椿树垭隧道围岩分级的基本参数现场获取方法研究

徐善初，张世林，陈建平，左昌群

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074;2.中国地质科学院 探矿工艺研究所，成都 611734)

目前的隧道围岩分级方法基本都是从实践中总结出来的经验公式，在具体工程实践中难免有偏差。而且在隧道施工现场，围岩分级的一些参数(如岩石单轴饱和抗压强度)的获取比较困难，或者需要耗费比较长的时间，很难保证信息的及时性，并不适合于公路隧道施工阶段围岩分级参数快速的提取［1］。已有的围岩分级研究主要是分级方法及其适用性的研究［1-4］，而系统地进行围岩分级的基本参数现场获取方法的研究［5］较少。本文针对武神公路椿树垭隧道特殊的地质条件，以公路隧道设计规范中的围岩分级方法为基础，探讨隧道施工围岩综合动态分级方法的基本思路，重点研究BQ法中基本参数的现场快速获取方法，为修改和完善设计提供参考，并指导施工。

1 工程概况［6］

椿树垭隧道位于十堰市房县与神农架林区交界处，进口位于十堰市房县银坪乡龙洞沟，出口位于神农架林区红花乡沈家湾。隧道起止里程桩号为K1 535+005—K1 537+108，全长2 103 m。隧道最大埋深约525 m，隧道设计为单洞式隧道，展布方向187°左右。洞室净宽10.0 m，净高5.0 m。该隧道工程是武神公路改扩建十堰段的控制性工程，是该扩建工程控制的重点、难点。

椿树垭隧道所处地形起伏变化较大，岩性主要为灰质白云岩和泥质白云岩，结构面较发育，地层产状多变，地表岩体风化破碎，深部岩体整体性良好。区内地表水主要分布于隧道进出口沟谷内，隧道洞身段山顶仅在雨后出现暂时性地表水流。区内地下水有第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水，其中岩溶水分布不均衡，局部水量较大，且具承压性。

2 公路隧道设计规范中的围岩分级方法

《公路隧道设计规范》［7］(以下简称《设计规范》)规定“围岩分级应采用定性划分和定量相结合的方法综合评判”，它与《工程岩体分级标准》(GB50218—94)［8］(以下简称《国标》)保持一致。因此公路隧道围岩分级方法通常采用的是BQ岩体质量分级法，它包含两个基本因素(岩石坚硬程度和岩体完整程度)和其他修正因素(如地下水、高初始应力、不利的软弱结构面等)。《设计规范》提出采用二级分级法:首先，按岩体的基本质量指标BQ进行初步分级;然后，针对各类工程岩体的特点，考虑其他的综合影响因素如天然地应力，地下水和结构面方位等对BQ进行修正，再按修正后的［BQ］进行详细分级。

围岩基本质量指标BQ值及修正值［BQ］［7］:

式中，Rc为岩石单轴饱和抗压强度，可由试验获取;Kv为岩体完整性指数，可根据实测的岩体弹性纵波波速Vpm和岩石弹性纵波波速Vpr来确定。

K1为地下水影响修正系数;K2为主要软弱结构面影响修正系数;K3为初始应力状态影响修正系数。

公式(1)有两个限制条件［7］:

1)Rc＞90 Kv+30时，应以Rc=90 Kv+30和Kv代入式(1)计算BQ值;

2)当 Kv＞0.04 Rc+0.4时，应以 Kv=0.04 Rc+0.4和Rc代入式(1)计算BQ值。

3 椿树垭隧道围岩综合动态分级方法的基本思路

椿树垭隧道围岩综合动态分级方法主要是以《设计规范》中的BQ法为主体，在隧道施工过程中通过地质调查分析和物探等手段获得较准确的BQ法分级参数，动态地为隧道施工提供较准确的围岩级别。具体思路如下:

1)运用隧道地质预报TSP法［9-10］探测获得的波速来获取BQ法分级中的岩体弹性纵波波速Vpm，并通过现场取样进行室内试验获得岩石的弹性纵波波速Vpr，运用式(3)计算岩体完整性指数Kv。同时运用回弹法或点荷载法等方法现场快速获得岩石单轴饱和抗压强度Rc。在此基础上用式(1)计算 BQ值，结合定性分析，初步确定围岩级别。

2)采用地质编录分析、地质雷达和红外探测［9］，对掌子面前方30 m范围内围岩进行进一步细致探测，以探明掌子面前方围岩的完整性，测得各岩层的走向、倾向及倾角，了解围岩结构面分布状态，探明溶洞的分布形态以及地下水情况［3］。同时，建立地质雷达、红外探测等成果特征与修正参数取值的对应关系，获得BQ法地下水影响修正系数K1的取值。

3)结合研究区域的实际地质情况，对BQ法参数及公式进行修正及优化。

4)通过上述步骤获得的参数，应用优化后的 BQ法，计算掌子面前方30 m的围岩级别，为隧道施工提供准确的信息。

4 椿树垭隧道围岩基本质量指标参数获取方法

限于篇幅，本文仅探讨基本质量指标的岩体完整性指数和岩石单轴饱和抗压强度的现场获取方法。

4.1 运用TSP波速获取岩体完整性指数Kv

通过现场试验及已有的研究分析表明［3］，直接用TSP所得波速判断围岩级别的准确性是不理想的。在本次研究中，通过对TSP波速判断围岩级别的综合分析，结合BQ法，对TSP所得波速进行修正，获取BQ分级中的围岩完整性指数 Kv。根据《国标》的条文说明［8］，弹性波波速与围岩级别、围岩质量的关系如表1所示。

根据表1，BQ和Vpm的近似关系为

同时，根据椿树垭隧道现场TSP纵波波速与围岩质量指标关系数据的统计资料，采用最小二乘法［11］对BQ值和TSP纵波波速Vpt值进行回归拟合，得出二者关系如图1和式(5)。

表1 《国标》弹性波速度、隧道围岩分级及BQ值关系

图1 椿树垭隧道纵波波速Vpt/BQ值关系曲线

联合式(4)和式(5)得

研究区域岩石的纵波波速Vpr可根据经验值查出，亦可通过试验求取。由于一些经验值所提供的Vpr值通常为一个较大的范围，难以取用，本次研究中主要根据现场取样进行室内声波测试，求取同种岩性的Vpr的平均值，见表2。

表2 武神公路椿树垭隧道岩石声波测试结果

根据上述分析，将式(6)代入式(3)得岩体完整性指标的实际应用公式为

4.2 岩石单轴饱和抗压强度Rc的现场获取方法

本次研究中在椿树垭隧道15个不同掌子面上分别取15组试件进行室内单轴饱和抗压强度试验，并相应在现场做15组回弹试验和点荷载试验(试验数据如表3)。然后采用最小二乘法［11］进行一元回归比较研究，最终选择与实测单轴饱和抗压强度的相关性较好且使用方便者，作为岩石单轴饱和抗压强度的现场获取方法。

1)回弹试验换算强度与点荷载试验换算强度的获取

表3 椿树垭隧道岩石室内单轴抗压强度试验、现场回弹试验和点荷载试验数据

①现场回弹试验换算抗压强度 σcht计算公式为［1，3］

式中，ρd为岩石的干密度(g/cm3)，可通过简单的室内试验获取或查取经验值;N为回弹值;σcht为回弹试验换算抗压强度(MPa)(以下简称“回弹试验换算强度”)。

②现场点荷载试验换算抗压强度 σcdhz计算公式为［1，4］

式中，σcdhz为点荷载试验换算抗压强度(MPa)(以下简称“点荷载试验换算强度”);PLS为点荷载强度(MPa);P为点荷载试验破坏荷载(MPa);Af为试样破坏面积(m2)。

2)回弹试验换算强度与岩石单轴饱和抗压强度关系比较分析

图2 回弹试验换算强度与单轴饱和抗压强度相关关系

椿树垭隧道的岩性主要为灰质白云岩和泥质白云岩，回弹值换算得到的岩石抗压强度值通常比室内试验单轴饱和抗压强度值稍低一些，这是因为受爆破震动和开挖的影响，会在岩体内部产生微小裂缝，导致岩体的强度有所降低［4］，但总体比较接近，这与以往工程经验较一致［1，4］。回弹试验换算强度与单轴饱和抗压强度相关关系见图2，由图2可知其相关系数R约为0.948，这说明两项试验数据具有很好的相关性。因此，对于研究区，可以采用回弹试验换算强度来近似计算岩石单轴饱和抗压强度Rc，计算公式为:

椿树垭隧道的试验结果也表明:当掌子面岩石比较坚硬、测点附近爆破裂隙发育较少时，回弹试验的测试结果与室内岩石单轴饱和抗压强度实验值是比较接近的;同时回弹测试适合于较坚硬或裂隙发育相对较少的岩石(抗压强度值一般应 ＞ 20 MPa)［1，4］。

3)点荷载试验换算强度与岩石单轴饱和抗压强度关系比较分析

椿树垭隧道的岩性主要为灰质白云岩和泥质白云岩，点荷载强度值 PLS换算得到的岩石抗压强度值σcdhz较接近室内试验单轴饱和抗压强度值，但整体上偏高［1］。点荷载试验换算强度与单轴饱和抗压强度相关关系见图3，由图3可知其相关系数 R约为0.956，这说明两项试验数据具有很好的相关性。因此，对于研究区，可以采用点荷载试验换算强度来近似计算岩石单轴饱和抗压强度Rc。

图3 点荷载试验换算强度与单轴饱和抗压强度相关关系

把式(9)代入上式得:

椿树垭隧道的实践证明:点荷载试验简洁、方便、快速，即使点荷载试验换算强度有误差也能满足隧道施工要求。点荷载试验的误差不会影响其应用的可靠性［12］。

4)回弹试验与点荷载试验比较分析

按文献［11］，对两种试验数据采用方差分析，结果表明回弹试验与点荷载试验都是可行方案。而且，将回弹试验和点荷载试验所得数据分别代入式(10)和式(11)，可得两种现场试验的回归分析强度 R'c及相关关系图4。两种现场试验方法的回归分析强度R'c与室内单轴饱和抗压强度 Rc的相对误差分别有80%和73.33%是＜10%的;两种试验方法的回归分析强度 R'c的均值(分别为106.744 MPa和106.793 MPa)与室内单轴饱和抗压强度 Rc的均值(106.793 MPa)几乎相等。从图4可以看出回弹试验与点荷载试验所得换算抗压强度σc之间及回归分析强度R'c之间都具有很好的相关关系(相关系数 R分别约为0.973和0.914)，说明可以采用现场回弹试验代替点荷载试验。相对于点荷载试验，回弹试验省时省力，因此可以采用现场回弹试验代替点荷载试验快速获取岩石单轴饱和抗压强度［5］。

图4 椿树垭隧道回弹试验强度与点荷载试验强度相关关系

4.3 应用实例

以椿树垭隧道掌子面K1 535+220围岩分级为例。TSP法实测 Vpt=4.750 km/s，查表 2得 Vpr=4.371 km/s，由式(7)计算得Kv=0.789 8;回弹平均值N=29，平均干密度 ρd=2.426 g/cm3，由式(8)计算得σcht=41.419 MPa，由式(10)得 Rc=53.62 MPa，从而计算出BQ=448.31以及考虑修正参数后的［BQ］=438.31，查《设计规范》［7］得出围岩为Ⅲ级，与实际围岩分级吻合。

5 结论

椿树垭隧道施工实践表明，按照本文提出的围岩综合动态分级方法的基本思路，采用TSP法获取BQ法分级中的岩体完整性指数Kv和采用现场回弹试验或点荷载试验来获取岩石单轴饱和抗压强度Rc的方法(现场回弹试验更为方便［5］)，可以及时进行围岩分级，减少设计变更时间，能够更好地指导施工，也可为类似工程提供借鉴。

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