隧道工程第4章课件.ppt
中南大学隧道与地下工程系,隧 道 工 程,第 4 章 隧道围岩分级与围岩压力(一),1,第 4 章 隧道围岩分级与围岩压力,4.1 隧道围岩的概念与工程性质,4.2 围岩的稳定性,4.3 围岩分级,4.4 围岩压力的确定,2,本节主要内容：,隧道工程地质的研究意义与主要内容隧道围岩的概念围岩的工程性质,3,4.1 隧道围岩的概念与工程性质,4.1.1 隧道工程地质的研究意义与主要内容,4.1 隧道围岩的概念与工程性质,地面结构：除自重外，荷载都是来自外部：如人群、列车、水车、风雨、楼房、桥、水。地下结构：荷载主要来自周围岩体，但又可以作为承载结构的一部分(如黄土窑洞可不设支护)，说明地层即可以是荷载，又可是结构的组成部分，它与支护结构组成合二为一的承载体系，故地层(或岩体)在地下结构中起主导作用。,1.地下结构与地面结构的区别,4,4.1.1 隧道工程地质的研究意义与主要内容,2.在隧道工程中研究地质环境的意义,由于隧道工程的一切活动(勘测、设计、施工、开挖方法、支撑形成、衬砌结构类型、隧道位置、工程造价、运营管理、养护维修)无不与它所处的地质环境息息相关，因此，研究地质环境(地层)在地下工程结构的建造过程的变化规律是十分重要的，研究它可以作为正确指导隧道工程的勘测、设计、施工和运营管理的依据。,5,4.1.1 隧道工程地质的研究意义与主要内容,3.隧道工程地质研究的主要内容,由于隧道工程处周围地层所包括的因素很多，很广泛，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(坍或不坍最要紧)，即围岩的稳定性。 （1）什么是围岩的稳定性 是指隧道工程开挖后周围地层(围岩)的稳定程度，它是一个反映地质环境的综合指标。,6,4.1.1 隧道工程地质的研究意义与主要内容,3.隧道工程地质研究的主要内容,（2）围岩稳定性的研究内容： 隧道围岩破坏或稳定的规律工程性质 影响围岩稳定的主要因素地质特征 判断围岩稳定性的指标和准则围岩分类 分析围岩稳定性的方法围岩压力 维护围岩稳定的工程措施施工技术 前4个方面为本章内容,7,4.1.1 隧道工程地质的研究意义与主要内容,3.隧道工程地质研究的主要内容,（3）围岩稳定性的研究方法 从围岩变形与破坏的根本作用力围岩的原始地应力出发结合围岩的工程性质，施工对地层原始状态干扰和破坏程度等进行综合研究，并根据围岩与支护结构共同作用，用围岩为主的观点来制定施工程序和支护结构设计。 （4）围岩稳定性的研究手段 岩体力学 试验技术 数值模拟,8,4.1.2 隧道围岩的概念,4.1 隧道围岩的概念与工程性质,1.围岩 隧道围岩是指隧道周围一定范围内对其稳定性产生影响的那部分岩体(土体)。亦即开挖后应力产生重分布范围的岩(土)体。 说明：围岩既指岩体也指土体。,9,4.1.2 隧道围岩的概念,2.岩石 是由一种或几种矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然体，可近所认为岩石是均质，连续和各向同性的介质。,10,4.1.2 隧道围岩的概念,3.岩体 由岩石组成的，在结构面切割下具有一定的结构和构造，占所地球上一定空间的地质体(或岩块)结构体。它具有明显的非均质性，不连续性和各向异性。 在隧道工程中，地层、岩体、岩层指一个含义,11,4.1.2 隧道围岩的概念,4.岩体与岩石的区别岩石可以被认为是均质、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。,5.结构面 岩体中的断层面、层理面、节理面和裂隙面等。 6.结构体 被结构面切割而成的块体。,12,4.1 隧道围岩的概念与工程性质,4.1.3 围岩的工程性质,1.围岩的工程性质 (1)物理性质指岩体的物理组成，是什么样 的石头。 (2)水理性质指岩体在含水条件下岩体的一 些物理化学反应。 (3)力学性质指岩体的抗拉抗压强度和变形 破坏性能，即围岩抵抗变形破 坏的性能。,13,2. 岩体的变形特性 岩体的变形包括受拉、受压、剪切、流变4个方面 岩体的抗拉变形能力很低，可不计。 （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。 岩石线性特征，以弹性变形为主； 软弱结构面非线性特征，以塑性变形为主； 岩体分解为四个阶段：,4.1.3 围岩的工程性质,14,. 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。. 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。,4.1.3 围岩的工程性质,2. 岩体的变形特性,（1）受压变形,15,. 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。. 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。,4.1.3 围岩的工程性质,2. 岩体的变形特性,（1）受压变形,16,典型岩体全应力应变曲线,岩体：压密阶段(OA) 弹性阶段(AB) 塑性阶段(BC) 破裂和破坏阶段(CD),4.1 隧道围岩的概念与工程性质,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。,17,4.1.3 围岩的工程性质,（2）剪切变形主要受结构面控制，可能有三种方式： 沿结构面滑动。此时，结构面的变形特性即为岩体的变形特性。 结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂。此时，岩石的变形特性即起主导作用。 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。,2. 岩体的变形特性,18,（3）流变特性 蠕变：应力不变，应变随时间增长 松弛：应变不变，应力随时间而衰减 问题：围岩流变特性对隧道的影响？,图4-2 岩体的流变,4.1.3 围岩的工程性质,2. 岩体的变形特性,19,2. 岩体的强度特性 (1)特点： 岩体的强度比岩石的强度低得多(R岩体抗剪抗拉抗弯 常用强度准则：莫尔-库尔理论 以上因素(变形、强度、破坏等受构造特征的影响)。,4.1.3 围岩的工程性质,20,4.1.3 围岩的工程性质,2. 岩体的强度特性,21,第 4 章 隧道围岩分级与围岩压力,4.1 隧道围岩的概念与工程性质,4.2 围岩的稳定性,4.3 围岩分级,4.4 围岩压力的确定,22,本节主要内容：,隧道稳定类型与失稳破坏形态影响围岩稳定性的因素,23,4.2 围岩的稳定性,4.2 围岩的稳定性,4.2.1 隧道稳定类型与失稳破坏形态,1.隧道开挖后的稳定性描述： （1）充分稳定的：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。 （2）基本稳定的：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，坑道是稳定的。 （3）暂时稳定的：多数坑道是属于这个类型的。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。 （4）不稳定的：坑道开挖后很快呈现坍塌现象。,24,2.隧道围岩失稳破坏性态 脆性破裂 块状运动 弯曲折断破坏 松动解脱 塑性变形和剪切变形,4.2.1 隧道稳定类型与失稳破坏形态,25,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: 属于地质环境方面的自然因素(地质因素)，是客观存在的,它们决定了隧道围岩的质量； 第二类: 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。,4.2 围岩的稳定性,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,26,1.地质因素 从5个方面来分析： 岩体结构特征 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,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,27, 岩体结构特征 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。,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,1.地质因素,28,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,整体结构 1 整体结构 2 块状结构 层状结构 1 层状结构 2 板状结构 碎裂结构 1 镶嵌结构 2 层状碎裂结构 3 碎裂结构, 岩体结构特征岩体的四大种结构类型,1.地质因素,29,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,30,层状岩体实例,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,31,按这破碎程度和完整状态这2个指标有下图：,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,1.地质因素,32,结构面性质和空间组合 性质 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,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,1.地质因素,33,34, 结构面性质和空间组合,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,1.地质因素,空间组合 指结构面的相互位置状态 结构面与隧道的相对空间位置,35,4.2.2 影响围岩稳定性的因素, 结构面性质和空间组合,1.地质因素,空间组合 指结构面的相互位置状态 结构面与隧道的相对空间位置,36,4.2.2 影响围岩稳定性的因素, 结构面性质和空间组合,1.地质因素,空间组合 指结构面的相互位置状态 结构面与隧道的相对空间位置,37,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。,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,(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。,1.地质因素,38, 地下水的影响 使岩质软化，强度降低，对软岩尤其突出 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 具膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀等,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,1.地质因素,遇水软化,39,2.人为因素 隧道形状和尺寸 形状：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。 尺寸：坑道跨度愈大，坑道围岩的稳定性就愈差。,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,40,2.人为因素 （2）施工方法 如普通的爆破法与控制爆破法、矿山法与掘进机法、全断面一次开挖与小断面分部开挖，对隧道围岩的影响都各不相同。,4.2.2 影响围岩稳定性的因素,41,第 4 章 隧道围岩分级与围岩压力,4.1 隧道围岩的概念与工程性质,4.2 围岩的稳定性,4.3 围岩分级,4.4 围岩压力的确定,42,本节主要内容：,围岩分级概念与目的国内外围岩分级方法我国铁路隧道的围岩分级方法我国公路隧道的围岩分级方法问题及研究方向,43,4.2 围岩分级,1.围岩分级的概念 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级别，即将稳定性相似的一些围岩划归为一级，将全部的围岩划分为若干级，这就是隧道围岩稳定性分级，或简称为围岩分级。,4.3 围岩分级,4.3.1 围岩分级的概念与目的,44,2.分级的目的与作用 从工程角度出发，订出评价围岩好坏的标准，作为正确进行设计施工的准则。 （1）结构设计依据判断围岩稳定性 （2）施工方法依据判断施工难易程度 （3）工程造价依据 （4）结构分析计算依据,4.3.1 围岩分级的概念与目的,45,3.围岩分级的发展过程,土石分类法,单一因素分类法,综合物性分类法,4.3.1 围岩分级的概念与目的,46,其它分级法：,组合多因素分类法,与地质勘探手段相联系的分类法,总结：早期仅岩石强度； 现在综合多种因素，如岩体构造、 岩石强度、RQD指标等。,4.3.1 围岩分级的概念与目的,47, 分级的基本要素 基本要素： 岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等。 地质构造：岩体完整性或结构状态。 地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。 附加要素： 初始地应力：适当考虑。,4.3 围岩分级,4.3.2 围岩分级方法,48,1.以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 （1）以岩石强度为基础的分级法,4.3.2 围岩分级方法,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。,这种围岩分类单纯以岩石的强度为依据，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。 在国外，有日本初期采用的“国铁土石分类法”。 实践证明，这种认识是不全面的。,49,1.以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 （2）以岩石物性指标为基础的分级法 “f”值分类法曾在我国的隧道工程中得到广泛的应用。它的核心仍是岩石强度指标的反映。 我国把“f”值应用到隧道工程的设计、施工时，考虑围岩的节理、裂隙、风化等条件时,把由强度决定的“ f”值适当降低，即： 地质条件折减系数,4.3.2 围岩分级方法,50,1.以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 （2）以岩石物性指标为基础的分级法 代表：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“f”值分类法）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。 岩石饱和单轴极限抗压强度,4.3.2 围岩分级方法,51,1.以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 （2）以岩石物性指标为基础的分级法,4.3.2 围岩分级方法,普氏根据f值的大小，将围岩分成15类,52,2.以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法 (1)代表：泰沙基分类法 将不同岩性、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。分类中考虑了地下水作用，当确认无水时，47类围岩的地压值应降低50。 这一分类方法至今仍有广泛的影响。,4.3.2 围岩分级方法,53,(1)代表：泰沙基分类法,表中B、Ht分别为坑道宽度及高度,54,2.以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法 (2)代表：我国交通隧道2000年以前的围岩分级法 1960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借鉴了泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6类。,4.3.2 围岩分级方法,55,3.与地质勘探手段相联系的分级方法 (1)代表：弹性波速分级法 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。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。,4.3.2 围岩分级方法,56,3.与地质勘探手段相联系的分级方法 (1)代表：弹性波速分级法 波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标，波速越高，围岩越好。,4.3.2 围岩分级方法,Vm围岩弹性波(纵波)速度。Vc不包含裂隙的岩石试件弹性波速度,57,(2)岩石质量指标RQD分类法 RQD指标是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。 RQD指标的具体含义为岩芯复原率:,表中R为RQD指标。,4.3.2 围岩分级方法,3.与地质勘探手段相联系的分级方法,58,代表：岩体质量分级法 巴顿等人提出的“岩体质量-Q”分级法。表达如下,4.3.2 围岩分级方法,4.组合多种因素的分级方法,59,组合了6个参数：岩体质量参数RQD、节理组数目Jr、 节理粗糙度Jr、节理蚀变值Ja、 节理含水折减系数Jw、应力折减系数SRF,1.沿革 岩体综合分类1960年代，成昆线，5类。 隧道围岩分类1974年版，首部铁路隧道规范，6类。 隧道围岩分类1986年版，加入围岩弹性波速指标。 隧道围岩分级1999年版，采用国标分级排序，改 称 “围岩分级”，6级。 隧道围岩分级2001年版、2005年版，不变。,4.3 围岩分级,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,60,2.分级的理论基础 以围岩的稳定性判断为基础。 属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法。 主要考虑4种因素： 岩石坚硬程度 围岩完整状态 地下水 围岩初始地应力,基本分级,修正基本分级,基本分级 修正基本分级 最终分级,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,61,3. 基本分级 依据：围岩主要工程地质条件，由两条组成： 岩石坚硬程度 软硬岩分界指标：30Mpa Rb30 硬岩 5 Rb30 软岩 Rb 5 极软岩,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,62,3.基本分级 围岩完整程度 指标1：结构面发育程度 指标2：地质构造影响程度 由这两个指标，将岩体完整程度分为5个级别，见下表：,63,岩体完整程度的划分,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,64,围岩受地质构造影响程度等级划分,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,65,围岩节理（裂隙）发育程度划分,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,66,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,4.弹性波传播速度 弹性波纵波速度Vp与围岩级别的关系见下表,67,5.铁路隧道围岩分级表 基本分级+围岩弹性纵波速度=铁路隧道围岩分级 分级见表。,6.特点 给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态。 尚未考虑地下水和地应力。,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,68,69,各项指标组合的围岩分类简表,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,70,6.修正分级 地下水 地下水的3种处理方法： 分级时按无水考虑，而是根据地下水的状态，适当 降低围岩等级(12级)； 分级时按有水考虑，当确认无水则提高围岩等级； 直接将地下水状况(水质、水量、流通条件、静水压 力等)作为一个分级指标。,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,71,铁路隧道分级按第1种方法处理：,地下水影响的修正,地下水状态的分级表,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,72,初始地应力,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,73,初始地应力影响的修正,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,74,两点说明： 设计阶段：采用修正后的围岩分级。 施工阶段：根据实际情况，进一步判定围岩分级，依据仍然是： 围岩完整状态岩石坚硬程度地下水初始地应力,4.3.3 我国铁路隧道的围岩分级方法,75,1.初步分级 相当于铁路的基本分级 依据：围岩主要定性特征 该特征由两个基本因素组成： 岩石坚硬程度Rc(即强度) 岩体完整性Kv(即弹性波速) 推出围岩基本质量指标 BQ=90+3Rc+250Kv,4.3 围岩分级,4.3.4 我国公路隧道的围岩分级方法,76,2.详细分级 相当于铁路的修正分级,修正BQ值：当有以下3方面影响时，应予修正： 地下水K1 软弱结构面(比铁路多此条)K2 高初始地应力K3 BQ=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3) K1K3各值可查公路隧道规范附录A.0.2-1A.0.2-3,4.3.4 我国公路隧道的围岩分级方法,77,公路围岩分级表： 基本上与铁路隧道相同,参数： 围岩主要定性特征 BQ值，或BQ值(当需要修正时),4.3.4 我国公路隧道的围岩分级方法,78,1.问题 指标定性的多、定量的少。如何做到准确、方便、好用？ 2.研究 发展物探手段，增加定量指标。 发展围岩分级分析理论 模糊数学； 隧道位移； 人工智能专家系统等。,4.3 围岩分级,4.3.5 问题及研究方向,79,1.试说明影响围岩稳定性的主要因素有哪些？ 2.为什么要进行围岩分级？按发展过程看，大体有那些类型围岩分类（分级）法？我国交通隧道目前使用的围岩分级法属哪一种类型？ 3.已知一岩体呈块碎状镶嵌结构，节理发育(结构面间距小于0.4m)，饱和极限抗压强度Rb30MPa，试判断围岩的级别。,80,小 结,本讲思考题：,
