隧道圍巖等級判別研究

朱加名

（云南交投集團云嶺建設有限公司，昆明 650041）

圍巖的級別劃分是對巖體最基本的判斷或認識，是設計地下結構隧道支護形式的主要依據，是判別隧道開挖后穩定性的重要指標。圍巖級別的劃分有定性判別和定量判別2種，一般是依據感官或簡單工具式的方法作出初略的估計即為定性的判別，然后依據需要測出詳盡的強度和完整程度數據，采用參數計算相應指標來準確地判斷圍巖級別作為定性方法。

圍巖級別的劃分具有很強的主觀性，特別是與定性方法中采用的感官指標與操作人員的經驗及鑒別能力關系較大。定量判斷則采用指標計算的方法，有一定的客觀性，但在選擇測試指標的巖體或巖石也具有很大的隨意性，采取巖樣的代表性直接決定了辨別結果。因此圍巖級別的判定在實際操作中仍需要一些更為具體詳細的操作準則。

圍巖或基巖的級別判定在不同的行業、不同的規范有不同的規定，但其級別的劃分均遵循最基本的巖體強度和完整程度這2個指標。輔助的修正指標則應依據具體的對象或應用場景對初步定出的指標進行修正，一般的指標是地下水、巖層結構面及地應力等。圍巖級別的判定與具體的使用場景或需求有直接關系，例如在邊坡中則主要用于研究邊坡穩定性，修正指標與巖層產狀關系較為密切，其次地下水也是影響邊坡穩定的重要指標。在確定地基承載力時側重于巖石的基本指標，強度和完整性是關鍵因素，其他因素影響極小。對于地下洞室結構除了基本指標外，修正指標也是影響穩定的重要因素，特別是隧道施工采用了新奧法，開挖后釋放圍巖應力還要充分利用圍巖的承載能力。隧道圍巖判別指標應充分考慮時間效應，特別是對于不良地質和特殊巖土，將相應的特殊指標納入圍巖判別是有必要的。

1 圍巖級別劃分的定性方法

圍巖級別劃分的最基本依據是GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》[1]，該標準給出了原則性的規定，是其他相關規范的母標準。其對圍巖級別定性的判別方法主要依據了強度和完整性2個指標。

其中強度指標采用了感官的判斷方法總計5個級別。對于硬質巖石通過小錘或榔頭敲擊判別聲音是否清脆，手感是否回彈、震手，對于敲碎的難易程度有直觀地判別，另外采用水浸泡觀察吸水情況。用這種直接的感官判斷是堅硬巖還是較堅硬巖，判別的指標較為明確，但該種方法需要有一定的工程經驗，特別是依賴工程地質的經驗對巖石有一定的認識。比如對未風化或微風化的花崗巖、輝綠巖、玄武巖和石英巖等應判斷為堅硬巖，并通過感官對這類巖石產生直覺上的經驗，類似的對于石灰巖、大理巖、白云巖和凝灰巖等常見的較堅硬巖石有感官判別。強度的另一個大類分級為軟質巖，其感官的判別方式仍然是敲擊和浸水，判斷的指標程度則與硬質巖有根本區別。通過敲擊后的凹痕、擊碎難易程度，以及浸水后能用指甲劃出印痕或是可以用手掰開、捏成團來區分為較軟巖、軟巖和極軟巖。軟質巖3個等級的判斷較為直觀，有工程對比則更容易判別。

為了能夠具有更強的操作性，具體實踐工作中完全可以采集5個級別的巖樣，首先通過直觀判斷出堅硬巖或軟質巖2個大類，隨后采用統一的小錘和水質，直接在現場通過敲擊和浸水觀察，對比測試對象與巖樣的直觀感受來判斷測試巖石與試樣的差異。這種方法可以很大程度避免測試人員經驗不足和隨意性，對測試準確性有一定的保證，同時相應巖樣通過統一標準的定性鑒別并大量制作，是一種高效低成本的方法，對于圍巖變化復雜需要隨時鑒別的情況具有很強的實用性。

完整程度指標的判斷則需要借助簡單的測量工具，總共劃分5個級別指標。判別劃分的依據則是4個基本指標：結構面類型、結構類型、結構面發育程度和結構面結合程度。首先從感官上可以分辨結構面類型屬于節理、裂隙、層面或是斷層；然后判斷結構面之間的結合程度，通常在掌子面開挖后可以直觀地通過分開結構面的難易程度判斷結合的好壞；結構類型則是隧洞開挖后依據洞渣的塊狀大小來劃分。結構面的發育程度則需要借助測量工具計算結構面的數量和間距來判斷。依據標準列表和工程經驗可以大概判斷完整程度。判別過程也應按照大指標為完整分出2類，大指標為破碎分出3類。

完整程度最根本的方法是確定體積節理數然后按照單位體積的節理數量查規范對應的完整程度系數。對于未開挖或完全揭露的巖體往往只有1個臨空面，其余5個面都是未知的，難于用規范的方法采用肉眼計數來準確獲得節理數。完整程度與破碎是1組相對立的指標，可以依據開挖后每立方米碎裂巖塊數量來判斷相應的破碎程度，或者通過統計分析開挖后的每立方米碎裂巖塊數量建立與體積節理數之間的函數關系或經驗公式。這種方法可以在施工過程中完全通過掌子面開挖相應體積的巖體，然后通過計算碎裂成獨立巖石的數量來判斷相應的完整程度，這需要建立相應的統計關系。同時也可以將掌子面開挖出的一小部分巖體全部計數拋入水箱或水桶統計一定體積的碎裂數量。在這種操作中應建立一定的標準，對于不同強度等級的巖石碎塊的最小體積應有所限制，避免隨機的碎屑對統計結果產生影響。

通過觀感定性判別出強度的5個級別和完成程度的5個級別，然后將強度和完成程度分別橫列、縱列排序（強度作為橫坐標、完整程度作為縱坐標）依據2個指標的組合定性劃分為I～V級圍巖見表1。

表1 隧道圍巖級別定性劃分

2 圍巖級別劃分的定量方法

圍巖級別的定量劃分仍是依據強度和完整程度按照數值計算指標來劃分，強度采用的是巖石飽和單軸抗壓強度，這在一般的具備萬能壓力試驗機的現場工地實驗室均可以得到。但巖樣的采集和制備有困難，特別對于破碎的巖體，既要巖樣具有代表性又要具備必要的標準尺寸，有時難以取得，且得到試樣較少而代價較大，難以大規模地應用。另一種簡單的方式則是通過點荷載試驗結果換算得到飽和單軸抗壓強度。點荷載試驗則依據GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》[2]執行，點荷載試驗可以采用簡單儀器在現場廣泛試驗，通過增加較多的試驗結果，使其在統計意義上具有普遍的代表性。

在規范中完整程度指標是巖體與巖石的彈性縱波速度比值的平方，現場通過測試巖體和巖石的波速即可得到這個指標。但測試波速難度較大，特別是對于巖石波速，其代表性巖樣的選擇或是測試中都會產生較大的偏差。巖石指的是完整的巖塊，其大小不一，波速測試難度較大，為達到具備代表性，需要較多的試驗數據。巖體則是整個隧道掌子面前方所有巖石，包含了所有的節理或裂縫，測試巖體波速相對較容易且具有代表性。

通過上述試驗方法得到圍巖飽和抗壓強度和完整性指標后，即可通過相關研究[1]中的經驗計算公式BQ=100+3R+250Kv，得出巖體基本質量指標，式中：R為巖體飽和單軸抗壓強度，Kv為巖體完整性指標。得出指標后可依據BQ值所處的區間通過規范查表得出初步的圍巖等級。這是較初略的定性方法，為得到更為準確的判斷指標，初始的BQ值還應依據工程所處的地下水影響、主要結構面產狀和圍巖應力狀態進行修正得到最終的BQ值，再次查表得到圍巖級別。定量判斷方法相對比較準確，僅在BQ值的區間邊界處可能存在爭議，這時結合定性的方法均能對圍巖級別有準確的劃分。

3 公路與鐵路隧道圍巖級別判定的異同

JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范 第一冊 建工程》[3]對隧道圍巖分級的方法與巖體分級方法標準在原則上是完全一致的，不同在于公路隧道考慮到圍巖并非巖體的情況，且將總的圍巖級別數量增加到6個級別。針對土體將壓密或密實的黏性土、砂土，地質年代為Q1、Q2的黃土，鈣質、鐵質膠結的碎石土，卵石土歸類于IV級圍巖。將第四系的半干硬至硬塑的黏性土，稍濕至潮濕的碎石土、卵石、礫石土及一些松軟結構的土體歸類為V級圍巖。另外新增加了VI級圍巖，其包含的范圍是軟塑狀黏性土、潮濕或飽和粉細砂、軟土等。

TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[4]對圍巖分級方法主要判別指標與前述在原則上一致，但在整個分類方法體系和細化方式上有所不同。隧道圍巖級別劃分為6類，依據定性（感官指標）或初步的BQ值劃定圍巖基本等級后，即便是定性判斷方法得出的結論也可直接依據地下水的出水狀態、初始地應力狀態直接對圍巖級別進行調整。地下水的出水狀態對III～V級的影響較大，越差的圍巖影響越顯著，地應力的影響也是類似的調整方法。另外鐵路規范中提出1種圍巖亞分級的概念，其針對的是III～V級圍巖，將1個級別再細分為帶下標的2個級別。例如將III級圍巖細化為III1級和III2級，依據是直接將BQ值原來屬于III級的區間劃分為2個區間。定性判別時工程地質特征描述就需要更加細化，在規范中除了強度、完整程度的組合外還將結構面的發育和結合情況用于判別，實際應用中感官判斷本就因人而異，有很強的主觀性，因此亞分級的描述指標雖然更為細化，但邊界判斷不準，或難以區分感官指標的細微差距，實際應用中不便于操作。在鐵路隧道中將不同巖石的巖性類型劃分為A、B、C、D和E 5個大類，其依據主要取決于巖石的種類，比如花崗巖、輝綠巖、玄武巖和石英巖為A類；石灰巖、白云巖等碳酸巖為B類；大理巖、板巖和砂巖為C類。通過類別和圍巖彈性縱波速的區間直接劃定圍巖級別，實際巖石類型反映的是巖石強度特性，而波速可以在一定程度上反映出巖體的完整程度，在大原則上這與巖體分級標準的2個指標是一致的，僅是指標差異和精度的差異。

鐵路隧道中將定性判斷的圍巖級別直接通過圍巖產狀、地下水單一影響指標調整，這種方式較難反映多因數共同影響的結果。另外在前述討論中還提到定性判斷的主觀性較強，其圍巖調整也可能依據不充分。同時在其他規范中均無這種做法。通過定量計算BQ值后再通過修正指標判斷圍巖級別可以綜合考慮各因素的影響，更具實用性。另外鐵路隧道亞分級的概念主要還是界限的劃分方式不同，對于III～V級圍巖更加細致，對于支護類型的選擇或施工中安全控制有更為直觀的指標。但亞分級的指標并未應用在隧道圍巖壓力的計算中。目前隧道荷載通過圍巖級別作為計算參數得到的結果是臺階形的而非線性。在積累大量的施工測試數據基礎上可以建立BQ指標與隧道圍巖的對應經驗公式，這可更為準確地改善目前規范中隧道荷載的計算方法。

4 圍巖級別修正的其他指標

圍巖級別劃分總原則是強度和完整性，另外是否可參考一些工程措施后的宏觀指標特性對圍巖級別進行修正有待商榷。特別是圍巖開挖后的穩定時間或穩定狀態，在公路、鐵路隧道規范中提出了不同級別圍巖在開挖后的穩定狀態，是否可以依據圍巖的穩定狀態判別隧道的圍巖級別并沒有明確。研究發現隧道施工過程中的穩定性是圍巖級別的直接表達，可以依據隧道開挖后的穩定狀態對隧道圍巖進行相應修正，或者對BQ指標進行修正。在施工過程中這種相互印證具有廣泛的工程實例或經驗，隧道施工過程中積累了大量的實測數據。特別是隧道變形（拱頂沉降、周邊收斂）伴隨整個隧道的施工過程。隧道施工過程中預留變形量具有極大的不確定性，預留變形量過大則造成后期二襯的混凝土工程量增加，預留變形量不足則造成二襯厚度不足或侵入隧道建筑限界，造成換拱等嚴重后果。如將隧道變形的測量統計納入到BQ值的修正中，則可從宏觀的隧道穩定性及測量數據的統計分析中及時對隧道圍巖等級進行調整，從而影響相應的設計支護參數，施工方法也做動態調整。比如按照指標判斷出圍巖為V級，但開挖后的穩定狀態達到了IV級的指標，相應的變形量測數據均與IV級圍巖相似，將相應的圍巖級別調低是具有充分依據且能保證安全的，從而節約工程建造成本。反之較低的圍巖級別通過施工后，相應的測量數據都超越了本級的特征值則應調高BQ值和隧道圍巖級別，從而加強隧道支護形式以保證施工安全。其次開挖后的圍巖變形量隨時間發展的關系也應納入到圍巖級別的修正中。在施工中監控量測積累了圍巖大量隨時間變形的數據，特別是隧道開挖后至初支到二襯澆筑各個施工階段都對隧道的拱頂沉降、周邊收斂積累了大量的監測數據。隧道變形隨時間的關系曲線在一定程度上可以反映圍巖在應力釋放中的承載力變化，或是用于預判圍巖穩定隨時間的變化，對指導施工具有實際意義。另外施工方法的適應性也直接與隧道圍巖相匹配，比如一般的IV級圍巖下采用三臺階施工方法，在某個段落按照相同的進尺和安全步距，卻不能保證隧道正常施工，則需相應修正BQ值。這種依據隧道施工情況對隧道圍巖級別的修正對于隧道設計或施工都具有重要意義，值得在今后繼續研究。

5 結束語

隧道圍巖分級依據強度和完整性2個主要指標進行定性和定量判別得出初步的圍巖級別。然后依據地下水、圍巖應力狀態和結構面等對圍巖指標進行調整，在具體的操作上，公路隧道規范與鐵路隧道規范有所不同。

對于隧道定性判斷提出了采用巖樣對比測試的方法判斷強度等級，可以提高感官判斷的準確性。采用碎塊統計測算體積節理數的方法可以提高可操作性。

依據圍巖結果的應用可判斷圍巖穩定性及為支護結構的設計提供依據，應依據開挖后圍巖的穩定狀態或監控測量收集的圍巖變形數據用于隧道的圍巖判別或作為修正指標，這對于工程應用具有實踐意義。