敘大鐵路核桃灣隧道圍巖分級(jí)體系研究

屈鵬程

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司工程勘察設(shè)計(jì)院，上海 200070)

1 前言

隧道的圍巖分級(jí)是隧道施工技術(shù)方法選取、圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)的前提。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道圍巖分級(jí)進(jìn)行了大量研究和探索，主要形成了以下幾種分級(jí)方法：①單一指標(biāo)法，如“普氏系數(shù)法”、法國抗壓強(qiáng)度法以及捷克抗拉強(qiáng)度法[1]；②單一綜合指標(biāo)法，如RQD法、奧地利自穩(wěn)時(shí)間以及日本聲波速度法[2-3]；③巖體結(jié)構(gòu)法，該類方法以太沙基分類法最為典型；④多指標(biāo)綜合分類法，如巴頓Q系統(tǒng)、巖體分級(jí)Z系統(tǒng)、RMR法、RSR法等[4-9]；⑤國標(biāo)BQ系統(tǒng)，隨后眾多學(xué)者也對(duì)BQ系統(tǒng)進(jìn)行了修正和改進(jìn)[10-13]。

眾多圍巖分級(jí)方法考慮的主要因素包括巖體物理力學(xué)性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力、地下水條件等。由于隧道圍巖工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，任何單一的圍巖分級(jí)方法都不能解決全部的圍巖工程地質(zhì)問題。因此本文以核桃灣隧道圍巖為例，將巖體中巖石的堅(jiān)硬程度和巖體的節(jié)理發(fā)育程度作為分級(jí)中兩個(gè)關(guān)鍵要素，然后結(jié)合圍巖的地下水條件以及巖體波速特征，最終得到相適應(yīng)的圍巖等級(jí)。

2 工程地質(zhì)條件

核桃灣隧道位于古藺縣古藺鎮(zhèn)，隧道全長3 408 m，隧址區(qū)屬于中低山構(gòu)造剝蝕、溶蝕地貌，斜坡溝谷地形，山高谷深，高程介于640～1 190 m之間。研究區(qū)地層巖性以砂巖、頁巖、灰?guī)r為主，巖層呈單斜構(gòu)造(圖1)。地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水。該隧道的地應(yīng)力環(huán)境主要以自重應(yīng)力場(chǎng)為主。

圖1 隧道地質(zhì)剖面圖

3 核桃灣隧道圍巖分級(jí)指標(biāo)

核桃灣隧道作為一條鐵路隧道，選取我國鐵路隧道圍巖分級(jí)方法中的巖石堅(jiān)硬程度、巖石完整程度作為主要指標(biāo)，另外根據(jù)該隧道的工程地質(zhì)條件，結(jié)合彈性波速測(cè)試結(jié)果和地下水條件，最后得到更具有工程價(jià)值和貼合實(shí)際的圍巖分級(jí)結(jié)果。

(1) 巖石堅(jiān)硬程度

不同等級(jí)圍巖巖體的堅(jiān)硬程度必然不同，因此在核桃灣隧道圍巖中每隔數(shù)米取樣，獲取試樣的單軸飽和抗壓強(qiáng)度，其結(jié)果如圖2所示。結(jié)合我國鐵路隧道圍巖分級(jí)方法，以巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc來表征巖石的堅(jiān)硬程度，其劃分指標(biāo)如表1。

圖2 核桃灣隧道圍巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度特征

表1 巖石堅(jiān)硬程度的劃分

(2) 巖體完整程度

巖體的完整程度實(shí)際上對(duì)應(yīng)的就是巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度，結(jié)構(gòu)越發(fā)育，巖體越不完整，因此以巖體的完整性系數(shù)表征巖體的完整程度。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量，核桃灣隧道圍巖的巖體完整性系數(shù)特征如圖3所示。根據(jù)核桃灣隧道圍巖的巖體完整性系數(shù)特征，結(jié)合鐵路隧道圍巖分級(jí)方法中巖石完整程度的劃分，核桃灣隧道的圍巖等級(jí)劃分如表2所列。

圖3 核桃灣隧道圍巖巖體完整性系數(shù)特征

表2 巖體完整程度的劃分

(3) 巖體彈性縱波速

不同等級(jí)圍巖的巖體因其堅(jiān)硬、完整程度不同而巖體的彈性縱波速有所不同，幾者之間必然具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，彈性縱波速可綜合體現(xiàn)圍巖的巖體質(zhì)量，且較現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的巖體完整程度和巖石堅(jiān)硬程度數(shù)據(jù)更具連續(xù)性。核桃灣圍巖的聲波測(cè)試成果如圖4所示。根據(jù)聲波測(cè)試成果的統(tǒng)計(jì)歸納，獲得核桃灣圍巖彈性縱波速指標(biāo)的圍巖分級(jí)成果如表3。

圖4 核桃灣隧道圍巖彈性縱波速特征

表3 圍巖基本分級(jí)

(4) 地下水狀態(tài)

地下水的賦存條件對(duì)隧道施工具有很大的影響，因此隧道圍巖的分級(jí)應(yīng)考慮地下水的賦存條件。通過圍巖巖體的地下水狀態(tài)、滲水量、流通情況等特征，將地下水分為3個(gè)等級(jí)，并且對(duì)圍巖等級(jí)做出修正，其結(jié)果如表4和表5所列。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查測(cè)量，核桃灣隧道圍巖的地下水狀態(tài)分級(jí)特征如圖5所示。

圖5 核桃灣隧道圍巖地下水狀態(tài)特征

表4 地下水狀態(tài)分級(jí)

表5 地下水影響修正

4 隧道圍巖分級(jí)體系

根據(jù)上述4個(gè)分級(jí)指標(biāo)的實(shí)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，提出適用于核桃灣隧道圍巖的工程分級(jí)體系(表6)。該分級(jí)體系以大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量為基礎(chǔ)，經(jīng)過綜合分析并與現(xiàn)場(chǎng)圍巖巖體相互校正，基本上能夠真實(shí)的分出核桃灣隧道圍巖的級(jí)別，可以作為類似隧道圍巖分級(jí)的基本標(biāo)準(zhǔn)。

表6 核桃灣隧道圍巖分級(jí)體系

根據(jù)表6中提出的核桃灣隧道圍巖分級(jí)體系，結(jié)合隧道現(xiàn)場(chǎng)圍巖的測(cè)量數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)核桃灣隧道圍巖進(jìn)行逐段分級(jí)，結(jié)果如表7所列。

表7 圍巖分級(jí)結(jié)果

為驗(yàn)證本文中圍巖分級(jí)方法的可靠性，以下將本文中的分級(jí)結(jié)果與鐵路隧道圍巖規(guī)范分級(jí)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，各圍巖分級(jí)結(jié)果如圖6所示。

圖6 圍巖分級(jí)結(jié)果對(duì)比

從圖6中圍巖分級(jí)結(jié)果對(duì)比可知，本文中分級(jí)結(jié)果與實(shí)際情況更為符合，隧址區(qū)為中低山構(gòu)造剝蝕地貌，溝谷深切，地形起伏大，地表覆土薄，基巖多裸露，其巖性為三疊系須家河組砂巖夾頁巖、煤線，雷口坡組頁巖、泥灰?guī)r夾灰?guī)r，嘉陵江組灰?guī)r及飛仙關(guān)組頁巖、泥質(zhì)粉砂巖。地下水主要為須家河砂巖的裂隙水及嘉陵江組灰?guī)r的裂隙巖溶水，施工開挖后將產(chǎn)生滲水，局部裂隙發(fā)育段將會(huì)產(chǎn)生股狀涌水，嘉陵江組灰?guī)r段遇隱伏溶洞可能會(huì)產(chǎn)生突水、突泥。雷口坡組頁巖、泥灰?guī)r及飛仙關(guān)組頁巖、泥質(zhì)粉砂巖地下水相對(duì)較弱，隧道開挖主要以滴水和滲水為主，軟硬巖接觸帶可能會(huì)產(chǎn)生股狀涌水。因此，本文分級(jí)方法在考慮了地下水修正后的分級(jí)結(jié)果比規(guī)范中只考慮巖體結(jié)構(gòu)及巖石堅(jiān)硬程度的分級(jí)結(jié)果更為合理。經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)校核，實(shí)際情況與本文分級(jí)結(jié)果只有1.4%的差別，所以本文中得出核桃灣圍巖分級(jí)結(jié)果更具有工程實(shí)際意義。

5 結(jié)論

本文提出了以巖石的完整程度、巖體的完整性系數(shù)、巖體的彈性縱波速以及地下水狀態(tài)為指標(biāo)的隧道圍巖分級(jí)體系，經(jīng)分級(jí)結(jié)果對(duì)比表明該分級(jí)體系在地下水賦存豐富區(qū)域內(nèi)的圍巖分級(jí)中更符合實(shí)際，經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)校核，實(shí)際情況與本文分級(jí)結(jié)果只有1.4%的差別，應(yīng)用該分級(jí)體系的結(jié)果更具有工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可為核桃灣隧道圍巖及其類似圍巖的施工提供參考依據(jù)。