地下建筑結(jié)構(gòu) 第5章 隧道圍巖分級(jí)及圍巖壓力

1、學(xué)習(xí)本章的學(xué)習(xí)本章的目的目的： （1 1）要求掌握有關(guān)隧道的勘查、設(shè)計(jì)、）要求掌握有關(guān)隧道的勘查、設(shè)計(jì)、構(gòu)造原理和有關(guān)計(jì)算方法；構(gòu)造原理和有關(guān)計(jì)算方法； （2 2）理解隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素及）理解隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素及其與施工方法的關(guān)系；其與施工方法的關(guān)系； （3 3）了解隧道圍巖分級(jí)時(shí)考慮的因素。）了解隧道圍巖分級(jí)時(shí)考慮的因素。4.1 4.1 隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)隧道圍巖的概念與工程性質(zhì) 4.2 4.2 圍巖的穩(wěn)定性圍巖的穩(wěn)定性 4.3 4.3 圍巖分級(jí)圍巖分級(jí) 4.4 4.4 圍巖壓力的確定圍巖壓力的確定 第第4 4章章 隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力 Surro

2、unding rock classification and pressure4.1 隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)4.1.14.1.1圍巖的概念圍巖的概念 圍巖圍巖: :隧道開挖后對(duì)其隧道開挖后對(duì)其穩(wěn)定性穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖產(chǎn)生影響的那部分巖( (土土) )體。體。 說明：說明：圍巖既指巖體也指土體。圍巖既指巖體也指土體。4.1.24.1.2圍巖的工程性質(zhì)圍巖的工程性質(zhì) 物理物理 工程性質(zhì)工程性質(zhì) 水理水理 力學(xué)力學(xué) 巖石與巖體的區(qū)別：巖石與巖體的區(qū)別： 巖石：均質(zhì)、連續(xù)、各向同性巖石：均質(zhì)、連續(xù)、各向同性 巖體：非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異性巖體：非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異性

3、巖體力學(xué)性質(zhì)獲取的方式：巖體力學(xué)性質(zhì)獲取的方式： 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：真實(shí)、費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：真實(shí)、費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢 室內(nèi)試驗(yàn)：不易取樣、代表性差室內(nèi)試驗(yàn)：不易取樣、代表性差 問題：?jiǎn)栴}： 1.1.結(jié)構(gòu)計(jì)算與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系？結(jié)構(gòu)計(jì)算與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系？ 2.2.隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的難點(diǎn)？隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的難點(diǎn)？1、巖體的變形特性、巖體的變形特性 受拉、受壓、剪切、流變受拉、受壓、剪切、流變 問題：巖體能受拉嗎？問題：巖體能受拉嗎？ 1) 受壓變形受壓變形 巖石：線性、彈性巖石：線性、彈性 軟弱結(jié)構(gòu)面：非線性、塑性軟弱結(jié)構(gòu)面：非線性、塑性 巖體：彈塑性體，見下圖。巖體：彈塑性體，見下圖。 ABC巖 體巖 石軟 弱 結(jié) 構(gòu)

4、 面0圖圖4-1 4-1 典型巖體全應(yīng)力應(yīng)變曲線典型巖體全應(yīng)力應(yīng)變曲線巖體：巖體： 壓密階段壓密階段(OA) (OA) 彈性階段彈性階段(AB) (AB) 塑性階段塑性階段(BC) (BC) 破裂和破壞階段破裂和破壞階段(CD)(CD) 2) 剪切變形剪切變形 (1) (1) 沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng) (2) (2) 巖石的斷裂巖石的斷裂 (3) (3) 在結(jié)構(gòu)面的影響下沿巖石剪斷在結(jié)構(gòu)面的影響下沿巖石剪斷 3) 流變特性流變特性 蠕變：蠕變：指應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)。指應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)。 松弛：松弛：應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時(shí)間而衰減應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時(shí)間而衰減 問題：圍巖流變特性對(duì)

5、隧道的影響？問題：圍巖流變特性對(duì)隧道的影響？ 圖圖4-2 4-2 巖體的流變巖體的流變2 2、巖體強(qiáng)度、巖體強(qiáng)度 巖石強(qiáng)度：通過試件獲得。巖石強(qiáng)度：通過試件獲得。 巖體強(qiáng)度：低于巖石強(qiáng)度，約為巖石強(qiáng)度的巖體強(qiáng)度：低于巖石強(qiáng)度，約為巖石強(qiáng)度的70708080。4.2 圍巖的穩(wěn)定性圍巖的穩(wěn)定性4.2.1 研究圍巖穩(wěn)定性的意義研究圍巖穩(wěn)定性的意義 圍巖的穩(wěn)定性：圍巖的穩(wěn)定性：隧道開挖后，在不支護(hù)條件下圍巖的隧道開挖后，在不支護(hù)條件下圍巖的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 問題：什么是隧道工程的頭等大事？問題：什么是隧道工程的頭等大事？ 研究圍巖的穩(wěn)定性，如何促使圍巖穩(wěn)定。研究圍巖的穩(wěn)定性，如何促使圍巖穩(wěn)定。圍巖級(jí)別

6、的工程作用：圍巖級(jí)別的工程作用： 判斷圍巖穩(wěn)定性。判斷圍巖穩(wěn)定性。 判斷施工難易程度，投資依據(jù)。判斷施工難易程度，投資依據(jù)。 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的依據(jù)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的依據(jù) 地質(zhì)因素客觀因素地質(zhì)因素客觀因素 人為因素主觀因素、工程因素人為因素主觀因素、工程因素4.2.2 4.2.2 影響圍巖穩(wěn)定性的因素影響圍巖穩(wěn)定性的因素1 1、地質(zhì)因素、地質(zhì)因素 從從5 5個(gè)方面來分析：個(gè)方面來分析： 巖體結(jié)構(gòu)特征巖體結(jié)構(gòu)特征 結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì) 地下水的影響地下水的影響 圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)巖體結(jié)構(gòu)特征巖體結(jié)構(gòu)特征 指巖體的破碎程度或完整狀態(tài)。

7、指巖體的破碎程度或完整狀態(tài)。 破碎程度：破碎程度：裂隙率、裂隙間距。裂隙率、裂隙間距。 裂隙是廣義的：包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結(jié)構(gòu)面。裂隙是廣義的：包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結(jié)構(gòu)面。 完整狀態(tài)：完整狀態(tài)：整塊狀、大塊狀等。整塊狀、大塊狀等。 按這按這2 2個(gè)指標(biāo)有下圖：個(gè)指標(biāo)有下圖： 圍巖巖體整體塊d1.0cm 大塊體 d=0.4-1.0cm 塊石狀d=0.2-0.4cm碎石塊 d0.750.750.750.750.550.550.550.550.350.350.350.350.150.150.15 0.90.75 R 0.90.5 R 0.750.25 R 0.5R 30 30 硬巖硬

8、巖 5 R5 Rb b30 30 軟巖軟巖 R Rb b 5 5 極軟巖極軟巖 圍巖完整程度圍巖完整程度 指標(biāo)指標(biāo)1 1：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度 指標(biāo)指標(biāo)2 2：地質(zhì)構(gòu)造影響程度：地質(zhì)構(gòu)造影響程度 由此兩指標(biāo)，將巖體完整程度分為由此兩指標(biāo)，將巖體完整程度分為5 5個(gè)級(jí)別，見下表：個(gè)級(jí)別，見下表： 完整程度完整程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度地質(zhì)構(gòu)造影響程度地質(zhì)構(gòu)造影響程度完整完整不發(fā)育不發(fā)育輕微輕微較完整較完整較發(fā)育、不發(fā)育較發(fā)育、不發(fā)育較重、輕微較重、輕微較破碎較破碎發(fā)育、較發(fā)育發(fā)育、較發(fā)育嚴(yán)重嚴(yán)重破碎破碎極發(fā)育、發(fā)育極發(fā)育、發(fā)育極嚴(yán)重、嚴(yán)重極嚴(yán)重、嚴(yán)重極破碎極破碎極發(fā)育極發(fā)育極嚴(yán)重

9、極嚴(yán)重等級(jí)等級(jí)地質(zhì)構(gòu)造作用特征地質(zhì)構(gòu)造作用特征輕微輕微圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)小，無斷裂（層）；層狀巖體一般呈單斜構(gòu)造；節(jié)理不發(fā)育較重較重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)較大；位于斷裂（層）或褶曲軸的鄰近地段；可有小斷層，節(jié)理較發(fā)育嚴(yán)重嚴(yán)重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)較強(qiáng)烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內(nèi)；軟巖多見扭曲及拖拉現(xiàn)象；節(jié)理發(fā)育很嚴(yán)重很嚴(yán)重位于斷裂（層）破碎帶內(nèi)；節(jié)理很發(fā)育；巖體呈碎石、角礫狀，有的呈粉末泥土狀等級(jí)等級(jí)地質(zhì)構(gòu)造作用特征地質(zhì)構(gòu)造作用特征節(jié)理不發(fā)育節(jié)理不發(fā)育 節(jié)理（裂隙）1-2組，規(guī)則，為原生型或構(gòu)造型，多數(shù)的間距在1.0m以上，為密閉型。巖體被切割成塊狀節(jié)理較發(fā)育節(jié)理較發(fā)育 節(jié)理（裂隙）2-3組，呈x型，較規(guī)

10、則，以構(gòu)造型為主，多數(shù)的間距大于0.4m，多為密閉。部分微張開，少有填充物。巖體被切割成大塊狀節(jié)理發(fā)育節(jié)理發(fā)育 節(jié)理（裂隙）3組以上，不規(guī)則，呈x型或米字型，以構(gòu)造型或風(fēng)化型為主，多數(shù)間距小于0.4m，大部分微張開，部分張開，大部分為粘性土填充。巖體被切割成塊、碎石狀節(jié)理很發(fā)育節(jié)理很發(fā)育 節(jié)理（裂隙）3組以上，雜亂，以構(gòu)造型或風(fēng)化型為主，多數(shù)間距小于0.2m，微張開或張開，部分為粘土充填。巖體被切割成碎石狀 特點(diǎn)特點(diǎn) 給出了單線隧道圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)。給出了單線隧道圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)。 尚未考慮地下水和地應(yīng)力。尚未考慮地下水和地應(yīng)力。 地下水狀態(tài)的分級(jí)表地下水狀態(tài)的分級(jí)表級(jí)別級(jí)別狀態(tài)狀態(tài)滲

11、水量滲水量L/(min10m)L/(min10m)干燥或濕潤(rùn)干燥或濕潤(rùn)1010偶有滲水偶有滲水10251025經(jīng)常滲水經(jīng)常滲水2512525125 圍巖基本分類圍巖基本分類 地下水狀態(tài)分級(jí)地下水狀態(tài)分級(jí) 初始地初始地 應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)主主 要要 現(xiàn)現(xiàn) 象象評(píng)估基準(zhǔn)評(píng)估基準(zhǔn) （R Rc c/maxmax）極高應(yīng)力極高應(yīng)力1.1.硬質(zhì)巖：開挖過程中時(shí)有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出硬質(zhì)巖：開挖過程中時(shí)有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差442.2.軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體有剝離，位

12、移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不易成洞時(shí)間長(zhǎng)，不易成洞高應(yīng)力高應(yīng)力1 .1 .硬質(zhì)巖硬質(zhì)巖: : 開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂紋較多，成洞性較差有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂紋較多，成洞性較差4-74-72.2.軟質(zhì)巖：巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖軟質(zhì)巖：巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移極顯著，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，成洞性差體位移極顯著，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，成洞性差圍巖基本分級(jí)圍巖基本分級(jí) 修正級(jí)別修正級(jí)別 初始地應(yīng)力狀態(tài)初始地應(yīng)力狀態(tài)極高應(yīng)力極高應(yīng)力或或高應(yīng)力高應(yīng)力或或( (六六) )問題

13、及研究方向問題及研究方向 1.1.問題問題 指標(biāo)定性的多、定量的少。如何做到準(zhǔn)確、方便、好用？指標(biāo)定性的多、定量的少。如何做到準(zhǔn)確、方便、好用？ 2.2.研究研究 發(fā)展物探手段，增加定量指標(biāo)。發(fā)展物探手段，增加定量指標(biāo)。 發(fā)展分析理論發(fā)展分析理論 模糊數(shù)學(xué)圍巖分級(jí)；模糊數(shù)學(xué)圍巖分級(jí)； 隧道位移圍巖分級(jí)；隧道位移圍巖分級(jí)； 人工智能專家系統(tǒng)圍巖分級(jí)等。人工智能專家系統(tǒng)圍巖分級(jí)等。自重應(yīng)力自重應(yīng)力 構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力 地下水壓力地下水壓力 溫度應(yīng)力溫度應(yīng)力原巖原巖 毛洞毛洞穩(wěn)定洞室穩(wěn)定洞室開挖開挖支護(hù)支護(hù)一、圍巖壓力及其分類一、圍巖壓力及其分類 ( (一一) )圍巖壓力圍巖壓力 圍巖壓力圍巖壓力地層

14、對(duì)洞室的作用力地層對(duì)洞室的作用力廣義：包括有、無支護(hù)時(shí)的壓力廣義：包括有、無支護(hù)時(shí)的壓力狹義：僅指對(duì)支護(hù)的壓力狹義：僅指對(duì)支護(hù)的壓力（二）圍巖壓力分類（二）圍巖壓力分類 1 1松動(dòng)壓力松動(dòng)壓力圍巖變形過大，發(fā)生松動(dòng)而形成的壓力。圍巖變形過大，發(fā)生松動(dòng)而形成的壓力。 2 2形變壓力形變壓力圍巖變形在有限范圍內(nèi)而形成的壓力。圍巖變形在有限范圍內(nèi)而形成的壓力。 這是最重要的兩種壓力形態(tài)。這是最重要的兩種壓力形態(tài)。 問題：?jiǎn)栴}： 1.1.這兩種壓力性質(zhì)上有何不同？這兩種壓力性質(zhì)上有何不同？ 2.2.壓力的性質(zhì)與圍巖穩(wěn)定性有何關(guān)系？壓力的性質(zhì)與圍巖穩(wěn)定性有何關(guān)系？ 3 3膨脹壓力膨脹壓力膨脹性巖層。膨脹

15、性巖層。 4 4沖擊壓力沖擊壓力明洞，落石；明洞，落石； 暗洞，坍方、巖爆。暗洞，坍方、巖爆。4.4.2 4.4.2 影響圍巖壓力的因素影響圍巖壓力的因素 地質(zhì)因素地質(zhì)因素 1.1.巖體初始應(yīng)力狀態(tài)巖體初始應(yīng)力狀態(tài) 2.2.巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì) 3.3.巖體結(jié)構(gòu)面巖體結(jié)構(gòu)面 4.4.地下水等地下水等 工程因素工程因素 1.1.施工方法施工方法 2.2.支護(hù)設(shè)置時(shí)間支護(hù)設(shè)置時(shí)間 3.3.支護(hù)本身剛度支護(hù)本身剛度 4.4.隧道斷面形狀等隧道斷面形狀等1.1.圍巖松動(dòng)壓力的形成圍巖松動(dòng)壓力的形成 自然拱的概念：自然拱的概念：圍巖的變形不能得到有效的控制，當(dāng)變圍巖的變形不能得到有效的控制，當(dāng)變形超

16、過一定限度后，圍巖發(fā)生松動(dòng)、坍落，最終在洞室上方形超過一定限度后，圍巖發(fā)生松動(dòng)、坍落，最終在洞室上方形成拱形。形成拱形。 (a) (a) 變形階段；變形階段； (b) (b) 松動(dòng)階段；松動(dòng)階段； (c) (c) 塌落階段；塌落階段； (d) (d) 成拱階段。成拱階段。 4.4.3 圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定方法圍巖松動(dòng)壓力的形成和確定方法自然拱 影響自然拱的因素：影響自然拱的因素： 隧道埋深隧道埋深成拱的必要條件成拱的必要條件 隧道斷面形狀和大小隧道斷面形狀和大小拱的范圍拱的范圍 施工因素施工因素對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度2 2、圍巖壓力的確定方法、圍巖壓力的確定方法 直接量測(cè)法直接量

17、測(cè)法 理論估算法理論估算法 統(tǒng)計(jì)法（經(jīng)驗(yàn)法、工程類比法）統(tǒng)計(jì)法（經(jīng)驗(yàn)法、工程類比法） 1) 1)深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 (1) (1) 統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)法我國(guó)我國(guó)隧規(guī)隧規(guī)所推薦的方法所推薦的方法 whhqsqq1245.0式中式中 圍巖容重；圍巖容重； h hq q坍落拱高度；坍落拱高度； s s 圍巖級(jí)別；圍巖級(jí)別； w w 寬度影響系數(shù)，由寬度影響系數(shù)，由 w=1+iw=1+i（B-5B-5）計(jì)算：）計(jì)算： B B 坑道寬度，當(dāng)坑道寬度，當(dāng) B B5m5m時(shí)，取時(shí)，取 i =0.2i =0.2，當(dāng)，當(dāng) B B5m5m時(shí)，取時(shí)，取i =0.1i =0.1。水平

18、壓力見表水平壓力見表4-74-7：表表4-74-7圍巖水平均布?jí)毫鷰r水平均布?jí)毫鷰r級(jí)別圍巖級(jí)別、 水平均布?jí)毫λ骄級(jí)毫? 0 0.15q 0.15q (0.15(0.150.3)q0.3)q(0.3(0.30.5)q 0.5)q (0.5(0.51.0)q 1.0)q 統(tǒng)計(jì)法公式的適用條件：統(tǒng)計(jì)法公式的適用條件： H/BH/B1.71.7，H H為坑道的高度；為坑道的高度； 深埋隧道；深埋隧道； 不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖；不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖； 采用礦山法施工。采用礦山法施工。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍巖垂直松動(dòng)壓力的分布可概括為據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍巖垂直松動(dòng)壓力的分布可概括為4 4種

19、，如種，如圖圖4-74-7。 圖圖4-7 4-7 圍巖豎向松動(dòng)壓力的分布圖形圍巖豎向松動(dòng)壓力的分布圖形統(tǒng)計(jì)法公式僅針對(duì)圖中第一種情況。統(tǒng)計(jì)法公式僅針對(duì)圖中第一種情況。 圖 4-7(2) (2) 普氏理論普氏理論 散粒體理論：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體理論：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體。散粒體。 普氏系數(shù)普氏系數(shù)f(f(巖體堅(jiān)固性系數(shù)巖體堅(jiān)固性系數(shù)):):0tantancf巖體堅(jiān)固性系數(shù)巖體堅(jiān)固性系數(shù) f f 的概念：的概念： f f是一個(gè)以巖體強(qiáng)度為主的指標(biāo)，兼顧抗鉆性、抗爆性、是一個(gè)以巖體強(qiáng)度為主的指標(biāo)，兼顧抗鉆性、抗爆性、地下水等性質(zhì)。地下水等性質(zhì)。 前述自然拱概念最早由普氏

20、前述自然拱概念最早由普氏提出：提出： fbhq圖圖4-8 4-8 自然拱的兩種形態(tài)自然拱的兩種形態(tài)B hkBthk BbHt 堅(jiān)硬巖體堅(jiān)硬巖體: : 松散破碎巖體：松散破碎巖體： 245tan0ttHbb式中式中 為隧道凈跨度的一半；為隧道凈跨度的一半； 為隧道凈高度。為隧道凈高度。tbtHtbb 一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。 (3) 泰沙基理論泰沙基理論 理論：散粒體理論。理論：散粒體理論。假定：假定： 破裂面為折線破裂面為折線OAB OAB 方法：方法： 研究微分條帶研究微分條帶dhdh的平衡。的平衡。 步驟：步驟： 1.

21、V=01.V=0，建立微分方程，建立微分方程 2.2.邊界條件：邊界條件：0,0vh3.3.解微分方程解微分方程，得：，得： 4.4.討論：討論： 當(dāng)埋深當(dāng)埋深h h 達(dá)到一定程度時(shí)，達(dá)到一定程度時(shí)， 為恒值：為恒值： 取側(cè)壓力系數(shù)取側(cè)壓力系數(shù)k=1k=1， 則有：則有： 與普氏法對(duì)照，能發(fā)現(xiàn)什么？與普氏法對(duì)照，能發(fā)現(xiàn)什么？ )1 (tan0tan0bhkvekbvkbv0tanf0tanhfbv 2) 2)淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法 深、淺埋隧道的判定原則深、淺埋隧道的判定原則 Hp（22.5）hq I I一一IIIIII級(jí)圍巖取級(jí)圍巖取: : H Hp p2h2hq q