《隧道工程》课件第2讲隧道工程地质环境及围岩分级

隧道工程地质调查与勘测施工地质超前预报岩体的基本工程性质围岩分级第二章隧道工程地质环境及围岩分级 第一节隧道工程地质调查与勘测第二章隧道工程地质环境及围岩分级一、工程地质调查测绘1、铁路工程地质技术规范的总要求(1)查明隧道通过地段的地形、地貌、地层、岩性、构造。(2)查明隧道明否通过煤层、膨胀性地层及有害气体等。(3)查明不良地质、特殊地质对隧道的影响，特别是对洞口位置及边、仰坡的影响，提出工程措施意见。(4)查明隧道附近井、泉分布情况，分析隧道地区的水文地质条件，判明地下水类型、水质及补给来源，预测地下水的侵蚀性和洞身分段涌水量。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级1、铁路工程地质技术规范的总要求(5)对于深埋隧道，应作隧道地温升温预测，考虑岩爆可能。(6)综合分析，确定隧道围岩分级。(7)对洞口需接长明洞地段，应查明明洞基底情况。(8)查明辅助坑道的工程地质条件。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级2、地形地貌调查查明山体形态和坡度、垭口及分水岭分布，以及其自然形态与地质构造、河流切割的关系。3、地层、岩性调查查明地层时代、岩性及变化，特别注意岩层顺序和厚度、岩性特征和物理力学性质以及岩石风化程度。4、地质构造调查是地质调查的核心，重点包括褶皱、断层、节理、侵入体或岩脉等。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级5、水文地质调查主要包括井泉分布、泉水类型、主要含水层和隔水层岩性及分布、河流及水库的分布，岩溶区岩溶漏斗、暗河位置。6、滑坡、落石、岩堆、泥石流和岩溶地质调查主要查明这些不良地质是否存在及性质、位置、范围，对隧道的危害程度。7、地温测定深埋隧道，深度每增加100m，温度增加3度，会对施工人员造成危害。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级二、勘探、测试工作要求1、铁路工程地质技术规范对勘探测试工作的总要求(1)钻孔布置(2)钻探深度(3)遇地下水时，应探明含水层位置及厚度，并作相应分析。(4)室内及现场试验，掌握岩土体的物理力学性质。(5)对有害矿体和气体，进行定性、定量分析。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级2、勘探阶段及工作要求阶段分为初测阶段和定测阶段。(1)初测要求：工程地质纵断面图、分段围岩分级。(2)定测要求：单独工点的图表资料。 第二节施工地质超前预报第二章隧道工程地质环境及围岩分级一、地质超前预报的内容1.地区地质分析与宏观地质预报2.不良地质及灾害地质超前预报3.重大施工地质灾害临警预报 第二章隧道工程地质环境及围岩分级二、地质超前预报的方法1.地质分析法2.超前平行导坑预报法3.超前水平钻孔法4.物理探测法利用物体物性差异进行地质判断的间接方法。(1)TGP12隧道地质预报系统(2)TSP超前预报系统 第二章隧道工程地质环境及围岩分级 第二章隧道工程地质环境及围岩分级(3)负视速度法 第二章隧道工程地质环境及围岩分级(4)水平声波反射法(5)地质雷达法 第二章隧道工程地质环境及围岩分级(6)红外探水法4.特殊灾害地质的预测方法三、地质超前预报方法的应用原则 第三节岩体的基本工程性质第二章隧道工程地质环境及围岩分级一、岩体处于一定的天然应力作用之下岩体在天然状态下所具有的内在应力，称之为岩体的初始应力，也有人叫它为地应力。岩体的初始应力，主要是由于岩体的自重和地质构造作用和地质地温作用引起的。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级假定岩体是均一连续介质1.重力应力场zyyxσxσzσyλ为侧压力系数 第二章隧道工程地质环境及围岩分级由于地质构造运动的作用，使得岩体内积存了一定的应力，称它为构造应力。2.构造应力场现场实测指出，岩体的构造应力往往与埋深密切相关，它随着深度的增加而增加。构造应力一般来讲，其水平应力大于垂直应力。构造应力一般采取现场应力量测的方法来得到。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级相同的天然岩体其物理力学性质随在岩体中所测点的空间位置不同而有差异，呈现出岩体的不均匀性。二、岩体的物理力学性质的不均匀性 第二章隧道工程地质环境及围岩分级所谓结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低的地质界面(或带)。三、岩体是由结构面分割的多裂隙体(1)原生结构面：指岩体形成过程中形成的结构面和构造面。(2)构造结构面：岩体形成后，由于地壳构造运动在岩体中产生的各种断裂面。(3)次生结构面：指在外营力作用下产生的风化裂隙面及卸荷裂隙面等。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩体中由于岩石的结构、构造具有方向性，使岩体强度、变形，甚至渗透等性质在不同方向上显示出差异，称为岩体的各向异性。四、岩体具有各向异性 第二章隧道工程地质环境及围岩分级风化岩石按风化剧烈的程度分成若干级(或带)：风化极严重、风化严重、风化颇重、风化轻微和未经风化五级。风化系统分为全风化带、强风化带、半风化带、弱风化带和微风化带(新鲜)五带。五、岩体具有可变性用软化系数来表示岩石的软化性。一般规定软化系数小于0.75的岩石，叫软化岩石。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级六、单向应力状态下岩石的变形特征1.单轴压缩时应力－应变曲线εADCBσOOA段为裂隙压密阶段AB为直线段，表示线弹性的特征BC段为曲线段，表示弹塑性的特征CD为软化曲线段，表示岩石峰值后的特征 第二章隧道工程地质环境及围岩分级2.弹性模量OB是曲线在原点O的切线，它的斜率表示初始切线模量；CD是A点的切线，它的斜率表示A点的切线模量Ee；割线OA的斜率表示割线模量或者平均割线模量Es。σσ1ε1ACBODεA点所对应的应力σ1等于抗压强度σc的一半。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级七、三轴压缩下岩石的强度及变形特性可分为两种试验方式：主应力σ1>σ2=σ3的情况，称为常规三轴试验或称为三轴试验；σ1>σ2>σ3的情况称为真三轴试验。岩石的三轴压缩强度，通常是轴压与围压按同一比例连续施加，当到达预定的围压值后，维持围压不变，轴向继续按同一比例加载至破坏。破坏时的岩石三轴压缩强度为： 第二章隧道工程地质环境及围岩分级七、三轴压缩下岩石的强度及变形特性用不同的σ3，可得到不同的σ1，而用多组σ1和σ3，则可绘制出莫尔圆和莫尔包络线。式中，σ1、σ2、σ3为岩石三轴压缩强度；Pm为试件在围压σm作用下的极限轴向压力；A为试件初始横截面积。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级σ(MPa)τ(MPa)010050100200 第二章隧道工程地质环境及围岩分级七、三轴压缩下岩石的强度及变形特性804.99.819.639.278.458.5σ(MPa)2.45ε×10-3围压P(MPa)60402004080120160200240随着围压值的增高，峰值强度及其所对应的位移量均增大。残余强度及其所对应的位移量也提高，且使峰值强度后区曲线变得平缓。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级七、三轴压缩下岩石的强度及变形特性岩石在一定侧限压力下，呈现出后区下降曲线和残余强度，其破坏为脆性破坏。当超过某侧限压力时，岩石强度随变形增大而增大，呈现明显的塑性强化变形和塑性变形破坏。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩石试件在高围压下表现出塑性(或延性)变形的原因是：①附加压力往往使应力状态发生改变；②在高围压下，使得早就存在的微裂隙密合；③在高围压下会改变发生在变形过程中的物理性质，而这些性质的改变，都是发生塑性变形的基础。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级八、裂隙岩体的强度性质试验研究结果表明，裂隙岩体的强度随着裂隙组数的增加明显减小，但当裂隙组数增加到一定程度之后，强度不再继续降低，而接近岩石的残余强度。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩体的强度：式中——岩石试件强度；表裂隙组数对岩体强度影响的试验结果——岩体构造削弱系数。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩石的质量指标：以岩芯未破坏岩块(大于10cm)的总长与所取岩芯总长L的比值 第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩体完整性指数：现场测定的岩体弹性波速度v的平方与同种岩石试件弹性波速度v0的平方的比值。岩体抗压强度与弹性波速度之间的关系 第四节围岩分级第二章隧道工程地质环境及围岩分级一、概述围岩的概念围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体(这里所指的岩体是土体与岩体的总称)。在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的性态是不同的，可归纳为充分稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定四种。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级围岩分级的概念各种围岩的物理性质之间存在一定的内在联系和规律，依照这些联系和规律，可将围岩划分为若干级，这就是围岩分级。目前，隧道围岩分级是设计、施工的基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基础上的）。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级围岩分级的目的是：①作为选择施工方法的依据；②进行科学管理及正确评价经济效益；③确定结构上的荷载(松散荷载)；④给出衬砌结构的类型及其尺寸；⑤制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级比较理想的分级方法是：①准确客观，有定量指标，尽量减少因人而异的随机性；②便于操作使用，适于一般勘测单位所具备的技术装备水平；③最好在挖开地层前得到结论。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级人们对围岩的认识是不断深入的从国外的情况看：土石方工程分类法(开挖难易程度)岩石的坚固性来分类:如坚固性系数fRQD从围岩稳定性出发分类来代替多年沿用的坚固性为基础的分类 第二章隧道工程地质环境及围岩分级从分级指标方面：大多数从定性描述经验判断定量描述以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是隧道围岩分级的总趋势。另外的发展趋势：以岩体为对象、与地质勘探结合、与设计施工结合、定量化。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级二、影响围岩稳定性的主要因素(1)岩体结构特征岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小及这些岩块的组合排列形态。1.地质因素 第二章隧道工程地质环境及围岩分级(2)结构面性质和空间的组合在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质及它们在空间的组合状态。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级从下述的5个方面来研究结构面对地下工程围岩稳定性影响的大小：①结构面的成因及其发展史；②结构面的平整、光滑程度；③结构面的物质组成及其充填物质情况；④结构面的规模与方向性；⑤结构面的密度与组数。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级(3)岩石的力学性质在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质，尤其是岩石的强度。一般来说，岩石强度越高，洞室越稳定。(4)围岩的初始应力场围岩的初始应力场是地下工程围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级(5)地下水状况地下水对围岩的影响主要表现在：①软化围岩；②软化结构面；③承压水作用。2.工程活动所造成的人为因素(1)地下洞室尺寸和形状在同一级(类)围岩中，洞室跨度愈大，围岩的稳定性就愈差； 第二章隧道工程地质环境及围岩分级地下洞室的形状主要影响开挖后围岩的应力状态。(2)施工中采用的开挖方法开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为明显，在分级(类)中必须予以考虑。三、分级(类)的因素指标及其选择1.单一的岩性指标包括岩石的抗压和抗拉强度、岩石坚固性系数f、弹性模量等物理力学参数，以及如抗钻性、抗爆性等工程指标。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级2.单一的综合岩性指标它表明指标是单一的，但反映的因素却是综合的。“岩石质量指标”(RQD—RockQualityDesignation)也是反映岩体破碎程度和岩石强度的综合指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级洞室围岩自稳的时间ts式中，L——坑道未支护地段的长度；α——视围岩情况在0~1之间变化，好的岩体可取α＝0，极差的α＝1.0；C——视围岩条件而定的系数。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级3.复合指标(1)巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量Q”，Q与6个表明岩体质量的地质参数有关，表示为式中，RQD为岩石质量指标；Jn为节理组数目；Jr为节理粗糙度；Ja为节理蚀变值；Jw为节理含水折减系数；SRF为初始应力折减系数。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级(2)我国总参工程兵坑道工程围岩分类中所采用的岩体质量指标Rm和应力比S。式中，Rc——岩石单轴饱和极限抗压强度；Kv——岩体完整性系数，岩体愈完整，取值愈大，变化范围为1.0~0.08，由实测确定；Kw——地下水影响减折系数，变化范围为1.0~0.4，无水时取1.0，视具体情况由经验确定； 第二章隧道工程地质环境及围岩分级KJ——岩层面产状要素影响折减系数，变化范围为1.0~0.5。式中，σm——最大的垂直地应力。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级(3)《水工隧洞设计规范)(SL279-2002)围岩工程地质分类和国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086－2001)所采用的围岩/岩体强度应力比S，S综合考虑了岩石强度、岩体完整性和地应力的因素。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级式中，Rc——岩石饱和单轴抗压强度；Kv——岩体完整性系数；σm——围岩的最大主应力；σ1——垂直洞轴线的较大主应力。(4)国标《工程岩体分级标准》(GB50218－94)也采用了两个复合指标——岩体基本质量指标BQ和修正的岩体基本质量指标[BQ]． 第二章隧道工程地质环境及围岩分级根据以上对分级(类)指标的分析，可以得到如下的结论：①应选择对围岩稳定性(主要表现在变形破坏特性上)有重大影响的主要因素；②选择测试设备比较简单、人为性小、科学性较强的定量指标；③主要分级(类)指标要有一定的综合性，最好采用复合指标，以便全面、充分地反映围岩的工程性质，并应有足够的实测资料为基础。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级目前铁路隧道围岩分级采用两种方法，即以围岩稳定为基础的分级方法和按弹性波(纵波)速度的分级方法。四、国内主要地下工程围岩分级(类)标准(一)《铁路隧道设计规范》的围岩分级1.围岩分级的基本因素(1)岩石坚硬程度根据单轴饱和极限抗压强度Rc分为5级，即极硬岩、硬质岩、较软岩、软岩、极软岩。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩石坚硬程度的划分 第二章隧道工程地质环境及围岩分级(2)岩体的完整程度主要是指围岩被各种结构面切割成单元体的特征及其被切割后的块度大小。它是评价围岩稳定程度最直接、最重要的指标。为了衡量围岩的完整程度要考虑的因素：按照软弱面的产状、贯通性以及充填物的情况，可将围岩分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。按照围岩受地质构造影响的程度，可将围岩分为：构造变动轻微、较重、严重、很严重。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级按照节理(裂隙)发育程度的不同又分为：节理不发育、节理较发育、节理发育及节理很发育。按照岩体风化程度的不同将围岩分为：风化轻微、较重、严重、极严重四级。岩体完整程度划分 第二章隧道工程地质环境及围岩分级2.围岩基本分级及其修正(1)基本分级《铁路隧道设计规范》将单、双线铁路隧道的围岩划分为六级。(2)隧道级别的修正地下水影响的修正根据单位时间的渗水量可将地下水状态分为3级。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级铁路隧道围岩分级 第二章隧道工程地质环境及围岩分级地下水状态的分级根据地下水状态对围岩级别进行修正。地下水影响的修正 第二章隧道工程地质环境及围岩分级围岩初始地应力状态修正初始地应力状态评估 第二章隧道工程地质环境及围岩分级初始地应力影响的修正风化作用的影响隧道洞深埋深较浅，应根据围岩受地表的影响情况进行围岩级别修正。当围岩为风化层时应按风化层的围岩基本分级考虑。围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低1~2级。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级采取两步走的方法：先确定岩体基本质量；再结合具体工程的特点确定岩体级别。(二)国标《工程岩体分级标准》(GB50218-94)1.分级因素及其确定方法本分级标准认为岩体基本质量应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。岩体完整程度可分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。岩体完整程度划分的定量指标采用岩体完整性指数Kv。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系2.岩体基本质量分级岩体基本质量分级可根据上述的分级因素结合岩体基本质量指标BQ进行。岩体基本质量指标BQ应根据Rc的兆帕数值和Kv值计算而得。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级BQ=90+3Rc+250Kv当Rc＞90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入式计算BQ值；当Kv＞0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入式计算BQ值。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩体基本质量分级 第二章隧道工程地质环境及围岩分级3.工程岩体级别的确定修正的岩体基本质量指标[BQ][BQ]=BQ－100(K1十K2十K3)式中，[BQ]——岩体基本质量指标修正值；BQ——岩体基本质量指标；K1——地下水影响修正系数；K2——软弱结构面产状影响修正系数；K3——初始应力状态影响修正系数。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级地下水影响修正系数K1 第二章隧道工程地质环境及围岩分级主要软弱结构面产状影响系数K2初始应力状态影响修正系数K3 第二章隧道工程地质环境及围岩分级4.地下工程岩体自稳能力根据[BQ]值可重新确定工程岩体的质量级别。地下工程岩体自稳能力 第二章隧道工程地质环境及围岩分级2003年发布的《地铁设计规范》(GB50157-2003)规定：暗挖结构的围岩分级按现行《铁路隧道设计规范》确定。(三)《地铁设计规范》的围岩分级(四)《公路隧道设计规范》的围岩分级《公路隧道设计规范)(JTGD70－2004)围岩分级的思路、方法和采用的分级指标与国标《工程岩体分级标准》(GB50218－94)完全相同，即采用了两步分级法，只是分级的对象范围更广，包括了土体。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级公路隧道围岩分级 第二章隧道工程地质环境及围岩分级根据单一岩性指标——单轴饱和抗压强度和复合指标——岩体质量指标Rm及应力比S，将围岩分为3种5大类。(五)总参工程兵《坑道工程》围岩分类总参工程兵坑道工程围岩分类 第二章隧道工程地质环境及围岩分级规范规定：水工隧洞的围岩分类，岩洞按《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99)的规定执行，土洞按《土工试验规程》(SL237-1999)的规定执行。(六)《水工隧洞设计规范》的围岩分级《水利水电工程地质勘察规范》的围岩工程地质分类以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状5项因素之和的总评分为基本判据，围岩强度应力比S为限定判据。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级水工隧洞围岩工程地质分类围岩总评分T是5项因素的评分之和。岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水状态、主要结构面产状这5项因素的评分都有一定的评分标准。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级规范规定：围岩级别的划分，应根据岩石坚硬性、岩体完整性、结构面特征、地下水和地应力状况等因素综合确定。(七)《锚杆喷射混凝土支护技术规范》的围岩分级五、国外主要围岩分类系统简介(一)挪威Q系统Q系统主要以Q值来评价岩体质量的优劣。根据不同的Q值，将岩体质量评为9等。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩体质量评估(二)南非RMR系统RMR系统以RMR(RockMassRating)值来代表岩体的质量或称稳定性，主要针对下列6个评估因素及指标，对影响围岩稳定性的各主要因素进行评分，并以其合计总值作为岩体的RMR值。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级影响围岩稳定性的因素和指标及所占分值如下：(1)岩体强度，0~15；(2)岩石质量指标RQD，3~20；(3)节理间距，5~20：(4)节理状况，0~30；(5)地下水情况，0~15；(6)节理产状及组合关系，－12~0。 第二章隧道工程地质环境及围岩分级RMR系统依RMR值之高低，将围岩分为5类，并提供不同隧道跨度围岩的无支护自稳时间，以及各类围岩的凝聚力(c)与内摩擦角(φ)。RMR系统围岩的评分值、自稳时间及强度参数 重点、难点内容1.岩体的基本力学性质有哪些？2.围岩、围岩分级的定义，围岩分级的目的。3.在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的性态。4.影响围岩稳定性的主要因素有哪些？5.简述我国铁路隧道设计规范的围岩分级方法。