高速铁路隧道施工-隧道工程地质环境.ppt

高速铁路隧道工程,项目一隧道洞口与明洞施工,第一节围岩分级第二节围岩压力及成拱作用,第一节围岩分级（Surroundingrockclassification）,一、概述1．围岩的概念隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体（或土体），或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体（或土体）。2．围岩分级的目的为隧道设计和施工提供依据。（1）可以据此选择适当的施工方法；（2）确定支护结构上的荷载（松散）；（3）确定衬砌结构的类型及其尺寸。,二、围岩分级方法简介现行的围岩分级法考虑了三个基本因素1．与岩性有关的因素如岩石的强度和变形性质（抗压强度、弹性模量、弹性波速等）可将岩石分为硬岩、软岩、膨胀岩等。2．与地质构造有关的因素岩体的完整性或结构状态。如软弱结构面的分布与性态、风化程度、节理发育程度、块度大小等，其分级指标在围岩分级中占有重要地位。,3．与地下水有关的因素水是使隧道丧失稳定的重要原因，地下水对围岩稳定性的影响有（1）地下水能软化围岩，降低围岩体强度；（2）地下水能软化围岩体中的结构面，降低围岩体的的抗剪强度，使围岩体容易滑动；（3）地下水往往形成承压水体，促使围岩失去稳定。总之，地下水对于围岩的稳定性是不利的。,目前国内外的隧道围岩分级方法（一）、以岩石强度和物理性质为指标的分级法1．以岩石强度为指标的分级法岩石越坚硬，坑道越稳定，围岩就越好。该分级法一般将围岩四种类型坚硬岩、较坚硬岩、较软岩、软岩及极软岩五级。但它有局限性如如我国陕北的老黄土，无水时直立性很强，稳定性相当好，但强度却很低。再如江西、福建等地的红砂岩，虽然强度低，但稳定性较好。,RC与岩石坚硬程度定性划分的关系,2．以岩石物理性质为指标的分级法前苏联的普氏分级法，它代表岩石的相对坚固性。如岩石的抗钻性、抗爆性、强度。,（二）、以岩体构造，岩性特征为指标的分级法1．泰沙基（K.terzaghi）分级法将不同岩性，构造条件的围岩分为九级，对应于每一级都有一个相应的地压范围和支护措施。该分级法在美国、英国等广泛应用2．岩体综合物性指标分级法这种分级法就是我国现行铁路隧道围岩分级方法。,（三）、与地质勘探手段相联系的分级方法1．围岩弹性波纵波速度分级波速越高，围岩越好。该法最早是日本提出的。2．岩石质量为指标的分级法RQD（rockqualitydesignation）分级法。用岩芯复原率来表示岩石质量指标，岩芯的完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均匀性等状态有关。所谓岩芯复原率是指单位长度的钻孔中，10cm以上的岩芯占有的比例。这种围岩分级方法将围岩分为五级优、良、好、差、很差。,三、我国铁路隧道的围岩分级法在我国现行的铁路隧道设计规范（TB100032001）中，明确规定了要采用以围岩稳定性为基础的分级法和按弹性波速度的分级法。影响围岩稳定性的因素很多，除了工程地质条件，还有工程结构条件。该分级法主要考虑了围岩的结构特征和完整状态、岩石强度和地下水等工程地质条件和弹性波纵波速度因素，把围岩分为6级，依其稳定性由好到差为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。四、围岩分级的发展趋势1．分级时以岩体为对象。包括了岩块与岩块之间的软弱结构面；2．分级与地质勘探手段有机联系起来。分级指标更趋定量化；3．分级时要有明确的工程对象和工程目的。,一、围岩压力（一）围岩压力的定义引起地下开挖空间周围的岩体和支护结构变形或破坏的作用力。狭义理解围岩压力是围岩作用在支护结构上的力。（二）围岩压力的分类按作用力发生的形态一般可分为1．松动压力（looseningpressure）由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称为松动压力。松动压力按作用在支护上力的位置不同分为竖向压力、侧向压力和底压力。,第二节围岩压力及成拱作用,2．形变压力（clasticpressure）（弹性抗力）形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。所以形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。3．膨胀压力（inflatepressure）当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。4．冲击压力（strikepressure）（通常是由“岩爆”（rockburst）引起的）冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。,由于冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，它就会突然猛烈地大量释放。,二、坑道开挖前后围岩应力状态（一）坑道开挖前围岩应力状态（初始应力状态）坑道开挖前，地层是处于相对静止的状态。因为地层中任何一处的土石都受到上、下、左、右、前、后土石的挤压，保持着相对的平衡，称为原始应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的残余应力以及地下水活动等因素所决定的。,连续介质理论假定岩体是均匀连续的介质，岩体为半无限体，地面水平。为了研究方便，仅考虑由上覆地层自重所形成的原始应力，并取深度H上的一个单元体来作应力分析，如图1-2-1所示。该单元体受到三对大小相等、方向相反的压力作用，因此该单元体处于力的平衡状态和变形运动的相对静止状态。,在上覆地层自重作用下，竖直压力为式中地层的容重；H从地面到单元体所处的深度。由于单元体的侧向变形受到周围地形的限制，便产生了侧向压力和，其中由上覆地层自重和地层的物理力学性质所决定式中侧压力系数。,根据岩体为半无限体，侧向应变为零的条件，并把地层看成各向同性的弹性体，可推导式中泊松比，视地层性质不同值在0.140.5之间变化。,,（二）坑道开挖后围岩应力状态坑道开挖后，围岩原来的平衡状态受到破坏，由相对的静止状态变成显著的变动状态，于是围岩在应力和变形方面开始了一个新的变化运动，出现了围岩应力的重分布和围岩向开挖的坑道空间变形，力图达到新的平衡。坑道开挖后，地层一侧丧失了约束，平衡状态受到破坏，引起应力集中，围岩向坑道内变形。变形的大小取决于应力变化的大小和围岩抵抗这些变形的能力。对于不同的岩质则有不同的情况。在坚硬完整的围岩中，围岩本身的强度足以承受坑道周边应力，这时围岩是自承的，不需要支撑或衬砌提供外加平衡力。在松软的或裂隙围岩中，围岩体本身强度低，不足以抵抗围岩的周边应力，因此这一部分岩体在开挖后，产生向内的变形运动，其后则出现松动或坍塌。,三、围岩的成拱作用在工程实践中人们发现，当隧道在多裂隙围岩包括一般土层中埋置较深时，作用在支护结构上的围岩压力远远小于其上覆层自重所造成的压力。这是什么缘故呢这就是可以用围岩的“成拱作用”来作解释。在上述条件下，当坑道开挖后，如果任意让其变形，松动和坍塌，最后将会看到在坑道上方形成一个相对稳定的拱形洞穴，如图所示。人们常称之为“天然拱”或“平衡拱”。,它上方的一部分岩体承受着上覆地层的全部重力，如同一个承载环一样，并将荷载重力向两侧传递下去，这就是所谓围岩的成拱作用。,四、影响围岩压力的因素1.时间因素。不论何种围岩，在坑道开挖后的暴露时间均是越短越好。2.坑道的尺寸与形状因素。围岩压力是随着坑道的尺寸增大而增大的，当坑道有引起应力集中的形状，即有明显的拐角时，围岩压力相对较大。3.坑道的埋深因素。当坑道的埋置深度在一定范围内时，围岩压力是随着埋深的增大而增大时；当坑道埋深超过此范围时，则围岩压力的大小基本不受埋深变化的影响。,思考题,1.隧道围岩、隧道围岩压力的概念是什么2.我国铁路隧道现行围岩分几级主要考虑哪些因素3.影响围岩压力的因素有哪些,