基于穩(wěn)定性概念的鐵路隧道圍巖分級研究

杜世回

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

隧道開挖前，巖(土)體內(nèi)每個點處于相對平衡狀態(tài)，開挖后，因洞壁失去原有的支撐，破壞了原有的受力狀態(tài)，造成洞室周邊巖(土)體向洞內(nèi)空間位移，又會改變巖(土)體的相對平衡狀態(tài)，從而引起應(yīng)力、應(yīng)變調(diào)整，以達(dá)到新的平衡。通常把應(yīng)力重分布影響范圍內(nèi)的巖體稱為圍巖［1］，一般認(rèn)為這個范圍在隧道橫斷面上為幾倍至十倍的洞徑。圍巖的工程性質(zhì)一般包括物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，對圍巖穩(wěn)定性最有影響的是力學(xué)性質(zhì)，即圍巖抵抗變形和破壞的性能［2］。

對隧道工程來說，最關(guān)心的問題是地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度，稱為隧道圍巖的穩(wěn)定性，隧道圍巖級別歸根到底就是穩(wěn)定性問題。圍巖自穩(wěn)性可以分為長期穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、暫時穩(wěn)定和不穩(wěn)定4個等級［3］。圍巖自穩(wěn)時間隨圍巖等級不同而不同，Ⅰ級圍巖自穩(wěn)時間可達(dá)數(shù)年，Ⅱ級圍巖自穩(wěn)時間可達(dá)數(shù)月，Ⅲ級圍巖自穩(wěn)時間可達(dá)數(shù)天，Ⅳ級圍巖自穩(wěn)時間可達(dá)數(shù)小時，Ⅴ級圍巖則只有數(shù)十分鐘［4］。

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素很多，主要有地質(zhì)因素，包括巖土強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、地下水和地應(yīng)力狀態(tài)等;工程因素，包括隧道斷面的形狀、大小、跨度等;施工因素，包括隧道施工方法、支護(hù)時間和支護(hù)方式等，其中地質(zhì)因素是影響圍巖穩(wěn)定性的最主要因素。

1 鐵路隧道圍巖分級方法的歷史

目前國內(nèi)外既有和現(xiàn)行的隧道地下工程圍巖分級方法大多屬于穩(wěn)定性等級的劃分方法。我國水利、礦山、交通等行業(yè)均開展了地下工程圍巖分級的相關(guān)研究，鐵路隧道圍巖分級研究在我國展開試驗研究最早，且較為系統(tǒng)深入［5］。

從圍巖劃分的精確度來講，從過去的定性劃分為主逐步過渡到當(dāng)前的以定性為主，輔以巖石強(qiáng)度、圍巖彈性縱波速度等量化指標(biāo)的新分級方法，向《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218—94)靠攏。

從圍巖劃分考慮的因素來講，經(jīng)歷了從早期以單因素為主的分級逐步發(fā)展為多因素、多指標(biāo)的定性描述和定量指標(biāo)相結(jié)合的分級，近年來又向多因素復(fù)合指標(biāo)發(fā)展。

我國鐵路隧道圍巖分級方法主要歷程見表1。

表1 我國鐵路隧道圍巖分級方法主要歷程

2 現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)圍巖分級的規(guī)定

《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)〔6〕要求，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、物探及驗證性鉆探、測試成果資料，綜合分析巖性、構(gòu)造、地下水狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)等圍巖地質(zhì)條件，結(jié)合巖體完整性指數(shù)、巖體縱波速度等，分段確定隧道圍巖分級。綜合評價隧道的圍巖分級是地質(zhì)勘察工作的重要內(nèi)容之一。

《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)關(guān)于圍巖分級做了如下規(guī)定。

(1)圍巖分級應(yīng)由巖石堅硬程度和巖體完整程度2個因素確定。

(2)巖石堅硬程度和巖體完整程度，應(yīng)采用定性劃分和定量指標(biāo)2種方法綜合確定。

(3)圍巖級別應(yīng)在圍巖基本分級的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道工程的特點，考慮地下水狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)等必要的因素進(jìn)行修正。

(4)隧道洞身埋藏較淺，應(yīng)根據(jù)圍巖受地表的影響情況進(jìn)行圍巖級別修正。

3 土質(zhì)隧道圍巖級別討論

《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)對土質(zhì)隧道圍巖級別所使用的指標(biāo)大多是定性的，在使用上會有主觀性，分級的準(zhǔn)確性較差。盡管也采用了圍巖彈性縱波速度這一定量指標(biāo)，但實際應(yīng)用中存在不少困難，仍然依賴于經(jīng)驗判斷。提出明確的、能較全面反映圍巖穩(wěn)定性，且易于工程技術(shù)人員操作的土質(zhì)隧道圍巖分級指標(biāo)，是迫切需要解決的問題。

以往我國鐵路隧道多修建于西南、華南等地區(qū)，以巖質(zhì)隧道為主，黏性土、砂土圍巖在整個隧道長度中所占的比例很少，一般都按照規(guī)范中對土體的定性描述來確定圍巖級別，對隧道施工方法、支護(hù)形式、襯砌結(jié)構(gòu)類型、施工管理、工期和投資等不會產(chǎn)生較大影響。但隨著我國鐵路規(guī)劃發(fā)展和建設(shè)，我國西北、華北、華中、東北等地區(qū)涉及黏性土、砂土圍巖的隧道工程比例大幅提高，對項目工期和投資產(chǎn)生很大影響，因此很有必要開展土質(zhì)圍巖分級定量化指標(biāo)研究。

按照圍巖分級的思路，首先要找出主要的評價指標(biāo)，然后對評價指標(biāo)進(jìn)行定性描述或者定量分析，目的是采用數(shù)學(xué)方法加以定量化，從而進(jìn)行量化分級，因此，核心問題是指標(biāo)的選取［7］。

3.1 一般黏性土隧道圍巖分級

一般黏性土物理力學(xué)指標(biāo)主要有:液限、塑限、塑性指數(shù)、天然含水量，天然密度，比重，天然孔隙比、液性指數(shù)，飽和度、抗剪強(qiáng)度等。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)中“一般第四系堅硬、硬塑黏性土”、“軟塑狀黏性土”等定性描述，可見其主要指標(biāo)為液性指數(shù)，液性指數(shù)又與天然含水量、液限、塑限3項指標(biāo)相關(guān)，通過這些指標(biāo)又可估算土的力學(xué)性質(zhì);“具壓密或成巖作用的黏性土”的定性描述則意在土體的抗剪強(qiáng)度。按照隧道圍巖分級為穩(wěn)定性等級的核心思想，土體的抗剪強(qiáng)度是首當(dāng)其沖的重要指標(biāo)，應(yīng)該作為今后量化分級的主要指標(biāo)和研究方向。

3.2 砂土隧道圍巖分級

《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)Ⅳ、Ⅴ級圍巖中不含砂類土地層，將砂類土籠統(tǒng)地劃為Ⅵ級，但在實際工程實踐中，按照Ⅳ、Ⅴ級圍巖設(shè)計施工的隧道不在少數(shù)，其開挖、支護(hù)、結(jié)構(gòu)安全和運營沒有出現(xiàn)問題。工程實踐證明:鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)、有成巖作用的無水砂層可以按照Ⅳ級圍巖設(shè)計和施工，中密-密實、無水的砂層可以按照Ⅴ級圍巖設(shè)計和施工［8］。

對砂類土隧道圍巖分級，也應(yīng)基于穩(wěn)定性入手，尋求影響穩(wěn)定性的因素。一般認(rèn)為密實程度、潮濕程度(即含水狀態(tài))、膠結(jié)程度這些指標(biāo)是影響穩(wěn)定性的因素。結(jié)合現(xiàn)有勘探、原位測試手段和試驗難易程度，考慮工程技術(shù)人員的可操作性，建議砂類土應(yīng)本著定性描述和定量分析相結(jié)合的辦法開展設(shè)計和施工，定量指標(biāo)應(yīng)側(cè)重于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)。

4 特殊地質(zhì)隧道圍巖級別討論

4.1 黃土隧道圍巖分級

我國黃土的分布面積約64萬km2，主要分布在北緯33 ～ 47°的陜西、甘肅、山西、寧夏、青海等地〔9〕?，F(xiàn)行規(guī)范中對于黃土隧道圍巖分級僅以地質(zhì)年代做了定性區(qū)分，并沒有提到其他影響因素，更沒有定量指標(biāo)。有關(guān)單位依托鄭西客運專線項目中的潼洛川、高橋、秦東等隧道開展了一系列研究，提出了黃土圍巖細(xì)分亞級的方案。規(guī)劃和即將建設(shè)的寶雞至蘭州鐵路、銀川至西安鐵路、蒙西至華中鐵路均通過大量的黃土地區(qū)，修建大量的黃土隧道，因此對黃土隧道圍巖分級進(jìn)行研究顯得十分重要。

抗剪強(qiáng)度及濕陷性決定黃土的穩(wěn)定性。強(qiáng)度越小、濕陷性越強(qiáng)，黃土的穩(wěn)定性就越差;強(qiáng)度越大、濕陷性越弱，黃土的穩(wěn)定性越好。黃土的濕陷性又與黃土的地質(zhì)年代、干密度以及孔隙比等物性指數(shù)有關(guān)。通過對自然邊坡的調(diào)查和黃土隧道施工的實踐經(jīng)驗表明:即使是濕陷性很強(qiáng)的黃土，如果天然含水量較低，也可形成直立邊坡或圍巖表現(xiàn)出較好的直立性，這說明天然含水量也是影響黃土穩(wěn)定性的重要因素。

因此，影響黃土穩(wěn)定性的主要因素包括地質(zhì)年代、天然含水量、干密度和孔隙比等。這幾項指標(biāo)應(yīng)該作為今后量化分級的主要指標(biāo)和研究方向。有研究成果表明，干密度和孔隙比可作為同一指標(biāo)選用，鑒于干密度試驗較為簡便快捷，因此黃土圍巖分級將天然含水量、干密度作為主要定量指標(biāo)，地質(zhì)年代作為定性描述。

4.2 膨脹土隧道圍巖分級

膨脹土除了是黏性土以外，另外還具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮、開裂，并能往復(fù)脹縮變形的特點。對于膨脹土隧道圍巖分級，現(xiàn)行規(guī)范沒有單獨定性描述或定量指標(biāo)劃分，目前按照物理指標(biāo)組合的方法進(jìn)行分類研究者居多，但究竟哪些指標(biāo)是關(guān)鍵指標(biāo)缺少研究。尋求能反映土體強(qiáng)度、膨脹特性的代表性指標(biāo)是今后膨脹土圍巖定性與定量化研究的方向，以期將這種特殊圍巖納入規(guī)范。

4.3 巖溶隧道圍巖分級

發(fā)育巖溶的巖體屬特殊圍巖，但現(xiàn)行隧道圍巖分級適用于一般圍巖，現(xiàn)在的習(xí)慣做法是勘測設(shè)計階段根據(jù)鉆探、物探和專題研究成果對具體工點進(jìn)行巖溶評價來劃分隧道圍巖級別，施工階段根據(jù)實際揭示情況進(jìn)行變更設(shè)計。最為明顯的問題是施工組織發(fā)生重大變化、工期無法預(yù)見、投資很難控制，因此討論巖溶隧道圍巖級別十分必要。

巖溶圍巖級別劃分原則上首先應(yīng)遵循圍巖的基本分級［10］，需要的是建立巖溶發(fā)育程度分級，另外再考慮地下水、填充物特點和隧道結(jié)構(gòu)安全需要，建立一套圍巖級別修正辦法，納入規(guī)范后對項目決策意義重大。

4.4 高水壓條件下隧道圍巖級別討論

工程技術(shù)人員在使用《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)時，遇到高水壓地質(zhì)條件下的圍巖級別劃分時會感到困惑，使得分級工作憑借設(shè)計經(jīng)驗確定，影響了圍巖分級的精度，不同設(shè)計人員對圍巖修正的差異可能達(dá)到1～2級［11］。

《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218—94)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正對于水壓大小是區(qū)別對待的，但《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)則不考慮水壓，只考慮了水量的大小，對于高水壓修正未做說明，建議在規(guī)范中對高水壓條件下圍巖修正應(yīng)明確。

5 大跨度隧道圍巖級別討論

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，地下工程越來越多，且規(guī)模越來越大，大跨度隧道的圍巖穩(wěn)定問題越來越突出。如鄭西客運專線黃土隧道是目前我國在黃土地區(qū)修建的斷面最大的隧道，開挖斷面為164 m2，開挖跨度達(dá) 15.2 m［12］。

現(xiàn)行的圍巖評價方法一般按照巖石強(qiáng)度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地應(yīng)力情況和地下水影響等指標(biāo)確定，上述方法并沒有考慮隧道跨度增加對圍巖分級的影響。有學(xué)者認(rèn)為隧道跨度和圍巖級別相關(guān)聯(lián)后容易引起概念混淆，但實際情況是該問題確實無法回避。

在相同地質(zhì)條件下，跨度增大，開挖切割的巖體結(jié)構(gòu)面越多，產(chǎn)生的不穩(wěn)定塊體越多，圍巖穩(wěn)定性越低。小跨度開挖的隧道是穩(wěn)定的或基本穩(wěn)定的，但大跨度隧道則可能是暫時穩(wěn)定或不穩(wěn)定的。同等節(jié)理發(fā)育程度和完整狀態(tài)條件下，大斷面開挖的隧道掌子面顯得更破碎，其支護(hù)成本也高［13］?？缍葘鷰r穩(wěn)定性的影響在不同地質(zhì)條件下是不同的，圍巖質(zhì)量越好，其影響越低，圍巖質(zhì)量越差，其影響越大。在Ⅰ～Ⅳ級圍巖情況下，跨度增加，圍巖位移有少量增加，圍巖穩(wěn)定性稍有降低，但幅度不大;在Ⅴ級、Ⅵ級圍巖情況下，跨度增加，位移明顯增大，圍巖穩(wěn)定性顯著降低［14］。

公路行業(yè)大跨度隧道工程十分常見，《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70—2004)從自穩(wěn)能力角度將跨度與圍巖級別做了關(guān)聯(lián)規(guī)定。鐵路隧道應(yīng)積極吸收公路行業(yè)的成功經(jīng)驗，在不同圍巖級別條件下按照不同跨度對圍巖進(jìn)行修正，解決這一實際問題。

6 結(jié)論與展望

(1)一般黏性土隧道圍巖分級，土體的抗剪強(qiáng)度應(yīng)該作為今后量化分級的主要指標(biāo)和研究方向。

(2)砂類土隧道圍巖級別應(yīng)本著定性描述和定量分析相結(jié)合的辦法確定圍巖級別，定量指標(biāo)側(cè)重于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)。

(3)黃土隧道圍巖分級將天然含水量、干密度作為主要定量指標(biāo)，地質(zhì)年代作為定性描述。

(4)膨脹土隧道尋求能反映土體強(qiáng)度和膨脹特性的代表性指標(biāo)是今后圍巖分級定性與定量化研究的方向，以期將這種特殊圍巖納入規(guī)范。

(5)巖溶隧道圍巖級別劃分原則上首先應(yīng)遵循圍巖的基本分級，需要建立巖溶發(fā)育程度分級，另外再考慮地下水、填充物特點和隧道結(jié)構(gòu)安全需要，建立一套圍巖級別修正辦法納入規(guī)范。

(6)規(guī)范應(yīng)補充高水壓條件下圍巖修正方法。

(7)鐵路隧道應(yīng)積極總結(jié)施工案例，吸收公路行業(yè)的成功經(jīng)驗，在不同圍巖級別條件下按照跨度不同對圍巖進(jìn)行修正，解決這一工程實際問題。

［1］陳炳祥.隧道施工圍巖穩(wěn)定與適時支護(hù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2000(11):25-28.Chen Bingxiang，Rockmasses stability and On-time Support on Tunnel Construction［J］.Tunnel Railway Standard Design，2000(11):25-28.

［2］彭立敏，等.隧道工程［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2009.

［3］重慶交通科研設(shè)計院.JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］鐵道第二勘察設(shè)計院.TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］何發(fā)亮，王石春.鐵路隧道圍巖分級方法研究及發(fā)展［J］.鐵道工程學(xué)報，2005(S):392-397.He Faliang，Wang Shichun.Research and Development on the Method of Rockmasses Classification in Railway Tunnel［J］.Jouranal of Railway Engineering Society，2005(S1):392-397.

［6］鐵道第一勘察設(shè)計院.TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［7］陳煒韜.黏質(zhì)土隧道圍巖分級指標(biāo)的選取研究［J］.巖土力學(xué)，2008(4):901-910.Chen Weitao.Stduy on index selection of surrounding rock classification for cohesive soil tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，2008(4):901-910.

［8］王玉鎖.砂質(zhì)土隧道圍巖力學(xué)參數(shù)及分級方法［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2010.

［9］陳壽堂.特殊隧道圍巖的分級方法探討［J］.隧道建設(shè)，2011(3):307-310.Chen Shoutang.Discussion on Classification Methods of Special Surrounding Rock of Tunnels［J］.Tunnel Construction，2011(3):307-310.

［10］李蒼松，等.巖溶圍巖分級初步探討［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2006(6):808-814.Li Cangsong，et al.Preliminary Classification Method For Rock Mass Surrounding Karsts［J］.Journal of Engineering Geology，2006(6):808-814.

［11］干昆蓉.某鐵路隧道高地應(yīng)力、高水壓圍巖級別修正探索［J］.鐵道工程學(xué)報，2008(3):64-67.GAN Kunrong.Exploration on the Modification of Grades of Surrounding Rock of a Railway Tunnel with Highland Stress and High Water Pressure［J］.Journal Of Railway Engineering Society，2008(3):64-67.

［12］李寧.鄭西客運專線大斷面黃土隧道圍巖變形特征［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(S1):19-21.Li Ning.Deformation Characteristics of Cofferdam for Loess Tunnels with Large Cross Section in Zhengzhou-Xi'an Passenger Dedicated Line［J］.Railway standard Design，2007(S1):19-21.

［13］周建民，等.洞室跨度對圍巖分類影響探討［J］.巖土力學(xué)，2005(增):303-305.Zhou Jianmin，et al.Discussion on Influence of Cavern's Span on Surrounding Rock Classification［J］.Rock and Soil Mechanics，2005(z1):303-305.

［14］陳志平，等.隧道開挖跨度對圍巖級別的影響研究［J］.中外公路，2011(1):158-161.Chen Zhiping，et al.The Study of Influence of tunnel Excavation span on the class of the country rock［J］.Journal of China＆ Foreign Highway，2011(1):158-161.