发布时间 : 星期日 文章围岩分类与围岩压力更新完毕开始阅读d346c101cf84b9d528ea7aad
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，
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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。
表4—1 地下水对围岩稳定性的影响系数 岩性 涌水量 破碎程度 0～100 L/min 101～1000L/min ＞1000 L/min 硬 质 岩 石 比较完整 1.0 0.9 0.8 比较破碎 0.9 0.8 0.7 软 质 岩 石 比较完整 1.0 0.8 0.7 比较破碎 0.9 0.7 0.6 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。比较通用的做法，是将跨度的影响放在确定围岩压力值和支护结构类型和尺寸时考虑，这样将分类的问题简化了。
坑道的形状主要影响开挖隧道后围岩的应力状态。圆形或椭圆形隧道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。而矩形或梯形隧道，在顶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。但是，在目前的各种分类法中都没有考虑这个因素，可能是因为深埋隧道的断面形状绝大部分都接近圆形或椭圆形的缘故。
2. 施工中所采用的开挖方法
从目前的施工技术水平来看,开挖方法对隧道围岩稳定性的影响较为明显，在分类中必须予以考虑。例如，在同一类岩体中，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面分部开挖，对隧道围岩的影响都各不相同。所以，目前大多数围岩分类法都是建立在相应的施工方法的基础上的。
以上所述的工程活动所造成的人为因素，虽然对隧道围岩稳定性的影响很大,但为了简化围岩分类问题一般都是以分类的适用条件来控制,而分类的本身则主要从地质因素考虑。
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第三节 围岩分类
一、概述
上面已叙及判断隧道围岩的稳定性，而针对围岩稳定的程度制定相应的工程措施———最佳的施工方法和支护结构，乃是研究隧道地质环境需要解决的两个基本问题。对此，工程界历来都并存着两种截然不同的方法可供采用：经验方法和理论方法。由于隧道工程所处地质环境十分复杂，人们对它的认识远没有达到完善的地步，所以至今隧道工程的设计和施工仍多采用经验类比法，此法的基础是围岩分类。因为，隧道工程所赋存的地质环境千差万别，它给隧道工程所带来的问题也是各式各样的，人们不可能对每一种特定情况都有现成的经验和行之有效的处理方法。根据长期的工程实践，工程师们认识到各种围岩的物理性质之间存在着一定的内在联系和规律，因此，有必要根据一个或几个主要指标将无限的岩体序列划分为具有不同稳定程度的有限个类别，即将稳定性相似的一些围岩划归为一类，将全部的围岩划分为若干类，这就是隧道围岩稳定性分类，或简称为围岩分类。在围岩分类的基础上再依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构设计。可以说，围岩分类是选择施工方法的依据，是进行科学管理及正确评价经济效益、确定结构上的荷载（松散荷载）、确定衬砌结构的类型及其尺寸、制定劳动定额、材料消耗标准等的基础。
二、围岩分类的方法
围岩分类的原则有多种，它是在人们对隧道工程的不断实践和对围岩的地质条件逐渐加深了解的基础上发展起来的。不同的国家，不同的行业都根据各自的工程持点提出了各自的围岩分类原则。现行的许多围岩分类方法中，作为分类的基本要素大致有三大类：
第Ⅰ类 与岩性有关的要素。例如分为硬岩、软岩、膨胀性岩等，其分类指标是采用岩石强度和变形性质等，如岩石的单轴抗压强度、岩石的变形模量或弹性波速度等。
第Ⅱ类 与地质构造有关的要素。如软弱结构面的分布与性态、风化程度等。其分类指标采用岩石质量指标、地质因素评分法等等。这些指标实质上是对岩体完整性或结构状态的评价。这类指标在划分围岩的类别中一般占有重要的地位。 第Ⅲ类 与地下水有关的要素。
目前国内外围岩的分类方法，考虑上述三大基本要素，按其性质主要有下列几种： (一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分类方法
1．以岩石强度为基础的分类方法
这种围岩分类单纯以岩石的强度为依据，例如我国解放前及解放初期(如修建成渝线时)的土石分类法。即把岩石分为坚石、次坚石、松石及土四类。并设计出相应的四种隧道衬砌结构类型。在国外，有日本初期采用的“国铁土石分类法”。
这种分类方法认为坑道开挖后，它的稳定性主要取决于岩石的强度，岩石愈坚硬，坑道愈稳定，反之，岩石愈松软，坑道的稳定性就愈差。实践证明，这种认识是不全面的，例如我国陕北的老黄土，无水时直立性很强，稳定性相当高，在无支护条件下能维持十几年、甚至几十年之久，但其单轴抗压强度却很低。又如江西、福建一带的红砂岩，整体性好，坑道开挖后的稳定性较好，但其强度却不高，因此单纯以岩石强度为基础的分类方法需要改进并完善。
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2．以岩石的物性指标为基础的分类方法
在这种分类方法中，具有代表性的是前苏联普洛托季雅柯诺夫教授提出的“岩石坚固性系数”分类法(或称“f”值分类法，也叫普氏分类法)。它把围岩分成10类。这种分类法曾在我国的隧道工程中得到广泛的应用。“f”值是一个综合的物性指标值，它表示岩石在采矿中各个方面的相对坚固性，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度??等。但以往人们确定“f”值主要采用强度试验方法，即f岩石＝1Rc（Rc——岩石饱和单轴极限抗压强度)，再
100?150兼顾其它指标，它仍是岩石强度指标的反映。
我国把“f”值应用到隧道工程的设计、施工时，考虑了地质条件的影响，即考虑围岩的节理、裂隙、风化等条件,实质上是把由强度决定的“f”值适当降低，即：f岩体＝k?f岩石(k——地质条件折减系数)。这样的“f”值就是岩体坚固性系数。 (二)以岩体构造、岩性特征为代表的分类方法
1．这种分类法以泰沙基分类法为代表
此法是在早期提出的，限于当时的条件仅把不同岩性、不同构造条件的围岩分成九类，每类都有一个相应的地压范围值和支护措施。在考虑问题时是以坑道有水的条件为基础的，当确认无水时，4～7类围岩的地压值应降低50％。这一分类方法曾长期被各国所采用，至今仍有广泛的影响。
2．以岩体综合物性为指标的分类方法
60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分类法”，并于1975年经修正后正式作为铁路隧道围岩分类方法，1986年再作修订后列入我国现行的《铁路隧道设计规范》。 (三)与地质勘探手段相联系的分类方法
1．按弹性波(纵波)速度的分类方法
随着工程地质勘探方法，尤其是物探方法的进展。1970年前后，日本提出了按围岩弹性波速度进行分类的方法。围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可反映岩石软硬，又可表明岩体结构的破碎程度。根据岩性、地质状况及土压状态，将围岩分成七类。我国从1986年起也开始将围岩弹性波(纵波)速度引入我国分类法中。
2. 以岩石质量为指标的分类方法——RQD方法
所谓岩石质量指标是指钻探时岩芯的复原率，或称岩芯采取率，这是美国伊利诺大学迪尔等人提出的，认为钻探获得的岩芯其完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均质性等状态有关，因此可用岩芯复原率来表达岩体质量。所谓岩芯复原率即单位长度的钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例，可写为
RQD(%)?10cm以上岩芯累计长度?100 (4-1)
单位钻孔长度 这个分类方法将围岩分成五类，认为： RQD＞90％为优质，75％＜RQD＜90％为良好，50％＜RQD＜75％为好，25％＜RQD＜50％为差，及RQD＜25％为很差。
(四)组合多种因素的分类方法
比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿等人提出的“岩体质量——Q”的分类方法。这个分类方法是把表明岩体质量的六个地质参数之间的关系表达为
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