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1、第四节地下工程的围岩分类 围岩分类是为解决地下洞室的围岩稳定和支护问题而建立的。因而围岩分类是围绕地下洞室的稳定性和支护的影响因素而作为分类原则，这些因素主要有:岩体的构造特征和完整状态；岩体强度；岩石的风化程度；地下水的影响；区域构造影响和地震影响等。在实际制定围岩分类时，一般主要考虑岩体强度、岩体构造特征和完整程度以及地下水活动等方面的因素。国内外的围岩分类所选取的根本因素大致都是这样，但在综合反映根本因素的指标上是不同的。 一、“普氏分类 普氏分类在我国曾应用较广。主要是考虑岩性，而未考虑岩体构造和围岩完整性。围岩压力公式是把坚硬地层视作松散介质，形式上套用了松散地层中的压力拱理论
2、和公式，即垂直压力为： P = w h 1 〔8-26〕 式中P——垂直压力； h 1 压力拱拱高，h 1= a 1 /fkp ； al ——压力拱半跨； f kp岩石坚硬系数； w——围岩的重度。 工程地质勘测工作根本上是根据地质条件和经历确定f kp值。见表8-16。 或按下面的经历公式确定fkp值： fkp= Rc/10 〔8-27〕 式中Rc ——岩石的单轴抗压强度〔MPa〕。 普氏岩石分类 表8-16 岩层种 类 坚硬程度 地层 fkp I 极度坚硬 最坚硬、严密及坚韧的石英岩和玄武岩，在强度方面为其他岩层所不 及者 20 II 很硬
3、 很硬的花岗岩层、石英质斑岩，很硬的花岗岩、硅质片岩，比上述石 英岩略弱的石英岩，最硬的砂岩及石灰岩 15 III 坚硬 花岗岩〔严密的〕和花岗岩层，很硬的砂岩和石灰岩，石英质矿脉， 硬的砾岩，很硬的铁矿 10 III 一甲 坚硬 石灰岩〔坚硬的〕不硬的花岗岩，硬的砂岩，硬**石，黄铁矿、白云石 8 IV 相当坚硬 普通片岩，铁矿 6 IV一甲 相当坚硬 砂质片岩，片岩状砂岩 5 V 普通 硬的粘土质片岩，不硬的砂岩和石灰岩，软的砾石 4 V 一甲 普通 各种片岩〔不硬的〕，严密的泥灰岩 3 VI 相当软 软片岩，软石灰岩，白垩，岩
4、盐，石膏，冻结土，无烟煤，普通的泥灰岩，破坏的砂岩，胶结的卵石和砂砾，掺石土 2 VI—甲 相当软 碎石土，破坏的片岩，散处的卵石和碎石，硬煤〔fkp=1.4〜1.8〕， 硬化粘土 1.5 VII 软地层 粘土〔严密的〕，普通煤〔fkp=1.0〜1.4〕，硬冲积土，粘土质土壤 1 VII一甲 软地层 略带砂性粘土，黄土，略带砂性沃土，湿砂 0.8 VIII 土质地层 种植土，泥炭，略带砂性沃土，湿砂 0.6 IX 散粒地层 砂，漂砾，小砂砾，松散土，开采出的煤 0.5 X 流砂地层 流砂，沼泽土，含水黄土和其他含水土壤〔fkp=0.1〜
5、0.3〕 0.3 这种方法曾在我国较长时期内得到广泛的应用。目前有些单位仍应用此分 类。但在长期工程实践中，发现这种分类与其计算方法存在严重的缺陷。 1. 它主要是为估计土石工程的工作量、确定施工开挖定额效劳的。因此它只能说明岩石开挖的难易程度，不能全面反映岩体的稳定性。 2. fkp值以岩石强度为根底，大量工程实践证明，决定岩体稳定性的主要因素是岩体构造特性，即它的完整性，在分类中虽然也规定要根据岩石的物理状态〔风化的、破碎的〕划归于较低一类去，这样给确定fkp值带来了很大的主观臆断性。我国各部门由于工程特点不同，确定fkp值标准也不同。甚至在同一地点对同一洞室的岩石，不同的人
6、可以得出相差很大的fkp值。 3. 分类等级较多，给使用上带来不便。由于选用的fkp值不同，相应计算得到的围岩压力也相差很大。当fkp= 2和fkp= 4时，则压力可相差近一倍。 4. 普氏压力计算公式根据松散体理论而得，而地下洞室多位于坚硬及中等坚硬以上较完整的岩体中，理论假设前提与客观实际相差太大。一般来说，在坚硬地层中围岩压力公式计算结果偏大，而在松散地层中计算结果偏小。 二、泰沙基分类 泰沙基于1946年提出使用钢拱支撑的隧道围岩分类方法。他考虑了岩体的构造、岩性以及影响建筑物稳定的其他一些性质〔如受化学侵蚀、膨胀性等〕，推荐了不同岩性的支撑与衬砌上的荷载计算公式〔表8-1
7、7〕。泰沙基分类在英美等国应用较广。我国有关单位在订标准时也参考了这种分类。 K •泰沙基分类〔1946年〕表8-17 岩层状态 土荷载高度〔m〕 说明 1.坚硬的，不受损害 0 当有掉块或岩爆时可设轻型支撑 2.坚硬的，呈层状或片 状的岩层 0 〜0.5B 采用轻型支撑，荷载局部作用，变化不规则 3.大块、有一般节理的 0 〜0.25B 4.有裂痕，块度一般的 岩层 0.25B 〜0.35(B+Ht) 无侧压 5.裂隙较多块度小的岩 层 (0.35 〜1.10)(B+Ht) 侧压很小或没有 6.完全破碎的，但不受 1.10〔B+Ht〕 有一
8、定侧压，由于漏水，隧道下局部变软，支撑 化学侵蚀的 下部要作根底。有必要时可采用圆形支撑 7.挤压变形缓慢的岩层 〔覆盖厚度中等〕 (1.10 〜1.20)(B+Ht) 有很大侧压，必要时修仰拱，推荐采用圆拱支撑 8.挤压变形缓慢的岩 层，覆盖层较厚 (2.10 〜4.50)(B+Ht) 9.膨胀性地质条件 与〔B+Ht〕无关，一般 达80m以上 要用圆形支撑，剧烈时可缩性支撑 据我国水电有关部门在一些塌方地段曾用泰沙基分类表所订的土荷载高度 进展核算后认为，凡符合泰沙基分类所指的地质条件，一般还较接近于实际情况。 但是，这种分类也是建立在岩
9、体塌脱成自然平衡拱的概念根底上。 三、按岩体质量等级的围岩分类 岩体质量是受岩石质量、岩体完整程度、地应力的大小、地下水的作用、软弱构造面产状等因素所影响，因而岩体质量等级也以此为标准。 近年国际上在进展围岩分类时，普遍采用岩体质量等级作为围岩分类的标准。如岩体质量评分的地质力学围岩分类〔RMR〕、岩体构造评价的RSR围岩分类，以及岩体根本质量分级〔BQ〕的围岩分类。 （一）RMR分类 本分类是比尼奥斯基〔1973〕根据矿山开采掘进的经历提出的岩体质量评分的地质力学围岩分类。该分类考虑了六个方面的影响因素作为衡量岩体质量的 评分标准。这六个因素为：岩石强度、岩体质量指标RQD、
10、不连续面的间距、状态和方向条件、地下水等。其中岩体质量指标RQD是用来表示岩石的完整性、RQD确实定方法是：采用直径为75mm的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为54mm的岩心，将长度小于10 cm的破碎岩心及软弱物质剔除，然后测量大于或等于10 cm长柱状假设心的总长度〔Lp〕。用这一有效的岩心长度与采集岩心段的钻孔总进尺〔L〕之比，取其百分数就是RQD。其表示式如下： RQD=〔Lp/L〕x1 %〔8-28〕 RQD值按其大小可分为五个质量等级，如表8-18所示。 岩石质量等级表8-18 RQD 岩石质量 0〜25 很差 25 〜50 差 50 〜75 较好 75 〜
11、90 好 90 〜1 很好 RQD的岩石质量等级只是考虑了岩块的大小，也就是岩体的完整性，但它并没有考虑岩石的质量和其他地质因素的影响，因而RMR分类中将RQD作为一项的影响因素来对待。 RMR分类是将上述各因素单项分数后累加起来，得到岩体质量总评分。根 据这个评分划分岩体质量等级。如表8-19和表8-20所示。 上述二种按岩体质量分类的结果，它们之间的关系已由茹夫莱泽 〔〕根据新西兰的经历作了比照求得下式： RSR=0.77RMR+22.4 RMR分数计算表表8-19 数值范围 1 岩石强度 〔MPa〕 点荷载 >10 4〜10 2〜4
12、1〜2 单轴抗压强 度 >250 1 〜50 25 〜50 25 〜50 5〜 25 1〜5 1 分数 15 12 7 4 2 1 0 2 RQD 90 〜1 75 〜90 50 〜75 25 〜50 <25 分数 20 15 10 8 3 3 不连续间距(m) >2 0.6〜2 0.2〜0.6 0.06〜0.2 <0.06 分数 20 15 10 8 5 4 不连续面的状态 粗糙，不 连续*开， 不风化 微粗糙，*开 小于1mm , 微风化 微粗糙，*开 小于1mm , 微风化
13、 镜面或夹泥小 于5 mm 厚，*开 1〜5mm 连续 夹泥厚大于5mm 或*开大于5mm 连续 分数 30 25 20 10 0 5 地下水 导洞长 10m，水量 (L/min) 无 10 10 〜25 25 〜125 >125 裂隙水压力 与最大应力 比值 0 0〜0.1 0.1〜0.2 0.2〜0.5 >0.5 一般条件 完全枯燥 润 湿 流 分数 15 10 7 4 0 6 不连续面方向条件 很好 好 中等 差 很差 分数 0 -2 -5 -10 -12 按RMR值划
14、分的质量等级 表8-20 岩体分级 I II III IV V 1 岩体质量描述 很好 好 中等 差 很差 2 总分〔RMR〕 1 〜81 80 〜61 60 〜41 40 〜21 <20 3 自立时间 15m跨，10年 8m跨，6月 5m跨，1周 2. 5m 跨 10h 1m 跨 30min 4 内聚力(MPa) >4 3〜4 2〜3 1〜2 <1 5 摩擦角 >45° 35°45° 25。95。 15。£5。 <15° (二)RSR分类 本分类也称岩体构造评价的分类，它是1974年威克
15、霍姆提出的以岩体构造特征作为围岩分类的主要影响因素。此法考虑了地质〔参数A〕、节理〔参数B〕和地下水〔参数C〕三个因素，并按表8-21所列的标准进展评分°RSR值为该三项评分之和，其变化范围在25〜1之间。 RSR参数取值标准 表8-21 参数 A 地质 岩石类型 地质构造 硬 质 中 等 软 质 破 碎 整体 的 轻微断裂或褶 皱 中等断裂或褶皱 强烈断裂或褶皱 火成岩 1 2 3 4 30 27 24 19 22 20 18 15 15 13 12 10 9 8 7 6 变质岩 1 2 3 4
16、 沉积岩 2 3 4 4 参 数 B 节 理 节理状态 走向垂直轴线 走向平行轴线 掘进方向 两个 方向 顺沿倾角 对着倾角 两个方向 平缓 倾斜 陡倾 倾斜 陡倾 平缓 倾斜 陡倾 极密集节理 9 11 13 10 12 9 9 7 密集节理 13 16 19 15 17 14 14 11 中等节理 23 24 28 19 11 23 23 19 中等-块状 30 32 36 25 18 30 28 24 块状-整体 36 38 40 33 35
17、 36 34 28 整体 40 43 45 37 40 40 38 34 参 数 C 地 下 水 预计涌水量 gal/〔min 10ft〕 参数A+B 项合计值 13-44 44-75 节理状态 好 一般 差 好 一般 差 无 22 19 12 25 22 18 少量〔＜ 2〕 19 15 9 23 19 14 中等(2〜10) 15 11 7 21 16 12 大量〔＞ 10〕 10 8 6 18 14 10 注：预计涌水量单位 gal/〔min 10ft〕指 10ft〔
18、 10 x0.3048m〕长的 隧洞每分钟的涌水量〔1gal= 3.785L〕。 〔三〕BQ分类 本分类也称岩体根本质量分级。是近年国标”工程岩体分级标准”提出的。我国岩土工程勘察标准〔GB521-94〕根据我国实际，改进了此岩体根本质量分级的标准。认为岩体根本质量分级不仅与岩石的坚硬程度和岩体的完整程度有关，而且还与地下水、软弱构造面和地应力等因素有关。对这些因素的处理方法,提出先考虑岩石坚硬程度和岩体完整程度的影响，据此定出了岩体根本质量指标 值BQ。而后考虑地下水、软弱构造面和地应力等因素的影响，据此对8。值修正，称为岩体根本质量指标修正值［BQ］。 1. 岩体根本质量指标
19、值BQ按下式确定 BQ=90 +3Rc + 250 Kv〔8-29〕 式〔8-29〕中的Rc为岩石饱和单轴抗压强度〔MPa〕，岩石坚硬程度的划分，如表8-22所示；Kv为岩体的完整性系数，按其值的大小可将岩体划分为不同的完整程度，如表8-23所示°Kv值的大小是与岩体体积裂隙数Jv有关。它的含义是单位岩体体积内的节理裂隙〔构造面〕数目〔条/m3〕，并按下表8-24所列的Jv值来确定大Kv值°Kv值也可用声波测试确定，这时岩体完整系数从为岩体声波纵波速度与岩石声波纵波速度之比的平方。 岩石坚硬程度表8-22 R c(MPa) >60 60 〜30 30 〜15 15〜5 <5
20、 坚硬程度 坚硬岩 较坚硬岩 较软岩 软岩 极软岩 岩体的完整程度表8-23 Kv >0.75 0.75 〜0.55 0.55 〜0.35 0.35 〜0.15 <0.15 完整程度 完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎 注：岩体体积节理数Jv系单位岩体体积内的节理〔构造面〕数目。 Jv与Kv对照表表 8-24 J v 绦/m3) < 3 3〜10 10 〜20 20 〜35 > 35 Kv >0.75 0.75〜0.55 0.55〜0.35 0.35〜0.15 <0.15 注：岩体体积节理数Jv系单位岩体体积
21、内的节理〔构造面〕数目。 2. 按式〔8-29〕求得BQ值，可安表8-25确定岩体根本质量级别。 岩体根本质量分级表8-25 根 本 质 量 级 别 岩体根本质量的定性特征 岩体根本 质量指标 BQ 根 本 质 量 级 别 岩体根本质量的定性特征 岩体根本 质量指标 BQ I 坚硬岩、岩体完整 550 IV 坚硬岩，岩体破碎； 较坚硬岩，岩体较破碎〜破碎； 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为 主； 岩体较完整〜较破碎； 软岩，岩体完整〜较完整 350〜 251 II 坚硬岩、岩体较完整； 较坚硬岩，岩体完整 550 〜45
22、1 III 坚硬岩，岩体较破碎； 较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完 整； 450 〜351 V 较软岩，岩体破碎； 软岩，岩体较破碎〜破碎； 全部极软岩及全部极破碎岩 <250 较软岩，岩体完整 注：1.岩石坚硬程度可按表8-22划分； 2.岩体完整程度定量指标应采用实测的岩体完整性系数Kv值按表8 - 23划分; 当无条件取得实测值时，也可用岩体体积节理数Jv按表8-24确定Kv值。 3. 岩体根本质量修正值确实定 〔1〕地下水影响修正系数K1值，可按表8-26所示确定。 地下水影响修正系数K1表8-26 地下水出水状态 B
23、Q >450 450 〜351 350 〜251 <250 潮湿或点滴状出水 0 0.1 0.2〜0.3 0.4〜0.6 淋雨状或涌流状出水，水压＜0.1MPa或单位出水 #dGL/min m 0.1 0.2〜0.3 0.4〜0.6 0.7 〜0.9 淋雨状或涌流状出水，水压〉0.1MPa或单位出水 量〉1GL/min m 0.2 0.4〜0.6 0.7〜0.9 1.0 〔2〕主要软弱构造面产状影响系数K2值，可按表8-27所示确定。 主要软弱构造面产状影响修正系数K2表8-27 构造面产状及其与洞 构造面走向与洞轴线夹角＜ 30°、
24、 构造面走向与洞轴线夹角〉 其他组 轴线的组合关系 构造面倾角30。35。 60。、构造面倾角》5。 合 K2 0.4〜0.6 0〜0.2 0.2〜 0.4 〔3〕初始应力状态影响修正系数K3值，可按表8-28和表8-29所示来确定。 高初始应力区岩体开挖主要现象表8-28 应力 情况 主要现象 Rc a ma* 极高 应力 1. 硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝 多，成洞性差；基坑有剥离现象，成形性差； 2. 软质岩：岩芯时有饼化现象。开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至 发生大位移，持续
25、时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起或剥离，不易成形 <4 高应 力 1. 硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝多， 成洞性较差；基坑时有剥离现象，成形性一般尚好； 2. 软质岩：岩芯时有饼化现象。开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞 性差；基坑有隆起现象，成形性差 4〜7 注：cma*为垂直洞轴线方向的最大初始应力。 初始应力状态影响修正系数K3表8-29 初始应力状态 BQ >550 550 〜451 450 〜351 350 〜251 <250 极高应力区 1.0 1.0 1.0〜1.5 1.0〜1.5 1.0 高应力区 0.5 0.5 0.5 0.5〜1.0 0.5〜1.0 〔4〕岩体根本质量指标修正值[BQ]应按下式计算： [BQ]=BQ -1〔K1+K2+K3) (8-30) 式中K1——地下水影响修正系数，按表8-26确定； K2——主要软弱构造面产状影响修正系数，按表8-27确定； K3——初始应力状态影响修正系数，按表8-29确定。 当无在表8-26、表8-27和表8-29中所列的情况时，修正系数取零。[BQ] 出现负值时，应按特殊情况处理。 〔5〕修正后的值仍按表8-25确定围岩质量级别。
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