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隧道围岩的概念与工程性质

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1、第 3 章围岩分级与围岩压力3.1 隧道围岩的概念与工程性质3.1.1隧道围岩的概念1、概念隧道开挖后其周围一定范围内，对其稳定性能产生影响的那部分岩（土）体。隧道周围的地层可以是软硬不一的岩石，也可以是松散的土，把土视为一种特殊的（风化破碎严重的）岩石，所以隧道周围的地层不管是土体还是岩体，统称为围岩。这个范围在横断面上约为 610倍的洞径。说明：围岩既可以是岩体，也可以是土体。2、岩体、岩石、围岩的关系：岩体：由结构面和结构体结合而成的具有结构特征的地质体。岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造变形、次生脱变而形成的地质体，它被很多不同方向，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结合而成的具有结构特征以及结构面的特性。岩体由于结构面的存在，具有明显的非均质性，不连续性和各向异性。岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而成的自然体，如花岗岩、砂岩等，表现的力学性质是均匀的、连续的和各向同性的；岩石与

2、岩体的区别：岩体工岩石，岩体=岩石+结构面围岩：岩体的集合体。即岩体工围岩，不是整个岩土体，是受隧道开挖影响的那部分岩土体。岩石：均质、连续、各向同性岩体：非均质、不连续、各向异性3.1.2围岩的工程性质1. 围岩的工程性质，三个方面：1）物理性质：容重、节理的产状等；2）水理性质：岩体的溶水性、透水性、持水性等；3）力学性质：抗压、抗拉、抗剪强度。对围岩稳定性最有影响的是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能，即变形特性和强度。围岩既可以是岩体，也可以是土体。岩体的结构特征结构体岩石的特性结构面的特性2、岩体的力学性质(变形破坏特性和强度)(1)岩体的变形特性1) 抗拉变形：岩体的抗拉变形能力很低。可认为无抗拉能力。主要讨论抗压、抗剪能力。2) 受压变形：岩体的受压变形特性，可以用它在受压时的应力应变曲线来说明。岩石应力-应变曲线，线性关系比较明显，以弹性变形为主；软弱结构面呈显出非线性特征，以塑性变形为主；岩体分解为四个阶段：I压密阶段(OA)：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，形成了非线性凹状曲线，变形模量小。II. 弹性阶段(AB)：岩体充分

3、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，应力应变关系呈直线型。III. 塑性阶段(BC):岩体继续受力、变形发展到弹性极限后便进入塑性阶段，此时岩体的变形特性受结构面和结构体的变形特性共同制约。W.破裂和破坏阶段(CD)：应力达到蜂值后，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。总结：从岩体的全应力应变曲线的分析中可以看出，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。整体性好的岩体接近弹性体，破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。3）剪切变形（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，可能有三种方式：沿结构面滑动。此时，结构面的变形特性即为岩体的变形特性。结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂。此时岩石的变形特性即起主导作用在结构面影响下，沿岩石剪断。此时，岩体的变形特性介乎上述二者之间。4）流变（岩体变形的时间效应）概念：岩体的变形不是瞬时完成的，而是随着时间的增长逐渐达到最终值。岩体变形的这种时间效应，称

4、之为岩体的流变特性。流变包括两方面：下图 4-2 蠕变：作用的应力不变，而应变随时间而增长；松弛：作用的应变不变，而应力随时间而衰减。（2）岩体的强度抗压强度：岩石：受微裂隙所制约，强度大。通过试件获得。岩体：受结构面控制，强度小，并具有明显的各向异性。结论：岩体的强度要比岩石的强度低得多，一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石的7080%，结构面发育的岩体，仅有510%。岩石、岩体、结构面三者的强度比较见下图。抗剪强度：岩体的抗剪强度受结构面的制约。岩体内结构面的状态：a.力学性质b.充填状态c.产状d.分布和规模剪切破坏方式：a.岩体沿结构面滑移，属于塑性破坏b.沿岩石剪断属于脆性破坏3.2 围岩的稳定性3.2.1研究围岩稳定性的意义围岩稳定性：隧道开挖后，围岩自身在不支护条件下的稳定程度。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

5、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根据坑道开挖实践，坑道开挖后的稳定性大体上可分为以下几类：1）充分稳定的。坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。2）基本稳定的。坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的，层间结合差的平缓岩层顶板可能弯曲、断裂。此时应采取局部支护或轻型的支护。3）暂时稳定的。大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。在外界（如爆破、重新更换支撑等）和内部（如地下水等）条件的影响下，坑道如不及时支护，会进一步丧失稳定。因此，在这种围岩中，必须采取各种类型的支护措施。4）不稳定的。坑道在不支护条件下是难以开挖的，随挖随坍，常常要先支后挖，坑道的坍塌发生迅速、影响范围大，有时可坍塌到地表，或在地面形成塌盆地。在有水的情况下，土体流动造成极大的荷载。在这种情况下，需要采取专门的支护措施和施工方法来保证坑道的稳定。

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