關(guān)于結(jié)構(gòu)面對土質(zhì)圍巖分級影響的探討

曹宏偉，李 姝

(1.西南交通大學(xué)校園規(guī)劃與建設(shè)處，四川成都610031;2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川都江堰611830)

近幾年，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的鐵路、公路隧道和城市地鐵遇到土質(zhì)圍巖或修建在土質(zhì)圍巖中，因此，必須對土質(zhì)圍巖的分級基準(zhǔn)進(jìn)行研究。由于我國目前所使用的圍巖分級基準(zhǔn)中，對土質(zhì)隧道圍巖分級所使用的指標(biāo)大多是定性的，具有主觀性，分級的準(zhǔn)確性也較差。因此，提出準(zhǔn)確的、能較全面反映圍巖穩(wěn)定性且易于操作的土質(zhì)圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)，是迫切需要解決的問題，也是對國內(nèi)現(xiàn)有圍巖分級方法的補(bǔ)充和完善。

1 土質(zhì)隧道圍巖分級研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外對巖質(zhì)圍巖、土質(zhì)圍巖兩者的質(zhì)量分級的判定方法已有上百種[1]～[3]，并且呈單一巖性指標(biāo)→單一綜合巖性指標(biāo)→綜合巖性指標(biāo)→考慮圍巖穩(wěn)定性的發(fā)展[3]、[4]。在這些分級方法和規(guī)范中，對巖質(zhì)圍巖的級別判定基本統(tǒng)一了認(rèn)識，確定了以強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及所處環(huán)境因素為主的評價(jià)方法，代表的方法如RMR法、Q法等;而對土質(zhì)圍巖，研究較少，并且在認(rèn)識上沒有統(tǒng)一。

國內(nèi)外早期對土質(zhì)圍巖的分級標(biāo)準(zhǔn)都是基于巖質(zhì)圍巖基礎(chǔ)上提出的，考慮了與巖質(zhì)圍巖同樣的分級指標(biāo)。如前蘇聯(lián)的普氏(1906年)用反映巖石強(qiáng)度和巖體構(gòu)造特征的綜合指標(biāo)巖體堅(jiān)固性系數(shù)f值的大小，將土質(zhì)隧道圍巖分在穩(wěn)定性較差的幾個級別中;泰沙基(1946年)基于開挖中所形成的壓力拱高度HP對巖土體進(jìn)行分級;斯梯尼(1950年)和比爾鮑美(本德Bendel1948年)也利用了拱理論對巖質(zhì)圍巖進(jìn)行了分級，同時直接將該分級方法用于土質(zhì)隧道中;美國伊利諾斯大學(xué)的迪爾(Deere)將巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD直接用于土質(zhì)圍巖分級中。對于土質(zhì)圍巖的分級也有一些專門的研究，如我國鐵路、公路隧道圍巖分級方法[5]、[6]，對土質(zhì)圍巖進(jìn)行了比較詳盡的分級，并從工程地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特征和完整性狀態(tài)進(jìn)行定性的描述和評價(jià)，但是沒有做到評價(jià)指標(biāo)的定量化;日本國鐵為了使礦山法適應(yīng)城市的地質(zhì)條件，通過圍巖強(qiáng)度比、浸水崩解度對黏性土圍巖進(jìn)行了定量分級，但該分級主要來自于對膨脹巖的研究[7]，且該分級方法是通過統(tǒng)計(jì)應(yīng)力比與隧道開挖后未支護(hù)情況下位移的關(guān)系得到的定量分級。由于土質(zhì)隧道不支護(hù)的位移實(shí)測資料在國內(nèi)很難取得，所以有待考證。然而有很多著名的分級方法卻沒有土質(zhì)圍巖的分級，如RMR法、Q法、SRC法[8]、我國工程巖體質(zhì)量分級方法[9]等。

根據(jù)中國科學(xué)院地質(zhì)所谷德振教授、王思敬院士提出的巖體結(jié)構(gòu)分類方法，土質(zhì)圍巖應(yīng)該為松散結(jié)構(gòu)或散體結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)圍巖為碎裂～整體結(jié)構(gòu)，因此，土質(zhì)圍巖的受力破壞形態(tài)和穩(wěn)定特征與巖質(zhì)圍巖有一定區(qū)別?？梢哉J(rèn)為土質(zhì)圍巖采用與巖質(zhì)圍巖相同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是不合適的;對土質(zhì)圍巖的認(rèn)識不一致，評價(jià)的指標(biāo)不統(tǒng)一;沒有考慮到分級方法的操作性，分級中定性與定量沒有相結(jié)合;土質(zhì)圍巖的分級評價(jià)指標(biāo)和量化有不足。

2 黏性土質(zhì)圍巖穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)面效應(yīng)

2.1 黏性土體中結(jié)構(gòu)面存在的實(shí)例

對于一些火成巖、沉積巖的殘積土及全風(fēng)化層，從表面上看屬于黏性土或砂性土，且其物理力學(xué)指標(biāo)也與一般的土近似，因此，在設(shè)計(jì)時一般都把其當(dāng)做均質(zhì)土體來處理，特別是在早期的邊坡和基坑設(shè)計(jì)中。但是在實(shí)際施工的時候，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這類土體中有很多結(jié)構(gòu)面和微裂隙面。

深圳海關(guān)梅林單身宿舍樓擬在花崗巖殘積土中修建地下室1層，基坑深約6 m，呈南北方向，開挖后發(fā)現(xiàn)基坑有產(chǎn)狀為295～310°∠60 ～70°、20～40°∠70～85°和 345～35°∠10～20°的3組連通性較好的節(jié)理裂隙，在裂隙的切割下使得西邊坡及南邊坡形成大量崩滑面傾向于基坑的楔形體。在開挖過程中，因?yàn)橹亓偷叵滤淖饔贸霈F(xiàn)了局部的滑塌。廈門東通道海底隧道主要穿越花崗巖地層，淺埋段修建于花崗巖類的殘積土、全風(fēng)化層中。筆者在施工、在掌子面及邊墻土體中發(fā)現(xiàn)許多的結(jié)構(gòu)面，并且有些結(jié)構(gòu)面貫通掌子面且將土體切割呈許多楔形體，見圖1。

圖1 廈門海底隧道掌子面圍巖的結(jié)構(gòu)面

除了花崗巖殘積土及全風(fēng)化層中有結(jié)構(gòu)面，許多沉積巖地層如粉砂巖、泥巖、泥頁巖等的全風(fēng)化層盡管表面上表現(xiàn)出黏性土的性狀，但土體內(nèi)部同樣有很多結(jié)構(gòu)面。通過對元磨高速公路及城南高速公路的一些邊坡和隧道進(jìn)出口調(diào)查，同樣發(fā)現(xiàn)沉積巖風(fēng)化后形成的風(fēng)化物保留了原巖的結(jié)構(gòu)面和一些弱面。

2.2 隧道穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)面影響效應(yīng)

目前國內(nèi)外的圍巖分級中，都考慮了圍巖結(jié)構(gòu)面對圍巖級別判定的影響，而且文獻(xiàn)[10]通過分析認(rèn)為在地質(zhì)力學(xué)分類中，結(jié)構(gòu)面要素占總評分的75%;在Q分類體系中，幾乎全部6個要素均與結(jié)構(gòu)面有關(guān)。因此，結(jié)構(gòu)面在隧道的穩(wěn)定性分級中有著重要的地位，也表明了結(jié)構(gòu)面對穩(wěn)定性起控制作用。

文獻(xiàn)[11]發(fā)現(xiàn)裂隙的存在不僅破壞了土體的連續(xù)性，造成了應(yīng)力集中，而且結(jié)構(gòu)面的不利組合控制了土體滑動面的形狀;文獻(xiàn)[12]等發(fā)現(xiàn)土體中裂隙的存在不僅控制土坡的穩(wěn)定，也對地基的變形破壞也產(chǎn)生影響，荷載試驗(yàn)表明，裂隙土體的變形往往呈跳躍形式，表現(xiàn)出某些脆性破壞的特性，土體在荷載作用下依次沿裂隙發(fā)生失穩(wěn)破壞;深圳海關(guān)梅林單身宿舍樓的基坑設(shè)計(jì)時盡管安全系數(shù)大于1.3，但是在施工中沿裂隙面發(fā)生過多次大量塌方[13]。

3 黏性土質(zhì)圍巖分類及分級思路

3.1 黏性土質(zhì)圍巖分類

黏性土質(zhì)圍巖因在力學(xué)上表現(xiàn)出粘滯性的性質(zhì)而與表現(xiàn)拱效應(yīng)的砂性土圍巖相區(qū)別，然而通過上面的分析知道黏性土質(zhì)圍巖主要包括第四系形成的黏性土和一些沉積巖、火成巖的黏性風(fēng)化產(chǎn)物。對于由沉積巖、火成巖的黏性物組成的圍巖，因?yàn)槠浔憩F(xiàn)出的物理力學(xué)性質(zhì)和性狀與一般黏性土一樣，但又繼承和包含了母巖中的軟弱結(jié)構(gòu)面及風(fēng)化過程中產(chǎn)生的新結(jié)構(gòu)面，同時這些結(jié)構(gòu)面對隧道的穩(wěn)定性起到重要作用，故定義為類黏土質(zhì)圍巖。類黏土質(zhì)圍巖定義的提出，是對土體象巖體一樣含有結(jié)構(gòu)面并且注意到這些軟弱面對隧道穩(wěn)定性的影響有重要意義。

從力學(xué)分析上看，第四系的普通黏性土土質(zhì)圍巖可以看作連續(xù)介質(zhì);而類黏土質(zhì)圍巖由于本身的結(jié)構(gòu)影響，計(jì)算分析時是當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)還是非連續(xù)介質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)面的大小，文獻(xiàn)[19]提出對于土體中含結(jié)構(gòu)面的變形計(jì)算可采用離散單元方法。因此，在進(jìn)行黏性土質(zhì)圍巖分級及圍巖穩(wěn)定性的影響分析時，應(yīng)將黏性土質(zhì)圍巖分為黏性土土質(zhì)圍巖和類黏土質(zhì)圍巖兩類考慮。

3.2 黏性土質(zhì)圍巖分級思路

由于圍巖的穩(wěn)定性影響因素很多，需要進(jìn)行影響因素的敏感性分析，從而找出影響圍巖穩(wěn)定性的主要控制因素和次要的因素，在分析過程中，必須注意黏性土土質(zhì)圍巖與類黏土質(zhì)圍巖的區(qū)別。圍巖分級的目的就是為了正確地、合理地解決與隧道支護(hù)有關(guān)的問題，因此，提出正確的支護(hù)參數(shù)是順利施工的前提。分級中，通過確定黏性土質(zhì)圍巖各級別的物理力學(xué)指標(biāo)，然后根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)得到各級圍巖對應(yīng)的多種支護(hù)參數(shù)，再通過耦合計(jì)算分析專家經(jīng)驗(yàn)提出的支護(hù)參數(shù)的安全性進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取。將提出的圍巖分級和支護(hù)參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程中，然后修改和調(diào)整圍巖級別和支護(hù)參數(shù)。具體分級研究思路見圖2。

圖2 黏性土質(zhì)隧道圍巖分級研究思路

4 結(jié)論

國內(nèi)盡管對土質(zhì)圍巖進(jìn)行了分類描述，但是沒有定量的評價(jià)，更沒有考慮到土質(zhì)圍巖中結(jié)構(gòu)面的影響。結(jié)構(gòu)面的存在降低了圍巖整體的力學(xué)性質(zhì)，增大了土體的滲透系數(shù)，同時，結(jié)構(gòu)面與隧道軸線的夾角和結(jié)構(gòu)傾向與圍巖的穩(wěn)定性有重要的影響作用;黏性土質(zhì)圍巖結(jié)構(gòu)面的存在促進(jìn)了圍巖的變形和松動塌落。在圍巖穩(wěn)定性分級中將黏性土質(zhì)圍巖分為黏性土土質(zhì)圍巖和類黏土質(zhì)圍巖兩類，并給出了類黏土質(zhì)圍巖的定義;提出了黏性土質(zhì)圍巖的分級研究思路，以為進(jìn)一步研究提供支持。

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