隧道圍巖分級因素敏感性分析及影響水平劃分方法研究

吳秋軍 遲曉亭

摘要：現(xiàn)行的鐵路、公路隧道圍巖分級方法的基本思想和框架體系均是沿用了1975年鐵道部的科研成果，它是以單線鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)而建立的，這與當(dāng)前我國大量涌現(xiàn)的高速鐵路雙線隧道、高速公路隧道在尺寸上存在很大差別，所以現(xiàn)行的鐵路、公路圍巖分級方法是否能夠適應(yīng)大斷面的高速鐵路、高速公路隧道已經(jīng)成為一個關(guān)鍵性的技術(shù)問題，需要深入研究。為此，文章采用正交數(shù)值試驗(yàn)方法研究了兩個重要問題，即各隧道圍巖分級影響因素對隧道尺度的敏感性以及據(jù)此進(jìn)行各分級影響因素的水平劃分方法。上述研究成果已作為新的鐵路、公路隧道圍巖分級方法的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道圍巖分級方法;分級影響因素;敏感性分析;水平劃分方法

0 引言

隧道圍巖分級一直以來都是隧道工程建設(shè)中最基礎(chǔ)、最重要的課題之一?，F(xiàn)行的鐵路、公路隧道圍巖分級實(shí)質(zhì)是按圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行的分級，影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素有很多，但通?？梢詺w為自然地質(zhì)環(huán)境方面的因素和人為因素兩大類[1]。不過，一般只將與自然地質(zhì)環(huán)境方面有關(guān)的因素作為圍巖分級指標(biāo)使用。例如，現(xiàn)行的鐵路隧道圍巖分級方法采用的三種分級指標(biāo)，即基本指標(biāo)（包括巖石堅硬程度和巖體完整程度）、修正指標(biāo)（包括地下水狀態(tài)、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和初始地應(yīng)力狀態(tài)）以及輔助指標(biāo)（彈性波速度）[2]，都是屬于自然地質(zhì)環(huán)境方面的因素（現(xiàn)行公路隧道圍巖分級方法與現(xiàn)行鐵路隧道圍巖分級方法基本相同，但未考慮彈性波速作為輔助指標(biāo)[3]）。至于人為因素，如隧道的洞型尺寸、開挖方法等，雖然也是圍巖穩(wěn)定性的重要因素，但由于可以人為控制，故一般作為圍巖分級應(yīng)用的適用條件來考慮[1]。

近年來，隨著高速鐵路、高速公路在我國大規(guī)模建設(shè)，高速鐵路、高速公路隧道大量涌現(xiàn)。這些隧道在洞型尺寸（高鐵隧道、三車道隧道開挖跨度D≈15m）上已與作為現(xiàn)行鐵路、公路隧道圍巖分級方法建立基礎(chǔ)的單線鐵路隧道（開挖跨度D≈7～8m）[4]有了十分明顯的差別。由于適用條件發(fā)生了很大的變化，所以現(xiàn)行的公路、鐵路隧道圍巖分級方法是否適應(yīng)大斷面的高速鐵路隧道、三車道隧道需要深入地研究。其中，由于隧道跨度的增大，有兩個方面的問題需要重點(diǎn)研究：（1）各分級影響因素對圍巖穩(wěn)定性的作用是否發(fā)生了變化;（2）各分級影響因素對圍巖穩(wěn)定性的規(guī)律是否發(fā)生了變化。

1 正交數(shù)值試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件

針對上述兩個問題采用了數(shù)值試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。試驗(yàn)過程中考慮了對圍巖穩(wěn)定性最重要的四個分級影響因素——巖塊強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面傾角。其中，巖塊強(qiáng)度對應(yīng)基本分級指標(biāo)“巖石堅硬程度”;結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面間距屬于基本分級指標(biāo)“巖體完整程度”;結(jié)構(gòu)面傾角雖然不屬于鐵路隧道圍巖分級指標(biāo)之內(nèi)，但從我國的《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-2014）[5]、《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）[6]等資料來看，該分級影響因素也非常重要，一般屬于修正因素“主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀”。利用文獻(xiàn)[5][6]等對上述四個分級影響各劃分了5個水平（取中值或界限值），分別如表1～4所示。

采用二維離散元軟件UDEC進(jìn)行計算。為了便于分析但不失一般性，試驗(yàn)中考慮了兩組結(jié)構(gòu)面，且此兩組結(jié)構(gòu)面的傾角相互垂直。試驗(yàn)中考慮了淺埋（30m）和深埋（300m）兩種埋深。模型的左右邊界施加水平位移約束，底部邊界施加豎向位移約束。試驗(yàn)采用了跨度為大跨（15m）和小跨（8m）兩種跨度的隧道斷面，分別對應(yīng)于設(shè)計時速200km的高速鐵路隧道和140km單線鐵路隧道。試驗(yàn)過程中隧道采用全斷面開挖，并在開挖完成后立即設(shè)置20cm厚的初期支護(hù)，初期支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)采用了文獻(xiàn)[7]中建議的混凝土參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果為初期支護(hù)相對拱頂沉降。

由于因素個數(shù)及水平分級較多，如全面分析需進(jìn)行4×54=2500組試驗(yàn)，故采用了正交試驗(yàn)方法減少了試驗(yàn)組數(shù)，對每一種埋深、每一種跨度情況下，各安排了25組試驗(yàn)，共進(jìn)行了100組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案采用文獻(xiàn)[7]的標(biāo)準(zhǔn)正交表L25（54）。

2 各分級影響因素的敏感性分析

2.1 極差分析

埋深30m和300m兩種情況下的相對拱頂沉降各分級影響因素的極差分析結(jié)果如圖1～2所示。

從圖1的極差分析結(jié)果可知，對隧道跨度D≈15m和D≈8m兩種情況均有：結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的極差最大，結(jié)構(gòu)面傾角的極差次之，結(jié)構(gòu)面間距的極差再次之，巖塊強(qiáng)度的極差最小。但對隧道跨度D≈15m的情況，巖塊強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面間距的極差差距不大;而對隧道跨度D≈8m的情況，四個因素的極差差距都不大。這說明在埋深較淺時，對隧道跨度D≈15m的情況，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面傾角對圍巖穩(wěn)定性影響較大，是主要因素，而巖塊強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面間距對圍巖穩(wěn)定性影響較小，是次要因素;而對隧道跨度D≈8m的情況，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面間距、巖塊強(qiáng)度四個因素對圍巖穩(wěn)定性影響程度相當(dāng)，都是主要因素。

從圖2的極差分析可知，對隧道跨度D≈15m的情況，結(jié)構(gòu)面傾角的極差最大，巖塊強(qiáng)度的極差次之，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的極差再次之，結(jié)構(gòu)面間距的極差最小，而且結(jié)構(gòu)面傾角、巖塊強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的極差相當(dāng)，而結(jié)構(gòu)面間距的極差與前三個因素相比，極差較小。對隧道跨度D≈8m的情況，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的極差最大，結(jié)構(gòu)面傾角的極差次之，巖塊強(qiáng)度的極差再次之，結(jié)構(gòu)面間距的極差最小，且這四個因素的極差差距不大。這說明在隧道埋深較大時，對隧道跨度D≈15m的情況，結(jié)構(gòu)面傾角、巖塊強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度對圍巖穩(wěn)定性的影響大，是主要因素，而結(jié)構(gòu)面間距對圍巖穩(wěn)定性影響小，是次要因素;對隧道跨度D≈8m的情況，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面間距、巖塊強(qiáng)度四個因素對圍巖穩(wěn)定性影響程度相當(dāng)，都是主要因素。

通過上述分析可以看出，圍巖分級影響因素的重要程度受隧道跨度的影響較大，當(dāng)跨度D≈15m時，對隧道埋深較淺的隧道，巖塊強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面間距對圍巖穩(wěn)定性影響將減弱;對于埋深較大的隧道，結(jié)構(gòu)面間距對圍巖穩(wěn)定性影響將減弱。

2.2 回歸分析

極差分析可以定性地揭示各因素的敏感性大小次序，但不易定量地比較各因素的敏感性差別。為此，對正交數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行了回歸分析，即以計算得到的各種工況下的各因素水平值（1、2、3、4、5）為自變量x1～x4，以計算得到的初期支護(hù)的相對拱頂沉降值為因變量y，建立回歸模型。

經(jīng)過上述處理后，常數(shù)項(xiàng)系數(shù)b0已變?yōu)?。然后將各項(xiàng)系數(shù)分別除以各項(xiàng)系數(shù)的和，以百分?jǐn)?shù)計，則此時各項(xiàng)系數(shù)即為各自變量對應(yīng)的重要性系數(shù)，反映了各項(xiàng)自變量對相對拱頂沉降的貢獻(xiàn)程度。以各因素為橫坐標(biāo)，以各種埋深、各種跨度情況下的重要性系數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制直方圖如圖3～6所示。

從圖3～6可以看出：

（1）在各種跨度和各種埋深情況下，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面傾角都是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素。但在埋深較大時，巖塊強(qiáng)度的影響也很重要;而在跨度較小時，結(jié)構(gòu)面間距的影響也很重要。

（2）在埋深較淺時，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的重要性始終比結(jié)構(gòu)面傾角大;在隧道埋深較大、跨度較小時，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的重要性比結(jié)構(gòu)面傾角大;但隧道跨度較大時，結(jié)構(gòu)面傾角的重要性反而比結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度大。

（3）同一跨度情況下，埋深較大時與圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)的因素（結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面傾角）重要性比埋深較小時要小，而巖塊強(qiáng)度的規(guī)律正好相反，這反映了初始地應(yīng)力水平的影響，而這一結(jié)果與文獻(xiàn)[8][9]的觀點(diǎn)極為吻合。

2.3 綜合結(jié)果

從上述數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果的分析可以得出如下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面傾角這兩個因素對隧道圍巖穩(wěn)定性影響最大，對隧道尺度敏感性不強(qiáng)。

（2）結(jié)構(gòu)面間距對隧道尺度敏感性最強(qiáng)。隧道跨度較小時，結(jié)構(gòu)面間距對隧道圍巖穩(wěn)定性影響大，反之則小。

（3）巖塊強(qiáng)度對隧道埋深敏感性最強(qiáng)。當(dāng)隧道埋深較大時，巖塊強(qiáng)度對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，反之則小。

3 各分級影響因素的水平劃分

以計算得到的相對拱頂沉降結(jié)果為依據(jù)，研究各分級影響因素對相對拱頂沉降的影響規(guī)律，據(jù)此來劃分各因素的水平。各分級影響因素水平劃分的依據(jù)是：當(dāng)各分級影響因素對相對拱頂沉降的影響不顯著時，可作為同一水平;當(dāng)各分級影響因素對相對拱頂沉降的影響較顯著時，作多段水平劃分。

3.1 埋深30m情況下的分級影響因素影響水平劃分

埋深30m情況下各分級影響因素對相對拱頂沉降的影響曲線如圖7～10所示。

根據(jù)上述各因素對相對拱頂沉降的影響曲線，對各分級影響因素水平劃分如下：

（1）巖塊強(qiáng)度：對隧道跨度15m的情況，劃分為2個水平，即RC≥15MPa和RC<15MPa;對隧道跨度8m的情況，劃分為3個水平，即RC≥15MPa、5MPa≤RC<15MPa、RC<5MPa。目前規(guī)范劃分為5個水平，可以涵蓋這三個水平。

（2）結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度：對隧道跨度15m的情況，劃分為4個水平，分別為結(jié)合好、結(jié)合一般、結(jié)合較差、結(jié)合差;對隧道跨度8m的情況，劃分為5個水平，分別為結(jié)合好、結(jié)合較好、結(jié)合一般、結(jié)合較差、結(jié)合差。目前規(guī)范劃分為5個水平，可以涵蓋這兩種跨度。

（3）結(jié)構(gòu)面間距：對隧道跨度15m的情況，劃分為3個水平，即≤0.4m、0.4～1.0m、≥1.0m;對隧道跨度8m的情況，劃分為3個水平，即≤0.4m，0.4～0.6m，≥0.6m。目前規(guī)范劃分為5個水平，可以涵蓋隧道跨度15m時的3個水平，但與隧道跨度8m的水平劃分方法不一致。

（4）結(jié)構(gòu)面傾角：對隧道跨度15m和8m的情況均劃分為3個水平，即0°～15°、75°～90°;15°～25°、65°～75°;25°～45°、45°～65°。目前規(guī)范劃分的3個水平，與此有較大差異。

3.2 埋深300m情況下的分級影響因素水平劃分

隧道埋深300m的情況下，各因素對相對拱頂沉降的影響曲線詳見圖11～14。

根據(jù)上述各因素對相對拱頂沉降的影響曲線，對各分級影響因素水平劃分如下：

（1）巖塊強(qiáng)度：對隧道跨度15m和8m的情況均劃分為4個水平，其中硬質(zhì)巖1個水平，軟質(zhì)巖3個水平，劃分結(jié)果如下：

硬質(zhì)巖：RC≥30MPa;

軟質(zhì)巖：RC<5MPa;5MPa≤RC<15MPa;15MPa≤RC<30MPa。

目前規(guī)范劃分為5個水平，可以涵蓋這4個水平。

（2）結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度：對隧道跨度15m的情況，劃分為4個水平，分別為結(jié)合好、結(jié)合一般、結(jié)合較差、結(jié)合差;對隧道跨度8m的情況，劃分為5個水平，分別為結(jié)合好、結(jié)合較好、結(jié)合一般、結(jié)合較差、結(jié)合差。目前規(guī)范劃分為5個水平，可以涵蓋這兩種跨度。

（3）結(jié)構(gòu)面間距：對隧道跨度15m的情況，劃分為3個水平，即≤0.4m、0.4～1.0m、≥1.0m;對隧道跨度8m的情況，劃分為3個水平，即≤0.4m，0.4～0.6m，≥0.6m。目前規(guī)范劃分為5個水平，可以涵蓋隧道跨度15m的3個水平，但與隧道跨度8m劃分方法不一致。

（4）結(jié)構(gòu)面傾角：對隧道跨度15m和8m的情況均劃分為3個水平，即0°～15°、75°～90°;15°～25°、65°～75°;25°～45°、45°～65°。目前規(guī)范劃分的3個水平，與此有較大差異。

3.3 綜合結(jié)果

對上述兩種埋深下各因素的影響水平劃分綜合考慮，結(jié)合文獻(xiàn)[1][2]中的劃分方法，得到隧道跨度15m情況的各因素影響水平劃分的綜合結(jié)果如下：

（1）巖塊強(qiáng)度：劃分為4個水平，其中硬質(zhì)巖1個水平，軟質(zhì)巖3個水平：

硬質(zhì)巖：RC≥30MPa;

軟質(zhì)巖：RC<5MPa;5MPa≤RC<15MPa;15MPa≤RC<30MPa。

（2）結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度：劃分為4個水平，分別為結(jié)合好、結(jié)合一般、結(jié)合較差、結(jié)合差。

（3）結(jié)構(gòu)面間距：劃分為3個水平，分別為≤0.4m，0.4～1.0m，≥1.0m。

（4）結(jié)構(gòu)面傾角：劃分為3個水平，分別為0°～15°、75°～90°;15°～25°、65°～75°;25°～45°、45°～65°。

由此可見，目前《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的各因素水平的劃分標(biāo)準(zhǔn)除結(jié)構(gòu)面傾角外，基本可以包含隧道跨度15m情況的各因素影響水平劃分。

4 結(jié)語

通過前面的研究可以得出如下結(jié)論：

（1）隧道圍巖結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面傾角因素對隧道圍巖穩(wěn)定性影響最大，對隧道尺度敏感性不強(qiáng)。結(jié)構(gòu)面間距對隧道尺度敏感性最強(qiáng);隧道跨度較小時，結(jié)構(gòu)面間距對隧道圍巖穩(wěn)定性影響大，反之則小。巖塊強(qiáng)度對隧道埋深敏感性最強(qiáng)，當(dāng)隧道埋深較大時，巖塊強(qiáng)度對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，反之則小。

（2）隧道跨度15m時，巖塊強(qiáng)度水平劃分為4個水平，其中硬質(zhì)巖1個水平，軟質(zhì)巖3個水平，即RC<5MPa，5MPa≤RC<15MPa，15MPa≤RC<30MPa，RC≥30MPa。結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度水平劃分為4個水平，即結(jié)合好、結(jié)合一般、結(jié)合較差、結(jié)合差。結(jié)構(gòu)面間距水平劃分為3個水平，即≤0.4m，0.4～1.0m，≥1.0m。結(jié)構(gòu)面傾角水平劃分為3個水平，即0°～15°、45°～60°;15°～25°、60°～70°;25°～45°、70°～90°。

目前《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》《公路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的各因素水平的劃分標(biāo)準(zhǔn)，除結(jié)構(gòu)面傾角外，基本包含了隧道跨度15m情況的各因素影響水平劃分。

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