重庆地区典型土石混合体回填土区隧道围岩分级研究

宋上明

(中铁开发投资集团有限公司， 云南 昆明 650118)

0 引言

土石混合料是由性质差异悬殊的土和石组成的松散体，是一种介于土体和岩体之间的特殊地质体[1]。在早期的山地城镇建设中，广泛采用“开山填谷”的方式进行场地平整，从而形成大面积的深厚土石混合体回填区。现今大力修建城市地铁会不可避免地下穿这类土石混合体回填区，其隧道围岩分级的准确性是工程设计的前提。根据《铁路隧道设计规范》规定，土石混合体的围岩级别可属于Ⅳ级和Ⅴ级，但并未对Ⅳ级和Ⅴ级围岩给出定量的物理力学指标进行划分，因此，如何根据地勘结果或者现场测试结果准确地划分土石混合体的围岩级别，是困扰工程技术人员的一个难题。

国内外应用较多的围岩分级方法主要包括按基本因素定性分级法和综合各类因素人为定量打分法2大类。其中： 前者应用简单，特别便于工程经验丰富的人员采用，评级结果的准确性受应用者的主观影响[2]； 后者评级结果较客观，但有些定量指标较难准确确定，导致应用受限[3]。为此，近年来有学者提出了一些新的分级方法。针对不同发育程度的岩溶围岩，李苍松等[4]建立了一种合理的围岩分级物理模型和数学模型，取得了较好的应用效果； 童建军等[5]通过工程调研、理论研究和数值模拟等方法，提出了公路隧道围岩亚级分级方法和分级标准，并建立了各亚级条件下的支护结构设计参数体系； 王明年等[6]针对我国当前公路隧道围岩分级级别跨度大的问题，基于大量室内试验获得的物理力学参数统计结果，分别对岩体围岩和土质围岩进行了围岩亚分级，并给出了各级围岩的物理力学指标值。此外，陈炜韬等[7]采用类似的方法，基于大量的围岩物理力学参数试验结果和深埋数据统计结果，运用统计学方法对黏性土的液性指数、天然密度和塑性指数3个围岩分级指标进行了定量研究； 梁庆国等[8]针对现有深埋黄土隧道围岩力学特性方面的研究方法和成果的不足，建立了该条件下的试验研究内容和研究方法。

综上所述，虽然国内外针对围岩分级有了较多的研究成果，但未有专门适用于土石混合体回填土隧道围岩分级的方法。因此，迫切需要提出一种可根据现场易获得的物性指标，对土石混合体回填土的围岩级别进行快速和精确划分的方法。本文以重庆典型的土石混合体回填土为研究对象，通过大量的文献调研确定其围岩分级物性指标，然后通过室内试验获得这些物性指标与力学参数的关系； 基于此，建立一种适用于重庆地区典型土石混合体回填土隧道围岩分级的方法，对于指导该地区的隧道设计和施工具有重要的工程价值。

1 土石混合体回填土围岩分级指标的确定

根据我国《铁路隧道设计规范》[2]规定，隧道围岩大致可分为土质围岩和岩质围岩2大类。岩质围岩主要是由各类岩体或岩石组成的地质体，而土质围岩是由各类土体或者含块石土体组成的地质体，两者在组成结构、力学性质上存在显著差异，因此应采用不同的分级方法[9]。根据《工程地质手册》[10]规定，大致可将土体分为碎石土、砂土、粉土和黏性土几大类，每大类土体又可细分为几小个类型。各大类土体的物理参数指标具有明显的差异，因而导致其力学性质差异非常大，与其对应的围岩级别亦有显著差别。因此，对于土质围岩而言，围岩分级指标的选取应优先考虑那些对力学性质影响较大的物理参数指标。

土石混合体是由粒径较小的黏质土和粒径较大的块石组成，因此，建立其分级指标应同时考虑黏质土和块石这2种类型土的性质。已有大量文献[11-14]开展了土石混合体力学性质方面的研究，结果发现影响土石混合体力学性质的主要因素有含石量、含水率、颗粒级配、孔隙比和岩性、土性等，且这些因素的影响并非完全不相关，其中影响最大且研究最多的因素为含石量、含水率、颗粒级配和孔隙比。

本文的研究对象为重庆典型的“开山填谷”的城市建设方式所产生的土石混合体回填土，回填时间普遍为2～15年，均处于欠固结状态，密实程度普遍偏低，其变化较小，通过试验测定孔隙比较大，相对密度较为松散，且重庆地区的土石混合体回填土的孔隙比处于一个较稳定的状态，不同位置的孔隙比较为接近。因此，本文不考虑孔隙比对重庆地区土石混合体回填土强度的影响。从其组成成分上看，以粉质黏土和泥质砂岩为主，因此，可不考虑岩性和土性条件的影响。含石量与颗粒级配是2个非常相关的物理指标。颗粒级配(岩块粒径特征)所涵盖的信息较含石量更全面，但不易量化，而含石量却非常容易量化，且能够很好地用来研究土石混合料的物理力学性质。岩石粗糙度亦有一定的影响。岩石粗糙度可以采用一定的方法进行定量描述，如国际岩石力学协会推荐使用的由Barton提出的10条节理粗糙度(JRC)标准剖面轮廓曲线的方法，但应用起来较为不便。

因此，为了同时兼顾分级方法的准确性和实用性，采用含石量和含水率2个物理指标作为土石混合体隧道围岩的分级指标。

1.1 含石量

含石量是指土石混合体中的块石质量所占总质量的百分比。目前，普遍将大于5 mm粒径的颗粒定义为块石，块石镶嵌在土石混合体的细粒土体中，形成一定的骨架作用，块石含量越高，骨架作用越强，其对土石混合体的摩擦强度贡献越大，但其黏聚力因细粒含量的降低而下降。因此，本围岩分级方法将含石量作为评定土石混合体隧道围岩分级的第一指标。

1.2 含水率

含水率是指土石混合体中所含水的质量与土体干质量的比值。水对岩土材料物理力学性质具有特别大的影响，这也一直成为国内外研究的热门课题之一。研究表明，水对土石混合料的强度和变形性质具有显著的软化作用。因此，将含水率作为评定土石混合体隧道围岩分级的第二指标。

2 土石混合体物理力学指标试验研究

2.1 物理参数指标试验

以重庆市渝北区典型的土石混合体回填土为研究对象，对其开展灌水法的天然密度试验、筛分法的颗粒级配试验、比重瓶法和虹吸管法的颗粒相对体积质量试验等，测得回填土基本物理参数指标如表1所示。总体上，土石混合体回填土的天然含水率较高，处于较湿状态，干密度较低，密实度较低，工程上属于级配不良的土体。

表1 回填土物理参数指标

2.2 室内大型直剪试验

为了研究不同含水率下土石混合体的强度性质，采用ZY50-2G型大型粗颗粒土直剪试验机开展室内试验，如图1所示。试样按照原状土石混合体的颗粒级配、孔隙比和干密度，使用原状土石混合体筛分后的土石颗粒进行重塑。分别按照晾晒后的含水率(3.35%)、天然含水率(9.22%)、饱和含水率(18.62%)以及介于天然含水率和饱和含水率之间的1种含水率(13.92%)配置4种不同含水率的土样。仪器加载方式为位移控制方式，剪切速率采用0.8 mm/min的快剪方案，每组4个试样的法向应力分别设定为200、400、600、800 kPa，试验总共需配制16个试样，均按照取料、拌合粒料、洒水、含水率测定、试样装盒、仪器准备、剪切等步骤进行。

图1 ZY50-2G型大型粗颗粒土直剪试验机

Fig. 1 ZY50-2G type large-scale direct shear test machine for coarse grain soil

通过室内大型直剪试验得到不同含水率土石混合体的强度参数，如表2所示。由表2可知： 随着含水率增加，土石混合体的黏聚力和内摩擦角都降低； 当回填土饱和(18.62%)时，黏聚力下降到12 kPa，内摩擦角下降到20.67°。说明水对回填土的强度参数有着明显的弱化作用。

表2 不同含水率条件下回填土强度参数

2.3 室内大型三轴试验

采用固结不排水三轴试验研究不同含石量下土石混合体的强度性质。试验仪器采用YS30-3B型应力路径控制大型三轴试验机，试样尺寸为300 mm×600 mm，如图2所示。试验分成9组进行，各组分别配置含石量为0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的试样； 每组试验包含4个试样，分别在200、400、600、800 kPa围压下进行三轴剪切，剪切速率为0.6 mm/min。试验总共需配制36个试样，均按照取料、拌合粒料、洒水、装样、仪器准备、饱和、固结、剪切等步骤进行。

图2 YS30-3B型应力路径控制大型三轴试验机

Fig. 2 YS30-3B type large-scale traixial test machine for stress path control

通过三轴试验求得不同含石量试样的抗剪强度指标，如图3所示。由图3可知： 当含石量为0%(纯细粒土)时，黏聚力和内摩擦角分别为37.4 kPa和13°； 相比之下，当含石量不为0%时，土石混合料的黏聚力要更低，而内摩擦角则要更大。这一试验结果与文献[14]和文献[15]中的试验结论相同，亦满足土石混合料强度性质的一般规律。

(a) 黏聚力

(b) 内摩擦角

Fig. 3 Shear strength indices of soil-rock mixture under different rock contents

随试样的含石量从0%增加到80%，内摩擦角逐渐增大，且增长速度呈慢—快—慢的特征，速度变化分界点的含石量分别是20%和60%。含石量低于20%时，内摩擦角随含石量的增加并不大；而当含石量超过20%后，内摩擦角增加较快； 当含石量达60%时，内摩擦角较30%时提高了近15°； 此后，内摩擦角随着含石量的增大进一步增加，但增加速度明显减慢。相反地，黏聚力则呈下降规律，当含石量较低时，黏聚力随含石量的增加而较快的下降；当含石量较高时，黏聚力下降较缓慢。

黏聚力出现以上规律，是因为在含石量较低时，增大含石量，回填土中的胶结物相对减少，颗粒间的胶结力降低使得黏聚力明显下降； 而当含石量达到较高水平时，大颗粒的几何堆积作用增强，此时颗粒间的表观黏聚力随之增大，即粗糙颗粒表面的相互嵌入、咬合及摩擦等效应增强，这使得黏聚力因得到补充而下降得缓慢。在实际工程中，对于土石回填土的黏聚力和内摩擦角，有必要先判定其含石量，再做经验估计。

3 土石混合体回填土的分类

对于重庆地区的土石混合体回填土，含石量和含水率是影响土石混合体力学性质最为重要的因素，亦是其围岩分级指标重点选用的物性指标。因此，为了方便重庆地区土石混合体回填土区域的工程建设设计，依据土石混合体的室内试验结果，对其进行分类。

3.1 以含石量作为分类标准

土石混合料是由细粒土体和大颗粒块石这2种性质相差极大的材料组成的一种岩土介质，土石混合体的颗粒结构将随着含石量的变化而变化。含石量小于20%时，土石混合体中的块石之间未形成可靠的接触，而被细粒土体充分包裹着，此时的结构形式类似于块石悬浮于细粒土中，因此，内摩擦角增长较慢，土体结构以细粒土为主导； 当含石量超过20%时，块石之间开始有效接触并形成有效的骨架作用，块石间的接触使内摩擦角增长较快，此时土体结构为细粒土和块石共同作用；当含石量超过60%时，块石间的接触已经十分充分，使得这种接触对摩擦角的贡献增长缓慢，因此，内摩擦角增长较慢，土体结构以块石为主导。

因此，含石量对土石混合体的强度和变形特性影响很大，可采用含石量对土石混合体进行分类。依据内摩擦角的变化规律和土石混合体的结构特征，可将土石混合体划分为多土类、多石类和中间类，多土类和多石类界限含石量为20 %和 60 %，如表3所示。

表3重庆地区土石混合体回填土的含石量分类法

Table 3 Classification of backfill of soil rock mixture in Chongqing considering rock content

含石量P5/% 类别(0,20]多土类土石混合体(20,60]中间类土石混合体(60,100]多石类土石混合体

3.2 以含水率作为分类标准

由表2可知，随着土石混合体回填土含水率的增大，黏聚力和内摩擦角都逐渐降低，且呈现出先快后慢的规律，说明水对回填土的强度参数有明显的弱化作用。综合以上分析，依据含水率的多少将土石混合料分为硬塑类、半干硬类、潮湿类和饱和类，采用等间距划分方法，界限含水率分别为5%、10%、15%、20%，见表4。

表4重庆地区土石混合体回填土的含水率分类法

Table 4 Classification of backfill of soil rock mixture in Chongqing considering water content

含水率w/% 类别(0,5]硬塑类土石混合体 (5,10]半干硬类土石混合体(10,15]潮湿类土石混合体 (15,20]饱和类土石混合体

4 土石混合体回填土的围岩分级

我国现行的《铁路隧道设计规范》[2]中对土体的围岩分级主要是基于土体的强度性质，隶属土石混合体范畴的碎石土、卵石土、粗角砾土、粗圆砾土、大块石土的围岩级别主要为Ⅳ级和Ⅴ级。

为了便于工程应用，以现场易获得的物性指标为依据，对围岩级别进行细分。根据室内剪切试验结果，含石量越大且含水率越低时，土石混合体回填土的强度越高，即围岩条件越好。因此，根据《铁路隧道设计规范》中对土体围岩分级的规定，结合本文开展的土石混合体室内试验和分类方法，对重庆地区土石混合体的围岩级别进一步细分为Ⅳ、Ⅴa、Ⅴb3级，其中Ⅴa级和Ⅴb级分别为Ⅴ级稍好围岩和Ⅴ级稍差围岩，如表5所示。

利用表5即可对重庆地区典型土石混合体回填土区隧道围岩进行快速分级，并根据围岩分级结果对隧道支护结构进行合理的参数设计。

表5重庆地区土石混合体的围岩分级

Table 5 Classification of surrounding rock mass of soil-rock mixture in Chongqing area

含石量P5/%含水率w/%(0,5](5,10](10,15](15,20](0,20]ⅤaⅤaⅤbⅤb(20,60]ⅣⅤaⅤaⅤb(60,100]ⅣⅣⅤaⅤa

5 结论与讨论

5.1 结论

1)通过室内外试验发现，重庆地区的土石混合体回填土的回填时间普遍为2～15年，相对密实度较低，天然含水率较高，处于较湿状态，干密度较低，密实度较低，工程上属于级配不良的土体。

2)随着含水率的增大，土石混合体的黏聚力和内摩擦角都逐渐降低，且均表现为先快后慢的变化规律。黏聚力降低主要是因为含水率增大了颗粒间的水膜厚度，使得强结合水变为弱结合水。内摩擦角降低主要是因为水对颗粒咬合力和滑动摩擦力的润滑作用。

3)随着含石量的增大，土石混填体的内摩擦角呈慢—快—慢的增大规律，而黏聚力呈先快后慢的降低规律；含石量对土石混合体强度的影响本质上与块石是否形成骨架以及形成骨架的强弱有关。

4)对于重庆地区的土石混合体回填土，其围岩分级指标重点选用含水率和含石量。依据含石量可分为多土类、多石类和中间类；依据含水率可分为硬塑类、半干硬类、潮湿类和饱和类。

5)对重庆地区土石混合体围岩进一步细分为Ⅳ、Ⅴa、Ⅴb3级，其中Ⅴa级和Ⅴb级分别为Ⅴ级稍好围岩和Ⅴ级稍差围岩。利用该分级方法即可对重庆地区典型土石混合体回填土区隧道围岩进行快速分级，并根据围岩分级结果对隧道支护结构进行合理的参数设计。

5.2 讨论

本文所述围岩分级方法与传统通过打分确定围岩级别的方法(如BQ分级)具有显著区别，主要是依据含石量和含水率这2个物理指标来划分，其最大的优点是可通过容易测定的含石量和含水率2个物理指标对现场围岩级别进行快速划分。虽然这种方法不可避免地会存在一定误差，但在一定程度上是合理的，能够较方便地应用于重庆地区土石混合体。后续将进一步结合具体的工程实践，进行多因素组合试验研究，以寻求更精准的围岩分级方法。