隧道工程课件：隧道围岩分级与围岩压力

隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念
1主要相关概念
地下结构 支护结构 地层 周边围岩 围岩稳定性
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
位
地上结构
于
岩
土
体
以 上
地下结构
约束
约束
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
隧道工程的地质环境---1地质环境相关概念
➢影响围岩稳定性的因素
张家界图
节理较发育
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
⑶ 岩石的力学性质
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。
(4) 围岩的初应力状态
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。
岩体的结构性 导致的破坏
隧道工程的地质环境---4隧道围岩分级
4 隧道围岩分级
➢概述
围岩分级的概念
工程目的
发展过程
围岩分级考虑的因素

➢隧道围岩分级方法
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
➢我国现行的隧道围岩分级
铁路隧道 公路隧道
隧道工程的地质环境---4隧道围岩分级
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
➢隧道围岩分级方法
（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法
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

级 英国等广泛应用
与
围
2．岩体综合物性指标分级法：这种分级法就
岩 是我国现行铁路隧道围岩分级方法。
压
力
隧
道
工
程
（三）、与地质勘探手段相联系的分级方法：
力
隧
道
工
程
目前国内外的隧道围岩分级方法：
隧 道
（一）、以岩石强度和物理性质为指标的分级法：
围
1．以岩石强度为指标的分级法：岩石越坚硬，
岩 坑道越稳定，围岩就越好。
分
级
该分级法一般将围岩四种类型：坚岩、次坚岩、
与 松石及土四级。但它有局限性：如：如我国陕北的
围 岩 压
老黄土，无水时直立性很强，稳定性相当好，但强 度却很低。再如：江西、福建等地的红砂岩，虽然
压 就愈差；
力
隧
道
工
程
地下洞室的形状主要影响开挖后围岩的应力状态。
隧 (2)施工中采用的开挖方法
道 开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为明显，在
围 分级(类)中必须予以考虑。
岩
分
级
与
围
岩
压
力
隧
道
工
程
隧
道
围
岩
分
级
超
与
挖
围
岩
压
力
隧
道
工
程
二、围岩分级方法简介
隧 道
现行的围岩分级法考虑了三个基本因素：
隧
从国外的情况看：
道
围
岩 土石方工程分类
岩石的坚固性来
分 法(开挖难易程 级 度)
与
分类: 如坚固性 系数f
围 岩 压

初始地应力状态对围岩级别的修正按表2-17进行。
根据岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素对围岩的基本分级， 结合地下水装态和初始地应力状态对基本分级的修正，隧道围岩的 级别按表2-18综合确定。
4.2 围岩压力及成拱作用
4.2.1 围岩压力
围岩压力是指衬砌结构承受的压力。 围岩压力按作用形态，一般可分为以下几种类型。 1. 松动压力
•
需要指出：两种方法都可以在地面垂直向下钻孔，也
可在洞室内水平钻孔或向上钻孔进行量测。但孔底法只能
测到一个平面上的两个主应力，第三哥主应力需要假设，
若要量测三维应力状态，一般量测岩体应力的精度与岩体应力
-应变关系有关；因此，在条件许可的情况下，尽可能在
量测岩体应力的现场同时进行岩体应力-应变关系的测定。
第四章 围岩分级与围岩压力
4.1 隧道围岩分级 4.2 围岩压力及成拱作用 4.3 围岩压力的确定 4.4 围岩压力的实测方法
4.1 围岩分级
4.1.1 概述
隧道围岩的稳定性程度，一般用围岩的分级来评定。
围岩的分级决定了隧道的最佳施工方法和支护结 构。 围岩的分级，目前还是以“经验分级”为主。
4.1.2 围岩分级
由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支 护结构上的压力称为松动压力。 松动压力：竖向压力、侧向压力和底压力
松动压力存在的三种情况：
（1）整体稳定的岩体，出现个别松动掉块的岩石； （2）松散软弱的的岩体，坑道顶部和两侧片帮冒落； （3）在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发 生剪切破坏或拉坏等局部塌落。
应力解除法具体实施方法有两种：孔底法，孔壁 和孔径法。
（1）孔底法
实施步骤
1、用环钻钻孔至所要求量测应力的深度，取出岩心（图2-6a）

岩石强度和地下水等工程地质条件和弹性波纵波速度 因素，把围岩分为 6级，依其稳定性由好到差为Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。
1. 围岩的结构特征和完整状态
围岩体通常是被各种结构面切割成大小不等、形
态各异、种类不同的岩石单元体（即结构体），围岩 结构特征是指结构面和结构体的特征。
第二十四页，编辑于星期三：十二点 十五分。
地坑院出入口
下一张
第十六页，编辑于星期三：十二点 十五分。
地坑院出入口
下一张
第十七页，编辑于星期三：十二点 十五分。
地坑院室内
返回
第十八页，编辑于星期三：十二点 十五分。
2．以岩石物理性质为指标的分级法：前苏联的
普氏分级法（也称 f 值分级法），“ f ”值是一个
综合的物性指标，它代表岩石的相对坚固性。如：
下一张
第三十三页，编辑于星期三：十二点 十五分。
五道岭隧道内衬砌
返回
第三十四页，编辑于星期三：十二点 十五分。
二、坑道开挖前后围岩应力状态 （一）坑道开挖前围岩应力状态（初始应力状态）
坑道开挖前，地层是处于相对静止的状态。因为
地层中任何一处的土石都受到上、下、左、右、前、 后土石的挤压，保持着相对的平衡，称为原始应力状
式中： ? —泊松比，视地层性质不同 ? 值在
0.14~0.5 之间变化。 （二）坑道开挖后围岩应力状态（二次应力状态）
围岩应力重分布：坑道开挖之后，由于其周边 岩体的卸荷作用破坏了原有的平衡状态，使围岩的应 力状态发生了变化，同时产生了位移，促使应力重新 调整以达到新的平衡。
第三十八页，编辑于星期三：十二点 十五分。
第二十九页，编辑于星期三：十二点 十五分。
返回 第二节 围岩压力及成拱作用

第二节围岩压力及成拱作用
一、围岩压力及分类
(一)围岩压力概念
广义概念：围岩压力是指引起地下开挖空间周 围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应 力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护 结构上的作用力。
狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构 上的作用力。
(二)围ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压力分类
• 松动压力 • 形变压力 • 膨胀压力 • 冲击压力
➢ 地质因素：它包括初始应力状态、岩石力学性 质、岩体结构面等；
➢ 工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护 设置时间、支护刚度、坑道形状等。
四、影响围岩压力的因素
具体来说可分为以下几类 ➢1.时间因素 ➢2.坑道的尺寸与形状 ➢3.坑道的埋深 ➢4.支护 ➢5.爆破 ➢6.超挖回填
当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩 吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它 与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起 的。
4.冲击压力
冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能 以后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量 突然释放所产生的压力。
上述松动压力、形变压力往往同时存在，难以 严格区分。
水平岩层
倾斜岩层
拱顶坍塌、冒落
水平岩 层冒落
倾斜岩层掉 块、塌落
高边墙 坍塌
裂隙岩体顶部掉块
2.形变压力
形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支 护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构共 同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压 力。
软岩巷道严重底鼓变形
软岩巷道变形、支撑断裂
3.膨胀压力
1.松动压力
由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作 用在支护结构上的压力称为松动压力。
松动压力常通过下列三种情况发生： 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩 石； 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落； 在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面 发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。

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 实测的岩石占荷载强度指数IS（50）的换算值，即按式 （5.4）计算。
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隧道工程（第五版）
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（2）岩体完整程度岩体完整程度也以定性划分和 以定量指标来描述的两种情况。岩体完整程度的定性划 分可按表5.5确定。
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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］，综合岩体 的定性特征综合评判，确定围岩的详细分级。
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（3）国岩基本质量指标BQ 围岩基本质量指标BQ应根据分级因素的岩石坚硬程 度定量指标RC值和岩体完整程度的定量指标KV值按 （5.5）计算，即
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（4）围岩基本质量指标BQ的修正影响工程岩体稳 定性的诸因素中，岩石坚硬程度和岩体完整程度是岩体 的基本属性，是各种岩石工程类型的共性，反映了岩体 质量的基本特征，但它们远不是影响岩体稳定的全部重 要因素。当隧道围岩存在地下水、高初始应力、不利软 弱结构面等时，其稳定性要降低，可将它们作为围岩分 级的修正因素。围岩详细定级时，若遇上述情况之一， 应对岩体基本质量指标BQ进行修正。修正值［BQ］可 按式（5.6）计算，即
（1）岩石坚硬程度围岩分级中岩石坚硬程度、岩 体完整程度两个基本因素的定性划分和定量指标，是在 分析比较了国内外相关规范和众多围岩分级后提出的。

项目一 围岩分级与围岩压力
n 任务一 围岩分级
任务一 围岩分级
围岩
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。
围岩稳定性则是指坑道开挖后围岩自身在不支 护条件下的稳定程度。
充分稳定 基本稳定
暂时稳定
不稳定
任务一 围岩分级
1
2
3
4
充分稳定。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。
基本稳定。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，层 间结合差的平缓岩 层顶板可能弯曲、 断裂。
暂时稳定。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。大多数坑道 是属于这个类型。
地下水 状态
Ⅰ
ⅠⅡ Ⅲ Ⅳ Ⅴ -
Ⅱ
ⅠⅡ Ⅳ Ⅴ Ⅵ -
Ⅲ
ⅡⅢ Ⅳ Ⅴ Ⅵ -
围岩级别 Ⅰ Ⅱ
应力状态
极高应力 Ⅰ Ⅱ
Ⅵ
Ⅲ Ⅳ/Ⅴ Ⅵ
不稳定。坑
道在无支护条 件下是难以开 挖的，随挖随 坍，常常要先 支后挖。
任务一 围岩分级
1、以岩石强度或岩 石的物理性质指标为 代表的分类方法。
3、与地质勘探手段 相联系的分级方法。
2、以岩体构造、岩性 特征为代表的分类方法。
隧道围 岩分级
4、组合多种因素的 分级方法。
任务一 围岩分级
我国现行隧道围岩分级的方法： 1、围岩分级的基本因素
岩石按坚硬程度划分为极硬岩、硬岩、较软 岩、软岩和极软岩５类；按岩体完整程度划 分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎 等５类。 2、我国隧道围岩基本分级

深埋隧道满足：
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２.２深埋隧道松动围岩压力计算
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水平压力
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２.３浅埋隧道围岩压力计算
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则有：
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式中
γ——上覆岩层平均容重，N／m3；
H——上覆岩层厚度，m。
第 3节
１围岩压力 广义的围岩压力 ：
围岩压力及其确定
岩体力学中把由于开挖而引起的围岩或支护结构
上的力学效应统称为广义的围岩压力 。
狭义的围岩压力 ：
作用在支护结构上的部分围岩压力 。
影响围岩压力大小的主要因素：
（１）岩体的初始地应力状态
等原因，逐渐转变为松动(图b)，可视为松动阶段；
(3)顶板岩体视其强度的不同而逐步塌落(图 c)，可视 为塌落阶段；
(4)顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一
近似的拱形(图d)，可视为成拱阶段。
(a)
(b)
(c)

饱水率是岩石在强制饱和状态下岩样的最大吸入水的 重量与岩石干重量的百分比。
饱水系数是吸水率与饱水率的百分比。
1、隧道围岩的概念及其性质
❖ （2）隧道围岩的工程性质
其它物理指标（膨胀性、抗渗性、软化性、抗冻性等） 膨胀性是岩石浸水后体积增大的性质，用膨胀率和膨 胀力衡量。
渗透性是在水压力作用下，岩石孔隙和裂隙透过水的 能力，用渗透系数衡量。
(A) 铁路隧道围岩分级沿革 ●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。
❖ （1）围岩压力的形成及类型
原岩
开挖
毛洞
支护 稳定洞室
初始地应力
自重应力 构造应力 地下水压力 温度应力
围岩压力
松动压力 形变压力 膨胀压力 冲击压力
4、隧道围岩压力的确定
❖ （2）围压压力的理论计算方法
(A) 普氏压力拱理论 (B) 太沙基理论
4、隧道围岩压力的确定
❖ （2）围压压力的理论计算方法
岩体结构特征 结构面性质和空间组合特征 岩石的力学性质 初始地应力场 地下水
隧道形状和尺寸
人为因素
隧道埋深
（设计施工因素） 支护类型和时间 施工方法
2、影响隧道围岩稳定性的因素
❖ （2）影响因素详解
1) 岩体结构特征
岩体结构特征是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。

当岩石应力-应变为直线关系时(图4-3a)，岩石的变形 模量E(Mpa)为：
i E i
(4-12)
当应力-应变为非直线关系时，岩石的变形模量为一变 量（图4-3b），即不同应力段上的变形量不同。常用的有如 下几种。
1)初始模量(Ei)指曲线原点处的切线斜率，即:
i Ei i
2 1 Et 2 1
岩石变形
塑性变形
流变变形
岩石变形性质可用岩石变形试验所得到的应力-应变-时 间关系及变形模量、泊松比等参数来表示。
图4-2
岩石应力-应变全过程曲线
根据各类应力-应变曲线，可以确定岩石的变形模量和泊 松比等变形参数。变形模量是指单轴压缩条件下，轴向压应 力与轴向应变之比，其确定方法如图4-3。
图4-3 岩石变形模量确定方法示意图
岩石重度是指单位体积内岩石的重量，单位为kN/m3。
W V
分干重度γd、天然重度γ和饱和重度γsat.
2．岩石的空隙性 岩石中的孔隙及裂隙统称为岩石的空隙。有开型空隙和 闭型空隙之分。与此相对应，可把岩石的空隙率分为总空隙 率（n）、开空隙率（no）及闭空隙率（nc）几种，各自的含 义如下：
『 4.1 ▎岩石的地质特征
『 4.1.1 ▎岩石的物质组成
岩石是由具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶 的）集合体组成的。岩石的力学性质主要取决于组成岩石的 矿物成分及其相对含量。一般来说，含硬度大的粒柱状矿物 （如石英、长石、角闪石、辉石等）越多，则岩石强度越高； 含硬度小的片状矿物（如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等） 越多时，则岩石强度越低。
石英岩
石英岩
岩石的矿物组成与其成因类型密切相关。
岩浆岩物理力学性质一般都很好。 变质岩 浅变质力学性质较差。深变质力学性质较好。