黃龍山隧道圍巖分級方法研究

鄭曉碩 何 淼

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142； 2.中鐵一局天津建設工程有限公司,天津 300000)

巖體工程分級是通過對巖體各項測試指標的分析,結(jié)合工程地質(zhì)條件和巖體力學性質(zhì)參數(shù),并借鑒已建工程設計、施工和處理等方面成功與失敗的經(jīng)驗教訓,對巖體進行歸類的一種工作方法。其目的是通過分級,概括地反映各類工程巖體的質(zhì)量好壞,預測可能出現(xiàn)的巖體力學問題，為工程設計、支護襯砌、建筑物選型和施工方法選擇等提供參數(shù)和依據(jù)。

以黃龍山隧道為例,探討了RMR法、Q指標法和《公路隧道規(guī)范》(JTG D70—2004)中的二級分級法在工程中的適用性。

1 工程地質(zhì)概況

隧道區(qū)地處風化剝蝕殘坡積的壟崗地貌區(qū),地貌單元屬剝蝕殘丘。黃龍山山體走向近東西向展布,地形起伏較小,地面高程在31.00～89.60 m之間,相對高差56.60 m,隧道軸線走向近南北向,與山體走向近正交,軸線經(jīng)過處最大高程約89 m,最底高程約33 m,相對高差約56 m。

隧道區(qū)上覆殘坡積(Qel+dl)含碎石亞黏土、中更新統(tǒng)(Q2)沖洪積含碎石亞黏土、亞黏土,下伏基巖為石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2h)灰?guī)r，泥盆系上統(tǒng)五通組(D3w)石英砂巖，志留系中統(tǒng)墳頭組(S2f)泥巖、砂巖、頁巖互層。

區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育。隧道進口處K3+100右側(cè)22 m有一水塘,水塘距隧道右洞僅3 m,接受大氣降水的補給,隧道底板高程低于水塘內(nèi)水位。此處含礫亞黏土層雖具有較好的隔水作用,但土層仍具有一定的滲透性,塘內(nèi)的水會滲透至隧道洞室內(nèi)造成洞室滴水或滲水。隧道地下水主要為上層滯水、基巖裂隙水及巖溶裂隙水。該區(qū)域水文地質(zhì)條件屬簡單類型。

隧道區(qū)不良地層主要為：膨脹土、軟弱夾層、人工堆積物。

2 圍巖分級方法應用研究

采用Q指標法、RMR法和《公路隧道設計規(guī)范》中介紹的二級分級法,通過對黃龍山隧道的工程地質(zhì)情況進行詳細的分析研究,得出各種分級方法中的參數(shù)的詳細取值,最后得出三種方法各自的分級結(jié)果(如表1所示)。

3 圍巖分級方法評價

3.1 三種方法對于黃龍山隧道的適用性

(1)RMR分級

RMR分級方法主要考慮節(jié)理條件因素,同時對巖石強度和地下水因素進行分析,而忽略了地應力的影響。對于高應力地區(qū),該圍巖分級方法不夠適用,而黃龍山隧道埋深淺,節(jié)理發(fā)育,地應力較低,RMR分級方法所側(cè)重考慮的因素都能在黃龍山隧道現(xiàn)場得到明顯的反映。因而本方法理論上適用于本隧道。

表1 黃龍山隧道圍巖分級結(jié)果

而RMR分級方法的不足之處主要在兩方面：一是對于RQD值的確定,RQD作為反映巖體完整性的一個重要指標,必須準確且具有代表性,而實際現(xiàn)場中根據(jù)鉆孔巖心所測得RQD值往往具有離散性大、精確度小等缺陷。原因在于：一方面巖體節(jié)理發(fā)育的不均一性和各向異性,造成不同地點、甚至同一地點的不同方向其RQD值都存在顯著的差異。另一方面,根據(jù)RQD定義,鉆孔巖心長度大于10 cm的巖心長度之和占鉆孔總長度的百分比。該定義中取界限值為10 cm存在很大爭議,對某些層狀巖體,如果其層間距普遍偏小于10 cm,當鉆孔方向垂直于巖層方向時,根據(jù)定義,RQD值為0,而實際巖體完整性很好。因此,對于10 cm這個界限值,應該采用較為科學合理的方法給予代替。同時,人為因素所產(chǎn)生的誤差也會對RQD的準確性產(chǎn)生影響。二是RMR分級方法十分重視巖體中結(jié)構(gòu)面的因素,而對黃龍山隧道進出口段膨脹土巖體,無法對其指標進行定量的評價[1]。

(2)Q指標分級

Q指標分級對于結(jié)構(gòu)面的考慮較RMR分級更為嚴格。它通過對于節(jié)理各方面因素的全面考慮,對巖體的完整性,結(jié)構(gòu)面形態(tài)等做出詳細的分析，同時考慮了水與地應力等因素。它將各個單一因素通過數(shù)學公式結(jié)合到一起,更能反映出巖體的綜合性質(zhì)，采用這種方法對類似于黃龍山隧道這樣的埋深淺,節(jié)理面發(fā)育的圍巖進行分級,可以得出較為理想的結(jié)果。

而其不足之處在于沒有考慮巖體的單軸抗壓強度,因而對其研究對象產(chǎn)生了很大的局限性。在考慮因素方面,除了RQD是對圍巖質(zhì)量作出了定量判斷外,其余5個因素都是通過定性分析得出的結(jié)果。Q指標分級方法中很多指標的確定沒有和相應的地質(zhì)測試手段聯(lián)系起來,在確定各項指標時,需要依靠經(jīng)驗來判定。因此,在分級過程中,人的主觀因素就起了很大的作用,而降低了在分級計算過程中的客觀性。這對于分級結(jié)果的準確性會造成不利影響[2]。

(3)《公路隧道設計規(guī)范》分級

《公路隧道設計規(guī)范》(JTG D70—2004)中所介紹的二級分級法指出：巖體基本質(zhì)量應由巖石的堅硬程度和巖體的完整程度決定,它通過定性劃分和定量確定兩種方法確定參數(shù),然后結(jié)合地下水,軟弱結(jié)構(gòu)面條件和地應力影響對初步分級結(jié)果進行修正。

結(jié)合該方法對黃龍山隧道工程地質(zhì)特點,它的優(yōu)點在于考慮因素比較全面,它不僅考慮了巖石的強度,還對巖體的完整性進行了充分的分析,對隧道進出口段的塑性土巖體可以進行定量的確定。而且在進行地下水修正時,考慮了巖體初步分級的結(jié)果,因為對于質(zhì)量較好的巖體,地下水對圍巖穩(wěn)定性基本上不產(chǎn)生影響,能夠較為客觀地對初步分級結(jié)果進行修正。該方法對于堅硬巖體較為適用,對于黃龍山隧道,由于巖石強度較低,因而分級結(jié)果會與真實結(jié)果產(chǎn)生較明顯的差異。

3.2 三種方法之間的線性關(guān)系

(1)RMR分級與Q指標分級之間的關(guān)系

Bieniawski(1976)在大量實測統(tǒng)計的基礎上,發(fā)現(xiàn)Q值與RMR值間具有如下的統(tǒng)計關(guān)系[3]

RMR=9lgQ+44

由此公式,并結(jié)合黃龍山隧道RMR分級和Q指標分級兩種分級方法的結(jié)果,可以得出RMR值與Q值的線性關(guān)系(如圖1所示)。

圖1 RMR值與Q值的線性關(guān)系

由圖1可以看出,曲線RMR=9lgQ+44為一條對數(shù)曲線,圖中1點和3點與曲線相關(guān)性較好,2點和4點與曲線相關(guān)性較差,1點、4點和2點位于曲線RMR=9lgQ+44下方,這三點所對應路段的RMR值比理論的Q值要低,而3點位于曲線上方,此點所對應路段的RMR值比理論的Q值要偏高。

(2)《公路隧道設計規(guī)范》分級與RMR分級的線性關(guān)系

根據(jù)周志東提出的[BQ]與RMR評分線性關(guān)系式：[BQ]=6.889 5+22.614,并結(jié)合RMR分級和《公路隧道設計規(guī)范》分級對黃龍山隧道的圍巖分級結(jié)果,做出RMR評分與BQ修正值之間的線性關(guān)系(如圖2所示)。

圖2 RMR值與BQ修正值的線性關(guān)系

由圖2可以看出,曲線[BQ]=6.885 9RMR+22.614為一條直線,1、2、3、4點與該直線的線性關(guān)系不是很好,四點均位于直線上方,即[BQ]值要低于RMR值。通過此圖可以看出,兩種分級方法對本隧道圍巖分級存在顯著差異。

3.3 隧道分段級別分析

(1)進出口段(K3+068～K3+145和K3+471～K3+480)圍巖級別分析

該路段按RMR分級圍巖級別為Ⅴ級,巖體質(zhì)量描述為很差的巖體；按Q指標分級為Ⅴ級,圍巖級別為很差；按《公路隧道設計規(guī)范》分級,[BQ]值為121.9,級別為Ⅵ級圍巖,質(zhì)量評價為塑性亞黏土,軟土。該路段按三種方法分級結(jié)果比較接近,都屬于三種方法中最差的巖體。而設計圍巖級別也是Ⅴ級,是最差的圍巖,結(jié)果相差不大。但是分級過程中,由于RMR分級和Q指標分級均未對土類巖體進行定量的評價,只能通過定性來判斷出圍巖級別,缺乏客觀性,對于此路段圍巖分級不太適用。而規(guī)范分級可以得出該分級各項指標的具體值,進而得出其修正后的[BQ]值,對于此類圍巖較為合理。

根據(jù)以上分析,此路段圍巖為Ⅴ級圍巖,質(zhì)量為很差。

(2)K3+145～K3+245段圍巖級別分析

該路段RMR分級評分為38,圍巖級別為Ⅳ級,質(zhì)量評價為差巖體；Q指標分級Q值為0.126,級別為Ⅳ級,質(zhì)量評價為差；按《公路隧道設計規(guī)范》分級,其[BQ]值為183.3,圍巖級別為Ⅴ級,質(zhì)量為軟巖,巖體破碎。

RMR分級和Q指標分級兩種方法所得出的圍巖級別相同,此路段節(jié)理發(fā)育,兩種方法對于本路段圍巖分級都比較適合。根據(jù)RMR分級和Q指標分級的線性關(guān)系圖可以看出,該點與關(guān)系式RMR=9lgQ+44線性關(guān)系較好。

而《公路隧道設計規(guī)范》分級相對于其他兩種分級則差別較大,線性關(guān)系圖顯示[BQ]值偏小,原因在于《公路隧道設計規(guī)范》分級方法在計算圍巖級別過程中,重點了考慮巖石單軸抗壓強度,該路段圍巖強度低,所得出的BQ值較低,修正時,側(cè)重考慮軟弱結(jié)構(gòu)面的修正,隧道結(jié)構(gòu)面走向與隧道走向近正交。對于RMR分級,結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀對圍巖分級的修正為很有利,但《公路隧道設計規(guī)范》中,對圍巖分級中軟弱結(jié)構(gòu)面考慮要求較高,盡管結(jié)構(gòu)面對圍巖穩(wěn)定性基本不產(chǎn)生影響,其修正系數(shù)K2取值仍取0.1,此兩方面原因?qū)е耓BQ]值偏低。由此可以看出,《公路隧道設計規(guī)范》分級法對于堅硬巖體較為適合。

(3)K3+245～K3+315段圍巖級別分析

該路段RMR分級評分為42,圍巖級別為Ⅳ級,圍巖質(zhì)量評價為差巖體；Q指標分級Q值為0.720,圍巖級別Ⅳ級,圍巖質(zhì)量評價為差；《公路隧道設計規(guī)范》分級[BQ]值為253.6,圍巖級別為Ⅳ級,圍巖質(zhì)量評價為較軟巖,巖體較破碎。三種方法分級結(jié)果基本一致,但對比RMR分級和Q指標分級,根據(jù)圖1可以看出,盡管兩種方法對于圍巖級別的劃分一致,都是Ⅳ級圍巖,但該路段對應點與曲線RMR=9lgQ+44距離較遠,RMR值相對于Q值明顯偏低。結(jié)合該路段工程地質(zhì)情況分析,其主要原因主要有以下幾點：

①該路段雖然圍巖受風化影響較小,但巖體質(zhì)量較差,單軸抗壓強度較低,因此對于RMR法其評分較低,而Q指標法沒有考慮巖體的單軸抗壓強度。

②該路段節(jié)理明顯,節(jié)理面平直較起伏,Q指標分級中節(jié)理面粗糙度系數(shù)Jr取值較高。因此,其Q值較高。

對比RMR分級和《公路隧道設計規(guī)范》分級,根據(jù)圖2可以看出,對應點據(jù)線性方程[BQ]=6.885 9RMR+22.614較遠,[BQ]值相對較低,原因同樣在于《公路隧道設計規(guī)范》分級側(cè)重考慮圍巖單軸抗壓強度和軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀,而在RMR分級中,單軸抗壓強度不是側(cè)重考慮對象,且結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對隧道圍巖穩(wěn)定性不產(chǎn)生影響,因而RMR評分相對與[BQ]值偏高。

(4)K3+315～K3+350段圍巖級別評價

該路段RMR分級評分為56,圍巖級別為Ⅲ級,圍巖質(zhì)量評價為一般巖體；Q指標分級Q值為1.092,圍巖級別Ⅲ級,圍巖質(zhì)量評價為較差；《公路隧道設計規(guī)范》分級[BQ]值為294,圍巖級別為Ⅳ級,圍巖質(zhì)量評價為較軟巖,巖體較破碎。三種方法對于該段圍巖級別的評定有很明顯的區(qū)別。

對比RMR分級和Q指標分級,通過圖1可以看出,該路段對應點與曲線RMR=9lgQ+44線性關(guān)系較好,因此兩種方法對于此路段圍巖分級不存在太大差異,而對比RMR分級和《公路隧道設計規(guī)范》分級則存在顯著的差異。通過表2可以看出,此路段對應點與方程相關(guān)性最差,[BQ]明顯偏低,其原因除了《公路隧道設計規(guī)范》分級側(cè)重考慮圍巖單軸抗壓強度外,再一方面是其地下水較其他路段豐富。而《公路隧道設計規(guī)范》分級側(cè)重考慮了單軸抗壓強度和對地下水的折減,因此其地下水影響修正系數(shù)K1取值偏高,因此[BQ]值明顯要相對于RMR分級評分和Q值低。

(5)K3+350～K3+471段圍巖級別評價

該路段RMR分級評分41,圍巖級別為Ⅳ級,圍巖質(zhì)量評價為差巖體；Q指標分級Q值為0.055,圍巖級別Ⅴ級,圍巖質(zhì)量評價為很差；《公路隧道設計規(guī)范》分級[BQ]值為213.6,圍巖級別為Ⅳ級,圍巖質(zhì)量評價為較軟巖,巖體較破碎。

RMR分級和Q指標分級,該段對應點與方程RMR=9lgQ+44相關(guān)性較差,RMR評分相對于Q值偏小。一方面在于該路段圍巖強度低,關(guān)于巖體單軸抗壓強度的評分較低；再一方面是結(jié)構(gòu)面較粗糙,其節(jié)理粗糙度系數(shù)Jr取值較高。因此,該點與線性方程相關(guān)性較差。

RMR分級和《公路隧道設計規(guī)范》分級,對應點同樣與方程不相關(guān)。

4 結(jié)論

以黃龍山隧道為研究對象,在深入了解其工程地質(zhì)情況的基礎上,采用RMR分級、Q指標分級和《公路隧道設計規(guī)范》分級三種方法對該隧道各路段圍巖級別加以判定,并對三種方法的適用性和缺點進行對比,得出以下結(jié)論及建議：

(1)該隧道整體巖性較差,大部分圍巖為Ⅳ級圍巖,隧道進出口段質(zhì)量最差施工需要加以注意。

(2)對比三種分級方法,RMR分級法主要適用于較堅硬巖,Q指標分級主要適用于較軟巖。對于隧道進出口段圍巖進行分級時,《公路隧道設計規(guī)范》分級方法可以較好的考慮軟弱土體結(jié)構(gòu)的分級,適用于隧道進出口段圍巖分級。

(3)在考慮因素方面,三種方法都存在優(yōu)缺點。RMR分級側(cè)重考慮了節(jié)理條件的影響,而忽略了地應力的影響；Q指標法則對節(jié)理情況作了更精細的研究,甚至重復考慮了某些因素,它認為結(jié)構(gòu)面最為反映巖體的完整性,而忽略了對巖石強度的考慮；《公路隧道設計規(guī)范》考慮因素相對來說更加全面,但對于某些特殊類別的巖體,無法對其特殊性質(zhì)進行側(cè)重考慮,進而影響其結(jié)果的準確性。因此,三種方法的適用條件很值得推敲。

(4)對于三種方法的分級結(jié)果之間的關(guān)系,RMR分級與Q指標分級結(jié)果相關(guān)性較好,而二級分級法與RMR分級的相關(guān)性較差,其主要原因在于各自所適用的巖性不同。而各自選取參數(shù)的差異也是造成分級結(jié)果差異的一個重要原因。

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