福建南平高速公路谢元隧道围岩分级方法研究

2019-10-10夏鹏

福建地质 2019年3期

夏鹏

(福建省地质测绘院，福州，350011)

隧道围岩分级作为隧道设计施工的基础，一直是相关研究的重点。目前，国内外学者提出多种分级方法，但很多分级方法地域性较强且繁琐复杂，难以应用于实际工程。工程常用的围岩分级方法[1-3]可按分级依据归纳为5类(表1)。理论上很难说明哪种算法更加准确，需要根据工程条件选择最合适的判别方法。19世纪70年代，我国一直采用前苏联提出的坚固系数法进行围岩分级，该方法的分级依据相对较单一，可靠性较低。19世纪80年代，铁道部科学研究院和中国科学院在大量隧道修建资料的基础上，归纳得出了岩体综合分级法，并将该方法编入公路隧道勘测规程[4]。该方法属于定性分析法，在我国使用了20余年，但随着我国基建工程的飞速发展，这种经验方法已不能满足实际工程的需求。19世纪90年代，我国工程岩体分级标准[5]，建议采用BQ法进行围岩分级。BQ法属于二级多因素组合分级法，结果相对可靠，2004年颁布的公路隧道设计规范[6]也沿用了这种方法。目前，以BQ法为主的多因素分级法，仍是实际工程中使用最多、认可度最高的围岩分级方法。

以福建南平高速公路谢元隧道(1)福建省现代工程勘察院，谢元隧道工程地质勘察报告，2011。为工程背景，将多因素组合法中的BQ法和Q法应用于隧道围岩分级中，并将判定结果与地质验槽结果相比较。然后，结合分级误差与实际地质条件，分析算法存在的局限与误差可能产生的原因。最后，针对算法中存在的不足，以工程实例为依据，提出合理的改进建议。

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表1 常用围岩分级方法

1 工程背景介绍

谢元隧道为双硐分离式隧道,走向65°，为南平延平区绕城高速的重要节点工程，其中，左硐长4 451 m，起桩止号为ZK36+692～ZK41+143；右硐长4 472 m，起止桩号为YK36+715～YK41+187。隧道净空为10.25 m×5.0 m，最大埋深约460 m。综合考虑岩体稳定、美观和环保等因素，隧道进口采用削竹式硐门，出口采用端墙式硐门。

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1.1 地形与地层岩性

另外，分别对5处钻孔进行了注水或抽水试验(图1)，得到隧址区各含水层的渗透系数后，根据里程桩号与含水层的近远关系，计算出各断面的地下水修正系数。根据渗透系数，得出BQ法中的地下水修正系数(K1)。

计算得到Q值后，对2种分级方法的分级依据进行了比较，可见BQ法与Q法的分级结果存在一定对应关系。其中，BQ法的I级围岩与Q法中的1，2级对应，IV级围岩与Q法中的5，6级对应，V级围岩则与Q法中的7，8和9级对应。由式(5)可知，Q值在计算过程中仅需测定岩体的强度和弹性波波速，其余系数均通过查表或经验公式得出，算法的主观性较强。同时，Q法采用的围岩级别更多，算法主观性较强可能使分级结果不准确。

1.2 地质构造与不良地质作用

谢元隧道位于闽西南坳陷带东缘政和—大埔深大断裂带东侧，隧址区发育1条断层、2条节理密集带。断层及节理发育特征(表2)。

另外，隧址区没有地裂缝、滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象。隧道硐身地表有4处滑坡，规模较小，对隧道无影响。

表2 节理发育情况

注：节理在隧道左右幅位置相差较小，仅以左幅位置为典型进行分析。

1.3 水文地质条件

隧址区地表水主要为溪沟季节性流水，水量随季节性变化而变化，地下水为潜水。地下水按埋藏条件及贮存介质分为2类：①风化带网状孔隙裂隙水,主要在第四系坡残层底部及碎块状强风化岩层的网状孔隙裂隙中贮存，对围岩及开挖影响较小。②基岩裂隙水，多为构造裂隙水，受裂隙、节理等的影响控制。根据岩土工程勘察规范[10]判定可知，隧址区环境类别为Ⅱ类，隧道围岩为弱透水层。地下水对混凝土结构具微腐蚀性，隧道进、出口地表水对混凝土结构具中等腐蚀性。

图1 原位测试平面布置示意图Fig.1 Sketch map of plan layout of situtest1—节理裂隙及编号；2—断层及编号；3—水文试验孔及编号；4—地应力测试孔

谢元隧道场址区属构造侵蚀低山地貌，地形起伏大，轴线最高点海拔约892 m,相对高差约470 m。隧道进口段坡度20°～25°，高程448～500 m；出口段坡度为35°～45°，高程408～451 m。隧址区穿越的沟堑较为发育，多呈Ⅴ型。

1.4 地应力试验

综合评价隧址区地应力情况，为围岩分级提供依据。研究以谢元隧道SK016-2钻孔岩体为典型进行水压致裂地应力试验，同时根据裂纹破裂方向确定隧址区最大水平主应力方向(表3)。

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BQ=90+3Rc+250Kv

表3 隧址区地应力水平(MPa)

注：自重应力按岩石的上覆重量计算，其岩石容重取为25 000 N/m3。钻孔稳定水位为(距孔口)0 m。

图2 隧道场地地应力变化曲线Fig.2 Change cuyve of geostress in tunnel site

最大水平主应力：σH=0.027 7H-0.316 9

(1)

最小水平主应力：σh=0.022 1H+0.262 2

(2)

垂直应力：σv=0.024 5H+0.230 1

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(3)

Kv=0.04Rc+0.4Kv<0.04Rc+0.4

2 围岩分级

2.1 BQ法

根据公路隧道设计规范中的规定，BQ分级法分2步计算：①确定围岩质量指标BQ，如式(4)～(6)所示；②考虑地下水、地应力和软弱结构面对围岩质量的影响，计算修正后的指标[BQ]，如式(7)所示。

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由表3可知，试验区侧压系数λ=σH/σv随，深度的变化而变化(图2a)。试验区侧压系数为1.00～1.20，均大于1.00。因此，试验区内地应力以构造应力为主。另外，试验区测得的最大水平主应力为9.20 MPa，最大水平主应力方向约NW334°，与隧道走向夹角89°。由实测地应力随围岩深度变化的情况(图2b)可知，试验地区的地应力值σH、σh和σv沿深度方向可分别以式(1)～(3)计算。

(4)

Rc=90Kv+30Rc>90Kv+30

(5)

式中：H为围岩埋深。硐身最大埋深为460 m，根据公式(1)～(3)计算，谢元隧道最大埋深处σH、σh和σv分别为12.43 MPa、10.43 MPa和11.50 MPa。试验结果显示完整基岩的单轴饱和抗压强度大于100 MPa。

(6)

[BQ]=BQ-100×(K1+K2+K3)

(7)

式中：Rc为实测的岩石单轴抗压强度，体现岩石坚硬程度。Kv为岩体完整性指标(无量纲)，可以根据岩体体积节理数(Jv)确定。K1、K2和K3分别为地下水修正系数、主要软弱结构面产状修正系数和初始应力状态修正系数。

计算得到修正后的指标[BQ]后，围岩等级可确定(表4)。

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表4 工程岩体质量分级标准[4]

2.2 Q法

根据巴顿提出的Q法规定，以指标Q作为岩体质量标准，可由式(8)计算。

(8)

式中：RQD为岩体质量指标；Jn、Ja、Jw和Jt均为节理系数，系数分别考虑节理组数、粗糙程度、蚀变程度和折减(无量纲)；SRF为地应力系数(无量纲)。

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根据钻探揭露及地质测量得出，隧址区表层大部分出露第四系坡残积层，进口段较厚，为5～8 m，其余地段较薄，其中硐门处中风化花岗岩裸露，隧址区下伏基岩主要为震旦系建瓯群迪口组变粒岩、燕山早期黑云母花岗岩及其风化层，局部见辉绿岩侵入。

2.3 围岩分级

首先对不同地段的围岩进行取样试验和室内岩石试验，根据围岩指数Rc和Kv计算岩体的基本质量指标BQ(表5)。同时，根据不同地段岩体的钻探试验，得出岩体质量指标(RQD)。然后，根据周围含水层的抽水、注水试验，得到了各含水层的渗透系数和修正系数(K1)；根据测定的软弱结构面确定修正系数(K2)和4个节理系数Jn、Ja、Jw、Jt；根据水压致裂法进行地应力试验，并以印模器记录的裂纹破裂方向确定最大主应力方向，得出修正系数(K3)和地应力系数SRF。谢元隧道σH和σv分别为12.43 MPa和11.50 MPa，均小于20 MPa，属于一般地应力地区[7]，修正系数(K3)和地应力系数(SRF)可分别取0和1。K1、K2的取值如表5所示。最后，结合式(7)～(8)计算围岩质量指标[BQ]和Q。考虑到地应力较小、软弱结构面不复杂的地段，多因素分级法较为准确。

表5 特殊地段围岩分级结果

注：①围岩指标为岩石单轴抗压强度；②K1取值：本段有水文试验孔，按注水、抽水试验结果，没有水文试验钻孔的，按相邻试验孔结果平均。

BQ法和Q法的分级结果基本一致。可见，此研究在围岩分级过程中，钻探试验、含水层水文试验和地应力试验等结果较可靠，试验的测点误差、测量误差及其他主观误差对分级结果的影响较小。其中，节理密集带的围岩级别以Ⅳ～Ⅴ级为主。ZK37+840～ ZK37+890段，围岩级别为II级；ZK36+730～ZK37+840和ZK40+100～ZK40+115段，围岩级别为IV级；ZK36+710～ ZK36+730和ZK40+040～ ZK40+100段，围岩级别为V级。

1.2.1.2 穴位按摩的目的、作用及意义。操作者指甲修剪平整。在患者足部穴位(双侧足三里、三阴交、涌泉)进行按摩治疗,每个穴位按摩2分钟,采用补法,即用轻手法顺时针方向揉,用力宜轻,以患者感到酸胀为宜。操作过程中询问患者对手法的感受以便及时调整。

3 分级误差修正与分级方法改进建议

3.1 分级误差修正

为了验证多因素分级法是否存在误差，在隧道施工过程中设置了多处验槽，将地质验槽结果与BQ法分级结果进行比较并得到围岩分级误差(表6)。

表6 围岩分级误差

在隧道节理密集带，BQ法的判别结果与围岩实际等级存在一定误差。其中，在ZK36+730～ZK36+755(隧道进口)段，评价显示围岩为IV级，而验槽结果为V级。在ZK37+840～ZK37+890段，评价显示为II级围岩，而验槽结果为III级。可见，BQ法的分级误差主要在岩层节理发育位置。BQ法中，主要通过软弱结构面修正系数(K2)考虑节理发展对围岩等级的影响，K2的取值范围较宽，且只考虑节理倾向、倾角与洞轴线夹角等因素的综合影响，可能是导致分级误差的主要原因(表7)。

表7 修正系数(K2)取值范围[7]

3.2 分级优化建议

RSR法和RMR法主要以岩体构造或岩性特征为分级依据，2种分级方法在计算时对围岩节理进行了充分考虑，其中，RSR法根据节理间距(密集程度)、走向、倾角及洞轴线夹角将节理修正系数分为48个级别(表8)。RMR法根据节理走向、倾角及洞轴线夹角将节理修正系数分为7个级别(表9)。

研究结合RSR法、RMR法及工程分级结果，对修正系数(K2)的取值进行了细化，并考虑了掘进方向的影响。结合3种方法中节理倾向对围岩评价的影响可知，可以将倾向划分为4个等级，分别为平缓(倾角小于20°)、较倾斜(倾角在20°～45°)、倾斜(倾角在45°～75°)和陡倾(倾角大于75°)。在考虑结构面走向与洞轴线夹角对围岩分级的影响时，3种方法也存在相同特点。例如，夹角在20°以内时，3种方法均认为岩体的稳定性差。而结构面倾角又进一步影响围岩稳定，倾角越大围岩稳定性越差。考虑到洞顶围岩的稳定对施工影响最大，所以BQ法在考虑结构面倾斜角对K2的影响时应取较大值，当结构面走向与洞轴线夹角20°～50°，掘进方向与倾向对围岩分级的影响相对较小。结构面倾角小于75°时，可以不考虑掘进方向与倾向与围岩级别的关系。当结构面走向与洞轴线夹角大于60°，围岩稳定性相对较好。此时，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，倾角越大围岩稳定性越好，K2应取较小值，同时，当结构面倾向与掘进方向相反，围岩稳定性相对更差，则K2应取较大值(表10)。

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