第4章隧道圍巖分級與圍巖壓力計算

1、學習本章的學習本章的目的目的： （1 1）要求掌握有關隧道的勘查、設計、構造原理和有關計算方）要求掌握有關隧道的勘查、設計、構造原理和有關計算方法；法； （2 2）理解隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素及其與施工方法的關系；）理解隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素及其與施工方法的關系； （3 3）了解隧道圍巖分級時考慮的因素。）了解隧道圍巖分級時考慮的因素。4.1 4.1 隧道圍巖的概念與工程性質隧道圍巖的概念與工程性質 4.2 4.2 圍巖的穩(wěn)定性圍巖的穩(wěn)定性 4.3 4.3 圍巖分級圍巖分級 4.4 4.4 圍巖壓力的確定圍巖壓力的確定 第第4 4章章 隧道圍巖分級與圍巖壓力隧道圍巖分級與圍巖壓力 Surro

2、unding rock classification and pressure4.1 隧道圍巖的概念與工程性質隧道圍巖的概念與工程性質4.1.14.1.1圍巖的概念圍巖的概念 圍巖圍巖: :是指隧道開挖后其周圍產(chǎn)生是指隧道開挖后其周圍產(chǎn)生應力重分布應力重分布范圍內的巖體，范圍內的巖體，或指隧道開挖后對其或指隧道開挖后對其穩(wěn)定性穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖產(chǎn)生影響的那部分巖( (土土) )體。體。說明：說明：圍巖既指巖體也指土體。圍巖既指巖體也指土體。圍巖的范圍： 圍巖的邊界應劃在開挖隧道面引起的應力變化可以圍巖的邊界應劃在開挖隧道面引起的應力變化可以忽略不計的地方，或者說在圍巖的邊界上因開挖隧道而

3、忽略不計的地方，或者說在圍巖的邊界上因開挖隧道而產(chǎn)生的位移應該為零。一般在橫斷面上為產(chǎn)生的位移應該為零。一般在橫斷面上為6-8倍的洞徑。倍的洞徑。4.1.2圍巖的工程性質圍巖的工程性質 物理物理 工程性質工程性質 水理水理 力學力學 ：圍巖抵抗變形和破壞的性能。：圍巖抵抗變形和破壞的性能。 巖巖 體體結構面結構面巖石巖石結構面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面巖體的力學特征主要取決于巖體的結構特征、結構體巖巖體的力學特征主要取決于巖體的結構特征、結構體巖石的特征以及結構面的特征：石的特征以及結構面的特征： 軟弱節(jié)理發(fā)育和完整連續(xù)的巖體，巖石的結構特征軟弱節(jié)理發(fā)育和完整連續(xù)的巖體，巖石的結

4、構特征決定巖體力學特征。堅硬塊狀巖體中，結構面為主導。決定巖體力學特征。堅硬塊狀巖體中，結構面為主導。巖體：由結構面和結構體組合而成的具有結構特征的地質體。巖石與巖體的區(qū)別：巖石與巖體的區(qū)別： 巖石：均質、連續(xù)、各向同性巖石：均質、連續(xù)、各向同性 巖體：非均質、不連續(xù)、各向異性巖體：非均質、不連續(xù)、各向異性 巖體力學性質獲取的方式：巖體力學性質獲取的方式： 現(xiàn)場試驗：真實、費時、費錢現(xiàn)場試驗：真實、費時、費錢 室內試驗：不易取樣、代表性差室內試驗：不易取樣、代表性差 1 1、巖體的變形特性、巖體的變形特性 受拉、受壓、剪切、流變受拉、受壓、剪切、流變 問題：巖體能受拉嗎？問題：巖體能受拉嗎？

5、1) 1) 受壓變形受壓變形 巖石：線性、彈性巖石：線性、彈性 軟弱結構面：非線性、塑性軟弱結構面：非線性、塑性 巖體：彈塑性體，見下圖。巖體：彈塑性體，見下圖。 ABC巖體巖石軟弱結構面0圖圖4-1 4-1 典型巖體全應力應變曲線典型巖體全應力應變曲線巖體：巖體： 壓密階段壓密階段(OA) (OA) 彈性階段彈性階段(AB) (AB) 塑性階段塑性階段(BC) (BC) 破裂和破壞階段破裂和破壞階段(CD)(CD) 2) 剪切變形剪切變形 (1) (1) 沿結構面滑動沿結構面滑動 (2) (2) 巖石的斷裂巖石的斷裂 (3) (3) 在結構面的影響下沿巖石剪斷在結構面的影響下沿巖石剪斷 3)

6、 流變特性流變特性 ： 蠕變：蠕變：指應力不變，而應變隨時間增長。指應力不變，而應變隨時間增長。 松弛：松弛：應變不變，而應力隨時間而衰減應變不變，而應力隨時間而衰減 問題：圍巖流變特性對隧道的影響？問題：圍巖流變特性對隧道的影響？ 圖圖4-2 4-2 巖體的流變巖體的流變2 2、巖體強度、巖體強度 巖石強度：通過試件獲得。巖石強度：通過試件獲得。 巖體強度：抗壓強度：由結構面特征決定低于巖石巖體強度：抗壓強度：由結構面特征決定低于巖石強度，約為巖石強度的強度，約為巖石強度的70708080。 抗剪強度：主要由結構面特征決定?？辜魪姸龋褐饕山Y構面特征決定。 4.2 圍巖的穩(wěn)定性圍巖的穩(wěn)定性4

7、.2.1 研究圍巖穩(wěn)定性的意義研究圍巖穩(wěn)定性的意義 圍巖的穩(wěn)定性：圍巖的穩(wěn)定性：隧道開挖后，在不支護條件下圍巖的隧道開挖后，在不支護條件下圍巖的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 問題：什么是隧道工程的頭等大事？問題：什么是隧道工程的頭等大事？ 研究圍巖的穩(wěn)定性，如何促使圍巖穩(wěn)定。研究圍巖的穩(wěn)定性，如何促使圍巖穩(wěn)定。圍巖級別的工程作用：圍巖級別的工程作用： 判斷圍巖穩(wěn)定性。判斷圍巖穩(wěn)定性。 判斷施工難易程度，投資依據(jù)。判斷施工難易程度，投資依據(jù)。 結構分析計算的依據(jù)結構分析計算的依據(jù) 地質因素客觀因素地質因素客觀因素 人為因素主觀因素、工程因素人為因素主觀因素、工程因素4.2.2 4.2.2 影響圍巖穩(wěn)定性的因

8、素影響圍巖穩(wěn)定性的因素1 1、地質因素、地質因素 從從5 5個方面來分析：個方面來分析： 巖體結構特征巖體結構特征 結構面性質和空間的組合結構面性質和空間的組合 巖石的力學性質巖石的力學性質 地下水的影響地下水的影響 圍巖的初始應力狀態(tài)圍巖的初始應力狀態(tài)巖體結構特征巖體結構特征 指巖體的破碎程度或完整狀態(tài)。指巖體的破碎程度或完整狀態(tài)。 破碎程度：破碎程度：裂隙率、裂隙間距。對穩(wěn)定性起主導作用。裂隙率、裂隙間距。對穩(wěn)定性起主導作用。 裂隙是廣義的：包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結構面。裂隙是廣義的：包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結構面。 按這裂隙間距將巖體分為：按這裂隙間距將巖體分為： 圍巖巖體整體

9、塊d1.0cm 大塊體 d=0.4-1.0cm 塊石狀d=0.2-0.4cm碎石塊 d0.750.750.750.750.550.550.550.550.350.350.350.350.150.150.15 0.90.75 R 0.90.5 R 0.750.25 R 0.5R 30 30 硬巖硬巖 5 R5 Rb b30 30 軟巖軟巖 R Rb b 5 5 極軟巖極軟巖 圍巖完整程度圍巖完整程度 指標指標1 1：結構面發(fā)育程度：結構面發(fā)育程度 指標指標2 2：地質構造影響程度：地質構造影響程度 由此兩指標，將巖體完整程度分為由此兩指標，將巖體完整程度分為5 5個級別，見下表：個級別，見下表：

10、 完整程度完整程度結構面發(fā)育程度結構面發(fā)育程度地質構造影響程度地質構造影響程度完整完整不發(fā)育不發(fā)育輕微輕微較完整較完整較發(fā)育、不發(fā)育較發(fā)育、不發(fā)育較重、輕微較重、輕微較破碎較破碎發(fā)育、較發(fā)育發(fā)育、較發(fā)育嚴重嚴重破碎破碎極發(fā)育、發(fā)育極發(fā)育、發(fā)育極嚴重、嚴重極嚴重、嚴重極破碎極破碎極發(fā)育極發(fā)育極嚴重極嚴重等級等級地質構造作用特征地質構造作用特征輕微輕微圍巖地質構造變動小，無斷裂（層）；層狀巖體一般呈單斜構造；節(jié)理不發(fā)育較重較重圍巖地質構造變動較大；位于斷裂（層）或褶曲軸的鄰近地段；可有小斷層，節(jié)理較發(fā)育嚴重嚴重圍巖地質構造變動較強烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內；軟巖多見扭曲及拖拉現(xiàn)象；節(jié)理發(fā)育很嚴

11、重很嚴重位于斷裂（層）破碎帶內；節(jié)理很發(fā)育；巖體呈碎石、角礫狀，有的呈粉末泥土狀圍巖節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度劃分圍巖節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度劃分等級等級地質構造作用特征地質構造作用特征節(jié)理不發(fā)育節(jié)理不發(fā)育 節(jié)理（裂隙）1-2組，規(guī)則，為原生型或構造型，多數(shù)的間距在1.0m以上，為密閉型。巖體被切割成塊狀節(jié)理較發(fā)育節(jié)理較發(fā)育 節(jié)理（裂隙）2-3組，呈x型，較規(guī)則，以構造型為主，多數(shù)的間距大于0.4m，多為密閉。部分微張開，少有填充物。巖體被切割成大塊狀節(jié)理發(fā)育節(jié)理發(fā)育 節(jié)理（裂隙）3組以上，不規(guī)則，呈x型或米字型，以構造型或風化型為主，多數(shù)間距小于0.4m，大部分微張開，部分張開，大部分為粘性土填充。巖

12、體被切割成塊、碎石狀節(jié)理很發(fā)育節(jié)理很發(fā)育 節(jié)理（裂隙）3組以上，雜亂，以構造型或風化型為主，多數(shù)間距小于0.2m，微張開或張開，部分為粘土充填。巖體被切割成碎石狀 特點特點 給出了單線隧道圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)。給出了單線隧道圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)。 尚未考慮地下水和地應力。尚未考慮地下水和地應力。圍巖基本分級圍巖基本分級 修正級別修正級別 初始地應力狀態(tài)初始地應力狀態(tài)極高應力極高應力或或高應力高應力或或根據(jù)巖石堅硬程度和巖體完整程度將圍巖分為根據(jù)巖石堅硬程度和巖體完整程度將圍巖分為6 6級。級。圍巖級別巖 體 特 征土 體 特 征圍巖彈性縱波速度(km/s)極硬巖，巖體完整-4.5極硬巖，巖體較

13、完整；硬巖，巖體完整-3.54.5極硬巖，巖體較破碎；硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整-2.54.0極硬巖，巖體破碎；硬巖，巖體較破碎或破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整或較破碎；軟巖，巖體完整或較完整具壓密或成巖作用的粘性土、粉土及砂類土，一般鈣質、鐵質膠結的碎(卵)石土、大塊石土，黃土(Q1、Q2)1.53.0軟巖，巖體破碎至極破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖(包括受構造影響嚴重的破碎帶)一般第四系堅硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍濕、潮濕的碎(卵)石土、圓礫土、角礫土、粉土及黃土(Q3、Q4)1.02.0受構造影響很嚴重呈碎石、角礫及粉末、泥土狀的斷層帶軟塑狀粘

14、性土、飽和的粉土、砂類土等1.0(飽和狀態(tài)的土1.5)自重應力自重應力 構造應力構造應力 地下水壓力地下水壓力 溫度應力溫度應力原巖原巖 毛洞毛洞穩(wěn)定洞室穩(wěn)定洞室開挖開挖支護支護一、圍巖壓力及其分類一、圍巖壓力及其分類 ( (一一) )圍巖壓力圍巖壓力 圍巖壓力圍巖壓力地層對洞室的作用力地層對洞室的作用力廣義：包括有、無支護時的壓力廣義：包括有、無支護時的壓力狹義：僅指對支護的壓力狹義：僅指對支護的壓力（二）圍巖壓力分類（二）圍巖壓力分類 1 1松動壓力松動壓力圍巖變形過大，發(fā)生松動而形成的壓力。圍巖變形過大，發(fā)生松動而形成的壓力。 2 2形變壓力形變壓力圍巖變形在有限范圍內而形成的壓力。圍巖

15、變形在有限范圍內而形成的壓力。 這是最重要的兩種壓力形態(tài)。這是最重要的兩種壓力形態(tài)。3 3膨脹壓力膨脹性巖層。膨脹壓力膨脹性巖層。 4 4沖擊壓力明洞，落石；沖擊壓力明洞，落石； 暗洞，坍方、巖爆。暗洞，坍方、巖爆。4.4.2 4.4.2 影響圍巖壓力的因素影響圍巖壓力的因素 地質因素地質因素 1.1.巖體初始應力狀態(tài)巖體初始應力狀態(tài) 2.2.巖石力學性質巖石力學性質 3.3.巖體結構面巖體結構面 4.4.地下水等地下水等 工程因素工程因素 1.1.施工方法施工方法 2.2.支護設置時間支護設置時間 3.3.支護本身剛度支護本身剛度 4.4.隧道斷面形狀等隧道斷面形狀等1.1.圍巖松動壓力的形

16、成圍巖松動壓力的形成 自然拱的概念：自然拱的概念：圍巖的變形不能得到有效的控制，當變圍巖的變形不能得到有效的控制，當變形超過一定限度后，圍巖發(fā)生松動、坍落，最終在洞室上方形超過一定限度后，圍巖發(fā)生松動、坍落，最終在洞室上方形成拱形。形成拱形。 (a) (a) 變形階段；變形階段； (b) (b) 松動階段；松動階段； (c) (c) 塌落階段；塌落階段； (d) (d) 成拱階段。成拱階段。 4.4.3 圍巖松動壓力的形成和確定方法圍巖松動壓力的形成和確定方法自然拱 影響自然拱的因素：影響自然拱的因素： 隧道埋深隧道埋深成拱的必要條件成拱的必要條件 隧道斷面形狀和大小隧道斷面形狀和大小拱的范圍

17、拱的范圍 施工因素施工因素對圍巖的擾動程度對圍巖的擾動程度2 2、圍巖壓力的確定方法、圍巖壓力的確定方法 直接量測法直接量測法 理論估算法理論估算法 統(tǒng)計法（經(jīng)驗法、工程類比法）統(tǒng)計法（經(jīng)驗法、工程類比法） 1) 1)深埋隧道圍巖松動壓力的確定方法深埋隧道圍巖松動壓力的確定方法 (1) (1) 統(tǒng)計法統(tǒng)計法我國我國隧規(guī)隧規(guī)所推薦的方法所推薦的方法 whhqsqq1245.0式中式中 圍巖容重；圍巖容重； h hq q坍落拱高度；坍落拱高度； s s 圍巖級別；圍巖級別； w w 寬度影響系數(shù)，由寬度影響系數(shù)，由 w=1+iw=1+i（B-5B-5）計算：）計算： B B 坑道寬度，當坑道寬度，

18、當 B B5m5m時，取時，取 i =0.2i =0.2，當，當 B B5m5m時，取時，取i =0.1i =0.1。雙線單線51245. 079. 141. 01Bihhss水平壓力見表：水平壓力見表：表圍巖水平均布壓力表圍巖水平均布壓力圍巖級別圍巖級別、 水平均布壓力水平均布壓力0 0 0.15q 0.15q ( 0.15( 0.150.3)q0.3)q(0.3(0.30.5)q 0.5)q (0.5(0.51.0)q 1.0)q 統(tǒng)計法公式的適用條件：統(tǒng)計法公式的適用條件： H/BH/B1.71.7，H H為坑道的高度；為坑道的高度； 深埋隧道；深埋隧道； 不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般

19、圍巖；不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖； 采用礦山法施工。采用礦山法施工。 據(jù)統(tǒng)計，圍巖垂直松動壓力的分布可概括為據(jù)統(tǒng)計，圍巖垂直松動壓力的分布可概括為4 4種，如種，如圖。圖。 圖圖 圍巖豎向松動壓力的分布圖形圍巖豎向松動壓力的分布圖形統(tǒng)計法公式僅針對圖中第一種情況。統(tǒng)計法公式僅針對圖中第一種情況。 圖 4-7例 某單線隧道處于圍巖，埋深20 m，寬度7.4m，高度8.8 m,容重21.5KN/m3,試計算豎值壓力和水平壓力。圍巖級別水平均布壓力00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q4.21m79. 141. 0. 14hkN/m15.275 .133 . 0

20、15. 0. 3qekN/m5 .9021. 45 .21. 2 hq雙線單線51245. 079. 141. 01Bihhss(2) (2) 普氏理論普氏理論 散粒體理論：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體理論：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體。散粒體。 普氏系數(shù)普氏系數(shù)f(f(巖體堅固性系數(shù)巖體堅固性系數(shù)):):0tantancf巖體堅固性系數(shù)巖體堅固性系數(shù) f f 的概念：的概念： f f是一個以巖體強度為主的指標，兼顧抗鉆性、抗爆性、是一個以巖體強度為主的指標，兼顧抗鉆性、抗爆性、地下水等性質。地下水等性質。 前述自然拱概念最早由普氏前述自然拱概念最早由普氏提出：提出： fbhq圖圖

21、4-8 4-8 自然拱的兩種形態(tài)自然拱的兩種形態(tài)B hkBthk BbHt 堅硬巖體堅硬巖體: : 松散破碎巖體：松散破碎巖體： 245tan0ttHbb式中式中 為隧道凈跨度的一半；為隧道凈跨度的一半； 為隧道凈高度。為隧道凈高度。tbtHtbb 一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。 埋深小于或等于塌落拱的高度Hq豎向應力245tan2102tHHe水平應力 2) 2)淺埋隧道圍巖松動壓力的確定方法淺埋隧道圍巖松動壓力的確定方法 深、淺埋隧道的判定原則深、淺埋隧道的判定原則 Hp（22.5）hq I I一一IIIIII級圍巖取級圍巖取: : H Hp p2h2hq q IV IVVIVI級圍巖取級圍巖取: : H Hp p2.5h2.5hq q