隧道施工技术教学讲义-围岩分级与围岩压力

隧道施工技术模块模块1 1 围岩分级与围岩压力围岩分级与围岩压力1.1 围 岩 分 级1.2围 岩 压 力1.1 1.1 围 岩 分 级 公路隧道围岩分级 围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重新分布的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体或土体。洞身周围的地层，不管是岩体还是土体统称为隧道围岩。这里的土体是指广义的土，可以理解为是从岩体上剥离的风化物质，包括各种土（黄土、软土等）、卵砾石土等。1.1 1.1 围 岩 分 级 隧道围岩分级是隧道设计与施工的基础。为了满足隧道设计、施工等的需要，针对各种不同工程项目的具体要求，如施工开挖、支护、支承与衬砌，以及编制隧道施工组织设计等，把围岩按这些不同要求进行相应的地质条件归类，这就是围岩分级。正确的、符合工程实际的围岩分级对于隧道设计计算及支护设计的准确性有很重要的意义。这里要讨论以解决隧道支护问题为目的的围岩分级，以便确定衬砌结构类型，计算作用于支护、支承及衬砌结构的围岩压力。1.1 1.1 围 岩 分 级 （1）公路隧道围岩分级的综合评判方法宜采用两步，并按以下顺序进行分级：根据岩石的坚硬程度和岩体的完整程度两个基本因素的定性特征与定量的岩体基本质量指标BQ，综合进行初步分级。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。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。1.1 1.1 围 岩 分 级 （2）围岩分级中岩石的坚硬程度、岩体的完整程度两个基本因素的定性划分和定量指标及其对应关系应符合下列规定：岩石坚硬程度可按表1-1定性划分。表表1-11-1岩石坚硬程度的定性划分岩石坚硬程度的定性划分1.1 1.1 围 岩 分 级 岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度Rc（单位为MPa）表达。一般采用实测值，若无实测值时，可采用实测的岩石点荷载强度指数Is（50）的换算值，即按式（1-1）计算。Rc=2282I0.75s（50）（1-1）1.1 1.1 围 岩 分 级 Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系可按表1-2确定。表表1-21-2R Rc c与岩石坚硬程度定性划分的关系与岩石坚硬程度定性划分的关系1.1 1.1 围 岩 分 级 岩体完整程度可按表1-3定性划分。表表1-31-3岩体完整程度的定性划分岩体完整程度的定性划分1.1 1.1 围 岩 分 级 岩体完整程度的定量指标用岩体完整性系数Kv表达。Kv一般用弹性波探测值，若无探测值时，可用岩体体积节理数v，按表1-4确定对应的Kv值。表表1-41-4v v与与K Kv v对照表对照表1.1 1.1 围 岩 分 级 Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系可按表1-5确定。岩体完整程度的定量指标Kv、v的测试和计算方法应符合公路隧道设计规范（TG D702004）的规定。表表1-51-5K Kv v与定性划分的岩体完整程度的对应关系与定性划分的岩体完整程度的对应关系1.1 1.1 围 岩 分 级 （3）围岩基本质量指标BQ应根据分级因素的定量指标Rc值和Kv值按式（1-2）计算。BQ=90+3Rc+250Kv （1-2）式中，BQ为围岩基本质量指标；Rc为岩石单轴饱和抗压强度；Kv为岩体完整性系数。使用式（1-2）时应遵守以下限制条件：当Rc90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv值代入计算BQ值。当Kv004Rc+04时，应以Kv=004Rc+04和Rc值代入计算BQ值。1.1 1.1 围 岩 分 级 （4）围岩详细定级时，如遇下列情况之一，应对岩体基本质量指标BQ进行修正：有地下水。围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用。存在高初始应力。（5）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，详见表1-10确定围岩级别。1.1 1.1 围 岩 分 级1.1 1.1 围 岩 分 级 （6）各级围岩物理力学参数和抗剪强度。各级围岩的物理力学参数及结构面抗剪强度应通过室内或现场试验获得，如无试验数据时，可按表1-11的规定选用；岩体结构面抗剪断峰值强度参数可按表1-12选用。1.1 1.1 围 岩 分 级表表1-111-11各级围岩的物理力学指标标准值各级围岩的物理力学指标标准值1.1 1.1 围 岩 分 级表表1-121-12岩体结构面抗剪断峰值强度参数岩体结构面抗剪断峰值强度参数1.1 1.1 围 岩 分 级 （7）隧道各级围岩的自稳能力宜根据围岩变形量测和理论计算分析来评定，隧道各级围岩自稳能力也可按表1-13做出判断。表表1-131-13隧道各级围岩自稳能力判断隧道各级围岩自稳能力判断1.1 1.1 围 岩 分 级 铁路隧道围岩分级 在我国现行的铁路隧道设计规范（TB 100032005）中明确规定了围岩由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个决定因素确定，岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法综合确定。铁路隧道的围岩级别的确定应符合规范规定。依其稳定性由好到差把围岩分为6级，即、级。围岩分级围岩分级1.1.1 1.1 围 岩 分 级1 1）岩石坚硬程度）岩石坚硬程度 围岩岩石强度是围岩体抵抗外力的一个重要方面，在结构特征和完整状态相同的情况下，围岩的稳定性主要取决于围岩岩石的强度。一般来说，无裂隙或少裂隙的围岩具有整体结构，其强度可用岩石试件的抗压强度或抗剪强度来表示，对于多裂隙的围岩体，其强度可用工程类比法判断。1.1 1.1 围 岩 分 级2 2）岩体完整程度）岩体完整程度 岩体完整程度的划分如表1-16所示。表表1-161-16岩体完整程度的划分岩体完整程度的划分1.1 1.1 围 岩 分 级 按照以上两个因素，把围岩分为六级，依其坚硬程度和完整程度由好到差依次为、级，如极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；详表1-17所示。3 3）围岩基本分级）围岩基本分级1.1 1.1 围 岩 分 级围岩分级修正围岩分级修正2.结合隧道工程的特点，考虑地下水状态、初始地应力状态等必要的因素，围岩级别在基本分级的基础上应进行修正。1.1 1.1 围 岩 分 级1 1）地下水状态分级）地下水状态分级 地下水状态的分级如表1-18所示。表表1-181-18地下水状态的分级地下水状态的分级1.1 1.1 围 岩 分 级2 2）地下水影响对围岩级别的修正）地下水影响对围岩级别的修正表表1-191-19地下水影响的修正地下水影响的修正 地下水影响的修正如表1-19所示。1.1 1.1 围 岩 分 级3 3）初始地应力状态）初始地应力状态 当无实测资料时，围岩的初始地应力状态可根据隧道工程埋深、地貌、地形、地质、构造运动史、主要构造线与开挖过程中出现的岩爆、岩芯饼化等特殊地质现象，按表1-20评估。表表1-201-20初始地应力场评估基准初始地应力场评估基准1.1 1.1 围 岩 分 级4 4）初始地应力对围岩级别的修正）初始地应力对围岩级别的修正表表1-211-21初始地应力影响的修正初始地应力影响的修正 初始地应力影响的修正如表1-21所示。1.1 1.1 围 岩 分 级 当隧道洞身埋藏较浅时，应根据围岩受地表影响的情况进行围岩级别的修正。当围岩为风化层时，应按风化层的围岩基本分级考虑；当围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低12级。1.2 1.2 围 岩 压 力 围岩压力的基础知识 围岩压力是周围岩体作用于隧道和地下硐室衬砌或支护上的荷载，也称地层压力。从广义上讲，围岩压力是开挖隧道后围岩变形和应力重新分布的一种物理现象。隧道开挖后，因围岩变形或松动等原因，作用于硐室周边岩体或支护结构上的压力即围岩压力。作用于结构物而使结构产生应力的力量称为荷载。围岩分级围岩分级1.2 1.2 围 岩 压 力围岩压力的类型围岩压力的类型1.1 1）松动压力）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。松动压力按作用在支护上力的位置不同，可分为竖向压力、侧向压力和底压力。松动压力常发生在下列三种情况中：（1）在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石。（2）在松散软弱的岩体中，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。1.2 1.2 围 岩 压 力2 2）形变压力）形变压力 形变压力是由于围岩变形而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的过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。所以形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。1.2 1.2 围 岩 压 力3 3）膨胀压力）膨胀压力当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，围岩由于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。1.2 1.2 围 岩 压 力4 4）冲击压力）冲击压力 冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，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。1.2 1.2 围 岩 压 力坑道开挖前后围岩的应力状态坑道开挖前后围岩的应力状态2.1 1）坑道开挖前围岩的应力状态）坑道开挖前围岩的应力状态 坑道在开挖前，地层是处于相对静止的状态。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。它是由上覆地层自重、地壳运动的残余应力及地下水活动等因素所决定的。1.2 1.2 围 岩 压 力 为了研究方便，仅考虑由上覆地层自重所形成的原始应力，并取深度上的一个单元体来做应力分析，如图1-1所示。该单元体受到三对大小相等、方向相反的压力的作用，因此该单元体处于力的平衡状态和变形运动的相对静止状态。图图1-11-1隧道开挖前任一处围岩的受力状态隧道开挖前任一处围岩的受力状态1.2 1.2 围 岩 压 力2 2）坑道开挖后围岩的应力状态）坑道开挖后围岩的应力状态 坑道开挖之后,围岩原来保持的平衡状态受到破坏,由相对的静止状态变成显著的变动状态,于是围岩在应力和变形方面开始了一个新的变化运动,出现了围岩应力的重分布和围岩向开挖的坑道空间变形现象,力图达到新的平衡。1.2 1.2 围 岩 压 力围岩的成拱作用围岩的成拱作用3.在工程实践中人们发现,当隧道在多裂隙围岩（包括一般土层）中埋置较深时,作用在支护结构上的围岩压力远远小于其上覆层自重所造成的压力。究其原因，可以用围岩的成拱作用来解释。在上述条件下,当坑道开挖后,如果任意让其变形、松动和坍塌,最后将会看到在坑道上方形成一个相对稳定的拱形洞穴,如图1-2所示。人们常称其为“天然拱”或“平衡拱”。它上方的一部分岩体承受着上覆地层的全部重力,如同一个承载环一样,并将荷载重力向两侧传递下去,这就是所谓的围岩的成拱作用。1.2 1.2 围 岩 压 力图图1-21-2围岩的成拱作用围岩的成拱作用1.2 1.2 围 岩 压 力影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素4.影响围岩压力的因素主要有两类：一类是围岩的工程地质因素，主要包括围岩的原始岩体的结构面等；另一类是工程结构因素，包括时间因素、坑道的形状和尺寸、隧道的埋置深度、支护因素、爆破因素、超挖回填因素等。其中起决定作用的是围岩的地质条件，其是内因。这里就对围岩压力的影响外因（工程结构因素）做简略的分析。1.2 1.2 围 岩 压 力1 1）时间因素）时间因素 无论何种围岩，在坑道开挖后的暴露时间越短越好。采用喷射混凝土技术来支护围岩，可使围岩的暴露时间较短，能及时阻止围岩的变形，防止围岩发生过大变形而产生较大的松动压力，充分利用围岩自身的承载能力；若按照一般模筑混凝土衬砌的修筑方法，不采用喷射混凝土，从开挖到做完衬砌并使之形成一定的强度，往往需要较长的时间，衬砌一开始就要受到很大的松动围岩压力。衬砌结构就要做得相对厚些。要修筑永久性衬砌并使之提供所需的支护力的时间不宜过迟。1.2 1.2 围 岩 压 力2 2）坑道的形状和尺寸）坑道的形状和尺寸 在同样的围岩条件下,坑道跨度越大,围岩越不稳定,围岩压力也越大。对中等跨度的坑道而言,压力与跨度之间呈直线的关系。当坑道有引起围岩应力集中的形状，即有明显的拐角时，围岩压力相对较大。1.2 1.2 围 岩 压 力3 3）隧道的埋置深度）隧道的埋置深度 当上覆层较薄,不能形成天然拱时,这时坑道上方的土石重量将全部作用在支护结构物上，在此范围内，围岩压力一般是随着隧道埋深的增大而增大。但当埋深超过一定深度（临界深度）时才能形成 天然拱。此时作用在支护结构物上的围岩压力仅是塌落拱范围内的土石重量,比前者小得多。当坑道埋深超过此范围时，则围岩压力的大小基本不受埋深变化的影响。前者称为浅埋式隧道,后者称为深埋式隧道。1.2 1.2 围 岩 压 力4 4）支护因素）支护因素 在相同的围岩条件下，有支护的坑道围岩压力要比无支护的坑道小；支护及时的坑道围岩要比支护晚的坑道围岩压力小；支护与围岩密贴得越好则围岩压力越小；当支护的刚度较小即为柔性支护时，坑道的围岩压力相对较小。1.2 1.2 围 岩 压 力5 5）爆破因素）爆破因素 采用爆破法开挖对围岩的稳定极为不利，尤其是对地质条件较差的围岩更为不利，爆破的扰动很大，会造成围岩的压力过大，岩体松动甚至塌方。因此在隧道中，能用机械开挖的尽量不要爆破；若必须要爆破，尽量采用控制爆破技术，严格控制爆破用药量，采用光面爆破、预裂爆破等先进的爆破技术。1.2 1.2 围 岩 压 力6 6）超挖回填因素）超挖回填因素衬砌背后的超挖部分在施工时回填不密实，使得围岩得不到很好的支护而继续松动，严重时会造成围岩坍塌，引起衬砌开裂甚至破坏。1.2 1.2 围 岩 压 力 围岩压力的确定 隧道围岩压力的确定目前有三种方法。第一种是直接测量法，是用仪器实地量测围岩压力的大小，这种方法最具说服力。第二种是工程类比法，即根据大量实际资料分析统计和总结，按不同围岩类别提出围岩压力的经验数值（经验公式），作为隧道工程确定围岩压力的依据。第三种方法是理论计算法，是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的计算方法。1.2 1.2 围 岩 压 力 当隧道为深埋时，作用在支护结构上的围岩压力，从松动压力的概念看，实际为坑道周围某一破坏范围内岩体的重量，故解决这一破坏范围的大小就成为问题的关键。由经验可知：围岩越好则坑道就越稳定，坑道开挖所影响区域就越小，围岩压力值也就越小；相反，围岩越差则压力值相应就越大，这说明围岩压力。大小与围岩级别成正比。在围岩类别相同的条件下，坑道跨度越大，坑道的稳定性就越差，压力值也就越大，说明围岩压力的大小与坑道跨度成正比。1.2 1.2 围 岩 压 力浅埋隧道与深埋隧道的判别浅埋隧道与深埋隧道的判别1.浅埋隧道是指采用暗挖法施工、埋深较浅的隧道。在隧道埋深不大时，坑道开挖往往会使整个覆盖层产生扰动，较易发生洞顶坍塌，有时会使地表开裂下沉，因此会产生较大的围岩压力。1.2 1.2 围 岩 压 力 对公路隧道来说，浅埋隧道多出现在洞口段。深埋和浅埋隧道的分界有很多判定标准，一般是以坑道上方能否形成稳定的深埋围岩压力值来区分的，并且结合具体的地质、施工条件等因素来综合确定。1.2 1.2 围 岩 压 力 要形成稳定的深埋围岩压力值，显然除了需要前述的松动范围之外，还需要有足够厚度的岩（土）体，否则松动范围会一直扩展到地表。也就是说，深埋隧道、浅埋隧道的分界深度要比荷载等效高度大，荷载等效高度hq可用式（1-7）计算得到。hq=q （1-7）式中，hq为荷载等效高度（m）；q为垂直均布围岩压力（kPa）；为围岩天然容重（kNm3）。1.2 1.2 围 岩 压 力浅埋隧道围岩压力的计算方法浅埋隧道围岩压力的计算方法2.1 1）隧道埋深不大于等效荷载高度）隧道埋深不大于等效荷载高度 在这种情况下，坑道上覆岩（土）体较薄，从安全的角度考虑，略去坑道上方土体下滑时周围土体所产生的阻力，即将上覆土柱全部重力作为围岩压力，视为均布时，垂直压力q为 q=（1-9）式中，q为均布垂直压力（kPa）；为坑道上覆围岩天然容重（kNm3）；为隧道埋深（m），指坑顶至地面的距离。1.2 1.2 围 岩 压 力2 2）隧道埋深大于等效荷载高度而小于隧道分界深度）隧道埋深大于等效荷载高度而小于隧道分界深度 坑道上覆土体下滑时要考虑滑面阻力的影响，否则会得到过大的压力值。如图1-4所示，由于坑道开挖的影响而引起上覆岩（土）体下沉，即图中EFG下沉。而它的下沉必受到左右岩（土）体的阻碍，或者说两侧的围岩要被它带动下沉。这个阻碍作用在计算围岩压力时需予以考虑，为便于分析，根据实测和试验做出假定。1.2 1.2 围 岩 压 力图图1-41-4浅埋围岩压力计算示意图浅埋围岩压力计算示意图1.2 1.2 围 岩 压 力 （1）假定土体中形成的破裂面是一条与水平成角的斜平面。（2）EFG岩（土）体下沉，带动两侧三棱土体（见图1-4中的FDB及ECA）下沉，当整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩（土）体的阻力。1.2 1.2 围 岩 压 力 （3）斜平面AC或BD是假定的破裂面，分析时考虑黏聚力c并采用了计算摩擦角g。另一滑面F或EG并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力，若该滑面的摩擦角为，则值应小于g值。当无实测资料时，一般可参考表1-23采用。表表1-231-23各级围岩的各级围岩的值值1.2 1.2 围 岩 压 力 在图1-4中，坑道上覆岩体EFG的重力为W，两侧三棱岩体FDB或ECA的重力为W1，未扰动岩体对整个滑动土体的阻力为F，当EFG下沉时，两侧受到的阻力为T或T。1.2 1.2 围 岩 压 力 由此可见，浅埋隧道的围岩压力是随坑道埋深增加而增加的，当HHp=Bt/2tan以后，围岩压力则要逐渐减小；当围岩压力等于深埋隧道荷载时，则围岩压力将维持不变。1.2 1.2 围 岩 压 力 在判定深、浅埋隧道的分界时，若用理论公式（1-25）也可得出p值，但其往往与式（1-8）所求得的出入较大。事实上，用理论公式计算时，一些参数（如等）就带有主观性，公式的推导又是由匀质材料出发，把围岩视作各向同性体，这与实际有出入。目前，一般按式（1-8）判别，把理论公式（包括其他理论公式，如泰沙基公式等）、检算卸载拱法或其他经验判断法等作为参考。1.2 1.2 围 岩 压 力深埋隧道围岩均布压力深埋隧道围岩均布压力2.由前面分析可知，围岩压力值受到许多因素影响，但主要取决于岩体构造和结构面的组合等地质因素，并且压力分布很不均匀（对径向压力而言），岩质多裂隙岩体比土质岩体中的压力分布更不均匀。在某些围岩中，可见到呈拱形的暂时稳定的平衡拱。除黏性土及某些塑性性岩石外，荷载的时间效应不显著，压力增长很快，在较短时间内就趋于稳定。1.2 1.2 围 岩 压 力 （1）级围岩中的深埋隧道，围岩压力主要为变形压力，其值可按释放荷载计算，可参考设计规范，此处不再叙述。（2）级围岩中的深埋隧道的围岩压力为松散荷载时，其垂直均布压力及水平均布压力可按下列方法计算：垂直均布压力。q2=h（1-27）h=0452s-1 式中，q2 为垂直均布围岩压力（kPa）；为围岩重度 （kNm3），按表1-24取值；s为坑道围岩级别；为跨度影响系数，其值为=1+i（Bt-5），Bt为坑道宽度（m），i为 Bt每增减1m时的围岩压力增减率，以Bt=50m的垂直均布压力为准，当Bt50m 时，取i=0.1。1.2 1.2 围 岩 压 力 水平均布压力。深埋隧道围岩水平均布压力按表1-25确定。表表1-241-24各级围岩重度各级围岩重度表表1-251-25深埋隧道围岩水平均布压力深埋隧道围岩水平均布压力1.2 1.2 围 岩 压 力围岩压力量测围岩压力量测3.坑道形状的选择、支护结构设计、围岩压力理论及坑道施工等的进一步深入研究，都需要更好地判断围岩稳定性，也即需要更好地确定围岩压力的大小、分布、方向等，因此对于围岩压力的实测工作，一直受到设计、施工等相关研究人员的重视。1.2 1.2 围 岩 压 力 围岩压力量测，一般可通过量测支护结构的变形或内力，然后推算围岩压力的间接方法，或用直接量测作用在支护结构上的压力的方法。量测支护结构的变形或内力的方法很多，如可采用各种类型的支柱测力计（有机械式、电测式及液压式等），或在衬砌内埋设各种量测元件（如电阻应变片、钢筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖等）量测衬砌的应变。1.2 1.2 围 岩 压 力 直接量测作用在支护结构上的压力，可采用各种类型（机械式、电测式、液压式等）的压力盒。此外，还可以量测围岩的变形情况（量测中常采用量测锚杆，或量测坑道断面开挖后的收敛情况）及围岩深部的应力情况（采用量测围岩深部应力的应力计）。在试验室，还用模型试验的方法推算结构上作用的压力及围岩变形情况。Thank you