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75%<
RQD<
90%为良好;
50%<
75%为好;
25%<
50%为差;
RQD<
25%为很差。
围岩的自稳时间以被以为是综合岩性目的,隧道开挖后,围岩通常都有一段暂时动摇的时间,不同的地质环境,自稳时间是不同的,劳费〔H.Lauffer〕以为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示:
ts=常数×
L-(1+a)〔5.1.2〕
式中:
L-隧道未支护地段的长度;
a-视围岩状况在0~1之间变化,好的岩体可取a=0;
极差的a=1。
劳费〔H.Lauffer〕依据围岩的自稳时间和未支护地段的长度,将围岩分为:
动摇的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的七级。
详细的取值规范可参考有关专著。
单一综合岩性目的普通与地质勘察技术的水平有关,因此,其运用遭到一定的限制。
3.复合目的
是一种用两个或两个以上的岩性目的或综合岩性目的所表示的复合性目的。
具有代表性的复合目的分级,是巴顿〔N.Barton〕等人提出的岩体质量-Q目的,Q综合表达了岩体质量的六个地质参数,见下式:
Q=〔RQD/Jh〕(Jr/Ja)(Jw/SRF)〔5.1.3〕
式中RQD-岩石质量目的,其取值方法见式〔5-1〕;
Jh-节理组数目,岩体愈破碎,Jh取值愈大,可参考以下阅历数值;
没有或很少节理,Jh=0.5~1.0;
两个节理组时,Jh=4;
破碎岩体时,Jh=20。
Jr-节理粗糙度,节理愈润滑,Jr取值愈小,可参考以下阅历数值;
不延续节理,Jr=4;
平整润滑节理,Jr=0.5等。
Ja-节理蚀变值,蚀变愈严重,Ja取值愈大,可参考以下阅历数值;
节理面严密结合,节理中填充物稳固不硬化,Ja=0.75;
节理中填充物是收缩性粘土,如蒙脱土,Ja=8~12等。
Jw-节理含水折减系数,节理渗水量愈大,水压愈高,Jw取值愈小,可参考以下阅历数值;
微量渗水,水压<
0.1Mpa,Jw=1.0;
渗水量大,水压特别高,继续时间长,Jw=0.1~0.05等。
SRF-应力折减系数,围岩初始应力愈高,SRF取值愈大。
可参考以下阅历数值;
脆性而稳固、有严重岩爆现象的岩石,SRF=10~20;
稳固、有单一剪切带的岩石,SRF=2.5。
以上六个参数的详细说明和取值规范可参考有关专著。
这六个地质参数表达了岩体的岩块大小〔RQD/Jh〕、岩块的抗剪强度〔Jr/Ja〕、作用应力〔Jw/SRF〕。
因此,岩体质量Q实践上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力的复合目的。
依据不同的Q值,岩体质量评为九级,见表5.1.1。
表5.1.1岩体质量评价
岩体质量
特别好
极好
良好
好
中等
不良
坏
极坏
特别坏
Q
400~1000
100~400
40~100
10~40
4~10
1~4
0.1~1
0.001~0.1
0.001~0.01
复合目的是思索多种要素的影响,对判别隧道围岩的动摇性是比拟合理牢靠的,它可以依据工程对象的要求,选择不同的目的。
但是,复合目的的定量数值,普通是经过实验、现场实测或凭阅历确定的,带有较大的客观要素。
经过以上剖析,对隧道围岩的分级,首先应思索选择的围岩动摇性有严重影响的主要要素,如岩石强度、岩体的完整性、地下水、地应力、结构面产状、以及他们的组合关系作为分级目的;
其次选择测试设备比拟复杂、人为要素小、迷信性较强的定量目的;
在思索分级目的要有一定的综合性,如复合目的等。
总之,应有足够的实测资料为基础,能片面反映围岩的工程性质。
5.1.2隧道围岩分级的方法
国际外隧道围岩分级的方法较多,所采用的目的也不同,但都是在隧道工程的实际基础上逐渐树立起来的,随着人们对隧道工程、地质环境之间相互关系的看法和了解,其围岩分级方法也在逐渐深化和提高。
开展进程大体有以下几类型:
1.按岩石强度为单一岩性目的的分级法,具有代表意义的是我国工程界普遍采用的岩石稳固系数〝f〞值分级法。
这种方法的优点是目的单一,运用方便,尤其是在f值分类法中,还将定量目的f值与作用在支护结构上的围岩压力直接联络起来,给设计和施工带来较大的方便。
缺陷是不能片面地反映岩体固有的性态。
2.按岩体结构和岩性特征为代表的分级法,如泰沙基分级法,1975年我国铁路工程技术规范中所采用的铁路隧道围岩分级法,属于这一类。
这类方法的优点是正确地思索了地质结构特征、风化状况、地下水状况等多种要素对隧道围岩动摇性的影响,并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。
缺陷是分级目的还缺乏定量描画,没有提供牢靠的预测隧道围岩级别的方法,在一定水平上要等到隧道开挖后才干确定。
3.与地质勘察手腕相联络的分级法。
如1979年前后日本提出的按围岩弹性波速度停止分级方法、岩芯恢复率分级法等,属于这一范围。
这类方法的优点是分级目的大体上是半定量的,同时思索了多种要素的影响;
其点是分级的判别还带有一定的客观性,如弹性波速度低,能够是有岩体完整,但岩质坚实;
地质稳固,但比拟破碎;
地形上局部上下相差悬殊等几种缘由惹起的,就弹性波速度这一个目的,就很难客观地下出正确的结论。
4.多种要素的组合分级法。
如岩体质量〝Q〞法,我国国防工程围岩分级法等,属于这个范围。
这类方法是以后围岩分类法的开展方向,优点很多,只是局部定量目的仍需凭阅历确定。
5.以工程对象为代表的分类法。
如专门适用于喷锚支护的原国度建委公布的围岩分类法(1979年),苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法(1966年),属于这一范围。
这类方法的优点是目的明白,而且和支护尺寸直接挂钩,运用方便,能指点施工。
但分级目的以定性描画为主,带有很大的人为要素。
依据上述引见可知,隧道围岩分类方法有简有繁,并无一致格式。
目前,国际外许多学者都以为,隧道围岩分级的详细水平,在工程树立的不同阶段应有所不同。
在工程规划和初步期计阶段的围岩分级,可以定性评价为主,判别的依据主要来源于地表的地质测绘以及局部的勘察任务,在工程设计和施工阶段,围岩分级应为专门的目的效劳。
如为设计提供依据的围岩分级,其判别依据主要是地质测绘资料、地质详勘资料、岩石和岩体的室内和现场实验数据。
分级目的普通是半定量和定性的。
为隧道施工钻爆提供依据的围岩分级,主要应用各种量测和观测到的实践资料对围岩分级停止补充修正,此时的分级的依据是岩体暴露后的实践值。
围岩分级的分阶段实施,是由于围岩分级除了取决于地质条件外,还和工程规模、外形、施工工艺等技术条件有关。
不同阶段的地质勘察、实验研讨、任务顺序可用图5.1.1所示的框图来表示。
图5.1.1工程各阶段围岩分级系统框图
5.1.3我国公路隧道围岩分级
经过临时的隧道工程实际,我国公路隧道以铁路隧道围岩分级的规范为基础,参考了国际外有关围岩分级的效果,提出了适宜我国公路隧道实情的围岩分级规范,下面引见围岩分级的动身点和依据。
〔一〕公路隧道围岩分级的动身点
主要思索了以下几点:
1.强调岩体的地质特征的完整性和动摇性,防止单一的岩石强度目的分级的方法;
2.分级目的应采用定性和定量目的相结合的方式;
3.明白工程目的和内容,并提出相应的措施;
4.分级应简明,便于运用;
5.应思索吸收其它围岩分级的优点,并尽量和我国其它工程分级分歧。
〔二〕分级的目的和要素
主要思索了以下几类影响围岩动摇性的要素;
1.岩体的结构特征与完整性
岩体结构的完整形状是影响围岩动摇性的主要要素,目前主要是依据表5.1.2停止划分的,当风化作用使岩体结构发作变化,松懈、破碎、软硬不一时,应结合因风化作用形成的各种状况,综合思索确定围岩的结构完整形状;
结构面〔节理〕发育水平应依据结构面特征,按表5.1.3确定;
地质结构影响水平按表5.1.4确定。
表5.1.2岩体完整水平的等级划分
等级
结构面发育水平
地质结构影响水平
完整
不发育
细微
较完整
较发育、不发育
较严重、细微
较破碎
发育、较发育
严重、较严重
破碎
极发育、发育
极严重、严重
极破碎
极发育
极严重
表5.1.3围岩结构面(节理)发育水平等级划分
结构面〔节理〕发育水平
结构面〔节理〕组数及平均间距〔m〕
主要结构面〔节理〕的类型
岩体结构类型
1—2组
平均间距>
1.0
为原生型或构外型密闭
巨块状结构
较发育
2~3组
0.4
呈X形,较规那么,以构外型为主,
少数为密闭局部微张,少有充填物
大块状结构
发育
>
3组
平均间距<
不规那么,呈X形或米字形;
以构外型或
风化型为主,大局部张开,局部有充填物
块石和碎石状
很发育
3组,杂乱,
0.2
以风化型和构外型为主,
微张或张开,均有充填物
碎石状
表5.1.4围岩受地质结构影响水平等级划分
地质结构作用特征
围岩地质结构变化小,无断裂(层);
层状岩普通呈单斜结构;
节理不发育
较重
围岩地质结构变化较大,位于断裂(层)或褶曲轴的临近地段,可有小断层,节理较发育
严重
围岩地质结构变化剧烈,位于褶曲轴部或断裂影响带内;
软岩多见歪曲及拖延现象;
节理发育
很严重
位于断裂破碎带内,节理很发育;
岩体破碎呈碎石、角砾状,有的甚至呈粉末、土状
2.岩石强度
将岩浆岩、堆积岩、蜕变岩按岩性、物理力学参数、耐风化才干和作为修建资料的要求划分为硬质岩石及软质岩石二级,依饱和抗压极限强度Rb与工程的关系分为四种,其规范及代表性岩石见表5.1.5;
当风化作用使岩石成分改动、强度降低时,应按风化后之强度确定岩石等级。
表5.1.5岩石等级划分
岩石等级
饱和抗压
极限强度
耐风化才干
代表性岩石
Rb(MPa)
水平
现象
硬
质
岩
石
极
硬
石
>60
强
暴露后1、2年尚不易风化
1.花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩类
2.硅质、铁质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等堆积岩类
3.片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等蜕变岩类
质
岩
>30
软
石
岩
5以上~30
弱
暴露后
数日至
数月即
出现风
1.凝灰岩等喷出岩类
2.泥砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、灰质页岩、泥灰岩、泥岩、劣煤等堆积岩类
3.云母片岩和干枚岩等蜕变岩类
极
软
≤5
化壳
3.地下水
在公路隧道围岩的分级中,遇有地下水时,普通的处置采用升级的方法,可按以下原那么调整围岩级别:
在VI级围岩或属于V级的硬质岩石中,普通地下水对其动摇性影响不大,可不思索降低;
在VI级围岩或属于V级的软质岩石,应依据地下水的性质、水量大小和危害水平调整围岩级别,外地下水影响围岩动摇发生局部坍塌或硬化软弱面时,可酌情降低l级;
III级、II级围岩已成碎石状松懈结构,裂隙中有粘性土充填物,地下水对围岩动摇性影响较大,可依据地下水的性质、水量大小、渗流条件、动水和静水压力等状况,判别其对围岩的危害水平,可降低1~2级;
在I级围岩中,分级中已思索了普通含水地质状况的影响,在特殊含水地层,需另作处置。
〔三〕公路隧道围岩分级
依据以上对分级要素和目的的剖析,公路隧道围岩分级将围岩分为六级,给出了各级围岩的主要工程地质特征、结构特征和完整性等目的并预测了隧道开挖后,能够出现的坍方、滑动、收缩、挤出、岩爆、突然涌水及瓦斯突出等失稳的部位和地段,给出了相应的工程措施。
见表5.1.6。
表5.1.6公路隧道围岩分类
级别
围岩主要工程地质条件
围岩开挖后的动摇形状
主要工程地质条件
结构特征和完整形状
V1
硬质岩石(饱和抗压极限强度Rb>60MPa),受地质结构影响细微,节理不发育,无软弱面(或夹层);
层状岩层为厚层,层间结合良好
呈巨块状全体结构
围岩动摇、无坍塌,能够产少岩爆
V
硬质岩石(Rb>30MPa),受地质结构影响较重,节理较发育,有大批软弱面(或夹层)和贯串微张节理,但其产状及组合关系不致发生滑动,层状岩层为中层或厚层,层间结合普通,很少有分别现象,或为硬质岩石偶夹软质岩石
呈大块状砌体结构
暴露时间长,能够出现局部小坍塌;
侧壁动摇;
层间结合差的陡峭岩层,顶板易塌落
软质岩石(Rb≈30MPa),受地质结构影响细微,节理不发育;
IV
硬质岩石(Rb>30MPa),受地质结构影响严重,节理发育,有层伏软弱面(或夹层),但其产状及组合关系尚不致发生滑动;
层状岩层为薄层或中层,层间结合差,多有分别现象;
或为硬、软质岩石互层
呈块(石)碎(石)状镶嵌结构
拱部无支护时可产中
小坍塌,那么壁基本动摇,爆破振动过大易塌
软质岩石(Rb=5以上~30MPu),受地质结构影响严重,节理较发育;
层状岩层为薄层、中层或厚层,层间结合普通
III
硬质岩石(Rb(>30MPa),受地质结构影响很严重,节理很发育,层状软弱面(或夹层)巳基本被破坏
呈碎石状压碎结构
拱部无支护时,可产
生较大的坍塌;
侧壁有
时失掉动摇
软质岩石((Rb=5以上~3.0助Pa),受地质结构影响严重,节理发育
1.略具压密或成岩作用的粘性土及砂性土
2.普通钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土
3.黄土(Q1,Q2)
1.呈大块状压密结构
2.呈巨块状全体结构
3.呈巨块状全体结构
II
石质图岩位于挤压剧烈的断裂带内,裂隙杂乱,呈石夹土或土夹石状
呈角(砾)碎(石)状松懈结构
围岩易坍塌,处置不当会出现大坍塌,侧壁经常小坍塌;
浅埋时易出现地表下沉(陷)或坍至地表
普通第四系的半干硬~硬塑的粘性土及稍湿至湿润的普通碎、卵石土、圆砾、角砾土及黄土(Q3、Q4)
非钻性土呈松懈结构,粘性土及黄土呈坚实结构
I
石质围岩位于挤压极剧烈的断裂带内,呈角砾、砂、泥坚实体
呈坚实结构
围岩极易坍塌变形,有水时土砂常与水一齐涌出;
浅埋时易坍至地
表
软塑状粘性土及湿润的粉细砂等
粘性土呈易蠕动的坚实结构砂性土呈湿润松懈结构
公路隧道围岩分级表中〝级别〞和〝围岩主要工程地质条件〞栏,不包括特殊地质条件的围岩,如收缩性围岩、多年冻土等。
层状岩层的层厚划分为:
厚层:
大于0.5m;
中层:
0.1~0.5m;
薄层:
小于0.1m。
公路隧道设计规范中,还提出按岩石质量目的〔RQD〕、岩体弹性波纵波速度Vp、岩体完整性系数I的围岩分级,可供学习的参考。
见表5.1.7。
表5.1.7按〔RQD〕、Vp、I的围岩分级
级
参数
VI
RQD〔%〕
95
85~75
75~86
50~75
25~50
<
25
Vp(km/s)
4.5
3.5~4.5
2.5~4.0
1.5~3.0
1.0~2.0
1.0<
1.5〔饱和粘土〕
0.8~1.0
0.6~0.8
0.4~0.6
0.2~0.4
锤击法时采用低值〔I〕划分。
〔四〕隧道施工围岩分级
施工阶段围岩级别的判定是一个重要而理想的效果。
施工阶段围岩分级的评定要素采用围岩稳固水平、围岩完整性水平、和地下水形状三项要素,细分为十三个子要素,见图5.1.2。
图5.1.2施工阶段围岩分级的评定要素
在三个要素中,最困难的是围岩完整性水平的评定,研讨的重点是如何依据掌子面的地质数据评价围岩的完整水平。
由于隧道开挖,掌子面的地质形状原形毕露,为评定掌子面的动摇,提供了充沛的基础。
依据对国际外施工阶段围岩分级的调查,应采用多种方法对围岩完整水平停止分级,采用定性和定量相结合的方法,如可采用图5.1.3的目的
图5.1.3施工阶段围岩分级完整水平的分级目的
5.2围岩压力确实定
5.2.1围岩压力的概念
人们对围岩压力的看法,是从开挖侗穴后围岩的出现初坍塌的现象末尾的。
随着隧道和地下工程的开展,人们从支撑和衬砌的变形、开裂和破坏现象,进一步看法到围岩压力的存在。
在动摇的地层中开挖坑道,由于围岩在爆破后发作松动以及暴露后遭到风化,一般落石现象也不可防止。
在完整而稳固的岩层中开挖隧道,也会遇到小块岩石突然脱离岩体向隧道内弹出,人们称为〝岩爆〞,这些都是围岩压力的现象,为了保证隧道有足够的净空,就要修建支护结构,以阻止围岩的移动和崩塌,支护结构就是用来接受围岩压力。
本节所论述的围岩压力系指松动压力,至于所触及的弹塑性实际在〝新奥法〞一节中引见。
5.2.2围岩压力的发生
围岩压力的发生是隧道工程的一个重要的力学特征,隧道是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的。
所以,围岩的初始应力场的形状极大地影响着在其中发作的一切力学现像,这是和空中工程极端不同的。
因此,我们需求研讨隧道开挖前后围岩的应力形状,这对指点我们隧道的设计与施工有着重要意义。
〔一〕围岩的初始地应力场
通常所指的初始应力场泛指隧道开挖前岩体的初始静应力场,它的构成与岩体结构、性质、埋藏条件以及结构运动的历史等有亲密关系。
在隧道开挖前是客观存在的,在这种应力场中修建隧道就必需了解它的形状及其影响。
岩体的初应力形状与施工惹起的附加应力形状是不同的,它对坑道开挖后围岩的应力散布、变形和破坏有着极端重要的影响。
可以说,不了解岩体初应力形状就无法对隧道开挖后一系列力学进程和现象作出正确的评价,
岩体的初应力形状普通遭到两类要素的影响:
第一类要素有重力、温度、岩体的物理力学性质、岩体的结构、地形等经常性的要素;
第二类要素有地壳运动、地下水活动、人类的临时活动等暂时性的或局部性的要素。
因此,初应力场是由两种力系构成,即
σ=σγ+στ(5.2.1)
σγ一自重应力重量;
στ一结构应力重量。
在上述要素中,目前主要研讨和运用的是由岩体的体力或重力构成的应力场,称为自重应力
场。
而其它要素只以为是改动了由重力形成的初应力形状。
普通来说,重力应力场可以采用延续介质力学的方法。
它的牢靠性那么决议于对岩石的物理力学性质及岩体的结构一力学性质的研讨,其误差通常是较大的。
而其它要素形成的初应力场,主要是用实验〔现场实验〕
方法完成的。
1.自重应力场
我们研讨具有水平成层。
空中平整的状况。
如下图5.2.1,设岩体是线性变形的,在xz平面内是均质的,沿y轴方向是非均质的,设E、μ区分为沿垂直方向的岩体弹性模量和泊松比,
E1、μ1为沿水平方向的岩体弹性模量和泊松比。
因岩体的变形性质沿深度而变,故可假定:
E=E〔y〕;
μ=μ(y);
E1=E1〔y〕;
μ1=μ1(y)。
单位体积重量也以为是沿深度而变,即γ=γ(y);
这样,距地外表h深处一点的应力形状如下图5.2.1,其计算式可表示如下:
σy=∫γ(y)dy
σx=σx(y)(5.2.2)
σz=σz(y)
τxy=τxz=τyz=0
式满足了空中的边界条件,h=0,σy=0。
普通以为,处于静力平衡形状的岩体内,沿水平方向的变形等于零,故
σx=σz=(E/E1)μ1/(1-μ)σy(5.2.3)
当E=E1=常数,μ=μ1=常数时,那么得出大家熟知的公式
σx=σz=μ/(1-μ)σy〔5.2.4〕
设λ=μ/(1-μ),称之谓侧压力系数,那么上式可写成
σx=σz=λσy(5.2.5)
显然当垂直应力时,水平应力的大小决议于围岩的泊松比。
大少数围岩的泊松比变化在0.15~0.35之间,因此,在自重
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