第四章 隧道工程的地质环境
第一节 概 述
地面结构体系一般都是由结构和地基所组成，地基在
结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部，
（图 4-1a）。地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成
共同并相互作用的结构体系，即 地下结构＝支护结构＋周
边围岩 ；地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本
身 — 地层，故称为 地层压力 或 围岩压力 。
在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成部
分，又是造成荷载的主要来源 (图 4-1b)，这种合二为一的作
用机理与地面结构是完全不同的。
(a) 地面结构 (b)地下结构
图 4-1 结构物与地层关系
地层被挖成隧道后的稳定程度称为 隧道围岩的稳定性,
这是一个反映地质环境的综合指标 。 所以说, 研究隧道工程地
质环境问题, 归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题, 它包
括隧道围岩破坏或稳定的规律, 影响围岩稳定的主要因素, 标
志围岩稳定性的指标和判断准则, 分析围岩稳定性的方法以及
为维护围岩稳定而必须采取的工程措施 (如施工程序和方法,
支护结构的类型, 数量和架设时间等 )。
第二节 围岩的工程性质
隧道围岩 是指地壳中受隧道开挖影响的那一部分岩体，
或是指对隧道稳定性有影响的那一部分岩体。这部分岩体
在隧道开挖和支护过程中，将产生应力重新分布，其性质
也有所变化。
一, 岩体的变形特性
1,压密阶段 (OA)
2,弹性阶段 (AB)
3,塑性阶段 (BC)
4,破裂和破坏阶段 (CD)
?
?
A
B
C
岩体
岩石
软弱结构面
0
图 4-2 典型岩体全应力 — 应变曲线
二, 循环荷载作用下岩体的变形特性
对于弹性材料, 其加载和卸
载曲线相同 。
岩体属于非线性材料，如果
卸载点超过了其屈服点，则卸载
曲线和加载曲线不重合，形成 塑
性回滞环 。如果经过多次反复加
载与卸载，且每次施加的最大荷
载与第一次加载的最大荷载一样，
则每次加载、卸载曲线都各自形
成一个塑性回滞环，如图 4-3所示 。
图 4-3 岩体加、卸载曲线
三, 岩体的强度
岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具有明显的各向
异性。 一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石抗压强度的
70～ 80％，结构面发育的岩体，仅有 5～ 10％。 和抗压强度一
样，岩体的抗剪强度主要也是取决于岩体内结构面的性态，
包括岩体的力学性质、充填状况、产状、分布和规模等；同
时还受剪切破坏方式所制约。
四, 岩体的构造 — 力学特性
岩体是由下述几部分构成的：
a) 不同尺寸和类型的岩块；
b) 结构面；
c) 岩块间的充填物 。
从岩体构造 — 力学特性上看，大体上可分为 无裂隙岩
体 和 裂隙岩体 两大类。地下工程在多数情况下是修筑在裂
隙岩体中的。裂隙岩体的地质构造特征是结构面的存在。
岩石只是岩体构成的一部分, 它的性质不能代表岩体
的物性, 这一点是必须明确的 。 由上述条件决定的岩体构
造－力学特性是它的 非连续性, 非均质性, 各向异性和突
变性 。
五, 岩体的破坏准则
理论和试验研究都表明, 多数岩石在初始应力状态下
处于弹性阶段, 而在开挖成洞后, 洞室周围岩体将产生松弛
或进入塑性状态 。
弹塑性模型的基本概念是认为岩石在屈服极限之前, 只
有可恢复的弹性变形, 达到屈服极限以后, 变形由可恢复的
弹性变形 和不可恢复的 永久变形 (塑性变形 )两部分组成, 弹
性变形按弹性理论计算, 塑性变形按塑性理论计算 。
材料随着外力的增加由弹性状态过渡到塑性状态 。 当应
力的数值等于屈服极限 时, 材料屈服, 开始产生塑性变形,
而 就是单向应力状态下的屈服条件, 也称作, 塑性条
件,, 它是判断是否达到塑性状态的准则 。
目前, 在实际设计中, 采用最多的是 摩尔 — 库仑破坏准
则 。 图 4-4表示受到主应力 ( > )作用时, 材料屈服的应力圆 。
c?
c?? ?
1? 3?
σ C
σ
3
σ 1
C
φ
x
σ
τ
0
由图可知
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31
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2
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s in1
s in1
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031 ???? c????
图 4-4 材料强度包络线及应力圆
格里非斯 认为，内部有裂隙的材料，在裂隙的尖端部位将引起
应力集中，从而导致材料强度的降低。当拉应力集中值超过材
料的抗拉强度时，裂隙就会扩展，从而导致岩石破坏。为了计
算应力集中值，将这些裂隙假定为很小的扁平椭圆裂纹，按平
面状态破坏理论处理，如图 4-5所示 。
图 4-5 格里非斯准则
除了上述准则外，尚有许多其他的
破坏准则，如 Mises准则,Drucker-
Prager准则等 。
六, 岩体的流变特性
流变包括两方面：一种是指作用的应力不变, 而应变
随时间增长, 即所谓 蠕变 ；另一种则是作用的应变不变,
而应力随时间而衰减, 即所谓 松弛, 如图 4-6所示 。
图 4-6 岩体的流变
七, 岩体结构分类及其破坏特征
工程地质学中把岩体划分为四大种结构类型：
Ⅰ,整体结构, 块状结构
Ⅱ,层状结构, 板状结构
Ⅲ,碎裂结构, 镶嵌结构, 层状碎裂结构
Ⅳ,散体结构
整体结构岩体的变形主要是结构体的变形,块状和层状结构
岩体的变形主要是结构面的变形，碎裂和散体结构岩体的变
形，开始是将裂隙或孔隙压密，随后是结构体变形，并伴随
有结构面张开。破坏形式主要为 剪切破裂 和 塑性变形。
八, 隧道围岩失稳破坏性态
隧道围岩变形, 破坏和岩体结构的关系十分密切, 根据工程
实践观察, 大致有以下五种情况：
1,脆性破裂
2,块状运动
3,弯曲折断破坏
4、松动解脱
5,塑性变形和剪切破坏
第三节 围岩的初始应力场
一, 围岩初始应力场的组成
(一 )自重应力场
在自重应力场中, 地表以下任一深度 H处的垂直应力等
与其上覆岩体的重量 (如图 4-7,a所示 )
Hz ?? ?
以压应力为正, 为岩体的容重
当上覆岩体为多层时, 则为 (图 4-7,b)
?
?
?
? n
i iiz
H
1
??
式中 — 第 i 层岩体的容重
— 第 i 层岩体的厚度
i?
iH
图 4-7 地表水平时的自重应力场
围岩自重应力场的变化规律
? 应力是随深度成线性增加
? 水平应力总是小于垂直应力, 最多也只能与其相等
(二 )构造应力场
地质力学认为：地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地
应力作用的结果 。 因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成
过程中的应力状态称为 构造应力场 。
我国大陆初始应力场 (包括自重应力场和构造应力场 )的变化
规律大致可以归纳为如下几点：
① 地质构造形态不仅改变了重力应力场, 而且除以各种构造
形态获得释放外, 还以各种形式积蓄在岩体内, 这种残余构造应
力将对地下工程产生重大影响 。
② 垂直应力的量值随深度增加而增大, 而且水平应力普遍大
于垂直应力 。
③ 水平主应力具有明显的各向异性。
二, 围岩初始应力场的影响因素
围岩的初始应力状态, 一般受到两类因素的影响：
第一类因素有重力, 温度, 岩体的物理力学性质及构
造, 地形等经常性的因素 。
第二类因素有地壳运动, 地下水活动, 人类的长期活
动等暂时性的或局部性的因素；
此外, 在众多的因素中还要特别研究下面几点：
1、地形和地貌。
2、岩体的力学性质。
3、地温。
4、人类活动。
第四节 隧道围岩分级及其应用
根据坑道开挖实践, 坑道开挖后的稳定性可分为以下几类：
1)充分稳定的
坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护
而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。
2)基本稳定的
坑道会因爆破, 岩块结合松弛等而产生局部掉块, 但不
会引起坑道的坍塌, 坑道是稳定的 。
3)暂时稳定的
大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同
程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。
4)不稳定的
一, 以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法
在这种分级方法中，具有代表性的是前苏联普落托奇雅
柯诺夫 (M.Jipoctonbn Monos)教授提出的,岩石坚固系数”分
级法 (或称,, 值分级法，或普氏分级法 )。这种分级方法在
我国的隧道工程中得到了广泛的应用。
我国工程部门在将值分级法应用到隧道工程的设计、施工
时，已注意到必须考虑岩体的地质构造、风化程度、地下水状
况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的值适当降低,
即：
式中 值是由岩石强度决定的,是考虑地质条件的折减
系数，一般情况下,＜ 1.0。
岩石岩体 fKf ??
岩石f K
K
f
二, 以岩体构造, 岩性特征为代表的分级方法
60年代, 我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上,
提出了以岩体综合物性指标为基础的, 岩体综合分级法,,
并于 1975年经修正后被我国, 铁路工程技术规范 (隧道 )” 所采
用 。 该分级法将隧道围岩分为 6级 。
这类方法的 优点 是正确地考虑了地质构造特征, 风化状
况, 地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响, 并建
议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法 。 此外, 这种分
级法最早考虑了埋深对围岩级别的影响 。 其 缺点 是分类指标
还缺乏定量描述, 没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法,
在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定 。
三, 与地质勘探手段相联系的分级方法
围岩弹性波速度是判断岩性, 岩体结构的综合指标, 它既
可以反映岩石软硬, 又可以表达岩体结构的破碎程度 。 因此,
在弹性波速度基础上, 综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素
(岩性, 风化程度, 破碎状态, 含水及涌水状态等 ),将围岩分
为 7级 。
我国 1986年施行的, 铁路隧道设计规范, 中将弹性波 (纵
波 )速度引入隧道围岩分级中, 将围岩分为 6级 (表 4-4)。
围岩类
别 Ⅵ Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ
弹性波
速
(km/s)
＞ 4.5 3.5～4.5 2.5～4.0 1.5～3.0 1.0～2.0
＜ 1.0
(饱和土＜
1.5)
表 4-4 弹性波 (纵波 )速度分级
四, 以多种因素进行组合的分级方法
这种分级法认为, 评价一种岩体的好坏, 既要考虑地
质构造, 岩性, 岩石强度, 还要考虑施工因素, 如掘进方
向与岩层之间的关系, 开挖断面的大小等, 因此就需要建
立在多种因素的分析基础之上 。
在这类分级法中, 比较完善的是 1974年挪威地质学家
巴顿 (N.Barton)等人所提出的, 岩体质量 — Q” 分级法 。 Q
与六个表明岩体质量的地质参数有关, 表达如下：
S R F
J
J
J
J
R Q DQ w
a
r
h
???
根据不同的 Q值, 将岩体质量评为九等, 详见表 4-5。
岩
体
质
量
特别
好 极好 良好 好 中等 不良 坏 极坏
特别
坏
Q 400～1000 100～400 40～100 10～40 4～ 10 1～ 4 0.1～1 0.01～ 0.1
0.001
～
0.01
表 4-5 岩体质量评估
五, 以工程对象为代表的分级法
这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的
围岩分级法 (1979年 ),苏联在巴库修建地下铁道时所采用的
围岩分级法 (1966年 )等, 优点是目的明确, 而且和支护尺寸
直接挂钩, 因此, 使用方便, 对指导施工很起作用 。
六, 我国现行铁路隧道围岩分级
在 1975年铁道部颁布了以围岩结构特征和完整状态为分
类基础的新的铁路隧道围岩稳定性分级法，它总结了我国建
国以来在修建铁路隧道中使用值分级法所积累的经验，并参
考了国内外有关围岩分级成果。
㈠ 围岩分级的基本因素及围岩基本分级
1,围岩分级的基本因素
围岩基本分级应由 岩石坚硬程度 和 岩体完整程度 两个基
本因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分
和定量指标两种方法确定。
bR
岩石类别 单轴饱和抗压极限强度
(MPa) 代 表 性 岩 石
硬
质
岩
极硬岩 ＞ 60 花岗岩, 闪长岩, 玄武岩等岩浆岩；
硅岩, 钙质胶结的砾岩及砂岩, 石灰岩, 白云岩
等沉积岩；
片麻岩, 石英岩, 大理岩, 板岩, 片岩等变质岩硬 岩 30～ 60
软
质
岩
较软岩 15～ 30
凝灰岩等喷出岩；
砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、炭质页岩、泥灰
岩、泥岩、煤等沉积岩；
云母片石或千枚岩等变质岩
软 岩 5～ 15
极软岩 ＜ 15
岩石坚硬程度划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩
和极软岩等 5类 （表 4-6）
表 4-6 岩石坚硬程度的划分
岩体完整程度划分为完整, 较完整, 较破碎, 破碎和极破
碎等 5类 (表 4-7)。
vK
vK
vK
完整程度 结 构 面 特 征 结构类型 岩体完整性指数
完 整 结构面 1～ 2组, 以构造型节理或层面为主, 密闭型 巨块状整体结构 ＞ 0.75
较完整
结构面 2～ 3组, 以构造型节理, 层面
为主, 裂隙多呈密闭型, 部分为微张
型, 少有充填物
块状结构 0.75≥ ＞ 0.55
较破碎
结构面一般为 3组, 以节理及风化裂
隙为主, 在断层附近受构造影响较大,
裂隙以微张型和张开型为主, 多有充
填物
层状结构、
块石碎石结构
0.55≥ ＞ 0.35
破 碎
结构面大于 3组, 多以风化型裂隙为
主, 在断层附近受构造作用影响大,
裂隙以张开型为主, 多有充填物
碎石角砾状结构 0.35≥ ＞ 0.15
极破碎
结构面杂乱无序, 在断层附近受断层
作用影响大, 宽张裂隙全为泥质或泥
夹岩屑充填, 充填物厚度大
散体状结构 ≤0.15
表 4-7
vK
vK
2,围岩基本分级
围岩
级别
岩 体 特 征 土 体 特 征 围岩弹性纵波
速度 (km/s)
Ⅰ 极硬岩, 岩体完整 - ＞ 4.5
Ⅱ 极硬岩, 岩体较完整；
硬岩, 岩体完整
- 3.5～ 4.5
Ⅲ 极硬岩, 岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层, 岩体较完整；
较软岩, 岩体完整
- 2.5～ 4.0
Ⅳ
极硬岩, 岩体破碎；
硬岩, 岩体较破碎或破碎；
较软岩或软硬岩互层, 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
具压密或成岩作用的粘性土,
粉土及砂类土, 一般钙质, 铁
质胶结的碎 (卵 )石土, 大块石土,
黄土 (Q1,Q2)
1.5～ 3.0
Ⅴ 软岩, 岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩 (包括受
构造影响严重的破碎带 )
一般第四系坚硬, 硬塑粘性土,
稍密及以上, 稍湿, 潮湿的碎
(卵 )石土, 圆砾土, 角砾土, 粉
土及黄土 (Q3,Q4)
1.0～ 2.0
Ⅵ 受构造影响很严重呈碎石, 角砾及粉
末, 泥土状的断层带
软塑状粘性土, 饱和的粉土,
砂类土等
＜ 1.0(饱和状态
的土＜ 1.5)
根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为 6级 (见下表 )。
㈡ 围岩分级的影响因素及分级的修正
1,地下水
在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的, 在同级围
岩中, 遇水后则适当降低围岩级别 。 降低的幅度主要视：
① 围岩的岩性及结构面的状态； ② 地下水的性质, 大小,
流通条件及对围岩浸润状况和危害程度而定 。 本围岩分级
中关于地下水影响的修正参照表 4-9和表 4-10。
级别 状态 渗水量[L/(min·10m)]
Ⅰ 干燥或湿润 ＜ 10
Ⅱ 偶有渗水 10～ 25
Ⅲ 经常渗水 25～ 125
表 4-9 地下水状态的分级
围岩级别
地下水状态级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ -
Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅳ Ⅴ Ⅵ -
Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ -
表 4-10 地下水影响的修正
2,初始应力场
围岩的初始应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定
影响的 。 因此, 围岩分级中考虑了初始应力状态的影响, 将
初始应力场采取修正系数的方法, 对围岩级别予以降级 (表 4-
11和表 4-12)。
max?bR初始地应 力状态 主 要 现 象 评估基准( )
极高应力
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
＜ 4软质岩：岩心常有饼化现象, 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, 持续时间长, 不
易成洞
高应力
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, 新生裂缝较多, 成洞性较差
4～ 7
软质岩：岩心时有饼化现象, 开挖过程中洞壁岩体位移
显著, 持续时间长, 成洞性差
围岩级别
初始地应力状态 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
极高应力 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 或 Ⅳ Ⅴ Ⅵ
高应力 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 或 Ⅴ Ⅵ
表 4-11 初始地应力状态评估
表 4-12 初始地应力影响的修正
第一节 概 述
地面结构体系一般都是由结构和地基所组成，地基在
结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部，
（图 4-1a）。地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成
共同并相互作用的结构体系，即 地下结构＝支护结构＋周
边围岩 ；地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本
身 — 地层，故称为 地层压力 或 围岩压力 。
在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成部
分，又是造成荷载的主要来源 (图 4-1b)，这种合二为一的作
用机理与地面结构是完全不同的。
(a) 地面结构 (b)地下结构
图 4-1 结构物与地层关系
地层被挖成隧道后的稳定程度称为 隧道围岩的稳定性,
这是一个反映地质环境的综合指标 。 所以说, 研究隧道工程地
质环境问题, 归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题, 它包
括隧道围岩破坏或稳定的规律, 影响围岩稳定的主要因素, 标
志围岩稳定性的指标和判断准则, 分析围岩稳定性的方法以及
为维护围岩稳定而必须采取的工程措施 (如施工程序和方法,
支护结构的类型, 数量和架设时间等 )。
第二节 围岩的工程性质
隧道围岩 是指地壳中受隧道开挖影响的那一部分岩体，
或是指对隧道稳定性有影响的那一部分岩体。这部分岩体
在隧道开挖和支护过程中，将产生应力重新分布，其性质
也有所变化。
一, 岩体的变形特性
1,压密阶段 (OA)
2,弹性阶段 (AB)
3,塑性阶段 (BC)
4,破裂和破坏阶段 (CD)
?
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A
B
C
岩体
岩石
软弱结构面
0
图 4-2 典型岩体全应力 — 应变曲线
二, 循环荷载作用下岩体的变形特性
对于弹性材料, 其加载和卸
载曲线相同 。
岩体属于非线性材料，如果
卸载点超过了其屈服点，则卸载
曲线和加载曲线不重合，形成 塑
性回滞环 。如果经过多次反复加
载与卸载，且每次施加的最大荷
载与第一次加载的最大荷载一样，
则每次加载、卸载曲线都各自形
成一个塑性回滞环，如图 4-3所示 。
图 4-3 岩体加、卸载曲线
三, 岩体的强度
岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具有明显的各向
异性。 一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石抗压强度的
70～ 80％，结构面发育的岩体，仅有 5～ 10％。 和抗压强度一
样，岩体的抗剪强度主要也是取决于岩体内结构面的性态，
包括岩体的力学性质、充填状况、产状、分布和规模等；同
时还受剪切破坏方式所制约。
四, 岩体的构造 — 力学特性
岩体是由下述几部分构成的：
a) 不同尺寸和类型的岩块；
b) 结构面；
c) 岩块间的充填物 。
从岩体构造 — 力学特性上看，大体上可分为 无裂隙岩
体 和 裂隙岩体 两大类。地下工程在多数情况下是修筑在裂
隙岩体中的。裂隙岩体的地质构造特征是结构面的存在。
岩石只是岩体构成的一部分, 它的性质不能代表岩体
的物性, 这一点是必须明确的 。 由上述条件决定的岩体构
造－力学特性是它的 非连续性, 非均质性, 各向异性和突
变性 。
五, 岩体的破坏准则
理论和试验研究都表明, 多数岩石在初始应力状态下
处于弹性阶段, 而在开挖成洞后, 洞室周围岩体将产生松弛
或进入塑性状态 。
弹塑性模型的基本概念是认为岩石在屈服极限之前, 只
有可恢复的弹性变形, 达到屈服极限以后, 变形由可恢复的
弹性变形 和不可恢复的 永久变形 (塑性变形 )两部分组成, 弹
性变形按弹性理论计算, 塑性变形按塑性理论计算 。
材料随着外力的增加由弹性状态过渡到塑性状态 。 当应
力的数值等于屈服极限 时, 材料屈服, 开始产生塑性变形,
而 就是单向应力状态下的屈服条件, 也称作, 塑性条
件,, 它是判断是否达到塑性状态的准则 。
目前, 在实际设计中, 采用最多的是 摩尔 — 库仑破坏准
则 。 图 4-4表示受到主应力 ( > )作用时, 材料屈服的应力圆 。
c?
c?? ?
1? 3?
σ C
σ
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σ 1
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由图可知
x2s in 31
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图 4-4 材料强度包络线及应力圆
格里非斯 认为，内部有裂隙的材料，在裂隙的尖端部位将引起
应力集中，从而导致材料强度的降低。当拉应力集中值超过材
料的抗拉强度时，裂隙就会扩展，从而导致岩石破坏。为了计
算应力集中值，将这些裂隙假定为很小的扁平椭圆裂纹，按平
面状态破坏理论处理，如图 4-5所示 。
图 4-5 格里非斯准则
除了上述准则外，尚有许多其他的
破坏准则，如 Mises准则,Drucker-
Prager准则等 。
六, 岩体的流变特性
流变包括两方面：一种是指作用的应力不变, 而应变
随时间增长, 即所谓 蠕变 ；另一种则是作用的应变不变,
而应力随时间而衰减, 即所谓 松弛, 如图 4-6所示 。
图 4-6 岩体的流变
七, 岩体结构分类及其破坏特征
工程地质学中把岩体划分为四大种结构类型：
Ⅰ,整体结构, 块状结构
Ⅱ,层状结构, 板状结构
Ⅲ,碎裂结构, 镶嵌结构, 层状碎裂结构
Ⅳ,散体结构
整体结构岩体的变形主要是结构体的变形,块状和层状结构
岩体的变形主要是结构面的变形，碎裂和散体结构岩体的变
形，开始是将裂隙或孔隙压密，随后是结构体变形，并伴随
有结构面张开。破坏形式主要为 剪切破裂 和 塑性变形。
八, 隧道围岩失稳破坏性态
隧道围岩变形, 破坏和岩体结构的关系十分密切, 根据工程
实践观察, 大致有以下五种情况：
1,脆性破裂
2,块状运动
3,弯曲折断破坏
4、松动解脱
5,塑性变形和剪切破坏
第三节 围岩的初始应力场
一, 围岩初始应力场的组成
(一 )自重应力场
在自重应力场中, 地表以下任一深度 H处的垂直应力等
与其上覆岩体的重量 (如图 4-7,a所示 )
Hz ?? ?
以压应力为正, 为岩体的容重
当上覆岩体为多层时, 则为 (图 4-7,b)
?
?
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H
1
??
式中 — 第 i 层岩体的容重
— 第 i 层岩体的厚度
i?
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图 4-7 地表水平时的自重应力场
围岩自重应力场的变化规律
? 应力是随深度成线性增加
? 水平应力总是小于垂直应力, 最多也只能与其相等
(二 )构造应力场
地质力学认为：地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地
应力作用的结果 。 因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成
过程中的应力状态称为 构造应力场 。
我国大陆初始应力场 (包括自重应力场和构造应力场 )的变化
规律大致可以归纳为如下几点：
① 地质构造形态不仅改变了重力应力场, 而且除以各种构造
形态获得释放外, 还以各种形式积蓄在岩体内, 这种残余构造应
力将对地下工程产生重大影响 。
② 垂直应力的量值随深度增加而增大, 而且水平应力普遍大
于垂直应力 。
③ 水平主应力具有明显的各向异性。
二, 围岩初始应力场的影响因素
围岩的初始应力状态, 一般受到两类因素的影响：
第一类因素有重力, 温度, 岩体的物理力学性质及构
造, 地形等经常性的因素 。
第二类因素有地壳运动, 地下水活动, 人类的长期活
动等暂时性的或局部性的因素；
此外, 在众多的因素中还要特别研究下面几点：
1、地形和地貌。
2、岩体的力学性质。
3、地温。
4、人类活动。
第四节 隧道围岩分级及其应用
根据坑道开挖实践, 坑道开挖后的稳定性可分为以下几类：
1)充分稳定的
坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护
而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。
2)基本稳定的
坑道会因爆破, 岩块结合松弛等而产生局部掉块, 但不
会引起坑道的坍塌, 坑道是稳定的 。
3)暂时稳定的
大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同
程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。
4)不稳定的
一, 以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法
在这种分级方法中，具有代表性的是前苏联普落托奇雅
柯诺夫 (M.Jipoctonbn Monos)教授提出的,岩石坚固系数”分
级法 (或称,, 值分级法，或普氏分级法 )。这种分级方法在
我国的隧道工程中得到了广泛的应用。
我国工程部门在将值分级法应用到隧道工程的设计、施工
时，已注意到必须考虑岩体的地质构造、风化程度、地下水状
况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的值适当降低,
即：
式中 值是由岩石强度决定的,是考虑地质条件的折减
系数，一般情况下,＜ 1.0。
岩石岩体 fKf ??
岩石f K
K
f
二, 以岩体构造, 岩性特征为代表的分级方法
60年代, 我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上,
提出了以岩体综合物性指标为基础的, 岩体综合分级法,,
并于 1975年经修正后被我国, 铁路工程技术规范 (隧道 )” 所采
用 。 该分级法将隧道围岩分为 6级 。
这类方法的 优点 是正确地考虑了地质构造特征, 风化状
况, 地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响, 并建
议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法 。 此外, 这种分
级法最早考虑了埋深对围岩级别的影响 。 其 缺点 是分类指标
还缺乏定量描述, 没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法,
在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定 。
三, 与地质勘探手段相联系的分级方法
围岩弹性波速度是判断岩性, 岩体结构的综合指标, 它既
可以反映岩石软硬, 又可以表达岩体结构的破碎程度 。 因此,
在弹性波速度基础上, 综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素
(岩性, 风化程度, 破碎状态, 含水及涌水状态等 ),将围岩分
为 7级 。
我国 1986年施行的, 铁路隧道设计规范, 中将弹性波 (纵
波 )速度引入隧道围岩分级中, 将围岩分为 6级 (表 4-4)。
围岩类
别 Ⅵ Ⅴ Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ
弹性波
速
(km/s)
＞ 4.5 3.5～4.5 2.5～4.0 1.5～3.0 1.0～2.0
＜ 1.0
(饱和土＜
1.5)
表 4-4 弹性波 (纵波 )速度分级
四, 以多种因素进行组合的分级方法
这种分级法认为, 评价一种岩体的好坏, 既要考虑地
质构造, 岩性, 岩石强度, 还要考虑施工因素, 如掘进方
向与岩层之间的关系, 开挖断面的大小等, 因此就需要建
立在多种因素的分析基础之上 。
在这类分级法中, 比较完善的是 1974年挪威地质学家
巴顿 (N.Barton)等人所提出的, 岩体质量 — Q” 分级法 。 Q
与六个表明岩体质量的地质参数有关, 表达如下：
S R F
J
J
J
J
R Q DQ w
a
r
h
???
根据不同的 Q值, 将岩体质量评为九等, 详见表 4-5。
岩
体
质
量
特别
好 极好 良好 好 中等 不良 坏 极坏
特别
坏
Q 400～1000 100～400 40～100 10～40 4～ 10 1～ 4 0.1～1 0.01～ 0.1
0.001
～
0.01
表 4-5 岩体质量评估
五, 以工程对象为代表的分级法
这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的
围岩分级法 (1979年 ),苏联在巴库修建地下铁道时所采用的
围岩分级法 (1966年 )等, 优点是目的明确, 而且和支护尺寸
直接挂钩, 因此, 使用方便, 对指导施工很起作用 。
六, 我国现行铁路隧道围岩分级
在 1975年铁道部颁布了以围岩结构特征和完整状态为分
类基础的新的铁路隧道围岩稳定性分级法，它总结了我国建
国以来在修建铁路隧道中使用值分级法所积累的经验，并参
考了国内外有关围岩分级成果。
㈠ 围岩分级的基本因素及围岩基本分级
1,围岩分级的基本因素
围岩基本分级应由 岩石坚硬程度 和 岩体完整程度 两个基
本因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分
和定量指标两种方法确定。
bR
岩石类别 单轴饱和抗压极限强度
(MPa) 代 表 性 岩 石
硬
质
岩
极硬岩 ＞ 60 花岗岩, 闪长岩, 玄武岩等岩浆岩；
硅岩, 钙质胶结的砾岩及砂岩, 石灰岩, 白云岩
等沉积岩；
片麻岩, 石英岩, 大理岩, 板岩, 片岩等变质岩硬 岩 30～ 60
软
质
岩
较软岩 15～ 30
凝灰岩等喷出岩；
砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、炭质页岩、泥灰
岩、泥岩、煤等沉积岩；
云母片石或千枚岩等变质岩
软 岩 5～ 15
极软岩 ＜ 15
岩石坚硬程度划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩
和极软岩等 5类 （表 4-6）
表 4-6 岩石坚硬程度的划分
岩体完整程度划分为完整, 较完整, 较破碎, 破碎和极破
碎等 5类 (表 4-7)。
vK
vK
vK
完整程度 结 构 面 特 征 结构类型 岩体完整性指数
完 整 结构面 1～ 2组, 以构造型节理或层面为主, 密闭型 巨块状整体结构 ＞ 0.75
较完整
结构面 2～ 3组, 以构造型节理, 层面
为主, 裂隙多呈密闭型, 部分为微张
型, 少有充填物
块状结构 0.75≥ ＞ 0.55
较破碎
结构面一般为 3组, 以节理及风化裂
隙为主, 在断层附近受构造影响较大,
裂隙以微张型和张开型为主, 多有充
填物
层状结构、
块石碎石结构
0.55≥ ＞ 0.35
破 碎
结构面大于 3组, 多以风化型裂隙为
主, 在断层附近受构造作用影响大,
裂隙以张开型为主, 多有充填物
碎石角砾状结构 0.35≥ ＞ 0.15
极破碎
结构面杂乱无序, 在断层附近受断层
作用影响大, 宽张裂隙全为泥质或泥
夹岩屑充填, 充填物厚度大
散体状结构 ≤0.15
表 4-7
vK
vK
2,围岩基本分级
围岩
级别
岩 体 特 征 土 体 特 征 围岩弹性纵波
速度 (km/s)
Ⅰ 极硬岩, 岩体完整 - ＞ 4.5
Ⅱ 极硬岩, 岩体较完整；
硬岩, 岩体完整
- 3.5～ 4.5
Ⅲ 极硬岩, 岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层, 岩体较完整；
较软岩, 岩体完整
- 2.5～ 4.0
Ⅳ
极硬岩, 岩体破碎；
硬岩, 岩体较破碎或破碎；
较软岩或软硬岩互层, 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
具压密或成岩作用的粘性土,
粉土及砂类土, 一般钙质, 铁
质胶结的碎 (卵 )石土, 大块石土,
黄土 (Q1,Q2)
1.5～ 3.0
Ⅴ 软岩, 岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩 (包括受
构造影响严重的破碎带 )
一般第四系坚硬, 硬塑粘性土,
稍密及以上, 稍湿, 潮湿的碎
(卵 )石土, 圆砾土, 角砾土, 粉
土及黄土 (Q3,Q4)
1.0～ 2.0
Ⅵ 受构造影响很严重呈碎石, 角砾及粉
末, 泥土状的断层带
软塑状粘性土, 饱和的粉土,
砂类土等
＜ 1.0(饱和状态
的土＜ 1.5)
根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为 6级 (见下表 )。
㈡ 围岩分级的影响因素及分级的修正
1,地下水
在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的, 在同级围
岩中, 遇水后则适当降低围岩级别 。 降低的幅度主要视：
① 围岩的岩性及结构面的状态； ② 地下水的性质, 大小,
流通条件及对围岩浸润状况和危害程度而定 。 本围岩分级
中关于地下水影响的修正参照表 4-9和表 4-10。
级别 状态 渗水量[L/(min·10m)]
Ⅰ 干燥或湿润 ＜ 10
Ⅱ 偶有渗水 10～ 25
Ⅲ 经常渗水 25～ 125
表 4-9 地下水状态的分级
围岩级别
地下水状态级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ -
Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅳ Ⅴ Ⅵ -
Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ -
表 4-10 地下水影响的修正
2,初始应力场
围岩的初始应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定
影响的 。 因此, 围岩分级中考虑了初始应力状态的影响, 将
初始应力场采取修正系数的方法, 对围岩级别予以降级 (表 4-
11和表 4-12)。
max?bR初始地应 力状态 主 要 现 象 评估基准( )
极高应力
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
＜ 4软质岩：岩心常有饼化现象, 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, 持续时间长, 不
易成洞
高应力
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, 新生裂缝较多, 成洞性较差
4～ 7
软质岩：岩心时有饼化现象, 开挖过程中洞壁岩体位移
显著, 持续时间长, 成洞性差
围岩级别
初始地应力状态 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
极高应力 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 或 Ⅳ Ⅴ Ⅵ
高应力 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 或 Ⅴ Ⅵ
表 4-11 初始地应力状态评估
表 4-12 初始地应力影响的修正
