基于BQ值和大地電磁法的公路隧道圍巖分級

張舉智，王曉明

（河北省交通規(guī)劃設(shè)計院，河北 石家莊050011）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)交通事業(yè)的飛速發(fā)展，公路隧道的規(guī)劃建設(shè)量逐步加大，隧道數(shù)量越來越多，長度越來越長。在復(fù)雜的地理地質(zhì)環(huán)境下，隧道勘察精度不足易造成投資增加、工期延誤、發(fā)生災(zāi)害等不良后果。隧道圍巖分級在隧道建設(shè)中發(fā)揮的作用越來越明顯，對其精度的要求也越來越高。

本文主要針對BQ 值法在隧道圍巖劃分中存在的一些問題，結(jié)合EH—4 大地電磁測量方法，對確定隧道圍巖等級進(jìn)行了探討，并以河北省石家莊市西部某隧道為例進(jìn)行了分析。

1 BQ值法的應(yīng)用及存在的問題

BQ 值法主要以巖石堅硬程度Rc和巖體完整程度Kv作為基本計算指標(biāo)，同時結(jié)合地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及初始應(yīng)力狀態(tài)綜合確定隧道圍巖分級的方法。采用定性描述和BQ值定量分析相結(jié)合的方法，該方法全面考慮了影響圍巖穩(wěn)定性的各種因素，在隧道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

在河北省北部山區(qū)張石、張涿、承赤、承張等高速公路勘察建設(shè)中，發(fā)現(xiàn)BQ值法的應(yīng)用存在以下一些問題。

（1）復(fù)雜地質(zhì)條件下巖體的不均勻性、各向異性和特有的工程地質(zhì)特征，使得可能相隔不遠(yuǎn)的巖體，各自的工程性質(zhì)相差卻很大，甚至同一里程的掌子面，巖性也存在很大差異。這使勘察鉆孔及聲波測井的代表性降低，增加了勘察的難度和工作量。

（2）依據(jù)現(xiàn)行公路隧道的勘察規(guī)范，勘探過程中所取樣本偏少，僅代表鉆孔部分地層，同時試驗數(shù)據(jù)離散性較大，如代表巖石堅硬程度的Rc值離散系數(shù)普遍偏大。

（3）對基本質(zhì)量指標(biāo)BQ 值進(jìn)行修正時，系數(shù)選取比較粗糙，所取系數(shù)對修正值影響較大。三個修正系數(shù)的選取多是范圍值，在勘察階段使用時，修正系數(shù)選取缺乏足夠依據(jù)，對BQ結(jié)果造成較大偏差。

在隧道施工中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖變化頻繁，常見距離隧道鉆孔100～200m 處圍巖性質(zhì)與依據(jù)鉆孔資料進(jìn)行BQ值計算確定的圍巖等級存在較大的偏差，而現(xiàn)行的《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）取消了對隧道鉆孔最小間距的要求，所以需要在BQ 值法確定圍巖分級的同時，采用一種可了解隧道圍巖連續(xù)變化的物探方法。目前普遍采用的淺層地震法與高密度電法在隧道埋深較大的情況下無法準(zhǔn)確查明隧道圍巖變化。針對這種情況，在埋深較大的隧道勘察中，推薦采用測深大的EH—4大地電磁法。

2 EH—4大地電磁法的基本原理

當(dāng)天然交變電磁場入射大地，在地下以波的形式傳播時，地面電磁場的觀測值由于電磁感應(yīng)的作用，會包含地下介質(zhì)的電阻率分布信息。而不同頻率的電磁場信號具有不同的穿透深度，因此大地電磁測深通過研究地表采集的電磁數(shù)據(jù)能夠反演出地下不同深度介質(zhì)電阻率的分布狀態(tài)。

目前音頻大地電磁采集技術(shù)研究朝以下兩個相反的方向發(fā)展。

（1）重設(shè)備、大功率可控源音頻大地電磁法，其代表是GDP 系列和V 系列電法儀，這一類儀器采用大功率的電偶源場。

（2）輕設(shè)備，小功率，其代表是EH—4 系統(tǒng)。EH—4研究了天然場的特點，認(rèn)為500Hz以上的波段受當(dāng)前人文活動干擾較大，因此設(shè)計用500Hz以上的高頻人工場作為補(bǔ)充。EH—4采用一組垂直布置的水平磁偶極子作為場源。限制于山區(qū)隧道的場地條件，本文推薦采用輕型化的EH—4系統(tǒng)。

3 石家莊西部某隧道的圍巖分級

某擬建隧道地處冀西太行山山前地區(qū)，屬低山丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地形起伏。隧道區(qū)所鉆5個鉆孔的孔口標(biāo)高為272.719～376.7m，隧道區(qū)海拔最高點為573.5m。隧道單幅長1 580m，最大埋深約250m。隧道區(qū)地層主要為元古界（Pt）滹沱群岳家莊組蝕變安山巖，淺灰～灰綠色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，成份以長石角閃石為主，上部風(fēng)化層較厚，下部巖體較完整。通過地質(zhì)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)，晉獲斷裂由隧道出口處穿過，元古界蝕變安山巖中夾同時代灰綠色砂巖，板巖。

3.1 采用BQ值法進(jìn)行圍巖分級

隧道圍巖首先按BQ 值法進(jìn)行分級，相應(yīng)的參數(shù)在地調(diào)及勘探過程中進(jìn)行測量和統(tǒng)計。經(jīng)統(tǒng)計，強(qiáng)巖體的體積裂隙率Jv＝16 條/m3，完整系數(shù)Kv為0.35～0.55，取0.45；中風(fēng)化巖體Jv為8～12 條/m3，Kv為0.50～0.60；微 風(fēng) 化 巖 體Jv為3～4 條/m3，Kv＝0.75。

根據(jù)Rc與巖石堅硬程度的定性劃分的關(guān)系，得出微風(fēng)化安山巖為較堅硬巖，中風(fēng)化為較軟巖～較堅硬巖，強(qiáng)風(fēng)化為較軟巖。強(qiáng)風(fēng)化巖Rc＝20.00MPa，中風(fēng)化巖Rc為23.5～49.9MPa，微風(fēng)化巖Rc為52.8～63.0MPa。

巖體的BQ值按式（1）計算：

使用式（1）時應(yīng)遵守下列限制條件：

（1）當(dāng)Rc＞90Kv+30時，應(yīng)以Rc＝90Kv+30和Kv代入計算BQ值；

（2）當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4 時，應(yīng)以Kv＝0.04Rc+0.4和Rc代入計算BQ值。

BQ值計算結(jié)果見表1。

表1 BQ值計算表

圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值的確定分以下幾種情況。

（1）地下水影響修正系數(shù)K1

隧道在進(jìn)出口段遇到地下水呈線狀流出，局部可能有涌水現(xiàn)象。綜合分析隧道涌水每延米每天不大于0.1m3。依據(jù)EH4 物探資料，推測K9+200—K9+340區(qū)段為相對富水區(qū)，對照地下水影響修正系數(shù)K1表，強(qiáng)～微風(fēng)化巖體的K1分別取0.4、0.3、0.2、0.2和0.1。

（2）結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2

隧道區(qū)主要發(fā)育有三組節(jié)理，共同作用將巖體切割呈簡單四面體或棱形柱體，需修正。隧道軸線走向101°，主結(jié)構(gòu)面走向為75°，傾角為19°，根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011），結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2=0.3。

（3）初始地應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3

隧道兩端均處于深切溝谷，初始地應(yīng)力應(yīng)有所釋放，因而兩端淺埋段初始地應(yīng)力較低。據(jù)鐵路隧道施工經(jīng)驗，本隧道最大埋深265m 左右，在開挖施工過程中產(chǎn)生巖爆的可能性小，所以本隧道不對初始應(yīng)力狀態(tài)影響進(jìn)行修正，但施工時仍有必要進(jìn)行超前預(yù)報。

修正后的圍巖質(zhì)量指標(biāo)[BQ]按式（2）進(jìn)行計算：

修正后的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)見表2。

表2 [BQ]值計算表格

按圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ 并參考物探資料劃分圍巖表，得出強(qiáng)風(fēng)化安山巖為Ⅴ級，進(jìn)出口附近較差中風(fēng)化為Ⅴ級，洞身處中風(fēng)化為Ⅳ級，微風(fēng)化為Ⅲ級。

3.2 EH—4在該圍巖分級中的應(yīng)用

針對BQ值法在圍巖分級中的問題，采用EH—4對隧道圍巖的電阻率進(jìn)行探測。沿隧道中軸線布置縱向測線，隧道區(qū)電阻率剖面如圖1所示，所得結(jié)論如下。

圖1 隧道區(qū)地層電阻率剖面圖

（1）K8+300—K8+580段

該剖面表層較低阻為覆蓋層，以全～強(qiáng)風(fēng)化安山巖為主；強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般在15～20m之間，局部較厚，約60m下為較完整微風(fēng)化安山巖，結(jié)合鉆孔資料推測該區(qū)段隧道開挖區(qū)及拱頂部分為中風(fēng)化安山巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)其他異常。

（2）K8+580—K8+700段

該剖面表層較低阻為覆蓋層，以全～強(qiáng)風(fēng)化安山巖為主，厚度在2～5m之間，分布均勻；強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般在15～20m之間，該區(qū)段隧道開挖區(qū)及拱頂部分位于較完整得高電阻區(qū)段，圍巖較好，未發(fā)現(xiàn)其他異常。

（3）K8+700—K8+860段

該剖面表層較低阻為覆蓋層，以全～強(qiáng)風(fēng)化安山巖為主；強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般在15～20m之間，結(jié)合橫斷面，該區(qū)段隧道開挖區(qū)及拱頂部分位為中～微風(fēng)化安山巖，開挖掌子面右側(cè)分布低電阻區(qū)域，未發(fā)現(xiàn)其他異常。

（4）K8+860—K9+070段

該剖面表層較低阻為覆蓋層，以全～強(qiáng)風(fēng)化安山巖為主；強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般在15～20m之間，該區(qū)段隧道開挖區(qū)及拱頂部分位于較完整得高電阻區(qū)段，圍巖較好，未發(fā)現(xiàn)其他異常。

（5）K9+070—K9+220段

該剖面表層較低阻為覆蓋層，以全～強(qiáng)風(fēng)化安山巖為主；強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般在15～20m之間，該區(qū)段隧道開挖區(qū)及拱頂部分位為中風(fēng)化安山巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，K9+200—K9+220為相對富水區(qū)。

（6）K9+220—K9+340段

該剖面表層較低阻為覆蓋層，以全～強(qiáng)風(fēng)化安山巖為主；強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般在15～20m之間，該區(qū)段顯示為較明顯的球狀風(fēng)化，隧道開挖區(qū)及拱頂部分位為強(qiáng)～中風(fēng)化安山巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，易分布初始水頭較大的地下水，設(shè)計及施工中應(yīng)采取相應(yīng)措施。

（7）K9+340—K9+450段

該剖面表層較低阻為覆蓋層，以全～強(qiáng)風(fēng)化安山巖為主，厚度在2～5m 之間，分布均勻；強(qiáng)風(fēng)化層厚度一般在15～20m 之間，結(jié)合鉆孔資料，隧道開挖區(qū)及拱頂部分位為中風(fēng)化安山巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理面可見溶蝕孔洞及地下水沉積方解石類物質(zhì)，設(shè)計及施工中應(yīng)采取相應(yīng)防水措施。

通過電阻率剖面解析，可以全面了解隧道圍巖整體變化情況，并結(jié)合勘探確定的BQ值，有助于合理地劃分隧道圍巖等級。通過該方法可以查明傳統(tǒng)方法無法準(zhǔn)確判斷的隧道涌水區(qū)段，通過解析圖可以看出K8+220—K9+340很可能賦存初始水頭較大的地下水。

4 結(jié)論

隧道所處圍巖是在地面以下，開挖前不可能完全查清其地質(zhì)特征，測得的數(shù)據(jù)的代表性、準(zhǔn)確性也不能完全保證，定量分析的BQ值法很難完全反應(yīng)巖體質(zhì)量。EH—4大地電磁法可以較全面地反應(yīng)隧道整體的圍巖分布，為定性分析圍巖分級提供依據(jù)，同時EH—4 可以有效地預(yù)報隧道區(qū)的富水區(qū)段，能在一定程度上預(yù)防隧道施工中涌水事故的發(fā)生。

在實際施工中，應(yīng)依據(jù)開挖情況，對所取分級數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行分析，完善修正，作到動態(tài)分級施工，以指導(dǎo)隧道施工設(shè)計。

[1] GB50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

[2] JTG C20—2011，公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[3] JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[4] JTG/T D70—2010，公路隧道設(shè)計細(xì)則[S].

[5] 何澤民，徐林生.公路隧道圍巖分級問題探討[J].西部探礦工程，2007（3）：138-141.