上軟下硬地層隧道圍巖分級方法研究綜述

王鳴濤　李靜,2　吳波,3

(1.福建工程學院土木工程學院　福建福州　350118；2.福建工程學院土木工程學院和福州大學環境與資源學院　福建福州　350118;3.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室　福建福州　350118)

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上軟下硬地層隧道圍巖分級方法研究綜述

王鳴濤1李靜1,2吳波1,3

(1.福建工程學院土木工程學院福建福州350118；2.福建工程學院土木工程學院和福州大學環境與資源學院福建福州350118;3.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室福建福州350118)

隨著我國城市化進程的加快和隧道工程逐步向深部開發的必然趨勢，上軟下硬地層隧道工程將會越來越普遍。圍巖分級是上軟下硬地層隧道工程勘察、設計、施工的基本依據，也是保障工程施工安全、運營安全的基礎，其對隧道工程來說是基礎性的工作也是關鍵性的工作。在概括了解圍巖分級概念的基礎上，從國內外圍巖分級的發展史出發描述了當前上軟下硬地層隧道圍巖分級的研究現狀，針對性地闡述了目前在我國常用的三種圍巖分級方法：Q系統、RMR分類方法以及公路隧道圍巖分級BQ法。指出圍巖分級研究中存在的一些問題，發現在目前的研究中還沒有建立專門的上軟下硬復合地層隧道圍巖分級方面的研究體系，最后指出未來我國隧道圍巖分級的發展趨向。

上軟下硬地層；圍巖分級；研究現狀；發展趨向

0　引言

隧道是鐵路、公路和城市軌道交通建設的重要組成部分，也是解決我國可持續發展的重要途徑之一，我國隧道建設取得了重大的成就，據了解，我國鐵路運營總里程已突破11萬km，地鐵運營里程已突破500km，我國已是當今世界上隧道工程規模最大、數量最多、發展速度最快的國家，我國基礎設施建設的快速發展為隧道工程刻畫了廣闊的發展遠景。

近年來，我國在城市軌道交通、山嶺礦山隧道、水下交通隧道、市政隧道的建設中，經常會碰到隧道在開挖橫向斷面范圍內或開挖縱向方向上穿越兩種或多種物理力學特征相差很大的地層組合，這種復雜特殊的地層組合稱為復合地層[1]，最有代表性的便是上軟下硬地層，即隧道橫斷面上部是屬于第四系的軟弱地層而下部是硬質巖石地層或者上部是軟巖而下部是硬巖。隨著我國西部大開發戰略的實施、城市化進程的加快和隧道工程逐步向深部開發的必然趨勢，上軟下硬地層隧道工程將會越來越普遍。圍巖分級是隧道工程類比法的前提，精確判斷圍巖級別是隧道科學化設計、快速化施工的基礎。得到和工程實際情況相吻合的圍巖分級不僅對隧道結構設計的改善有著十分必要的意義，而且可以實現降低工程總造價和節能減排的目標[2]。

上軟下硬地層是由上部軟弱地層、下部硬巖地層和軟硬地層分界結構面構成的復雜組合地層系統。分界結構面常常是地下水富集和滲流的通道，地下水能夠引起圍巖軟化劣化、強度降低、層間結合力變差和滲漏潛蝕等，容易引發圍巖和掌子面滑移失穩；上部軟弱地層常常因為埋深較淺、圍巖自穩能力差，容易引發圍巖坍塌、大變形和掌子面擠出等工程災害；下部硬巖地層常常因爆破開挖，對上部軟弱圍巖和鄰近既有支護地擾動和破壞較大，容易引起隧道局部掉塊、支護破壞和坍塌失穩。

我國的隧道工程仍是在圍巖分級的基礎上進行勘探、設計和施工的，圍巖分級是指根據巖土體的物理、力學等指標，按隧道開挖后圍巖在無任何支護條件下的穩定性對圍巖進行的分級。圍巖分級是對全部地勘工作的最終綜合評價，地勘工作對隧道工程來講是最基礎性的工作，預設計階段先根據地勘工作成果進行圍巖的基本分級，再結合地下水狀態、初始地應力和軟弱結構面等地質因素對圍巖基本分級進一步地修正，最后得出圍巖詳細分級，此圍巖分級在施工階段依據地質預報等手段進一步補充完善修正后才能得出與現場實際情況相吻合的圍巖最終分級[3-4]，據此對工程實際進行科學動態設計和信息化施工。

目前，國內外應用規模比較普遍的隧道圍巖分級方法只是針對單一的土質隧道或巖質隧道進行分級，并且只是側重考慮巖石的堅硬程度和巖體的完整性程度兩個基本因素，適當地考慮地下水和初始地應力狀態等因素對圍巖分級進行修正，這對于一般地層較為適用，可是用于上軟下硬地層圍巖分級時準確率偏低，因此，開展上軟下硬地層隧道圍巖分級方法研究具有重要的實際意義。而且，開展上軟下硬地層隧道圍巖分級方法研究能為上軟下硬地層隧道的科學化設計、合理化施工、運營期間的維護和災害防治提供基礎理論和科學方法，對豐富我國隧道安全管理體系和發展隧道工程科學化設計、信息化施工有著十分重要的現實意義和科學意義。

1　國內外研究現狀及發展動態分析

圍巖分級實質上決定了作用在隧道初期支護及二次襯砌上載荷的大小及分布，也是地層能否與結構共同受力的依據；圍巖分級是初期支護及輔助施工措施設計的依據，也是施工方案設計的依據，它決定施工的安全與質量；圍巖分級決定了工程施工的難易程度、工程施工進度并決定了工程的造價高低；圍巖分級是二次襯砌參數設計的依據，由此決定了隧道運營的安全與質量[4]。所以，圍巖分級對實際工程(特別是一些特殊地層隧道如上軟下硬地層隧道)來說是基礎性、關鍵性的工作，是隧道工程勘察、設計和施工的基本依據，也是保障工程施工安全、運營安全和決定工程造價的基礎，科學意義和應用價值重大，因此，隧道圍巖分級成為目前國內外地下工程領域的重要研究方向。

1.1國外上軟下硬地層隧道圍巖分級研究現狀

國內外專家、學者對圍巖分級進行了大量的研究，并從定性、定量和定性定量結合上進行了大量的探索和實踐，取得了很多有意義的研究成果，但在上軟下硬地層隧道方面研究很少且不成體系。在國外應用范圍較廣的圍巖分級方法有以下幾種[4-14]：

(1)1906年前蘇聯著名學者普洛托奇雅柯諾夫提出了基于巖石強度指標的巖石堅固性系數分級法，即普氏分級法。

(2)1946年太沙基用圍巖在隧道開挖中所形成的壓力拱高度Hp把圍巖分為九級，每級圍巖都有一個相應的跟隧道的寬度或高度相關的巖石荷載值范圍。

(3)1958年H．Lauffer按隧道在開挖后不支護條件下圍巖的自穩時間將圍巖類別分成7類，并提出隧道可以暫時穩定時間ts的表達式。

(4)1963年加拿大科茨初次提出綜合考慮巖石堅硬程度、巖體完整性的巖石分類方法。

(5)1967年美國伊利諾斯大學狄爾等人提出了基于巖體完整性的巖石質量指標RQD分級法，將圍巖分為五級，此項指標在其后的許多圍巖穩定性分級中被廣泛采用。

(6)1968年日本巖石力學委員會提出了巖石穩定性分級法，之后經過長期研究，形成了根據彈性波速度進行鐵路隧道圍巖分級的規范方法，并通過研究掌子面的崩塌狀況，把土質圍巖分為粘質土和砂質土兩種類型圍巖進行了分級。

(7)1972年威克漢姆提出RSR分類法，該分級方法的評價數是根據大量的統計資料分析出來的，有一定的實用價值。

(8)1973年南非的比尼威斯基提出了RMR分類方法。

(9)1974年挪威著名學者巴頓等對多座隧道實例進行了歸納統計分析，建立了一種由六項指標(包括巖石質量、巖體節理粗糙度、節理組數、裂隙水影響因素、節理蝕變程度、初始地應力因素等方面)綜合評定巖體質量Q值的定量分級方法，不同的Q值分別對應九級圍巖。

國外圍巖分級(類)方法發展至今，學者們對圍巖分類做了大量研究，提出很多具有實際意義的圍巖分級(類)方法，任洋[15]按照其考慮指標的多少以及組合形式，對比較有代表性的分級(類)方法進行了整理，如表1。

表1國外圍巖分類方法一覽表

由表1可知，眾多專家、學者從不同的出發點提出了很多圍巖分級方法，各類分級方法在指標的選取上存在較大差別，但大多數學者都把巖石堅硬程度、巖體完整性以及地下水狀態、軟弱結構面和地應力等指標當作影響圍巖分級的基本指標，這對一般地質條件是適合的，但是對于上軟下硬地層隧道，其穩定性影響因素還包括工程因素，如隧道形狀、開挖工法、掘進尺寸等，現有的圍巖分級中并沒有體現。現對近年來對我國影響較大的兩種國外圍巖分級方法進行介紹：

(1)Q系統簡介

巴頓( Nick.Barton)等人在1974年建立了基于綜合因素(巖體完整性，節理特性，地下水狀態和地應力影響等)的巖體質量Q分級法，如式(1)。

(1)

式中：RQD—巖體質量指標，Jn—節理組數，Jr—節理粗糙度，Ja—節理蝕變系數，Jw—節理水折減系數，SRF—應力折減系數。

當前， Q分類系統在我國各類地下洞室的修建得到了廣泛應用，但還存在以下4方面的問題[16]：

①沒有把巖體結構面的最不利組合情況考慮進去；

②沒有把巖石的堅硬強度考慮進去，只是用應力折減系數來代替巖石的堅硬強度；

③尚有很多問題需要摸索，比如巖爆烈度等級與圍巖類別的關系等還不知曉；

④體系不健全，沒有考慮外界環境的影響，也沒有考慮工程因素的影響，故不適用于特殊地質條件如上軟下硬地層隧道的圍巖分級。

(2)RMR分類簡介

RMR分類是由Bieniawski在1973年提出，1989年發表于《工程巖體分類》一書中[17]。RMR分類方法由巖石堅硬強度、巖體質量指標值等5類參數綜合組成[18]，見表2。

由5個參數計算出來的RMR值變化范圍為0～100，據此把巖體分為5個級別，同時RMR分類還給出了巖體級別與地下硐室開挖后在不支護條件下圍巖的自穩時間和巖體強度指標的對應關系，如表3。

表2　RMR分類參數分類

表3　不支護地下開挖的自穩時間和巖體強度指標的對應關系

1.2國內上軟下硬地層隧道圍巖分級研究現狀

1949年以前，由于對隧道工程和地質條件的關系認識不充分，再加上缺乏有效的地質勘查手段，我國并沒有明確的圍巖分級方法。因此，在1949年以前修建的隧道，基本上是引用英國等國家的分級標準，如眾所周知的太沙基圍巖分級標準。

1950年初，通過向蘇聯學習，圍巖分級方法在我國得到了廣泛的應用，其中應用最多的就是在礦山系統中的普氏分級方法。到了20世紀70年代初，我國各部門做了大量的科學試驗研究，積累了豐富的實踐經驗，提出了許多具體的、結合各個行業特征的圍巖分級方法,但發現主流的圍巖分級仍是基于一種均質地層進行的，應用于上軟下硬地層隧道時如按硬質地層分級則不安全，若按軟質地層分級則造成浪費。目前國內主要有如下幾種分級方法[19-22]：

(1)1975年鐵道部出版的《鐵路工程技術規范·第3篇-隧道》，建立了以隧道穩定性為依據的鐵路隧道圍巖分級方法，使我國的隧道圍巖分級方法與國際上通用的分級方法越來越接近，并推動了我國水電、公路等部門地下工程圍巖分級方法的形成。

(2)1995年我國頒布了《工程巖體分級標準( GB50218-1994)》，標示著我國在巖體工程領域建立了第一部基準性規定，該標準采取定性劃分與指標計算的定量劃分相結合的方法對工程巖體進行分級。巖體的基本質量由巖石堅硬強度和巖體完整性兩個基本指標確定，修正指標主要包括地下水、主要軟弱結構面和初始地應力狀態。

(3)2004年頒布的《公路隧道設計規范( JTG D70-2004)》中的巖質圍巖分級引用了《工程巖體分級標準( GB50218-1994)》的成果，土質圍巖分級引用了鐵路隧道設計規范中的相關內容。

(4)2005年頒布的《鐵路隧道設計規范(TB 10003-2005)》中的隧道圍巖分級方法，形成了一個從勘測設計到施工的完整的、系統的體系。

(5)2010年頒布的《公路隧道設計細則( JTG/ T D70-2010)》采用定性特征劃分和定量指標劃分相結合的方法進行綜合評判，將隧道圍巖分為巖質圍巖和土質圍巖，分別進行了分級和亞級的劃分，并形成了一個從勘測設計到施工的完整的、系統的體系，代表了當時我國公路隧道圍巖分級研究的最新水平。

除此之外，在20世紀80～90年代間，我國的很多專家、著名學者對隧道工程的圍巖分級做出了重要貢獻，比如：谷德振、黃鼎成(1979)的 Z 分級；邢念信(1979，1984)的坑道工程圍巖分級；楊子文(1982，1984)的 M 分級；王石春等人(1980，1985)的 RMQ 分級；曹永成，杜伯輝(1995)基于 RMR 體系修改的 CSMR 法等[23-25]。

近年來，計算機領域和數學領域的快速發展使得一些數學理論方法應用到隧道圍巖分級中，如數理統計、模糊數學等。我國的何發亮、劉寶許、劉大剛、徐燕、王玉鎖、陳巖、吳波等分別應用一些新的理論和方法對圍巖分級進行了專門研究。這些方法有模糊數學理論、人工神經網絡、可拓學理論、層次分析理論、支持向量機理論、專家系統、灰色理論、分形理論等，可見隨著計算機領域和數學領域的發展，針對一些特殊地層如上軟下硬地層的圍巖分級擬將慢慢完善。

通過以上對圍巖分級發展史的介紹可以得知我國各個行業、部門所用的圍巖分級方法，基本上是經歷了從單一指標到多重指標，從定性描述到定性和定量相結合的過程。對目前有代表性的考慮多因素綜合指標的圍巖分級方法進行歸納總結，如表4所示。

由表4可知，國內隧道圍巖分類(級)方法隨著時間的前進正在漸漸完善，并且逐步與國際接軌，在影響圍巖級別高低的指標上也主要考慮巖石的堅硬程度、巖體完整性兩個基本指標和地下水、軟弱結構面與初始地應力狀態等修正指標，但是主流的圍巖分級還需完善，需進一步考慮環境因素、工程因素等的影響，建立考慮多種特殊地層如上軟下硬地層的圍巖分級方法。現對公路隧道圍巖分級BQ法作以下簡要介紹：

表4國內主要圍巖分類方法一覽表

《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)圍巖分級BQ法遵循《工程巖體分級標準》(GB50218-94)，采取定性初步劃分與定量因素相結合的圍巖分級方法。BQ法按兩步進行分級，首先根據巖石得堅硬程度和巖體完整性的計算進行初步分級，然后按修正公式對初步的到的BQ值再進行修正。BQ分級法用巖石單軸抗壓強度Rc來表征巖石的堅硬程度，用巖體完整性系數Kv表征巖體完整程度。BQ值計算公式見式(2)。

BQ=90+3Rc+250Kv

(2)

式中：Rc—采用實測的巖石點荷載強度指數IS(50)的換算值。

Rc按式(3)計算：

(3)

Kv值一般用彈性波探測值以式(4)計算：

Kv=(Vpm/Vpr)2

(4)

式中：Vpm—巖體巖石的彈性縱波速度(km/s)，Vpr—巖石的彈性縱波速度(km/s)。

圍巖基本質量指標修正值[BQ]按式(5)計算：

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(5)

式中：K1—地下水影響修正系數；K2—主要軟弱結構面產狀影響修正系數；K3—初始應力狀態影響修正系數。

由式(5)可知公路隧道圍巖分級BQ法是相對簡單的定量分級方法，其考慮的影響因素均是地質因素，沒有考慮隧道形狀、埋深等工程因素，所以不適用于上軟下硬地層。

2　目前存在的主要問題與發展趨勢

現如今，越來越多的上軟下硬地層隧道在修建，以往所用的圍巖分級方法在實際應用過程中都會顯現出一些缺陷和不足，具體表現如下：

第一，沒有建立專門的上軟下硬復合地層隧道圍巖分級方面的研究體系。

第二，分析國內外關于上軟下硬地層隧道圍巖分級研究成果可知，國內外教育工作者重點圍繞單一土質隧道或巖質隧道的圍巖分級開展了大量深入的研究，但是圍巖的穩定性受地質因素和工程因素的綜合影響，而現行的圍巖分級指標主要是基于地質因素卻沒有較好地考慮工程因素(如隧道埋深、跨度等)的影響，然則正是這些因素對隧道開挖后地應力的重分布有著重要的影響，因而使與實際工程相吻合的圍巖分級偏離了路線。

第三，將一定跨度隧道在無支護情況下隧道自穩時間作為圍巖自穩能力的評價指標，主要考慮了洞身的穩定性和開挖平面效應，沒有較好考慮掌子面的穩定性和開挖空間效應，沒有考慮地質因素與工程因素共同作用下對圍巖穩定性的影響。

綜上所述，從國內外隧道圍巖分級的發展史來看，主要有如下發展趨向[6,26]：

(1)建立適合于各種特殊地層的隧道圍巖分級方面的研究體系，如上軟下硬復合地層。方法是基于最新的國際標準《工程巖體分級標準(GB50218-2014)》和行業標準，從圍巖穩定性出發，建立完善的考慮地質因素和工程因素的上軟下硬地層隧道圍巖分級指標體系，然后建立上軟下硬地層隧道圍巖分級標準，最后建立上軟下硬地層隧道圍巖量化分級模型和方法。

(2)圍巖分級主要以隧道穩定性為依據，圍巖分級方法隨地質勘察方法的進步而快速發展，并逐步向多因素的綜合指標法分級演變。

(3)從考慮單一或少數因素的定性分級逐漸過渡到考慮多種因素的半定性、半定量相結合的分級，現逐步過渡到定分級，圍巖分級將與數學理論、巖體力學的發展密切相連。

(4)上軟下硬地層圍巖分級方法與隧道結構設計科學化、施工快速化的聯系越來越密切，我國隧道圍巖分級方法主要是分兩步走：首先以分級基本指標(巖石堅硬強度、巖體完整性)進行初步分級；然后用修正指標(地下水、初始地應力狀態等)對初步分級結果進行修正，最終得到修正后的圍巖級別。

(5) 上軟下硬地層隧道圍巖分級的發展與數學理論及計算機得發展相結合，引入如模糊理論[27]、人工神經網絡、可拓學理論、層次分析理論、支持向量機理論、灰色預測、分形幾何等非線性理論。利用快速發展的計算機軟件來實現圍巖分級的智能化判別是未來的必然趨勢。

3　結語

本文針對上軟下硬地層隧道的圍巖分級方法研究現狀進行了分析，主要得出如下結論：首先，目前國內外主流的圍巖分級方法只是針對單一均質地層進行分級，并不適用于上軟下硬地層，而且分級指標只是考慮了地質因素，沒有考慮外界環境以及工程因素的影響；其次，隨著計算機領域和數學領域的快速發展，一些數學方法應用到圍巖分級中，使得圍巖分級方法逐步趨于完善，并建立上軟下硬地層隧道圍巖分級體系。最后，提出的上軟下硬地層隧道圍巖分級方法的研究思路，即從圍巖穩定性出發，建立含有多因素的分級指標體系—建立分級標準—建立量化分級模型和方法。

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Review of Research on Classification Method of Surrounding Rock of Upper Soft and Lower Hard Stratum Tunnel

WANGMingtao1LIJing1,2WUBo1,3

(1.Fujian university of technology, college of civil engineering, Fuzhou 350118;2.College of Environment and Resoures,Fuzhou University,Fuzhou 350118;3.Fujian Provincial Key Laboratory for Advanced Technology and Informatization of Civil Engineering, Fuzhou 350118)

As China's urbanization process speeding up and the tunnel engineering gradually to deep development inevitable trend, upper soft and lower hard stratum tunnel engineering will be more and more common.Classification of surrounding rock is not only the basic basis of engineering investigation, design, construction in upper soft and lower hard stratum tunnel, but also the basic of ensuring the safety of engineering construction and operation, it is not only the basic work but also the key work for the tunnel engineering.On the basis of a comprehensive understanding of the concept of classification of surrounding rock,in order to achieve the purpose of describing the research status of classification method of surrounding rock of upper soft and lower hard stratum tunnel at present from the history of the development of domestic and international classification of surrounding rock, by means of narrating three foreign methods of classification of surrounding rock at present commonly used in domestic: Q system and RMR classification, as well as the method of surrounding rock classification of surrounding rock in the field of highway, namely the surrounding rock classification of highway tunnel BQ.It not only points Some of the problems existing in the study of classification of surrounding rock that special system of research on classification method of surrounding rock of upper soft and lower hard stratum tunnel has not been established in the current study, but also points out the development trend of surrounding rock classification in the future, in the end.

Upper soft and lower hard stratum; Classification of surrounding rock; Research status; Development trend

國家自然科學基金項目(51478118)，福建省自然科學基金項目(2014J01170)，城市地下工程安全風險管理及信息系統研究與開發

王鳴濤(1989.03-)，男，碩士研究生。

E-mail:961953882@qq.com

2016-03-14

U45

A

1004-6135(2016)06-0077-06