公路隧道岩质和土质围岩统一亚级分级标准研究

第31卷第2期岩土力学Vol.31No.22010年2月RockandSoilMechanicsFeb.2010收稿日期：2008-11-07基金项目：交通部西部交通建设科技项目（No.2004-318-00030）。第一作者简介：王明年，1965年生，博士，男，教授，主要从事隧道及地下工程教学与科研工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2010)02－0547－06公路隧道岩质和土质围岩统一亚级分级标准研究王明年1，陈炜韬2，刘大刚1，童建军1（1.西南交通大学土木工程学院，成都610031；2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都610072）摘要：目前实施的《公路隧道设计规范》（JTGD70－2004）对土质围岩分级、围岩亚级分级方法都没有进行研究，因此，不能满足隧道设计和施工的要求。通过对岩质围岩和土质围岩自稳性的大量室内试验、数值计算和理论分析，建立了公路隧道岩质围岩和土质围岩统一的亚级分级标准。研究结果显示：围岩自稳跨度是围岩自稳性的综合反映，围岩自稳跨度可分为长期稳定跨度、基本稳定跨度、暂时稳定跨度和不稳定跨度。研究表明，规范中岩质围岩的Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级分别依据自稳跨度可分为2个、3个和2个亚级；土质围岩尽管分为黏质土围岩、砂质土围岩及碎石土围岩，但按照各自的自稳跨度可以分别进行亚级划分。可见，以自稳跨度可以建立岩质围岩和土质围岩统一的亚级分级标准。关键词：公路隧道；亚级分级；自稳跨度中图分类号：U451文献标识码：AStudyofunifiedstandardofrockyandsoilsurroundingrocksub-classificationinroadtunnelsWANGMing-nian1,CHENWei-tao2,LIUDa-gang1,TONGJian-jun1(1.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.HydroChinaChengduEngineeringCorporationCHIDI,Chengdu610072,China)Abstract:TheimplementaryCodeforDesignofRoadTunnel(JTGD70－2004)can’tsatisfytherequirementofdesignandconstructionsometimesduetonostudyofsoilsurroundingrockclassificationandsub-classificationmethods.Afterascertainingthebuildingfoundationofsurroundingrocksub-classificationstandardinroadtunnel,ithadbeenconstitutedthroughlotsoftest,numericalcalculationandtheoreticalanalysis.Theresearchesshowthatself-stabilityspanissyntheticalreflectionofsurroundingrockstability,sosub-classificationstandardcanbeconstitutedbasedonit.Surroundingrockself-stabilityspancandivideintolong-termstabilityspan,basicstabilityspan,temporarystabilityspanandinstabilityspan.ⅢclassofRockysurroundingrockincriterioncandivideintotwosub-classificationaccordingassurroundingrockstability,threeforⅣclassandtwoforⅤclass.Thoughsoilsurroundingrockincludeclayeysurroundingrock,sandysurroundingrockanddebrissurroundingrock,theirstabilitycanbeunified.Theuniformstandardofrockyandsoilsurroundingrocksub-classificationbuiltbyself-stabilityspanhasrationalityandinheritance.Keywords:roadtunnel;surroundingrocksub-classification;self-stabilityspan1引言根据宏观、微观特征及表现的力学特征，隧道围岩可以分为岩质围岩和土质围岩，针对这两类围岩的分级研究，国内外已有上百种方法[1－3]，并且呈单一岩性指标→单一综合岩性指标→综合岩性指标→考虑围岩稳定性的发展[3－4]。在这些分级方法中，大部分选取了一些能综合反映围岩特性的指标，并建立了岩质围岩和土质围岩统一的分级标准。如我国的铁路、公路隧道围岩分级以自稳性（自稳跨度、塌方情况等）指标建立了围岩级别的统一分级标准[5－6]；普氏分级、法国隧道协会（AFTES）推荐分级等方法根据坚固性系数f建立了分级标准；劳菲尔分级方法以隧道自稳时间进行了分级标准研究，并将围岩分为7个等级[3]；日本国铁则以弹性波速、围压比建立了统一的分级标准。而其他国外分级方法，如Q法、RMR法、太沙基法、RSR法、SRC[7]及国内工程岩体分级方法岩土力学2010年等[8]，由于没有对土质围岩分级进行研究，故没有建立两类围岩统一分级标准。目前，由于《公路隧道设计规范》[6]没有围岩亚级分级方法，因此，在实际隧道施工中，当围岩级别仅需调整半级或更少级别时，由于规范没有给出亚级分级方法，故不得不按一级调整，从而造成浪费[9]。因此，本文在交通部西部交通建设科技项目——《公路隧道围岩分级指标体系与动态分类方法研究》[1]基础上，阐述了建立统一亚级分级标准的思路，并据此建立了公路隧道岩质围岩和土质围岩统一亚级分级的理论标准和实用标准。2亚级分级标准研究思路由于隧道所处围岩有岩质和土质之分，千差万别，种类繁多。因此，必须根据围岩分级的目的，制定出统一的围岩分级标准，这样才能保证各种类型的围岩在分级上保持一致。可见，统一的分级标准是围岩分级中必须解决的重要问题之一；同时，分级标准必须反映隧道围岩本质特性。为了满足隧道钻眼、爆破、开挖、支护等要求，围岩可以分别根据稳定性、可钻性、爆破性等单项进行分级，也可根据这些特性进行综合分级。对于矿山法施工的隧道，围岩稳定性是级别划分的主要依据；同时，为了反映对《公路隧道设计规范》[6]中围岩分级的继承性，本次研究选取围岩自稳性为统一亚级分级标准的建立依据。围岩稳定性一般在洞室的形状和尺寸相对固定的条件下，可以分为长期稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定4个等级[3]。由于围岩的各稳定性等级都有相应的稳定跨度，故围岩自稳跨度是围岩稳定性的综合反映。因此，可以根据围岩自稳跨度制定统一的围岩亚级分级标准。根据围岩稳定性等级划分，自稳跨度可以分为4类：长期稳定跨度、基本稳定跨度、暂时稳定跨度、不稳定跨度。对于复杂的围岩，要获得所有围岩稳定性是十分困难的，也是不现实的，为此，结合前人的研究成果，首先将围岩分为土质围岩和岩质围岩，然后分别研究获得各自亚级的稳定性跨度。对于土质围岩，要穷尽其所有的稳定性也是不现实的。根据研究成果表明[10]，影响土质围岩稳定性只有有限的几个主要因素，即土质围岩分级指标体系。因此，可以采用土质围岩分级指标体系中不同指标值的组合，来获得所有的土质围岩稳定性。根据这一观点，可以首先采用大量的小试件试验，研究土质围岩分级指标体系中各指标值的变化对土质围岩稳定性的影响，从而对土质围岩各指标值进行分组。对每一组土质围岩进行模型试验和数值分析，获得其自稳跨度，由此确定每一组土质围岩稳定性。对于岩质围岩，研究思路同土质围岩。目前，《公路隧道设计规范》[6]已经给出了岩质围岩分级指标体系中各指标值的变化对岩质围岩稳定性的影响，并根据这一影响，将岩质围岩进行了分级。实际上每一级围岩都包含了若干种不同指标值的组合。本次研究就是要对每一级岩质围岩中的各种不同指标值的组合进行数值试验，并结合相似模型试验，获得其自稳跨度。由此，获得每一级岩质围岩稳定性。根据岩质围岩和土质围岩自稳跨度制定出统一的围岩亚级分级标准。3围岩自稳性研究依据《公路隧道设计规范》[6]中公路隧道围岩分级，由于Ⅰ、Ⅱ级围岩对应的组合较为简单，稳定性较好，所以没有必要再进行细化分析。因此，细化分组的主要对象是针对较为复杂的Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩，分别通过数值计算和模型试验对岩质围岩和土质围岩的稳性进行了研究。关于计算和试验的分组分类及参数参见文献[11]。3.1岩质围岩自稳性研究（1）数值计算采用离散元方法，数值计算组合的确定是依据《公路隧道设计规范》[6]中公路隧道围岩分级表（表4－3）、岩体完整程度的定性划分表（表3－12）、结构面发育程度分级表（表3－8）以及《铁路隧道设计规范》[5]中围岩分级表（表4－4），计算模型图见图1（图中斜线表示结构面，曲线为隧道开挖轮廓线）。据此，Ⅲ级岩质围岩共有4类组合，Ⅳ级岩质围岩共有4类组合，Ⅴ级岩质围岩共有3类组合，参见文献[11]。数值计算结果见图2～4。图1计算模型示意图Fig.1Sketchmapofnumerationmodel45°548第2期王明年等：公路隧道岩质和土质围岩统一亚级分级标准研究图2Ⅲ级围岩稳定性曲线Fig.2StabilitycurvesofⅢgradesurroundingrock图3Ⅳ级围岩稳定性曲线Fig.3StabilitycurvesofⅣgradesurroundingrock图4V级围岩稳定性曲线Fig.4StabilitycurvesofVgradesurroundingrock从图2中可以看出，Ⅲ级围岩稳定性曲线明显呈两个相对集中区域。对每一区域内围岩稳定性进行分析，可见：①每种组合随着开挖跨度的增加，稳定性曲线有4个阶段组成，即由基本稳定，发展到小塌方，再发展到中塌方，最后发展到大塌方；②根据Ⅲ级围岩自稳跨度曲线分布特点，可以分为两组，每组围岩稳定性情况见表1。表1Ⅲ级围岩稳定性分组Table1StabilitygroupingofⅢgradesurroundingrock组别稳定性1跨度大于18m，可发生中～大塌方；跨度10～18m，可暂时稳定，可发生小～中塌方；跨度小于10m，基本稳定。2跨度大于14m，发生中～大塌方；跨度7～14m，可暂时稳定，可发生小～中塌方；跨度小于7m，基本稳定。从图3中可以看出，Ⅳ级围岩稳定性曲线明显呈3个相对集中的区域。对每一区域内围岩稳定性进行分析，可见：①Ⅳ级围岩自稳跨度曲线的3个区域分别代表了3种不同的破坏模式。第1种破坏模式，随着开挖跨度的增加，稳定性曲线由4个阶段组成，即由基本稳定发展到小塌方，再发展到中塌方，最后发展到大塌方；第2种破坏模式，随着开挖跨度的增加，稳定性曲线由基本稳定迅速发展到中塌方，最后发展到大塌方；第3种破坏模式，随着开挖跨度的增加，稳定性曲线由基本稳定迅速发展到大塌方。②根据这3种破坏模式，可将Ⅳ级围岩自稳性分为3个组，每组围岩稳定性情况见表2。表2Ⅳ级围岩稳定性分组Table2StabilitygroupingofⅣgradesurroundingrock组别稳定性1跨度大于9m，可发生中～大塌方；跨度7～9m，暂时稳定，可发生小塌方；跨度小于7m，可基本稳定。2跨度大于7m，可发生中～大塌方；跨度6～7m，暂时稳定，可发生小塌方；跨度小于6m，可稳定。3跨度大于或等于5m，可暂时稳定～不稳定，可直接发生中～大塌方；跨度小于5m，