围岩分类与围岩压力

第四章围岩分类及围岩压力第一节隧道围岩的概念与工程性质一、隧道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)。

应该指出，这里所定义的围岩并不具有尺寸大小的限制。

它所包括的范围是相对的，视研究对象而定，从力学分析的角度来看，围岩的边界应划在因开挖隧道而引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零，这个范围在横断面上约为6～10倍的洞径。

当然，若从区域地质构造的观点来研究围岩，其范围要比上述数字大得多。

二、围岩的工程性质围岩的工程性质，—般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。

而对围岩稳定性最有影响的则是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能。

围岩既可以是岩体、也可以是土体。

本书仅涉及岩体的力学性质，有关土体的力学性质将在《土力学》中研究。

岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。

它被许许多多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为大小不等，形状各异的各种块体。

工程地质学中将这些地质界面称之为结构面或不连续面，将这些块体称之为结构体，并将岩体看作是由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。

所以，岩体的力学性质性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特征以及结构面的特性。

环境因素尤其是地下水和地温对岩体的力学性质影响也很大。

在众多的因素中，哪个起主导作用需视具体条件而定。

在软弱围岩中，节理和裂隙比较发育，岩体被切割得很破碎，结构面对岩体的变形和破坏都不起什么作用，所以，岩体的特性与结构体岩石的特性并无本质区别。

当然，在完整而连续的岩体中也是如此。

反之，在坚硬的块状岩体中，由于受软弱结构面切割，使块体之间的联系减弱，此时，岩体的力学性质主要受结构面的性质及其在空间的位置所控制。

由此可见，岩体的力学性质必然是诸因素综合作用的结果，只不过有些岩体是岩石的力学性质起控制作用：而有些岩体则是结构面的力学性质占主导地位。

岩体与岩石相比，两者有着很大的区别，和工程问题的尺度相比，岩石几乎可以被认为是均质、连续和各向同性的介质。

而岩体则具有明显的非均质性，不连续性和各向异性。

关于岩体的力学性质，包括变形破坏特性和强度，一般都需要在现场进行原位试验才能获得较为真实的结果。

但现场原位试验需要花费大量资金和时间，而且随着测点位置和加载方式不同，试验结果的离散性也很大。

因此。

常常用取样在试验室内进行试验来代替。

但室内试验较难模拟岩体真正的力学作用条件。

更重要的是对于较破碎和软弱不均质的岩体，不易取得供试验用的试样。

究竟采用何种试验方法，应视岩体的结构特征而定。

一般来说，破裂岩体以现场试验为主，较完整的岩体以做室内试验为宜。

(一)岩体的变形特性岩体的抗拉变形能力很低。

或者根本就没有，因此，岩体受拉后立即沿结构面发生断裂。

对于那些具有较强的流变性的岩体，在隧道工程的设计和施工中必须加以考虑。

例如，成渝复线上的金家岩隧道，埋深120m，围岩为泥岩，开挖后围岩基本上是稳定的，并及时进行了初次支护。

但初次支护250天后拱顶下沉达40.2cm，侵入建筑限界，只好挖掉重做。

属于这类的岩体大概有两类：一类是软弱的层状岩体，如薄层状岩体、含有大量软弱层的互层或间层岩体；另一类是含有大量泥质物的，受软弱结构面切割的破裂岩体。

整体状、块状、坚硬的层状等类岩体，其流变性不明显，但是，在这些岩体中为数不多的软弱结构面，具有相当强的流变性，有时将对岩体的变形和破坏起控制作用。

(二) 岩体的强度结构面的抗剪强度包络线就能看出这三者之间的关系（图4—4）。

第二节围岩的稳定性一、研究围岩稳定性的意义隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广。

包括地层特征，地下水状况，开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态，以及地温梯度等。

但对隧道工程来说，最关心的问题则是地层被挖成隧道后的稳定程度。

这是不言而喻的，因为地层稳定就意味着开挖隧道所引起的地层向隧道内的变形很小，而且在较短的时间内就可基本停止，这对施工过程和支护结构都是非常有利的。

地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩的稳定性，这是一个反映地质环境的综合指标。

因此，研究隧道工程地质环境问题，归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题。

二、影响围岩稳定性的因素影响围岩稳定性的因素很多，就其性质来说，基本上可以归纳分为两大类：第一类是属于地质环境方面的自然因素，是客观存在的,它们决定了隧道围岩的质量；第二类则属于工程活动的人为因素，如隧道的形状、尺寸、施工方法、支护措施等等。

它们虽然不能决定围岩质量的好坏，但却能给围岩的质量和稳定性带来不可忽视的影响。

由于下一节述及的围岩分类即是对围岩稳定程度的划分，在围岩分类中必定会考虑到这两大类因素的影响，所以下面不仅简要地说明各项因素对围岩稳定性的影响，还介绍各因素在围岩分类中的作用和地位。

(一) 地质因素。

围岩在开挖隧道时的稳定程度乃是岩体力学似性质的一种表现形式。

因此，影响岩体力学性质的各种因素在这里同样起作用，只是各自的重要性有所不同。

l.岩体结构特征岩体的结构特征是长时间地质构造运动的产物，是控制岩体破坏形态的关键。

从稳定性分类的角度来看，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严重的程度。

实践证明，围岩的破碎程度对坑道的稳定与否起主导作用，在相同岩性的条件下，岩体愈破碎，坑道就愈容易失稳。

因此，在近代围岩分类法中，都已将岩体的破碎或完整状态作为分类的基本指标之一。

岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小，以及这些岩块的组合排列形态。

关于岩块的大小通常都是用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙间距等指标表示。

所谓裂隙率就是指沿裂隙法线方向单位长度内的裂隙数目，裂隙间距则是指沿裂隙法线方向上裂隙间的距离。

在分类中常将裂隙间距大于1.0～1.5m者视为整体的，而将小于0.2m视为碎块状的。

当然，这些数字都是相对的，仅适用于跨度在5～15m范围内的地下工程。

据此，可以按裂隙间距将岩体分为：围岩d＞1.0m d=0.4～1.0m d=0.2～0.4 d＜0.2md为裂隙间距。

这里所说的裂隙都是广义的，包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。

硅质、钙质胶结的，具有很高节理强度的裂隙不包括在内。

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，以及它们在空间的组合状态。

对于隧道来说，围岩中存在单一的软弱面，一般并不会影响坑道的稳定性。

只有当结构面与隧道轴线相互关系不利时，或者出现两组或两组以上的结构面时，才能构成容易堕落的分离岩块。

例如有两组平行但倾问相反的结构面和一组与之垂直或斜交的陡倾结构面，就可能构成屋脊形分离岩块。

至于分离岩块是否会塌落或滑动，还与结构面的抗剪强度以及岩块之间的相互联锁作用有关。

因此，在围岩分类中，可以从下述的五个方面来研究结构面对隧道围岩稳定性影响的大小；(1) 结构面的成因及其发展史，例如，次生的破坏夹层比原生的软弱夹层的力学性质差得多，如再发生次生泥化作用，则性质更差；(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。

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，岩石强度越高坑道越稳定。

在围岩分类中所说的岩石强度指标，都是指岩石的单轴饱和极限抗压强度。

因为这种强度的试验方法简便，数据离散性小，而且与其它物理力学指标有良好的换算关系。

此外，岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态，强度高的硬岩多表现为脆性破坏，在隧道内可能发生岩爆现象。

而在强度低的软岩中，则以塑性变形为主，流变现象较为明显。

4.围岩的初始应力场围岩的初始应力场是隧道围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。

所以，在某些分类方法中曾有所反映，例加，泰沙基(K.Terzaghi)分类法中，曾将同样是挤压变形缓慢的岩层视其埋深不同分为两类，其预计的岩石荷载值相差一倍左右，这就是考虑初始应力的结果。

在围岩分类中，如何根据地质构造特征引进围岩初始应力场的影响，仍是一个需要进一步研究解决的问题。

5.地下水状况。

隧道施工的实践证明，地下水是造成施工坍方，使隧道围岩丧失稳定的最重要因素之—，因此，在围岩分类中切不可忽视。

当然，在岩性不同的岩体中，水的影响也是不相同的，归纳起来有如下几种：(1) 使岩质软化，强度降低，对软岩尤其突出。

对土体则可促使其液化或流动；(2) 在有软弱结构面的岩体中，会冲走充填物质或使夹层软化，减少层间摩阻力促使岩块滑动；(3) 在某些岩体中，如含有生石膏、岩盐，或以蒙脱土为主的粘土岩，遇水后将产生膨胀，其势能很大。

在未胶结或弱胶结的砂岩中，水的存在可以产生流砂和潜蚀。

因此，在围岩分类中，对软岩、碎裂结构和散体结构岩体、有软弱结构面的层状岩体，以及膨胀岩等，应着重考虑地下水的影响。

在目前的分类法中，对地下水的处理方法有三种：①在分类时不将水的影响直接考虑进去，而是根据围岩受地下水影响的程度，适当降低围岩的等级；②分类时按有水情况考虑，当确认围岩无水则可提高围岩的等级；③直接将地下水的状况(水质、水量、流通条件、静水压等)作为一个分类的指标。

前两种方法是定性的，后一种方法虽可定量，但对这些量值的确定，在很大程度上还是要靠经验。

例如在某些分类法中，先按岩性分类，而后再按地下水涌出量分为：0～100 L/min；101～1000L/min；＞1000 L/min三种，最后定出它们对围岩稳定性的影晌系数，如表4—1所示。

在有些分类中，除了考虑上述因素外，还补充了结构面状态和地下水压力的影响，将地下水的作用进一步细分。

(二) 工程活动所造成的人为因素施工等人为因素也是造成围岩失稳的重要条件。

其中尤其以坑道的尺寸(主要指跨度) 形状以及施工中所采用的开挖方法等影响较为显著。

l.坑道尺寸和形状实践证明，在同—类围岩中，坑道跨度愈大，坑道围岩的稳定性就愈差，因为岩体的破碎程度相对加大了。

例如，裂隙间距在O.4～l.0m左右的岩体，对中等跨度(5～10m)的坑道而言，可算是大块状的，但对大跨度(＞l5m)的坑道来说，只能算是碎块状的。

因此，在近代的围岩分类法中，有的就明确指出分类法的适用跨度范围。

有的则采用相对裂隙间距，即裂隙间距与坑道跨度的比值作为分类的指标。

例如，相对裂隙间距为l／5的属完整的；1/5～1/20范围内的属破碎的；＞1/20的属极度破碎的。

但也有人反对这样做，认为将跨度引进围岩分类法中会造成对岩体结构概念的混乱和误解。