地下结构设计原理课件.pptx

1、地下结构设计原理地下结构设计原理 绪绪 论论 1.1.地下结构体系与地面结构的区别地下结构体系与地面结构的区别 2.2.了解地下工程的分类了解地下工程的分类 3.3. 了解地下结构计算理论的发展；了解地下结构计算理论的发展； 4.4. 明确地下工程支护结构计算的力明确地下工程支护结构计算的力学模式；学模式； 5.5. 明确地下结构设计的内容。明确地下结构设计的内容。 地下结构地下结构是指保留上部地层（山体或土层）的是指保留上部地层（山体或土层）的前提下，在开挖出能提供某种用途的地下空间前提下，在开挖出能提供某种用途的地下空间内修建的结构物。内修建的结构物。地下结构与地面结构的区别地下结构与地面

2、结构的区别: : 赋存环境不同赋存环境不同 ; 物理力学参数物理力学参数 ; 受力条件的不同受力条件的不同 ; 地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳载，又要考虑围岩会不会失稳; ; 地下工程中作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工地下工程中作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时间的影响。时间的影响。 1.明确地下结构体系与地面结构的区别明确地下结构体系与地面结构的区别由以上分析可以看出，由于地下工程由以上分析可以看出，由于地下工程所处的环境和受力条件与地面工程有所处的环境和受力条件与地面工程有很大不

3、同，很大不同，如果沿用地面工程的设计如果沿用地面工程的设计理论和方法来解决地下工程问题，显理论和方法来解决地下工程问题，显然不能正确地说明地下工程中出现的然不能正确地说明地下工程中出现的力学现象，当然也就不可能由此作出力学现象，当然也就不可能由此作出合理的设计，合理的设计，因此要摆脱地下工程长因此要摆脱地下工程长期处于期处于“经验设计和施工经验设计和施工”的局面。的局面。 和以往课程之间的关系？和以往课程之间的关系？ 地下工程地下工程是指是指保留上部地层（土层或岩层）的保留上部地层（土层或岩层）的开挖出开挖出能能提供某种用途提供某种用途的地下空间。的地下空间。土力学土力学地基工程地基工程基础工

4、程基础工程岩体力学岩体力学地下工程地下工程 地下工程的分类地下工程的分类按工程的几何形状分为隧道工程和硐室工程。按工程的几何形状分为隧道工程和硐室工程。隧道工程：隧道工程：结构长度尺寸远大于断面尺寸（最大跨度或结构长度尺寸远大于断面尺寸（最大跨度或高度）的结构。如铁路隧道、公路隧道、煤炭运输巷道、高度）的结构。如铁路隧道、公路隧道、煤炭运输巷道、矿山采场进路、人防地下通道等；矿山采场进路、人防地下通道等；硐室工程：硐室工程：长跨比较接近（一般小于长跨比较接近（一般小于1010）。如地铁车站、）。如地铁车站、地下商场、水电站地下厂房、地下核废料储藏库、地下地下商场、水电站地下厂房、地下核废料储藏

5、库、地下试验场、地下储水库等。试验场、地下储水库等。2.了解地下工程分类了解地下工程分类从空间上划分从空间上划分 与地表面的关系与地表面的关系平地填土平地填土 埋入平地地下埋入平地地下开口部与地表面的关系开口部与地表面的关系 按照不同的用途或利用形态分为不同类别按照不同的用途或利用形态分为不同类别 伴随城市发展而加以利用的地下工程。伴随城市发展而加以利用的地下工程。为人类生存确保安全加以利用。为人类生存确保安全加以利用。伴随科技发展而利用的地下工程。伴随科技发展而利用的地下工程。大规模国土的有效利用的地下工程。大规模国土的有效利用的地下工程。使用目的不同可分为使用目的不同可分为 防护型支护防护

6、型支护：防止、保护围岩质量恶化，采用：防止、保护围岩质量恶化，采用手段多为喷浆、喷混凝土、局部锚杆；手段多为喷浆、喷混凝土、局部锚杆；构造型支护构造型支护：要求基本条件是岩体基本稳定，：要求基本条件是岩体基本稳定，局部破坏条件下较长时间内稳定，采用手段多局部破坏条件下较长时间内稳定，采用手段多为喷混凝土、锚杆和金属网、模筑混凝土；为喷混凝土、锚杆和金属网、模筑混凝土；承载型支护承载型支护：坑道支护的主要类型。：坑道支护的主要类型。 明挖法明挖法浅埋暗挖法浅埋暗挖法顶管法顶管法盾构法盾构法矿山法矿山法沉管法沉管法岩岩石石掘掘进进机机江阴长江公路大桥北锚沉井江阴长江公路大桥北锚沉井沉井平面长沉井平

7、面长69米，宽米，宽51米，下沉深度为米，下沉深度为58米，体积米，体积20.4万立方米万立方米,列世界最大沉井。列世界最大沉井。 地下结构计算理论的发展与现状地下结构计算理论的发展与现状 2020世纪世纪2020年代以前年代以前散体压力理论散体压力理论5050年代以来年代以来 ？如何理解支护与围岩共同作用？如何理解支护与围岩共同作用 ？何谓现代支护理论？何谓现代支护理论3.了解地下结构计算理论的发展了解地下结构计算理论的发展4. 明确地下工程支护结构计算的力学模明确地下工程支护结构计算的力学模式式荷载荷载- -结构模式（结构力学的计算模型）结构模式（结构力学的计算模型） 该模式认为围岩对支护

8、结构的作用只是产生作用在结构该模式认为围岩对支护结构的作用只是产生作用在结构上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的上的荷载（包括主动的围岩压力和被动的弹性抗力弹性抗力（由（由于围岩约束结构变形而形成的弹性反力），以计算支于围岩约束结构变形而形成的弹性反力），以计算支护结构在荷载作用下产生的内力和变形的方法。护结构在荷载作用下产生的内力和变形的方法。 局部变形理论或共同变形理论局部变形理论或共同变形理论 浅埋浅埋 围岩塌落情况围岩塌落情况主动荷载模式主动荷载模式 主动荷载主动荷载+ +被动荷载模式被动荷载模式 量测压力模式量测压力模式支护结构体系与围岩共同作用的计算模式支护结构体系与围岩共同作用的

9、计算模式 这种模式主要用于由于围岩变形而引起的压力，压力这种模式主要用于由于围岩变形而引起的压力，压力值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反值必须通过支护结构与围岩共同作用而求得，这是反映当前现代支护结构原理的一种计算方法。映当前现代支护结构原理的一种计算方法。这种计算模式通常有两类：这种计算模式通常有两类：1 1）数值解法）数值解法将围岩视作弹塑性体或粘弹塑性体，并与支护一起采用有将围岩视作弹塑性体或粘弹塑性体，并与支护一起采用有限元或边界元数值法求解。利用该方法可以直接算出限元或边界元数值法求解。利用该方法可以直接算出围岩与支护的应力和变形状态，以判断围岩是否失稳围岩与支护的应力和

10、变形状态，以判断围岩是否失稳和支护是否破坏。和支护是否破坏。2 2）解析解法）解析解法该方法主要适用于一些简单情况下，以及某种简化情况下该方法主要适用于一些简单情况下，以及某种简化情况下的近似计算。的近似计算。 收敛收敛- -约束法或特征曲线法约束法或特征曲线法 经验类比模式经验类比模式 对地质条件熟悉，幅度和跨度又都不大的几种常用型式的对地质条件熟悉，幅度和跨度又都不大的几种常用型式的岩石地下工程支护结构，例如矿山巷道和不受动荷载岩石地下工程支护结构，例如矿山巷道和不受动荷载作用的小跨度支护结构，常根据经验类比法直接选定作用的小跨度支护结构，常根据经验类比法直接选定结构的型式及其断面尺寸，并

11、据以绘制结构施工图。结构的型式及其断面尺寸，并据以绘制结构施工图。 5.5. 明确地下结构设计的内容明确地下结构设计的内容 初步拟定结构形状和尺寸初步拟定结构形状和尺寸 计算荷载计算荷载 计算简图计算简图 稳定性验算稳定性验算 内力分析、内力组合内力分析、内力组合 配筋设计、绘制结构施工图、预算配筋设计、绘制结构施工图、预算 本课程的内容本课程的内容地下工程结构物的工作环境地下工程结构物的工作环境 围岩与支护结构的相互作用围岩与支护结构的相互作用 现代支护结构设计原理与方法现代支护结构设计原理与方法 二、地下工程结构物的工作环境二、地下工程结构物的工作环境 初始应力场的组成、变化规律；初始应力

12、场的组成、变化规律；围岩的工程性质；围岩的工程性质；地下洞室的围岩分级及其应用地下洞室的围岩分级及其应用 （一）围岩初始应力场（一）围岩初始应力场1 1、初始应力场的组成、初始应力场的组成 初始应力一般是指地壳岩体处在未经人为扰动初始应力一般是指地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，换句话来说，所谓的天然状态下所具有的内应力，换句话来说，所谓天然状态就是保持原始的岩体结构、性质、埋藏条天然状态就是保持原始的岩体结构、性质、埋藏条件等。件等。 根据地应力场的成因将其主要分为两类：自重根据地应力场的成因将其主要分为两类：自重应力场和构造应力场。有时也包括在岩体的物理、应力场和构造应力

13、场。有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等作用下形成的应力。在岩体化学变化及岩浆侵入等作用下形成的应力。在岩体天然应力场内，因开挖或增加结构物等人类工程活天然应力场内，因开挖或增加结构物等人类工程活动引起的应力，称为感生应力。动引起的应力，称为感生应力。1 1）自重应力场）自重应力场 指上覆岩体自重所产生的应力场，它是地心引指上覆岩体自重所产生的应力场，它是地心引力和离心惯性力共同作用的结果。力和离心惯性力共同作用的结果。2 2）构造应力场）构造应力场 指地壳各处发生的一切构造变形与破裂所形成指地壳各处发生的一切构造变形与破裂所形成的地应力。可分为活动的和残余的两类：的地应力。可分为活动

14、的和残余的两类： 活动的构造应力活动的构造应力是近期和现代地壳运动正在积是近期和现代地壳运动正在积累的应力，也是地应力中最活跃最重要的一种，常累的应力，也是地应力中最活跃最重要的一种，常导致岩体的变形与破坏。导致岩体的变形与破坏。残余的构造应力残余的构造应力是由古构是由古构造运动残留下来的应力。造运动残留下来的应力。4 4）变异应力）变异应力是由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件等方面是由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件等方面的变化而引起的应力，通常只具有局部意义。的变化而引起的应力，通常只具有局部意义。例如：岩浆的侵入，沿接触带产生很大的压应力；例如：岩浆的侵入，沿接触带产生很大的压应力；

15、喷出时岩浆迅速冷凝，沿某一方向产生收缩节理，喷出时岩浆迅速冷凝，沿某一方向产生收缩节理，而使岩体应力分布具有明显的各向异性。而使岩体应力分布具有明显的各向异性。3 3）剩余应力）剩余应力 指地壳受风化剥蚀，承载岩体由于卸荷作用残指地壳受风化剥蚀，承载岩体由于卸荷作用残留在岩体中的自相平衡的应力，致使垂直应力相对留在岩体中的自相平衡的应力，致使垂直应力相对降低，水平应力则保持不变，拉纳利认为它是残余降低，水平应力则保持不变，拉纳利认为它是残余的构造应力的一部分。的构造应力的一部分。2 2、围岩初始应力场的变化规律与影响因素、围岩初始应力场的变化规律与影响因素1 1）自重应力场）自重应力场从自重应

16、力的计算公式中可以得出其规律是：从自重应力的计算公式中可以得出其规律是： 地应力随着深度线性增加；地应力随着深度线性增加； 水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。等。2 2）构造应力场）构造应力场由于其形成原因的复杂性以及随时间地不断变化，使得由于其形成原因的复杂性以及随时间地不断变化，使得很难用具体的函数形式表述构造应力场的特性。很难用具体的函数形式表述构造应力场的特性。 垂直应力的量值随深度增加而增大，而且水平应垂直应力的量值随深度增加而增大，而且水平应力普遍大于垂直应力；力普遍大于垂直应力； 水平主应力具有明显的各向异性。水平主应力另水平

17、主应力具有明显的各向异性。水平主应力另一个显著特点就是具有很强的方向性，一般总是以一个显著特点就是具有很强的方向性，一般总是以一个方向的主应力占优势，很少有大、小主应力相一个方向的主应力占优势，很少有大、小主应力相等的情况。根据实测资料可知，在我国大陆地壳中，等的情况。根据实测资料可知，在我国大陆地壳中，最小与最大主应力的比值为最小与最大主应力的比值为0.30.30.70.7的占的占70%70%，也就，也就是说在我国大部分地区，最大水平主应力约为最小是说在我国大部分地区，最大水平主应力约为最小水平主应力的水平主应力的1.41.43.33.3倍。倍。3 3、影响围岩初始应力场的因素、影响围岩初始

18、应力场的因素一是重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质一是重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质以及地温等经常性因素；以及地温等经常性因素；二是新构造运动、地下水活动、人类活动等暂时性二是新构造运动、地下水活动、人类活动等暂时性或局部性的因素。或局部性的因素。1 1）地形地貌）地形地貌2 2）岩体的力学性质）岩体的力学性质3 3）地温）地温主要是由于温度变化而产生的残余应力。主要是由于温度变化而产生的残余应力。4 4）人类活动）人类活动人类活动包括：大堆渣场的形成、深的露天开采、人类活动包括：大堆渣场的形成、深的露天开采、地下开挖等等，都有可能局部地影响围岩的初始地下开挖等等，都有可能局部

19、地影响围岩的初始应力场。应力场。（二）围岩的工程性质（二）围岩的工程性质 基本概念基本概念岩体岩体 ；结构面或不连续面结构面或不连续面 ；结构体；结构体； 岩石的物理、水理性质及其试验方法岩石的物理、水理性质及其试验方法岩石的容重（岩石的容重（量积法（又叫直接法）、水中法或量积法（又叫直接法）、水中法或蜡封法蜡封法 ） ；岩石的比重；岩石的孔隙率；岩石的比重；岩石的孔隙率； 岩石的天然含水率、吸水性、饱和吸水率岩石的天然含水率、吸水性、饱和吸水率 岩石的饱水系数岩石的饱水系数 ；岩石的膨胀性岩石的膨胀性 岩石的力学性质及其试验方法岩石的力学性质及其试验方法 1 1）单轴抗压强度）单轴抗压强度2

20、 2）三轴抗压强度）三轴抗压强度 3 3）直剪试验）直剪试验 抗剪断强度抗剪断强度：在垂直压力和水平方向上施加的剪应力：在垂直压力和水平方向上施加的剪应力作用下，岩石试件被剪断。作用下，岩石试件被剪断。 抗剪强度抗剪强度：具有先存剪切面下，在垂直压力和水平剪：具有先存剪切面下，在垂直压力和水平剪切力下，试件发生剪切滑动。切力下，试件发生剪切滑动。 抗切强度抗切强度：无垂直压力，在水平剪切力试件剪断。：无垂直压力，在水平剪切力试件剪断。 4 4）抗拉强度试验）抗拉强度试验 岩石的点荷载强度：试件在上下一对球端圆岩石的点荷载强度：试件在上下一对球端圆锥之间，被施加集中荷载直至破坏。锥之间，被施加集

21、中荷载直至破坏。 当采用岩心试件做径向试验时，试件长度当采用岩心试件做径向试验时，试件长度与直径之比不应小于与直径之比不应小于1 1； 做轴向试验时，加荷两点间距与直径之比做轴向试验时，加荷两点间距与直径之比宜为宜为0.3-1.00.3-1.0； 采用方块或不规则块体试件做试验时，加采用方块或不规则块体试件做试验时，加荷两点间距宜为荷两点间距宜为30-50mm30-50mm。国际上将直径为国际上将直径为50mm50mm的圆柱体试件径向加载点荷载的圆柱体试件径向加载点荷载试验的强度指标值确定为标准试验值。试验的强度指标值确定为标准试验值。 )50()2520(sCIR 岩石的变形特性岩石的变形特

22、性 弹性变形弹性变形：岩石在外力作用下发生变形，当外：岩石在外力作用下发生变形，当外力撤去后又恢复其原有的形状及体积的性质；力撤去后又恢复其原有的形状及体积的性质； 塑性变形塑性变形：岩石在超过其屈服极限外力作用下：岩石在超过其屈服极限外力作用下发生变形，当外力撤去后不能完全恢复其原有发生变形，当外力撤去后不能完全恢复其原有的形状及体积的性质；的形状及体积的性质； 粘性变形粘性变形：岩石在外力作用下变形不能在瞬间：岩石在外力作用下变形不能在瞬间完成，随着应变速率的增大，应力也上升，外完成，随着应变速率的增大，应力也上升，外力撤去后不能恢复其原有形状及体积。力撤去后不能恢复其原有形状及体积。 三

23、轴压缩条件下的岩石变形特征三轴压缩条件下的岩石变形特征 围压对岩石刚度的影响：对于高强度坚硬而致围压对岩石刚度的影响：对于高强度坚硬而致密的岩石，其弹性模量不因围压不同而有明显密的岩石，其弹性模量不因围压不同而有明显变化；对于岩性较弱的岩石，其弹性模量随着变化；对于岩性较弱的岩石，其弹性模量随着围压增大而提高；围压增大而提高；围压对岩石破坏方式的影响：随着围压增大，围压对岩石破坏方式的影响：随着围压增大，岩石的破坏方式由脆性破坏向延性破坏或延性岩石的破坏方式由脆性破坏向延性破坏或延性流动转变；流动转变；围压对岩石强度的影响：随着围压的增大，岩围压对岩石强度的影响：随着围压的增大，岩石三轴极限强

24、度也增大；石三轴极限强度也增大； 岩石的强度理论岩石的强度理论 1 1）莫尔强度理论莫尔强度理论：当某一面上剪应力超过其所能承：当某一面上剪应力超过其所能承受的极限剪应力值时，材料便被破坏；受的极限剪应力值时，材料便被破坏；2 2）格里菲斯强度理论格里菲斯强度理论：格里菲斯理论则有所不同。他认为：材料内部存在着格里菲斯理论则有所不同。他认为：材料内部存在着许多细微裂隙，在力的作用下，这些细微裂隙的周围，许多细微裂隙，在力的作用下，这些细微裂隙的周围，特别是缝端，可以产生应力集中现象。材料的破坏往特别是缝端，可以产生应力集中现象。材料的破坏往往从缝端开始，裂缝扩展，最后导致材料的完全破坏。往从缝

25、端开始，裂缝扩展，最后导致材料的完全破坏。 3 3）经验准则）经验准则霍克和布朗发现，大多数岩石材料（完整的岩块）霍克和布朗发现，大多数岩石材料（完整的岩块）的三轴压缩试验破坏时的主应力之间可用下列方程的三轴压缩试验破坏时的主应力之间可用下列方程式描述：式描述： 21331) 1(cccRmRR岩体的力学性质岩体的力学性质 结构面是岩体稳定性的控制因素，它导致岩体力学性结构面是岩体稳定性的控制因素，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。能的不连续性、不均一性和各向异性。 1 1）结构面是由各种地质原因形成的：）结构面是由各种地质原因形成的：原生结构面原生结构面构造结构面构造结构面次

26、生结构面次生结构面2）岩体结构类型 整体结构岩体（近似各向同性连续介质整体结构岩体（近似各向同性连续介质 ）层状结构岩体（顺层滑动、层间张裂及岩层弯曲折断）层状结构岩体（顺层滑动、层间张裂及岩层弯曲折断）块状结构岩体（沿软弱夹层滑动块状结构岩体（沿软弱夹层滑动 ）碎裂结构岩体（沿结构面的滑移和张裂、结构体的剪切、碎裂结构岩体（沿结构面的滑移和张裂、结构体的剪切、张裂及塑性流动）张裂及塑性流动）散体结构岩体（大型断裂破碎带，大型岩浆岩侵入接触散体结构岩体（大型断裂破碎带，大型岩浆岩侵入接触破碎带及强烈风化带）破碎带及强烈风化带）3 3）裂隙岩体的强度性质）裂隙岩体的强度性质 岩石的残余强度近似表

27、示有不连续面的岩体强度。岩石的残余强度近似表示有不连续面的岩体强度。裂隙岩体的强度随着裂隙组数的增加明显减少，但裂隙岩体的强度随着裂隙组数的增加明显减少，但当裂隙组数增加到一定程度之后，强度不再继续降低，当裂隙组数增加到一定程度之后，强度不再继续降低，而接近岩石的残余强度。而接近岩石的残余强度。随着岩体中不连续面的增加，岩体的强度性态有逐随着岩体中不连续面的增加，岩体的强度性态有逐渐变为各向同性的趋势渐变为各向同性的趋势4 4）裂隙岩体的变形性质）裂隙岩体的变形性质 压密阶段（压密阶段（OAOA）：主要是）：主要是由岩体中结构面的闭合和由岩体中结构面的闭合和充填物的压缩而产生的，充填物的压缩而

28、产生的，形成了非线性凹状曲线，形成了非线性凹状曲线，变形模量小，总的压缩量变形模量小，总的压缩量取决于结构面的性态，且取决于结构面的性态，且这部分变形本质上是不能这部分变形本质上是不能恢复的，属于不可恢复的恢复的，属于不可恢复的塑性变形。塑性变形。弹性阶段（弹性阶段（ABAB）：岩）：岩体充分压密后便进入体充分压密后便进入弹性阶段。所表现出弹性阶段。所表现出的弹性变形是岩体的的弹性变形是岩体的结构面和结构体共同结构面和结构体共同产生的，应力产生的，应力- -应变关应变关系呈直线。同时，岩系呈直线。同时，岩体的弹性模量也趋近体的弹性模量也趋近于整体岩石的数值。于整体岩石的数值。塑性阶段（塑性阶段

29、（BCBC）：岩体继）：岩体继续受力，变形发展到弹性续受力，变形发展到弹性极限后便进入到塑性阶段，极限后便进入到塑性阶段，此时岩体的变形特征受结此时岩体的变形特征受结构面和结构体的变形特性构面和结构体的变形特性共同制约。整体性好的岩共同制约。整体性好的岩体延性小，塑性变形不明体延性小，塑性变形不明显，达到强度极限后变迅显，达到强度极限后变迅速破坏。破裂岩体塑性变速破坏。破裂岩体塑性变形大，有甚至的从压密阶形大，有甚至的从压密阶段直接发展到塑性阶段，段直接发展到塑性阶段，而不经过弹性阶段。而不经过弹性阶段。破裂和破坏阶段破裂和破坏阶段（CDCD）：应力达到峰）：应力达到峰值后，岩体即开始破值后，

30、岩体即开始破裂和破坏。破坏开始裂和破坏。破坏开始时，应力下降比较缓时，应力下降比较缓慢，说明破裂面上仍慢，说明破裂面上仍具有一定的摩擦力，具有一定的摩擦力，岩体还能承受一定的岩体还能承受一定的荷载。而后，应力急荷载。而后，应力急剧下降，岩体全面崩剧下降，岩体全面崩溃。溃。（三）地下洞室的围岩分级及其应用（三）地下洞室的围岩分级及其应用所谓围岩分级就是指根据岩体完整程度和岩石强度所谓围岩分级就是指根据岩体完整程度和岩石强度等主要指标在给予定性和定量评价的基础上，按其等主要指标在给予定性和定量评价的基础上，按其稳定性将围岩分为工程性质不同的若干级别。稳定性将围岩分为工程性质不同的若干级别。 分类原

31、则分类原则 (1）有明确的类级和适用对象（专题性的、综合性的)。（2）根据适用对象，选择考虑因素（单因素、多因素）。（3）有定量的指标。（4）类级一般分五级为宜。（5）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。发展趋势：发展趋势：“多因素、综合特征值”分类法 一、工程岩体分类的参考影响因素一、工程岩体分类的参考影响因素1 1、岩石的质量、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2 2、岩体的完整性、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率密度。可用结构面频率( (裂隙度）、间距、岩心采取率、裂隙

32、度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标岩石质量指标RQDRQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3 3、结构面条件、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。其间的充填物性质。一、工程岩体分类的参考影响因素一、工程岩体分类的参考影响因素4 4、岩体及结构面的风化程度、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体。风化程度越高

33、，岩体越破碎，强度越低越破碎，强度越低 。5 5、地下水的影响、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水压力等。动水压力等。6 6、地应力、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。 1 1）地质因素）地质因素 a a、岩体的结构特征、岩体的结构特征二、影响围岩稳定性的主要因素二、影响围岩稳定性的主要因素b、结构面性质和空间的组合、结构面性质和空间的组合在围岩分类中，可以从下述五个方面来研究结构面对在围岩分类中，可以从下述五个方面来

34、研究结构面对隧道围岩稳定性影响的大小：隧道围岩稳定性影响的大小：结构面的成因及其发展史，例如，次生的破坏夹层结构面的成因及其发展史，例如，次生的破坏夹层比原生的软弱夹层的力学性质差得多，如再发生次生比原生的软弱夹层的力学性质差得多，如再发生次生泥化作用，则性质更差；泥化作用，则性质更差；结构面的平整、光滑程度；结构面的平整、光滑程度；结构面的物质组成及其充填物质情况；结构面的物质组成及其充填物质情况；结构面的规律与方向性；结构面的规律与方向性；结构面的密度与组数。结构面的密度与组数。 c、岩石的力学性质、岩石的力学性质d、围岩的初始应力场、围岩的初始应力场e、地下水的状况、地下水的状况使岩质软

35、化，强度降低，对软岩尤其突出，对土体则可促使岩质软化，强度降低，对软岩尤其突出，对土体则可促使其液化或流动；使其液化或流动；在有软弱结构面的岩体中，会冲走充填物质或使夹层软化，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；减少层间摩阻力促使岩块滑动；在某些岩体中，如含有生石膏、岩盐，或以蒙脱石为主的在某些岩体中，如含有生石膏、岩盐，或以蒙脱石为主的粘土岩，遇水后将产生膨胀，其势能很大，在未胶结或弱粘土岩，遇水后将产生膨胀，其势能很大，在未胶结或弱胶结的砂岩中，水的存在可以产生流沙和潜蚀。胶结的砂岩中，水的存在可以产生流沙和潜蚀。2 2）工程活动的人为因素）工程

36、活动的人为因素主要指的是坑道的尺寸、形状以及施工方法。主要指的是坑道的尺寸、形状以及施工方法。尺寸主要指跨度，在同一类围岩中，坑道跨度愈大，尺寸主要指跨度，在同一类围岩中，坑道跨度愈大，围岩的稳定性就越差。如：裂隙间距在围岩的稳定性就越差。如：裂隙间距在0.4-1.0m0.4-1.0m左左右的岩体，对中等跨度（右的岩体，对中等跨度（5-10m5-10m）的坑道而言，可）的坑道而言，可算是大块状的，但对大跨度（算是大块状的，但对大跨度（15m15m）的坑道来说，）的坑道来说，只能算是碎块状的。只能算是碎块状的。坑道的形状主要会影响开挖隧道后围岩的应力状态。坑道的形状主要会影响开挖隧道后围岩的应力

37、状态。施工方法施工方法在隧道开挖过程中，不同的开挖方法对围岩稳定在隧道开挖过程中，不同的开挖方法对围岩稳定性的影响也不尽相同。如采用普通的爆破法还是性的影响也不尽相同。如采用普通的爆破法还是采用控制爆破法，采用全断面一次开挖还是采用采用控制爆破法，采用全断面一次开挖还是采用小断面分部开挖等，这些选择对于围岩的影响都小断面分部开挖等，这些选择对于围岩的影响都各不相同的。各不相同的。单一的岩性指标：单一的岩性指标：饱和单轴抗压强度饱和单轴抗压强度三、分级的因素指标三、分级的因素指标我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类： 类别类别 岩石单轴抗压强度岩

38、石单轴抗压强度 c(Mpa)坚固性坚固性 250160特坚固特坚固 160100坚固坚固 10040次坚固次坚固 0.750.750.550.550.350.350.151025015 4810025012 245010071225 504不采用不采用5 252不采用不采用1 51不采用不采用 10（2 2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R R2 2RQD（）（） 91100 769051752650 3 130.310.050.30.05评分值评分值302520105（4 4）对于节理状态的岩体评分值）对于节理状态的岩体评分值R R4 4 说明说明评分值评分值

39、尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁25略粗糙的表面、张开度略粗糙的表面、张开度1mm，硬岩壁硬岩壁20略粗糙的表面、张开度略粗糙的表面、张开度5mm的断层泥充填的张开节理的断层泥充填的张开节理;张开度张开度5mm的的节理，延伸超过数米节理，延伸超过数米0（5 5）取决于地下水状态的岩体评分值）取决于地下水状态的岩体评分值R R5 5每米隧道的涌水每米隧道的涌水量（量（L/min）节理水压力与最节理水压力与最大主应力的比值大主应力的比值总的状态总的状态评分值评分值无无0完全干燥完全干燥15101250.5有严重地下水有严重地下水问题问题，流水，流水0（6 6）节理方位对）节

40、理方位对RMR的修正值的修正值R R6 6方位对工程的方位对工程的影响评价影响评价隧道隧道地基地基边坡边坡很有利很有利000有利有利225一般一般5725不利不利101550很不利很不利1225 根据总分确定岩体分级根据总分确定岩体分级654321RRRRRRRMR 类别类别 岩体描述岩体描述岩体评分值岩体评分值RMR 很好很好81100 好好6180 较好较好4160较差较差2140 很差很差020岩体分级的意义岩体分级的意义 考虑不支护隧道的自稳时间考虑不支护隧道的自稳时间分类号分类号平均自稳平均自稳时间时间15m跨，跨，20年年10m跨，跨，1年年5m跨，跨，1星期星期2.5m跨，跨，1

41、0h1m跨，跨，30min岩体的内岩体的内聚力聚力(kPa)400 300400200300100200 450350450250350150250 60 60303015155 0.750.750.550.550.350.350.150.15完整程度完整程度完整完整较完整较完整较破碎较破碎破碎破碎极破碎极破碎J Jv v35Kv0.750.750.550.550.350.350.15 90K 90Kv v+30 +30 时，应以时，应以C C=90K=90Kv v+30 +30 代入上式计算代入上式计算Q Q值；值；当当K Kv v 0.04 0.04 C C+0.4+0.4时，应以时，应以

42、K Kv v=0.04=0.04C C+0.4+0.4代入上式计算代入上式计算Q Q值；值；vcKBQ250390 式中：式中：BQBQ岩体基本质量指标；岩体基本质量指标； C C岩石饱和单轴抗压强度岩石饱和单轴抗压强度( (Mpa);Mpa); K Kv v岩体完整性系数。岩体完整性系数。B B、按按BQBQ值进行岩体基本质量分级值进行岩体基本质量分级基本质量基本质量级别级别岩体基本质量定性特征岩体基本质量定性特征岩体基本质岩体基本质量指标量指标(BQ)(BQ)坚硬岩，岩体完整；坚硬岩，岩体完整；55550 0坚硬岩，岩体较完整；坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整；较坚硬岩，岩体完整；5

43、50451550451坚硬岩，岩体较破碎；坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整；较软岩，岩体完整；450351450351坚硬岩，岩体破碎；坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎破碎；较坚硬岩，岩体较破碎破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体 较完整较完整较破碎；较破碎；软岩，岩体完整较完整；软岩，岩体完整较完整；350251350251较软岩，岩体破碎；较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎破碎；软岩，岩体较破碎破碎；全部极软岩及全部极破碎岩；全部极软岩及全部极破碎岩；25045045

44、0351350251250潮湿或点滴出水潮湿或点滴出水 0 0.10.20.30.40.6淋雨状或涌流状出水，淋雨状或涌流状出水，水压水压0.1MPa或单位出或单位出水量水量10L/(min.m) 0.10.20.30.40.60.70.9淋雨状或涌流状出水，淋雨状或涌流状出水，水压水压0.1MPa或单位或单位出水量出水量 10L/(min.m) 0.20.40.60.70.9 1.0（B B）主要软弱结构面产状影响修正系数主要软弱结构面产状影响修正系数K2K2结构面产状结构面产状及其与洞轴及其与洞轴线的组合关线的组合关系系结构面走向与洞轴线结构面走向与洞轴线的夹角的夹角600结构面倾角结构面

45、倾角750其它组其它组合合 K2 0.40.600.20.20.4（C C）初始应力状态修正系数初始应力状态修正系数K3K3初始应初始应力状态力状态 BQ55055045145035135025126.5602.133 0.260502.11.533200.20.2526.524.550391.50.72060.250.324.522.539270.70.261.30.30.3522.5270.2 0.35岩体级别与岩体结构面抗剪强度参数岩体级别与岩体结构面抗剪强度参数基本质量基本质量级别级别两侧岩体的坚硬程度及结构面的结两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度合程度内摩擦角内摩擦角(0)粘结力粘

46、结力C(Mpa)坚硬、结合好坚硬、结合好37 0.22坚硬较坚硬、结合一般；坚硬较坚硬、结合一般；软弱岩，结合好软弱岩，结合好37290.220.12坚硬较坚硬、结合差；坚硬较坚硬、结合差；较软弱岩，结合一般较软弱岩，结合一般29190.120.08较坚硬较软岩、结合差较坚硬较软岩、结合差很差；很差；软弱岩、结合差；软质岩的泥化面软弱岩、结合差；软质岩的泥化面19130.080.05较坚硬及全部软质岩、结合很差；较坚硬及全部软质岩、结合很差；软质岩泥化层本身软质岩泥化层本身13 0.05岩体级别与地下工程岩体自稳能力岩体级别与地下工程岩体自稳能力基本质基本质量级别量级别 自稳能力自稳能力跨度跨

47、度20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方可长期稳定，偶有掉块，无塌方跨度跨度1020m，可基本稳定，局部发生掉块或小塌方可基本稳定，局部发生掉块或小塌方跨度跨度 10m，可长期稳定，偶有掉块可长期稳定，偶有掉块跨度跨度1020m，可稳定数日至可稳定数日至1个月，可发生小至中塌方个月，可发生小至中塌方跨度跨度510m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小至中塌方可稳定数月，可发生局部块体位移及小至中塌方跨度跨度5m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方，可发展为中至大塌方。塌方，可发展为中至大塌方。跨度跨度5m，可稳定数日至可稳定数日至1个

48、月个月无自稳能力无自稳能力注：小塌方：塌方高度注：小塌方：塌方高度3m，或塌方体积，或塌方体积6m，或塌方体积，或塌方体积 100m3我国工程岩体分级标准我国工程岩体分级标准 （GB50218-94）的评价）的评价 优点：优点：1）对地下）对地下隧道隧道适用性较强；适用性较强；2）能反映岩体）能反映岩体基本质量分级基本质量分级计算计算BQ3）考虑）考虑工程岩体特性工程岩体特性（地下水、节理与工程位置关（地下水、节理与工程位置关 系、地应力计算系、地应力计算BQ,判断分类。判断分类。缺点：缺点：对对边坡边坡岩体岩体 和和地基地基岩体的分级研究较少。岩体的分级研究较少。 岩体质量岩体质量“Q”Q”

49、法分级法分级 挪威巴顿（挪威巴顿（B Bartonarton）等人于等人于19741974年根据隧道工程的调查，年根据隧道工程的调查，提出一个用提出一个用6 6个参数表达的岩体质量指标个参数表达的岩体质量指标Q Q，作为岩体质量分类作为岩体质量分类的依据。的依据。SRFJJJJRQDQwarn 式中：式中：RQDRQD岩石质量指标；岩石质量指标；Jn节理组数评分；节理组数评分；Jr节理面粗糙度评分；节理面粗糙度评分；Jw按裂隙水条件评分；按裂隙水条件评分；Ja节理蚀变程度评分；节理蚀变程度评分；SRFSRF按地应力影响按地应力影响评分（应力折减系数）评分（应力折减系数）。Q Q反映了岩体质量的

50、三个方面：反映了岩体质量的三个方面：nJRQD为岩体的完整性；为岩体的完整性；arJJ表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度； SRFJw表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。 （1 1）节理组数影响（）节理组数影响（J Jn n) )（2 2）节理）节理粗糙度粗糙度影响（影响（J Jr r) )（3 3）节理）节理蚀变程度蚀变程度影响（影响（J Ja a) )（4 4）裂隙水影响（）裂隙水影响（J Ja a) )（5 5）地应力影响（）地应力影响（SRFSRF) ) 见见 P58P58，表表2.3.33