隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)

1、第3章 圍巖分級(jí)與圍巖壓力3.1 隧道圍巖的概念與工程性質(zhì) 3.1.1隧道圍巖的概念1、概念隧道開挖后其周圍一定范圍內(nèi)，對(duì)其穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響的那部分巖（土）體。隧道周圍的地層可以是軟硬不一的巖石，也可以是松散的土，把土視為一種特殊的(風(fēng)化破碎嚴(yán)重的)巖石，所以隧道周圍的地層不管是土體還是巖體，統(tǒng)稱為圍巖。這個(gè)范圍在橫斷面上約為 610倍的洞徑。 說明：圍巖既可以是巖體，也可以是土體。2、巖體、巖石、圍巖的關(guān)系：巖體：由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體結(jié)合而成的具有結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)體。巖體是在漫長的地質(zhì)歷史中，經(jīng)過巖石建造、構(gòu)造變形、次生脫變而形成的地質(zhì)體，它被很多不同方向，不同規(guī)模的斷層面，層理面，節(jié)理面和裂隙面

2、等各種地質(zhì)界面切割為大小不等、形狀各異的各種塊體。工程地質(zhì)學(xué)中將這些地質(zhì)界面稱之為結(jié)構(gòu)面或不連續(xù)面，將這些塊體稱之為結(jié)構(gòu)體，并將巖體看作是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體結(jié)合而成的具有結(jié)構(gòu)特征以及結(jié)構(gòu)面的特性。巖體由于結(jié)構(gòu)面的存在，具有明顯的非均質(zhì)性，不連續(xù)性和各向異性。巖石：由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而成的自然體，如花崗巖、砂巖等，表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)是均勻的、連續(xù)的和各向同性的；巖石與巖體的區(qū)別： 巖體巖石，巖體=巖石+結(jié)構(gòu)面圍巖：巖體的集合體。即巖體圍巖，不是整個(gè)巖土體，是受隧道開挖影響的那部分巖土體。巖石：均質(zhì)、連續(xù)、各向同性 巖體：非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異性3.1.2圍巖的工程性質(zhì) 1. 圍巖的

3、工程性質(zhì)，三個(gè)方面：1）物理性質(zhì)：容重、節(jié)理的產(chǎn)狀等；2）水理性質(zhì)：巖體的溶水性、透水性、持水性等；3) 力學(xué)性質(zhì)：抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度。對(duì)圍巖穩(wěn)定性最有影響的是力學(xué)性質(zhì)，即圍巖抵抗變形和破壞的性能，即變形特性和強(qiáng)度。圍巖既可以是巖體，也可以是土體。 巖體的結(jié)構(gòu)特征 結(jié)構(gòu)體巖石的特性 結(jié)構(gòu)面的特性2、巖體的力學(xué)性質(zhì)（變形破壞特性和強(qiáng)度）（1）巖體的變形特性 1）抗拉變形：巖體的抗拉變形能力很低。可認(rèn)為無抗拉能力。主要討論抗壓、抗剪能力。 2）受壓變形：巖體的受壓變形特性，可以用它在受壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線來說明。巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線，線性關(guān)系比較明顯，以彈性變形為主； 軟弱結(jié)構(gòu)面呈顯出非線性特征，以

4、塑性變形為主； 巖體分解為四個(gè)階段： 壓密階段(OA)：主要是由于巖體中結(jié)構(gòu)面的閉合和充填物的壓縮而產(chǎn)生的， 形成了非線性凹狀曲線，變形模量小。. 彈性階段(AB)：巖體充分壓密后便進(jìn)入彈性階段。所出現(xiàn)的彈性變形是巖體的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體共同產(chǎn)生的，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈直線型。 . 塑性階段(BC)：巖體繼續(xù)受力、變形發(fā)展到彈性極限后便進(jìn)入塑性階段，此時(shí)巖體的變形特性受結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的變形特性共同制約。 . 破裂和破壞階段(CD)：應(yīng)力達(dá)到蜂值后，巖體即開始破裂和破壞。破壞開始時(shí)，應(yīng)力下降比較緩慢，說明破裂面上仍具有一定摩擦力，巖體還能承受一定的荷載。而后應(yīng)力急劇下降，巖體全面崩潰。 總結(jié)：從巖體的全應(yīng)

5、力應(yīng)變曲線的分析中可以看出，巖體既不是簡單的彈性體，也不是簡單的塑性體、而是較為復(fù)雜的彈塑性體。整體性好的巖體接近彈性體，破裂巖體和松散巖體則偏向于塑性體。 3）剪切變形（結(jié)構(gòu)面控制）巖體受剪時(shí)的剪切變形特性主要受結(jié)構(gòu)面控制，可能有三種方式：沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)。此時(shí)，結(jié)構(gòu)面的變形特性即為巖體的變形特性。結(jié)構(gòu)面不參與作用，沿結(jié)構(gòu)體巖石斷裂。此時(shí)巖石的變形特性即起主導(dǎo)作用在結(jié)構(gòu)面影響下，沿巖石剪斷。此時(shí)，巖體的變形特性介乎上述二者之間。 4）流變（巖體變形的時(shí)間效應(yīng)）概念： 巖體的變形不是瞬時(shí)完成的，而是隨著時(shí)間的增長逐漸達(dá)到最終值。巖體變形的這種時(shí)間效應(yīng)，稱之為巖體的流變特性。 流變包括兩方面：下圖4

6、-2蠕變：作用的應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時(shí)間而增長； 松弛：作用的應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時(shí)間而衰減。（2）巖體的強(qiáng)度 抗壓強(qiáng)度： 巖石：受微裂隙所制約，強(qiáng)度大。通過試件獲得。巖體：受結(jié)構(gòu)面控制，強(qiáng)度小，并具有明顯的各向異性。結(jié)論：巖體的強(qiáng)度要比巖石的強(qiáng)度低得多，一般情況下，巖體的抗壓強(qiáng)度只有巖 石的7080，結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體，僅有510。 巖石、巖體、結(jié)構(gòu)面三者的強(qiáng)度比較見下圖。 抗剪強(qiáng)度： 巖體的抗剪強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)面的制約。 巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)：a.力學(xué)性質(zhì)b.充填狀態(tài)c.產(chǎn)狀d分布和規(guī)模剪切破壞方式：a.巖體沿結(jié)構(gòu)面滑移，屬于塑性破壞b沿巖石剪斷屬于脆性破壞3.2 圍巖的穩(wěn)定性3.2.1研究圍巖穩(wěn)定性的

7、意義圍巖穩(wěn)定性：隧道開挖后，圍巖自身在不支護(hù)條件下的穩(wěn)定程度。隧道工程所賦存的地質(zhì)環(huán)境的內(nèi)涵很廣。包括地層特征，地下水狀況，開挖隧道前就存在于地層中的原始地應(yīng)力狀態(tài)，以及地溫梯度等。但對(duì)隧道工程來說，最關(guān)心的問題則是地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度。這是不言而喻的，因?yàn)榈貙臃€(wěn)定就意味著開挖隧道所引起的地層向隧道內(nèi)的變形很小，而且在較短的時(shí)間內(nèi)就可基本停止，這對(duì)施工過程和支護(hù)結(jié)構(gòu)都是非常有利的。地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度稱為隧道圍巖的穩(wěn)定性，這是一個(gè)反映地質(zhì)環(huán)境的綜合指標(biāo)。因此，研究隧道工程地質(zhì)環(huán)境問題，歸根到底就是研究隧道圍巖的穩(wěn)定性根據(jù)坑道開挖實(shí)踐，坑道開挖后的穩(wěn)定性大體上可分為以下幾類： 1)充分穩(wěn)定的?？拥涝陂L時(shí)間內(nèi)有足夠的自穩(wěn)能力，無需任何人為支護(hù)而能維持穩(wěn)定，無坍塌、偶爾有掉塊。 2)基本穩(wěn)定的?？拥罆?huì)因爆破、巖塊結(jié)合松弛等而產(chǎn)生局部掉塊，但不會(huì)引起坑道的坍塌，坑道是穩(wěn)定的，層間結(jié)合差的平緩巖層頂板可能彎曲、斷裂。此時(shí)應(yīng)采取局部支護(hù)或輕型的支護(hù)。3)暫時(shí)穩(wěn)定的。大多數(shù)坑道是屬于這個(gè)類型的?？拥篱_挖后呈現(xiàn)出不同程度的坍塌現(xiàn)象，坍塌后的坑道呈拱形而處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。在外界（如爆破、重新更換支撐等）和內(nèi)部（如地下水等）條件的影響下，坑道如不及時(shí)支護(hù)，會(huì)進(jìn)一步喪失穩(wěn)定。因此，在這種圍巖中，必須采取各種類型的支護(hù)措施。