软弱结构面对隧道围岩稳定性的影响研究_pdf

基于Hoek-Brown强度准则的隧道软弱围岩稳定性分析周亚东; 张彬; 耿招; 陈大伟; 罗俐; 苏海峰【期刊名称】《《工程地质学报》》【年(卷),期】2019(027)005【总页数】9页(P980-988)【关键词】公路隧道; 超前地质预报; Hoek-Brown强度准则; 数值模拟; 稳定性分析【作者】周亚东; 张彬; 耿招; 陈大伟; 罗俐; 苏海峰【作者单位】中国地质大学(北京)工程技术学院北京 100083; 中国建筑一局(集团)有限公司北京 100071【正文语种】中文【中图分类】TU4520 引言随着国民经济的飞速发展，我国的公路、铁路及水利水电等基础设施建设日新月异，相继出现了大量的长大山岭隧道工程。

然而，山区地质条件的复杂多变使得大量隧道在掘进过程中出现了突水、塌方等灾害( 叶懿尉等，2018) 。

因此，隧道开挖过程围岩稳定性研究尤为重要。

不同学者的研究表明: 隧道围岩的稳定性评价与分析对工程安全非常重要，利用监测量测的方法能够直观地对围岩稳定性进行分析与评价( 陈新年等，2017) ; 断面形状对围岩应力分布具有明显影响，施工过程中应根据现场情况及时调整施工方式以保证施工安全进行( 王薇等，2002; 陈雪峰等，2015; 施有志等，2018) ; 在破碎带施工时，渗流作用对围岩稳定性具有十分明显的影响( 王建新等，2011; Zhang et al.，2019) ; 破碎带围岩体施工的方式和支护方案对隧道的施工安全有巨大的影响( 刘君等2007; 杨小礼等，2008; 邵帅等，2017; 邹佳光. 2017; 胡巍等，2018) ; 数值模拟能够有效地模拟隧道开挖情况，并分析其开挖后的稳定性( 方前程等，2017; 郭超等，2017; 李伟瀚等，2018) 。

为了充分利用现场岩体地质信息和监测数据，避免简单机械地使用Mohr-Coulomb 准则( Meng et al.，2015) ，本文采用能考虑岩体结构面特征和施工扰动对岩体的破坏作用的Hoek-Brown 强度准则进行研究( 段群苗等，2013; Bozorgzadeh et al. 2017;耿招等，2018) 。

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。

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 .1m4 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。

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。

公路隧道围岩分级一、公路隧道围岩分级隧道围岩分级可以作为隧道开挖方法选用的前提条件。

公路隧道围岩级别一共分了六级，分别用罗马数字I、II、III、IV、V、VI来表示。

根据围岩或土体的主要定性特征（包括坚硬程度和完整程度）以及围岩基本质量指标BQ来确定围岩的级别。

I级围岩。

定性特征：坚硬岩（饱和抗压极限强度Rb>60MPa）,岩体完整、巨块状或巨厚层状整体结构。

围岩基本质量指标BQ>550MPa0II级围岩。

定性特征：坚硬岩（R b>3OMPa）,岩体较完整，块状或厚层状结构；较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构。

围岩基本质量指标BQ=550-451MPa,In级围岩。

定性特征：坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩，岩体较完整；较软硬质岩，岩体较完整。

围岩基本质量指标BQ=450-351MPaoIV级围岩。

定性特征：坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎-破碎；较软岩或软硬岩互层，岩体较完整-较破碎。

黄土（QI,Q2）。

围岩基本质量指标BQ=350-251MPa.V级围岩。

定性特征：较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎-破碎；极破碎的各类岩体。

黄土（Q3,Q4）（,围岩基本质量指标BQW250MPa.VI级围岩。

土。

技巧归纳：坚硬岩有I、II、III、IV这四种围岩级别，岩体完整的为I级围岩，岩体较完整的为∏级围岩，岩体较破碎的为III级围岩，岩体破碎的是IV级围岩；较坚硬岩有IMI1IV这三种围岩级别，岩体完整的是∏级围岩，岩体较完整是In级围岩，岩体较破碎-破碎是IV级围岩。

较软硬质岩，岩体较完整的为HI级围岩。

较软岩或软硬岩互层（软岩为主），岩体较完整的是IV级围岩。

又软又破的是V级围岩。

【例题单选】隧道围岩为坚硬岩，岩体较完整，块状或厚层状结构，其围岩基本质量指标BQ为550-451MPa,该围岩属于O级。

AIBIICIIIDIv【参考答案】首先坚硬岩只有I到IV级围岩，其次岩体较完整的是II级围岩，通过围岩基本质量指标BQ为550451进行验证，得出该围岩属于II级围岩，答案选【例题单选】隧道进出口段的围岩为较坚硬岩，岩体较破碎-破碎，镶嵌碎裂结构，则该洞口围岩为O级。

2023年二级建造师之二建公路工程实务通关题库(附带答案)单选题（共30题）1、在旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土结构层时，在两者之间设置()A.透层B.粘层C.封层D.防水层【答案】 B2、用于透层的沥青一般不采用（）。

A.橡胶沥青B.乳化沥青C.煤沥青D.液体沥青【答案】 A3、关于透层油施工，说法正确的是（）。

A.透层油的黏度通过调节稀释剂的用量或乳化沥青的浓度得到适宜的黏度B.用于级配碎石的透层油宜紧接在基层碾压成型后喷洒C.喷洒过量的透层油立即用水冲洗D.在无结合料粒料基层上洒布透层油时，宜在铺筑沥青层前1～2h洒布【答案】 A4、关于普通钢筋说法错误的是（）。

A.预制构件的吊环必须采用未经冷拉的热轧光圆钢筋制作，且其使用时计算拉应力应不大于MPaB.轴心受拉和小偏心受拉构件可采用绑扎接头C.受力钢筋焊接或绑扎接头应设置在内力较小处，并错开布置D.电弧焊接和绑扎接头与钢筋弯曲处的距离不应小于 10 倍钢筋直径，也不宜位于构件的最大弯矩处【答案】 B5、按照《公路水运工程安全生产监督管理办法》的规定，施工单位在工程报价中的安全生产费不得低于建筑安装工程造价的（）。

A.0.5％B.1％C.1.5％D.2％【答案】 C6、主要用于50～lOOm 短距离作业且可用于路基修筑、基坑开挖、平整场地、清除树、推集石渣的土方机械是（）。

A.平地机B.铲运机C.推土机D.装载机【答案】 C7、具有工期较短、资源供应特别集中、现场组织管理复杂、不强调分工协作等特点的施工过程组织方法是（）。

A.顺序作业法B.平行作业法C.流水作业法D.分层流水作业法【答案】 B8、高温施工混凝土拌合物的初凝时间短于3h时，宜采用（）。

A.早强高效减水剂B.缓凝引气高效减水剂C.早强剂D.阻锈剂【答案】 B9、关于重力式挡土墙墙背所受的土压力排序，正确的是（）。

A.仰斜式>俯斜式>垂直式B.仰斜式>垂直式>俯斜式C.俯斜式>垂直式>仰斜式D.垂直式>仰斜式>俯斜式【答案】 C10、隧道周边位移的测量仪器一般采用（）。

围岩稳定性的影响因素一、地质因素的影响1.岩土体结构状态岩土体结构是在长时间的地质构造运动中形成的，是对围岩稳定性起主要作用的地质因素。

围岩的结构状态通常用其破碎程度或完整状态来表示。

原始状态的岩土体，在长期的地质构造运动的作用下，产生各种结构面、形变、错动、断裂等，趋于破碎，在不同程度上丧失了其原有的完整状态。

因此，结构状态的完整程度或破碎状态，可在一定程度上表征岩土体受地质构造运动作用的严重程度，对隧道围岩的稳定起着主导作用。

实践经验指出，在岩性相同的条件下，岩体越破碎，隧道就越易失稳。

因此在各种分级方法中，都把岩体的破碎程度作为基础指标。

岩体的完整状态或破碎程度有两个含义：一是构成岩体的岩块大小；二是这些岩块的组合形态。

前者一般采用裂隙的密集程度（裂隙率、裂隙间距、体裂隙率等）来表达，即结构面法线方向上单位长度内结构面的数目或结构面的平均间距，或采用单位体积中的裂隙数等；后者主要考虑构成岩体的完整状态的各种岩块的组合比例。

岩体结构状态的特征是相互联系的，构成了裂隙岩体的基本特性，是影响围岩分级的重要因素。

2.岩石的工程性质岩石的工程性质是多方面的，一般主要指岩石的强度或坚固性。

在岩体结构状态成为控制围岩稳定性的主要因素时，强调岩石强度意义是不大的。

例如，在碎块状岩体中，岩石强度再大也阻止不了隧道围岩的坍落。

但在较为完整的岩体结构中，如岩体具有整体的巨块状结构或大块状结构，岩石强度就具有一定的意义。

在这类围岩中，因裂隙少，结构面强度高，故岩石强度在一定程度上与岩体强度接近。

岩石强度在完整的岩体中是起主要作用的，此时岩石越硬，隧道越稳定。

完整岩体，一般都被认为是均质的连续介质。

隧道开挖后，围岩强度高，具有极大的稳定性，仅在个别情况下有局部的碎块、剥离现象。

在这种情况下进行理论分析，也是以岩石强度为依据。

此外，在判定某些裂隙岩体的强度时，也以岩石强度为基础。

在围岩分级中，岩石的坚固性或强度都以岩石的饱和单轴极限抗压强度为基准，这是因为它的试验方法简便，数据分散性小，且与其他物性指标有着良好的互换性。

文章编号:1004 5716(2003)05 59 02中图分类号:U451+ 2 文献标识码:B 分析影响隧道围岩稳定性因素习小华(西安科技学院,陕西西安710054)摘 要:主要对影响隧道围岩稳定性的自然因素如岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水进行了详细的分析。

关键词:围岩稳定性;天然应力状态;地质构造毫无疑问,隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。

从许多隧道发生的交通事故中可以知道,隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关,而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。

但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。

因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理,才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。

1 岩石性质及岩体的结构围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性,是影响围岩稳定性的基本因素。

从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要各类坚硬体,由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,故这类围岩的强度主要取决于岩体的结构,岩性本身的影响不是很显著。

从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQ D、节理组数Jn、节理面粗糙程度Jy、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SR F八类因素进行定量分析)角度,可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。

如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩)即围岩为完整或较完整,那么,隧道开挖后,围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏,即使发生破坏,变形的量值也是较少的。

隧道围岩分级方法隧道围岩分级是指根据隧道周围岩体的稳定性和工程性质，将围岩分为不同等级的方法。

隧道围岩分级是隧道工程设计和施工的重要环节，对于保证隧道的安全和可靠性具有重要意义。

本文将介绍几种常见的隧道围岩分级方法。

一、国际标准分级方法国际上常用的隧道围岩分级方法是根据围岩的强度和完整性将其分为不同等级。

具体分级如下：1. 优质围岩：岩石坚硬、完整，无节理、脆性岩石和软弱结构面，围岩的强度和完整性对隧道稳定性影响较小；2. 良好围岩：岩石较坚硬，有少量节理、脆性岩石和软弱结构面，但对隧道稳定性的影响较小；3. 一般围岩：岩石较软，有明显的节理、脆性岩石和软弱结构面，对隧道稳定性有一定影响，但可以通过支护措施来解决；4. 差围岩：岩石较软，节理、脆性岩石和软弱结构面较多，对隧道稳定性影响较大，需要采取较严格的支护措施；5. 极差围岩：岩石极为软弱，节理、脆性岩石和软弱结构面非常多，对隧道稳定性影响极大，需要采取最严格的支护措施。

二、岩体评价分级方法岩体评价分级方法是根据岩体的岩性、结构面和岩体完整度等因素来进行分级。

具体分级如下：1. 坚硬岩体：岩石坚硬，无明显的节理和裂隙，岩体完整度高；2. 中等硬度岩体：岩石硬度适中，有少量节理和裂隙，岩体完整度一般；3. 软弱岩体：岩石较软弱，有明显的节理和裂隙，岩体完整度较差；4. 脆性岩体：岩石易碎，有大量节理和裂隙，岩体完整度很差。

三、地质力学分级方法地质力学分级方法是根据围岩的力学性质来进行分级。

具体分级如下：1. 高固结岩体：岩石固结度高，抗压强度大，具有较好的稳定性；2. 中固结岩体：岩石固结度适中，抗压强度一般，稳定性一般；3. 低固结岩体：岩石固结度较低，抗压强度小，稳定性较差；4. 液化岩体：岩石易液化，稳定性极差。

四、岩体质量分级方法岩体质量分级方法是根据岩体的质量状况来进行分级。

具体分级如下：1. 优质岩体：岩体质量良好，无明显的质量问题；2. 良好岩体：岩体质量较好，有少量局部的质量问题；3. 一般岩体：岩体质量一般，有一些局部的质量问题；4. 差岩体：岩体质量较差，有较多的质量问题；5. 极差岩体：岩体质量极差，有很多的质量问题。

第一节概述1．地下洞室（underground cavity）：指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。

2．我国古代的采矿巷道，埋深60m，距今约3000年左右（西周）。

目前，地下洞室的最大埋深已达2500m，跨度已过50m，同时还出现有群洞。

3．分类：按作用分类：交通隧洞（道）、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房仓库、地铁等等；按内壁有无水压力：有压洞室和无压洞室；按断面形状为：圆形、矩形或门洞形和马蹄形洞室等；按洞轴线与水平面间的关系分为：水平洞室、竖井和倾斜洞室三类；按介质，土洞和岩洞。

4．地下洞室→引发的岩体力学问题过程：地下开挖→天然应力失衡，应力重分布→洞室围岩变形和破坏→洞室的稳定性问题→初砌支护：围岩压力、围岩抗力（有内压时）（洞室的稳定性问题主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对关系）第二节围岩重分布应力计算1．围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体。

2．地下洞室围岩应力计算问题可归纳的三个方面：①开挖前岩体天然应力状态（一次应力、初始应力和地应力）的确定；②开挖后围岩重分布应力（二次应力）的计算；③支护衬砌后围岩应力状态的改善。

3．围岩的重分布应力状态（二次应力状态）：指经开挖后岩体在无支护条件下，岩体经应力调整后的应力状态。

一、无压洞室围岩重分布应力计算1．弹性围岩重分布应力坚硬致密的块状岩体，当天然应力，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形状态。

这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可用弹性力学方法计算。

重点讨论圆形洞室。

（1）圆形洞室深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，可以用柯西求解，看作平面应变问题处理。

无限大弹性薄板，沿X方向的外力为P，半径为R0的小圆孔，如图8.1所示。

任取一点M（r,θ）按平面问题处理，不计体力。

则：图8.1柯西课题分析示意图……………………①式中为应力函数，它是和的函数，也是和的函数。

公路隧道围岩稳定性分析及支护对策研究在隧道建设中最为关心的是隧道围岩稳定性问题。

本文对影响隧道围岩稳定性的各类因素进行了分析，并对衬砌技术、衬砌防排水技术进行简要的说明，指出其中存在的问题并提出相应的解决思路，以期对公路隧道围岩稳定性的研究及实际工程施工有所帮助。

标签：公路隧道；围岩；支护；对策一、隧道围岩稳定性影响因素1、地质及地质结构。

地质及地质结构主要考虑岩性的影响、岩体结构及裂隙的分布和特殊地质条件（如岩溶区、强风化区、断层破碎带等不良地质）。

2、地应力。

地下工程的失稳主要是由于开挖工作引起的应力重分布超过围岩强度或引起围岩过分变形而造成的。

而应力重分布是否会达到危险的程度主要看初始应力场的方向、量值和性质而定。

3、岩体力学性质影响。

如上所述，工程岩体的稳定性主要视岩体的强度与变形特性与开挖后重分布的围岩应力这二者相互作用的结果而定。

强者强于后者则稳定，弱于后者则不稳定。

工程岩体的破坏主要有拉破裂和剪破裂两种基本类型，所以其抗拉强度和抗剪强度很重要。

4、工程因素。

工程因素主要指洞室的方位、规模（高、跨）、形态、使用性质、施工方法、开挖工艺、支护形式及实施过程、受其它工程活动的影响等。

5、地下水因素。

6、时间因素。

围岩状态随时间的恶化及地层压力的增加主要有两方面的原因：一是岩体的流变性质。

二是时间的增长加剧了围岩弱化过程。

二、公路隧道围岩稳定性分析方法（一）力学解析方法自从人们对围岩稳定性的研究开始，对其的力学研究一直处于不断进步的过程，主要经历了从古典压力理论、散体压力理论以及发展到现在更为先进的弹性、塑性力学理论。

隧道开挖之后，因改变了岩体之间原有的受力状态，使得围岩内部受力重新分布，并有可能出现应力集中的不利状态，因此需对其受力状态进行受力分析，如果围岩所受的应力均小于岩体的弹性极限强度，则围岩稳定，处于弹性状态，而当围岩部分受力超出其受力状态时，使得处于弹塑性状态，会因围岩受力不均匀而使得围岩发生部分坍塌，因此需对围岩进行弹塑性进行分析。