隧道围岩分级及围岩压力课件.ppt

1、第一章第一章 隧道围岩分级与围岩压力隧道围岩分级与围岩压力Surrounding rock classification and pressure第一节第一节 围岩分级围岩分级第二节第二节 围岩压力及成拱作用围岩压力及成拱作用第三节第三节 围岩压力的计算围岩压力的计算一、概一、概 述述 1围岩的概念：隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体（或土体），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）。流沙和花岗岩 围岩稳定性：即在隧道开挖后不加支护的情况下围岩自身的稳定程度，可分为：充分稳定、基本稳定、暂时稳定、不稳定。第一节第一节 围岩分级围岩分级（Surrounding rock

2、classification）返回下一张流沙、管涌现象返回花岗岩返回 根据长期的工程实践，人们认识到，各种围岩的物理性质之间存在着一定的内在联系和规律，因而可将稳定性相似的一些围岩划归为一级，并将全部围岩划分为若干级，这就是围岩分级。2围岩分级的目的：为隧道设计和施工提供依据。（1）可以据此选择适当的施工方法；（2）确定支护结构上的荷载（松散荷载）；（3）确定衬砌结构的类型及其尺寸；下一张分析隧道围岩变化情况分析隧道围岩变化情况 返回大路峁隧道施工现场 下一张砂性土围岩下一张洞口位置的土质围岩下一张、级 围岩返回二、围岩分级方法简介二、围岩分级方法简介 现行的围岩分级法考虑了三个基本因素：1与

3、岩性有关的因素：如岩石的强度和变形性质（抗压强度、弹性模量、弹性波速等）可将岩石分为硬岩、软岩、膨胀岩等。2与地质构造有关的因素：岩体的完整性或结构状态。如软弱结构面的分布与性态、风化程度、节理发育程度、块度大小等，其分级指标在围岩分级中占有重要地位。3与地下水有关的因素：水是使隧道丧失稳定的重要原因，地下水对围岩稳定性的影响有：（1）地下水能软化围岩，降低围岩体强度；（2）地下水能软化围岩体中的结构面，降低围岩体的的抗剪强度，使围岩体容易滑动；（3）地下水往往形成承压水体，促使围岩失去稳定。总之，地下水对于围岩的稳定性是不利的。三、目前国内外的隧道围岩分级方法：（一）以岩石强度和物理性质为指

4、标的分级法：1以岩石强度为指标的分级法（我国解放初期的分级法，成渝线修建时使用过）：岩石越坚硬，坑道越稳定，围岩就越好。该分级法一般将围岩四种类型：坚岩、次坚岩、松石及土四级。地坑院下一张地坑院下一张地坑院下一张地坑院出入口下一张地坑院出入口下一张地坑院室内返回 2以岩石物理性质为指标的分级法：前苏联的普氏分级法（也称 值分级法），“”值是一个综合的物性指标，它代表岩石的相对坚固性。如：岩石的抗钻性、抗爆性、强度。-岩石饱和单轴极限抗压强度。我国还考虑了地质条件的影响，如围岩的节理、裂隙、风化。-地质条件折减系数，实质上是将由强度决定的“”值适当降低。ffcRf）（岩石15011001cR岩石

5、岩体fkfkf （二）以岩体构造，岩性特征为指标的分级法：1太沙基（K.terzaghi）分级法：将不同岩性，构造条件的围岩分为九级，对应于每一级都有一个相应的地压范围和支护措施。该分级法在美国、英国等广泛应用。2岩体综合物性指标分级法：这种分级法就是我国现行铁路隧道围岩分级方法。这种分级法把围岩分为6级。（三）与地质勘探手段相联系的分级方法：1围岩弹性波纵波速度分级：波速越高，围岩越好。该法最早是日本提出的，把围岩分为7级。2岩石质量为指标的分级法：RQD（rock quality designation）分级法。用岩芯复原率来表示岩石质量指标，岩芯的完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均匀性等

6、状态有关。所谓岩芯复原率：是指单位长度的钻孔中，10cm以上的岩芯占有的比例。这种围岩分级方法将围岩分为五级：优、良、好、差、很差。000010010)(单位钻孔的的长度以上岩芯累计长度cmRQD下一张岩芯返回 3.组合多种因素的岩体质量-Q分级法：1974年挪威地质学家巴顿将围岩分为九级。-岩石的质量指标；-节理组数目；-节理粗糙度；-节理蚀变值；-节理含水折减系数；-（stress rebate factor）应力折减系数；-岩块的大小；-岩块间的抗剪强度；-作用应力；SRFJJJJRQDQwrhhJRQDJJrSRFJwRQDhJrJJwJSRF 四、我国铁路隧道的围岩分级法四、我国铁路

7、隧道的围岩分级法 在我国现行的铁路隧道设计规范（TB 100032005）中，明确规定了要采用以围岩稳定性为基础的分级法和按弹性波速度的分级法。该分级法主要考虑了围岩的结构特征和完整状态、岩石强度和地下水等工程地质条件和弹性波纵波速度因素，把围岩分为6级，依其稳定性由好到差为、。1.围岩的结构特征和完整状态 围岩体通常是被各种结构面切割成大小不等、形态各异、种类不同的岩石单元体（即结构体），围岩结构特征是指结构面和结构体的特征。结构特征体现围岩体的受力特征，完整状态体现围岩体在受各种地质作用力下所表现的形态。把围岩的结构特征和完整状态相结合就组成了评价围岩稳定性的最直接最重要的指标。它与地质构

8、造变动的特征（分为轻微、较重、严重、很严重）、结构面的密集程度、节理（裂隙）发育程度（可分为不发育、较发育、发育、很发育）、风化程度（全风化、强风化、弱风化、微风化、）岩层厚度分为厚层（大于0.5m）、中层（0.10.5m）和薄层（小于0.1m）的关系如下：差 围岩的结构特征和完整状态 好大 地质变动的剧烈程度、规模大小、次数少 小大 结构面的密集程度 小 大 节理（裂隙）的发育程度 小大 风化程度 小小 岩层的厚度 大表1-1-2 围岩结构类型及其特征2.围岩岩石强度 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

9、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。当风化作用使岩石的成分改变、降低强度时，应按风化后的强度确定岩石的级别。岩石坚硬程度的划分表1-1-2 3.地下水 当遇有地下水时，按下列原则调整围岩的级别：（1）级及级的硬质岩石，可不考虑降级。（2）级围岩或级的软质岩石，应根据地下水的类型、水量大小和危害程度，调整围岩级别。当地下水影响围岩稳定，产生局部坍塌或软化软弱面时，可酌情降1级。（3）级、级围岩已成碎石状松散结构，裂隙中有黏土充填物时，可根据地下水的类型、水量大小、渗流条件、动水和静水压力等情况，判断对围岩的危害程度，酌情降12级。（4）对于级围岩，

10、在分级时已经考虑了一般含水地质情况的影响，但在特殊含水地层（如处于饱水或具有较大的承压水流时）还需另作处理。我国铁路隧道围岩分级 五、围岩分级的发展趋势：1分级时以岩体为对象。包括了岩块与岩块之间的软弱结构面；2分级与地质勘探手段有机联系起来。分级指标更趋定量化；3分级时要有明确的工程对象和工程目的。一、围岩压力一、围岩压力 （一）围岩压力的定义：引起地下开挖空间周围的岩体和支护结构变形或破坏的作用力。狭义理解：围岩压力是围岩作用在支护结构上的力。（二）围岩压力的分类：按作用力发生的形态一般可分为：1松动压力（loosening pressure）由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在

11、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分为：竖向压力、侧向压力和底压力。第二节第二节 围岩压力及成拱作用围岩压力及成拱作用返回下一张南京地铁支撑下一张南京地铁临时支撑返回 2形变压力（elastic pressure）（弹性抗力）形变压力是由于围岩变形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。3膨胀压力（inflate pressure）当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩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

12、由吸水膨胀引起的。4冲击压力（strike pressure）（通常是由“岩爆”（rock burst）引起的。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。下一张五道岭隧道内衬砌返回二、坑道开挖前后围岩应力状态二、坑道开挖前后围岩应力状态 （一）坑道开挖前围岩应力状态（初始应力状态）坑道开挖前，地层是处于相对静止的状态。因为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，称为原始应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的残余应力以及地下水活动等因素所决定的。1-2-1隧道开挖前任一处围岩受力状态 连续介质

13、理论：假定岩体是均匀连续的介质，岩体为半无限体，地面水平。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H上的一个单元体来作应力分析，如图1-2-1所示。该单元体受到三对大小相等、方向相反的压力作用，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。在上覆地层自重作用下，竖直压力 为：式中：地层的容重；H从地面到单元体所处的深度。由于单元体的侧向变形受到周围地形的限制，便产生了侧向压力，其中由上覆地层自重和地层的物理力学性质所决定：式中：侧压力系数。zHzHzyx 根据岩体为半无限体，侧向应变()为零的条件，并把地层看成各向同性的弹性体，可推导：式中：泊松比，视地层性质不同

14、值在 0.140.5之间变化。（二）坑道开挖后围岩应力状态（二次应力状态）围岩应力重分布：坑道开挖之后，由于其周边岩体的卸荷作用破坏了原有的平衡状态，使围岩的应力状态发生了变化，同时产生了位移，促使应力重新调整以达到新的平衡。yx,1 1-2-2a坑道开挖前围岩应力状态 1-2-2b 坑道开挖后围岩应力状态 1-2-3围岩成拱作用三、围岩的成拱作用三、围岩的成拱作用 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1-2-3所示。人们常称之为“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

15、侧传递下去，这就是所谓围岩的成拱作用。四、影响围岩压力的因素四、影响围岩压力的因素 1.时间因素。不论何种围岩，在坑道开挖后的暴露时间均是越短越好。2.坑道的尺寸与形状因素。围岩压力是随着坑道的尺寸增大而增大的，当坑道有引起应力集中的形状，即有明显的拐角时，围岩压力相对较大。3.坑道的埋深因素。当坑道的埋置深度在一定范围内时，围岩压力是随着埋深的增大而增大时；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。4.支护因素。有支护的坑道围岩压力要比无支护的坑道小；支护及时要比支护晚的围岩压力小；支护与坑道周边密贴的越好则围岩压力越小；支护的刚度较小即柔性支护时，坑道的围岩压力相对较

16、小。5.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，爆破的扰动很大、能造成围岩压力过大、岩体松动甚至坍方。因此在隧道施工中应严格控制爆破用药量，提倡采用光面爆破、预裂爆破等先进的爆破技术。6.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，引起衬砌裂损。第三节第三节 深埋隧道围岩压力的计算方法深埋隧道围岩压力的计算方法 一、概述 1.围岩压力的确定方法 （1）现场量测法。（2）理论计算法。（3）统计法。目前隧道及地下工程中往往采用上述三种方法互相验证。2.影响深埋隧道围岩压力的主要因素 （1）围岩压力的大

17、小与围岩级别成正比。（2）围岩压力的大小与坑道的跨度成正比。返回 二、国内、国外深埋隧道围岩压力的确定方法 1、普氏理论 作用在支护结构上的竖向压力为：作用在支护结构上的侧向压力为 式中 坑道高度；水平均布围岩压力（）围岩计算摩擦角。qhtH21tan(45)2oceq22()tan(45)2octeqH e2/kN mc 普氏理论一般在松散、破碎围岩中较为适用。2太沙基理论 将围岩视为散粒体，计算结果和普氏理论一致。3铁路隧道设计规范规定的计算方法4.3.3 计算深埋隧道衬砌，围岩压力按松散压力考虑，围岩垂直均布压力为 宽度影响系数。10.45 2sqww4.2.3 计算单线深埋隧道时，围岩

18、压力按松散压力考虑，其垂直压力为 0.41 1.79saqh水平围岩压力可按表1-3-1第四节 浅埋隧道围岩压力的计算方法 一、一、深埋、浅埋隧道的判定原则 目前在铁路隧道设计中是以实际统计资料值来确定的。当埋深hHP时，隧道为深埋；当hHP时，隧道为浅埋。一般在松软的围岩中取最高限，在较坚硬的围岩中取最低限，其他情况视具体情况而定。当地面水平或接近水平时，可按表141作为判别深、浅埋隧道的依据。aPhH)5.20.2(二、浅埋隧道围岩压力的确定方法 浅埋隧道开挖后如不及时支护，岩体就会大量坍塌或移动，并会影响到地表形成一个坍陷区域，此时岩体会产生两个滑动面，如图1-4-1所示。计算浅埋隧道围

19、岩压力可分为两种情况。1当 时，忽略滑动面上的阻力，故作用在隧道衬砌上的垂直压力等于上覆土柱的全部重力，并视为匀布分布，则：aHheH 围岩作用在支护结构上的水平侧向压力为He 1)(2tHHe 2当haHHp时，岩体中形成的滑动面是一与水平面成角的斜面。如图1-4-2。作用在隧道顶面HG上的垂直压力Q（kN）：Q=W2TV=W2Tsin 摩阻力T的计算公式为 cos212HT 作用在支护结构两侧的水平侧压力为 则侧向的均布压力为1eH2eH 1211()()22eeeHH 人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。