1、第三章 围岩分级（类）及稳定性评价 3.1 概 述 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
2、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。 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
3、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。 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 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
4、体结构类型的划分对应于不同的力学介质类型。 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 岩体结构与块度尺寸关系 岩体结构类型 块度尺寸（以结构面平均间距表示， m） 国标锚喷围岩分类 军用物资库围岩分类 坑道工程围岩分类 中科院地质所岩体结构分类 整体状结构 0.8 0.8 1 1 块状结构 0.4-0.8 0.4 0.3-1 0.5-1 层状结构 0.2-0.4 0.4 0.3-1 0.3-0.7 碎裂状结构 0.2-0.4 0.2-0.4 30 (碎裂状 ) 完整性系数 KV 0.9-1.0 (极完整 ) 0.75-0.9 (完整
5、 ) 0.5-0.75 (中等完整 ) 0.2-0.5 (完整性差 ) 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。 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 cw 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，
6、换算公式为： （ 3-4） 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 cw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。 0 .7 5502 2 .8 2
7、cw sI 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。 地下水对围
8、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 地下水影响系数 KW 毛洞开挖后围岩出水情况 KVcw（ MPa） 30 30 -15 0.lMPa 0.9 0.7 0.6-0.4 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： (3-5) 式中： ma
9、x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 max=10-5H ； cw为完整岩石单轴饱和抗压强度 (Mpa)； 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： (3-6) 其极限值，对中等稳定围岩一般为 4，不稳定围岩为 2。 m axV cwmKS m a xcw mrvSSK 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
10、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。 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 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
11、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。 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
12、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 3-10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。 表 3-9 节理岩体地质力
13、学分级 RMR分级 参 数 参数与定额分值的关系 1 强度 Is (MPa) 10 410 24 12 单轴压缩试验 cw (MPa) 250 100250 50100 2550 525 15 2m. 0.62m 020.6m 0.060.2m 5mm或张开度5mm，连续。 定额分值 30 25 20 10 0 5 地下水 每 10m隧洞的流量（ L/min） 无 125 节理水压力 /主应力 0 00.1 0.10.2 0.20.5 0.5 一般状态 完全干燥 稍潮湿 潮湿 滴水 有水流出或溢出 定额分值 15 10 7 4 0 表 3-11 RMR按定额总分值划分的岩体级别 表 3-10
14、节理走向的调整分值 节理走向与倾向 非常有利 有利 中等 不利 非常不利 分值 隧洞 0 -2 -5 -10 -12 基础 0 -2 -7 -15 -25 边坡 0 -2 -25 -50 -60 定额总分值 81-100 61-80 41-60 21-40 Vp 4.6 5.0Vp 4.4 4.2Vp 3.4 4.6Vp 3.8 4.4Vp 3.6 3. 4Vp 2.6 2.6 Vp 1.5 3.8Vp 3.2 3.6Vp 3.0 2.6Vp 2.0且 c/H 4 2.6Vp 1.5 且 6 c/H 4 3.2Vp 2.5 3.0Vp 2.5 2.6Vp 2.0 且 4 c/H 2或者 2.0
15、Vp 1.5 且 c/H 2 2.6Vp 1.5 且 4 c/H 2 c/H 2 特殊围岩 2.5Vp 2.5Vp 1.5Vp 或者 2c/H 1.5Vp 或者 2 c/H 2 c/H 3.4我国工程岩体分级（类）的研究发展 我国工程岩体分级方法的研究，真正取得重大进展是在 20世纪 80年代，比国际上大约晚 10年。到目前为止，工程岩体分级的国家标准已正式颁布执行，国家标准和部颁标准、部颁规范以及通过部级以上鉴定的标准、规范中所包括有岩体分级内容的方法达十余种。这些分级方法思路层次清晰，分级因素抓住了控制岩体质量和稳定性的最主要因素，而且分级的输入部分（即分级因素）、输出部分（即供设计施工采
16、用的岩体物理力学参数、支护方案、支护参数等）清楚，使用方便。 80年代以后，将大量数学方法，如概率统计、聚类分析、模糊数学等应用于岩体分级方法的研究，取得了很大进展。 3.4.1国家标准 工程岩体分级标准 国标 工程岩体分级标准 （ GB50218 94）提出两步分级法：第一步，按岩体的基本质量指标 BQ进行初步分级； 第二步，针对各类工程岩体的特点，考虑其它影响因素，如天然应力、地下水和结构面方位等对 BQ进行修正，再按修正后的 BQ进行稳定性分级。 一、岩体基本质量分级 工程岩体分级标准 认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度所决定的岩体基本质量，是岩体所固有的属性，是有别于工程因素的共性，岩体
17、基本质量好，则稳定性也好；反之，稳定性差。岩体基本质量指标 BQ值以 103个典型工程为抽样总体，采用多元逐步回归和判别分析法建立了岩体基本质量指标表达式： （ 3-13） 式中： 岩石单轴 (饱水 )抗压强度； 岩体完整性系数。 在使用 (3-13)式时，必须遵守下列条件： 当 90 +30时，以 =90 +30代入该式求 BQ值； 当 0.04 +0.4时，以 =0.04 +0.4代入该式求 BQ值。 vcw KBQ 250390 cwvKcw vK cw vKvK cw vK cw 岩石坚硬程度划分如表 3-16所示。 表 3-16 岩 石 坚 硬 程 度 划 分 表 岩体完整程度划分如
18、表 3-17所示。表中岩体完整性系数 KV可用声波测试方法按下式确定： （ 3-12） 式中： Vpm为岩体纵波速度， Vpr为岩块纵波速度。当无声波资料时，也可由岩体单位体积裂隙系数 Jv按表 3-17的对应关系查出。 表 3-17 岩 体 完 整 程 度 划 分 岩石饱和单轴抗压强度 cw（ MPa） 60 60 -30 30 -15 15 -5 5 坚硬程度 坚硬岩 较坚硬岩 较软岩 软岩 极软岩 2prpmv VVK岩体完整性系数 KV 0.75 0.75-0.55 0.55-0.35 0.35-0.15 0.15 Jv （条 /m3） 3 3-10 10-20 20-35 35 完整
19、程度 完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎 按 BQ值和岩体质量的定性特征将工程岩体划分为 5级，如表 3-18所示。 表 3-18 岩 体 质 量 分 级 基本质量级别 岩体质量的特征 岩体基本质量指标 (BQ) 坚硬岩，岩体完整 550 坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整 550-451 坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软、硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整 450-351 坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或较硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整 350-251 较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎或破碎；全部极软岩及全部极破碎岩 250 二、岩体稳定性分级 工程岩体的稳定性，除与岩体基本质量的好坏有关外，还受地下水状况、主要软弱结构面分布及原岩应力的影响。应结合工程特点，考虑各影响因素对岩体基本质量指标进行修正，作为不同工程岩体分级的定量依据。对于隧道及地下工程，围岩稳定性等级修正值 BQ按下式计算： （ 3-14） 根据修正值 BQ的工程岩体分级仍按表 3-18进行。 321100 KKKBQBQ
