基于BQ值修正的巖溶隧道圍巖分級(jí)方法研究與應(yīng)用

吳 敏 黃 智 劉大剛

(1.云桂鐵路云南有限責(zé)任公司， 昆明 650500；2.西南交通大學(xué)， 成都 610031)

巖溶是可溶巖地區(qū)隧道修建中常見的一種不良地質(zhì)類型，給隧道建設(shè)造成了諸多困擾，因此，隧道巖溶問題一直以來都深受工程界人士的關(guān)注。在隧道巖溶眾多問題中，與巖溶隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)的巖溶圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)與分級(jí)已成為巖溶隧道研究的焦點(diǎn)[1-2]。

巖溶隧道圍巖分級(jí)實(shí)質(zhì)為巖溶圍巖的質(zhì)量評(píng)價(jià)問題。我國(guó)現(xiàn)有的圍巖分級(jí)方法未充分考慮巖溶等因素對(duì)圍巖分級(jí)的影響，存在一定的缺陷。近年來，相關(guān)學(xué)者針對(duì)巖溶圍巖分級(jí)方法開展了研究，研究思路與途徑大體分為兩類：一是以現(xiàn)有圍巖分級(jí)方法為基礎(chǔ)，考慮巖溶對(duì)圍巖質(zhì)量的影響，融合建立適用于巖溶圍巖的圍巖分級(jí)方法[3-6]；一是結(jié)合巖溶特征，采用針對(duì)性的指標(biāo)建立巖溶圍巖分級(jí)方法[7-9]?？傮w而言，巖溶圍巖分級(jí)方法的研究仍處于探索和發(fā)展階段，積極開展巖溶圍巖分級(jí)方法研究顯得十分必要。

本文以巖溶圍巖作為研究對(duì)象，通過開展巖溶對(duì)圍巖力學(xué)特性的影響分析，明確了巖溶對(duì)圍巖分級(jí)指標(biāo)的影響規(guī)律及特征，建立了基于BQ值修正的巖溶圍巖定量化分級(jí)方法，可指導(dǎo)巖溶隧道圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)與分級(jí)。

1 巖溶對(duì)圍巖力學(xué)特性的影響分析

為確定巖溶對(duì)圍巖分級(jí)指標(biāo)的影響規(guī)律及特征，本文采用數(shù)值仿真試驗(yàn)方法開展巖溶對(duì)圍巖力學(xué)特性的影響分析。數(shù)值仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绲拈L(zhǎng)、寬、高分別取50 m，模型單元采用solid95，D-P準(zhǔn)則，模型內(nèi)溶洞空間位置及其大小均采用隨機(jī)分布函數(shù)進(jìn)行設(shè)置生產(chǎn)，溶洞的模擬采用溶洞范圍內(nèi)單元?dú)⑺赖姆绞綄?shí)現(xiàn)[10]。試驗(yàn)工況主要考慮圍巖條件和巖溶發(fā)育程度兩種因素，圍巖條件考慮Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 3種圍巖級(jí)別；巖溶發(fā)育程度采用體巖溶率指標(biāo)進(jìn)行表征，考慮0%、1%、3%、5% 4種體巖溶率工況。

研究中，模型開啟大變形效應(yīng)，采用位移加載方式，單次加載位移為0.5 m。通過計(jì)算，獲取不同圍巖級(jí)別、不同體巖溶率工況下的圍巖應(yīng)力應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，不同圍巖級(jí)別的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有相似性，典型圍巖級(jí)別數(shù)值仿真試驗(yàn)曲線如圖1所示。

圖1 巖溶圍巖應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值仿真試驗(yàn)曲線圖

由圖1可以看出，巖溶圍巖應(yīng)力應(yīng)變曲線可大致分為3個(gè)階段，即彈性階段、塑性階段和屈服破壞階段。與完整圍巖相比，巖溶圍巖的變形模量值、極限應(yīng)力值(可視為抗壓強(qiáng)度值)均有所下降，影響規(guī)律具體表現(xiàn)為巖溶越發(fā)育，下降程度越大。

因圍巖變形模量與巖體完整程度相關(guān)，而圍巖抗壓強(qiáng)度則與巖石堅(jiān)硬程度相關(guān)，故對(duì)巖溶圍巖分級(jí)而言，可將巖溶作為圍巖分級(jí)修正指標(biāo)加以考慮，重點(diǎn)考慮巖溶對(duì)巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度指標(biāo)的修正影響。

2 巖溶對(duì)圍巖分級(jí)指標(biāo)的定量影響分析

2.1 巖溶對(duì)巖石堅(jiān)硬程度的定量影響分析

為定量分析巖溶對(duì)巖石堅(jiān)硬程度指標(biāo)的影響，引入抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)，將其定義為巖溶圍巖抗壓強(qiáng)度與完整圍巖抗壓強(qiáng)度之比，即Rc′/Rc。依據(jù)各種圍巖條件下巖溶圍巖應(yīng)力應(yīng)變曲線數(shù)值仿真試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同圍巖級(jí)別條件下，體巖溶率與抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)間相關(guān)性曲線，如圖2所示。

圖2 不同圍巖級(jí)別條件下體巖溶率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響曲線圖

通過回歸分析，建立抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)與體巖溶率間的定量關(guān)系表達(dá)式：

(1)

式中：Rc′——巖溶圍巖的抗壓強(qiáng)度；

P——巖溶圍巖的體巖溶率；

Rc——完整圍巖的抗壓強(qiáng)度；

bi——公式擬合參數(shù)。

不同圍巖條件下bi的取值如表1所示。

表1 不同圍巖條件下參數(shù)bi取值表

由圖2和表1可知：(1)圍巖抗壓強(qiáng)度隨圍巖體巖溶率的增加整體呈降低趨勢(shì)；(2)體巖溶率相同，圍巖級(jí)別越高，則其抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)越小；(3)各級(jí)圍巖回歸公式擬合度較高，可采用回歸公式對(duì)各級(jí)圍巖抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

基于上述分析，獲得不同圍巖級(jí)別條件下，巖溶發(fā)育程度對(duì)巖石堅(jiān)硬程度的影響特征如表2～表4所示。

表2 巖溶對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖堅(jiān)硬程度的影響表

表3 巖溶對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖堅(jiān)硬程度的影響表

表4 巖溶對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖堅(jiān)硬程度的影響表

由表2～表4可知，巖溶越發(fā)育，對(duì)圍巖堅(jiān)硬程度的影響越大，圍巖級(jí)別越高，影響程度也越為顯著。

2.2 巖溶對(duì)巖體完整程度的定量影響分析

為定量分析巖溶對(duì)圍巖變形模量指標(biāo)的影響，引入變形模量折減系數(shù)參數(shù)，將其定義為巖溶圍巖變形模量與完整圍巖變形模量之比，即Em/Er。根據(jù)各種圍巖條件下巖溶圍巖應(yīng)力應(yīng)變曲線數(shù)值仿真試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同圍巖級(jí)別條件下，巖溶圍巖變形模量折減系數(shù)隨體巖溶率間相關(guān)性曲線如圖3所示。

圖3 不同圍巖級(jí)別條件下體巖溶率對(duì)變形模量的影響圖

通過回歸分析，建立變形模量折減系數(shù)與體巖溶率之間的關(guān)系公式：

(2)

式中：Em—巖溶圍巖變形模量；

P—巖溶圍巖的體巖溶率；

Er—完整圍巖變形模量；

ci—公式擬合參數(shù)。

不同圍巖條件下ci的取值如表5所示。

表5 不同圍巖條件下參數(shù)ci取值表

由圖3和表5可知：(1)圍巖變形模量隨圍巖體巖溶率的增加整體呈降低趨勢(shì)；(2)體巖溶率相同，圍巖級(jí)別越高，則其變形模量折減系數(shù)越小；(3)各級(jí)圍巖回歸公式擬合度較高，可采用回歸公式對(duì)各級(jí)圍巖變形模量折減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

基于上述分析可知，體巖溶率與巖體完整程度之間的關(guān)系可轉(zhuǎn)化為圍巖變形模量與巖體完整程度之間的關(guān)系問題。需要說明的是，用以表征巖體完整程度的定量指標(biāo)有多種，如圍巖彈性縱波速度KV、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD等，各定量指標(biāo)間具有良好的相關(guān)性和對(duì)應(yīng)性。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果[11-12]，圍巖變形模量與巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD間具有良好的相關(guān)性，兩指標(biāo)間的經(jīng)驗(yàn)公式為：

Em/Er=0.023 1RQD-1.32

(3)

根據(jù)式(3)，分析不同圍巖級(jí)別條件下巖溶發(fā)育程度對(duì)巖體完整程度的影響特征，如表6～表8所示。

表6 巖溶對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖完整程度的影響表

表7 巖溶對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖完整程度的影響表

表8 巖溶對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖完整程度的影響表

由表6～表8可知，巖溶微發(fā)育對(duì)圍巖完整程度基本無影響，其它情況下，發(fā)育程度越高，圍巖完整程度降低越大，且同等發(fā)育情況對(duì)各級(jí)圍巖完整程度的影響不盡相同。

3 巖溶圍巖分級(jí)方法建立

借鑒圍巖BQ定量分級(jí)法思路，巖溶圍巖分級(jí)方法可分為兩步實(shí)施。

(1)基本分級(jí)

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，根據(jù)圍巖基本分級(jí)指標(biāo)(巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度)計(jì)算圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值，再進(jìn)行圍巖基本級(jí)別劃分。

(2)級(jí)別修正

依據(jù)圍巖修正分級(jí)指標(biāo)(地下水狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)和巖溶發(fā)育程度狀態(tài))修正圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值，獲取巖溶圍巖質(zhì)量指標(biāo)值[BQ]溶,再進(jìn)行圍巖級(jí)別劃分。

常規(guī)修正指標(biāo)可按現(xiàn)行規(guī)范的修正方法進(jìn)行修正，巖溶發(fā)育程度及其影響可引入?yún)?shù)ΔBQ溶進(jìn)行修正，并按式(4)進(jìn)行計(jì)算。

[BQ]溶<[BQ]ΔBQ溶

(4)

式中：[BQ]溶——考慮巖溶發(fā)育程度及其影響修正指標(biāo)后的巖溶圍巖質(zhì)量指標(biāo)值；

[BQ] ——現(xiàn)行規(guī)范法考慮地下水出水狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)三項(xiàng)修正指標(biāo)后的巖溶圍巖質(zhì)量指標(biāo)值；

ΔBQ溶——巖溶發(fā)育程度及其影響修正指標(biāo)的修正值，如表9所示。

表9 ΔBQ溶取值表

4 巖溶圍巖分級(jí)方法工程應(yīng)用

某鐵路隧道巖溶發(fā)育段為YDK 35+580～YDK 35+730，區(qū)段內(nèi)灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖溶發(fā)育，主要分布在拱頂、洞身及隧底。溶洞為填充或半填充，填充物為粘土，軟塑，地下水不發(fā)育。溶洞空間位置示意如圖4所示。

圖4 隧道溶洞空間位置示意圖

針對(duì)上述巖溶發(fā)育段圍巖，分別對(duì)原設(shè)計(jì)圍巖分級(jí)、巖溶圍巖分級(jí)和實(shí)際施工圍巖分級(jí)結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比，結(jié)果如表10所示。

表10 某鐵路隧道巖溶圍巖分級(jí)結(jié)果對(duì)比分析表

由表10可以看出，采用巖溶圍巖分級(jí)方法的分級(jí)結(jié)果，與施工現(xiàn)場(chǎng)采用的圍巖分級(jí)結(jié)果吻合良好，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)圍巖級(jí)別判定起到了積極的指導(dǎo)作用，同時(shí)也驗(yàn)證了巖溶圍巖分級(jí)方法的合理性。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)基于BQ值修正的巖溶隧道圍巖分級(jí)方法的研究，得到如下主要結(jié)論：

(1)通過巖溶對(duì)圍巖力學(xué)特性的影響分析，發(fā)現(xiàn)巖溶對(duì)圍巖質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)為對(duì)圍巖變形模量(彈性模量)和圍巖抗壓強(qiáng)度的影響。因此，在巖溶圍巖分級(jí)中，可將巖溶發(fā)育程度及其影響作為修正指標(biāo)進(jìn)行考慮，主要對(duì)巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度指標(biāo)進(jìn)行修正。

(2)通過巖溶對(duì)巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度的定量影響分析，建立了巖溶影響的定量關(guān)系表達(dá)式，為巖溶圍巖堅(jiān)硬程度、完整程度定量評(píng)價(jià)提供了支撐。

(3)考慮巖溶對(duì)圍巖堅(jiān)硬程度、完整程度指標(biāo)的影響，給出了基于BQ值修正的巖溶圍巖分級(jí)方法，可為巖溶圍巖分級(jí)提供參考和借鑒。