基于BQ值修正的巖溶隧道圍巖分級方法研究與應用

吳 敏 黃 智 劉大剛

(1.云桂鐵路云南有限責任公司， 昆明 650500；2.西南交通大學， 成都 610031)

巖溶是可溶巖地區隧道修建中常見的一種不良地質類型，給隧道建設造成了諸多困擾，因此，隧道巖溶問題一直以來都深受工程界人士的關注。在隧道巖溶眾多問題中，與巖溶隧道支護結構設計緊密相關的巖溶圍巖質量評價與分級已成為巖溶隧道研究的焦點[1-2]。

巖溶隧道圍巖分級實質為巖溶圍巖的質量評價問題。我國現有的圍巖分級方法未充分考慮巖溶等因素對圍巖分級的影響，存在一定的缺陷。近年來，相關學者針對巖溶圍巖分級方法開展了研究，研究思路與途徑大體分為兩類：一是以現有圍巖分級方法為基礎，考慮巖溶對圍巖質量的影響，融合建立適用于巖溶圍巖的圍巖分級方法[3-6]；一是結合巖溶特征，采用針對性的指標建立巖溶圍巖分級方法[7-9]。總體而言，巖溶圍巖分級方法的研究仍處于探索和發展階段，積極開展巖溶圍巖分級方法研究顯得十分必要。

本文以巖溶圍巖作為研究對象，通過開展巖溶對圍巖力學特性的影響分析，明確了巖溶對圍巖分級指標的影響規律及特征，建立了基于BQ值修正的巖溶圍巖定量化分級方法，可指導巖溶隧道圍巖質量評價與分級。

1 巖溶對圍巖力學特性的影響分析

為確定巖溶對圍巖分級指標的影響規律及特征，本文采用數值仿真試驗方法開展巖溶對圍巖力學特性的影響分析。數值仿真試驗模型尺寸的長、寬、高分別取50 m，模型單元采用solid95，D-P準則，模型內溶洞空間位置及其大小均采用隨機分布函數進行設置生產，溶洞的模擬采用溶洞范圍內單元殺死的方式實現[10]。試驗工況主要考慮圍巖條件和巖溶發育程度兩種因素，圍巖條件考慮Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3種圍巖級別；巖溶發育程度采用體巖溶率指標進行表征，考慮0%、1%、3%、5% 4種體巖溶率工況。

研究中，模型開啟大變形效應，采用位移加載方式，單次加載位移為0.5 m。通過計算，獲取不同圍巖級別、不同體巖溶率工況下的圍巖應力應變曲線。結果表明，不同圍巖級別的應力應變曲線具有相似性，典型圍巖級別數值仿真試驗曲線如圖1所示。

圖1 巖溶圍巖應力應變數值仿真試驗曲線圖

由圖1可以看出，巖溶圍巖應力應變曲線可大致分為3個階段，即彈性階段、塑性階段和屈服破壞階段。與完整圍巖相比，巖溶圍巖的變形模量值、極限應力值(可視為抗壓強度值)均有所下降，影響規律具體表現為巖溶越發育，下降程度越大。

因圍巖變形模量與巖體完整程度相關，而圍巖抗壓強度則與巖石堅硬程度相關，故對巖溶圍巖分級而言，可將巖溶作為圍巖分級修正指標加以考慮，重點考慮巖溶對巖石堅硬程度和巖體完整程度指標的修正影響。

2 巖溶對圍巖分級指標的定量影響分析

2.1 巖溶對巖石堅硬程度的定量影響分析

為定量分析巖溶對巖石堅硬程度指標的影響，引入抗壓強度折減系數，將其定義為巖溶圍巖抗壓強度與完整圍巖抗壓強度之比，即Rc′/Rc。依據各種圍巖條件下巖溶圍巖應力應變曲線數值仿真試驗結果，繪制不同圍巖級別條件下，體巖溶率與抗壓強度折減系數間相關性曲線，如圖2所示。

圖2 不同圍巖級別條件下體巖溶率對抗壓強度的影響曲線圖

通過回歸分析，建立抗壓強度折減系數與體巖溶率間的定量關系表達式：

(1)

式中：Rc′——巖溶圍巖的抗壓強度；

P——巖溶圍巖的體巖溶率；

Rc——完整圍巖的抗壓強度；

bi——公式擬合參數。

不同圍巖條件下bi的取值如表1所示。

表1 不同圍巖條件下參數bi取值表

由圖2和表1可知：(1)圍巖抗壓強度隨圍巖體巖溶率的增加整體呈降低趨勢；(2)體巖溶率相同，圍巖級別越高，則其抗壓強度折減系數越小；(3)各級圍巖回歸公式擬合度較高，可采用回歸公式對各級圍巖抗壓強度折減系數進行計算。

基于上述分析，獲得不同圍巖級別條件下，巖溶發育程度對巖石堅硬程度的影響特征如表2～表4所示。

表2 巖溶對Ⅲ級圍巖堅硬程度的影響表

表3 巖溶對Ⅳ級圍巖堅硬程度的影響表

表4 巖溶對Ⅴ級圍巖堅硬程度的影響表

由表2～表4可知，巖溶越發育，對圍巖堅硬程度的影響越大，圍巖級別越高，影響程度也越為顯著。

2.2 巖溶對巖體完整程度的定量影響分析

為定量分析巖溶對圍巖變形模量指標的影響，引入變形模量折減系數參數，將其定義為巖溶圍巖變形模量與完整圍巖變形模量之比，即Em/Er。根據各種圍巖條件下巖溶圍巖應力應變曲線數值仿真試驗結果，繪制不同圍巖級別條件下，巖溶圍巖變形模量折減系數隨體巖溶率間相關性曲線如圖3所示。

圖3 不同圍巖級別條件下體巖溶率對變形模量的影響圖

通過回歸分析，建立變形模量折減系數與體巖溶率之間的關系公式：

(2)

式中：Em—巖溶圍巖變形模量；

P—巖溶圍巖的體巖溶率；

Er—完整圍巖變形模量；

ci—公式擬合參數。

不同圍巖條件下ci的取值如表5所示。

表5 不同圍巖條件下參數ci取值表

由圖3和表5可知：(1)圍巖變形模量隨圍巖體巖溶率的增加整體呈降低趨勢；(2)體巖溶率相同，圍巖級別越高，則其變形模量折減系數越小；(3)各級圍巖回歸公式擬合度較高，可采用回歸公式對各級圍巖變形模量折減系數進行計算。

基于上述分析可知，體巖溶率與巖體完整程度之間的關系可轉化為圍巖變形模量與巖體完整程度之間的關系問題。需要說明的是，用以表征巖體完整程度的定量指標有多種，如圍巖彈性縱波速度KV、巖石質量指標RQD等，各定量指標間具有良好的相關性和對應性。根據相關學者的研究成果[11-12]，圍巖變形模量與巖石質量指標RQD間具有良好的相關性，兩指標間的經驗公式為：

Em/Er=0.023 1RQD-1.32

(3)

根據式(3)，分析不同圍巖級別條件下巖溶發育程度對巖體完整程度的影響特征，如表6～表8所示。

表6 巖溶對Ⅲ級圍巖完整程度的影響表

表7 巖溶對Ⅳ級圍巖完整程度的影響表

表8 巖溶對Ⅴ級圍巖完整程度的影響表

由表6～表8可知，巖溶微發育對圍巖完整程度基本無影響，其它情況下，發育程度越高，圍巖完整程度降低越大，且同等發育情況對各級圍巖完整程度的影響不盡相同。

3 巖溶圍巖分級方法建立

借鑒圍巖BQ定量分級法思路，巖溶圍巖分級方法可分為兩步實施。

(1)基本分級

依據現行規范，根據圍巖基本分級指標(巖石堅硬程度和巖體完整程度)計算圍巖基本質量指標BQ值，再進行圍巖基本級別劃分。

(2)級別修正

依據圍巖修正分級指標(地下水狀態、結構面產狀狀態、初始地應力狀態和巖溶發育程度狀態)修正圍巖基本質量指標BQ值，獲取巖溶圍巖質量指標值[BQ]溶,再進行圍巖級別劃分。

常規修正指標可按現行規范的修正方法進行修正，巖溶發育程度及其影響可引入參數ΔBQ溶進行修正，并按式(4)進行計算。

[BQ]溶<[BQ]ΔBQ溶

(4)

式中：[BQ]溶——考慮巖溶發育程度及其影響修正指標后的巖溶圍巖質量指標值；

[BQ] ——現行規范法考慮地下水出水狀態、結構面產狀狀態、初始地應力狀態三項修正指標后的巖溶圍巖質量指標值；

ΔBQ溶——巖溶發育程度及其影響修正指標的修正值，如表9所示。

表9 ΔBQ溶取值表

4 巖溶圍巖分級方法工程應用

某鐵路隧道巖溶發育段為YDK 35+580～YDK 35+730，區段內灰巖節理裂隙發育，巖體破碎，巖溶發育，主要分布在拱頂、洞身及隧底。溶洞為填充或半填充，填充物為粘土，軟塑，地下水不發育。溶洞空間位置示意如圖4所示。

圖4 隧道溶洞空間位置示意圖

針對上述巖溶發育段圍巖，分別對原設計圍巖分級、巖溶圍巖分級和實際施工圍巖分級結果進行綜合對比，結果如表10所示。

表10 某鐵路隧道巖溶圍巖分級結果對比分析表

由表10可以看出，采用巖溶圍巖分級方法的分級結果，與施工現場采用的圍巖分級結果吻合良好，對施工現場圍巖級別判定起到了積極的指導作用，同時也驗證了巖溶圍巖分級方法的合理性。

5 結論

本文通過對基于BQ值修正的巖溶隧道圍巖分級方法的研究，得到如下主要結論：

(1)通過巖溶對圍巖力學特性的影響分析，發現巖溶對圍巖質量的影響主要表現為對圍巖變形模量(彈性模量)和圍巖抗壓強度的影響。因此，在巖溶圍巖分級中，可將巖溶發育程度及其影響作為修正指標進行考慮，主要對巖石堅硬程度和巖體完整程度指標進行修正。

(2)通過巖溶對巖石堅硬程度、巖體完整程度的定量影響分析，建立了巖溶影響的定量關系表達式，為巖溶圍巖堅硬程度、完整程度定量評價提供了支撐。

(3)考慮巖溶對圍巖堅硬程度、完整程度指標的影響，給出了基于BQ值修正的巖溶圍巖分級方法，可為巖溶圍巖分級提供參考和借鑒。