第三章 围岩分级(

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第三章 3.1 概 述

围岩分级(类)及稳定性评价 围岩分级(

围岩是指开挖地下空间后其周围产生应力重分布范围内的岩 土体，或指开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩土体。隧道 围岩的状态特征是各种各样的，如从松散软弱的土层到坚硬的 岩石地层，从完整的岩体到相当破碎的断层破碎带和强烈风化 岩体，又由于地下水及地应力的状况不同，都会因在其中开挖 出空间而表现出不同的稳定性。 所谓围岩的稳定性，是指在开挖后不加支护的情况下围岩自 身的稳定程度，可分为：充分稳定、基本稳定、暂时稳定和不 稳定等不同等级。 围岩分级(类)就是对不同地质条件特征的围岩进行类别及 稳定性等级的划分，这种划分是隧道与地下工程进行工程类比 设计的重要依据，是围岩稳定性评价的重要基础。也是隧道设 计、施工的依据，是进行科学管理及正确评价经济效益、确定 结构荷载(围岩压力)、设计衬砌结构的类型及参数、制定劳 动定额及材料消耗标准等的基础。

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围岩分级( 3.2 围岩分级(类)及稳定性评价的基本因素地下空间结构体系的稳定性受两个方面的因素影响，一方 面是地质因素，包括岩性及岩石的力学强度、岩体的地质结构 构造特征(完整性、软弱结构面发育及分布、风化作用等), 以及原岩应力状态和地下水状况；另一方面是工程因素，包括 地下空间的断面形状、尺寸，埋深，施工方法，支护结构类型 及支护时间等。地质因素的影响由于显现的比较明显而往往受 到人们的重视，而工程因素由于人们对它的作用机理缺乏足够 的认识而容易被忽视。实际上，工程因素是绝对不能忽视的， 由于设计的失误和施工方法不当所造成的围岩失稳破坏实例屡 见不鲜，人们应该从中汲取经验教训。

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3.2.1 地质因素一、岩体的完整性 二、岩石力学性质 三、地下水 四、原岩应力

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一、岩体的完整性 岩体的完整性是影响围岩稳定性的首要因素，而岩体完整 性通常取决于岩体结构类型、地质构造影响和结构面发育等情 况。 1.岩体结构类型 组成岩体的岩石以及岩体中结构面和结构体特征的多样性 决定了岩体结构的复杂性。岩体结构类型的划分就是依据不同 的岩石组成、结构面和结构体特征，以及由此对岩体的变形破 坏机理以及强度的本质影响，划分出具有独立特征的不同结构 类型。因此岩体结构类型的划分对应于不同的力学介质类型。

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表3-1是我国对岩体结构类型的划分，并以结构体的块度尺寸作为划分 岩体结构类型的主要依据。 表 3-1 岩体结构类型 岩体结构与块度尺寸关系 块度尺寸(以结构面平均间距表示，m)

国标锚喷围 军用物资库 岩分类 围岩分类 整体状结构 块状结构 层状结构 碎裂状结构 散体状结构 >0.8 0.4-0.8 0.2-0.4 0.2-0.4 <0.2 >0.8 >0.4 >0.4 0.2-0.4 <0.2 坑道工程围 岩分类 >1 0.3-1 0.3-1 <0.3 <0.2 中科院地质所 岩体结构分类 >1 0.5-1 0.3-0.7 0.1 0.01

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不同的岩体的结构类型决定了岩体具有不同的完整性，表3-2是岩体完整 性的定量表述。 表 3-2 岩 体 完 整 性体积裂隙数 Jv(条数/m3) 完整性系数 KV 岩石质量系数 RQD(%)

岩体完整性各指标的表示方法<1 (巨块状) 0.9-1.0 (极完整) 90-100 (优) 1-3 (块状) 0.75-0.9 (完整) 75-90 (良) 3-10 (中等块状) 0.5-0.75 (中等完整) 50-75 (中) 10-30 (小块状) 0.2-0.5 (完整性差) 25-50 (差) >30 (碎裂状) <0.2 (破碎) <25 (劣)

岩体完整性系数KV是用岩体、岩石纵波速度比的平方来表示，即： 2 (3-2) V KV

式中：Vpm为岩体声波纵波速度；Vpr为岩石声波纵波速度。 岩石质量系数可用岩芯采取率予以反映，是表示岩体完整性的一个定量 指标，计算公式为: 10cm以上岩芯累计长度 (3-3) RQD(% ) = 岩芯总长度

= Pm V pr

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2.地质构造影响程度结构面的发育情况与区域性摺皱、断裂等地质背景有着密切联系，所以 分类中一般要考虑地质构造的影响程度。一般按其影响程度大多可分为影响 轻微、较重、严重、很严重四级，见表3-3。 表 3-3 岩体受地质构造影响的分级

受地质构造 地 质 构 造 作 用 特 征 影响程度 轻 微 较 重 严 重 极严重 地质构造变动小，结构面不发育 地质构造变动较大，位于断裂(层)或褶曲轴的邻近地段， 可有小断层，结构面发育 地质构造变动强烈，位于褶曲部或断裂影响带内，软岩多 见扭曲及推拉现象，结构面发育 位于断裂破碎带内，岩体破碎呈块石、碎石、角砾状，有 的甚至呈粉末泥土状，结构面极发育

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3.结构面发育状况及产状 结构面发育状况及产状包括节理裂隙或层面的密度(间距)、组数、 贯通程度、闭合程度、充填情况和粗糙程度等。结构面的定性指标通常有 如下几种： (1)结构面的成因及其发展历史，一般分为原生结构面、构造结构面与次生 结构面。 (2)结构面的产状，包括结构面的长度、宽度、方向与间距等。结构面按其 贯通情况可分为贯通的、断续交错的。结构面方向主要考虑与洞轴线的关 系及结构面与临空面的组合关系。表3-4列出了洞轴线与主结构面产状的不 同交角关系对围岩稳定性的影响。分类中尤应注意软弱结构面的数量、规 模与产状。软弱结构面与洞轴线的不利交角关系及软弱结构面与临空面的 不利组合，是形成不稳定块体，造成围岩失稳的重要因素。 (3)结构面的结合情况，如结构面

的闭合程度，充填情况和粗糙程度。结构 面按闭合程度可分为紧闭的(<0.01mm),闭合的(0.1-0.05mm),微张的 (0.5-lmm)与张开的(>lmm)等几种，按充填情况可分为未填充，充填岩屑， 充填泥土和胶结等几种情况。按粗糙起伏度可分为明显台阶状、粗糙波浪 状、光滑波浪状和平整光滑状等。

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二、岩石力学性质岩石对围岩稳定性及分级的影响主要是指岩石强度或坚固性。由于岩 石(块)强度可由室内试验获得，因此围岩分级中一般采用岩石单轴饱和 抗压强度σcw作为强度指标。该指标既考虑了地下水对岩石的软化，又兼 顾考虑了岩石的风化情况，同时，它与其它力学指标有较好的互换性，而 且试验方法简单可靠。若无岩石单轴饱和抗压强度的实测值，可采用实测 的岩石点荷载强度指数Is(50)的换算值，换算公式为： (3-4) 0.75 σ cw = 22.82 I s(50) 实际上，与围岩稳定性直接有关的因素是岩体强度，但岩体强度一般 不容易直接测得，因此，在围岩分级中常引入岩体准抗压强度的概念，以 近似代替岩体强度。准抗压强度用岩体完整性系数KV与岩石单轴饱和抗压 强度σcw的乘积表示。岩体完整性系数除可按式 (3-2)确定外，从定性上 则可认为主要取决于岩体结构类型。因此，相同的岩石抗压强度相对于不 同岩体结构类型，其准抗压强度是不同的。目前，我国围岩分级中，也有 采用岩体准抗压强度作为分级指标，考虑到岩体完整性系数与岩体结构类 型相应，多数围岩分级也采用岩体结构类型与岩石单轴抗压强度的不同组 合来划分围岩类别。

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三、地下水的影响地下水对围岩稳定有很大影响，是造成围岩失稳的重要原因之一。地 下水对围岩稳定性的影响是随着岩质的软弱而有显著差别的，对中等和软 弱围岩影响较大，特别在粘性的松散岩体、软岩或断层破碎带、岩脉破碎 带、全强风化带中地下水对其稳定性作用更为显著，地下水的渗压作用往 往会造成涌水塌方。而对于稳定围岩，由于岩体坚硬，软弱结构面较少， 一般不考虑地下水的影响。但若有软弱结构面时，有时要求对软弱结构面 进行加固处理。 围岩中地下水的规模可分为四类： 渗——裂隙渗水。 滴——雨季时有水滴。 流——以裂隙泉形式，流量小于l0L/min。 涌——涌水，有一定压力，流量大于l0L/min。

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地下水对围岩的影响，一般按其水量多少，岩石软硬及节理多少程度 等来确定，如表(3-7)给出的地下水影响系数，就是按这一原则来确定的。 表 3-7毛洞开挖后围岩出水情况 >30 表面渗水、局部滴水，无水压 淋雨状清水或涌泉状流水，水压 <0.lMPa 淋雨状滴水或涌泉状流水，水压 >0.lMPa 1 0.

9 0.9

地下水影响系数K 地下水影响系数KWKVσcw(MPa) 30 -15 0.9 0.8 0.7 <15 0.8 0.7 0.6-0.4

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四、原岩应力的影响在埋深与构造应力不大的坚硬岩体中开挖洞室，原岩应力一般不会有 明显影响，但在高地应力地区，软岩以及在埋深大的洞室和巷道中，则原 岩应力会对围岩稳定性产生明显影响。原岩应力影响因素包括：原岩应力 数值、方向与各主应力间的比值。但对于围岩分级，一般可以岩体强度应 力比Sm来表征原岩应力的影响：

Sm =

KV σ cw

(3-5)

σ max

式中：σmax为垂直洞轴线的垂直地应力或水平地应力，两者中取大值，无 实测数据时取σmax=10-5γH;σcw为完整岩石单轴饱和抗压强度(Mpa);γ 为岩体容重(kN/m3);H为覆盖层厚度(m);Kv为岩体完整性系数。 在国外，常采用岩块强度应力比，即：

Sr =

σ cw S m = σ max K v

(3-6)

其极限值，对中等稳定围岩一般为4,不稳定围岩为2。

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五、围岩分级的综合指标 在围岩分级中，除了上述定性和定量指标外，还有一些综 合指标，它能同时反映上述多种因素的综合作用。例如声波纵 波速度、RQD指标、围岩自稳时间及围岩变形量值等。在我国 的围岩分级中，应用较广的是岩体声波纵波速度。声波速度能 综合反映岩体完整性与强度，并能沿洞轴全长测量，而且测试 简易、快速，目前在国内外应用较广。因而国内几个锚喷支护 的围岩分级中都采用了这一指标与其它因素相结合进行划分。

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3.2.2工程因素 3.2.2工程因素1.地下空间的尺寸与形状 2.隧道的埋深 3.施工开挖及爆破方法 4.支护结构及时间 5.超挖回填

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3.3国外围岩分级的研究发展 3.3国外围岩分级的研究发展围岩分级(类),以及在此基础上对各类围岩的成洞条 件、开挖、支护要求作出评价，作为设计和施工的依据是国 外在20世纪40年代就很通用的方法。但是随着对岩体力学特 性认识的深入以及地下工程经验的积累和地下工程技术的发 展，围岩分级的原则和分级系统在不断的改进和完善。70年 代中期有很大进展，几种新的分类(如Q、RSR、RMR系统) 综合考虑了对岩体稳定性的影响因素，和岩体力学特性参数 有比较密切的结合，并与设计、施工有紧密的联系。这些分 类代表了新的发展方向，即岩体分类中的质量评价。

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RMR分级法 3.3.1 RMR分级法南非的宾尼亚斯基(Bieniawski,Z.T)于1973年首次提出用岩体质量 指标RMR(Rock Mass Rating)来进行岩体分级，因其最早用于南非，故又 称南非地质力学分级法(CSIR)。此后作者又通过对地下洞室、地基、边 坡等大量工程实例进行的调查分析，对该分级方法进一步完善，于1979年 提出了修正的RMR分级方法，并得到国际

岩石力学学会(ISRM)的推荐。 RMR岩体分级方法考虑了六项参数，前五项参数按其对岩体质量影响的 重要性，给出一定的分值(见表3-9)。六项参数中还有一个节理方位校正 因素，按不同工程类型，考虑结构面产状对其稳定性的影响程度，按表310予以修正。 六项参数分值的总和就是岩体的RMR值，根据该分值就可确定岩体的类 别(表3-11)。宾尼亚斯基提出的RMR分级法考虑了影响岩体质量和稳定性 的最主要因素，这些因素测试方法简单快捷，许多都被国际岩石力学学会 已颁布的建议方法所规定，可以有统一的标准。该方法还分别考虑了隧洞、 地基、边坡等不同类型工程岩体，因此其应用范围比较广泛。

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表3-9参 数 Is (MPa) 1 强 度 σcw (MPa) 定额分值 2 RQD 定额分值 节理间距 定额分值

节理岩体地质力学分级——RMR分级 RMR分级 节理岩体地质力学分级 RMR参数与定额分值的关系 >10 >250 15 90~100 20 >2m. 20 4~10 100~250 12 75~90 17 0.6~2m 15 2~4 50~100 7 50~75 13 02~0.6m 10 1~2 25~50 4 25~50 8 0.06~0.2m 8 单轴压缩试验 5~25 2 3 <0.06m 5 软弱的断层泥厚 >5mm或张开度 >5mm,连续。 1~5 1 <25 <1 0

3

4

节理状态

节理面有擦痕， 节理面很粗 节理面略粗 节理面略粗 或断层泥厚 糙，不连续， 糙，张开度 糙，张开度 1~5mm,张 <1mm, 闭合，岩壁 <1mm, 开度1~5mm, 不风化。 岩壁微风化。 岩壁强风化。 连续。 30 无 0 完全干燥 15 25 <10 0~0.1 稍潮湿 10 20 10~25 0.1~0.2 潮湿 7 10 25~125 0.2~0.5 滴水 4

定额分值 地 下 水 每10m隧洞的 流量(L/min) 节理水压力/ 主应力 一般状态 定额分值

0 >125 >0.5 有水流出或溢出 0

5

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表3-10节理走向与倾向 隧洞 分值 基础 边坡

节理走向的调整分值非常有利 0 0 0 有利 -2 -2 -2 中等 -5 -7 -25 不利 -10 -15 -50 非常不利 -12 -25 -60

表3-11定额总分值 岩体分级 说明 81-100 Ⅰ 极坚硬岩体

RMR按定额总分值划分的岩体级别 RMR按定额总分值划分的岩体级别61-80 Ⅱ 41-60 Ⅲ 21-40 Ⅳ <20 Ⅴ

坚硬岩体 中等坚硬岩体 软弱岩体 非常软弱岩体

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RSR分类法 3.3.2 RSR分类法美国的威克海姆(G.E.Wickham)等人于1974年提出了岩 体结构分类法(Rock Structure Rating)又称RSR分类法，它 能较好地用于估计地下洞室支护系统上的岩石荷载，确定所需 要的钢支撑、喷混凝土和锚杆加固措施。 岩体结构类别是由Wickham等人根据A、B、C三个参数的和 确定的，即：

RSR = A + B + C这三个参数由表3-12、表3-13、表3-14中查得。 RSR值范围在25-100之间，反映岩体结构的质量，而与隧 道开挖尺寸和开挖方法无关。

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Wickham等人提出，作用于支护衬砌上的围岩荷载由下式计算：

D 6000 ) 70 Wr = ( 302 RSR + 8式中：Wr——岩体荷载 D——开挖

直径 RSR——岩体结构等级

(3-7)

在RSR值分类基础上，Wickham等人又提出了隧道喷锚支护设计的经验方法， 当使用25mm直径的锚杆、拉拔力为11000kg时，系统锚杆的间距可按下式 计算： 锚杆布置间距D=

24 Wr

(3-8)

在喷射混凝土支护时，喷层的厚度按下式计算：

Wr t = 1+ 1.25

(3-9)

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Q分类法 3.3.3 Q分类法巴顿的岩体质量指标Q分级法(NGI)是为隧道掘进、支护设计提出来的，它适用范围广 泛，从具有膨胀土在内的各种粘土矿物充填的节理岩体到坚硬完整岩体都能适用。 巴顿分级法考虑了六个分级因素： RQD (%) 评分10-100 节理组数Jn 评分20-0.5 节理粗糙度Jr 评分0.5-4.0 节理蚀变度Ja 评分20-0.75 节理水折减系数Jw 评分0.05-1.0 应力折减系数SRF 评分10-1.0 岩体质量指标Q由下式确定： (3-10)

RQD Q = Jn

J J

r a

Jw SRF

Q值通常范围在0.001-1000之间，对于在不同范围Q值的岩体中开挖，巴顿提出了详尽 的支护方法。由于巴顿分级法考虑的因素全面，能适用于各种岩石。虽然在分级因素中没有 考虑节理方位的影响(巴顿也认为节理方位是提高分级精度的参数之一),但是Jn、Jr和Ja 是作用更大的参数，因为Jn决定了岩块运动的自由度，而节理的摩擦和膨胀特性的变化将远 大于由于重力引起岩块下滑的不利作用。如果将节理方位作为分级因素，则将使分级方法失 去最简易的本质，使之缺乏通用性。

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