围岩分级与围岩压力.ppt

本讲主要内容,隧道围岩的概念及其性质影响围岩稳定性的因素隧道围岩分级隧道围岩压力的确定方法,1、隧道围岩的概念及其性质,（1）隧道围岩的概念（2）隧道围岩的工程性质（3）围岩与隧道工程的相互关系,1、隧道围岩的概念及其性质,（1）隧道围岩的概念,定义:隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩（土）体 隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩(土)体。,围岩（6-10倍洞径）,1、隧道围岩的概念及其性质,（1）隧道围岩的概念,注意几个问题:,围岩岩体,围岩不是整个岩土体，是受隧道建设影响（工程意义上的影响）的那部分岩土体,岩体岩石,岩体=岩石+结构面,围岩既可能是岩质，也可能是土质，或是二者混合体,1、隧道围岩的概念及其性质,（2）隧道围岩的工程性质,物理性质,质量指标（密度、容重等）,孔隙指标（孔隙率等）,水理指标（吸水率、含水率、饱水率等）,其它指标（膨胀性、软化性、抗冻性等）,力学性质,强度指标（抗拉、抗剪、抗压等）,变形特性（压缩变形、剪切变形、流变等）,注意岩体和岩石性质的差异,1、隧道围岩的概念及其性质,（2）隧道围岩的工程性质,质量指标（密度、容重等）,岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的质量和重量称为密度和容重。,可分为：天然密度、饱和密度、干密度、颗粒密度等,孔隙指标（孔隙率、孔隙比）,岩石试样中孔隙体积与试样体积的百分比称为孔隙率。,孔隙体积与固体体积的比值称为孔隙比,1、隧道围岩的概念及其性质,（2）隧道围岩的工程性质,水理指标（含水率、吸水率、饱水率等）,含水率是天然状态下岩石中水的重量与岩石干重量的百分比。,吸水率是干燥岩样在室温和一个大气压下吸入水的重量与岩石干重量的百分比。,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。,软化性是岩石与水相互作用时强度降低的特性，用软化系数衡量。,抗冻性是岩石抗冻融破坏的性能，用抗冻系数衡量。,1、隧道围岩的概念及其性质,（2）隧道围岩的工程性质,强度指标（抗压、抗拉、抗剪等）,岩石在荷载作用下破坏时承受的最大荷载应力称为强度。包括抗压、抗拉、抗剪强度等，其中以抗压和抗剪为最为重要，很少考虑抗拉强度。,变形指标（压缩、剪切、流变等）,影响因素十分复杂。包括作用力的大小和方式；岩石物理性质，如矿物组成和结构构造；变形条件，如围压、温度、孔隙压力、时间、含水量等。,1、隧道围岩的概念及其性质,（3）围岩与隧道工程的相互关系,围岩在隧道工程中具有三位一体特性:,围岩是修建隧道的介质，是构成隧道的基本材料和环境;,围岩是产生围岩压力的原因，是隧道结构的荷载来源；,围岩同时可以分担一部分围岩压力，还是承载结构。,1、隧道围岩的概念及其性质,（3）围岩与隧道工程的相互关系,围岩对隧道设计施工的影响:,隧道开挖难易程度;,隧道开挖后的稳定程度；,隧道支护结构承受荷载的大小。,2、影响隧道围岩稳定性的因素,（1）影响因素总揽（2）影响因素详解,2、影响隧道围岩稳定性的因素,（1）影响因素总揽,自然因素（地质条件）,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,人为因素（设计施工因素）,隧道形状和尺寸,隧道埋深,地下水,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,破碎程度：裂隙率、裂隙间距。,岩体结构特征是指岩体的破碎程度或完整状态。,完整状态：整块状、大块状等。,裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。,2、影响隧道围岩稳定性的因素,（2）影响因素详解,2)结构面的性质和空间组合状态,结构面性质,结构面成因,结构面光滑程度,结构面充填状态,结构面规模,结构面空间组合（相互位置）,结构面密集程度,2、影响隧道围岩稳定性的因素,（2）影响因素详解,3)岩石的力学性质,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的主要因素时，强调岩石强度意义是不大的。,岩石强度在完整的岩体中是起主要作用的。,2、影响隧道围岩稳定性的因素,（2）影响因素详解,4)初始地应力场,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。,2、影响隧道围岩稳定性的因素,（2）影响因素详解,5)地下水,使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显，对土体则可促使其液化或流动；有软弱结构面的围岩，会冲走充填物或使夹层液化，减少层间摩阻力促使岩块滑动；在某些围岩中，如石膏、岩盐和蒙脱石为主的粘土岩中，遇水后产生膨胀，在未胶结或弱胶结的砂岩中可产生流砂和潜蚀。,2、影响隧道围岩稳定性的因素,（2）影响因素详解,6)隧道形状和尺寸,形状方面（一般情况）:圆形断面受力较好，稳定性好；高度跨度比（简称高跨比）越大越容易稳定；断面圆顺可以避免应力集中，有利于围岩稳定；特殊地应力状态则需要具体分析。,尺寸方面:断面越大，稳定性越差,2、影响隧道围岩稳定性的因素,（2）影响因素详解,7)隧道埋深,埋深较浅时，随着埋深的增加，隧道由浅埋逐步进入深埋，围岩自稳能力增大；埋深很大时，随着埋深的增加，初始应力场随之增大，可能出现岩爆、大变形问题，围岩稳定性可能下降。,2、影响隧道围岩稳定性的因素,（2）影响因素详解,8)支护类型和时间,较早支护,较迟支护,2、影响隧道围岩稳定性的因素,（2）影响因素详解,9)施工方法,开挖方法与扰动强度 普通爆破法、控制爆破法；矿山法、盾构法或掘进机；,断面划分与扰动次数 大断面、小断面；分部开挖。,3、隧道围岩分级,（1）围岩分级的目的（2）围岩分级的发展及类型（3）铁路和公路隧道围岩分级,3、隧道围岩分级,（1）围岩分级的目的,围岩分级的目的 作为选择施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的荷载；给出衬砌结构的类型及其尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准基础等；,3、隧道围岩分级,（2）围岩分级的发展及类型,土石分类,单一指标分类,综合指标分类,围岩分级的发展趋势 越来越重视岩体而非岩石；与勘察手段紧密联系；针对明确的工程对象及目的；分类逐渐量化；,3、隧道围岩分级,（2）围岩分级的发展及类型,（A）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 a.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。b.以岩石物性指标为基础的分级法 代表：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。,3、隧道围岩分级,（2）围岩分级的发展及类型,（B）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。我国交通隧道围岩分级法借鉴了泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6级。,3、隧道围岩分级,（2）围岩分级的发展及类型,（C）与地质勘探手段相联系的分级方法 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。,3、隧道围岩分级,（2）围岩分级的发展及类型,（C）与地质勘探手段相联系的分级方法 代表：岩石质量指标RQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。,3、隧道围岩分级,（2）围岩分级的发展及类型,（D）组合多种因素的分级方法 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：,组合了6个参数：岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。,3、隧道围岩分级,（3）铁路和公路隧道围岩分级,(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。,3、隧道围岩分级,（3）铁路和公路隧道围岩分级,(B)现行铁路隧道围岩分级,基本理论：“以岩体构造和岩性特征为代表的”的综合指标分级方法,基本方法：按围岩稳定性由好至差划分为 级,基本流程：基本分级修正基本分级=最终围岩分级,岩石坚硬程度,岩体完整程度,地下水,地应力,3、隧道围岩分级,（3）铁路和公路隧道围岩分级,(C)现行铁路隧道围岩分级方法,围岩基本分级,修正基本分级,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,岩体完整程度,指标1：结构面发育程度 指标2：地质构造影响程度 由此两指标，将岩体完整程度分为5个级别。,3、隧道围岩分级,（3）铁路和公路隧道围岩分级,(C)现行铁路隧道围岩分级方法,围岩基本分级,修正基本分级,岩石坚硬程度,岩体完整程度,围岩弹性波测试,地下水修正,地应力修正,3、隧道围岩分级,（3）铁路和公路隧道围岩分级,(C)现行铁路隧道围岩分级方法,围岩基本分级,修正基本分级,钻探取芯,岩体完整程度,地下水发育程度,地应力测试,岩样试验,岩石强度,踏勘调绘,节理裂隙发育程度,地质构造影响程度,弹性波测试,注水试验,地应力水平,最终围岩分级,4、隧道围岩压力的确定,（1）围岩压力的形成及类型（2）围岩压力的理论计算方法（3）铁路、公路隧道围岩压力规范确定方法（4）围岩压力实测方法,4、隧道围岩压力的确定,（1）围岩压力的形成及类型,原岩,毛洞,稳定洞室,开挖,支护,自重应力,初始地应力,构造应力,地下水压力,温度应力,松动压力,围岩压力,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,(A)普氏压力拱理论,基本前提：松散并具有一定粘性的围岩中；埋深较大；,压力拱的概念：在具有一定粘结力的松散介质中开挖隧道后，其上方会形成一抛物线状的天然拱，这实质上就是在松散介质、裂隙岩层中开挖坑道时的破坏范围。而作用在支护上的竖向压力就是这个破坏范围（天然拱）以内的松动岩体的重量。,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,压力拱的受力特征：(1)在任何一截面上无弯矩作用；(2)拱脚能保持稳定而不致产生水平滑动。,压力拱外部围岩稳定，内部的围岩才会形成围岩压力。问题：如何确定压力拱高度hk？,隧道宽度Bt,隧道高度Ht,压力拱高度hk,压力拱宽度2b,侧壁破裂角45+0/2,T,V,H,P,Y,X,hk,b,x,y,A,任意点A右侧结构对A弯矩为零，得：,对拱脚，x=b,y=hk，则：,拱脚在摩阻力作用下，不能滑动，应有安全系数K1，则：,因此：,通常取K=2,4、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,似摩擦系数f的概念及其确定：将具有一定粘性的松散围岩视为无粘性的松散体。(1)具有粘性时的抗剪强度(2)无粘性松散体的抗剪强度,按照抗剪强度不变的原则进行等效，应有：,似摩擦系数f又称为普氏系数,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,按照普氏压力拱理论，确定普氏系数、普氏压力拱高度后，即可计算作用在隧道支护结构上的围岩压力。,通常将竖向压力视为均布压力，侧向压力为梯形分布。,4、隧道围岩压力的确定,（2）围压压力的理论计算方法,(B)太沙基理论,理论假设与受力特征：围岩为散粒体;形成两个主动滑动面；竖向压力均匀分布；侧压力与竖向压力成正比；,4、隧道围岩压力的确定,（2）围压压力的理论计算方法,(B)太沙基理论,由单元体竖向力平衡可得微分方程：,解得：,4、隧道围岩压力的确定,（3）铁路、公路隧道围岩压力规范确定方法,等效荷载,等效荷载高度,深浅埋判别,深埋隧道,HHp,HHp,松散围岩,浅埋隧道,hpHHp,HHp,4、隧道围岩压力的确定,（3）铁路、公路隧道围岩压力规范确定方法,（A）深埋隧道支护结构上的围岩压力计算,4、隧道围岩压力的确定,（3）铁路、公路隧道围岩压力规范确定方法,（B）浅埋隧道支护结构上的围岩压力计算,4、隧道围岩压力的确定,（3）铁路、公路隧道围岩压力规范确定方法,（B）浅埋隧道支护结构上的围岩压力计算,4、隧道围岩压力的确定,（4）围岩压力实测方法,直接量测法,间接量测法,直接量测支护结构上的围岩压力，主要是采用在支护结构背后埋设压力盒的方法。,用这种方法所测得的围岩压力实际上是围岩与支护结构之间的接触应力。,它可能是围岩的松动压力，也可能是一种既包含松动压力又包括因支护结构变形而引起的围岩抗力。,靠量测支护结构的应变，从而推算出作用在其上的围岩压力的方法，是一种间接量测方法。为此，需要在支护结构内埋设各种应变量测元件，例如：钢弦式应变计，差动电阻式应变计，混凝土应变砖等。,本章要点,围岩、岩体、岩石的概念围岩与隧道结构的关系影响围岩稳定性的因素围岩分类的目的与方法隧道围岩压力确定方法,