施工阶段围岩稳定性的判释技术.docx
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施工阶段围岩稳定性的判释技术
施工阶段围岩稳定性的判释技术
在施工中,因围岩级别的变动而变更设计(支护结构参数、施工方法等)的情况是屡见不鲜的。
有的隧道,在施工过程中,变更设计达原设计的20%~50%,不仅延误了工期,也提高了施工成本,同时给工程质量也造成一定的影响。
造成这种现象的原因是多方面的,但主要是施工前的地质工作不到位、缺乏有效的围岩级别判定的方法,而更为重要的是:
我们对施工中的地质工作缺乏足够地认识,也缺乏有效的判释方法和手段。
由于隧道的特性,在最近几年,各国都非常重视施工阶段的地质工作。
达到的共识是:
1.只有开挖暴露出来的地质状态,才能使我们比较客观的、可靠的了解在施工过程中
出现的一些现象和问题。
才能采取最符合地质状态的施工和支护措施。
2.如何根据暴露出来的地质状态,来评价围岩的动态,成为施工中的关键。
关键的问题主要包括:
如何根据施工中的调查、观察及量测等对围岩进行评价(怎样索取)?
、采用什么样的方法(什么方法)?
、根据什么样的准则来进行评价。
(怎样评价)
施工阶段围岩级别的评定方法,目前主要2类,一类是根据开挖暴露出来的掌子面观察的方法(经验性的),一类是根据量测的方法(借助于仪器)。
1)掌子面观察的方法
目前,国内外在隧道及地下工程施工中进行围岩评价,主要是根据掌子面的观察来进行的。
这是比较简便而现实的方法。
量测方法也是判定围岩状态的好方法,但量测结果的处理要很长的时间,因而当地质条件变化激烈时很难适应。
此外量测也需要投入大量的仪器和时间,对施工作业有一定的干扰。
地质超前预报的方法是在必要时采取的方法,没有普遍性。
因此,利用掌子面观察的方法,就成为进行围岩评价的主要方法。
作为工程技术人员应该掌握这种方法的实质和内涵。
洞内观察是为掌握地质状况,确认支护效果及决定支护参数等而实施的。
掌子面观察是当新的掌子面出现后首先进行的观察。
要绘制掌子面观察(素描)图,进行摄影等。
在施工中应充分地利用观察到的资料,及时判释,来完善支护体系和施工方案。
这种观察主要是通过目视,也可以采用摄影的方法观察掌子面的地质状态和地质的变化状况。
观察中应具体地记录以下各项并描绘掌子面地质素描图。
·地质状况及其分布、性质和掌子面自稳性;
·围岩的软硬、裂隙间距及方向等围岩状态;
·断层的分布、走向、粘土化程度等;
·涌水地点、涌水量及其状态;
·软弱层的分布;
·其他。
应该说,工程技术人员,通过掌子面地质观察技术的积累,会不断地丰富自身的地质知识和经验,从而提高自身的地质工作的素质。
在掌子面观察的方法中,(第1个问题)一个关键的问题,就是对观察到的地质素材进行分类和分级。
例如表1是铁路隧道施工阶段的掌子面观察记录表。
表1掌子面地质观察记录表
工程名称
位置
里程
评定
距洞口距离(m)
岩
性
指
标
岩石类型(名称)
粘结力c=MPa;φ=
硬岩
中硬岩
软岩
极软岩土
单轴抗压极限强度Rb=MPa
点荷载强度是=MPa
变形模量E=Gpa
泊松比=
天然重度γ=kN/m3
其他
岩
体
完
整
状
态
地质构造影响程度
轻微
较重
严重
很严重
完整
较完整较破碎
破碎
松散
间距(m)
>1.5
0.6~1.5
0.2~0.6
0.06~0.2
<0.06
地
质
结
构
面
延伸性
极差
差
中等
好
极好
粗糙度
明显、台阶状
粗糙、波纹状
平整光滑
平整光滑、有擦痕
张开性mm)
密闭<0.1
部分张开0.1~0.5
张开0.5~1.0
无充填张开>1.0
粘土充填
风化程度
未风化
微风化
弱风化
强风化
剧风化
要说明
地下水
渗水量(L/min·10m)
<10
干燥或湿润
10~25
偶有渗水
25—125
经常渗水
干燥或湿润/
偶有渗水
/经常渗水
初始
应力状态
埋深H=m
极高地应力
高地应力
一般地应力
地质构造应力状态
其他
围岩级
Ⅵ
V
Ⅳ
Ⅲ
Ⅱ
I
备注
记录者
复核者
日期
表2是日本一般使用的掌子面观察的记录格式。
主要是定性的评价。
还有表3等,可资参考。
掌子面观察,原则上每个掌子面记录一次。
基于洞内的观察记录,利用其平面和纵断面,立体地表现掌子面的变化。
表2掌子面观察记录例
埋深
综合评价
岩种
A、b、c、d、e
岩石名称
形成地质年代
Tb
特殊条件
膨压、偏压、浅埋、接近重要结构物、其他等
掌子面围岩状态和动态
1
掌子面状态
稳定
正面掉块
正面挤出
正面不能自稳
其他
2
毛开挖面的状态
自稳
随时间松弛,有掉块
自稳困难、要及时支护
要超前支护
其他
3
抗压强度MPa
>200
100~20
20~50
<5
其他
4
风化变质
无
沿裂隙风化、强度稍降低
整体风化、强度相当低
土砂状、粘土状、破碎
其他
5
裂隙间距(m)
>1.0
1.0~0.2
0.2~0.05
<0.05
其他
6
裂隙状态
密集
部分张开
开口
夹有粘土
其他
7
裂隙形态
随机、方形
柱状
层状、片状
土砂状、细片状
其他
8
涌水
无、渗水程度
涌水程度
集中涌水
全面涌水
其他
9
水的影响
无
产生松弛
软化
崩塌、流出
其他
表3掌子面观察结果例
开挖地点的围岩状态
1
掌子面状态
自稳
有掉块
必需留核心
需采取大规模措施
2
岩石
强度
拱脚附近
锤击反弹、强烈锤击,沿裂隙裂开
锤击易裂开、呈小片、薄片状
锤击易崩,呈岩片状
不能锤击、用指甲也会崩成岩片
土砂状
掌子面正面
同上
同上
同上
同上
同上
3
风化变质
未风化、新鲜、坚硬
沿裂隙风化
整体风化
部分或整体土砂化
4
裂隙间距(cm)
>100
100~50
50~20
20~5
<5
5
裂隙形态
几乎无裂隙
随机的
有方向性(层状、片状等)
土砂状、细片状
6
裂隙状态
密闭
部分张开
全部张开
开口处有油迹
夹有大规模粘土
7
涌水
无
渗出
整体湿润
涌出或喷出
特别大
也可以针对隧道的特点自行拟定表格。
总之,这种方法几乎在所有的隧道中都可采用。
如果与后面的定量评价方法结合起来,就会形成一个有效的评价法。
在掌子面观察方法中,第2个问题,就是如何根据观察到的素材,对观察素材进行评价。
在实际工作中,形成了各种各样的观察评价方法。
图1表示各种观察评价方法的分类。
表4是各种评价法的概要。
定性方法评点法单纯平均法
评加权平均法
价Q值法Baton(巴顿方法)
方RMR法
法RSR法
定量方法多变量分析法数量化理论1类方法
数量化理论2类方法
图1掌子面评价方法的分类
表4掌子面观察评价方法的概要
方法名称
方法内容
备注
定
性
评
价
定性评价
以岩种、弹性波速度为基本条件,加上掌子面的观察项目(地质状态、裂隙间距、掌子面自稳性及净空位移等)进行定性评价的方法,是最一般的方法。
但评定基准不明确,主观影响较大。
是一般的评价方法,要求评价具有客观性。
定
量
评
价
评点法
单纯平均法
给出掌子面观察项目的点数,综合评价围岩的方法。
方法比较简便。
方法单纯,易于实施,可作为评定的参考。
加全平均法
不是单纯的平均,而是给出各项目的权值,进行掌子面的评价。
问题是权值的给定,需积累一定的数据。
把地质特性标准化后,可使评价方法更为有效。
Q值法
Baton
巴顿方法
根据RQD、节理组数、节理粗糙度、节理变质程度、水的影响及应力影响等指标进行评定的方法。
主要应用于硬岩。
评价需一些特有的参数,比较困难。
RMR法
根据单轴抗压强度、RQD、裂隙间距、裂隙状态、地下水、节理方向等评价围岩的方法。
与Q值法同为国际上通用的方法。
以中硬岩为对象,比Q值法简便。
RSR法
评价主要根据一次构造、节理影响及地下水影响等进行。
实际应用较少。
多变量分析法
数量化理论1类方法
根据掌子面观察要素,用数量化理论1类方法求出各项目的系数,进行围岩评价的方法。
能够分析掌子面观察项目的相关关系。
数量化理论2类方法
同上的方法,但采用数量化理论2类方法进行分析。
同上。
下面简要说明表中的各种方法的概况。
1.评点法
1)单纯平均法
这种方法是将掌子面观察结果进行定量的评价,而后与一些量测结果比较,判断支护体系是否合适的方法,是一个极为简便的方法。
在定量化时,假定掌子面观察项目的权值是相等的,并假定分级是符合线性关系的,各项目按满点100点进行换算,即:
Ei=ri/Ri×100
式中:
Ei:
掌子面观察项目i的换算点
ri:
掌子面观察项目i的判定等级
Ri:
掌子面观察项目i的等级
围岩的综合评价按下式决定。
PM=EiN
式中:
PM:
围岩综合评价点
N:
掌子面观察项目总数
以表3的观察结果为例,各观察项目的判定,如表中带有*号所示,掌子面状态的判定点数为E1=34×100=75点,与其他观察项目的换算点合计在一起,以观察项目总数N=7除之,得:
PM=(75+40+50+100+50+20+40)7=54点
围岩综合评价点数越大,表示围岩越差。
此法的问题是,是把定性的情报,机械地加在一起,适用性、精度等都较差,利用时要加以注意。
2)加权平均法
单纯平均法是假定各因素的权值是相等的,实际上,各掌子面观察项目的作用不同,不能等量对待,应赋予不同的权值,这就是加权平均法的基本。
因此,根据权值计算出综合评价点,是此法的关键。
综合评价点以下式表示。
PM=(ai×Ei)/ai
式中:
PM:
围岩综合评价点
ai:
掌子面观察项目i的权值
Ei:
掌子面观察项目i的换算点
N:
掌子面观察项目总数
例如,权值按表5带有*号的给定后,加权平均的评价点PM等于:
PM=(2×3/4+2×3/4+2×3/5+1×3/5+1×4/5+0×3/4+1×2/4+1×4/4)×100/(2+2+2+1+1+0+1+1)=72.5点。
表5观察项目的权值及其应用例
与支护模式有关的权值
与辅助工法有关的权值
掌子面观察项目
开挖地点围岩状态
2
A掌子面状态
正面
自稳
自稳,但正面局部掉块
*要留核心
要采取大规模措施
2
3
拱顶
稳定
稳定,但拱顶局部掉块
*需顶部锚杆
需采取大规模措施
2
1
B岩石强度
锤击反弹,强烈锤击,裂隙开裂
锤击易开裂,裂成小片或薄片
*锤击易崩裂、
不能锤击,用指甲可崩成岩片
土砂状
1
1
C风化变质
未风化、新鲜、坚硬
沿裂隙风化
*整体风化
部分或整体土砂化
1
D裂隙间距(cm)
>100
100~50
50~20
*20~5
<5
E裂隙形态
几乎无裂隙
随机
*有方向性
土砂状、细片状
1
1
F裂隙状态
密集
*部分张开
全部张开
夹有大规模粘土
1
1
G涌水
无
渗水
整体湿润
*喷出
合计10
合计10
各项目的权值的计算方法一般都是根据调查结果通过解析方法进行的。
比较单纯平均法和加权平均法可以看出:
加权平均法比单纯平均法的离散性小,相关度也高。
3)Barton方法
巴顿方法,又名Q法,是欧州采用最广泛的一种方法,该方法实质上是根据施工中获得的各种参数进行围岩评价的。
在其方法中,主要采用了6个参数,即:
节理组数Jn、节理面粗糙度Jr、节理面变质度Ja、节理内水的影响度Jw、应力降低度SRF及岩石质量指标RQD等6个要素。
这6个参数都是与节理状态有关的,实质上是决定围岩完整状态的参数。
此外也考虑了地应力场和水的影响。
应该指出的是,要获得与节理有关的各项数据,也只有通过施工阶段的围岩调查和观察,才能达到。
获得6个参数后,根据下式,决定围岩的质量Q:
Q=RQDJn·JrJa·JwSRF
式中各项参数可按下表的值采用。
RQD(%)
状态
0~20
25~50
50~70
70~90
90~100
极差
差
一般
好
极好
注:
RQD小于10时,取10
RQD可按5%分级取值,如100、95、90%等
节理组数
Jn
A·块状、无节理或微小节理
0.5~1.0
B·1组节理
2.0
C·1组节理和不规则节理
3.0
D·2组节理
4.0
E·2组节理和不规则节理
6.0
F·3组节理
9.0
G·3组节理和不规则节理
12
H·4组节理以上
15
J·破碎岩、土砂状
20
注交叉处的情况(3.0×Jn)
洞门处的情况(2.0×Jn)
节理面粗糙度
Jr
(a)岩层是接触的情况
A·不连续的节理
4.0
B·粗糙的或不规则的、波纹状的
3.0
C·平滑、波纹状
2.0
D·滑面、波纹状
1.5
E·粗糙或不规则、平坦
1.5
F·平滑、平坦
1.0
(b)10cm剪切位移时接触的情况
0.5
注:
如节理的平均间距大于
3.0m以上时,加1.0
(c)岩层不接触的情况
H·岩层完全不接触,有厚的粘土夹层
1.0
J·岩层完全不接触,有厚的砂状、砂砾状或破碎状夹层
1.0
节理面变质度
Jaº
(a)岩层面接触的情况
A·十分坚硬、强度大、无软化、不透水性物质,如石英等
0.75
B·只有表面污染、性质不变的节理面
1.025~35
C·稍变质的节理面、无软质矿物覆盖,有些砂状物质等
2.025~30
D·有砂质粘土覆盖、粘土的小破片
3.020~25
E·为软质或低摩檫系数的粘土矿物覆盖、如云母等
4.08~16
(b)10cm剪切位移时接触的情况
F·分解为砂状物质、游离粘土的岩石
4.025~30
G·为固结充分,无软化的粘土矿物充填(连续的,厚度在5以下)
6.016~24
H·为中~弱固结、软质、粘土矿物充填
8.012~16
J·为膨胀性粘土充填
8.0~12.06~24
(c)岩层面不接触的情况
K·K.·L·分解的或破碎的岩石夹层
6.0~12.06~24
N·粉砂状或砂质粘土夹层
5.0
O·P·R连续的厚的粘土夹层
10.0~20.06~24
节理内水的状态
水压(kg/cm2)Jw
A·无水开挖或微小涌水,如小于5以下
小于1.01.0
B·有可使节理充填物冲出的中量涌水或水压
1~1.250.66
C·涌水大,但节理无充填物,强度充分
2.5~100.5
D·有冲出节理充填物的大量涌水或水压
2.5~100.33
E·爆破时发生大量涌水或水压(例外)
大于100.2~0.1
F·岩层显著劣化,大量涌水不间断或水压
大于100.1~0.05
应力状态系数
c1t1SRF
(a)隧道与软弱层交叉,并引发松弛的情况
A·有含有粘土或化学分解的软弱层,周边围岩极度松弛
10
B·有单一粘土软弱层或化学分解的软弱层(开挖深度50m以下)
5.0
C·有单一粘土软弱层或化学分解软弱层(开挖深度50m以上)
2.5
D·在有充分强度的围岩中有一些破碎带、周边围岩松弛
7.5
E·在有充分强度的围岩中有单一的破碎带(开挖深度50m以下)
5.0
F·在有充分强度的围岩中有单一的破碎带(开挖深度50m以上)
2.5
G·松弛的张开节理、裂隙或成”角砂糖“状
5.0
(b)围岩强度充分,但有地应力问题的情况
H·低地应力、地表附近
>200>132.5
J·中等地应力、
200~1013~0.661.0
K·高地应力
10~50.66~0.330.5~2
L·微弱的岩爆
5~2.50.33~0.165~10
M·强烈岩爆
<2.5<0.1610-~20
(c)高地应力、挤出和塑性流动的情况
N·缓慢挤出
5~10
O·急剧挤出
10~20
(d)膨胀性围岩
P·缓慢吸水膨胀
5~10
R·急剧吸水膨胀
10~15
挪威法的一个显著特征就是通过施工中的观察和量测求出Q值,进行围岩分级的。
日本根据Q值如将围岩分为6级(0.001~1000),其划分的情况如下表。
Q值
评价
100~1000
极好
10~100
好
1~10
一般
0.1~1
差
0.01~0.1
极差
0.001~0.01
特差
求出Q值后,根据结构物的安全系数(K)及坑道尺寸决定支护规模。
结构物的安全系数根据结构物的用途,大致按表7采取。
表7各类结构物的安全系数(K)
开挖空洞的类型
K
A
临时矿山坑道
2~5
B
矿山永久坑道、水工隧洞、导坑、等
1.6~2.0
C
贮备用地下空洞、水处理场、地方道路和支线的隧道
1.2~1.3
D
地下发电站、主要道路和铁道的隧道、隧道洞口及隧道交叉部
0.9~1.1
E
地下原子能发电站、地下车站、体育场等公共地下设施、地下工厂等
0.5~0.8
4)RMR(RockMassRaing)法
这也是一种评点法。
如表8所示,按各项目赋予点数,而后进行评价。
简便的评价采用了5个要素,而后按节理方向加以修正。
表8RMR法的分级
A·评价点数及分级
1
新鲜岩石强度
点荷载强度(MPa)
10
4~10
2~4
1~2
采用单轴抗压强度
单轴抗压强度(MPa)
250
100~250
50~100
25~50
5~25
1~5
1
点数
15
12
7
4
2
1
0
2
RQD(%)
90`100
75~90
50~75
25~50
25
25
25
点数
20
17
13
8
3
3
3
3
节理间距(m)
2
0.6~2
0.2~0.6
0.06~0.2
0.06
0.06
0.06
点数
30
25
20
10
0
0
0
4
节理状况
表面非常粗糙
不连续
不分离
坚硬、未风化
表面稍粗糙
张开1mm以下
坚硬、稍风化
表面稍粗糙
张开1mm以下
坚硬,强风化
表面覆盖厚5以下的粘土或张开5mm、连续
厚5以上的断层粘或..张开5mm以上
连续
同前
同前
点数
30
25
20
10
0
0
0
5
隧道涌水量(10l/min)
无
10
10-25
25-125
125
125
125
节理内最大主水压应力
0
0.0~0.1
0.1~0.2
0.2~0.5
0.5
0.5
0.5
一般情况
完全干噪
稍湿润
潮湿
滴水
流水
流水
流水
点数
15
10
7
4
0
0
0
B·节理方向的修正点数
节理走向、
倾角
非常有利
有利
一般
不利
非常不利
点数
隧道
0
-2
-5
-10
-12
基础
0
-2
-7
-15
-25
坡面
0
-5
-25
-50
-60
节理方向倾角对隧道掘进的影响
隧道
轴垂直
走向
隧道轴平行
走向
与走向无关
向倾角方向
掘进
与倾角反向
掘进
倾角45-90
倾角20-45
倾角45-90
倾角25-45
倾角45-9-
倾角25-45
非常有利
有利
一般
不利
非常不利
一般
有利
C·根据综合评价点决定的围岩级别
点数
100-81
80-61
60-41
40-21
20
围岩级别
注
极好围岩
良好围岩
一般围岩
差的围岩
极差围岩
D·围岩级别的意义
围岩级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
评价自稳时间
15m跨度~10年
8m跨度~6个月
5m跨度~1周
2.5m~10小时
1m跨度~30分
围岩凝聚力(kPa)
400
300~400
200~300
100~200
100
围岩内摩檫角(。
)
45
35~45
25~35
15~25
15
由此可见,许多国家对采用掌子面地质观察的方法,做了许多有益的尝试,工程技术人员应该启动自身的智慧和经验,在这方面建立自己的判释方法和准则。
(2)根据量测位移评价的方法
除上述方法外日本根据大量的量测位移的统计资料,建立了一个利用位移和掌子面观察因素,进行施工阶段围岩分级的尝试。
表9就是其分级基准。
表9日本施工阶段围岩分级基准
级别
最大位移值max(cm)
A
B
I
其他
洞内的围岩状态
单线2.5
双线、新干线
5.0
1
1
1
几乎无裂隙,有时,也是闭合的,不会有掉块
1
1
1
F=2
有裂隙,张开的夹有粘土,可能局部掉块,有涌水时会局部掉块
1
1
2
1
2
1
(1)裂隙发育,张开,随时间而松弛,掉块,掌子面稳定
(2)岩质软时,裂隙少而且密闭,碎时间而松弛,掌子面稳定
1
2
2·3
(1)裂隙较密集,开挖后要及时支护
(2)软质岩,随时间而松弛,壁面小许挤出
(3)掌子面大时,稳定性稍恶化
1
3
4
2
3
4
(1)岩片虽坚硬,但呈细片状,与粘土等混杂,风化,脆弱
单线
7.5~2.5
双线、新干线
15.0~5.0
4
4
4
(2)虽均质,但软弱,周边挤入,松弛,需保留核心
土砂
1.2
4
虽有少许涌水,如保留核心,掌子面是稳定的,开挖前需用锚杆、钢支撑等先行支护,开挖后立即支护,使围岩稳定
特殊
单线
7.5
双线、新干线
15.0
4
4
4
一开始看不到张开的裂隙,但碎时间会分类显著,大量挤入、剥离。
掌子面也同样
伴有涌水、围岩流动、挤入、完全不能期待掌子面自稳
注:
表中A、B、I、其他等栏的数字,与下表相对应。
4表示1、2、3、4中的任一项。
开挖地点的围岩状态和动态的划分
A
掌子面状态
稳定
掌子面掉块
掌子面挤入
掌子面
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- 施工 阶段 围岩 稳定性 技术