基于稳定性概念的铁路隧道围岩分级研究

杜世回

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

隧道开挖前，岩(土)体内每个点处于相对平衡状态，开挖后，因洞壁失去原有的支撑，破坏了原有的受力状态，造成洞室周边岩(土)体向洞内空间位移，又会改变岩(土)体的相对平衡状态，从而引起应力、应变调整，以达到新的平衡。通常把应力重分布影响范围内的岩体称为围岩［1］，一般认为这个范围在隧道横断面上为几倍至十倍的洞径。围岩的工程性质一般包括物理性质、水理性质和力学性质，对围岩稳定性最有影响的是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能［2］。

对隧道工程来说，最关心的问题是地层被挖成隧道后的稳定程度，称为隧道围岩的稳定性，隧道围岩级别归根到底就是稳定性问题。围岩自稳性可以分为长期稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定4个等级［3］。围岩自稳时间随围岩等级不同而不同，Ⅰ级围岩自稳时间可达数年，Ⅱ级围岩自稳时间可达数月，Ⅲ级围岩自稳时间可达数天，Ⅳ级围岩自稳时间可达数小时，Ⅴ级围岩则只有数十分钟［4］。

影响隧道围岩稳定性的因素很多，主要有地质因素，包括岩土强度、结构与构造、地下水和地应力状态等;工程因素，包括隧道断面的形状、大小、跨度等;施工因素，包括隧道施工方法、支护时间和支护方式等，其中地质因素是影响围岩稳定性的最主要因素。

1 铁路隧道围岩分级方法的历史

目前国内外既有和现行的隧道地下工程围岩分级方法大多属于稳定性等级的划分方法。我国水利、矿山、交通等行业均开展了地下工程围岩分级的相关研究，铁路隧道围岩分级研究在我国展开试验研究最早，且较为系统深入［5］。

从围岩划分的精确度来讲，从过去的定性划分为主逐步过渡到当前的以定性为主，辅以岩石强度、围岩弹性纵波速度等量化指标的新分级方法，向《工程岩体分级标准》(GB50218—94)靠拢。

从围岩划分考虑的因素来讲，经历了从早期以单因素为主的分级逐步发展为多因素、多指标的定性描述和定量指标相结合的分级，近年来又向多因素复合指标发展。

我国铁路隧道围岩分级方法主要历程见表1。

表1 我国铁路隧道围岩分级方法主要历程

2 现行规范中有关围岩分级的规定

《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)〔6〕要求，应根据地质调绘、物探及验证性钻探、测试成果资料，综合分析岩性、构造、地下水状态、初始地应力状态等围岩地质条件，结合岩体完整性指数、岩体纵波速度等，分段确定隧道围岩分级。综合评价隧道的围岩分级是地质勘察工作的重要内容之一。

《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)关于围岩分级做了如下规定。

(1)围岩分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度2个因素确定。

(2)岩石坚硬程度和岩体完整程度，应采用定性划分和定量指标2种方法综合确定。

(3)围岩级别应在围岩基本分级的基础上，结合隧道工程的特点，考虑地下水状态、初始地应力状态等必要的因素进行修正。

(4)隧道洞身埋藏较浅，应根据围岩受地表的影响情况进行围岩级别修正。

3 土质隧道围岩级别讨论

《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)对土质隧道围岩级别所使用的指标大多是定性的，在使用上会有主观性，分级的准确性较差。尽管也采用了围岩弹性纵波速度这一定量指标，但实际应用中存在不少困难，仍然依赖于经验判断。提出明确的、能较全面反映围岩稳定性，且易于工程技术人员操作的土质隧道围岩分级指标，是迫切需要解决的问题。

以往我国铁路隧道多修建于西南、华南等地区，以岩质隧道为主，黏性土、砂土围岩在整个隧道长度中所占的比例很少，一般都按照规范中对土体的定性描述来确定围岩级别，对隧道施工方法、支护形式、衬砌结构类型、施工管理、工期和投资等不会产生较大影响。但随着我国铁路规划发展和建设，我国西北、华北、华中、东北等地区涉及黏性土、砂土围岩的隧道工程比例大幅提高，对项目工期和投资产生很大影响，因此很有必要开展土质围岩分级定量化指标研究。

按照围岩分级的思路，首先要找出主要的评价指标，然后对评价指标进行定性描述或者定量分析，目的是采用数学方法加以定量化，从而进行量化分级，因此，核心问题是指标的选取［7］。

3.1 一般黏性土隧道围岩分级

一般黏性土物理力学指标主要有:液限、塑限、塑性指数、天然含水量，天然密度，比重，天然孔隙比、液性指数，饱和度、抗剪强度等。根据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)中“一般第四系坚硬、硬塑黏性土”、“软塑状黏性土”等定性描述，可见其主要指标为液性指数，液性指数又与天然含水量、液限、塑限3项指标相关，通过这些指标又可估算土的力学性质;“具压密或成岩作用的黏性土”的定性描述则意在土体的抗剪强度。按照隧道围岩分级为稳定性等级的核心思想，土体的抗剪强度是首当其冲的重要指标，应该作为今后量化分级的主要指标和研究方向。

3.2 砂土隧道围岩分级

《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)Ⅳ、Ⅴ级围岩中不含砂类土地层，将砂类土笼统地划为Ⅵ级，但在实际工程实践中，按照Ⅳ、Ⅴ级围岩设计施工的隧道不在少数，其开挖、支护、结构安全和运营没有出现问题。工程实践证明:钙质、铁质胶结、有成岩作用的无水砂层可以按照Ⅳ级围岩设计和施工，中密-密实、无水的砂层可以按照Ⅴ级围岩设计和施工［8］。

对砂类土隧道围岩分级，也应基于稳定性入手，寻求影响稳定性的因素。一般认为密实程度、潮湿程度(即含水状态)、胶结程度这些指标是影响稳定性的因素。结合现有勘探、原位测试手段和试验难易程度，考虑工程技术人员的可操作性，建议砂类土应本着定性描述和定量分析相结合的办法开展设计和施工，定量指标应侧重于标准贯入试验锤击数。

4 特殊地质隧道围岩级别讨论

4.1 黄土隧道围岩分级

我国黄土的分布面积约64万km2，主要分布在北纬33 ～ 47°的陕西、甘肃、山西、宁夏、青海等地〔9〕。现行规范中对于黄土隧道围岩分级仅以地质年代做了定性区分，并没有提到其他影响因素，更没有定量指标。有关单位依托郑西客运专线项目中的潼洛川、高桥、秦东等隧道开展了一系列研究，提出了黄土围岩细分亚级的方案。规划和即将建设的宝鸡至兰州铁路、银川至西安铁路、蒙西至华中铁路均通过大量的黄土地区，修建大量的黄土隧道，因此对黄土隧道围岩分级进行研究显得十分重要。

抗剪强度及湿陷性决定黄土的稳定性。强度越小、湿陷性越强，黄土的稳定性就越差;强度越大、湿陷性越弱，黄土的稳定性越好。黄土的湿陷性又与黄土的地质年代、干密度以及孔隙比等物性指数有关。通过对自然边坡的调查和黄土隧道施工的实践经验表明:即使是湿陷性很强的黄土，如果天然含水量较低，也可形成直立边坡或围岩表现出较好的直立性，这说明天然含水量也是影响黄土稳定性的重要因素。

因此，影响黄土稳定性的主要因素包括地质年代、天然含水量、干密度和孔隙比等。这几项指标应该作为今后量化分级的主要指标和研究方向。有研究成果表明，干密度和孔隙比可作为同一指标选用，鉴于干密度试验较为简便快捷，因此黄土围岩分级将天然含水量、干密度作为主要定量指标，地质年代作为定性描述。

4.2 膨胀土隧道围岩分级

膨胀土除了是黏性土以外，另外还具有吸水显著膨胀、软化、崩解和失水急剧收缩、开裂，并能往复胀缩变形的特点。对于膨胀土隧道围岩分级，现行规范没有单独定性描述或定量指标划分，目前按照物理指标组合的方法进行分类研究者居多，但究竟哪些指标是关键指标缺少研究。寻求能反映土体强度、膨胀特性的代表性指标是今后膨胀土围岩定性与定量化研究的方向，以期将这种特殊围岩纳入规范。

4.3 岩溶隧道围岩分级

发育岩溶的岩体属特殊围岩，但现行隧道围岩分级适用于一般围岩，现在的习惯做法是勘测设计阶段根据钻探、物探和专题研究成果对具体工点进行岩溶评价来划分隧道围岩级别，施工阶段根据实际揭示情况进行变更设计。最为明显的问题是施工组织发生重大变化、工期无法预见、投资很难控制，因此讨论岩溶隧道围岩级别十分必要。

岩溶围岩级别划分原则上首先应遵循围岩的基本分级［10］，需要的是建立岩溶发育程度分级，另外再考虑地下水、填充物特点和隧道结构安全需要，建立一套围岩级别修正办法，纳入规范后对项目决策意义重大。

4.4 高水压条件下隧道围岩级别讨论

工程技术人员在使用《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)时，遇到高水压地质条件下的围岩级别划分时会感到困惑，使得分级工作凭借设计经验确定，影响了围岩分级的精度，不同设计人员对围岩修正的差异可能达到1～2级［11］。

《工程岩体分级标准》(GB50218—94)岩体基本质量指标修正对于水压大小是区别对待的，但《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)则不考虑水压，只考虑了水量的大小，对于高水压修正未做说明，建议在规范中对高水压条件下围岩修正应明确。

5 大跨度隧道围岩级别讨论

随着国家基础设施建设的发展，地下工程越来越多，且规模越来越大，大跨度隧道的围岩稳定问题越来越突出。如郑西客运专线黄土隧道是目前我国在黄土地区修建的断面最大的隧道，开挖断面为164 m2，开挖跨度达 15.2 m［12］。

现行的围岩评价方法一般按照岩石强度、岩体完整性、结构面产状、地应力情况和地下水影响等指标确定，上述方法并没有考虑隧道跨度增加对围岩分级的影响。有学者认为隧道跨度和围岩级别相关联后容易引起概念混淆，但实际情况是该问题确实无法回避。

在相同地质条件下，跨度增大，开挖切割的岩体结构面越多，产生的不稳定块体越多，围岩稳定性越低。小跨度开挖的隧道是稳定的或基本稳定的，但大跨度隧道则可能是暂时稳定或不稳定的。同等节理发育程度和完整状态条件下，大断面开挖的隧道掌子面显得更破碎，其支护成本也高［13］。跨度对围岩稳定性的影响在不同地质条件下是不同的，围岩质量越好，其影响越低，围岩质量越差，其影响越大。在Ⅰ～Ⅳ级围岩情况下，跨度增加，围岩位移有少量增加，围岩稳定性稍有降低，但幅度不大;在Ⅴ级、Ⅵ级围岩情况下，跨度增加，位移明显增大，围岩稳定性显著降低［14］。

公路行业大跨度隧道工程十分常见，《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)从自稳能力角度将跨度与围岩级别做了关联规定。铁路隧道应积极吸收公路行业的成功经验，在不同围岩级别条件下按照不同跨度对围岩进行修正，解决这一实际问题。

6 结论与展望

(1)一般黏性土隧道围岩分级，土体的抗剪强度应该作为今后量化分级的主要指标和研究方向。

(2)砂类土隧道围岩级别应本着定性描述和定量分析相结合的办法确定围岩级别，定量指标侧重于标准贯入试验锤击数。

(3)黄土隧道围岩分级将天然含水量、干密度作为主要定量指标，地质年代作为定性描述。

(4)膨胀土隧道寻求能反映土体强度和膨胀特性的代表性指标是今后围岩分级定性与定量化研究的方向，以期将这种特殊围岩纳入规范。

(5)岩溶隧道围岩级别划分原则上首先应遵循围岩的基本分级，需要建立岩溶发育程度分级，另外再考虑地下水、填充物特点和隧道结构安全需要，建立一套围岩级别修正办法纳入规范。

(6)规范应补充高水压条件下围岩修正方法。

(7)铁路隧道应积极总结施工案例，吸收公路行业的成功经验，在不同围岩级别条件下按照跨度不同对围岩进行修正，解决这一工程实际问题。

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