黃龍山隧道圍巖分級方法研究

鄭曉碩 何 淼

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142； 2.中鐵一局天津建設工程有限公司,天津 300000)

巖體工程分級是通過對巖體各項測試指標的分析,結合工程地質條件和巖體力學性質參數,并借鑒已建工程設計、施工和處理等方面成功與失敗的經驗教訓,對巖體進行歸類的一種工作方法。其目的是通過分級,概括地反映各類工程巖體的質量好壞,預測可能出現的巖體力學問題，為工程設計、支護襯砌、建筑物選型和施工方法選擇等提供參數和依據。

以黃龍山隧道為例,探討了RMR法、Q指標法和《公路隧道規范》(JTG D70—2004)中的二級分級法在工程中的適用性。

1 工程地質概況

隧道區地處風化剝蝕殘坡積的壟崗地貌區,地貌單元屬剝蝕殘丘。黃龍山山體走向近東西向展布,地形起伏較小,地面高程在31.00～89.60 m之間,相對高差56.60 m,隧道軸線走向近南北向,與山體走向近正交,軸線經過處最大高程約89 m,最底高程約33 m,相對高差約56 m。

隧道區上覆殘坡積(Qel+dl)含碎石亞黏土、中更新統(Q2)沖洪積含碎石亞黏土、亞黏土,下伏基巖為石炭系中統黃龍組(C2h)灰巖，泥盆系上統五通組(D3w)石英砂巖，志留系中統墳頭組(S2f)泥巖、砂巖、頁巖互層。

區內地表水不發育。隧道進口處K3+100右側22 m有一水塘,水塘距隧道右洞僅3 m,接受大氣降水的補給,隧道底板高程低于水塘內水位。此處含礫亞黏土層雖具有較好的隔水作用,但土層仍具有一定的滲透性,塘內的水會滲透至隧道洞室內造成洞室滴水或滲水。隧道地下水主要為上層滯水、基巖裂隙水及巖溶裂隙水。該區域水文地質條件屬簡單類型。

隧道區不良地層主要為：膨脹土、軟弱夾層、人工堆積物。

2 圍巖分級方法應用研究

采用Q指標法、RMR法和《公路隧道設計規范》中介紹的二級分級法,通過對黃龍山隧道的工程地質情況進行詳細的分析研究,得出各種分級方法中的參數的詳細取值,最后得出三種方法各自的分級結果(如表1所示)。

3 圍巖分級方法評價

3.1 三種方法對于黃龍山隧道的適用性

(1)RMR分級

RMR分級方法主要考慮節理條件因素,同時對巖石強度和地下水因素進行分析,而忽略了地應力的影響。對于高應力地區,該圍巖分級方法不夠適用,而黃龍山隧道埋深淺,節理發育,地應力較低,RMR分級方法所側重考慮的因素都能在黃龍山隧道現場得到明顯的反映。因而本方法理論上適用于本隧道。

表1 黃龍山隧道圍巖分級結果

而RMR分級方法的不足之處主要在兩方面：一是對于RQD值的確定,RQD作為反映巖體完整性的一個重要指標,必須準確且具有代表性,而實際現場中根據鉆孔巖心所測得RQD值往往具有離散性大、精確度小等缺陷。原因在于：一方面巖體節理發育的不均一性和各向異性,造成不同地點、甚至同一地點的不同方向其RQD值都存在顯著的差異。另一方面,根據RQD定義,鉆孔巖心長度大于10 cm的巖心長度之和占鉆孔總長度的百分比。該定義中取界限值為10 cm存在很大爭議,對某些層狀巖體,如果其層間距普遍偏小于10 cm,當鉆孔方向垂直于巖層方向時,根據定義,RQD值為0,而實際巖體完整性很好。因此,對于10 cm這個界限值,應該采用較為科學合理的方法給予代替。同時,人為因素所產生的誤差也會對RQD的準確性產生影響。二是RMR分級方法十分重視巖體中結構面的因素,而對黃龍山隧道進出口段膨脹土巖體,無法對其指標進行定量的評價[1]。

(2)Q指標分級

Q指標分級對于結構面的考慮較RMR分級更為嚴格。它通過對于節理各方面因素的全面考慮,對巖體的完整性,結構面形態等做出詳細的分析，同時考慮了水與地應力等因素。它將各個單一因素通過數學公式結合到一起,更能反映出巖體的綜合性質，采用這種方法對類似于黃龍山隧道這樣的埋深淺,節理面發育的圍巖進行分級,可以得出較為理想的結果。

而其不足之處在于沒有考慮巖體的單軸抗壓強度,因而對其研究對象產生了很大的局限性。在考慮因素方面,除了RQD是對圍巖質量作出了定量判斷外,其余5個因素都是通過定性分析得出的結果。Q指標分級方法中很多指標的確定沒有和相應的地質測試手段聯系起來,在確定各項指標時,需要依靠經驗來判定。因此,在分級過程中,人的主觀因素就起了很大的作用,而降低了在分級計算過程中的客觀性。這對于分級結果的準確性會造成不利影響[2]。

(3)《公路隧道設計規范》分級

《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)中所介紹的二級分級法指出：巖體基本質量應由巖石的堅硬程度和巖體的完整程度決定,它通過定性劃分和定量確定兩種方法確定參數,然后結合地下水,軟弱結構面條件和地應力影響對初步分級結果進行修正。

結合該方法對黃龍山隧道工程地質特點,它的優點在于考慮因素比較全面,它不僅考慮了巖石的強度,還對巖體的完整性進行了充分的分析,對隧道進出口段的塑性土巖體可以進行定量的確定。而且在進行地下水修正時,考慮了巖體初步分級的結果,因為對于質量較好的巖體,地下水對圍巖穩定性基本上不產生影響,能夠較為客觀地對初步分級結果進行修正。該方法對于堅硬巖體較為適用,對于黃龍山隧道,由于巖石強度較低,因而分級結果會與真實結果產生較明顯的差異。

3.2 三種方法之間的線性關系

(1)RMR分級與Q指標分級之間的關系

Bieniawski(1976)在大量實測統計的基礎上,發現Q值與RMR值間具有如下的統計關系[3]

RMR=9lgQ+44

由此公式,并結合黃龍山隧道RMR分級和Q指標分級兩種分級方法的結果,可以得出RMR值與Q值的線性關系(如圖1所示)。

圖1 RMR值與Q值的線性關系

由圖1可以看出,曲線RMR=9lgQ+44為一條對數曲線,圖中1點和3點與曲線相關性較好,2點和4點與曲線相關性較差,1點、4點和2點位于曲線RMR=9lgQ+44下方,這三點所對應路段的RMR值比理論的Q值要低,而3點位于曲線上方,此點所對應路段的RMR值比理論的Q值要偏高。

(2)《公路隧道設計規范》分級與RMR分級的線性關系

根據周志東提出的[BQ]與RMR評分線性關系式：[BQ]=6.889 5+22.614,并結合RMR分級和《公路隧道設計規范》分級對黃龍山隧道的圍巖分級結果,做出RMR評分與BQ修正值之間的線性關系(如圖2所示)。

圖2 RMR值與BQ修正值的線性關系

由圖2可以看出,曲線[BQ]=6.885 9RMR+22.614為一條直線,1、2、3、4點與該直線的線性關系不是很好,四點均位于直線上方,即[BQ]值要低于RMR值。通過此圖可以看出,兩種分級方法對本隧道圍巖分級存在顯著差異。

3.3 隧道分段級別分析

(1)進出口段(K3+068～K3+145和K3+471～K3+480)圍巖級別分析

該路段按RMR分級圍巖級別為Ⅴ級,巖體質量描述為很差的巖體；按Q指標分級為Ⅴ級,圍巖級別為很差；按《公路隧道設計規范》分級,[BQ]值為121.9,級別為Ⅵ級圍巖,質量評價為塑性亞黏土,軟土。該路段按三種方法分級結果比較接近,都屬于三種方法中最差的巖體。而設計圍巖級別也是Ⅴ級,是最差的圍巖,結果相差不大。但是分級過程中,由于RMR分級和Q指標分級均未對土類巖體進行定量的評價,只能通過定性來判斷出圍巖級別,缺乏客觀性,對于此路段圍巖分級不太適用。而規范分級可以得出該分級各項指標的具體值,進而得出其修正后的[BQ]值,對于此類圍巖較為合理。

根據以上分析,此路段圍巖為Ⅴ級圍巖,質量為很差。

(2)K3+145～K3+245段圍巖級別分析

該路段RMR分級評分為38,圍巖級別為Ⅳ級,質量評價為差巖體；Q指標分級Q值為0.126,級別為Ⅳ級,質量評價為差；按《公路隧道設計規范》分級,其[BQ]值為183.3,圍巖級別為Ⅴ級,質量為軟巖,巖體破碎。

RMR分級和Q指標分級兩種方法所得出的圍巖級別相同,此路段節理發育,兩種方法對于本路段圍巖分級都比較適合。根據RMR分級和Q指標分級的線性關系圖可以看出,該點與關系式RMR=9lgQ+44線性關系較好。

而《公路隧道設計規范》分級相對于其他兩種分級則差別較大,線性關系圖顯示[BQ]值偏小,原因在于《公路隧道設計規范》分級方法在計算圍巖級別過程中,重點了考慮巖石單軸抗壓強度,該路段圍巖強度低,所得出的BQ值較低,修正時,側重考慮軟弱結構面的修正,隧道結構面走向與隧道走向近正交。對于RMR分級,結構面的產狀對圍巖分級的修正為很有利,但《公路隧道設計規范》中,對圍巖分級中軟弱結構面考慮要求較高,盡管結構面對圍巖穩定性基本不產生影響,其修正系數K2取值仍取0.1,此兩方面原因導致[BQ]值偏低。由此可以看出,《公路隧道設計規范》分級法對于堅硬巖體較為適合。

(3)K3+245～K3+315段圍巖級別分析

該路段RMR分級評分為42,圍巖級別為Ⅳ級,圍巖質量評價為差巖體；Q指標分級Q值為0.720,圍巖級別Ⅳ級,圍巖質量評價為差；《公路隧道設計規范》分級[BQ]值為253.6,圍巖級別為Ⅳ級,圍巖質量評價為較軟巖,巖體較破碎。三種方法分級結果基本一致,但對比RMR分級和Q指標分級,根據圖1可以看出,盡管兩種方法對于圍巖級別的劃分一致,都是Ⅳ級圍巖,但該路段對應點與曲線RMR=9lgQ+44距離較遠,RMR值相對于Q值明顯偏低。結合該路段工程地質情況分析,其主要原因主要有以下幾點：

①該路段雖然圍巖受風化影響較小,但巖體質量較差,單軸抗壓強度較低,因此對于RMR法其評分較低,而Q指標法沒有考慮巖體的單軸抗壓強度。

②該路段節理明顯,節理面平直較起伏,Q指標分級中節理面粗糙度系數Jr取值較高。因此,其Q值較高。

對比RMR分級和《公路隧道設計規范》分級,根據圖2可以看出,對應點據線性方程[BQ]=6.885 9RMR+22.614較遠,[BQ]值相對較低,原因同樣在于《公路隧道設計規范》分級側重考慮圍巖單軸抗壓強度和軟弱結構面產狀,而在RMR分級中,單軸抗壓強度不是側重考慮對象,且結構面產狀對隧道圍巖穩定性不產生影響,因而RMR評分相對與[BQ]值偏高。

(4)K3+315～K3+350段圍巖級別評價

該路段RMR分級評分為56,圍巖級別為Ⅲ級,圍巖質量評價為一般巖體；Q指標分級Q值為1.092,圍巖級別Ⅲ級,圍巖質量評價為較差；《公路隧道設計規范》分級[BQ]值為294,圍巖級別為Ⅳ級,圍巖質量評價為較軟巖,巖體較破碎。三種方法對于該段圍巖級別的評定有很明顯的區別。

對比RMR分級和Q指標分級,通過圖1可以看出,該路段對應點與曲線RMR=9lgQ+44線性關系較好,因此兩種方法對于此路段圍巖分級不存在太大差異,而對比RMR分級和《公路隧道設計規范》分級則存在顯著的差異。通過表2可以看出,此路段對應點與方程相關性最差,[BQ]明顯偏低,其原因除了《公路隧道設計規范》分級側重考慮圍巖單軸抗壓強度外,再一方面是其地下水較其他路段豐富。而《公路隧道設計規范》分級側重考慮了單軸抗壓強度和對地下水的折減,因此其地下水影響修正系數K1取值偏高,因此[BQ]值明顯要相對于RMR分級評分和Q值低。

(5)K3+350～K3+471段圍巖級別評價

該路段RMR分級評分41,圍巖級別為Ⅳ級,圍巖質量評價為差巖體；Q指標分級Q值為0.055,圍巖級別Ⅴ級,圍巖質量評價為很差；《公路隧道設計規范》分級[BQ]值為213.6,圍巖級別為Ⅳ級,圍巖質量評價為較軟巖,巖體較破碎。

RMR分級和Q指標分級,該段對應點與方程RMR=9lgQ+44相關性較差,RMR評分相對于Q值偏小。一方面在于該路段圍巖強度低,關于巖體單軸抗壓強度的評分較低；再一方面是結構面較粗糙,其節理粗糙度系數Jr取值較高。因此,該點與線性方程相關性較差。

RMR分級和《公路隧道設計規范》分級,對應點同樣與方程不相關。

4 結論

以黃龍山隧道為研究對象,在深入了解其工程地質情況的基礎上,采用RMR分級、Q指標分級和《公路隧道設計規范》分級三種方法對該隧道各路段圍巖級別加以判定,并對三種方法的適用性和缺點進行對比,得出以下結論及建議：

(1)該隧道整體巖性較差,大部分圍巖為Ⅳ級圍巖,隧道進出口段質量最差施工需要加以注意。

(2)對比三種分級方法,RMR分級法主要適用于較堅硬巖,Q指標分級主要適用于較軟巖。對于隧道進出口段圍巖進行分級時,《公路隧道設計規范》分級方法可以較好的考慮軟弱土體結構的分級,適用于隧道進出口段圍巖分級。

(3)在考慮因素方面,三種方法都存在優缺點。RMR分級側重考慮了節理條件的影響,而忽略了地應力的影響；Q指標法則對節理情況作了更精細的研究,甚至重復考慮了某些因素,它認為結構面最為反映巖體的完整性,而忽略了對巖石強度的考慮；《公路隧道設計規范》考慮因素相對來說更加全面,但對于某些特殊類別的巖體,無法對其特殊性質進行側重考慮,進而影響其結果的準確性。因此,三種方法的適用條件很值得推敲。

(4)對于三種方法的分級結果之間的關系,RMR分級與Q指標分級結果相關性較好,而二級分級法與RMR分級的相關性較差,其主要原因在于各自所適用的巖性不同。而各自選取參數的差異也是造成分級結果差異的一個重要原因。

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