重慶地區典型土石混合體回填土區隧道圍巖分級研究

宋上明

(中鐵開發投資集團有限公司， 云南 昆明 650118)

0 引言

土石混合料是由性質差異懸殊的土和石組成的松散體，是一種介于土體和巖體之間的特殊地質體[1]。在早期的山地城鎮建設中，廣泛采用“開山填谷”的方式進行場地平整，從而形成大面積的深厚土石混合體回填區?，F今大力修建城市地鐵會不可避免地下穿這類土石混合體回填區，其隧道圍巖分級的準確性是工程設計的前提。根據《鐵路隧道設計規范》規定，土石混合體的圍巖級別可屬于Ⅳ級和Ⅴ級，但并未對Ⅳ級和Ⅴ級圍巖給出定量的物理力學指標進行劃分，因此，如何根據地勘結果或者現場測試結果準確地劃分土石混合體的圍巖級別，是困擾工程技術人員的一個難題。

國內外應用較多的圍巖分級方法主要包括按基本因素定性分級法和綜合各類因素人為定量打分法2大類。其中： 前者應用簡單，特別便于工程經驗豐富的人員采用，評級結果的準確性受應用者的主觀影響[2]； 后者評級結果較客觀，但有些定量指標較難準確確定，導致應用受限[3]。為此，近年來有學者提出了一些新的分級方法。針對不同發育程度的巖溶圍巖，李蒼松等[4]建立了一種合理的圍巖分級物理模型和數學模型，取得了較好的應用效果； 童建軍等[5]通過工程調研、理論研究和數值模擬等方法，提出了公路隧道圍巖亞級分級方法和分級標準，并建立了各亞級條件下的支護結構設計參數體系； 王明年等[6]針對我國當前公路隧道圍巖分級級別跨度大的問題，基于大量室內試驗獲得的物理力學參數統計結果，分別對巖體圍巖和土質圍巖進行了圍巖亞分級，并給出了各級圍巖的物理力學指標值。此外，陳煒韜等[7]采用類似的方法，基于大量的圍巖物理力學參數試驗結果和深埋數據統計結果，運用統計學方法對黏性土的液性指數、天然密度和塑性指數3個圍巖分級指標進行了定量研究； 梁慶國等[8]針對現有深埋黃土隧道圍巖力學特性方面的研究方法和成果的不足，建立了該條件下的試驗研究內容和研究方法。

綜上所述，雖然國內外針對圍巖分級有了較多的研究成果，但未有專門適用于土石混合體回填土隧道圍巖分級的方法。因此，迫切需要提出一種可根據現場易獲得的物性指標，對土石混合體回填土的圍巖級別進行快速和精確劃分的方法。本文以重慶典型的土石混合體回填土為研究對象，通過大量的文獻調研確定其圍巖分級物性指標，然后通過室內試驗獲得這些物性指標與力學參數的關系； 基于此，建立一種適用于重慶地區典型土石混合體回填土隧道圍巖分級的方法，對于指導該地區的隧道設計和施工具有重要的工程價值。

1 土石混合體回填土圍巖分級指標的確定

根據我國《鐵路隧道設計規范》[2]規定，隧道圍巖大致可分為土質圍巖和巖質圍巖2大類。巖質圍巖主要是由各類巖體或巖石組成的地質體，而土質圍巖是由各類土體或者含塊石土體組成的地質體，兩者在組成結構、力學性質上存在顯著差異，因此應采用不同的分級方法[9]。根據《工程地質手冊》[10]規定，大致可將土體分為碎石土、砂土、粉土和黏性土幾大類，每大類土體又可細分為幾小個類型。各大類土體的物理參數指標具有明顯的差異，因而導致其力學性質差異非常大，與其對應的圍巖級別亦有顯著差別。因此，對于土質圍巖而言，圍巖分級指標的選取應優先考慮那些對力學性質影響較大的物理參數指標。

土石混合體是由粒徑較小的黏質土和粒徑較大的塊石組成，因此，建立其分級指標應同時考慮黏質土和塊石這2種類型土的性質。已有大量文獻[11-14]開展了土石混合體力學性質方面的研究，結果發現影響土石混合體力學性質的主要因素有含石量、含水率、顆粒級配、孔隙比和巖性、土性等，且這些因素的影響并非完全不相關，其中影響最大且研究最多的因素為含石量、含水率、顆粒級配和孔隙比。

本文的研究對象為重慶典型的“開山填谷”的城市建設方式所產生的土石混合體回填土，回填時間普遍為2～15年，均處于欠固結狀態，密實程度普遍偏低，其變化較小，通過試驗測定孔隙比較大，相對密度較為松散，且重慶地區的土石混合體回填土的孔隙比處于一個較穩定的狀態，不同位置的孔隙比較為接近。因此，本文不考慮孔隙比對重慶地區土石混合體回填土強度的影響。從其組成成分上看，以粉質黏土和泥質砂巖為主，因此，可不考慮巖性和土性條件的影響。含石量與顆粒級配是2個非常相關的物理指標。顆粒級配(巖塊粒徑特征)所涵蓋的信息較含石量更全面，但不易量化，而含石量卻非常容易量化，且能夠很好地用來研究土石混合料的物理力學性質。巖石粗糙度亦有一定的影響。巖石粗糙度可以采用一定的方法進行定量描述，如國際巖石力學協會推薦使用的由Barton提出的10條節理粗糙度(JRC)標準剖面輪廓曲線的方法，但應用起來較為不便。

因此，為了同時兼顧分級方法的準確性和實用性，采用含石量和含水率2個物理指標作為土石混合體隧道圍巖的分級指標。

1.1 含石量

含石量是指土石混合體中的塊石質量所占總質量的百分比。目前，普遍將大于5 mm粒徑的顆粒定義為塊石，塊石鑲嵌在土石混合體的細粒土體中，形成一定的骨架作用，塊石含量越高，骨架作用越強，其對土石混合體的摩擦強度貢獻越大，但其黏聚力因細粒含量的降低而下降。因此，本圍巖分級方法將含石量作為評定土石混合體隧道圍巖分級的第一指標。

1.2 含水率

含水率是指土石混合體中所含水的質量與土體干質量的比值。水對巖土材料物理力學性質具有特別大的影響，這也一直成為國內外研究的熱門課題之一。研究表明，水對土石混合料的強度和變形性質具有顯著的軟化作用。因此，將含水率作為評定土石混合體隧道圍巖分級的第二指標。

2 土石混合體物理力學指標試驗研究

2.1 物理參數指標試驗

以重慶市渝北區典型的土石混合體回填土為研究對象，對其開展灌水法的天然密度試驗、篩分法的顆粒級配試驗、比重瓶法和虹吸管法的顆粒相對體積質量試驗等，測得回填土基本物理參數指標如表1所示?？傮w上，土石混合體回填土的天然含水率較高，處于較濕狀態，干密度較低，密實度較低，工程上屬于級配不良的土體。

表1 回填土物理參數指標

2.2 室內大型直剪試驗

為了研究不同含水率下土石混合體的強度性質，采用ZY50-2G型大型粗顆粒土直剪試驗機開展室內試驗，如圖1所示。試樣按照原狀土石混合體的顆粒級配、孔隙比和干密度，使用原狀土石混合體篩分后的土石顆粒進行重塑。分別按照晾曬后的含水率(3.35%)、天然含水率(9.22%)、飽和含水率(18.62%)以及介于天然含水率和飽和含水率之間的1種含水率(13.92%)配置4種不同含水率的土樣。儀器加載方式為位移控制方式，剪切速率采用0.8 mm/min的快剪方案，每組4個試樣的法向應力分別設定為200、400、600、800 kPa，試驗總共需配制16個試樣，均按照取料、拌合粒料、灑水、含水率測定、試樣裝盒、儀器準備、剪切等步驟進行。

圖1 ZY50-2G型大型粗顆粒土直剪試驗機

Fig. 1 ZY50-2G type large-scale direct shear test machine for coarse grain soil

通過室內大型直剪試驗得到不同含水率土石混合體的強度參數，如表2所示。由表2可知： 隨著含水率增加，土石混合體的黏聚力和內摩擦角都降低； 當回填土飽和(18.62%)時，黏聚力下降到12 kPa，內摩擦角下降到20.67°。說明水對回填土的強度參數有著明顯的弱化作用。

表2 不同含水率條件下回填土強度參數

2.3 室內大型三軸試驗

采用固結不排水三軸試驗研究不同含石量下土石混合體的強度性質。試驗儀器采用YS30-3B型應力路徑控制大型三軸試驗機，試樣尺寸為300 mm×600 mm，如圖2所示。試驗分成9組進行，各組分別配置含石量為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的試樣； 每組試驗包含4個試樣，分別在200、400、600、800 kPa圍壓下進行三軸剪切，剪切速率為0.6 mm/min。試驗總共需配制36個試樣，均按照取料、拌合粒料、灑水、裝樣、儀器準備、飽和、固結、剪切等步驟進行。

圖2 YS30-3B型應力路徑控制大型三軸試驗機

Fig. 2 YS30-3B type large-scale traixial test machine for stress path control

通過三軸試驗求得不同含石量試樣的抗剪強度指標，如圖3所示。由圖3可知： 當含石量為0%(純細粒土)時，黏聚力和內摩擦角分別為37.4 kPa和13°； 相比之下，當含石量不為0%時，土石混合料的黏聚力要更低，而內摩擦角則要更大。這一試驗結果與文獻[14]和文獻[15]中的試驗結論相同，亦滿足土石混合料強度性質的一般規律。

(a) 黏聚力

(b) 內摩擦角

Fig. 3 Shear strength indices of soil-rock mixture under different rock contents

隨試樣的含石量從0%增加到80%，內摩擦角逐漸增大，且增長速度呈慢—快—慢的特征，速度變化分界點的含石量分別是20%和60%。含石量低于20%時，內摩擦角隨含石量的增加并不大；而當含石量超過20%后，內摩擦角增加較快； 當含石量達60%時，內摩擦角較30%時提高了近15°； 此后，內摩擦角隨著含石量的增大進一步增加，但增加速度明顯減慢。相反地，黏聚力則呈下降規律，當含石量較低時，黏聚力隨含石量的增加而較快的下降；當含石量較高時，黏聚力下降較緩慢。

黏聚力出現以上規律，是因為在含石量較低時，增大含石量，回填土中的膠結物相對減少，顆粒間的膠結力降低使得黏聚力明顯下降； 而當含石量達到較高水平時，大顆粒的幾何堆積作用增強，此時顆粒間的表觀黏聚力隨之增大，即粗糙顆粒表面的相互嵌入、咬合及摩擦等效應增強，這使得黏聚力因得到補充而下降得緩慢。在實際工程中，對于土石回填土的黏聚力和內摩擦角，有必要先判定其含石量，再做經驗估計。

3 土石混合體回填土的分類

對于重慶地區的土石混合體回填土，含石量和含水率是影響土石混合體力學性質最為重要的因素，亦是其圍巖分級指標重點選用的物性指標。因此，為了方便重慶地區土石混合體回填土區域的工程建設設計，依據土石混合體的室內試驗結果，對其進行分類。

3.1 以含石量作為分類標準

土石混合料是由細粒土體和大顆粒塊石這2種性質相差極大的材料組成的一種巖土介質，土石混合體的顆粒結構將隨著含石量的變化而變化。含石量小于20%時，土石混合體中的塊石之間未形成可靠的接觸，而被細粒土體充分包裹著，此時的結構形式類似于塊石懸浮于細粒土中，因此，內摩擦角增長較慢，土體結構以細粒土為主導； 當含石量超過20%時，塊石之間開始有效接觸并形成有效的骨架作用，塊石間的接觸使內摩擦角增長較快，此時土體結構為細粒土和塊石共同作用；當含石量超過60%時，塊石間的接觸已經十分充分，使得這種接觸對摩擦角的貢獻增長緩慢，因此，內摩擦角增長較慢，土體結構以塊石為主導。

因此，含石量對土石混合體的強度和變形特性影響很大，可采用含石量對土石混合體進行分類。依據內摩擦角的變化規律和土石混合體的結構特征，可將土石混合體劃分為多土類、多石類和中間類，多土類和多石類界限含石量為20 %和 60 %，如表3所示。

表3重慶地區土石混合體回填土的含石量分類法

Table 3 Classification of backfill of soil rock mixture in Chongqing considering rock content

含石量P5/% 類別(0,20]多土類土石混合體(20,60]中間類土石混合體(60,100]多石類土石混合體

3.2 以含水率作為分類標準

由表2可知，隨著土石混合體回填土含水率的增大，黏聚力和內摩擦角都逐漸降低，且呈現出先快后慢的規律，說明水對回填土的強度參數有明顯的弱化作用。綜合以上分析，依據含水率的多少將土石混合料分為硬塑類、半干硬類、潮濕類和飽和類，采用等間距劃分方法，界限含水率分別為5%、10%、15%、20%，見表4。

表4重慶地區土石混合體回填土的含水率分類法

Table 4 Classification of backfill of soil rock mixture in Chongqing considering water content

含水率w/% 類別(0,5]硬塑類土石混合體 (5,10]半干硬類土石混合體(10,15]潮濕類土石混合體 (15,20]飽和類土石混合體

4 土石混合體回填土的圍巖分級

我國現行的《鐵路隧道設計規范》[2]中對土體的圍巖分級主要是基于土體的強度性質，隸屬土石混合體范疇的碎石土、卵石土、粗角礫土、粗圓礫土、大塊石土的圍巖級別主要為Ⅳ級和Ⅴ級。

為了便于工程應用，以現場易獲得的物性指標為依據，對圍巖級別進行細分。根據室內剪切試驗結果，含石量越大且含水率越低時，土石混合體回填土的強度越高，即圍巖條件越好。因此，根據《鐵路隧道設計規范》中對土體圍巖分級的規定，結合本文開展的土石混合體室內試驗和分類方法，對重慶地區土石混合體的圍巖級別進一步細分為Ⅳ、Ⅴa、Ⅴb3級，其中Ⅴa級和Ⅴb級分別為Ⅴ級稍好圍巖和Ⅴ級稍差圍巖，如表5所示。

利用表5即可對重慶地區典型土石混合體回填土區隧道圍巖進行快速分級，并根據圍巖分級結果對隧道支護結構進行合理的參數設計。

表5重慶地區土石混合體的圍巖分級

Table 5 Classification of surrounding rock mass of soil-rock mixture in Chongqing area

含石量P5/%含水率w/%(0,5](5,10](10,15](15,20](0,20]ⅤaⅤaⅤbⅤb(20,60]ⅣⅤaⅤaⅤb(60,100]ⅣⅣⅤaⅤa

5 結論與討論

5.1 結論

1)通過室內外試驗發現，重慶地區的土石混合體回填土的回填時間普遍為2～15年，相對密實度較低，天然含水率較高，處于較濕狀態，干密度較低，密實度較低，工程上屬于級配不良的土體。

2)隨著含水率的增大，土石混合體的黏聚力和內摩擦角都逐漸降低，且均表現為先快后慢的變化規律。黏聚力降低主要是因為含水率增大了顆粒間的水膜厚度，使得強結合水變為弱結合水。內摩擦角降低主要是因為水對顆粒咬合力和滑動摩擦力的潤滑作用。

3)隨著含石量的增大，土石混填體的內摩擦角呈慢—快—慢的增大規律，而黏聚力呈先快后慢的降低規律；含石量對土石混合體強度的影響本質上與塊石是否形成骨架以及形成骨架的強弱有關。

4)對于重慶地區的土石混合體回填土，其圍巖分級指標重點選用含水率和含石量。依據含石量可分為多土類、多石類和中間類；依據含水率可分為硬塑類、半干硬類、潮濕類和飽和類。

5)對重慶地區土石混合體圍巖進一步細分為Ⅳ、Ⅴa、Ⅴb3級，其中Ⅴa級和Ⅴb級分別為Ⅴ級稍好圍巖和Ⅴ級稍差圍巖。利用該分級方法即可對重慶地區典型土石混合體回填土區隧道圍巖進行快速分級，并根據圍巖分級結果對隧道支護結構進行合理的參數設計。

5.2 討論

本文所述圍巖分級方法與傳統通過打分確定圍巖級別的方法(如BQ分級)具有顯著區別，主要是依據含石量和含水率這2個物理指標來劃分，其最大的優點是可通過容易測定的含石量和含水率2個物理指標對現場圍巖級別進行快速劃分。雖然這種方法不可避免地會存在一定誤差，但在一定程度上是合理的，能夠較方便地應用于重慶地區土石混合體。后續將進一步結合具體的工程實踐，進行多因素組合試驗研究，以尋求更精準的圍巖分級方法。