~30 MPa为较坚硬岩;Rc=3 0~15MPa为较软岩;Rc=15~5MPa 软岩;Rc<5Mpa极软岩。也可用Rc=22.82Is(50),Is(50)——岩石点荷载强度指数。这里不多说。 三、岩质围岩的完整度的定性划分 这是根据岩体的结构状况来定性划分 1、完整:节理裂隙,不发育,节理裂隙1-2组,平均间距>1.0m 层面结合好,一般。 2、较完整:节理裂隙,不发育,节理裂隙1-2组,平均间距1.0m

有关隧道围岩的分级

关于隧道围岩的分级 最近一段时间学习了关于隧道围岩分级的问题,逐渐的了解了隧道的施工工艺及工序,也在网上查找了一些关于围岩问题的文章,学习了,很深奥,有很多东西还是不能够理解,希望能交到良师益友向您学习,本文章来自于百度文库,我整理了下,其中有些内容是我通过查找规范所得。 《公路隧道设计规范JTGD70-2004》 《公路工程地质勘察规范JTJ064-98》 《岩土工程勘察规范GB50021-2001》 《水工隧洞设计规范》(SL279-2002) 《工程岩体分级标准》(GB50218-94) 《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005) 《地铁设计规范》(GB50157-2003) 《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(50086-2001) 《公路隧道施工技术规范》(JTJF60-2009) 《工程岩体分级标准》(GB50218-94) 名词解释: 围岩:围岩是隧道开挖后其周围产生的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)

在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的性态是不同的,可归纳为充分稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定四种。 岩爆:岩体中聚积的弹性变形能在地下工程开挖中突然猛烈释放,使岩石爆裂并弹射出来的现象。轻微的岩爆仅剥落岩片,无弹射现象。严重的可测到4.6级的震级,一般持续几天或几个月。发生岩爆的原因是岩体中有较高的地应力,并且超过了岩石本身的强度,同时岩石具有较高的脆性度和弹性。这时一旦地下工程破坏了岩体的平衡,强大的能量把岩石破坏,并将破碎岩石抛出。预防岩爆的方法是应力解除法、注水软化法和使用锚栓-钢丝网-混凝土支护。 在JTJD70-2004《公路隧道设计规范》中关于隧道围岩级别划分为六级,级别越大围岩越差,六级为土,但目前实施中不同,《岩土工程勘察规范GB50021-2001》中规定地下铁道围岩分类应按 GB50307-1999《地下铁道,轻轨交通岩土工程勘查规范》, GB50307-1999《地下铁道,轻轨交通岩土工程勘查规范》中的围岩分类方法引自原《铁路隧道设计规范》(TB10003-1999)围岩分级是根据《工程岩体分级标准》(GB50218-94)结合工程经验得来的,勘察是为设计服务的,所以在地铁工程勘察中,如果还利用地铁勘察规范进行围岩分类,易给设计带来不便。 公路隧道围岩分级将围岩分为6级,给出了主要围岩的工程地质特征、结构特征,和完整性等指标并预测了隧道开挖后可能出现的塌方、滑动、膨胀、挤出、岩爆、突然涌水、及瓦斯突出等失稳的部位和地段,给出了相应的工程措施,

隧道围岩级别划分与判定

隧道围岩级别划分与判定 隧道围岩分级就是评定围岩性质、判断隧道围岩稳定性,作为选择隧道位置、支护类型的依据和指导安全施工。 1 国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级 1.1围岩分级 围岩级别的划分应根据岩石坚硬性岩体完整性结构面特征地下水和地应力状况等因素综合确定并应符合表1.1规定。 表1.1 围岩分级 注1 围岩按定性分级与定量指标分级有差别时一般应以低者为准。 2 本表声波指标以孔测法测试值为准如果用其他方法测试时可通过对比试验进行换算。 3 层状岩体按单层厚度可划分为 厚层大于0 .5m 中厚层0 .1~0 .5m 薄层小于0 .1m 4 一般条件下确定围岩级别时应以岩石单轴湿饱和抗压强度为准当洞跨小于5m,服务年限小于10 年的工程确定围岩级别时可采用点荷载强度指标代替岩块单轴饱和抗压强度指标可不做岩体声波指标测试 5 测定岩石强度做单轴抗压强度测定后可不做点荷载强度测定。 3公路隧道围岩分级 3.1公路隧道围岩分级 围岩级别可根据调查、勘探、试验等资料、岩石隧道的围岩定性特征、围岩基本质量指标(BQ)或修正的围岩质量指标[BQ]值、土体隧道中的土体类型、

密实状态等定性特征,按表3.1确定。当根据岩体基本质量定性划分与(BQ)值确定的级别不一致时,应重新审查定性特征和定量指标计算参数的可靠性,并对它们重新观察、测试。在工程可行性研究和初勘阶段,可采用定性划分的方法或工程类比方法进行围岩级别划分。 表3.1 公路隧道围岩分级 注:本表不适用于特殊条件的围岩分级,如膨胀性围岩、多年冻土等。 3.2围岩分级的主要因素 公路隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级,并按以下顺序进行:(1)根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标(BQ),综合进行初步分级。(2)对围岩进行详细定级时,应在岩体基本质量分级基础上,考虑修正因素的影响修正岩体基本质量指标值。(3)按修正后的岩体基本质量指标[BQ],结合岩体的定性特征综合评判,确定围岩的详细分级。 3.2.1岩石坚硬程度 1 岩石坚硬程度可按表3.2.1-1定性划分。 表3.2.1-1 岩石坚硬程度的定性划分 2岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度(Rc)表达。Rc一般采用实测值,若无实测值时,可采用实测的岩石点荷载强度指数Is(50)的换算值,即按式(3.2.1)计算: Rc= Is(50)0.75 (3.2.1) 3 Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系,可按表3.2.1-2确定。 表3.2.1-2 Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系 3.2.2岩体完整程度 1岩石完整程度可按表3.2.2-1定性划分。

围岩类别

围岩分类 classification of rock mass 围岩分类的目的是为了对隧道及地下建筑工程周围的地层进行工程地质的客观评价,判断坑道或洞室的稳定性,确定支护的荷载和设计参数,确定施工方法, 选择钻孔和开挖等施工机械,以及确定施工定额和预算等。 发展概况隧道及地下工程围岩分类是在长期实践的基础上发展起来的,并与地质科学、岩土工程和量测技术的发展密切相关。初期的围岩分类多以单一的岩石强度作为分类指标。例如1949年前中国采用的坚石、次坚石、软石、硬土、普通土和松软土的分类法,以及中华人民共和国成立后广泛应用的“”值分类法(即普罗托季亚科诺夫分类法,1907年)。这类方法在评价坑道或洞体稳定性方面是不充分的;但在选择钻孔机械,确定掘进机类型,尤其是确定松散围岩的地压值等方面仍有一定意义。1970年后,以岩体为对象的分类方法获得了迅速发展。如泰尔扎吉分类法(1974年)、巴顿分类法(1974年)、别尼亚夫斯基分类法(1974年)、法国隧道协会(AFTES)分类法(1975年),以及中国铁路隧道围岩分类(1975年)和水工隧洞围岩分类(1983年)等。这些分类法多数是根据经验的定性分类,但由于反映了围岩的地质构造特征、围岩的结构面状态、风化状况、地下水情况以及洞室埋深等,因此在评价坑道或洞体稳定性、确定支护结构参数和选择施 工方法等方面得到了广泛的应用。 近期的围岩分类中,引进了岩体力学的基本概念和数理统计方法,如考虑初始应力场、坑道周边位移值,以及量测信息等,使围岩分类逐渐从定性分类向定量分类方向发展。如拉布采维茨-帕赫分类(1974年)、日本地质学会的新奥法围岩分类(1979年)、奥地利阿尔贝格隧道的围岩分类(1979年)、苏联顿巴斯矿区的围岩分类(1979年)等。围岩分类的重要发展是把量测信息引进到分类之中,即根据量测的初期位移速度,拱顶下沉和洞体水平向的收敛、变形等进行分类。这也为隧道及地下工程的信息设计和施工打下了基础。到目前为止,已经提出的和正在应用的围岩分类约有50多种,但其中绝大多数仍处于定性描述或经验判别的 阶段,尚需进一步研究和完善。 分类要素在围岩分类中,最有影响的要素有:①围岩的构造。指围岩被各种地质结构面切割的程度以及被切割的岩块的尺寸和组合形态,在分类中它是一个起主导作用的因素。视裂缝间距,即被结构面切割的岩块的大小,可将围岩分成如表[围岩类型]所示的几种类型。②原岩或岩体的物理力学性质。包括单轴或三轴强度和变形特性,如抗压强度、抗剪强度以及弹性模量或变形模量等。一般说,在完整岩体中,原岩的指标是基本的;在非完整(裂隙)岩体中,岩体的指标是主要的。③地下水。地下水的水量和水压等对分类有重大影响,尤其是对软岩和破碎、松散围岩,它们导致岩质软化、降低强度。在有软弱结构面的围 岩中,地下水会冲走充填物或使夹层液化等。因而在一些分类法中,都考虑了它的定性的或定量 的影响。④围岩的初应力场。在现代围岩分类中,尤其是对于深埋隧道和软弱围岩而言,这一要 素占有重要的地位。初应力场通常以上覆岩(土)体的重力来决定,并视为静水应力场;也可通 过实地量测大致判定原岩应力场的大小及其方向。 分类依据①单一岩性指标。如岩石抗压强度和弹性模量等物性指标,以及诸如抗钻性、抗爆 性、开挖难易度等工艺指标。在为某些特定目的的分类中,如确定钻孔工效、炸药消耗量等,可 采用相应的工艺指标(钻孔速度等)进行分类。②综合岩性指标。指标是单一的,但反映的因素是综合的。如岩体弹性波速度,既可反映围岩的软硬程度,又可反映围岩的破碎程度。岩芯复原率是在反映岩体破碎程度的同时,还表示围岩软、硬分级的一个指标。这类指标,还有修正后的普氏系数、坑道自稳时间、围岩强度等。③复合岩性指标。是用两个或两个以上的单一岩性指标或综合岩性指标表示。例如, 已确定分类要素为、、,则复合岩性指标可用下述方法之一来确定:

围岩分类与围岩压力

第四章围岩分类及围岩压力 第一节隧道围岩的概念与工程性质 一、隧道围岩的概念 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)。应该指出,这里所定义的围岩并不具有尺寸大小的限制。它所包括的范围是相对的,视研究对象而定,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。当然,若从区域地质构造的观点来研究围岩,其范围要比上述数字大得多。 二、围岩的工程性质 围岩的工程性质,—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。本书仅涉及岩体的力学性质,有关土体的力学性质将在《土力学》中研究。 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。它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。工程地质学中将这些地质界面称之为结构面或不连续面,将这些块体称之为结构体,并将岩体看作是由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。所以,岩体的力学性质性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特征以及结构面的特性。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。在众多的因素中,哪个起主导作用需视具体条件而定。

在软弱围岩中,节理和裂隙比较发育,岩体被切割得很破碎,结构面对岩体的变形和破坏都不起什么作用,所以,岩体的特性与结构体岩石的特性并无本质区别。当然,在完整而连续的岩体中也是如此。反之,在坚硬的块状岩体中,由于受软弱结构面切割,使块体之间的联系减弱,此时,岩体的力学性质主要受结构面的性质及其在空间的位置所控制。 由此可见,岩体的力学性质必然是诸因素综合作用的结果,只不过有些岩体是岩石的力学性质起控制作用:而有些岩体则是结构面的力学性质占主导地位。 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。但现场原位试验需要花费大量资金和时间,而且随着测点位置和加载方式不同,试验结果的离散性也很大。因此。常常用取样在试验室内进行试验来代替。但室内试验较难模拟岩体真正的力学作用条件。更重要的是对于较破碎和软弱不均质的岩体,不易取得供试验用的试样。究竟采用何种试验方法,应视岩体的结构特征而定。一般来说,破裂岩体以现场试验为主,较完整的岩体以做室内试验为宜。 (一)岩体的变形特性 岩体的抗拉变形能力很低。或者根本就没有,因此,岩体受拉后立即沿结构面发生断裂。—般没有必要专门来研究岩体的受拉变形特性。 1.受压变形

隧道围岩分级及其应用

第三节 s 隧道围岩分级及其应用 隧道围岩分级是正确进行隧道设计与施工的基础。一个合理的、符合地下工程实际情况的围岩分级,对于改善地下结构设计、发展新的隧道施工工艺、降低工程造价、多快好省地修建隧道有着十分重要的意义。 近年来,由于各种类型地下工程的大量修建,隧道围岩分级的研究也得到了很大的发展,出现了各种各样不同的围岩分类;但都是为一定的工程目的服务的。如提供选择施工方法的根据和开挖的难易程度,确定结构上的荷载或给出隧道临时支撑与衬砌结构的类型和参考尺寸等。 人们对围岩及其自然规律的认识是不断深化的,因此,对围岩分类也有一个发展过程。在早期,从国外情况来看,如日本,最初主要借用适合于土石方工程的“国铁土石分类”来进行隧道的设计与施工,主要是根据开挖岩(土)体的难易程度(强度)来划分的。前苏联在很长的时期内采用以岩石的坚固性来分类,采用一个综合注的指标f值,称为岩石坚固性系数。理论上坚固性是岩体抵抗任何外力作用及其造成破坏的能力,不同于强度和硬度,而实际上只反映岩石抗压强度的性能,很少考虏岩体的构造特征。在英、美等国,主要沿用泰沙基(K,Terzaghi)提出的分级法,其中考虑到一些岩体的构造和岩性等影响,比较好地反映隧道围岩的稳定状况。目前美国也有用岩石质量指标(RQD)或隧道围岩在不支护条件下,暂时稳定的时间作为分级依据。 我国五十年代初期,铁路隧道围岩分级,基本上是沿用解放前的以岩石极限抗压强度与岩石天然容重为基础,这种分级仅运用上石方工程的土石分级法,没有适合隧道围岩的专门分类,只是把隧道围岩分为坚石、次坚石、松石及土质四类。以后,借用苏联的岩石坚固系数进行分类,即通常所谓的普氏系数(f值)。在长期大量的地下工程实践中发现:这种单纯以岩石坚固性(主要是强度)指标为基础的分类方法,不能全面反映隧道围岩的实际状态。逐渐认识到:隧道的破坏,主要取决于围岩的稳定性,而影响围岩稳定性的因素是多方面的,其中隧道围岩结构特征和完整状态,是影响围岩稳定性的主要因素。隧道围岩体的强度,对隧道的稳定性有着重要的影响,地下水、风化程度也是隧道围岩丧失稳定性的重要原因。 从围岩的稳定性出发,1975年编制了我国“铁路隧道围岩分类”,这个分类由稳定到不稳定共分六类,代替了多年沿用的从岩石坚固性系数来分级的方法。 我国公路隧道围岩分级起步较晚,随着我国经济的发展,公路交通得到较大的发展,大量的公路隧道修建,需要有一个适合我国工期的公路隧道围岩分级,于1990年,根据我国铁路隧道的围岩分级为基础,编制了我国“公路隧道围岩分级”。 从国外围岩分级的发展趋势看,围岩分级主要以隧道稳定性分级为主,且从对岩石的分级逐渐演变到对岩体的分级;从按单参数分级转变到按多参数分级,并逐渐向多参数组成的综合指标法演变;从经验性很强的分级逐步过渡到半经验、半定量分级和定量化分级,并将围岩分级与岩体力学的发展相联系,随着岩体力学的发展,这一趋势更为明显。在多参数综合分级法中,基本采用和差法或积商法。围岩分级方法是随着地质勘查方法的进步而快速发展的。围岩分级方法与隧道结构设计标准化、施工方法规范化的联系越来越密切。土质围岩分级方法逐步与岩质围岩分级方法分离,将会形成专门土质围岩分级方法。 从国内围岩分级的发展趋势看,从1975年以后,我国隧道围岩分级方法的发展基本与国际同步,主要以隧道稳定性进行分级,并在已颁布的国标和部标中体现了这一成果。此外,我国隧道围岩分级中更加重视施工阶段围岩级别的修正,即根据施工阶段获得的围岩分级信息对设计阶段的预分级进行修正。我国隧道围岩分级方法主要采用两个步骤:第一步以基本指标进行基本分级;第二步用修正指标对基本级别进行修正,最终获得修正后的围岩级别。

隧道现场围岩类别判断(全)

3-1-1隧道围岩级别划分与判定 隧道围岩分级就是评定围岩性质、判断隧道围岩稳定性,作为选择隧道位置、支护类型的依据和指导安全施工。 国内外现在的围岩分级方法有定性、定量、定性与定量相结合3种方法,且多以前两种方法为主。定性分级的做法是,在现场对影响岩体质量的诸因素进行定性描述、鉴别、判断,或对主要因素作出评判、打分,有的还引入分量化指标进行综合分级。以定性为主的分级方法,如现行的公路、铁路隧道围岩分级等方法经验的成分较大,有一定人为因素和不确定性,在使用中,往往存在不一致,随勘察人员的认识和经验的差别,对同一围岩作出级别不同的判断。采用定性分级的围岩级别,常常出现与实际差别1~2级的情况。定量分级的做法是根据对岩体性质进行测试的数据或对各参数打分,经计算获得岩体质量指标,并以该指标值进行分级。如国外的Q分级,的地质力学(MRM)分级、Dree的RQD值分级等方法。但由于岩体性质和赋存条件十分复杂,分级时仅用少数参数和某个数学公式难以全面准确地概括所有情况,而且参数测试数量有限,数据的代表性和抽样的代表性均存在一定的局限,实施时难度较大。 影响围岩稳定的因素多种多样,主要是岩石的物理力学性质、构造发育情况、承受的荷载(工程荷载和初始应力)、应力变形状态、几何边界条件、水的赋存状态等。这些因素中,岩体的物理力学性质和构造发育情况是独立于各种工作类型的,反映出了岩体的基本特性,在岩体的各项物理力学性质中,对稳定性关系最大的是岩石坚硬程度,岩体的构造发育状态、岩体的不连续性、节理化程度所反映的岩体完整性是地质体的又一基本属性。国内外多数围岩分级都将岩石坚硬程度和岩体的完整程度作为岩体基本质量分级的两个基本因素。 1 国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级 围岩分级 围岩级别的划分应根据岩石坚硬性岩体完整性结构面特征地下水和地应力状况等因素综合确定并应符合表规定。

隧道围岩分级

一、地铁勘察规范报批稿隧道围岩分级 附录F 隧道围岩分级

注:表中“围岩级别”和“围岩主要工程地质条件”栏,不包括膨胀性围岩、多年冻土等特殊岩土。

二、铁路勘察规范报批稿隧道围岩分级 4.3.2 铁路隧道工程地质勘察的重要内容之一是根据隧道围岩的岩体或土体特征、岩石的坚硬程度、岩体的完整程度、风化程度等地质条件,考虑地下水、高地应力的影响,围岩的纵波速度,隧道的埋藏深度等因素后,综合评价隧道的围岩分级。根据现行《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)第3.2.7条的规定,围岩级别的确定应符合表3.2.7(即说明

注:1 表中“围岩级别”和“围岩主要工程地质条件”栏,不包括膨胀性围岩、多年冻土等特殊岩土; 2 层状岩层的层厚划分:巨厚层:层厚大于1.0m;厚层:层厚大于0.5m,且小于等于1.0m;中厚层:厚度大于0.1m,且小于等于0.5m;薄层:厚度小于0.1m。 《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)附录A“铁路隧道围岩基本分级”作如下规定:关于围岩基本分级: 1 分级因素及其确定方法应符合下列规定: 1)围岩基本分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定; 2)岩石坚硬程度和岩体完整程度,应采用定性划分和定量指标两种方法综合确定。 2 岩石坚硬程度可按说明表4.3.2-2划分。 说明表4.3.2-2 岩石坚硬程度的划分

说明表4.3.2-3 岩体完整程度的划分 说明表4.3.2-4 围岩基本分级

关于围岩分级修正 隧道围岩级别的修正应符合下列规定: 1 围岩级别应在围岩基本分级的基础上,结合隧道工程的特点,考虑地下水状态、初始地应力状态等必要的因素进行修正。 2 地下水状态的分级宜按说明表4.3.2-5确定。 3 地下水对围岩级别的修正,宜按说明表4.3.2-6进行。 说明表4.3.2-6 地下水影响的修正 4 围岩初始地应力状态,当无实测资料时,可根据隧道工程埋深、地貌、地形、地质、构造运动史、主要构造线与开挖过程中出现的岩爆、岩芯饼化等特殊地质现象,按说明表4.3.2-7评估。 注:R c为岩石单轴饱和抗压强度(MPa);σmax为最大地应力值(MPa)。 5 初始地应力对围岩级别的修正宜按说明表4.3.2-8进行。 说明表4.3.2-8 初始地应力影响的修正

隧道工程之第四章隧道的围岩分类围岩压力

第四章隧道的围岩分类围岩压力 1围岩的工程性质 理性质:容重、节理的产状等 理性质:岩体的溶水性、透水性、持水性等 学性质:抗压、抗拉、抗剪强度:变形跟强度 岩体的变形特征 拉、受压、剪切、流变 受压变形 石:线性、弹性 弱结构面:非线性、塑性 体:弹塑性体 剪切变形 要受结构面控制 结构面滑动:结构面的变形特性即为岩体的变形特性 石断裂: 结构面不参与作用,岩石的变形特性起到主导作用 结构面影响下沿岩石剪断,岩体的变形介于上述二者之间 流变特性 变:指应力不变,而应变随时间增长。 弛:应变不变,而应力随时间而衰减。 题:围岩流变特性对隧道的影响? 岩体强度 抗压强度 石:受微裂隙所制约,强度大 体:受结构面控制,强度小,并有各向异性 抗剪强度 体的抗剪强度受到结构面的制约 结论 体的强度要比岩石的强度低得多,一般情况下,岩体的抗压强度只有岩石的70-80%,结构面发育的岩体,只有5-10% 2 岩稳定性:隧道开挖后,围岩自身在不支护条件下的稳定程度 影响围岩稳定性的因素 质因素~客观因素 为因素~主观因素、工程因素 1、地质因素 从5个方面来分析: 体结构特征;结构面性质和空间的组合;岩石的力学性质;地下水的影响;围岩的初始应力状态 (1)岩体结构特征 指岩体的破碎程度或完整状态(涉及到节理发育程度、裂缝率等),具体而言,指构成岩体的岩块大小,以及这些岩块的组合排列情况(围岩完整性包括这两方面) 整状态:整块状、大块状等 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

裂隙间距——表示岩块的大小;指沿裂隙法线方向上裂隙间的距离(2)结构面性质和空间组合 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 块状或者层状结构的岩体中,控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质和他们在空间的组合状态。 (3)岩石的力学性质:主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度。 (4)围岩的初始应力场 始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。 路隧道已初步将初始应力考虑进围岩分级之中。 高的初始应力场条件下,围岩级别应适当降低。 (5)地下水的影响 化围岩; 少层间摩阻力促使岩块滑动; 膨胀性的围岩,遇水后产生膨胀等。 2. 人为因素 道形状和尺寸 护结构类型 工方法 3围岩分级 围岩分级方法 3个基本因素: 性:抗压强度、弹性模量、弹性波速等。 质构造:岩体完整性或结构状态。 下水:地下水发育时,围岩级别应降低。 1个附加因素: 始地应力:适当考虑。 目前国内外围岩的分级方法,考虑上述三大基本要素,按其性质主要分为: 1以岩石强度或物理指标为代表的分级方法2以岩体构造特征为代表的分级方法 3以地质勘探手段相联系的分级方法4组合多种因素的分级方法 5以工程对象为代表的分级法 (1)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 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。 岩石物性指标为基础的分级法 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。 (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。

隧道工程习题与答案

第1章隧道工程勘测设计 1.隧道选址与线路选线有什么关系? 2.确定洞口位置的原则是什么?请解释其工程含义。 3.在按地质条件选择隧道位置时,所需要的地质资料有哪些?如何考虑地形条件对隧道位置的影响? 第2章隧道主体建筑结构 1.某新建铁路非电化曲线隧道,已知圆曲线半径R=1200m,缓和曲线长l=50m,远期行车速度 V=160km/h,隧道里程为:进口DK150+310;出口DK150+810;ZH点DK150+320;YH点DK151+000。 试求:各段加宽值与隧道中线偏移值。要求按教材P32图2-7所示,表示清楚,并注明不同加宽的分段里程。 ( 注:超高值以0.5cm取整,最大采用15cm;加宽值取为10cm的整数倍;偏移值取至小数点后2位) 2. 为什么说台阶式洞门能降低边仰坡开挖高度? 第3章隧道附属建筑 1.什么是避车洞?避车洞的设置间距是多少?在布置避车洞时应该避开哪些地方? 2.营运隧道的通风方式有哪些?什么是风流中性点?它与通风方式的关系怎样? 3.为什么公路隧道要设置不同的照明亮度段?它们各自的作用是什么? 第4章隧道围岩分类与围岩压力 1.影响围岩稳定性的主要因素有哪些?围岩分级主要考虑什么因素?围岩分级的基本要素是哪几种?我国铁路隧道围岩分级主要考虑哪些因素?已知某隧道所处围岩节理发育,Rb=26MPa,试问这是属于哪一级围岩? 2. 某隧道内空净宽6.4m,净高8m,Ⅳ级围岩。已知:围岩容重γ=20KN/m3,围岩似摩擦角φ=530,摩擦角θ=300,试求埋深为3m、7m,15m处的围岩压力。 第5章隧道衬砌结构计算 1.已知作用在衬砌基底面上的轴力N=870KN,弯矩M=43.5KN.m,墙底厚度h=0.6m,围岩抗力系数为150MPa/m。试求墙底中心的下沉量及墙底发生的转角。 2. 什么情况下将围岩抗力弹簧径向设置?试推导径向设置的围岩抗力单元刚度矩阵。(注:抗力方向以挤压围岩为正)

第六章 地下洞室围岩应力与围岩压力计算

第六章地下洞室围岩应力 与围岩压力计算 第一节概述 一、地下洞室的定义与分类 1、定义: 地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的地下空间。 2、地下洞室的分类 按用途:矿山巷道(井)、交通隧道、水工隧道、地下厂房(仓库)、地下军事工程 按洞壁受压情况:有压洞室、无压洞室 按断面形状:圆形、矩形、城门洞形、椭圆形 按与水平面关系:水平洞室、斜洞、垂直洞室(井) 按介质类型:岩石洞室、土洞 二、洞室围岩的力学问题 (1)围岩应力重分布问题——计算重分布应力 1)天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。又称地应力、初始应力、一次应力等。 2)重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。又称二次分布应力等。 地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态,洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形,使围岩中的应力产生重分布作用,形成新的应力状态,称为重分布应力状态。

(2)围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围 在重分布应力作用下,洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力,围岩将产生破坏。 (3)围岩压力问题——计算围岩压力 围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害,因而,需对围岩进行支护、衬砌,变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载,称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。 (4)有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力 在有压洞室中,作用有很高的内水压力,并通过衬砌或洞壁传递给围岩,这时围岩将产生一个反力,称为围岩抗力。 天然应力,没有工程活动 开挖洞室后的应立场,为重分布应力,与天然应力有所改变 在附近开挖第二个洞室,则视前一个洞室开挖后的应力场为天然应力,第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力

围岩分级

第三节 围岩稳定性(二) 第四节 围岩压力(一) 3.与地质勘探手段相联系的分类方法 (1)按弹性波(纵波)速度的分类方法。 随着工程地质勘探方法,尤其是物探方法的进展。1970年前后,日本提出了按围岩弹性波速度进行分类的方法。围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标,它既可反映岩石软硬,又可表明岩体结构的破碎程度。波速越高,围岩越好。见下表 (2)以岩石质量为指标的分类方法——RQD 方法。 所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯的复原率,或称岩芯采取率,这是美国伊利诺大学迪尔等人提出的,认为钻探获得的岩芯其完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均质性等状态有关,因此可用岩芯复原率来表达岩体质量。所谓岩芯复原率即单位长度的钻孔中10 cm 以上的岩芯占有的比例,可写为 这个分类方法将围岩分成5类,认为:RQD>90%为优质,75%

隧道围岩判定等级划分方法

高速公路、铁路隧道围岩等级判定 (文/萧整勇) 一、前言 随着我国高等级公路、铁路建设的迅猛发展,高速公路、铁路的隧道比也不断的增加,由于现阶段探测方法的不准确性,隧道围岩情况又复杂多变,隧道围岩判定、分类工作对指导隧道施工、调整工法和支护参数尤为重要。在围岩分类的基础上再依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构设计。围岩分类是选择施工方法的依据、是进行科学管理及正确评价经济效益、确定结构上的荷载(松散荷载)、确定衬砌结构的类型及尺寸、制定劳动定额、材料消耗标准等的基础,同时也是安全指导施工的有力保障。 汶马高速公路工程起于汶川县凤坪坝,止于马尔康市卓克基,是典型的第二阶梯(四川盆地)向第三阶梯(青藏高原)的过渡段。公路沿线穿越了龙门山断裂带、米亚罗断裂带、松岗断裂带;汶马高速C14合同段的狮子坪1号隧道全长13.4公里,穿越了米亚罗断裂带,所穿越的主要岩性有变质砂岩、板岩、千枚岩等,地形地貌、水文地质条件极其复杂。所以对狮子坪1号隧道掌子面围岩判定指导施工尤为重要。 二、隧道围岩级别判定工作流程 隧道工程施工过程中需要进行隧道围岩级别判定的情况较多,这里指可能发生隧道围岩支护参数设计变更时进行的围岩级

别判定工作。由于其特殊性,隧道围岩级别判定一般采用五方现场会审制度(地质咨询、施工、监理、设计、业主)。五方现场会审一般由业主组织,进行隧道围岩级别判定时由地质咨询方牵头会审,其他各方共同确认;进行支护参数确认时由设计方提出并经业主确认。隧道围岩级别判定工作流程:预判-组织现场会审-审查工作-判定围岩级别-支护参数确认-签字确认。 三、隧道围岩级别判定工作方法 隧道围岩判定一般采用定性和定量相结合的方法,按两步判定围岩分级:第一步通过测量或观察隧道围岩状况得到岩石硬度和岩体完整度的定量数值或定性结论,然后计算得到岩体基本质量指标BQ值或利用矩阵法查得围岩基本分级判定结论;第二步综合考虑其它影响岩体质量和稳定性的因素,选取地下水状况、软弱结构面、地应力三个因素进行围岩级别修正,同时结合隧道设计支护参数分等级的做法,以半级为单位进行修正。 1、隧道围岩基本分级判定方法 a、为便于会审各方清晰观察和测量掌子面围岩的相关状 况,施工单位须确保掌子面已出渣、清危完毕。洞内具备 良好的通风和照明条件。 b、地质咨询方拍摄掌子面照片,测绘结构面产状,即时进 行地质素描工作。 c、通过对结构和物质组成、构造、触摸、锤击等方式确认 岩性和岩性组合。

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