隧道围岩分级及其应用

第三节s隧道围岩分级及其应用隧道围岩分级是正确进行隧道设计与施工的基础。一个合理的、符合地下工程实际情况的围岩分级，对于改善地下结构设计、发展新的隧道施工工艺、降低工程造价、多快好省地修建隧道有着十分重要的意义。近年来，由于各种类型地下工程的大量修建，隧道围岩分级的研究也得到了很大的发展，出现了各种各样不同的围岩分类；但都是为一定的工程目的服务的。如提供选择施工方法的根据和开挖的难易程度，确定结构上的荷载或给出隧道临时支撑与衬砌结构的类型和参考尺寸等。人们对围岩及其自然规律的认识是不断深化的，因此，对围岩分类也有一个发展过程。在早期，从国外情况来看，如日本，最初主要借用适合于土石方工程的“国铁土石分类”来进行隧道的设计与施工，主要是根据开挖岩（土）体的难易程度（强度）来划分的。前苏联在很长的时期内采用以岩石的坚固性来分类，采用一个综合注的指标f值，称为岩石坚固性系数。理论上坚固性是岩体抵抗任何外力作用及其造成破坏的能力，不同于强度和硬度，而实际上只反映岩石抗压强度的性能，很少考虏岩体的构造特征。在英、美等国，主要沿用泰沙基（K，Terzaghi）提出的分级法，其中考虑到一些岩体的构造和岩性等影响，比较好地反映隧道围岩的稳定状况。目前美国也有用岩石质量指标（RQD）或隧道围岩在不支护条件下，暂时稳定的时间作为分级依据。我国五十年代初期，铁路隧道围岩分级，基本上是沿用解放前的以岩石极限抗压强度与岩石天然容重为基础，这种分级仅运用上石方工程的土石分级法，没有适合隧道围岩的专门分类，只是把隧道围岩分为坚石、次坚石、松石及土质四类。以后，借用苏联的岩石坚固系数进行分类，即通常所谓的普氏系数（f值）。在长期大量的地下工程实践中发现：这种单纯以岩石坚固性（主要是强度）指标为基础的分类方法，不能全面反映隧道围岩的实际状态。逐渐认识到：隧道的破坏，主要取决于围岩的稳定性，而影响围岩稳定性的因素是多方面的，其中隧道围岩结构特征和完整状态，是影响围岩稳定性的主要因素。隧道围岩体的强度，对隧道的稳定性有着重要的影响，地下水、风化程度也是隧道围岩丧失稳定性的重要原因。从围岩的稳定性出发，1975年编制了我国“铁路隧道围岩分类”，这个分类由稳定到不稳定共分六类，代替了多年沿用的从岩石坚固性系数来分级的方法。我国公路隧道围岩分级起步较晚，随着我国经济的发展，公路交通得到较大的发展，大量的公路隧道修建，需要有一个适合我国工期的公路隧道围岩分级，于1990年，根据我国铁路隧道的围岩分级为基础，编制了我国“公路隧道围岩分级”。从国外围岩分级的发展趋势看，围岩分级主要以隧道稳定性分级为主，且从对岩石的分级逐渐演变到对岩体的分级；从按单参数分级转变到按多参数分级，并逐渐向多参数组成的综合指标法演变；从经验性很强的分级逐步过渡到半经验、半定量分级和定量化分级，并将围岩分级与岩体力学的发展相联系，随着岩体力学的发展，这一趋势更为明显。在多参数综合分级法中，基本采用和差法或积商法。围岩分级方法是随着地质勘查方法的进步而快速发展的。围岩分级方法与隧道结构设计标准化、施工方法规范化的联系越来越密切。土质围岩分级方法逐步与岩质围岩分级方法分离，将会形成专门土质围岩分级方法。从国内围岩分级的发展趋势看，从1975年以后，我国隧道围岩分级方法的发展基本与国际同步，主要以隧道稳定性进行分级，并在已颁布的国标和部标中体现了这一成果。此外，我国隧道围岩分级中更加重视施工阶段围岩级别的修正，即根据施工阶段获得的围岩分级信息对设计阶段的预分级进行修正。我国隧道围岩分级方法主要采用两个步骤：第一步以基本指标进行基本分级；第二步用修正指标对基本级别进行修正，最终获得修正后的围岩级别。我国岩质围岩分级方法主要采用定量和定性相结合的办法；土质围岩采用定性分级方法，分级指标采用描述性语言。我国隧道围岩分级主要分为六级，其中岩质围岩为Ⅰ-Ⅴ级，土质围岩Ⅳ-Ⅵ级。但与国际上有重要影响的围岩分级方法比，分级级数偏少。除铁路隧道围岩分级方法与隧道结构设计标准化、施工方法规范化的联系较紧密外，其它国标和部标中，围岩分级方法与隧道结构设计标准化、施工方法规范化的联系还不够紧密。一、隧道围岩分级的因素指标及其选择围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素，大体有以下几种：1．单一的岩性指标一般有岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量等物理力学参数；岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。在一些特定的分级中，如确定钻眼功效、炸药消耗量等，土石方工程中划分岩石的软硬、开挖的难易，均可采用岩石的单一岩性指标进行分级。一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级指标，具有试验简单，数据可靠的优点。但单一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，用来作为分级的唯一指标是不合适的。如老黄土地层，在无水的条件下，强度虽然低，但稳定性却很高。2．单一的综合岩性指标以单一的指标，反映岩体的综合因素。这些指标包括：（1）岩体的弹性波传播速度弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比，其指标反映了岩石的力学性质和岩体的软硬、破碎程度的综合因素。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4-2)。表4-2弹性波(纵波)速度分级围岩类别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ弹性波速(km/s)＞4.53.5～4.52.5～4.01.5～3.01.0～2.0＜1.0(饱和土＜1.5)（2）岩石质量指标（RQD）是综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率。钻探时岩芯的采取率、岩芯的平均和最大长度是受岩体原始的裂隙、硬度、均质性的影响的，岩体质量的好坏主要取决于岩芯采取长度小于10cm以下的细小岩块所占的比例。因此，岩芯采取率是以单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例来判断的。即RQD（％）＝10cm以上岩芯累计长度×100（4-8）单位钻孔长度岩石质量指标分级认为：RQD90％为优质；75％RQD90％为良好；50％RQD75％为好；25％RQD50％为差；RQD25％为很差。（3）围岩的自稳时间围岩自稳时间也被认为是综合岩性指标。隧道开挖后，围岩通常都有一段暂时稳定的时间，不同的地质环境，自稳时间是不同的，劳费（H.Lauffer）认为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示：ts=常数×L－(1＋α)（4-9）式中：L—隧道未支护地段的长度(m)；α—视围岩情况在0～1之间变化，好的岩体可取α=0；极差的α=1。劳费（H.Lauffer）根据围岩的自稳时间和未支护地段的长度，将围岩分为：稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的七级。具体的取值标准可参考有关专著。单一综合岩性指标一般与地质勘察技术的水平有关，因此，其应用受到一定的限制。3.复合指标是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。（1）Q复合指标分级Q复合指标分级是巴顿（N.Barton）等人提出的岩体质量－Q指标，Q综合表达了岩体质量的六个地质参数，见下式：Q＝（RQD/Jh）(Jr/Ja)(Jw/SRF)（4-10）式中：RQD—岩石质量指标，其取值方法见式（4-8）；Jh—节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大，可参考下列经验数值；没有或很少节理，Jh＝0.5～1.0；两个节理组时，Jh＝4；破碎岩体时，Jh＝20。Jr—节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小，可参考下列经验数值；不连续节理，Jr＝4；平整光滑节理，Jr＝0.5等。Ja—节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大，可参考下列经验数值；节理面紧密结合，节理中填充物坚硬不软化，Ja＝0.75；节理中填充物是膨胀性粘土，如蒙脱土，Ja＝8～12等。Jw—节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，Jw取值愈小，可参考下列经验数值；微量渗水，水压0.1Mpa,Jw=1.0；渗水量大，水压特别高，持续时间长，Jw＝0.1～0.05等。SRF—应力折减系数，围岩初始应力愈高，SRF取值愈大。可参考下列经验数值；脆性而坚硬、有严重岩爆现象的岩石，SRF＝10～20；坚硬、有单一剪切带的岩石，SRF＝2.5。以上六个参数的详细说明和取值标准可参考有关专著。这六个地质参数表达了岩体的岩块大小（RQD/Jh）、岩块的抗剪强度（Jr/Ja）、作用应力（Jw/SRF）。因此，岩体质量Q实际上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力的复合指标。根据不同的Q值，岩体质量评为九级，见表4-3。表4-3岩体质量评估岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q400～1000100～40040～10010～404～101～40.1～10.001~0.10.001～0.01（2）RMR复合指标RMR复合指标由南非Z.T.Bieniiawski根据49个隧道案例的调查结果，于1973年提出，后又增加了多达300以上的工程案例对此指标进行了修正。它给出了一个总的岩体评分值RMR作为衡量岩体工程质量的“综合特征值”。它随岩体质量而从0递增到100。岩体的RMR值取决于五个通用参数和一个修正参数，这五个通用参数取决于岩石抗压强度R1、岩石质量指标R2(RQD)、节理间距R3、节理状态R4和地下水状态R5。修正参数取决于节理方向对工程的影响。把上述各个参数的岩体评分值相加就得到岩体的RMR值，即RMR=R1+R2+R3+R4+R5（4-11）根据RMR的值相应的可以将岩体分为五类，见表4-4。表4-4RMR岩体分类类别ⅠⅡⅢⅣⅤ岩体描述很好的岩石好的岩石较好的岩石较差的岩石很差的岩石RMR值81～10061～8041～6021～400～20（3）岩体基本质量指标该方法通过岩体的基本质量BQ来判断岩体质量。确定BQ需要两个指标:岩体单轴饱和(湿)抗压强度Rc和岩体完整性指数Kv。确定了Rc和Kv的值以后，可按下式计算岩体的基本质量指标，即BQ=90+3Rc+250Kv（4-12）在使用(4-12)式时，应遵守以下限制条件:当Rc90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30代入(4-12)式计算BQ值；当Kv0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4代入(4-12)式计算BQ值。在计算出BQ的值以后，可以根据表4-5对岩体基本质量进行分级。表4-5岩体基本质量分级基本质量级别ⅠⅡⅢⅣⅤ岩体基本质量的定性特征坚硬岩,岩体完整坚硬岩,岩体较完整;较坚硬岩,岩体完整坚硬岩,岩体较破碎;较软岩,岩体完整坚硬岩,岩体破碎;较坚硬岩,岩体较破碎～破碎较软岩,岩体破碎;软岩,岩体较破碎～破碎基本质量指标BQ550451～351550～451350～251250复合指标是考虑多种因素的影响，对判断隧道围岩的稳定性是比较合理可靠的，它可以根据工程对象的要求，选择不同的指标。但是，复合指标的定量数值，一般是通过试验、现场实测或凭经验确定的，带有较大的主观因素。通过以上分析，对隧道围岩的分级，首先应考虑选择的围岩稳定性有重大影响的主要因素，如岩石强度、岩体的完整性、地下水、地应力、结构面产状、以及他们的组合关系作为分级指标；其次选择测试设备比较简单、人为因素小、科学性较强的定量指标；在考虑分级指标要有一定的综合性，如复合指标等。总之，应有足够的实测资料为基础，能全面反映围岩的工程性质。二、隧道围岩分级的方法国内外隧道围岩分级的方法较多，所采用的指标也不同，但都是在隧道工程的实践基础上逐步建立起来的，随着人们对隧道工程、地质环境之间相互关系的认识和理解，其围岩分级方法也在逐步深化和提高。按照分级目的不同，有地质分级和工程分级。地质分级以其地质成因、矿物成分、结构构造和风化程度作为分类原则，一般用地质名称加风化程度来命名；而工程分级主要根据岩体的工程性状，以岩体稳定性或岩体质量评价为基础，使工程师建立起明确的工程特性概念，如RQD分级、RMR分级、Q分级等。按照分级的用途划分,有质量分级、稳定性分级、可钻性分级、爆破性分级等。按照不同行业各自的岩体工程特点和要求，有水利水电工程围岩分类、公路隧道围岩分类、铁路隧道围