基于穩定性概念的鐵路隧道圍巖分級研究

杜世回

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

隧道開挖前，巖(土)體內每個點處于相對平衡狀態，開挖后，因洞壁失去原有的支撐，破壞了原有的受力狀態，造成洞室周邊巖(土)體向洞內空間位移，又會改變巖(土)體的相對平衡狀態，從而引起應力、應變調整，以達到新的平衡。通常把應力重分布影響范圍內的巖體稱為圍巖［1］，一般認為這個范圍在隧道橫斷面上為幾倍至十倍的洞徑。圍巖的工程性質一般包括物理性質、水理性質和力學性質，對圍巖穩定性最有影響的是力學性質，即圍巖抵抗變形和破壞的性能［2］。

對隧道工程來說，最關心的問題是地層被挖成隧道后的穩定程度，稱為隧道圍巖的穩定性，隧道圍巖級別歸根到底就是穩定性問題。圍巖自穩性可以分為長期穩定、基本穩定、暫時穩定和不穩定4個等級［3］。圍巖自穩時間隨圍巖等級不同而不同，Ⅰ級圍巖自穩時間可達數年，Ⅱ級圍巖自穩時間可達數月，Ⅲ級圍巖自穩時間可達數天，Ⅳ級圍巖自穩時間可達數小時，Ⅴ級圍巖則只有數十分鐘［4］。

影響隧道圍巖穩定性的因素很多，主要有地質因素，包括巖土強度、結構與構造、地下水和地應力狀態等;工程因素，包括隧道斷面的形狀、大小、跨度等;施工因素，包括隧道施工方法、支護時間和支護方式等，其中地質因素是影響圍巖穩定性的最主要因素。

1 鐵路隧道圍巖分級方法的歷史

目前國內外既有和現行的隧道地下工程圍巖分級方法大多屬于穩定性等級的劃分方法。我國水利、礦山、交通等行業均開展了地下工程圍巖分級的相關研究，鐵路隧道圍巖分級研究在我國展開試驗研究最早，且較為系統深入［5］。

從圍巖劃分的精確度來講，從過去的定性劃分為主逐步過渡到當前的以定性為主，輔以巖石強度、圍巖彈性縱波速度等量化指標的新分級方法，向《工程巖體分級標準》(GB50218—94)靠攏。

從圍巖劃分考慮的因素來講，經歷了從早期以單因素為主的分級逐步發展為多因素、多指標的定性描述和定量指標相結合的分級，近年來又向多因素復合指標發展。

我國鐵路隧道圍巖分級方法主要歷程見表1。

表1 我國鐵路隧道圍巖分級方法主要歷程

2 現行規范中有關圍巖分級的規定

《鐵路工程地質勘察規范》(TB10012—2007)〔6〕要求，應根據地質調繪、物探及驗證性鉆探、測試成果資料，綜合分析巖性、構造、地下水狀態、初始地應力狀態等圍巖地質條件，結合巖體完整性指數、巖體縱波速度等，分段確定隧道圍巖分級。綜合評價隧道的圍巖分級是地質勘察工作的重要內容之一。

《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)關于圍巖分級做了如下規定。

(1)圍巖分級應由巖石堅硬程度和巖體完整程度2個因素確定。

(2)巖石堅硬程度和巖體完整程度，應采用定性劃分和定量指標2種方法綜合確定。

(3)圍巖級別應在圍巖基本分級的基礎上，結合隧道工程的特點，考慮地下水狀態、初始地應力狀態等必要的因素進行修正。

(4)隧道洞身埋藏較淺，應根據圍巖受地表的影響情況進行圍巖級別修正。

3 土質隧道圍巖級別討論

《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)對土質隧道圍巖級別所使用的指標大多是定性的，在使用上會有主觀性，分級的準確性較差。盡管也采用了圍巖彈性縱波速度這一定量指標，但實際應用中存在不少困難，仍然依賴于經驗判斷。提出明確的、能較全面反映圍巖穩定性，且易于工程技術人員操作的土質隧道圍巖分級指標，是迫切需要解決的問題。

以往我國鐵路隧道多修建于西南、華南等地區，以巖質隧道為主，黏性土、砂土圍巖在整個隧道長度中所占的比例很少，一般都按照規范中對土體的定性描述來確定圍巖級別，對隧道施工方法、支護形式、襯砌結構類型、施工管理、工期和投資等不會產生較大影響。但隨著我國鐵路規劃發展和建設，我國西北、華北、華中、東北等地區涉及黏性土、砂土圍巖的隧道工程比例大幅提高，對項目工期和投資產生很大影響，因此很有必要開展土質圍巖分級定量化指標研究。

按照圍巖分級的思路，首先要找出主要的評價指標，然后對評價指標進行定性描述或者定量分析，目的是采用數學方法加以定量化，從而進行量化分級，因此，核心問題是指標的選取［7］。

3.1 一般黏性土隧道圍巖分級

一般黏性土物理力學指標主要有:液限、塑限、塑性指數、天然含水量，天然密度，比重，天然孔隙比、液性指數，飽和度、抗剪強度等。根據《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)中“一般第四系堅硬、硬塑黏性土”、“軟塑狀黏性土”等定性描述，可見其主要指標為液性指數，液性指數又與天然含水量、液限、塑限3項指標相關，通過這些指標又可估算土的力學性質;“具壓密或成巖作用的黏性土”的定性描述則意在土體的抗剪強度。按照隧道圍巖分級為穩定性等級的核心思想，土體的抗剪強度是首當其沖的重要指標，應該作為今后量化分級的主要指標和研究方向。

3.2 砂土隧道圍巖分級

《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)Ⅳ、Ⅴ級圍巖中不含砂類土地層，將砂類土籠統地劃為Ⅵ級，但在實際工程實踐中，按照Ⅳ、Ⅴ級圍巖設計施工的隧道不在少數，其開挖、支護、結構安全和運營沒有出現問題。工程實踐證明:鈣質、鐵質膠結、有成巖作用的無水砂層可以按照Ⅳ級圍巖設計和施工，中密-密實、無水的砂層可以按照Ⅴ級圍巖設計和施工［8］。

對砂類土隧道圍巖分級，也應基于穩定性入手，尋求影響穩定性的因素。一般認為密實程度、潮濕程度(即含水狀態)、膠結程度這些指標是影響穩定性的因素。結合現有勘探、原位測試手段和試驗難易程度，考慮工程技術人員的可操作性，建議砂類土應本著定性描述和定量分析相結合的辦法開展設計和施工，定量指標應側重于標準貫入試驗錘擊數。

4 特殊地質隧道圍巖級別討論

4.1 黃土隧道圍巖分級

我國黃土的分布面積約64萬km2，主要分布在北緯33 ～ 47°的陜西、甘肅、山西、寧夏、青海等地〔9〕。現行規范中對于黃土隧道圍巖分級僅以地質年代做了定性區分，并沒有提到其他影響因素，更沒有定量指標。有關單位依托鄭西客運專線項目中的潼洛川、高橋、秦東等隧道開展了一系列研究，提出了黃土圍巖細分亞級的方案。規劃和即將建設的寶雞至蘭州鐵路、銀川至西安鐵路、蒙西至華中鐵路均通過大量的黃土地區，修建大量的黃土隧道，因此對黃土隧道圍巖分級進行研究顯得十分重要。

抗剪強度及濕陷性決定黃土的穩定性。強度越小、濕陷性越強，黃土的穩定性就越差;強度越大、濕陷性越弱，黃土的穩定性越好。黃土的濕陷性又與黃土的地質年代、干密度以及孔隙比等物性指數有關。通過對自然邊坡的調查和黃土隧道施工的實踐經驗表明:即使是濕陷性很強的黃土，如果天然含水量較低，也可形成直立邊坡或圍巖表現出較好的直立性，這說明天然含水量也是影響黃土穩定性的重要因素。

因此，影響黃土穩定性的主要因素包括地質年代、天然含水量、干密度和孔隙比等。這幾項指標應該作為今后量化分級的主要指標和研究方向。有研究成果表明，干密度和孔隙比可作為同一指標選用，鑒于干密度試驗較為簡便快捷，因此黃土圍巖分級將天然含水量、干密度作為主要定量指標，地質年代作為定性描述。

4.2 膨脹土隧道圍巖分級

膨脹土除了是黏性土以外，另外還具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮、開裂，并能往復脹縮變形的特點。對于膨脹土隧道圍巖分級，現行規范沒有單獨定性描述或定量指標劃分，目前按照物理指標組合的方法進行分類研究者居多，但究竟哪些指標是關鍵指標缺少研究。尋求能反映土體強度、膨脹特性的代表性指標是今后膨脹土圍巖定性與定量化研究的方向，以期將這種特殊圍巖納入規范。

4.3 巖溶隧道圍巖分級

發育巖溶的巖體屬特殊圍巖，但現行隧道圍巖分級適用于一般圍巖，現在的習慣做法是勘測設計階段根據鉆探、物探和專題研究成果對具體工點進行巖溶評價來劃分隧道圍巖級別，施工階段根據實際揭示情況進行變更設計。最為明顯的問題是施工組織發生重大變化、工期無法預見、投資很難控制，因此討論巖溶隧道圍巖級別十分必要。

巖溶圍巖級別劃分原則上首先應遵循圍巖的基本分級［10］，需要的是建立巖溶發育程度分級，另外再考慮地下水、填充物特點和隧道結構安全需要，建立一套圍巖級別修正辦法，納入規范后對項目決策意義重大。

4.4 高水壓條件下隧道圍巖級別討論

工程技術人員在使用《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)時，遇到高水壓地質條件下的圍巖級別劃分時會感到困惑，使得分級工作憑借設計經驗確定，影響了圍巖分級的精度，不同設計人員對圍巖修正的差異可能達到1～2級［11］。

《工程巖體分級標準》(GB50218—94)巖體基本質量指標修正對于水壓大小是區別對待的，但《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)則不考慮水壓，只考慮了水量的大小，對于高水壓修正未做說明，建議在規范中對高水壓條件下圍巖修正應明確。

5 大跨度隧道圍巖級別討論

隨著國家基礎設施建設的發展，地下工程越來越多，且規模越來越大，大跨度隧道的圍巖穩定問題越來越突出。如鄭西客運專線黃土隧道是目前我國在黃土地區修建的斷面最大的隧道，開挖斷面為164 m2，開挖跨度達 15.2 m［12］。

現行的圍巖評價方法一般按照巖石強度、巖體完整性、結構面產狀、地應力情況和地下水影響等指標確定，上述方法并沒有考慮隧道跨度增加對圍巖分級的影響。有學者認為隧道跨度和圍巖級別相關聯后容易引起概念混淆，但實際情況是該問題確實無法回避。

在相同地質條件下，跨度增大，開挖切割的巖體結構面越多，產生的不穩定塊體越多，圍巖穩定性越低。小跨度開挖的隧道是穩定的或基本穩定的，但大跨度隧道則可能是暫時穩定或不穩定的。同等節理發育程度和完整狀態條件下，大斷面開挖的隧道掌子面顯得更破碎，其支護成本也高［13］。跨度對圍巖穩定性的影響在不同地質條件下是不同的，圍巖質量越好，其影響越低，圍巖質量越差，其影響越大。在Ⅰ～Ⅳ級圍巖情況下，跨度增加，圍巖位移有少量增加，圍巖穩定性稍有降低，但幅度不大;在Ⅴ級、Ⅵ級圍巖情況下，跨度增加，位移明顯增大，圍巖穩定性顯著降低［14］。

公路行業大跨度隧道工程十分常見，《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)從自穩能力角度將跨度與圍巖級別做了關聯規定。鐵路隧道應積極吸收公路行業的成功經驗，在不同圍巖級別條件下按照不同跨度對圍巖進行修正，解決這一實際問題。

6 結論與展望

(1)一般黏性土隧道圍巖分級，土體的抗剪強度應該作為今后量化分級的主要指標和研究方向。

(2)砂類土隧道圍巖級別應本著定性描述和定量分析相結合的辦法確定圍巖級別，定量指標側重于標準貫入試驗錘擊數。

(3)黃土隧道圍巖分級將天然含水量、干密度作為主要定量指標，地質年代作為定性描述。

(4)膨脹土隧道尋求能反映土體強度和膨脹特性的代表性指標是今后圍巖分級定性與定量化研究的方向，以期將這種特殊圍巖納入規范。

(5)巖溶隧道圍巖級別劃分原則上首先應遵循圍巖的基本分級，需要建立巖溶發育程度分級，另外再考慮地下水、填充物特點和隧道結構安全需要，建立一套圍巖級別修正辦法納入規范。

(6)規范應補充高水壓條件下圍巖修正方法。

(7)鐵路隧道應積極總結施工案例，吸收公路行業的成功經驗，在不同圍巖級別條件下按照跨度不同對圍巖進行修正，解決這一工程實際問題。

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