隧道围岩分级及围岩压力计算方法.ppt

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1、隧道围岩分级及围岩压力计算方法教学基本要求：教学基本要求：1、了解隧道工程中主要的围岩分级方法；、了解隧道工程中主要的围岩分级方法；2、掌握影响隧道围岩稳定性的因素；、掌握影响隧道围岩稳定性的因素；3、掌握围岩分类中应主要考虑的指标；、掌握围岩分类中应主要考虑的指标；4、掌握我国隧道设计中对采用矿山法施工的隧道其围、掌握我国隧道设计中对采用矿山法施工的隧道其围岩压力的计算方法；岩压力的计算方法；5、了解围岩压力计算方法中的普氏理论和泰沙基法。、了解围岩压力计算方法中的普氏理论和泰沙基法。第一节概述v隧道和地面结构物如房屋、桥梁、水坝等一样，隧道和地面结构物如房屋、桥梁、水坝等一样，也是一种结构

2、体系。但两者之间在赋存环境、力也是一种结构体系。但两者之间在赋存环境、力学作用机理等方面存在着明显的差异。正确地认学作用机理等方面存在着明显的差异。正确地认识和掌握地质环境对隧道结构的作用和影响是进识和掌握地质环境对隧道结构的作用和影响是进行隧道结构体系设计和施工的前提和基础。行隧道结构体系设计和施工的前提和基础。v地面结构体系一般都是由结构和地基组成，地基在地面结构体系一般都是由结构和地基组成，地基在结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部。外部。v而地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成的，而地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成的，即即

3、 地下结构支护结构周边围岩地下结构支护结构周边围岩。v其中以地层为主，各种围岩都是具有一定自承能力其中以地层为主，各种围岩都是具有一定自承能力的介质，即周边围岩在很大程度上是地下结构承载的介质，即周边围岩在很大程度上是地下结构承载主体，支护仅用来约束地层，使它不产生过大的变主体，支护仅用来约束地层，使它不产生过大的变形而破坏、坍塌。在地层稳固的情况下，体系中可形而破坏、坍塌。在地层稳固的情况下，体系中可以不设支护结构而只留下地层，如我国陕北的黄土以不设支护结构而只留下地层，如我国陕北的黄土窑洞。窑洞。v地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本身地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本身地层

4、，故称为地层压力或围岩压力。地层，故称为地层压力或围岩压力。v在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的主要来源，这种合二为一的部分，又是造成荷载的主要来源，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。作用机理与地面结构是完全不同的。一、围岩的力学性质1.岩体岩体v岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形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。变和次生蜕变而形成的地质体。2.地质界面地质界面v地质界面：断层面、层理面、节理面和裂隙面地质界面：断层面、层理面、节理面和裂隙面 3.结构体结构

5、体v工程地质学中地质界面称之为结构面或不连续面，工程地质学中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。构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。4.岩体的力学性质影响因素岩体的力学性质影响因素v主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特性以主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特性以及结构面的特性。环境因素尤其是地下水和地温对及结构面的特性。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。岩体的力学性质影响也很大。v（1）在软弱围岩中，节理和裂隙比较发育，岩体被）在软弱围

6、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切割得很破碎，结构面对岩体的变形和破坏都不起作用，岩体与结构体岩石特性无本质区别。作用，岩体与结构体岩石特性无本质区别。v（2）在坚硬的块状岩体中，由于受软弱结构面切割，）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，岩体的力学性质主要由结使块体之间的联系减弱，岩体的力学性质主要由结构面的性质及其在空间的位置决定。构面的性质及其在空间的位置决定。5.岩体与岩石性质的区别岩体与岩石性质的区别v岩石几乎可以被认为是均质、连续和各向同性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

7、性、不连的介质，而岩体则具有明显的非均质性、不连续性和各向异性。续性和各向异性。二、岩体的变形特性v岩体的抗拉变形能力很弱，或者根本就没有，因此，岩体的抗拉变形能力很弱，或者根本就没有，因此，岩体受拉后立即沿结构面发生断裂。岩体受拉后立即沿结构面发生断裂。v岩体的受压变形特性，可以用它在受压时的应力岩体的受压变形特性，可以用它在受压时的应力应变曲线图应变曲线图8-1(亦称本构关系亦称本构关系)来说明。来说明。图图8-1v从图中可以看出，岩石的应力从图中可以看出，岩石的应力应变曲线线性关系应变曲线线性关系比较明显，说明它是以弹性变形为主。软弱结构面比较明显，说明它是以弹性变形为主。软弱结构面的应

8、力的应力应变曲线呈现出非线性特征，说明了它是应变曲线呈现出非线性特征，说明了它是以塑性变形为主。而岩体的应力应变曲线则要复杂以塑性变形为主。而岩体的应力应变曲线则要复杂的多了，典型的岩体全应力的多了，典型的岩体全应力应变曲线可以分解为应变曲线可以分解为四个阶段。四个阶段。1、压密阶段、压密阶段(OA)v这一阶段的变形主要是由于岩体中结构面的闭合和这一阶段的变形主要是由于岩体中结构面的闭合和充填物的压缩而产生的。随着应力的增加，变形增充填物的压缩而产生的。随着应力的增加，变形增长率减小，应力应变关系呈非线性凹状曲线。变形长率减小，应力应变关系呈非线性凹状曲线。变形模量小，总的压缩量取决于结构面的

9、形态。模量小，总的压缩量取决于结构面的形态。2、弹性阶段、弹性阶段(AB)v岩体充分压密后便进入弹性阶段。所出现的弹性岩体充分压密后便进入弹性阶段。所出现的弹性变形是岩体的结构面和结构体共同产生的，应力变形是岩体的结构面和结构体共同产生的，应力应变关系呈直线型。应变关系呈直线型。3、塑性阶段、塑性阶段(BC)v岩体继续受力，变形发展到弹性极限后便进入塑岩体继续受力，变形发展到弹性极限后便进入塑性阶段，此时岩体的变形受结构面和结构体变形性阶段，此时岩体的变形受结构面和结构体变形的共同制约。延性小的岩体，塑性变形不明显，的共同制约。延性小的岩体，塑性变形不明显，达到强度极限后迅速破坏。破裂岩体塑性

10、变形大，达到强度极限后迅速破坏。破裂岩体塑性变形大，甚至有的从压密阶段直接发展到塑性阶段，而不甚至有的从压密阶段直接发展到塑性阶段，而不经过弹性阶段。经过弹性阶段。4、破裂和破坏阶段、破裂和破坏阶段(CD)v应力达到峰值后，岩体即开始破裂和破坏，破坏开应力达到峰值后，岩体即开始破裂和破坏，破坏开始时，应力下降比较缓慢，说明破裂面上仍具有一始时，应力下降比较缓慢，说明破裂面上仍具有一定摩擦力，岩体还能承受一定的荷载。而后，应力定摩擦力，岩体还能承受一定的荷载。而后，应力急剧下降，岩体全面崩溃。最后当破坏终止时，出急剧下降，岩体全面崩溃。最后当破坏终止时，出现弯曲点，应变无约束地增大，但保留一定的

11、强度，现弯曲点，应变无约束地增大，但保留一定的强度，即所谓的即所谓的残余强度残余强度。v结论：岩体既不是简单的弹性体，也不是简单的塑结论：岩体既不是简单的弹性体，也不是简单的塑性体，而是较为复杂的弹塑性体。整体性好的岩体性体，而是较为复杂的弹塑性体。整体性好的岩体接近弹性体，破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。接近弹性体，破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。v注意：岩体的全应力注意：岩体的全应力应变曲线只有在刚性试验应变曲线只有在刚性试验机上才能测出，普通万能试验机因刚度小，实验机上才能测出，普通万能试验机因刚度小，实验时，试验机的变形量和储存的弹性应变能都比岩时，试验机的变形量和储存的弹性应变能

12、都比岩体大。所以，当岩体达到强度极限后，抗力下降，体大。所以，当岩体达到强度极限后，抗力下降，试验机内存储的弹性变形能就突然释放，并对岩试验机内存储的弹性变形能就突然释放，并对岩体产生冲击作用，使其迅速崩溃，无法再继续试体产生冲击作用，使其迅速崩溃，无法再继续试验，测不出岩样破坏后的变形特性。验，测不出岩样破坏后的变形特性。v岩体受剪时的剪切变形特性主要受结构面控制。岩体受剪时的剪切变形特性主要受结构面控制。根据结构体和结构面的具体形态，岩体的剪切变根据结构体和结构面的具体形态，岩体的剪切变形可能有三种方式：形可能有三种方式：v1、沿结构面滑动、沿结构面滑动 结构面的变形特性即为岩体结构面的变

13、形特性即为岩体的变形特性。的变形特性。v2、结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂。岩石的、结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂。岩石的变形特性起主导作用。变形特性起主导作用。v3、在结构面影响下，沿岩石剪断。岩体的变形特性、在结构面影响下，沿岩石剪断。岩体的变形特性介于上述二者之间。介于上述二者之间。三、岩体结构分类及其破坏特征v地下工程围岩地下工程围岩是指地层中受开挖作用影响的那一部是指地层中受开挖作用影响的那一部分岩体。在围岩的边界上因开挖而产生的位移应该分岩体。在围岩的边界上因开挖而产生的位移应该为为0，这个范围在横断面上约为，这个范围在横断面上约为6-10倍的洞径。倍的洞径。v围岩的工程性

14、质主要是强度与变形两个方面，与岩围岩的工程性质主要是强度与变形两个方面，与岩体结构、岩石的物理力学特性、原始地应力和地下体结构、岩石的物理力学特性、原始地应力和地下水条件有关。围岩主要是各种岩体，也包括土体。水条件有关。围岩主要是各种岩体，也包括土体。v根据它们对岩体力学性质和围岩稳定性的影响根据它们对岩体力学性质和围岩稳定性的影响(称称为岩体的结构效应为岩体的结构效应)，工程地质学中岩体划分为四，工程地质学中岩体划分为四大种结构类型：大种结构类型：v 、整体块状结构、整体块状结构v 、块状结构、块状结构v 、层状结构、层状结构v 、散体结构、散体结构 四、围岩的初始应力场 1.定义定义v围岩

15、的初始应力场又称原始地应力场。由于岩体的围岩的初始应力场又称原始地应力场。由于岩体的自重和地质构造作用，在地下工程开挖前岩体中就自重和地质构造作用，在地下工程开挖前岩体中就已经存在着一定的地应力场，称之为已经存在着一定的地应力场，称之为围岩的初始应围岩的初始应力场。力场。2.性质性质v围岩的初始应力场经历了漫长的应力历史而逐渐构围岩的初始应力场经历了漫长的应力历史而逐渐构成的，并处于相对稳定和平衡状态之中。洞室开挖成的，并处于相对稳定和平衡状态之中。洞室开挖后，使得围岩在开挖边界处解除了约束，失去平衡，后，使得围岩在开挖边界处解除了约束，失去平衡，此时洞室周边的应力都变为此时洞室周边的应力都变

16、为0。其结果引起了洞室变。其结果引起了洞室变形，产生应力重分布，形成新的应力场，称为形，产生应力重分布，形成新的应力场，称为围岩围岩二次应力场二次应力场。v因开挖隧道而引起的围岩变形、破坏、应力传播等因开挖隧道而引起的围岩变形、破坏、应力传播等一切岩石力学现象无一不与围岩的初始应力场密切一切岩石力学现象无一不与围岩的初始应力场密切相关，都是初始应力发展的延续。相关，都是初始应力发展的延续。3.组成组成 自重应力场自重应力场和和构造应力场构造应力场v这两类应力场的基本规律有明显的差异。围岩的自这两类应力场的基本规律有明显的差异。围岩的自重应力场比较好理解，它是地心引力和离心惯性力重应力场比较好理

17、解，它是地心引力和离心惯性力共同作用的结果。围岩的构造应力场就比较复杂，共同作用的结果。围岩的构造应力场就比较复杂，按其形成的时间，分为两类按其形成的时间，分为两类构造残余应力和新构造残余应力和新构造应力。构造应力。构造残余应力构造残余应力va由于过去地质构造运动引起的，虽然外部作用力由于过去地质构造运动引起的，虽然外部作用力移去后有了部分恢复，但仍残存在岩体中的应力。移去后有了部分恢复，但仍残存在岩体中的应力。vb岩石在形成过程中，由于热力和构造作用所引起岩石在形成过程中，由于热力和构造作用所引起的，虽经过风化、卸载，部分释放，现在仍残存着的，虽经过风化、卸载，部分释放，现在仍残存着的原生内

18、应力。的原生内应力。v新构造应力新构造应力：正在活动和变化的构造运动，如地层：正在活动和变化的构造运动，如地层升降、板块运动等所引起的应力，称为新构造应力，升降、板块运动等所引起的应力，称为新构造应力，地震的产生正是新构造应力的反映。地震的产生正是新构造应力的反映。4.探讨探讨v（1）岩体内的应力主要是在自重作用下产生的垂）岩体内的应力主要是在自重作用下产生的垂直应力，水平应力则是由岩体的泊松效应引起的，直应力，水平应力则是由岩体的泊松效应引起的，最大只能等于垂直应力（即取泊松系数等于最大只能等于垂直应力（即取泊松系数等于0.5）。）。这是否认地质构造运动能改变岩体的应力状态。与这是否认地质构

19、造运动能改变岩体的应力状态。与实际情况不符。实际情况不符。v资料表明，围岩初始应力场中水平应力与资料表明，围岩初始应力场中水平应力与垂直应力之比常常大于垂直应力之比常常大于1，有的甚至高达，有的甚至高达7-8，而且主应力方向与当地区域构造的迹象，而且主应力方向与当地区域构造的迹象非常一致。说明地质构造运动不仅改变了非常一致。说明地质构造运动不仅改变了岩体原生的结构特征，而且也改变了岩体岩体原生的结构特征，而且也改变了岩体原生的应力状态。原生的应力状态。v（2）岩体中的应力主要是地球自转和自转）岩体中的应力主要是地球自转和自转速度变化而产生的离心惯性力。因此，应速度变化而产生的离心惯性力。因此，

20、应以水平应力为主。说明现阶段围岩的初始以水平应力为主。说明现阶段围岩的初始应力场主要是构造残余应力场。应力场主要是构造残余应力场。v只有在埋深较浅而又比较破碎的岩体中，由于构造只有在埋深较浅而又比较破碎的岩体中，由于构造变动引起的剥蚀作用使构造应力释放殆尽，才是以变动引起的剥蚀作用使构造应力释放殆尽，才是以自重应力场为主。在那些从未遭到过较大构造运动自重应力场为主。在那些从未遭到过较大构造运动的沉积岩体中，也可能是自重应力占主要地位。的沉积岩体中，也可能是自重应力占主要地位。5、围岩初始应力场的变化规律与影响因素、围岩初始应力场的变化规律与影响因素v在以自重应力场为主的岩体中，地表以下任一深度

21、在以自重应力场为主的岩体中，地表以下任一深度 H 处的垂直应力嵘等于其上覆岩体的重量。围岩自处的垂直应力嵘等于其上覆岩体的重量。围岩自重应力场的变化规律为：重应力场的变化规律为：v(l）垂直方向的自重应力是随深度成线性增加；）垂直方向的自重应力是随深度成线性增加；v(2）水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与）水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。其相等。va垂直方向的自重应力是随深度成线性增加；垂直方向的自重应力是随深度成线性增加；vb水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。等。v构造应力场构造应力场：由于形成构造应力场的原因非常复杂，

22、：由于形成构造应力场的原因非常复杂，因而它在空间的分布极不均匀，而且随着时间的推因而它在空间的分布极不均匀，而且随着时间的推移还不断发生变化，属于非稳定的应力场。但相对移还不断发生变化，属于非稳定的应力场。但相对于工程结构物的使用期限来说，可以忽略时间因素，于工程结构物的使用期限来说，可以忽略时间因素，将它视为相对稳定的。将它视为相对稳定的。v我国大陆初始应力场（包括自重应力场和构造应力场）的变我国大陆初始应力场（包括自重应力场和构造应力场）的变化规律如下：化规律如下：v在一定深度内，垂直应力的量值随深度线性增大，而且水平在一定深度内，垂直应力的量值随深度线性增大，而且水平应力普遍大于垂直应力

23、；应力普遍大于垂直应力；v水平主应力具有明显的各向异性。水平主应力的另一个显著水平主应力具有明显的各向异性。水平主应力的另一个显著特点，就是具有很强的方向性，一般以一个方向的主应力占特点，就是具有很强的方向性，一般以一个方向的主应力占优势，很少有大、小主应力相等的情况。优势，很少有大、小主应力相等的情况。6、影响围岩初始应力场的因素、影响围岩初始应力场的因素v围岩的初始应力状态，一般受到两类因素的影响：围岩的初始应力状态，一般受到两类因素的影响：重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质及地重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质及地温等经常性的因素；新构造运动、地下水活动、人温等经常性的因素；

24、新构造运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。类的长期活动等暂时性的或局部性的因素。v(l）地形和地貌。地形的变化并不产生新的地应力）地形和地貌。地形的变化并不产生新的地应力场，只对应力起调整作用。在靠近山坡，最大压应场，只对应力起调整作用。在靠近山坡，最大压应力方向近似平行山坡表面。从主应力的量值来看，力方向近似平行山坡表面。从主应力的量值来看，在接近山谷岸坡表面部分是应力偏低的地带，往里在接近山谷岸坡表面部分是应力偏低的地带，往里则转变为应力偏高带，再往山体深部逐渐过渡到应则转变为应力偏高带，再往山体深部逐渐过渡到应力稳定区，在山谷底部则有较大的应力集中。力稳定区，在山谷

25、底部则有较大的应力集中。v(2）岩体的力学性质。按照强度理论，岩体中的应）岩体的力学性质。按照强度理论，岩体中的应力状态不能超出岩体强度，所以岩体强度越高地应力状态不能超出岩体强度，所以岩体强度越高地应力值越大。可用应力度（垂直应力与岩体单轴抗压力值越大。可用应力度（垂直应力与岩体单轴抗压强度的比值来表示岩体在开挖前的状态，应力度越强度的比值来表示岩体在开挖前的状态，应力度越小，岩体的潜在能力很大，开挖后就越稳定，引起小，岩体的潜在能力很大，开挖后就越稳定，引起的位移就越小。的位移就越小。v应力的积累还与岩体的变形特性有关，变形模量应力的积累还与岩体的变形特性有关，变形模量较大的接近弹性的岩体

26、对应力的积累比较有利，较大的接近弹性的岩体对应力的积累比较有利，例如，例如，E=5104MPa以上的岩体，最大压应力为以上的岩体，最大压应力为1030MPa，而该值以下的岩体最大压应力很少，而该值以下的岩体最大压应力很少有超过有超过 10 MPa。塑性岩体易产生变形，不利于。塑性岩体易产生变形，不利于应力的积累。在这类岩体中常以自重应力场为主。应力的积累。在这类岩体中常以自重应力场为主。v（3）地温。温度变化使温度应力的一部分会残留）地温。温度变化使温度应力的一部分会残留下来产生残余应力。下来产生残余应力。v（4）人类活动。人类活动包括大堆碴场的形成、）人类活动。人类活动包括大堆碴场的形成、深

27、的露天开采和地下开挖、水库、抽水、采油及深的露天开采和地下开挖、水库、抽水、采油及高坝建筑等都可能局部地影响围岩的初始应力场。高坝建筑等都可能局部地影响围岩的初始应力场。五、围岩初始应力场的确定方法v通过现场实地量测应力。但实测工作由于费时费通过现场实地量测应力。但实测工作由于费时费钱，不可能大量进行，这就提出了如何利用少数钱，不可能大量进行，这就提出了如何利用少数测点实测资料，建立可靠的围岩初始应力场的问测点实测资料，建立可靠的围岩初始应力场的问题。可行的是实地量测和地质力学分析相结合的题。可行的是实地量测和地质力学分析相结合的方法。方法。（一）地应力量测v实地应力量测就是直接在未经开挖扰动

28、过的岩体中实地应力量测就是直接在未经开挖扰动过的岩体中进行应力量测。岩体应力量测有两种：进行应力量测。岩体应力量测有两种：v量测围岩的绝对应力值，包括其大小和方向；量测围岩的绝对应力值，包括其大小和方向；v量测围岩应力在开挖过程中的相对变化。量测围岩应力在开挖过程中的相对变化。前者用来确定围岩的初始应力场，后者可评前者用来确定围岩的初始应力场，后者可评价施工程序的优劣及开挖对相邻地下工程的价施工程序的优劣及开挖对相邻地下工程的影响等。岩体应力的量测方法有如下影响等。岩体应力的量测方法有如下 3 种类种类型。型。1、应力全解除法、应力全解除法v基本原理就是将包含着量测元件的那一部分岩体基本原理就

29、是将包含着量测元件的那一部分岩体单元从岩体中分离出来，解除周围岩体中对它的单元从岩体中分离出来，解除周围岩体中对它的约束作用，然后量测由于解除约束而产生的应变，约束作用，然后量测由于解除约束而产生的应变，利用岩体的应力一应变关系，反算出所解除的应利用岩体的应力一应变关系，反算出所解除的应力，也就是原存于围岩中的初始应力。应力全解力，也就是原存于围岩中的初始应力。应力全解除法的具体做法有以下两种。除法的具体做法有以下两种。v(1）孔底法，其步骤如图）孔底法，其步骤如图8-4所示。用环钻钻孔至所示。用环钻钻孔至所要求量测应力的深度，将岩芯取出；再用打磨钻所要求量测应力的深度，将岩芯取出；再用打磨钻

30、头将孔底磨平，将应变计粘贴到孔底上，读取应变头将孔底磨平，将应变计粘贴到孔底上，读取应变计的初读数；然后继续钻孔，使贴有应变计的岩芯计的初读数；然后继续钻孔，使贴有应变计的岩芯与周围岩体分离开，解除对岩芯的约束作用，直到与周围岩体分离开，解除对岩芯的约束作用，直到岩芯末端的应力完全释放（即应变计读数不再变化）岩芯末端的应力完全释放（即应变计读数不再变化）为止。为止。v并读取最终读数，根据初读数和最终读数即可求得并读取最终读数，根据初读数和最终读数即可求得垂直于钻孔轴平面的由于应力解除而产生的任意垂直于钻孔轴平面的由于应力解除而产生的任意3个方向的应变值个方向的应变值 、（图（图 b,0)；据岩

31、体的应力一应变关系可算出围岩中垂直于钻孔据岩体的应力一应变关系可算出围岩中垂直于钻孔轴平面上的应力。轴平面上的应力。v孔底法所测得的孔底应力，由于钻孔引起的应力孔底法所测得的孔底应力，由于钻孔引起的应力集中，使之比真实的围岩原始应力要高些。集中，使之比真实的围岩原始应力要高些。v（2）孔壁和孔径法，其步骤如图孔壁和孔径法，其步骤如图8-5所示。首先所示。首先用大口径钻头钻孔到要量测应力的深度，并将孔底用大口径钻头钻孔到要量测应力的深度，并将孔底磨平；再改用小口径钻头在大孔底中心钻一个小钻磨平；再改用小口径钻头在大孔底中心钻一个小钻孔，并在其中安装孔壁三轴应变仪（图孔，并在其中安装孔壁三轴应变仪

32、（图8-5(d)，取初读数；，取初读数；v然后用大口径钻头套钻，产生环状岩芯，解除约束，然后用大口径钻头套钻，产生环状岩芯，解除约束，释放应力，并取最终读数；根据初读数、最终读数，释放应力，并取最终读数；根据初读数、最终读数，求得应力释放后孔壁上三个不同的应变值求得应力释放后孔壁上三个不同的应变值。根据有。根据有关的力学公式和岩体应力一应变关系，即可反算出关的力学公式和岩体应力一应变关系，即可反算出围岩中三维的应力状态。围岩中三维的应力状态。2、应力恢复法、应力恢复法v基本原理：先在洞室的岩壁表面安装应变计，并基本原理：先在洞室的岩壁表面安装应变计，并记录下应变的初读数，然后在岩壁上掏一个狭长

33、记录下应变的初读数，然后在岩壁上掏一个狭长的槽口，这就解除了垂直于槽口的法向约束和平的槽口，这就解除了垂直于槽口的法向约束和平行于槽口的切向约束，应变计读数下降；最后将行于槽口的切向约束，应变计读数下降；最后将扁千斤顶放入槽口，固定后加压，使应变计读数扁千斤顶放入槽口，固定后加压，使应变计读数恢复到掏槽前的数值。此时千斤顶显示的压力即恢复到掏槽前的数值。此时千斤顶显示的压力即为岩体中相应方向的应力，如图为岩体中相应方向的应力，如图8-6所示。所示。v扁千斤顶量测，习惯上是在几个相互垂直的槽口中扁千斤顶量测，习惯上是在几个相互垂直的槽口中进行。例如，可以在地下洞室边墙上切割水平进行。例如，可以在

34、地下洞室边墙上切割水平 和垂和垂直槽口，来量测岩壁表面竖向和纵向的应力分量直槽口，来量测岩壁表面竖向和纵向的应力分量 、(y 轴平行洞室轴线），在洞顶切割纵向槽口，轴平行洞室轴线），在洞顶切割纵向槽口，来量测垂直轴线的水平应力分量来量测垂直轴线的水平应力分量 。v扁千斤顶所测得的岩体应力严格来说并非围岩的初扁千斤顶所测得的岩体应力严格来说并非围岩的初始应力，而是由于开挖产生应力集中后的洞室周边始应力，而是由于开挖产生应力集中后的洞室周边应力，如图应力，如图8-7所示。所以需对扁千斤顶所测得的所示。所以需对扁千斤顶所测得的结果进行修正，对于弹性岩体中的或断面形状规则结果进行修正，对于弹性岩体中的

35、或断面形状规则的隧道，如圆形、矩形隧道，应力集中的修正比较的隧道，如圆形、矩形隧道，应力集中的修正比较简单，可以用弹性力学方法进行。简单，可以用弹性力学方法进行。v对于断面形状复杂的洞室可以采用光弹性试验。对于断面形状复杂的洞室可以采用光弹性试验。但需注意，在隧道开挖过程中或多或少要损伤岩但需注意，在隧道开挖过程中或多或少要损伤岩壁表面，从而使应力集中现象有所缓和；因此按壁表面，从而使应力集中现象有所缓和；因此按弹性力学方法进行修正时，要考虑不同的施工方弹性力学方法进行修正时，要考虑不同的施工方法对岩壁表面损害的程度，而将应力集中系数进法对岩壁表面损害的程度，而将应力集中系数进行折减。行折减。

36、图图8-7 洞室周边应力洞室周边应力这种方法的优点，就是岩体应力的量测结果不受岩这种方法的优点，就是岩体应力的量测结果不受岩体应力一应变关系的制约。体应力一应变关系的制约。（二）地质力学分析v岩体中的一切构造形迹，如岩层倾斜、褶曲、破裂岩体中的一切构造形迹，如岩层倾斜、褶曲、破裂和错动等，无一不是岩体在地应力作用下形成的永和错动等，无一不是岩体在地应力作用下形成的永久变形的形象，是地壳构造运动的力学作用的残迹。久变形的形象，是地壳构造运动的力学作用的残迹。因此，根据构造形迹可以宏观地反推出地应力的性因此，根据构造形迹可以宏观地反推出地应力的性质和方向，这就是地质力学分析的基本概念。质和方向，这

37、就是地质力学分析的基本概念。v应用地质力学方法分析围岩的初始应力状态：先进应用地质力学方法分析围岩的初始应力状态：先进行区域性的构造形迹的调查和测绘，查明应力场的行区域性的构造形迹的调查和测绘，查明应力场的方向，其次根据构造形迹的特征，定性地估计初始方向，其次根据构造形迹的特征，定性地估计初始应力场的量级，最后再考虑其他地质力学标志。应力场的量级，最后再考虑其他地质力学标志。v在分析初始应力场的方向时，首要的工作是寻找由在分析初始应力场的方向时，首要的工作是寻找由于最大水平应力作用所形成的构造形迹，它们的走于最大水平应力作用所形成的构造形迹，它们的走向称为构造线，最大水平压应力的方向必然与构造

38、向称为构造线，最大水平压应力的方向必然与构造线相垂直。线相垂直。v可根据一对共扼的可根据一对共扼的 X 形节理来确定水平应力的方形节理来确定水平应力的方向。因为整块岩层受压后，首先产生的就是由最向。因为整块岩层受压后，首先产生的就是由最大的剪应力所引起的大的剪应力所引起的 x 形剪切破坏，两组节理面形剪切破坏，两组节理面之间所形成的锐角指向最大水平压力方向如图。之间所形成的锐角指向最大水平压力方向如图。v岩体在褶皱过程中，尽管区域构造应力场的方向岩体在褶皱过程中，尽管区域构造应力场的方向已知，但在褶皱的不同部位的应力状态还会有所已知，但在褶皱的不同部位的应力状态还会有所变化。在褶皱的顶部可能产

39、生与区域最大压应力变化。在褶皱的顶部可能产生与区域最大压应力方向平行的局部拉应力，层面之间产生很大的剪方向平行的局部拉应力，层面之间产生很大的剪应力，如下图。应力，如下图。第二节隧道围岩分级一、一、影响围岩稳定性的主要因素影响围岩稳定性的主要因素 影响围岩稳定性的因素可以归纳为两大类：影响围岩稳定性的因素可以归纳为两大类：v1、地质环境方面的自然因素，是客观存在的，它、地质环境方面的自然因素，是客观存在的，它们决定了地下工程围岩的质量。们决定了地下工程围岩的质量。v2、工程活动的人为因素，如地下工程的形状、跨度、工程活动的人为因素，如地下工程的形状、跨度、施工方法、洞室轴线与岩层产状的关系等。

40、不能决施工方法、洞室轴线与岩层产状的关系等。不能决定围岩质量的好坏，但却能给围岩的质量和稳定性定围岩质量的好坏，但却能给围岩的质量和稳定性带来不可忽视的影响。带来不可忽视的影响。1、地质因素、地质因素（1）岩体结构特征）岩体结构特征v岩体的结构特征是长时间地质构造运动的产物，是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。控制岩体破坏形态的关键。v依稳定性分级岩体的结构特征可以用岩体的破碎程依稳定性分级岩体的结构特征可以用岩体的破碎程度或完整性来表示。围岩的破碎程度对洞室的稳定度或完整性来表示。围岩的破碎程度对洞室的稳定与否起主导作用，在相同岩性的条件下，岩体愈破与否起主

41、导作用，在相同岩性的条件下，岩体愈破碎，洞室就愈容易失稳。碎，洞室就愈容易失稳。va.岩体的破碎程度或完整状态岩体的破碎程度或完整状态:指构成岩体的岩块大指构成岩体的岩块大小及这些岩块的组合排列形态。关于岩块的大小通小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、裂隙间距等常都是用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙间距等指标表示。指标表示。v所谓裂隙率就是指沿裂隙法线方向单位长度内的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。在分级中常将裂隙间距大于隙间的距离。在分级中常将裂

42、隙间距大于1.0 l.5m 的视为整体的，而将小于的视为整体的，而将小于0.2m的视为碎块状的视为碎块状的。仅适用于跨度在的。仅适用于跨度在515m范围内的地下工程。范围内的地下工程。据此，可以按裂隙间距将岩体分类。据此，可以按裂隙间距将岩体分类。v（2）结构面性质和空间的组合）结构面性质和空间的组合v在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因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。素是软弱结构面的性质及它们在空间的组合状态。v对于地下洞室来说，围岩中存在单一的软弱面，一般对于地下洞室来说，围岩中存在单一的软弱面，一般并不会影响洞室的稳定性

43、。只有当结构面与洞室轴线并不会影响洞室的稳定性。只有当结构面与洞室轴线的相互关系不利时，或者出现两组或两组以上的结构的相互关系不利时，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。面时，才能构成容易堕落的分离岩块。n例如，有两组平行但倾向相反的结构面和一组与之例如，有两组平行但倾向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垂直或斜交的陡倾结构面，就可能构成屋脊形分离岩块如图块如图。v（3）岩石的力学性质）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，

44、是岩石的力学性质，尤其是岩石的强度。一般来说，岩石单轴饱和极限抗压强度强度越高，洞室越稳定。岩石单轴饱和极限抗压强度强度越高，洞室越稳定。岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态，强度高的硬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，在洞室内可能发生岩爆现象；岩多表现为脆性破坏，在洞室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。象较为明显。v（4）围岩的初始应力场）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。根本作

45、用力，它直接影响围岩的稳定性。v（5）地下水状况）地下水状况v水的影响有如下几种：水的影响有如下几种：v 使岩质软化，强度降低，对软岩尤其突出；对使岩质软化，强度降低，对软岩尤其突出；对土体则可促使其液化或流动；土体则可促使其液化或流动；v在有软弱结构面的岩体中，会冲走充填物质或使夹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；层软化，减少层间摩阻力，促使岩块滑动；v在某些岩体中，如含有生石膏、岩盐或以蒙脱土为在某些岩体中，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

46、岩中，水的存在可以产生流砂未胶结或弱胶结的砂岩中，水的存在可以产生流砂和潜蚀。和潜蚀。v因此，在围岩分级中，对软岩、碎裂结构和散体因此，在围岩分级中，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及膨胀岩等，结构岩体、有软弱结构面的层状岩体及膨胀岩等，应着重考虑地下水的影响。应着重考虑地下水的影响。2.工程活动所造成的人为因素工程活动所造成的人为因素v施工等人为因素也是造成围岩失稳的重要条件，施工等人为因素也是造成围岩失稳的重要条件，其中尤其以洞室的尺寸（主要指跨度）、形状及其中尤其以洞室的尺寸（主要指跨度）、形状及施工中所采用的开挖方法等影响显著。施工中所采用的开挖方法等影响显著。v

47、（1）地下洞室尺寸和形状）地下洞室尺寸和形状v在同一级围岩中，洞室跨度愈大，围岩的稳定性就在同一级围岩中，洞室跨度愈大，围岩的稳定性就愈差。因为岩体的破碎程度相对加大了。地下洞室愈差。因为岩体的破碎程度相对加大了。地下洞室的形状主要影响开挖后围岩的应力状态。圆形或椭的形状主要影响开挖后围岩的应力状态。圆形或椭圆形洞室围岩应力状态以压应力为主，这对维持围圆形洞室围岩应力状态以压应力为主，这对维持围岩的稳定性是有好处的。而矩形或梯形洞室，在顶岩的稳定性是有好处的。而矩形或梯形洞室，在顶板处的围岩中将出现较大的拉应力，从而导致岩体板处的围岩中将出现较大的拉应力，从而导致岩体张裂破坏。张裂破坏。（2）

48、施工中采用的开挖方法）施工中采用的开挖方法v开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为明显，开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为明显，在分级中必须予以考虑。例如，在同一级岩体中，在分级中必须予以考虑。例如，在同一级岩体中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用矿山法采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用矿山法和采用掘进机法，采用全断面一次开挖和采用小断和采用掘进机法，采用全断面一次开挖和采用小断面分部开挖，对围岩的影响都不相同。面分部开挖，对围岩的影响都不相同。二、分级的因素指标及其选择 1、单一的岩性指标、单一的岩性指标v包括岩石的抗压和抗拉强度、岩石坚固性系数无弹包括岩石的抗压和抗拉强度、岩

49、石坚固性系数无弹性模量等物理力学参数，以及如抗钻性、抗爆性等性模量等物理力学参数，以及如抗钻性、抗爆性等工程指标。工程指标。v单一的岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，因单一的岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，因此用来作为分级的唯一指标是不合适的。例如，中此用来作为分级的唯一指标是不合适的。例如，中国西部的老黄土，在无水条件下，虽然强度较低，国西部的老黄土，在无水条件下，虽然强度较低，只有十分之几的只有十分之几的 MPa，但稳定性却很高，有些黄土，但稳定性却很高，有些黄土洞室可维持几十年之久而不破坏洞室可维持几十年之久而不破坏。2、单一的综合岩性指标、单一的综合岩性指标v它表明指标是单一的，

50、反映的因素却是综合的。它表明指标是单一的，反映的因素却是综合的。v岩体的弹性波传播速度，它既可反映岩石的力学岩体的弹性波传播速度，它既可反映岩石的力学性质，又可表示岩体的破碎程度。因为，岩体的性质，又可表示岩体的破碎程度。因为，岩体的弹性波传播速度与岩体的强度和完整状态成比例。弹性波传播速度与岩体的强度和完整状态成比例。v岩石质量指标是反映岩体破碎程度和岩石强度的岩石质量指标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。原率，或称岩芯采取率。v3、复合指标、复合指标三、围岩分级标准 1、岩石坚硬程度、岩石