隧道圍巖分級(jí)及圍巖壓力課件

第一章隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力

Surroundingrockclassificationandpressure第一節(jié)圍巖分級(jí)第二節(jié)圍巖壓力及成拱作用第三節(jié)圍巖壓力的計(jì)算第一章隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力

Surroundingro一、概述1．圍巖的概念：隧道開(kāi)挖后其周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力重分布范圍內(nèi)的巖體（或土體），或指隧道開(kāi)挖后對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖體（或土體）。

流沙和花崗巖圍巖穩(wěn)定性：即在隧道開(kāi)挖后不加支護(hù)的情況下圍巖自身的穩(wěn)定程度，可分為：充分穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、暫時(shí)穩(wěn)定、不穩(wěn)定。

第一節(jié)圍巖分級(jí)

（Surroundingrockclassification）返回下一張一、概述第一節(jié)圍巖分級(jí)

（Surroun流沙、管涌現(xiàn)象返回流沙、管涌現(xiàn)象返回花崗巖返回花崗巖返回根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，人們認(rèn)識(shí)到，各種圍巖的物理性質(zhì)之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，因而可將穩(wěn)定性相似的一些圍巖劃歸為一級(jí)，并將全部圍巖劃分為若干級(jí)，這就是圍巖分級(jí)。

2．圍巖分級(jí)的目的：為隧道設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。（1）可以據(jù)此選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒ǎ唬?）確定支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載（松散荷載）；（3）確定襯砌結(jié)構(gòu)的類(lèi)型及其尺寸；下一張根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，人們認(rèn)識(shí)到，各種圍巖的物理分析隧道圍巖變化情況

返回分析隧道圍巖變化情況返回大路峁隧道施工現(xiàn)場(chǎng)

下一張大路峁隧道施工現(xiàn)場(chǎng)下一張砂性土圍巖下一張砂性土圍巖下一張洞口位置的土質(zhì)圍巖下一張洞口位置的土質(zhì)圍巖下一張Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖返回Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖返回二、圍巖分級(jí)方法簡(jiǎn)介現(xiàn)行的圍巖分級(jí)法考慮了三個(gè)基本因素：1．與巖性有關(guān)的因素：如巖石的強(qiáng)度和變形性質(zhì)（抗壓強(qiáng)度、彈性模量、彈性波速等）可將巖石分為硬巖、軟巖、膨脹巖等。2．與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的因素：巖體的完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。如軟弱結(jié)構(gòu)面的分布與性態(tài)、風(fēng)化程度、節(jié)理發(fā)育程度、塊度大小等，其分級(jí)指標(biāo)在圍巖分級(jí)中占有重要地位。

二、圍巖分級(jí)方法簡(jiǎn)介

3．與地下水有關(guān)的因素：水是使隧道喪失穩(wěn)定的重要原因，地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響有：（1）地下水能軟化圍巖，降低圍巖體強(qiáng)度；（2）地下水能軟化圍巖體中的結(jié)構(gòu)面，降低圍巖體的的抗剪強(qiáng)度，使圍巖體容易滑動(dòng)；（3）地下水往往形成承壓水體，促使圍巖失去穩(wěn)定?？傊?，地下水對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性是不利的。3．與地下水有關(guān)的因素：三、目前國(guó)內(nèi)外的隧道圍巖分級(jí)方法：（一）以巖石強(qiáng)度和物理性質(zhì)為指標(biāo)的分級(jí)法：1．以巖石強(qiáng)度為指標(biāo)的分級(jí)法（我國(guó)解放初期的分級(jí)法，成渝線修建時(shí)使用過(guò)）：巖石越堅(jiān)硬，坑道越穩(wěn)定，圍巖就越好。該分級(jí)法一般將圍巖四種類(lèi)型：堅(jiān)巖、次堅(jiān)巖、松石及土四級(jí)。地坑院下一張三、目前國(guó)內(nèi)外的隧道圍巖分級(jí)方法：下一張地坑院下一張地坑院下一張地坑院下一張地坑院下一張地坑院出入口下一張地坑院出入口下一張地坑院出入口下一張地坑院出入口下一張地坑院室內(nèi)返回地坑院室內(nèi)返回

2．以巖石物理性質(zhì)為指標(biāo)的分級(jí)法：前蘇聯(lián)的普氏分級(jí)法（也稱(chēng)值分級(jí)法），“

”值是一個(gè)綜合的物性指標(biāo)，它代表巖石的相對(duì)堅(jiān)固性。如：巖石的抗鉆性、抗爆性、強(qiáng)度。-巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度。我國(guó)還考慮了地質(zhì)條件的影響，如圍巖的節(jié)理、裂隙、風(fēng)化。

-地質(zhì)條件折減系數(shù)，實(shí)質(zhì)上是將由強(qiáng)度決定的“

”值適當(dāng)降低。2．以巖石物理性質(zhì)為指標(biāo)的分級(jí)法：前蘇聯(lián)的普氏分級(jí)法

（二）以巖體構(gòu)造，巖性特征為指標(biāo)的分級(jí)法：1．太沙基（K.terzaghi）分級(jí)法：將不同巖性，構(gòu)造條件的圍巖分為九級(jí)，對(duì)應(yīng)于每一級(jí)都有一個(gè)相應(yīng)的地壓范圍和支護(hù)措施。該分級(jí)法在美國(guó)、英國(guó)等廣泛應(yīng)用。2．巖體綜合物性指標(biāo)分級(jí)法：這種分級(jí)法就是我國(guó)現(xiàn)行鐵路隧道圍巖分級(jí)方法。這種分級(jí)法把圍巖分為6級(jí)。（二）以巖體構(gòu)造，巖性特征為指標(biāo)的分級(jí)法：

（三）與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級(jí)方法：1．圍巖彈性波縱波速度分級(jí)：波速越高，圍巖越好。該法最早是日本提出的，把圍巖分為7級(jí)。2．巖石質(zhì)量為指標(biāo)的分級(jí)法：RQD（rockqualitydesignation）分級(jí)法。用巖芯復(fù)原率來(lái)表示巖石質(zhì)量指標(biāo)，巖芯的完整程度與巖體的原始裂隙、硬度、均勻性等狀態(tài)有關(guān)。所謂巖芯復(fù)原率：是指單位長(zhǎng)度的鉆孔中，10cm以上的巖芯占有的比例。

這種圍巖分級(jí)方法將圍巖分為五級(jí)：優(yōu)、良、好、差、很差。

下一張（三）與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級(jí)方法：下一張巖芯返回巖芯返回

3.組合多種因素的巖體質(zhì)量-Q分級(jí)法：1974年挪威地質(zhì)學(xué)家巴頓將圍巖分為九級(jí)。

-巖石的質(zhì)量指標(biāo)；

-節(jié)理組數(shù)目；-節(jié)理粗糙度；-節(jié)理蝕變值；-節(jié)理含水折減系數(shù)；-（stressrebatefactor）應(yīng)力折減系數(shù)；

-巖塊的大??；-巖塊間的抗剪強(qiáng)度；-作用應(yīng)力；3.組合多種因素的巖體質(zhì)量-Q分級(jí)法：四、我國(guó)鐵路隧道的圍巖分級(jí)法在我國(guó)現(xiàn)行的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2005）中，明確規(guī)定了要采用以圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的分級(jí)法和按彈性波速度的分級(jí)法。該分級(jí)法主要考慮了圍巖的結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)、巖石強(qiáng)度和地下水等工程地質(zhì)條件和彈性波縱波速度因素，把圍巖分為6級(jí)，依其穩(wěn)定性由好到差為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。

1.圍巖的結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)圍巖體通常是被各種結(jié)構(gòu)面切割成大小不等、形態(tài)各異、種類(lèi)不同的巖石單元體（即結(jié)構(gòu)體），圍巖結(jié)構(gòu)特征是指結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的特征。四、我國(guó)鐵路隧道的圍巖分級(jí)法結(jié)構(gòu)特征體現(xiàn)圍巖體的受力特征，完整狀態(tài)體現(xiàn)圍巖體在受各種地質(zhì)作用力下所表現(xiàn)的形態(tài)。把圍巖的結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)相結(jié)合就組成了評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的最直接最重要的指標(biāo)。

它與地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)的特征（分為輕微、較重、嚴(yán)重、很?chē)?yán)重）、結(jié)構(gòu)面的密集程度、節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度（可分為不發(fā)育、較發(fā)育、發(fā)育、很發(fā)育）、風(fēng)化程度（全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化、）巖層厚度[分為厚層（大于0.5m）、中層（0.1～0.5m）和薄層（小于0.1m）]的關(guān)系如下：結(jié)構(gòu)特征體現(xiàn)圍巖體的受力特征，完整狀態(tài)體現(xiàn)圍Ⅵ

Ⅰ差圍巖的結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)好大地質(zhì)變動(dòng)的劇烈程度、規(guī)模大小、次數(shù)少小大結(jié)構(gòu)面的密集程度小大節(jié)理（裂隙）的發(fā)育程度小大風(fēng)化程度小小巖層的厚度大表1-1-2圍巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型及其特征ⅥⅠ2.圍巖巖石強(qiáng)度在結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)相同的情況下，圍巖的穩(wěn)定性主要取決于圍巖巖石的強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)裂隙或少裂隙的圍巖具有整體結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度可用巖石試件的抗壓強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度來(lái)表示，對(duì)于多裂隙的圍巖體，其強(qiáng)度可用工程類(lèi)比法判斷。當(dāng)風(fēng)化作用使巖石的成分改變、降低強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)按風(fēng)化后的強(qiáng)度確定巖石的級(jí)別。巖石堅(jiān)硬程度的劃分表1-1-22.圍巖巖石強(qiáng)度在結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)相同的情況3.地下水當(dāng)遇有地下水時(shí)，按下列原則調(diào)整圍巖的級(jí)別：（1）Ⅰ級(jí)及Ⅱ級(jí)的硬質(zhì)巖石，可不考慮降級(jí)。（2）Ⅲ級(jí)圍巖或Ⅱ級(jí)的軟質(zhì)巖石，應(yīng)根據(jù)地下水的類(lèi)型、水量大小和危害程度，調(diào)整圍巖級(jí)別。當(dāng)?shù)叵滤绊憞鷰r穩(wěn)定，產(chǎn)生局部坍塌或軟化軟弱面時(shí)，可酌情降1級(jí)。（3）Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖已成碎石狀松散結(jié)構(gòu)，裂隙中有黏土充填物時(shí)，可根據(jù)地下水的類(lèi)型、水量大小、滲流條件、動(dòng)水和靜水壓力等情況，判斷對(duì)圍巖的危害程度，酌情降1－2級(jí)。（4）對(duì)于Ⅵ級(jí)圍巖，在分級(jí)時(shí)已經(jīng)考慮了一般含水地質(zhì)情況的影響，但在特殊含水地層（如處于飽水或具有較大的承壓水流時(shí)）還需另作處理。我國(guó)鐵路隧道圍巖分級(jí)3.地下水五、圍巖分級(jí)的發(fā)展趨勢(shì)：1．分級(jí)時(shí)以巖體為對(duì)象。包括了巖塊與巖塊之間的軟弱結(jié)構(gòu)面；2．分級(jí)與地質(zhì)勘探手段有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。分級(jí)指標(biāo)更趨定量化；3．分級(jí)時(shí)要有明確的工程對(duì)象和工程目的。五、圍巖分級(jí)的發(fā)展趨勢(shì)：一、圍巖壓力

（一）圍巖壓力的定義：引起地下開(kāi)挖空間周?chē)膸r體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或破壞的作用力。狹義理解：圍巖壓力是圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的力。（二）圍巖壓力的分類(lèi)：按作用力發(fā)生的形態(tài)一般可分為：1．松動(dòng)壓力（looseningpressure）由于開(kāi)挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力稱(chēng)為松動(dòng)壓力。松動(dòng)壓力按作用在支護(hù)上力的位置不同分為：豎向壓力、側(cè)向壓力和底壓力。

第二節(jié)圍巖壓力及成拱作用返回下一張一、圍巖壓力第二節(jié)圍巖壓力及成拱作用返回下一張南京地鐵支撐下一張南京地鐵支撐下一張南京地鐵臨時(shí)支撐返回南京地鐵臨時(shí)支撐返回

2．形變壓力（elasticpressure）（彈性抗力）形變壓力是由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)如錨噴支護(hù)等的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形過(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。所以形變壓力除與圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與支護(hù)時(shí)間和支護(hù)剛度有關(guān)。3．膨脹壓力（inflatepressure）當(dāng)巖體具有吸水膨脹崩解的特征時(shí)，由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱(chēng)為膨脹壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。

4．沖擊壓力（strikepressure）（通常是由“巖爆”（rockburst）引起的。沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能之后，由于隧道的開(kāi)挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。下一張2．形變壓力（elasticpressure）（彈五道嶺隧道內(nèi)襯砌返回五道嶺隧道內(nèi)襯砌返回二、坑道開(kāi)挖前后圍巖應(yīng)力狀態(tài)（一）坑道開(kāi)挖前圍巖應(yīng)力狀態(tài)（初始應(yīng)力狀態(tài)）坑道開(kāi)挖前，地層是處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。因?yàn)榈貙又腥魏我惶幍耐潦际艿缴?、下、左、右、前、后土石的擠壓，保持著相對(duì)的平衡，稱(chēng)為原始應(yīng)力狀態(tài)。它是由上覆地層自重、地殼運(yùn)動(dòng)的殘余應(yīng)力以及地下水活動(dòng)等因素所決定的。二、坑道開(kāi)挖前后圍巖應(yīng)力狀態(tài)

1-2-1隧道開(kāi)挖前任一處圍巖受力狀態(tài)

連續(xù)介質(zhì)理論：假定巖體是均勻連續(xù)的介質(zhì)，巖體為半無(wú)限體，地面水平。為了研究方便，僅考慮由上覆地層自重所形成的原始應(yīng)力，并取深度H上的一個(gè)單元體來(lái)作應(yīng)力分析，如圖1-2-1所示。該單元體受到三對(duì)大小相等、方向相反的壓力作用，因此該單元體處于力的平衡狀態(tài)和變形運(yùn)動(dòng)的相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。1-2-1隧道開(kāi)挖前任一處圍巖受力狀態(tài)連續(xù)介質(zhì)理論

在上覆地層自重作用下，豎直壓力為：

式中：—地層的容重；

H—從地面到單元體所處的深度。由于單元體的側(cè)向變形受到周?chē)匦蔚南拗?，便產(chǎn)生了側(cè)向壓力，其中由上覆地層自重和地層的物理力學(xué)性質(zhì)所決定：

式中：

—側(cè)壓力系數(shù)。在上覆地層自重作用下，豎直壓力為：

根據(jù)巖體為半無(wú)限體，側(cè)向應(yīng)變()為零的條件，并把地層看成各向同性的彈性體，可推導(dǎo)：

式中：—泊松比，視地層性質(zhì)不同值在0.14~0.5之間變化。（二）坑道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)（二次應(yīng)力狀態(tài)）圍巖應(yīng)力重分布：坑道開(kāi)挖之后，由于其周邊巖體的卸荷作用破壞了原有的平衡狀態(tài)，使圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，同時(shí)產(chǎn)生了位移，促使應(yīng)力重新調(diào)整以達(dá)到新的平衡。

根據(jù)巖體為半無(wú)限體，側(cè)向應(yīng)變()為零的條件

1-2-2a坑道開(kāi)挖前圍巖應(yīng)力狀態(tài)1-2-2b坑道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)

1-2-2a坑道開(kāi)挖前圍巖應(yīng)力狀態(tài)1-2-2b坑道開(kāi)挖1-2-3圍巖成拱作用三、圍巖的成拱作用當(dāng)坑道開(kāi)挖后，如果任意讓其變形，松動(dòng)和坍塌，最后將會(huì)看到在坑道上方形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的拱形洞穴，如圖1-2-3所示。人們常稱(chēng)之為“天然拱”或“平衡拱”。

它上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力，如同一個(gè)承載環(huán)一樣，并將荷載重力向兩側(cè)傳遞下去，這就是所謂圍巖的成拱作用。

1-2-3圍巖成拱作用三、圍巖的成拱作用它上方的一部四、影響圍巖壓力的因素1.時(shí)間因素。不論何種圍巖，在坑道開(kāi)挖后的暴露時(shí)間均是越短越好。

2.坑道的尺寸與形狀因素。圍巖壓力是隨著坑道的尺寸增大而增大的，當(dāng)坑道有引起應(yīng)力集中的形狀，即有明顯的拐角時(shí)，圍巖壓力相對(duì)較大。3.坑道的埋深因素。當(dāng)坑道的埋置深度在一定范圍內(nèi)時(shí)，圍巖壓力是隨著埋深的增大而增大時(shí)；當(dāng)坑道埋深超過(guò)此范圍時(shí)，則圍巖壓力的大小基本不受埋深變化的影響。四、影響圍巖壓力的因素

4.支護(hù)因素。有支護(hù)的坑道圍巖壓力要比無(wú)支護(hù)的坑道??；支護(hù)及時(shí)要比支護(hù)晚的圍巖壓力??；支護(hù)與坑道周邊密貼的越好則圍巖壓力越小；支護(hù)的剛度較小即柔性支護(hù)時(shí)，坑道的圍巖壓力相對(duì)較小。5.爆破因素，采用爆破法開(kāi)挖對(duì)圍巖的穩(wěn)定極為不利，尤其是對(duì)地質(zhì)條件較差的圍巖，爆破的擾動(dòng)很大、能造成圍巖壓力過(guò)大、巖體松動(dòng)甚至坍方。因此在隧道施工中應(yīng)嚴(yán)格控制爆破用藥量，提倡采用光面爆破、預(yù)裂爆破等先進(jìn)的爆破技術(shù)。6.超挖回填因素。襯砌背后的超挖部分在施工時(shí)回填不密實(shí)，使圍巖得不到很好的支護(hù)而繼續(xù)松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成圍巖坍塌，引起襯砌裂損。4.支護(hù)因素。有支護(hù)的坑道圍巖壓力要比無(wú)支護(hù)的坑道小第三節(jié)深埋隧道圍巖壓力的計(jì)算方法一、概述1.圍巖壓力的確定方法（1）現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)法。（2）理論計(jì)算法。（3）統(tǒng)計(jì)法。目前隧道及地下工程中往往采用上述三種方法互相驗(yàn)證。2.影響深埋隧道圍巖壓力的主要因素（1）圍巖壓力的大小與圍巖級(jí)別成正比。（2）圍巖壓力的大小與坑道的跨度成正比。返回第三節(jié)深埋隧道圍巖壓力的計(jì)算方法一、概述返回二、國(guó)內(nèi)、國(guó)外深埋隧道圍巖壓力的確定方法1、普氏理論作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的豎向壓力為：

作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)向壓力為

式中——坑道高度；

——水平均布圍巖壓力（）

——圍巖計(jì)算摩擦角。

二、國(guó)內(nèi)、國(guó)外深埋隧道圍巖壓力的確定方法

普氏理論一般在松散、破碎圍巖中較為適用。

2．太沙基理論將圍巖視為散粒體，計(jì)算結(jié)果和普氏理論一致。3．《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的計(jì)算方法4.3.3計(jì)算深埋隧道襯砌，圍巖壓力按松散壓力考慮，圍巖垂直均布?jí)毫?/p>

——寬度影響系數(shù)。普氏理論一般在松散、破碎圍巖中較為適用。4.2.3計(jì)算單線深埋隧道時(shí)，圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直壓力為

水平圍巖壓力可按表1-3-14.2.3計(jì)算單線深埋隧道時(shí)，圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂第四節(jié)淺埋隧道圍巖壓力的計(jì)算方法

一、深埋、淺埋隧道的判定原則目前在鐵路隧道設(shè)計(jì)中是以實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料值來(lái)確定的。

當(dāng)埋深h≥HP時(shí)，隧道為深埋；當(dāng)h<HP時(shí)，隧道為淺埋。一般在松軟的圍巖中取最高限，在較堅(jiān)硬的圍巖中取最低限，其他情況視具體情況而定。當(dāng)?shù)孛嫠交蚪咏綍r(shí)，可按表1－4－1作為判別深、淺埋隧道的依據(jù)。

第四節(jié)淺埋隧道圍巖壓力的計(jì)算方法一、深埋、二、淺埋隧道圍巖壓力的確定方法

淺埋隧道開(kāi)挖后如不及時(shí)支護(hù)，巖體就會(huì)大量坍塌或移動(dòng)，并會(huì)影響到地表形成一個(gè)坍陷區(qū)域，此時(shí)巖體會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)滑動(dòng)面，如圖1-4-1所示。計(jì)算淺埋隧道圍巖壓力可分為兩種情況。1．當(dāng)時(shí)，忽略滑動(dòng)面上的阻力，故作用在隧道襯砌上的垂直壓力等于上覆土柱的全部重力，并視為勻布分布，則：

二、淺埋隧道圍巖壓力的確定方法淺埋隧道開(kāi)挖后如不圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平側(cè)向壓力為

2．當(dāng)＜＜時(shí)，巖體中形成的滑動(dòng)面是一與水平面成2．當(dāng)ha<H<Hp時(shí)，巖體中形成的滑動(dòng)面是一與水平面成角的斜面。如圖1-4-2。作用在隧道頂面HG上的垂直壓力Q（kN）：

Q=W－2TV=W－2Tsinθ摩阻力T的計(jì)算公式為

圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平側(cè)向壓力為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的水平側(cè)壓力為

則側(cè)向的均布?jí)毫?/p>

作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的水平側(cè)壓力為

則人有了知識(shí)，就會(huì)具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書(shū)，廣泛閱讀，古人說(shuō)“書(shū)中自有黃金屋?！蓖ㄟ^(guò)閱讀科技書(shū)籍，我們能豐富知識(shí)，培養(yǎng)邏輯思維能力；通過(guò)閱讀文學(xué)作品，我們能提高文學(xué)鑒賞水平，培養(yǎng)文學(xué)情趣；通過(guò)閱讀報(bào)刊，我們能增長(zhǎng)見(jiàn)識(shí)，擴(kuò)大自己的知識(shí)面。有許多書(shū)籍還能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進(jìn)。人有了知識(shí)，就會(huì)具備各種分析能力，隧道圍巖分級(jí)及圍巖壓力課件第一章隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力

Surroundingrockclassificationandpressure第一節(jié)圍巖分級(jí)第二節(jié)圍巖壓力及成拱作用第三節(jié)圍巖壓力的計(jì)算第一章隧道圍巖分級(jí)與圍巖壓力

Surroundingro一、概述1．圍巖的概念：隧道開(kāi)挖后其周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力重分布范圍內(nèi)的巖體（或土體），或指隧道開(kāi)挖后對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖體（或土體）。

流沙和花崗巖圍巖穩(wěn)定性：即在隧道開(kāi)挖后不加支護(hù)的情況下圍巖自身的穩(wěn)定程度，可分為：充分穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、暫時(shí)穩(wěn)定、不穩(wěn)定。

第一節(jié)圍巖分級(jí)

（Surroundingrockclassification）返回下一張一、概述第一節(jié)圍巖分級(jí)

（Surroun流沙、管涌現(xiàn)象返回流沙、管涌現(xiàn)象返回花崗巖返回花崗巖返回根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，人們認(rèn)識(shí)到，各種圍巖的物理性質(zhì)之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，因而可將穩(wěn)定性相似的一些圍巖劃歸為一級(jí)，并將全部圍巖劃分為若干級(jí)，這就是圍巖分級(jí)。

2．圍巖分級(jí)的目的：為隧道設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。（1）可以據(jù)此選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒ǎ唬?）確定支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載（松散荷載）；（3）確定襯砌結(jié)構(gòu)的類(lèi)型及其尺寸；下一張根據(jù)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，人們認(rèn)識(shí)到，各種圍巖的物理分析隧道圍巖變化情況

返回分析隧道圍巖變化情況返回大路峁隧道施工現(xiàn)場(chǎng)

下一張大路峁隧道施工現(xiàn)場(chǎng)下一張砂性土圍巖下一張砂性土圍巖下一張洞口位置的土質(zhì)圍巖下一張洞口位置的土質(zhì)圍巖下一張Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖返回Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖返回二、圍巖分級(jí)方法簡(jiǎn)介現(xiàn)行的圍巖分級(jí)法考慮了三個(gè)基本因素：1．與巖性有關(guān)的因素：如巖石的強(qiáng)度和變形性質(zhì)（抗壓強(qiáng)度、彈性模量、彈性波速等）可將巖石分為硬巖、軟巖、膨脹巖等。2．與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的因素：巖體的完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。如軟弱結(jié)構(gòu)面的分布與性態(tài)、風(fēng)化程度、節(jié)理發(fā)育程度、塊度大小等，其分級(jí)指標(biāo)在圍巖分級(jí)中占有重要地位。

二、圍巖分級(jí)方法簡(jiǎn)介

3．與地下水有關(guān)的因素：水是使隧道喪失穩(wěn)定的重要原因，地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響有：（1）地下水能軟化圍巖，降低圍巖體強(qiáng)度；（2）地下水能軟化圍巖體中的結(jié)構(gòu)面，降低圍巖體的的抗剪強(qiáng)度，使圍巖體容易滑動(dòng)；（3）地下水往往形成承壓水體，促使圍巖失去穩(wěn)定?？傊叵滤畬?duì)于圍巖的穩(wěn)定性是不利的。3．與地下水有關(guān)的因素：三、目前國(guó)內(nèi)外的隧道圍巖分級(jí)方法：（一）以巖石強(qiáng)度和物理性質(zhì)為指標(biāo)的分級(jí)法：1．以巖石強(qiáng)度為指標(biāo)的分級(jí)法（我國(guó)解放初期的分級(jí)法，成渝線修建時(shí)使用過(guò)）：巖石越堅(jiān)硬，坑道越穩(wěn)定，圍巖就越好。該分級(jí)法一般將圍巖四種類(lèi)型：堅(jiān)巖、次堅(jiān)巖、松石及土四級(jí)。地坑院下一張三、目前國(guó)內(nèi)外的隧道圍巖分級(jí)方法：下一張地坑院下一張地坑院下一張地坑院下一張地坑院下一張地坑院出入口下一張地坑院出入口下一張地坑院出入口下一張地坑院出入口下一張地坑院室內(nèi)返回地坑院室內(nèi)返回

2．以巖石物理性質(zhì)為指標(biāo)的分級(jí)法：前蘇聯(lián)的普氏分級(jí)法（也稱(chēng)值分級(jí)法），“

”值是一個(gè)綜合的物性指標(biāo)，它代表巖石的相對(duì)堅(jiān)固性。如：巖石的抗鉆性、抗爆性、強(qiáng)度。-巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度。我國(guó)還考慮了地質(zhì)條件的影響，如圍巖的節(jié)理、裂隙、風(fēng)化。

-地質(zhì)條件折減系數(shù)，實(shí)質(zhì)上是將由強(qiáng)度決定的“

”值適當(dāng)降低。2．以巖石物理性質(zhì)為指標(biāo)的分級(jí)法：前蘇聯(lián)的普氏分級(jí)法

（二）以巖體構(gòu)造，巖性特征為指標(biāo)的分級(jí)法：1．太沙基（K.terzaghi）分級(jí)法：將不同巖性，構(gòu)造條件的圍巖分為九級(jí)，對(duì)應(yīng)于每一級(jí)都有一個(gè)相應(yīng)的地壓范圍和支護(hù)措施。該分級(jí)法在美國(guó)、英國(guó)等廣泛應(yīng)用。2．巖體綜合物性指標(biāo)分級(jí)法：這種分級(jí)法就是我國(guó)現(xiàn)行鐵路隧道圍巖分級(jí)方法。這種分級(jí)法把圍巖分為6級(jí)。（二）以巖體構(gòu)造，巖性特征為指標(biāo)的分級(jí)法：

（三）與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級(jí)方法：1．圍巖彈性波縱波速度分級(jí)：波速越高，圍巖越好。該法最早是日本提出的，把圍巖分為7級(jí)。2．巖石質(zhì)量為指標(biāo)的分級(jí)法：RQD（rockqualitydesignation）分級(jí)法。用巖芯復(fù)原率來(lái)表示巖石質(zhì)量指標(biāo)，巖芯的完整程度與巖體的原始裂隙、硬度、均勻性等狀態(tài)有關(guān)。所謂巖芯復(fù)原率：是指單位長(zhǎng)度的鉆孔中，10cm以上的巖芯占有的比例。

這種圍巖分級(jí)方法將圍巖分為五級(jí)：優(yōu)、良、好、差、很差。

下一張（三）與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級(jí)方法：下一張巖芯返回巖芯返回

3.組合多種因素的巖體質(zhì)量-Q分級(jí)法：1974年挪威地質(zhì)學(xué)家巴頓將圍巖分為九級(jí)。

-巖石的質(zhì)量指標(biāo)；

-節(jié)理組數(shù)目；-節(jié)理粗糙度；-節(jié)理蝕變值；-節(jié)理含水折減系數(shù)；-（stressrebatefactor）應(yīng)力折減系數(shù)；

-巖塊的大?。?巖塊間的抗剪強(qiáng)度；-作用應(yīng)力；3.組合多種因素的巖體質(zhì)量-Q分級(jí)法：四、我國(guó)鐵路隧道的圍巖分級(jí)法在我國(guó)現(xiàn)行的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003—2005）中，明確規(guī)定了要采用以圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的分級(jí)法和按彈性波速度的分級(jí)法。該分級(jí)法主要考慮了圍巖的結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)、巖石強(qiáng)度和地下水等工程地質(zhì)條件和彈性波縱波速度因素，把圍巖分為6級(jí)，依其穩(wěn)定性由好到差為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。

1.圍巖的結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)圍巖體通常是被各種結(jié)構(gòu)面切割成大小不等、形態(tài)各異、種類(lèi)不同的巖石單元體（即結(jié)構(gòu)體），圍巖結(jié)構(gòu)特征是指結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的特征。四、我國(guó)鐵路隧道的圍巖分級(jí)法結(jié)構(gòu)特征體現(xiàn)圍巖體的受力特征，完整狀態(tài)體現(xiàn)圍巖體在受各種地質(zhì)作用力下所表現(xiàn)的形態(tài)。把圍巖的結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)相結(jié)合就組成了評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的最直接最重要的指標(biāo)。

它與地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)的特征（分為輕微、較重、嚴(yán)重、很?chē)?yán)重）、結(jié)構(gòu)面的密集程度、節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度（可分為不發(fā)育、較發(fā)育、發(fā)育、很發(fā)育）、風(fēng)化程度（全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化、）巖層厚度[分為厚層（大于0.5m）、中層（0.1～0.5m）和薄層（小于0.1m）]的關(guān)系如下：結(jié)構(gòu)特征體現(xiàn)圍巖體的受力特征，完整狀態(tài)體現(xiàn)圍Ⅵ

Ⅰ差圍巖的結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)好大地質(zhì)變動(dòng)的劇烈程度、規(guī)模大小、次數(shù)少小大結(jié)構(gòu)面的密集程度小大節(jié)理（裂隙）的發(fā)育程度小大風(fēng)化程度小小巖層的厚度大表1-1-2圍巖結(jié)構(gòu)類(lèi)型及其特征ⅥⅠ2.圍巖巖石強(qiáng)度在結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)相同的情況下，圍巖的穩(wěn)定性主要取決于圍巖巖石的強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)裂隙或少裂隙的圍巖具有整體結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度可用巖石試件的抗壓強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度來(lái)表示，對(duì)于多裂隙的圍巖體，其強(qiáng)度可用工程類(lèi)比法判斷。當(dāng)風(fēng)化作用使巖石的成分改變、降低強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)按風(fēng)化后的強(qiáng)度確定巖石的級(jí)別。巖石堅(jiān)硬程度的劃分表1-1-22.圍巖巖石強(qiáng)度在結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)相同的情況3.地下水當(dāng)遇有地下水時(shí)，按下列原則調(diào)整圍巖的級(jí)別：（1）Ⅰ級(jí)及Ⅱ級(jí)的硬質(zhì)巖石，可不考慮降級(jí)。（2）Ⅲ級(jí)圍巖或Ⅱ級(jí)的軟質(zhì)巖石，應(yīng)根據(jù)地下水的類(lèi)型、水量大小和危害程度，調(diào)整圍巖級(jí)別。當(dāng)?shù)叵滤绊憞鷰r穩(wěn)定，產(chǎn)生局部坍塌或軟化軟弱面時(shí)，可酌情降1級(jí)。（3）Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖已成碎石狀松散結(jié)構(gòu)，裂隙中有黏土充填物時(shí)，可根據(jù)地下水的類(lèi)型、水量大小、滲流條件、動(dòng)水和靜水壓力等情況，判斷對(duì)圍巖的危害程度，酌情降1－2級(jí)。（4）對(duì)于Ⅵ級(jí)圍巖，在分級(jí)時(shí)已經(jīng)考慮了一般含水地質(zhì)情況的影響，但在特殊含水地層（如處于飽水或具有較大的承壓水流時(shí)）還需另作處理。我國(guó)鐵路隧道圍巖分級(jí)3.地下水五、圍巖分級(jí)的發(fā)展趨勢(shì)：1．分級(jí)時(shí)以巖體為對(duì)象。包括了巖塊與巖塊之間的軟弱結(jié)構(gòu)面；2．分級(jí)與地質(zhì)勘探手段有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。分級(jí)指標(biāo)更趨定量化；3．分級(jí)時(shí)要有明確的工程對(duì)象和工程目的。五、圍巖分級(jí)的發(fā)展趨勢(shì)：一、圍巖壓力

（一）圍巖壓力的定義：引起地下開(kāi)挖空間周?chē)膸r體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或破壞的作用力。狹義理解：圍巖壓力是圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的力。（二）圍巖壓力的分類(lèi)：按作用力發(fā)生的形態(tài)一般可分為：1．松動(dòng)壓力（looseningpressure）由于開(kāi)挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力稱(chēng)為松動(dòng)壓力。松動(dòng)壓力按作用在支護(hù)上力的位置不同分為：豎向壓力、側(cè)向壓力和底壓力。

第二節(jié)圍巖壓力及成拱作用返回下一張一、圍巖壓力第二節(jié)圍巖壓力及成拱作用返回下一張南京地鐵支撐下一張南京地鐵支撐下一張南京地鐵臨時(shí)支撐返回南京地鐵臨時(shí)支撐返回

2．形變壓力（elasticpressure）（彈性抗力）形變壓力是由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)如錨噴支護(hù)等的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形過(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。所以形變壓力除與圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與支護(hù)時(shí)間和支護(hù)剛度有關(guān)。3．膨脹壓力（inflatepressure）當(dāng)巖體具有吸水膨脹崩解的特征時(shí)，由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱(chēng)為膨脹壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。

4．沖擊壓力（strikepressure）（通常是由“巖爆”（rockburst）引起的。沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能之后，由于隧道的開(kāi)挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。下一張2．形變壓力（elasticpressure）（彈五道嶺隧道內(nèi)襯砌返回五道嶺隧道內(nèi)襯砌返回二、坑道開(kāi)挖前后圍巖應(yīng)力狀態(tài)（一）坑道開(kāi)挖前圍巖應(yīng)力狀態(tài)（初始應(yīng)力狀態(tài)）坑道開(kāi)挖前，地層是處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。因?yàn)榈貙又腥魏我惶幍耐潦际艿缴稀⑾隆⒆蟆⒂摇⑶?、后土石的擠壓，保持著相對(duì)的平衡，稱(chēng)為原始應(yīng)力狀態(tài)。它是由上覆地層自重、地殼運(yùn)動(dòng)的殘余應(yīng)力以及地下水活動(dòng)等因素所決定的。二、坑道開(kāi)挖前后圍巖應(yīng)力狀態(tài)

1-2-1隧道開(kāi)挖前任一處圍巖受力狀態(tài)

連續(xù)介質(zhì)理論：假定巖體是均勻連續(xù)的介質(zhì)，巖體為半無(wú)限體，地面水平。為了研究方便，僅考慮由上覆地層自重所形成的原始應(yīng)力，并取深度H上的一個(gè)單元體來(lái)作應(yīng)力分析，如圖1-2-1所示。該單元體受到三對(duì)大小相等、方向相反的壓力作用，因此該單元體處于力的平衡狀態(tài)和變形運(yùn)動(dòng)的相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。1-2-1隧道開(kāi)挖前任一處圍巖受力狀態(tài)連續(xù)介質(zhì)理論

在上覆地層自重作用下，豎直壓力為：

式中：—地層的容重；

H—從地面到單元體所處的深度。由于單元體的側(cè)向變形受到周?chē)匦蔚南拗?，便產(chǎn)生了側(cè)向壓力，其中由上覆地層自重和地層的物理力學(xué)性質(zhì)所決定：

式中：

—側(cè)壓力系數(shù)。在上覆地層自重作用下，豎直壓力為：

根據(jù)巖體為半無(wú)限體，側(cè)向應(yīng)變()為零的條件，并把地層看成各向同性的彈性體，可推導(dǎo)：

式中：—泊松比，視地層性質(zhì)不同值在0.14~0.5之間變化。（二）坑道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)（二次應(yīng)力狀態(tài)）圍巖應(yīng)力重分布：坑道開(kāi)挖之后，由于其周邊巖體的卸荷作用破壞了原有的平衡狀態(tài)，使圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，同時(shí)產(chǎn)生了位移，促使應(yīng)力重新調(diào)整以達(dá)到新的平衡。

根據(jù)巖體為半無(wú)限體，側(cè)向應(yīng)變()為零的條件

1-2-2a坑道開(kāi)挖前圍巖應(yīng)力狀態(tài)1-2-2b坑道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)

1-2-2a坑道開(kāi)挖前圍巖應(yīng)力狀態(tài)1-2-2b坑道開(kāi)挖1-2-3圍巖成拱作用三、圍巖的成拱作用當(dāng)坑道開(kāi)挖后，如果任意讓其變形，松動(dòng)和坍塌，最后將會(huì)看到在坑道上方形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的拱形洞穴，如圖1-2-3所示。人們常稱(chēng)之為“天然拱”或“平衡拱”。

它上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力，如同一個(gè)承載環(huán)一樣，并將荷載重力向兩側(cè)傳遞下去，這就是所謂圍巖的成拱作用。

1-2-3圍巖成拱作用三、圍巖的成拱作用它上方的一部四、影響圍巖壓力的因素1.時(shí)間因素。不論何種圍巖，在坑道開(kāi)挖后的暴露時(shí)間均是越短越好。

2.坑道的尺寸與形狀因素。圍巖壓力是隨著坑道的尺寸增大而增大的，當(dāng)坑道有引起應(yīng)力集中的形狀，即有明顯的拐角時(shí)，圍巖壓力相對(duì)較大。3.坑道的埋深因素。當(dāng)坑道的埋置深度在一定范圍內(nèi)時(shí)，圍巖壓力是隨著埋深的增大而增大時(shí)；當(dāng)坑道埋深超過(guò)此范圍時(shí)，則圍巖壓力的大小基本不受埋深變化的影響。四、影響圍巖壓力的因素

4.支護(hù)因素。有支護(hù)的坑道圍巖壓力要比無(wú)支護(hù)的坑道??；支護(hù)及時(shí)要比支護(hù)晚的圍巖壓力??；支護(hù)與坑道周邊密貼的越好則圍巖壓力越??；支護(hù)的剛度較小即柔性支護(hù)時(shí)，坑道的圍巖壓力相對(duì)較小。5.爆破因素，采用爆破法開(kāi)挖對(duì)圍巖的穩(wěn)定極為不利，尤其是對(duì)地質(zhì)條件較差的圍巖，爆破的擾動(dòng)很大、能造成圍巖壓力過(guò)大、巖體松動(dòng)甚至坍方。因此在隧道施工中應(yīng)嚴(yán)格控制爆破用藥量，提倡采用光面爆破、預(yù)裂爆破等先進(jìn)的爆破技術(shù)。6.超挖回填因素。襯砌背后的超挖部分在施工時(shí)回填不密實(shí)，使圍巖得不到很好的支護(hù)而繼續(xù)松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成圍巖坍塌，引起襯砌裂損。4.支護(hù)因素。有支護(hù)的坑道圍巖壓力要比無(wú)支護(hù)的坑道小第三節(jié)深埋隧道圍巖壓力的計(jì)算方法一、概述1.圍巖壓力的確