椿樹埡隧道圍巖分級的基本參數現場獲取方法研究

徐善初，張世林，陳建平，左昌群

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，武漢 430074;2.中國地質科學院 探礦工藝研究所，成都 611734)

目前的隧道圍巖分級方法基本都是從實踐中總結出來的經驗公式，在具體工程實踐中難免有偏差。而且在隧道施工現場，圍巖分級的一些參數(如巖石單軸飽和抗壓強度)的獲取比較困難，或者需要耗費比較長的時間，很難保證信息的及時性，并不適合于公路隧道施工階段圍巖分級參數快速的提?。?］。已有的圍巖分級研究主要是分級方法及其適用性的研究［1-4］，而系統(tǒng)地進行圍巖分級的基本參數現場獲取方法的研究［5］較少。本文針對武神公路椿樹埡隧道特殊的地質條件，以公路隧道設計規(guī)范中的圍巖分級方法為基礎，探討隧道施工圍巖綜合動態(tài)分級方法的基本思路，重點研究BQ法中基本參數的現場快速獲取方法，為修改和完善設計提供參考，并指導施工。

1 工程概況［6］

椿樹埡隧道位于十堰市房縣與神農架林區(qū)交界處，進口位于十堰市房縣銀坪鄉(xiāng)龍洞溝，出口位于神農架林區(qū)紅花鄉(xiāng)沈家灣。隧道起止里程樁號為K1 535+005—K1 537+108，全長2 103 m。隧道最大埋深約525 m，隧道設計為單洞式隧道，展布方向187°左右。洞室凈寬10.0 m，凈高5.0 m。該隧道工程是武神公路改擴建十堰段的控制性工程，是該擴建工程控制的重點、難點。

椿樹埡隧道所處地形起伏變化較大，巖性主要為灰質白云巖和泥質白云巖，結構面較發(fā)育，地層產狀多變，地表巖體風化破碎，深部巖體整體性良好。區(qū)內地表水主要分布于隧道進出口溝谷內，隧道洞身段山頂僅在雨后出現暫時性地表水流。區(qū)內地下水有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水，其中巖溶水分布不均衡，局部水量較大，且具承壓性。

2 公路隧道設計規(guī)范中的圍巖分級方法

《公路隧道設計規(guī)范》［7］(以下簡稱《設計規(guī)范》)規(guī)定“圍巖分級應采用定性劃分和定量相結合的方法綜合評判”，它與《工程巖體分級標準》(GB50218—94)［8］(以下簡稱《國標》)保持一致。因此公路隧道圍巖分級方法通常采用的是BQ巖體質量分級法，它包含兩個基本因素(巖石堅硬程度和巖體完整程度)和其他修正因素(如地下水、高初始應力、不利的軟弱結構面等)。《設計規(guī)范》提出采用二級分級法:首先，按巖體的基本質量指標BQ進行初步分級;然后，針對各類工程巖體的特點，考慮其他的綜合影響因素如天然地應力，地下水和結構面方位等對BQ進行修正，再按修正后的［BQ］進行詳細分級。

圍巖基本質量指標BQ值及修正值［BQ］［7］:

式中，Rc為巖石單軸飽和抗壓強度，可由試驗獲取;Kv為巖體完整性指數，可根據實測的巖體彈性縱波波速Vpm和巖石彈性縱波波速Vpr來確定。

K1為地下水影響修正系數;K2為主要軟弱結構面影響修正系數;K3為初始應力狀態(tài)影響修正系數。

公式(1)有兩個限制條件［7］:

1)Rc＞90 Kv+30時，應以Rc=90 Kv+30和Kv代入式(1)計算BQ值;

2)當 Kv＞0.04 Rc+0.4時，應以 Kv=0.04 Rc+0.4和Rc代入式(1)計算BQ值。

3 椿樹埡隧道圍巖綜合動態(tài)分級方法的基本思路

椿樹埡隧道圍巖綜合動態(tài)分級方法主要是以《設計規(guī)范》中的BQ法為主體，在隧道施工過程中通過地質調查分析和物探等手段獲得較準確的BQ法分級參數，動態(tài)地為隧道施工提供較準確的圍巖級別。具體思路如下:

1)運用隧道地質預報TSP法［9-10］探測獲得的波速來獲取BQ法分級中的巖體彈性縱波波速Vpm，并通過現場取樣進行室內試驗獲得巖石的彈性縱波波速Vpr，運用式(3)計算巖體完整性指數Kv。同時運用回彈法或點荷載法等方法現場快速獲得巖石單軸飽和抗壓強度Rc。在此基礎上用式(1)計算 BQ值，結合定性分析，初步確定圍巖級別。

2)采用地質編錄分析、地質雷達和紅外探測［9］，對掌子面前方30 m范圍內圍巖進行進一步細致探測，以探明掌子面前方圍巖的完整性，測得各巖層的走向、傾向及傾角，了解圍巖結構面分布狀態(tài)，探明溶洞的分布形態(tài)以及地下水情況［3］。同時，建立地質雷達、紅外探測等成果特征與修正參數取值的對應關系，獲得BQ法地下水影響修正系數K1的取值。

3)結合研究區(qū)域的實際地質情況，對BQ法參數及公式進行修正及優(yōu)化。

4)通過上述步驟獲得的參數，應用優(yōu)化后的 BQ法，計算掌子面前方30 m的圍巖級別，為隧道施工提供準確的信息。

4 椿樹埡隧道圍巖基本質量指標參數獲取方法

限于篇幅，本文僅探討基本質量指標的巖體完整性指數和巖石單軸飽和抗壓強度的現場獲取方法。

4.1 運用TSP波速獲取巖體完整性指數Kv

通過現場試驗及已有的研究分析表明［3］，直接用TSP所得波速判斷圍巖級別的準確性是不理想的。在本次研究中，通過對TSP波速判斷圍巖級別的綜合分析，結合BQ法，對TSP所得波速進行修正，獲取BQ分級中的圍巖完整性指數 Kv。根據《國標》的條文說明［8］，彈性波波速與圍巖級別、圍巖質量的關系如表1所示。

根據表1，BQ和Vpm的近似關系為

同時，根據椿樹埡隧道現場TSP縱波波速與圍巖質量指標關系數據的統(tǒng)計資料，采用最小二乘法［11］對BQ值和TSP縱波波速Vpt值進行回歸擬合，得出二者關系如圖1和式(5)。

表1 《國標》彈性波速度、隧道圍巖分級及BQ值關系

圖1 椿樹埡隧道縱波波速Vpt/BQ值關系曲線

聯(lián)合式(4)和式(5)得

研究區(qū)域巖石的縱波波速Vpr可根據經驗值查出，亦可通過試驗求取。由于一些經驗值所提供的Vpr值通常為一個較大的范圍，難以取用，本次研究中主要根據現場取樣進行室內聲波測試，求取同種巖性的Vpr的平均值，見表2。

表2 武神公路椿樹埡隧道巖石聲波測試結果

根據上述分析，將式(6)代入式(3)得巖體完整性指標的實際應用公式為

4.2 巖石單軸飽和抗壓強度Rc的現場獲取方法

本次研究中在椿樹埡隧道15個不同掌子面上分別取15組試件進行室內單軸飽和抗壓強度試驗，并相應在現場做15組回彈試驗和點荷載試驗(試驗數據如表3)。然后采用最小二乘法［11］進行一元回歸比較研究，最終選擇與實測單軸飽和抗壓強度的相關性較好且使用方便者，作為巖石單軸飽和抗壓強度的現場獲取方法。

1)回彈試驗換算強度與點荷載試驗換算強度的獲取

表3 椿樹埡隧道巖石室內單軸抗壓強度試驗、現場回彈試驗和點荷載試驗數據

①現場回彈試驗換算抗壓強度 σcht計算公式為［1，3］

式中，ρd為巖石的干密度(g/cm3)，可通過簡單的室內試驗獲取或查取經驗值;N為回彈值;σcht為回彈試驗換算抗壓強度(MPa)(以下簡稱“回彈試驗換算強度”)。

②現場點荷載試驗換算抗壓強度 σcdhz計算公式為［1，4］

式中，σcdhz為點荷載試驗換算抗壓強度(MPa)(以下簡稱“點荷載試驗換算強度”);PLS為點荷載強度(MPa);P為點荷載試驗破壞荷載(MPa);Af為試樣破壞面積(m2)。

2)回彈試驗換算強度與巖石單軸飽和抗壓強度關系比較分析

圖2 回彈試驗換算強度與單軸飽和抗壓強度相關關系

椿樹埡隧道的巖性主要為灰質白云巖和泥質白云巖，回彈值換算得到的巖石抗壓強度值通常比室內試驗單軸飽和抗壓強度值稍低一些，這是因為受爆破震動和開挖的影響，會在巖體內部產生微小裂縫，導致巖體的強度有所降低［4］，但總體比較接近，這與以往工程經驗較一致［1，4］?；貜椩囼灀Q算強度與單軸飽和抗壓強度相關關系見圖2，由圖2可知其相關系數R約為0.948，這說明兩項試驗數據具有很好的相關性。因此，對于研究區(qū)，可以采用回彈試驗換算強度來近似計算巖石單軸飽和抗壓強度Rc，計算公式為:

椿樹埡隧道的試驗結果也表明:當掌子面巖石比較堅硬、測點附近爆破裂隙發(fā)育較少時，回彈試驗的測試結果與室內巖石單軸飽和抗壓強度實驗值是比較接近的;同時回彈測試適合于較堅硬或裂隙發(fā)育相對較少的巖石(抗壓強度值一般應 ＞ 20 MPa)［1，4］。

3)點荷載試驗換算強度與巖石單軸飽和抗壓強度關系比較分析

椿樹埡隧道的巖性主要為灰質白云巖和泥質白云巖，點荷載強度值 PLS換算得到的巖石抗壓強度值σcdhz較接近室內試驗單軸飽和抗壓強度值，但整體上偏高［1］。點荷載試驗換算強度與單軸飽和抗壓強度相關關系見圖3，由圖3可知其相關系數 R約為0.956，這說明兩項試驗數據具有很好的相關性。因此，對于研究區(qū)，可以采用點荷載試驗換算強度來近似計算巖石單軸飽和抗壓強度Rc。

圖3 點荷載試驗換算強度與單軸飽和抗壓強度相關關系

把式(9)代入上式得:

椿樹埡隧道的實踐證明:點荷載試驗簡潔、方便、快速，即使點荷載試驗換算強度有誤差也能滿足隧道施工要求。點荷載試驗的誤差不會影響其應用的可靠性［12］。

4)回彈試驗與點荷載試驗比較分析

按文獻［11］，對兩種試驗數據采用方差分析，結果表明回彈試驗與點荷載試驗都是可行方案。而且，將回彈試驗和點荷載試驗所得數據分別代入式(10)和式(11)，可得兩種現場試驗的回歸分析強度 R'c及相關關系圖4。兩種現場試驗方法的回歸分析強度R'c與室內單軸飽和抗壓強度 Rc的相對誤差分別有80%和73.33%是＜10%的;兩種試驗方法的回歸分析強度 R'c的均值(分別為106.744 MPa和106.793 MPa)與室內單軸飽和抗壓強度 Rc的均值(106.793 MPa)幾乎相等。從圖4可以看出回彈試驗與點荷載試驗所得換算抗壓強度σc之間及回歸分析強度R'c之間都具有很好的相關關系(相關系數 R分別約為0.973和0.914)，說明可以采用現場回彈試驗代替點荷載試驗。相對于點荷載試驗，回彈試驗省時省力，因此可以采用現場回彈試驗代替點荷載試驗快速獲取巖石單軸飽和抗壓強度［5］。

圖4 椿樹埡隧道回彈試驗強度與點荷載試驗強度相關關系

4.3 應用實例

以椿樹埡隧道掌子面K1 535+220圍巖分級為例。TSP法實測 Vpt=4.750 km/s，查表 2得 Vpr=4.371 km/s，由式(7)計算得Kv=0.789 8;回彈平均值N=29，平均干密度 ρd=2.426 g/cm3，由式(8)計算得σcht=41.419 MPa，由式(10)得 Rc=53.62 MPa，從而計算出BQ=448.31以及考慮修正參數后的［BQ］=438.31，查《設計規(guī)范》［7］得出圍巖為Ⅲ級，與實際圍巖分級吻合。

5 結論

椿樹埡隧道施工實踐表明，按照本文提出的圍巖綜合動態(tài)分級方法的基本思路，采用TSP法獲取BQ法分級中的巖體完整性指數Kv和采用現場回彈試驗或點荷載試驗來獲取巖石單軸飽和抗壓強度Rc的方法(現場回彈試驗更為方便［5］)，可以及時進行圍巖分級，減少設計變更時間，能夠更好地指導施工，也可為類似工程提供借鑒。

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