第2章 地下空間結(jié)構(gòu)的荷載與可靠度基本原理

2.1 圍巖分級(jí)

2.1.1 概述

圍巖分級(jí)從早期較為簡(jiǎn)單的巖石分類，發(fā)展到現(xiàn)在多參數(shù)的分類，從定性的分類到半定量定量的分類，經(jīng)過了一個(gè)發(fā)展過程。最早采用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度值作為巖石質(zhì)量好壞的分級(jí)指標(biāo)，隨著人們對(duì)巖體認(rèn)識(shí)的不斷深入，在評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量時(shí)，又加入了結(jié)構(gòu)面的影響，并考慮了地質(zhì)的賦存條件——地下水和地應(yīng)力等的影響，使得評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量好壞的體系更加全面。部分研究獲得了相對(duì)比較深入的巖體分級(jí)方法，還與巖體的自穩(wěn)時(shí)間、巖體和結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)建立了相關(guān)關(guān)系，這也使得巖體的分級(jí)方法在工程中得到廣泛應(yīng)用。

目前，巖體分級(jí)方法中比較有代表性的有：①巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度分級(jí)，它是將巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度值，從堅(jiān)硬到極軟分成若干等級(jí)評(píng)價(jià)巖石質(zhì)量的好壞；②巖石RQD分級(jí)，根據(jù)修正的巖芯采取率，評(píng)價(jià)巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，評(píng)價(jià)巖體的完整性；③巴頓（N.Barton）的Q分級(jí)，是適用于隧道工程的巖體分級(jí)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果將Q值與隧道自穩(wěn)的跨度建立了聯(lián)系，并給出了相關(guān)的參考值；④我國(guó)的國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50218—2014），同時(shí)采用了定量和定性的兩套分類體系，相互校核，相互修正，使得分類更加合理。目前，各種分級(jí)方法不下幾十種，但每一種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和相應(yīng)的適用條件。各國(guó)的巖體分級(jí)研究日趨成熟，已經(jīng)被大中型地下工程設(shè)計(jì)和施工所采用。

2.1.2 圍巖

2.1.2.1 圍巖的概念

圍巖是指地層中受開挖作用影響的那一部分巖體，圍巖的工程性質(zhì)主要是強(qiáng)度和變形兩個(gè)方面，與巖體的結(jié)構(gòu)特征及其特性、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、原巖應(yīng)力及地下水條件等有關(guān)。應(yīng)該指出，這里所定義的圍巖并不具有尺寸大小的限制。它所包括的范圍是相對(duì)的，視研究對(duì)象而定，從力學(xué)分析的角度來看，圍巖的邊界應(yīng)劃在因開挖地下空間結(jié)構(gòu)而引起的應(yīng)力變化可以忽略不計(jì)的地方，或者說在圍巖的邊界上因開挖地下空間結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的位移應(yīng)該為零，這個(gè)范圍在橫斷面上為6～10倍的洞徑。當(dāng)然，若從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的觀點(diǎn)來研究圍巖，其范圍要比上述數(shù)字大很多。

2.1.2.2 圍巖的工程性質(zhì)

圍巖的工程性質(zhì)一般包括3個(gè)方面：物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。而對(duì)圍巖穩(wěn)定性最有影響的則是力學(xué)性質(zhì)，即圍巖抵抗變形和破壞的性能。圍巖既可以是巖體，也可以是土體。

巖體是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，經(jīng)過巖石建造、構(gòu)造形變和次生蛻變而形成的地質(zhì)體。它被許許多多不同方向、不同規(guī)模的斷層面、層理面、節(jié)理面和裂隙面等各種地質(zhì)界面切割成為大小不等、形狀各異的塊體。工程地質(zhì)學(xué)中將這些地質(zhì)界面稱為結(jié)構(gòu)面或不連續(xù)面，將這些塊體稱為結(jié)構(gòu)體，并將巖體看作是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組合而成的具有結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)體。所以，巖體的力學(xué)性質(zhì)主要取決于巖體的結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)體巖石的特征及結(jié)構(gòu)面的特性。環(huán)境因素尤其是地下水和地溫對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)影響也很大。在眾多的因素中，哪些因素起主導(dǎo)作用需視具體條件而定。

在軟弱圍巖中，節(jié)理和裂隙比較發(fā)育，巖體被切割得很破碎，結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的變形和破壞都不起什么作用，所以，軟弱巖體的特性與結(jié)構(gòu)體巖石的特性并無本質(zhì)區(qū)別。當(dāng)然，在完整而連續(xù)的巖體中也是如此。反之，在堅(jiān)硬的塊狀巖體中，由于受軟弱結(jié)構(gòu)面切割，使塊體之間的聯(lián)系減弱，此時(shí)，巖體的力學(xué)性質(zhì)主要取決于結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其在空間的位置。

巖體的力學(xué)性質(zhì)必然是諸因素綜合作用的結(jié)果，只不過有些巖體是巖石的力學(xué)性質(zhì)起控制作用，而有些巖體則是結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)占主導(dǎo)地位。

1.巖體的變形特性

巖體的抗拉變形能力很低，或者根本就沒有，因此，巖體受拉后立即沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生斷裂，一般沒有必要專門來研究巖體的受拉變形特性。

（1）受壓變形。

圖2-1-1 巖體、巖石及軟弱結(jié)構(gòu)面的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線

巖體的受壓變形特性，可以用它在受壓時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線（也稱本構(gòu)關(guān)系）來說明。巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線線性關(guān)系比較明顯，說明它是以彈性變形為主。軟弱結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性特征，說明它是以塑性變形為主。而巖體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線則要復(fù)雜得多，圖21-1中分別繪出了典型的巖石、軟弱結(jié)構(gòu)面和巖體的單軸受壓時(shí)的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

從圖2-1-1中可以看出，典型的巖體全應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以分解為4個(gè)階段：壓密階段（OA）、彈性階段（AB）、塑性階段（BC）和破壞階段（CD）。

從巖體的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線的分析中可以看出，巖體既不是簡(jiǎn)單的彈性體，也不是簡(jiǎn)單的塑性體，而是較為復(fù)雜的彈塑性體。整體性好的巖體接近彈性體，破裂巖體和松散巖體則偏向于塑性體。

（2）剪切變形。

巖體受剪時(shí)的剪切變形特性主要受結(jié)構(gòu)面控制。根據(jù)結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面的具體性狀，巖體的剪切變形可能有3種方式：①沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)；②結(jié)構(gòu)面不參與作用，沿結(jié)構(gòu)體巖石斷裂；③在結(jié)構(gòu)面影響下，沿巖石剪斷。

通過試驗(yàn)和實(shí)踐還發(fā)現(xiàn)，無論巖體是受壓還是受剪切，它們所產(chǎn)生的變形都不是瞬時(shí)完成的，而是隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸達(dá)到最終值的。巖體變形的這種時(shí)間效應(yīng)，稱為巖體的流變特性。嚴(yán)格來說，流變包括兩個(gè)方面：一種是指作用的應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)，即蠕變；另一種則是作用的應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時(shí)間衰減，即松弛，如圖2-1-2所示。

圖2-1-2 巖體流變應(yīng)力—應(yīng)變曲線

對(duì)于那些具有較強(qiáng)的流變性的巖體，在隧道工程的設(shè)計(jì)和施工中必須加以考慮。屬于這類的巖體大概有兩類：一類是軟弱的層狀巖體，如薄層狀巖體、含有大量軟弱層的互層或間層巖體；另一類是含有大量泥質(zhì)物的，受軟弱結(jié)構(gòu)面切割的破裂巖體。整體狀、塊狀、堅(jiān)硬的層狀等類巖體，其流變性不明顯，但是，在這些巖體中為數(shù)不多的軟弱結(jié)構(gòu)面，具有相當(dāng)強(qiáng)的流變性，有時(shí)將對(duì)巖體的變形和破壞起控制作用。

2.巖體的強(qiáng)度

從上述可知，巖體和巖石的變形、破壞機(jī)理是很不相同的，前者主要受宏觀的結(jié)構(gòu)面所控制，而后者則受巖石的微裂隙所制約。因而巖體的強(qiáng)度要比巖石的強(qiáng)度低得多，并具有明顯的各向異性。巖體的抗壓強(qiáng)度不僅因?qū)用鎯A角增大而減小，同時(shí)其破壞形式也發(fā)生變化，如圖2-1-3所示。只有當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面的規(guī)模較小，結(jié)合力很強(qiáng)時(shí)，巖體的強(qiáng)度才能與巖石的強(qiáng)度相接近。一般情況下，巖體的抗壓強(qiáng)度只有巖石的70%～80%，結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體僅有5%～10%。

圖2-1-3 巖體抗壓強(qiáng)度與層面傾角關(guān)系

圖2-1-4 巖體、巖石和結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

巖體的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度一樣，主要也是取決于巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的性態(tài)。包括它的力學(xué)性質(zhì)、充填狀況、產(chǎn)狀、分布和規(guī)模等。同時(shí)還受剪切破壞方式所制約。當(dāng)巖體沿結(jié)構(gòu)面滑移時(shí)，多屬于塑性破壞，峰值剪切強(qiáng)度較低，其強(qiáng)度參數(shù)φ（內(nèi)摩擦角）一般在10°～45°之間變化；c（黏聚力）在0～0.3MPa之間變化，殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度比較接近。沿巖石剪斷屬脆性破壞，剪斷的峰值剪切強(qiáng)度較上述的高得多，其φ值在30°～60°之間，c值有高達(dá)幾十MPa的，殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度之比隨峰值強(qiáng)度的增大而減小，但僅限于0.3～0.8之間變化。受結(jié)構(gòu)面影響而沿巖石剪斷，其強(qiáng)度介于上述兩者之間。在τ-σ平面上畫出巖體、巖石和結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線就能看出這三者之間的關(guān)系，如圖2-1-4所示。

2.1.2.3 圍巖穩(wěn)定性

地下工程所賦存的地質(zhì)環(huán)境的內(nèi)涵很廣，包括地層特征、地下水狀況、原始地應(yīng)力狀態(tài)及地溫梯度等。但對(duì)于地下工程來說，最關(guān)鍵的問題則是地層被挖成地下空間后的穩(wěn)定程度。因?yàn)榈貙臃€(wěn)定就意味著開挖地下空間所引起的地層向隧道內(nèi)的變形很小，而且在較短的時(shí)間內(nèi)就可基本停止，這對(duì)施工過程和支護(hù)結(jié)構(gòu)都是非常有利的。地層被挖成地下空間結(jié)構(gòu)后的穩(wěn)定程度稱為地下空間結(jié)構(gòu)圍巖的穩(wěn)定性，這是一個(gè)反映地質(zhì)環(huán)境的綜合指標(biāo)。因此，研究地下工程地質(zhì)環(huán)境問題，歸根到底就是研究地下結(jié)構(gòu)圍巖的穩(wěn)定性問題。

2.1.2.4 影響圍巖穩(wěn)定性的因素

影響圍巖穩(wěn)定性的因素很多，根據(jù)性質(zhì)來分，基本上可以歸納為兩大類：第一類是屬于地質(zhì)環(huán)境方面的自然因素，是客觀存在的，它們決定了地下空間結(jié)構(gòu)圍巖的質(zhì)量；第二類則屬于工程活動(dòng)的人為因素，如地下空間結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、施工方法、支護(hù)措施等。它們雖然不能決定圍巖質(zhì)量的好壞，但卻能給圍巖的質(zhì)量和穩(wěn)定性帶來不可忽視的影響。

1.地質(zhì)環(huán)境因素

圍巖在開挖地下空間結(jié)構(gòu)時(shí)的穩(wěn)定程度乃是巖體力學(xué)性質(zhì)的一種表現(xiàn)形式。影響巖體力學(xué)性質(zhì)的各種因素在這里同樣起作用，只是各自的重要性有所不同而已。

（1）巖體結(jié)構(gòu)特征。

巖體的結(jié)構(gòu)特征是長(zhǎng)時(shí)間地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，是控制巖體破壞形態(tài)的關(guān)鍵。從穩(wěn)定性分類的角度來看，巖體的結(jié)構(gòu)特征可以簡(jiǎn)單地用巖體的破碎程度或完整性來表示。在某種程度上它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用嚴(yán)重的程度。實(shí)踐證明，圍巖的破碎程度對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與否起主導(dǎo)作用，在相同巖性的條件下，巖體越破碎，地下空間結(jié)構(gòu)就越容易失穩(wěn)。因此，在近代圍巖分級(jí)法中，都將巖體的破碎或完整狀態(tài)作為分級(jí)的基本指標(biāo)之一。

巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小，以及這些巖塊的組合排列形態(tài)。關(guān)于巖塊的大小通常都是用裂隙的密集程度，如裂隙率、裂隙間距等指標(biāo)表示。裂隙率就是指沿裂隙法線方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的裂隙數(shù)目，裂隙間距則是指沿裂隙法線方向上裂隙間的距離。在分類中常將裂隙間距大于1.0～1.5m者視為整體狀的，而將小于0.2m視為碎塊狀的。當(dāng)然，這些數(shù)字都是相對(duì)的，僅適用于跨度在5～15m范圍內(nèi)的地下工程。據(jù)此，可以按裂隙間距將巖體分為圖2-1-5所示的幾種。

圖2-1-5中所說的裂隙都是廣義的，包括層理、節(jié)理、斷裂及夾層等結(jié)構(gòu)面。硅質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的，具有很高節(jié)理強(qiáng)度的裂隙不包括在內(nèi)。

（2）結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合。

在塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)，以及它們?cè)诳臻g的組合狀態(tài)。對(duì)于地下空間結(jié)構(gòu)來說，圍巖中存在單一的軟弱面，一般并不會(huì)影響地下空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)面與地下空間結(jié)構(gòu)軸線相互關(guān)系不利時(shí)，或者出現(xiàn)兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面時(shí)，才能構(gòu)成容易墜落的分離巖塊。例如，有兩組平行但傾向相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或斜交的陡傾結(jié)構(gòu)面，就可能構(gòu)成屋脊形分離巖塊。至于分離巖塊是否會(huì)塌落或滑動(dòng)，還與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度以及巖塊之間的相互聯(lián)鎖作用有關(guān)。因此，在圍巖分級(jí)中，可以從下述的5個(gè)方面來研究結(jié)構(gòu)面對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性影響的大小：

圖2-1-5 巖體按裂隙間距的分類

d—裂隙間距

1）結(jié)構(gòu)面的成因及其發(fā)展史。例如，次生的破壞夾層比原生的軟弱夾層的力學(xué)性質(zhì)差得多，如再發(fā)生次生泥化作用則性質(zhì)更差。

2）結(jié)構(gòu)面的平整、光滑程度。

3）結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及其充填物質(zhì)情況。

4）結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與方向性。

5）結(jié)構(gòu)面的密度與組數(shù)。

（3）巖石的力學(xué)性質(zhì)。

在整體結(jié)構(gòu)的巖體中，控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學(xué)性質(zhì)，尤其是巖石的強(qiáng)度。一般來說，巖石強(qiáng)度越高，地下空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。在圍巖分級(jí)中所說的巖石強(qiáng)度指標(biāo)，都是指巖石的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度。

此外，巖石強(qiáng)度還影響圍巖失穩(wěn)破壞的形態(tài)，強(qiáng)度高的硬巖多表現(xiàn)為脆性破壞，在地下空間開挖過程中可能發(fā)生巖爆現(xiàn)象。而在強(qiáng)度低的軟巖中，則以塑性變形為主，流變現(xiàn)象較為明顯。

（4）圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)。

圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)是地下空間結(jié)構(gòu)圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。所以，在某些分級(jí)方法中曾有所反映。例如，泰沙基（K.Terzaghi）分類法中，曾將同樣是擠壓變形緩慢的巖層視其埋深不同分為兩類，其預(yù)計(jì)的巖石荷載值相差1倍左右，這就是考慮初始應(yīng)力的結(jié)果。

在圍巖分級(jí)中，如何根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特征引進(jìn)圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的影響，仍是一個(gè)需要進(jìn)一步研究解決的問題。

（5）地下水作用。

地下工程施工的實(shí)踐證明，地下水是造成施工坍方，使地下工程圍巖喪失穩(wěn)定性的最重要因素之一，因此，在圍巖分級(jí)中切不可忽視。當(dāng)然，在巖性不同的巖體中，水的影響也是不相同的，歸納起來有以下幾種：

1）使巖質(zhì)軟化，強(qiáng)度降低，對(duì)軟巖尤其突出；對(duì)土體則可促使其液化或流動(dòng)。

2）在有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體中，會(huì)沖走充填物質(zhì)或使夾層軟化，減少層間摩阻力促使巖塊滑動(dòng)。

3）在某些巖土體中，如含有生石膏、巖鹽，或以蒙脫土為主的黏土巖和土層，遇水后將產(chǎn)生膨脹，其勢(shì)能很大。在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中，水的存在可以產(chǎn)生流砂和潛蝕。

因此，在圍巖分級(jí)中，對(duì)軟巖、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)巖體、有軟弱結(jié)構(gòu)面的層狀巖體及膨脹巖等，應(yīng)著重考慮地下水的影響。

在目前的分級(jí)法中，對(duì)地下水的處理方法有3種：①在分級(jí)時(shí)不將水的影響直接考慮進(jìn)去，而是根據(jù)圍巖受地下水影響的程度，適當(dāng)降低圍巖的等級(jí)；②分級(jí)時(shí)按有水情況考慮，當(dāng)確認(rèn)圍巖無水則可提高圍巖的等級(jí)；③直接將地下水的狀況（水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓等）作為一個(gè)分級(jí)的指標(biāo)。前兩種方法是定性的，第三種方法雖可定量，但對(duì)這些量值的確定，在很大程度上還是要靠經(jīng)驗(yàn)。例如，在某些分級(jí)法中，先按巖性分級(jí)，而后再按地下水涌出量分為0～100L/min、101～1000L/min、>1000L/min 3種，最后定出它們對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響系數(shù)，見表2-1-1。

在有些分級(jí)中，除了考慮上述因素外，還補(bǔ)充了結(jié)構(gòu)面狀態(tài)和地下水壓力的影響，將地下水的作用進(jìn)一步細(xì)分。

2.工程活動(dòng)所造成的人為因素

施工等人為因素也是造成圍巖失穩(wěn)的重要條件。其中尤其以地下空間結(jié)構(gòu)的尺寸（主要指跨度）形狀以及施工中所采用的開挖方法等影響較為顯著。

（1）地下空間結(jié)構(gòu)尺寸和形狀。

實(shí)踐證明，在同一類圍巖中，地下空間結(jié)構(gòu)跨度越大，地下空間結(jié)構(gòu)圍巖的穩(wěn)定性就越差，因?yàn)閹r體的破碎程度相對(duì)加大了。例如，裂隙間距為0.4～1.0m的巖體，對(duì)中等跨度（5～10m）的地下空間結(jié)構(gòu)而言，可算是大塊狀的，但對(duì)大跨度（大于15m）的地下空間結(jié)構(gòu)來說，只能算是碎塊狀的。因此，在近代的圍巖分級(jí)法中，有的就明確指出分級(jí)法的適用跨度范圍；有的則采用相對(duì)裂隙間距，即裂隙間距與地下空間結(jié)構(gòu)跨度的比值作為分類的指標(biāo)。例如，相對(duì)裂隙間距為1/5的屬完整的；在1/5～1/20范圍內(nèi)的屬破碎的；小于1/20的屬極度破碎的。但也有人反對(duì)這樣做，認(rèn)為將跨度引進(jìn)圍巖分級(jí)法中會(huì)造成對(duì)巖體結(jié)構(gòu)概念的混亂和誤解。比較通用的做法，是將跨度的影響放在確定圍巖壓力值和支護(hù)結(jié)構(gòu)類型和尺寸時(shí)考慮，這樣就將分級(jí)的問題簡(jiǎn)化了。

地下空間結(jié)構(gòu)的形狀主要影響開挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。圓形或橢圓形地下空間結(jié)構(gòu)圍巖應(yīng)力狀態(tài)以壓應(yīng)力為主，這對(duì)維持圍巖的穩(wěn)定性是有好處的。而矩形或梯形地下空間結(jié)構(gòu)，在頂板處的圍巖中將出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致巖體張裂破壞。但是，在目前的各種分級(jí)法中都沒有考慮這個(gè)因素，可能是因?yàn)樯盥竦叵驴臻g結(jié)構(gòu)的斷面形狀絕大部分都接近圓形或橢圓形的緣故。

（2）施工中所采用的開挖方法。

從目前的施工技術(shù)水平來看，開挖方法對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性的影響較為明顯，在分類中必須予以考慮。例如，在同一類巖體中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用礦山法和采用掘進(jìn)機(jī)法，采用全斷面一次開挖和采用小斷面分部開挖，對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)圍巖的影響都各不相同。所以，目前大多數(shù)圍巖分級(jí)法都是建立在相應(yīng)的施工方法的基礎(chǔ)上的。

以上所述的工程活動(dòng)所造成的人為因素，雖然對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性的影響很大，但為了簡(jiǎn)化圍巖分級(jí)問題一般都是以分級(jí)的適用條件來控制，而分級(jí)的本身則主要從地質(zhì)因素考慮。

2.1.3 圍巖分級(jí)

2.1.3.1 圍巖分級(jí)的目的

圍巖分級(jí)是根據(jù)地質(zhì)勘探和少量的巖體力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果，確定一個(gè)區(qū)分巖體質(zhì)量好壞的規(guī)律，據(jù)此將工程巖體分成若干個(gè)等級(jí)，對(duì)工程巖體的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定其對(duì)工程巖體穩(wěn)定性的影響程度，為工程設(shè)計(jì)、確定支護(hù)類型和施工提供必要的參數(shù)。

圍巖分級(jí)的目的，是從工程的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)工程建筑物地基或圍巖的巖土體進(jìn)行分類，并根據(jù)其好壞進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，賦予它必不可少的計(jì)算參數(shù)，以便合理地設(shè)計(jì)和采取相應(yīng)的工程措施，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理、安全的目的。因此，工程巖體分級(jí)是為巖體工程建設(shè)的勘察、設(shè)計(jì)、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)。根據(jù)用途的不同，工程巖體分級(jí)有通用分級(jí)和專用分級(jí)兩種。通用分級(jí)是較少針對(duì)性、原則上的和大致的分級(jí)，是供各學(xué)科領(lǐng)域及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門籠統(tǒng)使用的分級(jí)。專用分級(jí)是專為某種工程目的服務(wù)而專門編制的分級(jí)，所涉及的面窄一些，考慮的影響因素少一些，但更深入、細(xì)致。

圍巖分級(jí)的最終目的是在工程界統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，便于交流，便于預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的巖土體力學(xué)問題。因此，圍巖分級(jí)的主要目的有以下幾個(gè)方面：

（1）作為選擇施工方法的依據(jù)。

（2）進(jìn)行科學(xué)管理及正確評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益。

（3）確定結(jié)構(gòu)上的荷載（松散荷載）。

（4）給出襯砌結(jié)構(gòu)的類型及其尺寸。

（5）制定勞動(dòng)定額、材料消耗標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)等。

對(duì)于一些重大工程，可以通過地質(zhì)勘察、力學(xué)試驗(yàn)、物理模擬和數(shù)值分析等方法進(jìn)行評(píng)價(jià)；而對(duì)于常規(guī)的小型工程，一般不需要投入大量的人力、物力、財(cái)力以及花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)，可采取工程類比法或經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。以圍巖分級(jí)作為工程類比的尺度，是一種快速、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單易行的分析方法。同時(shí)，可根據(jù)圍巖的分級(jí)來預(yù)測(cè)巖體的強(qiáng)度及變形指標(biāo)。因此，圍巖分級(jí)在工程建設(shè)及事故處理中具有重要的意義和價(jià)值。

2.1.3.2 圍巖分級(jí)的原則

進(jìn)行圍巖分級(jí)，一般考慮以下幾個(gè)方面：

（1）圍巖的分級(jí)應(yīng)該與所涉及的工程性質(zhì)，即與使用對(duì)象密切地聯(lián)系在一起。需要考慮分級(jí)是適用于某一類工程、某種工業(yè)部門的通用分級(jí)，還是一些大型工程的專門分級(jí)。

（2）分級(jí)應(yīng)該盡可能采用定量的參數(shù)，以便在應(yīng)用中減少人為因素的影響，并能用于技術(shù)計(jì)算和定額的制定上。

（3）分級(jí)的級(jí)數(shù)應(yīng)合適，不宜太多或太少，一般分為4～6級(jí)。

（4）圍巖分級(jí)方法與步驟應(yīng)簡(jiǎn)單明了，分級(jí)的參數(shù)在工程現(xiàn)場(chǎng)容易取得，參數(shù)所賦予的數(shù)字便于記憶和應(yīng)用。

（5）由于目的、對(duì)象不同，考慮的因素也不同。各因素應(yīng)有明確的物理意義，并且還應(yīng)該是獨(dú)立的影響因素。

目前，在國(guó)際上，圍巖分級(jí)的一個(gè)明顯趨勢(shì)是利用根據(jù)各種技術(shù)手段獲取的“綜合特征值”來反映圍巖的工程特性，用它來作為圍巖分級(jí)的基本定量指標(biāo)，并力求與工程地質(zhì)勘察和巖體測(cè)試工作相結(jié)合，用一些簡(jiǎn)便的方法，迅速判斷巖體工程性質(zhì)的好壞，根據(jù)分級(jí)要求判定級(jí)別，以便采取相應(yīng)的工程措施。

2.1.3.3 圍巖分級(jí)的依據(jù)

地下洞室?guī)r體質(zhì)量分級(jí)是對(duì)地下工程巖土體工程地質(zhì)特性進(jìn)行綜合分析、概括及評(píng)價(jià)的方法，是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支護(hù)的重要方法，是工程支護(hù)設(shè)計(jì)必不可少的前期階段。影響圍巖穩(wěn)定性的因素是多方面的，要在圍巖分級(jí)過程中全面反映各個(gè)因素的影響是非常困難的，因此在圍巖分級(jí)中指標(biāo)的選取是非常重要的，其主要考慮以下幾個(gè)方面。

1.巖體的結(jié)構(gòu)特征及其完整性

巖體的結(jié)構(gòu)特征及其完整性是由各種結(jié)構(gòu)面切割圍巖的程度決定的，可以簡(jiǎn)單地用巖體的破碎程度或完整性來表示，它取決于巖體結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造影響與結(jié)構(gòu)面的發(fā)育等情況。而巖體的破碎程度或完整狀態(tài)是指構(gòu)成巖體的巖塊大小及這些巖塊的組合排列形態(tài)。

2.巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)

巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)是決定巖土體穩(wěn)定性的最主要因素，包括圍巖的強(qiáng)度、物理性質(zhì)、水理性質(zhì)等。

3.地下水的影響

地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性有很大的影響，是造成圍巖失穩(wěn)的重要原因之一，特別是軟巖其含有較多的黏土礦物遇水易軟化。因此，在圍巖分級(jí)中通常根據(jù)圍巖性質(zhì)、地下水的性態(tài)及流通條件將圍巖級(jí)別進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕导?jí)。但對(duì)于較好的圍巖，地下水影響小，一般不做降級(jí)處理。

地下水對(duì)圍巖的影響主要表現(xiàn)在軟化圍巖、軟化結(jié)構(gòu)面和承壓水作用與滲透作用。

4.原巖應(yīng)力的影響

原巖應(yīng)力場(chǎng)是地下工程圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。因此，巖體的初始應(yīng)力常常作為判斷圍巖級(jí)別的依據(jù)。在圍巖分級(jí)中，應(yīng)當(dāng)考慮初始應(yīng)力場(chǎng)的影響。

5.某些綜合因素

在圍巖分級(jí)中還有一些綜合指標(biāo)，它同時(shí)反映了上述多種因素，如應(yīng)用隧道洞室的圍巖自穩(wěn)時(shí)間或塌落量來反映工程的穩(wěn)定性、應(yīng)用巷道頂面的下沉位移量來反映工程的穩(wěn)定性等。這些因素是巖石質(zhì)量、結(jié)構(gòu)面、水、地應(yīng)力等因素的綜合反映。在有的巖體分類中，把它作為巖體分類以后的巖體穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)來考慮。

2.1.3.4 我國(guó)目前圍巖分級(jí)的方法

圍巖分級(jí)的原則有多種，它是在人們對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)工程的不斷實(shí)踐和對(duì)圍巖的地質(zhì)條件逐漸加深了解的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。不同的國(guó)家、不同的行業(yè)都根據(jù)各自的工程特點(diǎn)提出了各自的圍巖分級(jí)原則。現(xiàn)行的許多圍巖分級(jí)方法中，作為分類的基本要素大致有三大類：

（1）與巖性有關(guān)的要素。例如，分為硬巖、軟巖、膨脹性巖等，其分類指標(biāo)是采用巖石強(qiáng)度和變形性質(zhì)等，如巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的變形模量或彈性波速度等。

（2）與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)的要素。如軟弱結(jié)構(gòu)面的分布與性態(tài)、風(fēng)化程度等。其分類指標(biāo)采用巖石質(zhì)量指標(biāo)、地質(zhì)因素評(píng)分法等。這些指標(biāo)實(shí)質(zhì)上是對(duì)巖體完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)價(jià)。這類指標(biāo)在劃分圍巖的類別中一般占有重要的地位。

（3）與地下水有關(guān)的要素。

我國(guó)目前具有代表性的圍巖分級(jí)方法主要有工程巖體分級(jí)、公路隧道圍巖分級(jí)、鐵路隧道圍巖分級(jí)三種。

1.工程巖體分級(jí)

我國(guó)較早開展了有關(guān)工程巖體分級(jí)的研究，提出了適合我國(guó)地質(zhì)條件的工程巖體分級(jí)。在1994年11月頒布了國(guó)家工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并于1995年7月開始施行。該標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)通用性的標(biāo)準(zhǔn)，適合于各類型巖體工程的分類。

（1）工程巖體分級(jí)的基本方法。

1）確定巖體基本質(zhì)量。國(guó)標(biāo)巖體分級(jí)采用了定性、定量?jī)煞N方法分別確定巖體質(zhì)量的好壞，相互協(xié)調(diào)，相互調(diào)整，以確定巖石的堅(jiān)硬程度與巖體完整性指數(shù)。

①定量地確定巖體基本質(zhì)量。

a.巖石堅(jiān)硬程度定量指標(biāo)的確定和劃分。采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc，定量地確定巖石的堅(jiān)硬程度。當(dāng)無條件取得Rc時(shí)，亦可采用實(shí)測(cè)的巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)（Is（50））進(jìn)行換算，（Is（50））指直徑50mm圓柱形試件徑向加壓時(shí)的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。Rc與（Is（50））的換算關(guān)系見式（2-1-1），即

根據(jù)Rc劃分的巖石堅(jiān)硬程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表2-1-2。

b.巖石完整程度定量指標(biāo)的確定和劃分。巖石完整性指數(shù)（Kv）可用彈性波測(cè)試方法確定，即

式中 vPm——巖體彈性縱波速度，km/s；

v Pr——巖石彈性縱波速度，km/s。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)缺乏彈性波測(cè)試條件時(shí)，可選擇有代表性露頭或開挖面進(jìn)行節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算巖體體積節(jié)理數(shù)，即

式中 Sn——第n組節(jié)理每米長(zhǎng)測(cè)線上的條數(shù)；

Sk——每立方米巖體中，長(zhǎng)度大于1m的非成組節(jié)理?xiàng)l數(shù)。

JV與Kv相互對(duì)照關(guān)系見表2-1-3，Kv與巖體完整程度定性劃分的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2-1-4。

Kv一般用彈性波探測(cè)值，若無探測(cè)值時(shí)，可用巖體體積節(jié)理數(shù)JV對(duì)應(yīng)的Kv值表示。巖體完整程度的劃分見表2-1-5。

②定性地確定巖體基本質(zhì)量。定性確定巖體基本質(zhì)量仍然采用巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整性兩個(gè)參數(shù)，但確定的方法主要根據(jù)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查的工程技術(shù)人員對(duì)工程巖體實(shí)際觀察的結(jié)果。雖然會(huì)受到一定的人為因素的影響，但是對(duì)巖體進(jìn)行調(diào)查的具體做法及其對(duì)鑒定的詳盡描述，對(duì)于有一定經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)工作者而言，應(yīng)該能夠掌握，并能做出比較客觀的評(píng)價(jià)，從而獲得真實(shí)反映工程巖體的實(shí)際狀況，加上與定量分級(jí)的對(duì)比使得該方法相對(duì)比較合理。

a.巖石堅(jiān)硬程度的定性劃分，參見表2-1-6。

巖石的風(fēng)化程度可通過定性指標(biāo)和某些定量指標(biāo)來表述。定性指標(biāo)主要有顏色、礦物蝕變程度、破碎程度等；定量指標(biāo)主要有波速比和風(fēng)化系數(shù)，波速比是指風(fēng)化巖石與新鮮巖石壓縮波速度比值的平方，用Kv表示，風(fēng)化系數(shù)是指風(fēng)化巖石與新鮮巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度的比值，用Kf表示。巖石的風(fēng)化程度分類見表2-1-7。

b.巖體完整程度的定性劃分。巖體完整程度的定性劃分，參見表2-1-8。

2）巖體基本質(zhì)量分級(jí)。

①巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ）按式（2-1-4）計(jì)算，即

式中 BQ——巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；

R c——巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度值，MPa；

Kv——巖體完整性指數(shù)值。

在使用式（2-1-4）時(shí)，應(yīng)遵守下列限制條件：

a. Rc>90Kv+30時(shí)，應(yīng)以Rc=90Kv+30和Kv值代入公式計(jì)算BQ值。

b. Kv>0.04Rc+0.4時(shí)，應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4和Rc值代入公式計(jì)算BQ值。

②巖體基本質(zhì)量的確定。按上述公式所確定的BQ值，根據(jù)表2-1-9進(jìn)行巖體基本質(zhì)量的分級(jí)。

3）工程巖體質(zhì)量分級(jí)的確定。在確定了巖體基本質(zhì)量的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程所具有的特性以及地質(zhì)條件與工程的關(guān)系，可按式（2-1-5）進(jìn)一步確定工程巖體的質(zhì)量分級(jí)的修正值，即

式中 ［BQ］——巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值；

K 1——地下水影響修正系數(shù)；

K 2——主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；

K 3——初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

K 1、K2、K3的值可按表2-1-10至表2-1-12確定。若無表中所列的地質(zhì)條件時(shí)，修正系數(shù)應(yīng)該取0。

（2）工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。

1）巖體物理力學(xué)參數(shù)的選用。工程巖體基本級(jí)別確定以后，可按表2-1-13選用巖體的物理力學(xué)參數(shù)，按表2-1-14選用巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)。

2）地下工程巖體自穩(wěn)能力的確定。利用表2-1-15可以對(duì)跨度不大于20m的地下工程作穩(wěn)定性初步評(píng)估，當(dāng)實(shí)際自穩(wěn)能力與表中相應(yīng)級(jí)別的自穩(wěn)能力不相符時(shí)，應(yīng)對(duì)巖體級(jí)別做相應(yīng)調(diào)整。

2.公路隧道圍巖分級(jí)

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）規(guī)定，隧道圍巖分級(jí)的綜合評(píng)判方法采用兩步分級(jí)。首先，根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)基本因素的定性特征和定量的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ綜合進(jìn)行初步分級(jí)。然后，在巖體基本質(zhì)量分級(jí)基礎(chǔ)上考慮修正因素的影響（如地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、初始應(yīng)力狀態(tài)等），修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)值，按修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)［BQ］，結(jié)合巖體的定性特征綜合評(píng)判，確定圍巖的詳細(xì)分級(jí)，見表2-1-16。

（1）巖石堅(jiān)硬程度。

巖石堅(jiān)硬程度定量指標(biāo)用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc表達(dá)。Rc一般采用實(shí)測(cè)值，若無實(shí)測(cè)值時(shí)，可采用實(shí)測(cè)的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is（50）換算值，近似由式（2-1-1）計(jì)算。

巖石堅(jiān)硬程度的劃分見表2-1-2和表2-1-6。

（2）巖體的完整程度。

巖體完整程度的定量指標(biāo)用巖體完整性系數(shù)Kv表達(dá)。

Kv一般用彈性波探測(cè)值，若無探測(cè)值時(shí)，可用巖體體積節(jié)理數(shù)JV對(duì)應(yīng)的Kv值。巖體完整程度的劃分見表2-1-5。

（3）圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)。

圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ應(yīng)根據(jù)分級(jí)因素的定量指標(biāo)Rc值和Kv按式（2-1-4）計(jì)算。

當(dāng)隧道圍巖處于高地應(yīng)力區(qū)或圍巖穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面影響，且由一組起控制作用或有地下水作用時(shí)，應(yīng)對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行修正，修正值［BQ］按式（2-1-5）計(jì)算。

表2-1-17所列為高初始應(yīng)力地區(qū)圍巖在開挖過程中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象。

3.鐵路隧道圍巖分級(jí)

2005年頒布實(shí)施的最新《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2005）的圍巖分級(jí)方法是在1975年鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性分類法及1985、2001規(guī)范的基礎(chǔ)上提出的，并與國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50218—2014）接軌，考慮了巖石的堅(jiān)硬程度和巖體的完整性，結(jié)合地下水和地應(yīng)力狀態(tài)的修正因素。從過去的圍巖分類改成圍巖分級(jí)，分為Ⅰ～Ⅵ級(jí)，圍巖穩(wěn)定性由好到差，與公路隧道圍巖分級(jí)相似。鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范將圍巖分為Ⅰ～Ⅵ級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2005）。