岩爆隧道岩体质量评价的BQ法优化

牛文林, 李天斌

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)



岩爆隧道岩体质量评价的BQ法优化

牛文林, 李天斌

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

[摘要]探讨优化工程岩体分级标准BQ方法，使其更好地应用于岩爆隧道中。(1)综合RSR法、RMR法和HC法对结构面产状、洞轴线方向和掘进方向对围岩稳定性影响的考虑，对主要软弱结构面产状影响修正系数(K2)进行了优化。当结构面走向与洞轴线垂直并且结构面陡倾，倾向与掘进方向同向时，围岩稳定性最好，K2取小值；当结构面走向与洞轴线平行时，围岩稳定性最差，K2取大值。(2)结合岩爆烈度分级体系，针对硬岩高地应力隧道，对初始应力状态影响修正系数(K3)进行了优化。轻微岩爆对围岩基本质量指标BQ值较高的围岩影响较小，K3取小值；岩爆级别越高，对围岩的稳定越不利，K3取大值。对四川泥巴山隧道的部分掌子面围岩应用优化后的BQ方法重新计算[BQ]值并确定级别，分级结果与实际情况更吻合，能更好地用于确定围岩支护措施。

[关键词]围岩分级；BQ法；岩爆；隧道

实施于1995年7月1日的《工程岩体分级标准》(GB50218-94)，建立了岩体基本质量公式[1]，即BQ公式。2004年颁布的《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)采用该标准作为公路隧道围岩分级的方法[2]。因此该方法是中国公路隧道围岩级别确定的依据，是支护设计的基础。该方法主要考虑了岩石坚硬程度(Rc)和岩体完整程度(Kv)对围岩稳定的影响，即用这2个指标计算出围岩基本质量指标BQ值，然后以地下水、主要结构面产状和初始应力状态作为影响因素，修正BQ值。但在实际应用中我们发现，该方法的主要软弱结构面产状影响修正系数(K2)取值范围过宽，而且没有考虑结构面倾向对围岩稳定的影响，不易取得准确的值；对于岩爆隧道，初始应力状态影响修正系数(K3)没有考虑岩爆烈度对围岩稳定的影响，只是简单地区分高地应力和极高地应力2种情况，取值也不易确定。

考虑了软弱结构面因素的围岩分级方法主要有Wickham提出的RSR法[3]、Bieniawski 提出的RMR法[4]和水利水电HC分级法[5]等方法。RSR法的参数B就详细考虑了节理间距、节理走向、掘进方向与倾向的关系。RMR法也考虑了节理走向和倾向与隧道轴线的关系。水利水电HC分级法对主要结构面产状进行了评分。

考虑了地应力对围岩级别影响的分级方法主要有Barton提出的Q系统分级法[6,7]、BQ法等方法。Q系统用应力折减系数SRF来考虑地应力的影响，分别针对软弱带、坚硬岩、挤入岩、膨胀岩在不同地应力作用下的变化特征对地应力进行折减；但对由高地应力引起的复杂的围岩变形破坏形式考虑不足，导致SRF值不易取准，从而影响Q值的准确度。王广德把岩爆烈度等参数引入Q系统、RMR方法和HC分级法中，建立了适合锦屏水电站的JPQ、JPRMR和JPHC围岩分级方法[8]。任洋结合了岩爆烈度对K3进行了修正[9]。由于该修正方法采用的岩爆烈度没有与其机制模式联系起来，而且未参照BQ基本值进行修正，所以准确性也较差。

本文结合RSR法、RMR法和HC分级法对软弱结构面的考虑，进一步优化了BQ法主要软弱结构面影响修正系数K2。优化后的K2即可用于中低地应力隧道，也可用于高地应力引起的大变形或岩爆隧道。结合岩爆烈度分级体系，对BQ法的初始应力状态影响系数K3进行了优化，使BQ法能更准确地应用于岩爆隧道。

1对BQ法K2的优化

工程实践中，软弱结构面的走向、倾向和倾角对隧道开挖时的围岩稳定有很大影响。BQ法对主要软弱结构面影响的修正仅是根据结构面与洞轴线夹角和结构面倾角进行修正(表1)，而未考虑结构面倾向的影响。

RSR法的参数B考虑了结构面间距、走向、倾向、倾角和洞轴线方向的相互关系，从而进行评分(表2)。

RMR法也考虑了结构面走向、倾向、倾角和洞轴线方向的关系(表3)。

水利水电HC分级法考虑了结构面走向、倾角和洞轴线方向的关系(表4)。

综合RSR法、RMR法和HC法对结构面产状影响的考虑，对K2进行优化(表5)。把结构面倾角按平缓(≤20°)、较倾斜(20°, 45°]、倾斜(45°, 75°]和陡倾(>75°)细分为4个层次(表5所示。(1)当结构面走向与洞轴线夹角<30°时，以上几种方法都认为，岩体稳定性差。而结构面倾角又进一步影响岩体的稳定性，特别是随着倾角的增大，围岩的稳定性越来越差。HC方法参数评分表明，当结构面陡倾时，边墙的稳定性比洞顶的稳定性差，当结构面倾斜时边墙和洞顶的稳定性都很差。考虑到洞顶围岩的稳定对施工影响最大，所以BQ法在结构面倾斜时对K2应取较大的数值，如表5第2列所示。(2)当结构面走向与洞轴线夹角>60°时，围岩稳定性相对较好；但是当结构面倾角平缓时，洞顶的稳定性差。当结构面走向与洞轴线大角度相交时，参考RSR法(表2)和RMR法(表3)，掘进方向也会对围岩稳定性产生影响。当结构面倾向与掘进方向同向(图1-A)，并且倾角越大，围岩稳定性越好，K2取较小的值，如表5第5列所示。(3)当结构面倾向与掘进方向相反(图1-B)时，围岩稳定性相对同向时要差些，K2取值如表5第4列所示。(4)当结构面走向与洞轴线夹角介于30°～60°之间时，不用考虑掘进方向与倾向的关系，K2取值如表5第3列所示。

表1　主要软弱结构面产状影响修正系数K2

(据《公路隧道设计规范》，2004)

(据Wickham, 1972)。平缓表示0°～20°，倾斜表示20°～50°，陡倾表示50°～90°。

(据Bieniawski, 1989)

(据《水利水电工程地质勘察规范》，2008)。按岩体完整程度分级为完整性差、较破碎和破碎的围岩不进行主要结构面产状评分的修正。

结构面产状对岩体级别的影响首先主要表现为结构面走向与洞轴线的夹角。当结构面走向与洞轴线相平行时，对施工最不利；当结构面走向与隧道轴线相垂直时，对施工有利，此时，如果掘进方向与结构面倾向相同(图1-A)，则对施工最有利。其次结构面倾角对围岩稳定也有较大影响。当隧道走向与洞轴线走向平行时，倾角越大越不利于围岩稳定；当隧道走向与洞轴线相垂直时，倾角越大越有利于围岩稳定。另外，岩体结构也会对K2产生影响，完整性越好的围岩，越有利于围岩的稳定，K2可以取相对较小的值。

图1　主要结构面倾向与掘进方向关系Fig.1　The relationship between the main structural plane inclination and the tunneling direction(A)结构面倾向与掘进方向相同; (B)结构面倾向与掘进方向相反

2对岩爆隧道中BQ法K3的优化

BQ法用岩石单轴饱和抗压强度(Rc)与最大主应力(σ1)的比值，作为评价岩爆发生的条件，进而评价初始应力对工程岩体稳定性的指标。同时考虑到空间最大主应力与隧道轴线夹角的不同，对工程岩体稳定的影响也不同，认为只有垂直于工程轴线方向的最大初始应力(σmax)对工程岩体稳定的影响最大，且荷载作用明显。所以《公路隧道设计规范》(表6)采用Rc/σmax作为评价“应力情况”的定量指标。根据应力状况和BQ基本值，通过查初始应力状态修正系数(表7)得到初始应力状态修正系数K3。

在深埋的硬岩中修建隧道遇到的主要工程问题就是高地应力引起的岩爆问题。BQ方法提出时，由于工程案例太少，对高地应力的影响考虑不充分，没有结合岩爆级别来确定K3修正系数，因此在实际应用中不容易选取准确的K3值，从而影响了修正后的[BQ]值。所以在高地应力硬岩隧道中，需要考虑岩爆烈度的影响，对K3的取值进行优化。

李天斌通过大量的岩爆现场调查和机理分析，总结了岩爆的6种基本地质力学模式，并在此基础上提出了考虑地质力学模式的岩爆烈度分级体系[10](表8)。

表6　高初始应力地区围岩在开挖过程中

(据《公路隧道设计规范》,2004)。

(据《公路隧道设计规范》，2004)

根据此岩爆烈度分级体系，用岩爆级别代替表 7中的“初始应力状态”，根据不同的BQ基本值和岩爆级别选取K3修正系数，从而得到基于岩爆烈度法的初始地应力状态影响修正系数(表9)。

表8　岩爆烈度综合分级体系

(据李天斌等，2012)。σθmax为硐壁最大切向应力，Rb为岩石饱和抗压强度。

规范BQ法中，在高地应力区，BQ值>350时，K3取0.5；在BQ值<350时K3取0.5～1。在极高地应力区，BQ值>450时K3取1，BQ值<450时K3取1～1.5。这反映了岩体基本质量越差的围岩，其稳定性受地应力的影响越高；地应力越高，其对围岩稳定性的影响越大。

从表9中可看到K3的取值范围为0.3～1.5，与规范基本对应。每列的K3值都随岩爆级别的增高而增大，反映了岩爆级别越高，其对围岩稳定性的影响越大。每行的K3值都随围岩基本质量的变差而增大，反映了当围岩基本质量好时岩爆对围岩稳定性的影响小；当围岩基本质量差时，岩爆对围岩稳定性的影响大。对于围岩基本质量极差的Ⅴ级围岩，即BQ基本值<250的岩体，>1的K3修正没有意义，所以最后一列的K3值最大取1。

3优化后BQ法的应用案例

大相岭隧道[11](又名“泥巴山隧道”)是G5高速公路穿越大相岭，连接四川省雅安市境内荥经县和汉源县的重要控制性工程。隧道海拔高度1.5 km，全长约10 km，穿越大相岭背斜，最大埋深>1.6 km，主要由下震旦统安山岩段(Zaα)和流纹岩段(Zaλ)构成。

应用对K2和K3系数优化后BQ法，对泥巴山隧道部分掌子面围岩的BQ值进行了重新计算(表10)。对比段围岩主要是较坚硬-坚硬的流纹岩或安山岩，岩体较完整，嵌合紧密，呈块状-整体结构，节理微风化-微风化，地下水不发育，地应力较高。

结果表明对大部分围岩级别判别结果，优化后的[BQ]值与优化前的[BQ]值相差不大；但在受结构面控制或高地应力影响显著的掌子面，优化后的BQ法能更准确地获取K2和K3修正系数，从而得到更准确的BQ修正值，使优化后的级别能够与施工时支护设计依据的级别更接近，能作为确定施工支护措施的依据。例如：隧道YK59+800处为微风化流纹岩，层面产状为320°∠66°，有一组主要节理与之相交，产状为156°∠63°，局部发育有产状为150°∠26°的节理，由于这些节理的分割，岩体总体呈块状结构，局部为次块状结构，岩体完整性系数Kv=0.8，嵌合程度较紧密；开挖时掌子面后有闷响，边墙岩体有岩爆；地下水呈渗、滴水状流出，地下水影响修正系数K1=0；岩石坚硬，单轴抗压强度Rc=85MPa，饱和抗压强度Rb=72.3MPa，计算围岩基本质量指标BQ=90+3×85+250×0.8=545，属于Ⅱ级围岩。实测该处最大主应力σ1=31.7，方向N69.5E，倾角0.2°。根据弹性理论，估测硐壁最大切向应力(σθmax)约为63MPa。应力强度比σθmax/Rb=63/72.3=0.87，所以此处为Ⅲ级强烈岩爆区，并与实际观测现象一致，根据表9，K3取值1。由于结构面与洞轴线小角度相交，倾角为66°，根据表5，K2取值0.6。所以BQ修正值[BQ]=545-100(0+0.6+1)=380，修正后围岩级别为Ⅲ级。如果按照优化前的BQ法，K2取值范围是0.4～0.6，取值范围过大，会导致修正结果偏差较大；由于中间主应力倾角86.6°，近于垂直，所以此处与隧道轴线垂直的最大初始应力(σmax) 约等于中间主应力值,即9.5。根据Rc/σmax=85/9.5=8.9，按表6此处不属于高地应力区，K3无需修正，所以按优化前的BQ法可算得BQ修正值[BQ]的取值范围是505～485，修正后的围岩级别也是Ⅱ级，与实际情况不符。所以根据优化K2、K3系数后的BQ法能较准确地判别围岩级别。

表10　优化前后围岩BQ值对比

4结 论

a.考虑结构面倾向和倾角对围岩稳定的影响，对公路隧道围岩分级BQ法的软弱结构面影响修正系数K2的选取进行了优化。结构面产状对岩体级别的影响首先主要表现为结构面走向与洞轴线的夹角。当结构面走向与洞轴线相平行时，对施工最不利；当结构面走向与隧道轴线相垂直时，对施工有利，此时，如果掘进方向与结构面倾向相同，则对施工最有利。其次结构面倾角对围岩稳定也有较大影响。当隧道走向与洞轴线走向平行时，倾角越大越不利于围岩稳定；当隧道走向与洞轴线相垂直时，倾角越大越有利于围岩稳定。另外，岩体结构也会对K2产生影响，完整性越好的围岩，越有利于围岩的稳定，K2可以取相对较小的值。

b.根据李天斌提出的考虑地质力学模式的岩爆烈度分级体系，对BQ法初始应力状态影响修正系数K3的选取进行了进一步的优化，得到岩爆烈度法初始地应力状态影响修正系数。轻微岩爆会引起围岩薄片状的张裂-剥落，对围岩稳定的影响很小，K3应取较小的修正值(0.1～0.2)；中等岩爆呈透镜状、层状、板状的张裂-滑移、弯曲-鼓折破坏，对围岩稳定性的影响一般，K3取值0.2～0.6；强烈岩爆会引起围岩呈板状、块状、楔状的张剪-爆裂，穹状爆裂破坏，对围岩稳定的影响大，K3取值0.6～1.1；极强岩爆会引起围岩呈板状、块状甚至散体状大片连续爆裂，对围岩稳定的影响很大，K3应取大的修正值(1.1～1.5)。

c.在生产实践中应用修正后的BQ方法，发现该方法能更快速准确地确定K2、K3修正系数，从而计算出更准确的[BQ]值，为以后的支护设计工作提供了更可靠的参数。但由于该优化方法K2、K3系数的取值主要是通过在原规范方法取值范围的基础上，结合相应的影响因素得到，因此还需结合更多工程实例进一步优化表5、表9中的K2、K3取值。

[参考文献]

[1] 国家技术监督局,中华人民共和国建设部. GB50218-94,工程岩体分级标准[S]. 1995.

China State Bureau of Technical Supervision, Ministry of Construction of the People’s Republic of China. GB50218-94, Standard for Engineering Classification of Rock Masses[S]. 1995. (In Chinese)

[2] 中华人民共和国交通部. JTG D70-2004, 公路隧道设计规范[S].

Ministry of Communication of the People’s Republic of China. JTG D70-2004, Code for Design of Road Tunnel[S]. (In Chinese)

[3] Wickham G E, Tiedemann H R, Skinner E H. Ground support prediction model——RSR Concept: Proc Rapid Excav Tunneling Conf[Z]. New York, 1974: 691-707.

[4] Bieniawski Z T. Engineering classification of jointed rock masses [J]. Civil Engineer in South Africa, 1973, 15(12): 335-343.

[5] 中华人民共和国水利部. GB50218-94, 水利水电工程地质勘察规范[S]. 2009.

Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. GB50218-94, Code for Engineering Geological Investigation of Water resources and Hydropower [S]. 2009. (In Chinese)

[6] Barton N, Lien R, Lunde J. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support [J]. Publikasjon-Norges Geotekniske Institute, 1974(106): 189-236.

[7] Barton N. Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2002, 39(2): 185-216.

[8] 王广德. 复杂条件下围岩分类研究 [D]. 成都: 成都理工大学档案馆, 2006.

Wang G D. Research for Surrounding Rock Mass Classification in the Complicated Conditions [D]. Chengdu: The Archive of Chengdu University of Technology, 2006. (In Chinese)

[9] 任洋.高地应力公路隧道施工阶段围岩分级方法研究及应用[D].成都:成都理工大学档案馆, 2009.

Ren Y. On the Methods for Surrounding Rock Classification in Construction Stage of Highway Tunnels with High Geostress [D]. Chengdu: The Archive of Chengdu University of Technology, 2009. (In Chinese)

[10] 李天斌，孟陆波，郑建国，等.大陆西部深埋隧道岩爆特征及其地质力学模式[C]//第十一届海峡两岸隧道与地下工程学术与技术研讨会. 2012: A141-148.

Li T B, Meng L B, Zheng J G,etal. The characters of rockburst and its geomechanical patterns in deep tunnels in west mainland[C]// The 11thTunneling and Underground Engineering Cross-strait Symposium [C]. 2012: A141-148. (In Chinese)

[11] 四川省交通厅公路规划勘察设计研究院.大相岭隧道工程地质详勘报告[R].成都:四川省交通厅公路规划勘察设计研究院, 2007.

Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning, Survey, Design and Research Institute. Detailed Geological Investigation Report of Daxiangling Tunnel [R]. Chengdu: Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning, Survey, Design and Research Institute, 2007. (In Chinese)

[第一作者] 张俊(1982-),男,工程师,从事钻井技术研究, E-mail:zhangjun830410@163.com。

Optimization of BQ method used in rock mass quality

evaluation of rockburst tunnel

NIU Wen-lin, LI Tian-bin

StateKeyLaboratoryofGeo-hazardPreventionandGeo-environmentProtection,

ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Abstract:This paper discusses the BQ method that optimize the standard for engineering classification of rock masses so that it can be applied in the rockburst tunnel more effectively. The orientation of the rock mass structural plane, the direction of the tunnel axis and the tunneling direction have influences on the rock mass stability, which RSR, RMR and HC methods are considered. Integrating these considerations, the correction coefficient (K2) influencing the main weak structural plane orientation is been optimized. When the strike of the structural plane is perpendicular to the tunnel axis and the structural plane is inclined to the same direction with the tunneling, the stability of the surrounding rock mass is good, so K2gets a large value. When the strike of the structural plane parallel to the tunnel axis, the stability of the surrounding rock mass is poor, so K2gets a small value. Combined with the intensity of rock burst, the correction coefficient (K3) influencing the initial stress state is optimized based on the high initial stress of hard rock mass. A slight rock burst has little effect on the surrounding rock with a high value of the rock mass basic quality index (BQ), so K3gets a small value. The higher class of the rock burst, the poorer stability of the surrounding rock mass, so K3gets a large value. The paper uses the optimized BQ method to recalculate the [BQ] value of some surrounding rock of the working face in the Niba mountain tunnel. It is found that the classification results are more coincide with the actual conditions. So the supporting methods of the surrounding rock can be more accurately selected by this optimized method.

Key words:rock mass classification; BQ method; rockburst; tunnel

[基金项目]国家“十二五”科技重大专项(2011ZX05014-006)。

[收稿日期]2014-04-19。

[文章编号]1671-9727(2015)06-0665-08

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2015.06.04

[文献标志码][分类号] TU452 A