第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)課件

第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)（類(lèi)）2.1概述2.2圍巖結(jié)構(gòu)分類(lèi)及其破壞特征2.3圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)2.4圍巖穩(wěn)定性影響因素及圍巖分級(jí)因素與指標(biāo)2.5國(guó)內(nèi)外主要地下工程圍巖分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)（類(lèi)）2.1概述2.2圍12.1概述地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的異同

同：均為結(jié)構(gòu)體系異：1、地面結(jié)構(gòu)一般由結(jié)構(gòu)和地基組成2、地下結(jié)構(gòu)由地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)組成地層

地下結(jié)構(gòu)承受的荷載主要是結(jié)構(gòu)體系本身即地層，稱(chēng)為地層壓力或圍巖壓力。

地層既承受荷載也是荷載的來(lái)源。

在地下結(jié)構(gòu)中，地層起主導(dǎo)作用。2.1概述地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的異同2

地質(zhì)環(huán)境

包括地層特征、地下水狀況、地層原始應(yīng)力狀態(tài)等。

圍巖

開(kāi)挖后應(yīng)力發(fā)生重分布的地層。

地下工程圍巖的穩(wěn)定性

地層被挖成隧道等地下空間后的穩(wěn)定程度。穩(wěn)定性問(wèn)題包括圍巖破壞或變形性演變規(guī)律、圍巖穩(wěn)定的影響因素、表征圍巖穩(wěn)定的指標(biāo)和判定準(zhǔn)則、分析圍巖穩(wěn)定性的方法等。地質(zhì)環(huán)境3圍巖的原始地應(yīng)力

圍巖的變形與破壞的根本作用力。圍巖的原始地應(yīng)力42.2圍巖結(jié)構(gòu)分類(lèi)及其破壞特征

圍巖范圍

圍巖的邊界是不受開(kāi)挖影響即開(kāi)挖后位移為0的地方。圍巖范圍一般約為開(kāi)挖斷面6至10倍的洞徑。圍巖的工程性質(zhì)：強(qiáng)度和變形。主要與巖體結(jié)構(gòu)、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、原始應(yīng)力、地下水等有關(guān)。2.2圍巖結(jié)構(gòu)分類(lèi)及其破壞特征圍巖范圍56

巖塊(rock或rockb1ock)是指不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石塊體，是構(gòu)成巖體的最小巖石單元體。巖塊稱(chēng)為結(jié)構(gòu)體(structuralelement)、巖石材料(rockmaterial)及完整巖石(intactrock)等等。巖塊與巖體1、巖塊(rock或rockb1ock)6巖塊(rock或rockb1ock)是指不含顯著結(jié)構(gòu)面67

結(jié)構(gòu)面(structureplane)是指地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長(zhǎng)度，厚度相對(duì)較小的地質(zhì)界面或帶，它包括物質(zhì)分界面和不連續(xù)面，如層面、不整合面、節(jié)理面、斷層、片理面等。國(guó)內(nèi)外一些文獻(xiàn)中又稱(chēng)為不連續(xù)面(discontinuities)或節(jié)理(joint)。在結(jié)構(gòu)面中，那些規(guī)模較大、強(qiáng)度低、易變形的結(jié)構(gòu)面又稱(chēng)為軟弱結(jié)構(gòu)面。2、結(jié)構(gòu)面(structureplane)7結(jié)構(gòu)面(structureplane)78結(jié)構(gòu)面的類(lèi)型構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：受構(gòu)造應(yīng)力作用所產(chǎn)生的破裂面次生結(jié)構(gòu)面：在外營(yíng)力（如風(fēng)化、卸荷、應(yīng)力變化、地下水、人工爆破等）作用下而形成的結(jié)構(gòu)面原生結(jié)構(gòu)面：成巖過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面：層面、軟弱夾層不整合面巖漿結(jié)構(gòu)面：接觸面、蝕變帶原生節(jié)理

變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理、片巖夾層

節(jié)理、斷層、劈理以及層間錯(cuò)動(dòng)面

8結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：受構(gòu)造應(yīng)力作用次生結(jié)構(gòu)面：在外營(yíng)力（如風(fēng)899910101011111112121213結(jié)構(gòu)面的等級(jí)：I級(jí)結(jié)構(gòu)面：大斷層、區(qū)域性斷裂帶；延伸數(shù)公里~數(shù)十公里，寬數(shù)十米~數(shù)百米。II級(jí)結(jié)構(gòu)面：較大斷層、區(qū)域性地質(zhì)界面；延伸數(shù)百米~數(shù)公里，寬數(shù)十厘米~數(shù)米。Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面：控制工程巖體穩(wěn)定的斷層、節(jié)理；延伸數(shù)十米~數(shù)百米，寬數(shù)厘米~1米左右。IV級(jí)結(jié)構(gòu)面：影響工程巖體穩(wěn)定的小斷層、裂隙；延伸20~30米，寬數(shù)厘米~數(shù)十厘米。V級(jí)結(jié)構(gòu)面：微結(jié)構(gòu)面，影響巖快的物理力學(xué)性質(zhì)。13結(jié)構(gòu)面的等級(jí)：I級(jí)結(jié)構(gòu)面：大斷層、區(qū)域性斷裂帶；II1314結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)分析裂隙的產(chǎn)狀、間距、寬度和面積

裂隙統(tǒng)計(jì)圖

14結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)分析裂隙的產(chǎn)狀、間距、寬度和面積裂隙統(tǒng)計(jì)1415巖體(rockmass)是指在地質(zhì)歷史過(guò)程中形成的，由巖石單元體(或稱(chēng)巖塊)和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。

巖體結(jié)構(gòu)面巖塊不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面3、巖體(rockmass)15巖體(rockmass)是指在地質(zhì)歷史過(guò)程中形成1516巖體結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)組成部分：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體16巖體結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)組成部分：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體16171717182.2.1巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型:

由于巖體中結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)、規(guī)模、切割密度等因素的不同，巖體的物理力學(xué)性質(zhì)也就不同。因此，有人就根據(jù)結(jié)構(gòu)面的等級(jí)和組合方式，把巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型分成四個(gè)大類(lèi)與九個(gè)亞類(lèi)。

182.2.1巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型:由于巖體中18第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)課件19整體結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形

塊狀和層狀結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)面的變形，巖體的破壞主要是沿軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)；碎裂和散體結(jié)構(gòu)巖體的變形，開(kāi)始是將裂隙或孔隙壓密，隨后是結(jié)構(gòu)體變形，并伴隨著結(jié)構(gòu)面張開(kāi)。整體結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形202121212222222.2.2圍巖的失穩(wěn)與破壞地下開(kāi)挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空間，使原來(lái)處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形；如果這種變形超過(guò)了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動(dòng)或巖爆，稱(chēng)前者為變形，后者為破壞。2.2.2圍巖的失穩(wěn)與破壞地下開(kāi)挖后，巖體中形成一個(gè)自由23地下工程圍巖失穩(wěn)破壞形態(tài)地下工程圍巖失穩(wěn)破壞形態(tài)24一、各類(lèi)結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)

1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學(xué)屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線(xiàn)彈性介質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變呈近似直線(xiàn)關(guān)系。圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開(kāi)裂及塊體滑移等。這類(lèi)圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來(lái)分析。一、各類(lèi)結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)1、整體狀和塊狀巖體圍巖25巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開(kāi)裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位。塊體滑移是塊狀巖體常見(jiàn)的破壞形成。它是以結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開(kāi)挖面的相對(duì)關(guān)系控制。堅(jiān)硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突26第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)課件272、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯(cuò)動(dòng)及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。變形破壞?？捎脧椥粤?、彈性板或材料力學(xué)中的壓桿平衡理論來(lái)分析。

2、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。28在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開(kāi)裂。在傾斜層狀圍巖中，常表現(xiàn)為現(xiàn)為沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移等破壞形式，形成不對(duì)稱(chēng)的塌落拱。將出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。在直立層狀圍巖中，當(dāng)天然應(yīng)力比值系數(shù)λ＜1/3時(shí)，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻則因壓力平行于層面，常發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，進(jìn)而危及洞頂安全。在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下293、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動(dòng)。用松散介質(zhì)極限平衡理論來(lái)分析。在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時(shí)，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入3、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化30第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)課件314、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時(shí)，以拱頂冒落為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動(dòng)巖體僅構(gòu)成局部圍巖時(shí)，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動(dòng)等變形破壞形式?？捎盟缮⒔橘|(zhì)極限平衡理論配合流變理論來(lái)分析。4、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體322.3圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)

圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)（原始地應(yīng)力場(chǎng)）

由于巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用，在地下工程開(kāi)挖前巖體中就已經(jīng)存在著一定的地應(yīng)力場(chǎng)，稱(chēng)之為圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)。2.3圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)（原始地應(yīng)力場(chǎng)33圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)

洞室開(kāi)挖后，部分地層的原始應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，應(yīng)力重新分布，形成的新的應(yīng)力場(chǎng)稱(chēng)為圍巖應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力重新分布的地層稱(chēng)之為圍巖。圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)342.3.1圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的組成初始應(yīng)力自重應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)形成與巖體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、埋藏條件及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的歷史等有密切關(guān)系。2.3.1圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的組成初自重應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)351、圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的組成由自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)組成。1）自重應(yīng)力場(chǎng)指上覆巖體自重所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)，它是地心引力和離心慣性力共同作用的結(jié)果。2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)指地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂所形成的地應(yīng)力?？煞譃榛顒?dòng)的和殘余的兩類(lèi)。1、圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的組成1）自重應(yīng)力場(chǎng)2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)36

活動(dòng)的構(gòu)造應(yīng)力：是近期和現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)正在積累的應(yīng)力，也是地應(yīng)力中最活躍最重要的一種，常導(dǎo)致巖體的變形與破壞。地震的產(chǎn)生正是新構(gòu)造應(yīng)力的反映。

殘余的構(gòu)造應(yīng)力：是由古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留下來(lái)的應(yīng)力，包括殘存在巖體中的應(yīng)力以及原生內(nèi)應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)活動(dòng)的構(gòu)造應(yīng)力：是近期和現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)正在積累37382.3.2圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律與影響因素

研究巖體的自重應(yīng)力時(shí)，一般把巖體視為均勻、連續(xù)且各向同性的彈性體，因此可以引用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來(lái)探討巖體的自重應(yīng)力問(wèn)題。對(duì)于多層巖石：382.3.2圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律與影響因素38

上述公式是理想情況下的自重應(yīng)力計(jì)算公式。地面為水平面，地層為各向同性的半無(wú)限體。圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律：（1）垂直方向的自重應(yīng)力是隨深度成線(xiàn)性增加的。（2）水平應(yīng)力總是小于垂直應(yīng)力，最多也只能與其相等。上述公式是理想情況下的自重應(yīng)力計(jì)算公式。圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)392、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

由于其形成原因的復(fù)雜性以及隨時(shí)間地不斷變化，使得很難用具體的函數(shù)形式表述構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特性。

我國(guó)大陸初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律大致為：a、在一定深度內(nèi)，垂直應(yīng)力的量值隨深度線(xiàn)性增大，而且水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。b、水平應(yīng)力具有明顯的各向異性。水平主應(yīng)力的另一個(gè)顯著特點(diǎn)，就是具有很強(qiáng)的方向性，一般總是以一個(gè)方向的主應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，很少有大、小應(yīng)力相等的情況。2、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)由于其形成原因的復(fù)雜性以及隨時(shí)間地不斷40一是重力、地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)以及地溫等經(jīng)常性因素；二是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、人類(lèi)活動(dòng)等暫時(shí)性或局部性的因素。3、影響圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的因素一是重力、地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)以及地溫等經(jīng)常性41影響初始應(yīng)力場(chǎng)的因素：1）地形地貌2）巖體的力學(xué)性質(zhì)3）地溫主要是由于溫度變化而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。4）人類(lèi)活動(dòng)人類(lèi)活動(dòng)包括：大堆渣場(chǎng)的形成、深的露天開(kāi)采、地下開(kāi)挖等等，都有可能局部地影響圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)。影響初始應(yīng)力場(chǎng)的因素：1）地形地貌2）巖體的力學(xué)性質(zhì)3）地溫42432.3.3圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)地量測(cè)實(shí)地應(yīng)力量測(cè)就是直接在未經(jīng)開(kāi)挖擾動(dòng)過(guò)的巖體中進(jìn)行應(yīng)力量測(cè)。巖體應(yīng)力量測(cè)有兩種：量測(cè)圍巖的絕對(duì)應(yīng)力值，包括其大小和方向。量測(cè)圍巖應(yīng)力在開(kāi)挖過(guò)程中的相對(duì)變化。方法確定圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)，方法評(píng)價(jià)施工程序的優(yōu)劣及開(kāi)挖對(duì)相鄰地下工程的影響。432.3.3圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)地量測(cè)實(shí)431)應(yīng)力全解除法原理：將包含著量測(cè)原件（即應(yīng)變計(jì)）的那一部分巖體單元從巖體中分離出來(lái)，解除周?chē)鷰r體中對(duì)它的約束作用，然后量測(cè)由于解除約束而產(chǎn)生的應(yīng)變，利用巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，反算出所解除的應(yīng)力，也就是原存于圍巖中的初始應(yīng)力。應(yīng)力解除法具體實(shí)施方法有兩種：孔底法，孔壁和孔徑法。1)應(yīng)力全解除法原理：將包含著量測(cè)原件（44（1）孔底法實(shí)施步驟1、用環(huán)鉆鉆孔至所要求量測(cè)應(yīng)力的深度，取出巖心（圖2-6a）2、磨平孔底，將應(yīng)變計(jì)粘貼到孔底，讀取應(yīng)變計(jì)的初讀數(shù)（圖2-6b）3、鉆孔使貼有應(yīng)變計(jì)的巖芯分離，待應(yīng)變計(jì)讀數(shù)不變后讀數(shù)(圖2-6c)。4、根據(jù)初讀和終讀數(shù)據(jù)可求得應(yīng)力解除后垂直于鉆孔軸平面的3個(gè)應(yīng)變值。5、根據(jù)巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系算出圍巖中垂直于鉆孔軸平面上的應(yīng)力。由于鉆孔引起的引力集中造成孔底法所測(cè)孔底應(yīng)力稍高于實(shí)際的圍巖原始應(yīng)力。（1）孔底法實(shí)施步驟1、用環(huán)鉆鉆孔至所要求量測(cè)應(yīng)力的深度，取45圖2-6孔底法操作示意圖圖2-6孔底46（2）孔壁和孔徑法（2）孔壁和孔徑法47（2）孔壁和孔徑法實(shí)施步驟1、用大口徑鉆頭鉆孔到要量側(cè)應(yīng)力的深度，磨平孔底（圖2-7a）2、改用小鉆頭在孔底鉆一個(gè)小孔，在孔中安裝孔壁三軸應(yīng)變儀，讀取初讀數(shù)（圖2-6b）3、改用大孔徑鉆產(chǎn)生環(huán)狀巖芯，解除約束，待應(yīng)變計(jì)讀數(shù)不變后讀數(shù)(圖2-6c)。4、根據(jù)初讀和終讀數(shù)據(jù)可求得應(yīng)力釋放后孔壁上3個(gè)不同的應(yīng)變值。5、根據(jù)巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系算出圍巖中垂直于鉆孔軸平面上的應(yīng)力。（2）孔壁和孔徑法實(shí)施步驟1、用大口徑鉆頭鉆孔到要量側(cè)應(yīng)力的48

需要指出：兩種方法都可以在地面垂直向下鉆孔，也可在洞室內(nèi)水平鉆孔或向上鉆孔進(jìn)行量測(cè)。但孔底法只能測(cè)到一個(gè)平面上的兩個(gè)主應(yīng)力，第三哥主應(yīng)力需要假設(shè)，若要量測(cè)三維應(yīng)力狀態(tài)，一般需要不同方向的3個(gè)鉆孔。另外：應(yīng)力全解除法量測(cè)巖體應(yīng)力的精度與巖體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有關(guān)；因此，在條件許可的情況下，盡可能在量測(cè)巖體應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行巖體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的測(cè)定。需要指出：兩種方法都可以在地面垂直向下鉆孔，也可在洞室492）應(yīng)力恢復(fù)法

基本原理：事先在洞室的巖壁表面安裝應(yīng)變計(jì)，并記錄下應(yīng)變的初讀數(shù)，然后在巖壁上掏一個(gè)狹長(zhǎng)的槽口，這就解除了垂直于槽口的法向約束和平行于槽口的切向約束，應(yīng)變計(jì)讀數(shù)亦將下降；最后將扁千斤頂放入槽口，固定后加壓，使應(yīng)變計(jì)讀數(shù)恢復(fù)到掏槽前的數(shù)值。此時(shí)，扁千斤頂顯示的壓力即為巖體中相應(yīng)的方向的應(yīng)力。2）應(yīng)力恢復(fù)法基本原理：事先在洞室的巖壁表面50扁千斤頂法示意圖扁千斤頂法示意圖51扁千斤頂所測(cè)得的巖體應(yīng)力嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并非圍巖的初始應(yīng)力，而是由于開(kāi)挖產(chǎn)生集中后的洞室周邊應(yīng)力。所以需對(duì)所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行修正。結(jié)果的修正

對(duì)于彈性巖體中的或斷面形狀規(guī)則的隧道，如圓形、矩形隧道，應(yīng)力集中的修正比較簡(jiǎn)單，可以用彈性力學(xué)方法修正。對(duì)于斷面形狀復(fù)雜的洞室可以采用光彈性試驗(yàn)。應(yīng)力恢復(fù)法的優(yōu)點(diǎn)：巖體應(yīng)力的量測(cè)結(jié)果不受巖體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的制約。扁千斤頂所測(cè)得的巖體應(yīng)力嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并非圍巖的初始522.4圍巖穩(wěn)定性的影響因素及圍巖分級(jí)因素與指標(biāo)的選擇研究地下工程地質(zhì)環(huán)境需要解決的兩個(gè)基本問(wèn)題判斷地下工程圍巖的穩(wěn)定性最佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)兩種方法經(jīng)驗(yàn)方法理論方法2.4圍巖穩(wěn)定性的影響因素及圍巖分級(jí)因素與指標(biāo)的選擇研究53

經(jīng)驗(yàn)方法：根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)上述的兩個(gè)問(wèn)題作出決策，其依據(jù)是地下工程圍巖穩(wěn)定性分級(jí)（類(lèi)）。

圍巖穩(wěn)定性分級(jí)（類(lèi)）：根據(jù)一個(gè)或幾個(gè)主要指標(biāo)將無(wú)限的巖體序列劃分為具有不同穩(wěn)定程度的有限個(gè)級(jí)（類(lèi)）別。圍巖分級(jí)（類(lèi)）方法：建立一個(gè)分級(jí)（類(lèi)）表，表中一般都包括分級(jí)（類(lèi)）檔數(shù)、分級(jí)（類(lèi)）限界和分級(jí)（類(lèi)）判據(jù)3大要素。方法很多，這3大要素的確定方法也不一樣。經(jīng)驗(yàn)方法：根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)上述的兩個(gè)542.4.1影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素按其性質(zhì)來(lái)說(shuō)?？梢詺w納為兩大類(lèi)：第一類(lèi)，屬于地質(zhì)環(huán)境方面的自然因素，它們決定了地下工程圍巖的質(zhì)量；第二類(lèi)，則屬于工程活動(dòng)的人為因素，如地下工程的形狀、跨度、施工方法、洞室軸線(xiàn)與巖層產(chǎn)狀的關(guān)系等，人為因素能夠影響到圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性。(不能決定圍巖質(zhì)量但能影響圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性)2.4.1影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素按其性質(zhì)551.地質(zhì)因素1）巖體結(jié)構(gòu)特征2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合3）巖石的力學(xué)性質(zhì)4)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)5）地下水狀況1.地質(zhì)因素1）巖體結(jié)構(gòu)特征561）巖體結(jié)構(gòu)特征巖體的結(jié)構(gòu)特征是長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，是控制巖體破壞形態(tài)的關(guān)鍵。從穩(wěn)定性分級(jí)的角度來(lái)看，巖體的結(jié)構(gòu)特征可以簡(jiǎn)單地用巖體的破碎程度或完整性來(lái)表示，在某種程度上它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用的嚴(yán)重程度。實(shí)踐證明，圍巖的破碎程度對(duì)洞室的穩(wěn)定與否起主導(dǎo)作用，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，洞室就愈容易失穩(wěn)。因此，在近代圍巖分級(jí)（類(lèi)）法中，都已將巖體的破碎程度或完整狀態(tài)作為分級(jí)（類(lèi)）的基本指標(biāo)之一。1）巖體結(jié)構(gòu)特征巖體的結(jié)構(gòu)特征是長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)構(gòu)57

巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小及這些巖塊的組合排列形態(tài)。巖塊的大小通常都用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙間距等指標(biāo)表示。

裂隙率是指沿裂隙法線(xiàn)方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的裂隙數(shù)目，裂隙間距則是指沿裂隙線(xiàn)法線(xiàn)方向上裂隙間的距離。巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小582）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是：軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及它們?cè)诳臻g的組合狀態(tài)。對(duì)于地下洞室來(lái)說(shuō)，圍巖中存在單一的軟弱面，一般不會(huì)影響洞室的穩(wěn)定性。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)面與洞室軸線(xiàn)的相互關(guān)系不利時(shí)，或者出現(xiàn)兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面時(shí)，才能構(gòu)成容易墜落的分離巖塊。

2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖59例如，有兩組平行但傾向相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或斜交得陡傾結(jié)構(gòu)面，就可能構(gòu)成屋脊形分離巖塊（如圖2-13）。巖塊是否會(huì)滑動(dòng)或塌落則與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度與巖塊之間的相互聯(lián)鎖作用有關(guān)。例如，有兩組平行但傾向相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或60在圍巖分級(jí)（類(lèi)）中，可以從下述的5個(gè)方面來(lái)研究結(jié)構(gòu)面對(duì)地下工程圍巖穩(wěn)定性影響的大?。海?）結(jié)構(gòu)面的成因及其發(fā)展史；（2）結(jié)構(gòu)面的平整、光滑程度；（3）結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及其充填物質(zhì)情況；（4）結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與方向性；（5）結(jié)構(gòu)面的密度與組數(shù)。在圍巖分級(jí)（類(lèi)）中，可以從下述的5個(gè)方面來(lái)研613）巖石的力學(xué)性質(zhì)在整體結(jié)構(gòu)的巖體中，控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學(xué)性質(zhì)，尤其是巖石的強(qiáng)度。在圍巖分級(jí)（類(lèi)）中所說(shuō)的巖石強(qiáng)度指標(biāo)，都是指巖石的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度。巖石強(qiáng)度還影響圍巖失穩(wěn)破壞的形態(tài)，輕度高的硬巖多表現(xiàn)為脆性破壞，如巖爆；而在強(qiáng)度低的軟巖，則以塑性變形為主。3）巖石的力學(xué)性質(zhì)624）圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)是地下工程圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。4）圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)635）地下水狀況

隧道等地下工程施工的實(shí)踐證明，地下水是造成施工塌方、使圍巖喪失穩(wěn)定的最重要因素之一。在巖性不同的巖體中，水的影響也是不相同的，歸納起來(lái)有如下幾種：

（1）使巖質(zhì)軟化，強(qiáng)度降低，對(duì)軟巖尤其突出；對(duì)土體則可促使其液化或流動(dòng)；（2）在有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體中，會(huì)沖走充填物質(zhì)或使夾層軟化，減少層間摩阻力，促使巖塊滑動(dòng)；（3）在某些巖體中，如含有生石膏、巖鹽或以蒙脫土為主的粘土巖，遇水后將產(chǎn)生膨脹，其勢(shì)能很大；在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中，水的存在可以產(chǎn)生流砂和潛蝕。因此，在圍巖分級(jí)（類(lèi)）中，對(duì)軟巖、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)巖體、有軟弱結(jié)構(gòu)面的層狀巖體及膨脹巖等，應(yīng)著重考慮地下水的影響。5）地下水狀況隧道等地下工程施工的實(shí)踐證明，64在目前的分級(jí)（類(lèi)）中，對(duì)地下水的處理方法有3種：

在分級(jí)（類(lèi)）時(shí)不將水的影響直接考慮進(jìn)去，而是根據(jù)圍巖受地下水影響的程度，適當(dāng)降低圍巖的等級(jí)；分級(jí)（類(lèi)）時(shí)按有水情況考慮，當(dāng)確認(rèn)圍巖無(wú)水則可提高圍巖的等級(jí)；直接將地下水的狀況（水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓等）作為一個(gè)分級(jí)（類(lèi)）的指標(biāo)。在目前的分級(jí)（類(lèi)）中，對(duì)地下水的處理方法有3種：652.工程活動(dòng)所造成的人為因素

施工等人為因素也是造成圍巖失穩(wěn)的重要條件，其中尤其以洞室的尺寸（主要指跨度）、形狀及施工中所采用的開(kāi)挖方法等影響較為顯著。1）洞室的形狀和尺寸實(shí)踐證明，在同一級(jí)（類(lèi)）圍巖中，洞室跨度愈大，圍巖的穩(wěn)定性就愈差；因?yàn)閹r體的破碎程度相對(duì)加大了。裂隙間距在0.4～1.0m左右的巖體，對(duì)中等跨度（5～10m）的洞室而言，是大塊狀的；但對(duì)大跨度（>15m）的洞室來(lái)說(shuō)，只能算是碎塊狀的。2.工程活動(dòng)所造成的人為因素施工等人為因素也66

因此，在當(dāng)前的圍巖分級(jí)（類(lèi)）法中，有的就明確指出分級(jí)（類(lèi)）法的適用跨度范圍；有的則采用相對(duì)裂隙間距，即裂隙間距與洞室跨度的比值作為分級(jí)（類(lèi)）的指標(biāo)。例如，相對(duì)裂隙間距為1/5的屬完整的；1/5～1/20范圍內(nèi)的屬破碎的；大于1/20的屬極度破碎的。

但也有人反對(duì)這樣，人為將跨度引進(jìn)圍巖分級(jí)（類(lèi)）法中會(huì)造成對(duì)巖體結(jié)構(gòu)概念的混亂和誤解。比較通用的做法，是將跨度的影響放在確定圍巖壓力值與支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型和尺寸時(shí)考慮，這樣將分級(jí)（類(lèi)）問(wèn)題簡(jiǎn)化了。因此，在當(dāng)前的圍巖分級(jí)（類(lèi)）法中，有的就明67

地下洞室的形狀主要影響開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。圓形或橢圓形洞室圍巖應(yīng)力狀態(tài)以壓應(yīng)力為主，這對(duì)維持圍巖的穩(wěn)定性是有好處的。矩形或梯形洞室，在頂板處將出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致巖體張裂破壞。但目前各種分級(jí)（類(lèi)）法中都沒(méi)考慮拉應(yīng)力因素。地下洞室的形狀主要影響開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。682）施工中采用的開(kāi)挖方法

從目前的施工技術(shù)水平來(lái)看，開(kāi)挖方法對(duì)地下工程圍巖穩(wěn)定性的影響較為明顯，在分級(jí)（類(lèi)）中必須予以考慮。例如，在同級(jí)巖體中，使用普通爆破法和控制爆破法，采用礦山法和掘進(jìn)機(jī)法，采用全斷面一次開(kāi)挖和采用小斷面分部開(kāi)挖，對(duì)圍巖的影響都不相同。2）施工中采用的開(kāi)挖方法從目前的施工技術(shù)69

工程活動(dòng)造成的人為因素，雖然對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響很大；但為了簡(jiǎn)化圍巖分級(jí)（類(lèi)）問(wèn)題，一般都是以分級(jí)（類(lèi)）的使用條件來(lái)控制，而分級(jí)（類(lèi)）的本身則主要從地質(zhì)因素考慮。工程活動(dòng)造成的人為因素，雖然對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響702.4.2分級(jí)(類(lèi))的因素指標(biāo)及其選擇1.單一的巖性指標(biāo)2.單一的綜合巖性指標(biāo)3.復(fù)合指標(biāo)2.4.2分級(jí)(類(lèi))的因素指標(biāo)及其選擇1.單一的巖性指711.單一的巖性指標(biāo)包括巖石的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、巖石堅(jiān)固性系數(shù)、彈性模量等物理學(xué)參數(shù)，以及如抗鉆性、抗爆性等指標(biāo)。在單一巖性指標(biāo)中，多采用巖石的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度作為基本的分級(jí)（類(lèi)）指標(biāo)，除了實(shí)驗(yàn)方法較方便外，從定量上看也是比較可靠的。單一的巖性指標(biāo)只能表達(dá)巖體特征的一個(gè)方面，因此用來(lái)作為分級(jí)（類(lèi)）的唯一指標(biāo)是不合適的。1.單一的巖性指標(biāo)包括巖石的抗壓強(qiáng)度和抗拉722.單一的綜合性指標(biāo)它表明指標(biāo)是單一的；但反映的因素卻是綜合的。如巖體的的彈性波傳播速度，它既可反映巖石的力學(xué)性質(zhì)，又可表示巖體的破碎程度。巖石的質(zhì)量指標(biāo)也是反映巖體破碎程度和巖石強(qiáng)度的綜合指標(biāo)。2.單一的綜合性指標(biāo)它表明指標(biāo)是單一的；但反映73

巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）

是綜合反映巖體的強(qiáng)度和巖體的破碎程度的指標(biāo)。所謂巖石質(zhì)量指標(biāo)是指鉆探時(shí)巖心復(fù)原率，或稱(chēng)為巖芯采取率。鉆探時(shí)巖芯的采取率、巖芯的平均和最大長(zhǎng)度是受巖體原始的裂隙、硬度、均質(zhì)性的影響的，巖體質(zhì)量的好壞主要取決于巖芯采取長(zhǎng)度小于10cm以下的細(xì)小巖塊所占的比例。因此，巖芯采取率是以單位長(zhǎng)度鉆孔中10cm以上的巖芯占有的比例來(lái)判斷的。即巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）74RQD(%)=10cm以上巖芯累計(jì)長(zhǎng)度×100/單位鉆孔長(zhǎng)度巖石質(zhì)量指標(biāo)分級(jí)認(rèn)為：RQD>90％為優(yōu)質(zhì)；75％<RQD<90％為良好；50％<RQD<75％為好；25％<RQD<50％為差；RQD<25％為很差。RQD(%)=10cm以上巖芯累計(jì)長(zhǎng)度×100/單位鉆孔長(zhǎng)度75

圍巖的自穩(wěn)時(shí)間

亦被認(rèn)為是綜合巖性指標(biāo)，隧道開(kāi)挖后，圍巖通常都有一段暫時(shí)穩(wěn)定的時(shí)間，不同的地質(zhì)環(huán)境，自穩(wěn)時(shí)間是不同的，勞費(fèi)（H.Lauffer）認(rèn)為隧道圍巖的自穩(wěn)時(shí)間ts可用下式表示：圍巖的自穩(wěn)時(shí)間76式中：L－隧道未支護(hù)地段的長(zhǎng)度；α－視圍巖情況在0～1之間變化，好的巖體可取α=0；極差的α=1。C—視圍巖情況而定的系數(shù)。單一綜合巖性指標(biāo)一般與地質(zhì)勘察技術(shù)的水平有關(guān)，因此，其應(yīng)用受到一定的限制。式中：773.復(fù)合指標(biāo)這是一種用兩個(gè)或兩個(gè)以上的巖性指標(biāo)或綜合性指標(biāo)所表示的復(fù)合性指標(biāo)。（1）巴頓等人提出的“巖體質(zhì)量-Q”指標(biāo)，Q與6個(gè)表明巖體質(zhì)量的地質(zhì)參數(shù)有關(guān)。表示為：3.復(fù)合指標(biāo)這是一種用兩個(gè)或兩個(gè)以上的巖性78式中RQD——巖石質(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);SRF——初始應(yīng)力折減系數(shù);

式中79（2）我國(guó)總參工程兵坑道工程圍巖分類(lèi)中所采用的巖體質(zhì)量指標(biāo)Rm和應(yīng)力比S，其中Rm由下式確定：式中：Rc——巖石單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度；KV——巖體完整性系數(shù)，巖體愈完整，KV取值愈大，變化范圍為1.0～0.08，由實(shí)測(cè)確定；KW——地下水影響折減系數(shù)，變化范圍為1.0～0.4，無(wú)水時(shí)取1.0，視具體情況由經(jīng)驗(yàn)確定；KJ——巖層面產(chǎn)狀要素影響折減系數(shù)，變化范圍為1.0～0.5，層面走向與軸線(xiàn)夾角為60°～90°，層面傾角<30°，層面間距≥1m時(shí)，KJ=1.0，其他情況由經(jīng)驗(yàn)確定。（2）我國(guó)總參工程兵坑道工程圍巖分類(lèi)中所采用的巖體質(zhì)量80以Rm為基礎(chǔ)，考慮地應(yīng)力的影響，另一個(gè)復(fù)合指標(biāo)應(yīng)力比S由下式表述：式中：σm為最大的垂直地應(yīng)力。以Rm為基礎(chǔ)，考慮地應(yīng)力的影響，另一個(gè)復(fù)合指81(3)圍巖/巖體強(qiáng)度應(yīng)力比S《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》和《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》采用S，S綜合考慮了巖石強(qiáng)度、巖體完整性和地應(yīng)力的因素，即式中：RC——巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；KV——巖體完整性系數(shù)；σM——圍巖的最大主應(yīng)力，MPa；σ1——垂直洞軸線(xiàn)的較大主應(yīng)力，kN/m2。(3)圍巖/巖體強(qiáng)度應(yīng)力比S《水工隧洞設(shè)計(jì)82（4）國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》也采用了兩個(gè)復(fù)合指標(biāo)——巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ和修正的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]，對(duì)工程巖體進(jìn)行分級(jí)。復(fù)合指標(biāo)考慮了多因素的影響；對(duì)判斷圍巖的穩(wěn)定性是比較合理和可靠的，而且還可以根據(jù)工程對(duì)象的要求，選擇不同的指標(biāo)。但復(fù)合指標(biāo)的定量有的是通過(guò)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定，有的主要是憑經(jīng)驗(yàn)決定，有很大的主觀(guān)因素。（4）國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》也采用了兩個(gè)復(fù)合指標(biāo)83演講完畢，謝謝觀(guān)看！演講完畢，謝謝觀(guān)看！84第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)（類(lèi)）2.1概述2.2圍巖結(jié)構(gòu)分類(lèi)及其破壞特征2.3圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)2.4圍巖穩(wěn)定性影響因素及圍巖分級(jí)因素與指標(biāo)2.5國(guó)內(nèi)外主要地下工程圍巖分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)（類(lèi)）2.1概述2.2圍852.1概述地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的異同

同：均為結(jié)構(gòu)體系異：1、地面結(jié)構(gòu)一般由結(jié)構(gòu)和地基組成2、地下結(jié)構(gòu)由地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)組成地層

地下結(jié)構(gòu)承受的荷載主要是結(jié)構(gòu)體系本身即地層，稱(chēng)為地層壓力或圍巖壓力。

地層既承受荷載也是荷載的來(lái)源。

在地下結(jié)構(gòu)中，地層起主導(dǎo)作用。2.1概述地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的異同86

地質(zhì)環(huán)境

包括地層特征、地下水狀況、地層原始應(yīng)力狀態(tài)等。

圍巖

開(kāi)挖后應(yīng)力發(fā)生重分布的地層。

地下工程圍巖的穩(wěn)定性

地層被挖成隧道等地下空間后的穩(wěn)定程度。穩(wěn)定性問(wèn)題包括圍巖破壞或變形性演變規(guī)律、圍巖穩(wěn)定的影響因素、表征圍巖穩(wěn)定的指標(biāo)和判定準(zhǔn)則、分析圍巖穩(wěn)定性的方法等。地質(zhì)環(huán)境87圍巖的原始地應(yīng)力

圍巖的變形與破壞的根本作用力。圍巖的原始地應(yīng)力882.2圍巖結(jié)構(gòu)分類(lèi)及其破壞特征

圍巖范圍

圍巖的邊界是不受開(kāi)挖影響即開(kāi)挖后位移為0的地方。圍巖范圍一般約為開(kāi)挖斷面6至10倍的洞徑。圍巖的工程性質(zhì)：強(qiáng)度和變形。主要與巖體結(jié)構(gòu)、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、原始應(yīng)力、地下水等有關(guān)。2.2圍巖結(jié)構(gòu)分類(lèi)及其破壞特征圍巖范圍8990

巖塊(rock或rockb1ock)是指不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石塊體，是構(gòu)成巖體的最小巖石單元體。巖塊稱(chēng)為結(jié)構(gòu)體(structuralelement)、巖石材料(rockmaterial)及完整巖石(intactrock)等等。巖塊與巖體1、巖塊(rock或rockb1ock)6巖塊(rock或rockb1ock)是指不含顯著結(jié)構(gòu)面9091

結(jié)構(gòu)面(structureplane)是指地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長(zhǎng)度，厚度相對(duì)較小的地質(zhì)界面或帶，它包括物質(zhì)分界面和不連續(xù)面，如層面、不整合面、節(jié)理面、斷層、片理面等。國(guó)內(nèi)外一些文獻(xiàn)中又稱(chēng)為不連續(xù)面(discontinuities)或節(jié)理(joint)。在結(jié)構(gòu)面中，那些規(guī)模較大、強(qiáng)度低、易變形的結(jié)構(gòu)面又稱(chēng)為軟弱結(jié)構(gòu)面。2、結(jié)構(gòu)面(structureplane)7結(jié)構(gòu)面(structureplane)9192結(jié)構(gòu)面的類(lèi)型構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：受構(gòu)造應(yīng)力作用所產(chǎn)生的破裂面次生結(jié)構(gòu)面：在外營(yíng)力（如風(fēng)化、卸荷、應(yīng)力變化、地下水、人工爆破等）作用下而形成的結(jié)構(gòu)面原生結(jié)構(gòu)面：成巖過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面：層面、軟弱夾層不整合面巖漿結(jié)構(gòu)面：接觸面、蝕變帶原生節(jié)理

變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理、片巖夾層

節(jié)理、斷層、劈理以及層間錯(cuò)動(dòng)面

8結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：受構(gòu)造應(yīng)力作用次生結(jié)構(gòu)面：在外營(yíng)力（如風(fēng)929399394109495119596129697結(jié)構(gòu)面的等級(jí)：I級(jí)結(jié)構(gòu)面：大斷層、區(qū)域性斷裂帶；延伸數(shù)公里~數(shù)十公里，寬數(shù)十米~數(shù)百米。II級(jí)結(jié)構(gòu)面：較大斷層、區(qū)域性地質(zhì)界面；延伸數(shù)百米~數(shù)公里，寬數(shù)十厘米~數(shù)米。Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面：控制工程巖體穩(wěn)定的斷層、節(jié)理；延伸數(shù)十米~數(shù)百米，寬數(shù)厘米~1米左右。IV級(jí)結(jié)構(gòu)面：影響工程巖體穩(wěn)定的小斷層、裂隙；延伸20~30米，寬數(shù)厘米~數(shù)十厘米。V級(jí)結(jié)構(gòu)面：微結(jié)構(gòu)面，影響巖快的物理力學(xué)性質(zhì)。13結(jié)構(gòu)面的等級(jí)：I級(jí)結(jié)構(gòu)面：大斷層、區(qū)域性斷裂帶；II9798結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)分析裂隙的產(chǎn)狀、間距、寬度和面積

裂隙統(tǒng)計(jì)圖

14結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)分析裂隙的產(chǎn)狀、間距、寬度和面積裂隙統(tǒng)計(jì)9899巖體(rockmass)是指在地質(zhì)歷史過(guò)程中形成的，由巖石單元體(或稱(chēng)巖塊)和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。

巖體結(jié)構(gòu)面巖塊不連續(xù)面：包括節(jié)理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面3、巖體(rockmass)15巖體(rockmass)是指在地質(zhì)歷史過(guò)程中形成99100巖體結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)組成部分：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體16巖體結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)組成部分：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體100101171011022.2.1巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型:

由于巖體中結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)、規(guī)模、切割密度等因素的不同，巖體的物理力學(xué)性質(zhì)也就不同。因此，有人就根據(jù)結(jié)構(gòu)面的等級(jí)和組合方式，把巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型分成四個(gè)大類(lèi)與九個(gè)亞類(lèi)。

182.2.1巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型:由于巖體中102第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)課件103整體結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形

塊狀和層狀結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)面的變形，巖體的破壞主要是沿軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)；碎裂和散體結(jié)構(gòu)巖體的變形，開(kāi)始是將裂隙或孔隙壓密，隨后是結(jié)構(gòu)體變形，并伴隨著結(jié)構(gòu)面張開(kāi)。整體結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形10410521105106221062.2.2圍巖的失穩(wěn)與破壞地下開(kāi)挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空間，使原來(lái)處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形；如果這種變形超過(guò)了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動(dòng)或巖爆，稱(chēng)前者為變形，后者為破壞。2.2.2圍巖的失穩(wěn)與破壞地下開(kāi)挖后，巖體中形成一個(gè)自由107地下工程圍巖失穩(wěn)破壞形態(tài)地下工程圍巖失穩(wěn)破壞形態(tài)108一、各類(lèi)結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)

1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學(xué)屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線(xiàn)彈性介質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變呈近似直線(xiàn)關(guān)系。圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開(kāi)裂及塊體滑移等。這類(lèi)圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來(lái)分析。一、各類(lèi)結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)1、整體狀和塊狀巖體圍巖109巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開(kāi)裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位。塊體滑移是塊狀巖體常見(jiàn)的破壞形成。它是以結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開(kāi)挖面的相對(duì)關(guān)系控制。堅(jiān)硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突110第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)課件1112、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯(cuò)動(dòng)及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。變形破壞?？捎脧椥粤?、彈性板或材料力學(xué)中的壓桿平衡理論來(lái)分析。

2、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。112在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開(kāi)裂。在傾斜層狀圍巖中，常表現(xiàn)為現(xiàn)為沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移等破壞形式，形成不對(duì)稱(chēng)的塌落拱。將出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。在直立層狀圍巖中，當(dāng)天然應(yīng)力比值系數(shù)λ＜1/3時(shí)，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻則因壓力平行于層面，常發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，進(jìn)而危及洞頂安全。在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下1133、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動(dòng)。用松散介質(zhì)極限平衡理論來(lái)分析。在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時(shí)，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入3、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化114第2章地下工程地質(zhì)環(huán)境及圍巖分級(jí)課件1154、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時(shí)，以拱頂冒落為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動(dòng)巖體僅構(gòu)成局部圍巖時(shí)，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動(dòng)等變形破壞形式?？捎盟缮⒔橘|(zhì)極限平衡理論配合流變理論來(lái)分析。4、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體1162.3圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)

圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)（原始地應(yīng)力場(chǎng)）

由于巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用，在地下工程開(kāi)挖前巖體中就已經(jīng)存在著一定的地應(yīng)力場(chǎng)，稱(chēng)之為圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)。2.3圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)（原始地應(yīng)力場(chǎng)117圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)

洞室開(kāi)挖后，部分地層的原始應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，應(yīng)力重新分布，形成的新的應(yīng)力場(chǎng)稱(chēng)為圍巖應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力重新分布的地層稱(chēng)之為圍巖。圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)1182.3.1圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的組成初始應(yīng)力自重應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)形成與巖體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、埋藏條件及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的歷史等有密切關(guān)系。2.3.1圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的組成初自重應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)1191、圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的組成由自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)組成。1）自重應(yīng)力場(chǎng)指上覆巖體自重所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)，它是地心引力和離心慣性力共同作用的結(jié)果。2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)指地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂所形成的地應(yīng)力。可分為活動(dòng)的和殘余的兩類(lèi)。1、圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的組成1）自重應(yīng)力場(chǎng)2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)120

活動(dòng)的構(gòu)造應(yīng)力：是近期和現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)正在積累的應(yīng)力，也是地應(yīng)力中最活躍最重要的一種，常導(dǎo)致巖體的變形與破壞。地震的產(chǎn)生正是新構(gòu)造應(yīng)力的反映。

殘余的構(gòu)造應(yīng)力：是由古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留下來(lái)的應(yīng)力，包括殘存在巖體中的應(yīng)力以及原生內(nèi)應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)活動(dòng)的構(gòu)造應(yīng)力：是近期和現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)正在積累1211222.3.2圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律與影響因素

研究巖體的自重應(yīng)力時(shí)，一般把巖體視為均勻、連續(xù)且各向同性的彈性體，因此可以引用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來(lái)探討巖體的自重應(yīng)力問(wèn)題。對(duì)于多層巖石：382.3.2圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律與影響因素122

上述公式是理想情況下的自重應(yīng)力計(jì)算公式。地面為水平面，地層為各向同性的半無(wú)限體。圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律：（1）垂直方向的自重應(yīng)力是隨深度成線(xiàn)性增加的。（2）水平應(yīng)力總是小于垂直應(yīng)力，最多也只能與其相等。上述公式是理想情況下的自重應(yīng)力計(jì)算公式。圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)1232、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

由于其形成原因的復(fù)雜性以及隨時(shí)間地不斷變化，使得很難用具體的函數(shù)形式表述構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特性。

我國(guó)大陸初始應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律大致為：a、在一定深度內(nèi)，垂直應(yīng)力的量值隨深度線(xiàn)性增大，而且水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。b、水平應(yīng)力具有明顯的各向異性。水平主應(yīng)力的另一個(gè)顯著特點(diǎn)，就是具有很強(qiáng)的方向性，一般總是以一個(gè)方向的主應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，很少有大、小應(yīng)力相等的情況。2、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)由于其形成原因的復(fù)雜性以及隨時(shí)間地不斷124一是重力、地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)以及地溫等經(jīng)常性因素；二是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、人類(lèi)活動(dòng)等暫時(shí)性或局部性的因素。3、影響圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的因素一是重力、地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)以及地溫等經(jīng)常性125影響初始應(yīng)力場(chǎng)的因素：1）地形地貌2）巖體的力學(xué)性質(zhì)3）地溫主要是由于溫度變化而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。4）人類(lèi)活動(dòng)人類(lèi)活動(dòng)包括：大堆渣場(chǎng)的形成、深的露天開(kāi)采、地下開(kāi)挖等等，都有可能局部地影響圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)。影響初始應(yīng)力場(chǎng)的因素：1）地形地貌2）巖體的力學(xué)性質(zhì)3）地溫1261272.3.3圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)地量測(cè)實(shí)地應(yīng)力量測(cè)就是直接在未經(jīng)開(kāi)挖擾動(dòng)過(guò)的巖體中進(jìn)行應(yīng)力量測(cè)。巖體應(yīng)力量測(cè)有兩種：量測(cè)圍巖的絕對(duì)應(yīng)力值，包括其大小和方向。量測(cè)圍巖應(yīng)力在開(kāi)挖過(guò)程中的相對(duì)變化。方法確定圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)，方法評(píng)價(jià)施工程序的優(yōu)劣及開(kāi)挖對(duì)相鄰地下工程的影響。432.3.3圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)地量測(cè)實(shí)1271)應(yīng)力全解除法原理：將包含著量測(cè)原件（即應(yīng)變計(jì)）的那一部分巖體單元從巖體中分離出來(lái)，解除周?chē)鷰r體中對(duì)它的約束作用，然后量測(cè)由于解除約束而產(chǎn)生的應(yīng)變，利用巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，反算出所解除的應(yīng)力，也就是原存于圍巖中的初始應(yīng)力。應(yīng)力解除法具體實(shí)施方法有兩種：孔底法，孔壁和孔徑法。1)應(yīng)力全解除法原理：將包含著量測(cè)原件（128（1）孔底法實(shí)施步驟1、用環(huán)鉆鉆孔至所要求量測(cè)應(yīng)力的深度，取出巖心（圖2-6a）2、磨平孔底，將應(yīng)變計(jì)粘貼到孔底，讀取應(yīng)變計(jì)的初讀數(shù)（圖2-6b）3、鉆孔使貼有應(yīng)變計(jì)的巖芯分離，待應(yīng)變計(jì)讀數(shù)不變后讀數(shù)(圖2-6c)。4、根據(jù)初讀和終讀數(shù)據(jù)可求得應(yīng)力解除后垂直于鉆孔軸平面的3個(gè)應(yīng)變值。5、根據(jù)巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系算出圍巖中垂直于鉆孔軸平面上的應(yīng)力。由于鉆孔引起的引力集中造成孔底法所測(cè)孔底應(yīng)力稍高于實(shí)際的圍巖原始應(yīng)力。（1）孔底法實(shí)施步驟1、用環(huán)鉆鉆孔至所要求量測(cè)應(yīng)力的深度，取129圖2-6孔底法操作示意圖圖2-6孔底130（2）孔壁和孔徑法（2）孔壁和孔徑法131（2）孔壁和孔徑法實(shí)施步驟1、用大口徑鉆頭鉆孔到要量側(cè)應(yīng)力的深度，磨平孔底（圖2-7a）2、改用小鉆頭在孔底鉆一個(gè)小孔，在孔中安裝孔壁三軸應(yīng)變儀，讀取初讀數(shù)（圖2-6b）3、改用大孔徑鉆產(chǎn)生環(huán)狀巖芯，解除約束，待應(yīng)變計(jì)讀數(shù)不變后讀數(shù)(圖2-6c)。4、根據(jù)初讀和終讀數(shù)據(jù)可求得應(yīng)力釋放后孔壁上3個(gè)不同的應(yīng)變值。5、根據(jù)巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系算出圍巖中垂直于鉆孔軸平面上的應(yīng)力。（2）孔壁和孔徑法實(shí)施步驟1、用大口徑鉆頭鉆孔到要量側(cè)應(yīng)力的132

需要指出：兩種方法都可以在地面垂直向下鉆孔，也可在洞室內(nèi)水平鉆孔或向上鉆孔進(jìn)行量測(cè)。但孔底法只能測(cè)到一個(gè)平面上的兩個(gè)主應(yīng)力，第三哥主應(yīng)力需要假設(shè)，若要量測(cè)三維應(yīng)力狀態(tài)，一般需要不同方向的3個(gè)鉆孔。另外：應(yīng)力全解除法量測(cè)巖體應(yīng)力的精度與巖體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有關(guān)；因此，在條件許可的情況下，盡可能在量測(cè)巖體應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行巖體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的測(cè)定。需要指出：兩種方法都可以在地面垂直向下鉆孔，也可在洞室1332）應(yīng)力恢復(fù)法

基本原理：事先在洞室的巖壁表面安裝應(yīng)變計(jì)，并記錄下應(yīng)變的初讀數(shù)，然后在巖壁上掏一個(gè)狹長(zhǎng)的槽口，這就解除了垂直于槽口的法向約束和平行于槽口的切向約束，應(yīng)變計(jì)讀數(shù)亦將下降；最后將扁千斤頂放入槽口，固定后加壓，使應(yīng)變計(jì)讀數(shù)恢復(fù)到掏槽前的數(shù)值。此時(shí)，扁千斤頂顯示的壓力即為巖體中相應(yīng)的方向的應(yīng)力。2）應(yīng)力恢復(fù)法基本原理：事先在洞室的巖壁表面134扁千斤頂法示意圖扁千斤頂法示意圖135扁千斤頂所測(cè)得的巖體應(yīng)力嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并非圍巖的初始應(yīng)力，而是由于開(kāi)挖產(chǎn)生集中后的洞室周邊應(yīng)力。所以需對(duì)所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行修正。結(jié)果的修正

對(duì)于彈性巖體中的或斷面形狀規(guī)則的隧道，如圓形、矩形隧道，應(yīng)力集中的修正比較簡(jiǎn)單，可以用彈性力學(xué)方法修正。對(duì)于斷面形狀復(fù)雜的洞室可以采用光彈性試驗(yàn)。應(yīng)力恢復(fù)法的優(yōu)點(diǎn)：巖體應(yīng)力的量測(cè)結(jié)果不受巖體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的制約。扁千斤頂所測(cè)得的巖體應(yīng)力嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并非圍巖的初始1362.4圍巖穩(wěn)定性的影響因素及圍巖分級(jí)因素與指標(biāo)的選擇研究地下工程地質(zhì)環(huán)境需要解決的兩個(gè)基本問(wèn)題判斷地下工程圍巖的穩(wěn)定性最佳的施工方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)兩種方法經(jīng)驗(yàn)方法理論方法2.4圍巖穩(wěn)定性的影響因素及圍巖分級(jí)因素與指標(biāo)的選擇研究137

經(jīng)驗(yàn)方法：根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)上述的兩個(gè)問(wèn)題作出決策，其依據(jù)是地下工程圍巖穩(wěn)定性分級(jí)（類(lèi)）。

圍巖穩(wěn)定性分級(jí)（類(lèi)）：根據(jù)一個(gè)或幾個(gè)主要指標(biāo)將無(wú)限的巖體序列劃分為具有不同穩(wěn)定程度的有限個(gè)級(jí)（類(lèi)）別。圍巖分級(jí)（類(lèi)）方法：建立一個(gè)分級(jí)（類(lèi)）表，表中一般都包括分級(jí)（類(lèi)）檔數(shù)、分級(jí)（類(lèi)）限界和分級(jí)（類(lèi)）判據(jù)3大要素。方法很多，這3大要素的確定方法也不一樣。經(jīng)驗(yàn)方法：根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)上述的兩個(gè)1382.4.1影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素按其性質(zhì)來(lái)說(shuō)?？梢詺w納為兩大類(lèi)：第一類(lèi)，屬于地質(zhì)環(huán)境方面的自然因素，它們決定了地下工程圍巖的質(zhì)量；第二類(lèi)，則屬于工程活動(dòng)的人為因素，如地下工程的形狀、跨度、施工方法、洞室軸線(xiàn)與巖層產(chǎn)狀的關(guān)系等，人為因素能夠影響到圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性。(不能決定圍巖質(zhì)量但能影響圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性)2.4.1影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素按其性質(zhì)1391.地質(zhì)因素1）巖體結(jié)構(gòu)特征2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合3）巖石的力學(xué)性質(zhì)4)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)5）地下水狀況1.地質(zhì)因素1）巖體結(jié)構(gòu)特征1401）巖體結(jié)構(gòu)特征巖體的結(jié)構(gòu)特征是長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，是控制巖體破壞形態(tài)的關(guān)鍵。從穩(wěn)定性分級(jí)的角度來(lái)看，巖體的結(jié)構(gòu)特征可以簡(jiǎn)單地用巖體的破碎程度或完整性來(lái)表示，在某種程度上它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用的嚴(yán)重程度。實(shí)踐證明，圍巖的破碎程度對(duì)洞室的穩(wěn)定與否起主導(dǎo)作用，在相同巖性的條件下，巖體愈破碎，洞室就愈容易失穩(wěn)。因此，在近代圍巖分級(jí)（類(lèi)）法中，都已將巖體的破碎程度或完整狀態(tài)作為分級(jí)（類(lèi)）的基本指標(biāo)之一。1）巖體結(jié)構(gòu)特征巖體的結(jié)構(gòu)特征是長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)構(gòu)141

巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小及這些巖塊的組合排列形態(tài)。巖塊的大小通常都用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙間距等指標(biāo)表示。

裂隙率是指沿裂隙法線(xiàn)方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的裂隙數(shù)目，裂隙間距則是指沿裂隙線(xiàn)法線(xiàn)方向上裂隙間的距離。巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小1422）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是：軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及它們?cè)诳臻g的組合狀態(tài)。對(duì)于地下洞室來(lái)說(shuō)，圍巖中存在單一的軟弱面，一般不會(huì)影響洞室的穩(wěn)定性。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)面與洞室軸線(xiàn)的相互關(guān)系不利時(shí)，或者出現(xiàn)兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面時(shí)，才能構(gòu)成容易墜落的分離巖塊。

2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖143例如，有兩組平行但傾向相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或斜交得陡傾結(jié)構(gòu)面，就可能構(gòu)成屋脊形分離巖塊（如圖2-13）。巖塊是否會(huì)滑動(dòng)或塌落則與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度與巖塊之間的相互聯(lián)鎖作用有關(guān)。例如，有兩組平行但傾向相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或144在圍巖分級(jí)（類(lèi)）中，可以從下述的5個(gè)方面來(lái)研究結(jié)構(gòu)面對(duì)地下工程圍巖穩(wěn)定性影響的大?。海?）結(jié)構(gòu)面的成因及其發(fā)展史；（2）結(jié)構(gòu)面的平整、光滑程度；（3）結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及其充填物質(zhì)情況；（4）結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與方向性；（5）結(jié)構(gòu)面的密度與組數(shù)。在圍巖分級(jí)（類(lèi)）中，可以從下述的5個(gè)方面來(lái)研1453）巖石的力學(xué)性質(zhì)在整體結(jié)構(gòu)的巖體中，控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學(xué)性質(zhì)，尤其是巖石的強(qiáng)度。在圍巖分級(jí)（類(lèi)）中所說(shuō)的巖石強(qiáng)度指標(biāo)，都是指巖石的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度。巖石強(qiáng)度還影響圍巖失穩(wěn)破壞的形態(tài)，輕度高的硬巖多表現(xiàn)為脆性破壞，如巖爆；而在強(qiáng)度低的軟巖，則以塑性變形為主。3）巖石的力學(xué)性質(zhì)1464）圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)是地下工程圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。4）圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)1475）地下水狀況

隧道等地下工程施工的實(shí)踐證明，地下水是造成施工塌方、使圍巖喪失穩(wěn)定的最重要因素之一。在巖性不同的巖體中，水的影響也是不相同的，歸納起來(lái)有如下幾種：

（1）使巖質(zhì)軟化，強(qiáng)度降低，對(duì)軟巖尤其突出；對(duì)土體則可促使其液化或流動(dòng)；（2）在有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體中，會(huì)沖走充填物質(zhì)或使夾層軟化，減少層間摩阻力，促使巖塊滑動(dòng)；（3）在某些巖體中，如含有生石膏、巖鹽或以蒙脫土為主的粘土巖，遇水后將產(chǎn)生膨脹，其勢(shì)能很大；在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中，水的存在可以產(chǎn)生流砂和潛蝕。因此，在圍巖分級(jí)（類(lèi)）中，對(duì)軟巖、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)巖體、有軟弱結(jié)構(gòu)面的層狀巖體及膨脹巖等，應(yīng)著重考慮地下水的影響。5）地下水狀況隧道等地下工程施工的實(shí)踐證明，148在目前的分級(jí)（類(lèi)）中，對(duì)地下水的處理方法有3種：

在分級(jí)（類(lèi)）時(shí)不將水的影響直接考慮進(jìn)去，而是根據(jù)圍巖受地下水影響的程度，適當(dāng)降低圍巖的等級(jí)；分級(jí)（類(lèi)）時(shí)按有水情況考慮，當(dāng)確認(rèn)圍巖無(wú)水則可提高圍巖的等級(jí)；直接將地下水的狀況（水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓等）作為一個(gè)分級(jí)（類(lèi)）的指標(biāo)。在目前的分級(jí)（類(lèi)）中，對(duì)地下水的處理方法有3種：1492.工程活動(dòng)所造成的人為因素

施工等人為因素也是造成圍巖失穩(wěn)的重要條件，其中尤其以洞室的尺寸（主要指跨度）、形狀及施工中所采用的開(kāi)挖方法等影響較為顯著。1）洞室的形狀和尺寸實(shí)踐證明，在同一級(jí)（類(lèi)）圍巖中，洞室跨度愈大，圍巖的穩(wěn)定性就愈差；因?yàn)閹r體的破碎程度相對(duì)加大了。裂隙間距在0.4～1.0m左右的巖體，對(duì)中等跨度（5～10m）的洞室而言，是大塊狀的；但對(duì)大跨度（>15m）的洞室來(lái)說(shuō)，只能算是碎塊狀的。2.工程活動(dòng)所造成的人為因素施工等人為因素也150

因此，在當(dāng)前的圍巖分級(jí)（類(lèi)）法中，有的就明確指出分級(jí)（類(lèi)）法的適用跨度范圍；有的則采用相對(duì)裂隙間距，即裂隙間距與洞室跨度的比值作為分級(jí)（類(lèi)）的指標(biāo)。例如，相對(duì)裂隙間距為1/5的屬完整的；1/5～1/20范圍內(nèi)的屬破碎的；大于1/20的屬極度破碎的。

但也有人反對(duì)這樣，人為將跨度引進(jìn)圍巖分級(jí)（類(lèi)）法中會(huì)造成對(duì)巖體結(jié)構(gòu)概念的混亂和誤解。比較通用的做法，是將跨度的影響放在確定圍巖壓力值與支護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型和尺寸時(shí)考慮，這樣將分級(jí)（類(lèi)）問(wèn)題簡(jiǎn)化了。因此，在當(dāng)前的圍巖分級(jí)（類(lèi)）法中，有的就明151

地下洞室的形狀主要影響開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。圓形或橢圓形洞室圍巖應(yīng)力狀態(tài)以壓應(yīng)力為主，這對(duì)維持圍巖的穩(wěn)定性是有好處的。矩形或梯形洞室，在頂板處將出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致巖體張裂破壞。但目前各種分級(jí)（類(lèi)）法中都沒(méi)考慮拉應(yīng)力因素。