隧道围岩分级因素敏感性分析及影响水平划分方法研究

吴秋军 迟晓亭

摘要：现行的铁路、公路隧道围岩分级方法的基本思想和框架体系均是沿用了1975年铁道部的科研成果，它是以单线铁路隧道围岩稳定性为基础而建立的，这与当前我国大量涌现的高速铁路双线隧道、高速公路隧道在尺寸上存在很大差别，所以现行的铁路、公路围岩分级方法是否能够适应大断面的高速铁路、高速公路隧道已经成为一个关键性的技术问题，需要深入研究。为此，文章采用正交数值试验方法研究了两个重要问题，即各隧道围岩分级影响因素对隧道尺度的敏感性以及据此进行各分级影响因素的水平划分方法。上述研究成果已作为新的铁路、公路隧道围岩分级方法的参考依据。

关键词：隧道围岩分级方法;分级影响因素;敏感性分析;水平划分方法

0 引言

隧道围岩分级一直以来都是隧道工程建设中最基础、最重要的课题之一。现行的铁路、公路隧道围岩分级实质是按围岩稳定性进行的分级，影响隧道围岩稳定性的因素有很多，但通常可以归为自然地质环境方面的因素和人为因素两大类[1]。不过，一般只将与自然地质环境方面有关的因素作为围岩分级指标使用。例如，现行的铁路隧道围岩分级方法采用的三种分级指标，即基本指标（包括岩石坚硬程度和岩体完整程度）、修正指标（包括地下水状态、主要结构面产状和初始地应力状态）以及辅助指标（弹性波速度）[2]，都是属于自然地质环境方面的因素（现行公路隧道围岩分级方法与现行铁路隧道围岩分级方法基本相同，但未考虑弹性波速作为辅助指标[3]）。至于人为因素，如隧道的洞型尺寸、开挖方法等，虽然也是围岩稳定性的重要因素，但由于可以人为控制，故一般作为围岩分级应用的适用条件来考虑[1]。

近年来，随着高速铁路、高速公路在我国大规模建设，高速铁路、高速公路隧道大量涌现。这些隧道在洞型尺寸（高铁隧道、三车道隧道开挖跨度D≈15m）上已与作为现行铁路、公路隧道围岩分级方法建立基础的单线铁路隧道（开挖跨度D≈7～8m）[4]有了十分明显的差别。由于适用条件发生了很大的变化，所以現行的公路、铁路隧道围岩分级方法是否适应大断面的高速铁路隧道、三车道隧道需要深入地研究。其中，由于隧道跨度的增大，有两个方面的问题需要重点研究：（1）各分级影响因素对围岩稳定性的作用是否发生了变化;（2）各分级影响因素对围岩稳定性的规律是否发生了变化。

1 正交数值试验方法和试验条件

针对上述两个问题采用了数值试验方法进行研究。试验过程中考虑了对围岩稳定性最重要的四个分级影响因素——岩块强度、结构面强度、结构面间距、结构面倾角。其中，岩块强度对应基本分级指标“岩石坚硬程度”;结构面强度、结构面间距属于基本分级指标“岩体完整程度”;结构面倾角虽然不属于铁路隧道围岩分级指标之内，但从我国的《工程岩体分级标准》（GB50218-2014）[5]、《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）[6]等资料来看，该分级影响因素也非常重要，一般属于修正因素“主要软弱结构面产状”。利用文献[5][6]等对上述四个分级影响各划分了5个水平（取中值或界限值），分别如表1～4所示。

采用二维离散元软件UDEC进行计算。为了便于分析但不失一般性，试验中考虑了两组结构面，且此两组结构面的倾角相互垂直。试验中考虑了浅埋（30m）和深埋（300m）两种埋深。模型的左右边界施加水平位移约束，底部边界施加竖向位移约束。试验采用了跨度为大跨（15m）和小跨（8m）两种跨度的隧道断面，分别对应于设计时速200km的高速铁路隧道和140km单线铁路隧道。试验过程中隧道采用全断面开挖，并在开挖完成后立即设置20cm厚的初期支护，初期支护的物理力学参数采用了文献[7]中建议的混凝土参数。试验结果为初期支护相对拱顶沉降。

由于因素个数及水平分级较多，如全面分析需进行4×54=2500组试验，故采用了正交试验方法减少了试验组数，对每一种埋深、每一种跨度情况下，各安排了25组试验，共进行了100组试验，试验方案采用文献[7]的标准正交表L25（54）。

2 各分级影响因素的敏感性分析

2.1 极差分析

埋深30m和300m两种情况下的相对拱顶沉降各分级影响因素的极差分析结果如图1～2所示。

从图1的极差分析结果可知，对隧道跨度D≈15m和D≈8m两种情况均有：结构面强度的极差最大，结构面倾角的极差次之，结构面间距的极差再次之，岩块强度的极差最小。但对隧道跨度D≈15m的情况，岩块强度与结构面间距的极差差距不大;而对隧道跨度D≈8m的情况，四个因素的极差差距都不大。这说明在埋深较浅时，对隧道跨度D≈15m的情况，结构面强度、结构面倾角对围岩稳定性影响较大，是主要因素，而岩块强度、结构面间距对围岩稳定性影响较小，是次要因素;而对隧道跨度D≈8m的情况，结构面强度、结构面倾角、结构面间距、岩块强度四个因素对围岩稳定性影响程度相当，都是主要因素。

从图2的极差分析可知，对隧道跨度D≈15m的情况，结构面倾角的极差最大，岩块强度的极差次之，结构面强度的极差再次之，结构面间距的极差最小，而且结构面倾角、岩块强度、结构面强度的极差相当，而结构面间距的极差与前三个因素相比，极差较小。对隧道跨度D≈8m的情况，结构面强度的极差最大，结构面倾角的极差次之，岩块强度的极差再次之，结构面间距的极差最小，且这四个因素的极差差距不大。这说明在隧道埋深较大时，对隧道跨度D≈15m的情况，结构面倾角、岩块强度、结构面强度对围岩稳定性的影响大，是主要因素，而结构面间距对围岩稳定性影响小，是次要因素;对隧道跨度D≈8m的情况，结构面强度、结构面倾角、结构面间距、岩块强度四个因素对围岩稳定性影响程度相当，都是主要因素。

通过上述分析可以看出，围岩分级影响因素的重要程度受隧道跨度的影响较大，当跨度D≈15m时，对隧道埋深较浅的隧道，岩块强度、结构面间距对围岩稳定性影响将减弱;对于埋深较大的隧道，结构面间距对围岩稳定性影响将减弱。

2.2 回归分析

极差分析可以定性地揭示各因素的敏感性大小次序，但不易定量地比较各因素的敏感性差别。为此，对正交数值试验进行了回归分析，即以计算得到的各种工况下的各因素水平值（1、2、3、4、5）为自变量x1～x4，以计算得到的初期支护的相对拱顶沉降值为因变量y，建立回归模型。

经过上述处理后，常数项系数b0已变为0。然后将各项系数分别除以各项系数的和，以百分数计，则此时各项系数即为各自变量对应的重要性系数，反映了各项自变量对相对拱顶沉降的贡献程度。以各因素为横坐标，以各种埋深、各种跨度情况下的重要性系数为纵坐标，绘制直方图如图3～6所示。

从图3～6可以看出：

（1）在各种跨度和各种埋深情况下，结构面强度和结构面倾角都是影响围岩稳定性的重要因素。但在埋深较大时，岩块强度的影响也很重要;而在跨度较小时，结构面间距的影响也很重要。

（2）在埋深较浅时，结构面强度的重要性始终比结构面倾角大;在隧道埋深较大、跨度较小时，结构面强度的重要性比结构面倾角大;但隧道跨度较大时，结构面倾角的重要性反而比结构面强度大。

（3）同一跨度情况下，埋深较大时与围岩地质结构相关的因素（结构面强度、结构面间距、结构面倾角）重要性比埋深较小时要小，而岩块强度的规律正好相反，这反映了初始地应力水平的影响，而这一结果与文献[8][9]的观点极为吻合。

2.3 综合结果

从上述数值试验结果的分析可以得出如下结论：

（1）结构面强度和结构面倾角这两个因素对隧道围岩稳定性影响最大，对隧道尺度敏感性不强。

（2）结构面间距对隧道尺度敏感性最強。隧道跨度较小时，结构面间距对隧道围岩稳定性影响大，反之则小。

（3）岩块强度对隧道埋深敏感性最强。当隧道埋深较大时，岩块强度对隧道围岩稳定性影响较大，反之则小。

3 各分级影响因素的水平划分

以计算得到的相对拱顶沉降结果为依据，研究各分级影响因素对相对拱顶沉降的影响规律，据此来划分各因素的水平。各分级影响因素水平划分的依据是：当各分级影响因素对相对拱顶沉降的影响不显著时，可作为同一水平;当各分级影响因素对相对拱顶沉降的影响较显著时，作多段水平划分。

3.1 埋深30m情况下的分级影响因素影响水平划分

埋深30m情况下各分级影响因素对相对拱顶沉降的影响曲线如图7～10所示。

根据上述各因素对相对拱顶沉降的影响曲线，对各分级影响因素水平划分如下：

（1）岩块强度：对隧道跨度15m的情况，划分为2个水平，即RC≥15MPa和RC<15MPa;对隧道跨度8m的情况，划分为3个水平，即RC≥15MPa、5MPa≤RC<15MPa、RC<5MPa。目前规范划分为5个水平，可以涵盖这三个水平。

（2）结构面强度：对隧道跨度15m的情况，划分为4个水平，分别为结合好、结合一般、结合较差、结合差;对隧道跨度8m的情况，划分为5个水平，分别为结合好、结合较好、结合一般、结合较差、结合差。目前规范划分为5个水平，可以涵盖这两种跨度。

（3）结构面间距：对隧道跨度15m的情况，划分为3个水平，即≤0.4m、0.4～1.0m、≥1.0m;对隧道跨度8m的情况，划分为3个水平，即≤0.4m，0.4～0.6m，≥0.6m。目前规范划分为5个水平，可以涵盖隧道跨度15m时的3个水平，但与隧道跨度8m的水平划分方法不一致。

（4）结构面倾角：对隧道跨度15m和8m的情况均划分为3个水平，即0°～15°、75°～90°;15°～25°、65°～75°;25°～45°、45°～65°。目前规范划分的3个水平，与此有较大差异。

3.2 埋深300m情况下的分级影响因素水平划分

隧道埋深300m的情况下，各因素对相对拱顶沉降的影响曲线详见图11～14。

根据上述各因素对相对拱顶沉降的影响曲线，对各分级影响因素水平划分如下：

（1）岩块强度：对隧道跨度15m和8m的情况均划分为4个水平，其中硬质岩1个水平，软质岩3个水平，划分结果如下：

硬质岩：RC≥30MPa;

软质岩：RC<5MPa;5MPa≤RC<15MPa;15MPa≤RC<30MPa。

目前规范划分为5个水平，可以涵盖这4个水平。

（2）结构面强度：对隧道跨度15m的情况，划分为4个水平，分别为结合好、结合一般、结合较差、结合差;对隧道跨度8m的情况，划分为5个水平，分别为结合好、结合较好、结合一般、结合较差、结合差。目前规范划分为5个水平，可以涵盖这两种跨度。

（3）结构面间距：对隧道跨度15m的情况，划分为3个水平，即≤0.4m、0.4～1.0m、≥1.0m;对隧道跨度8m的情况，划分为3个水平，即≤0.4m，0.4～0.6m，≥0.6m。目前规范划分为5个水平，可以涵盖隧道跨度15m的3个水平，但与隧道跨度8m划分方法不一致。

（4）结构面倾角：对隧道跨度15m和8m的情况均划分为3个水平，即0°～15°、75°～90°;15°～25°、65°～75°;25°～45°、45°～65°。目前规范划分的3个水平，与此有较大差异。

3.3 综合结果

对上述两种埋深下各因素的影响水平划分综合考虑，结合文献[1][2]中的划分方法，得到隧道跨度15m情况的各因素影响水平划分的综合结果如下：

（1）岩块强度：划分为4个水平，其中硬质岩1个水平，软质岩3个水平：

硬质岩：RC≥30MPa;

软质岩：RC<5MPa;5MPa≤RC<15MPa;15MPa≤RC<30MPa。

（2）结构面强度：划分为4个水平，分别为结合好、结合一般、结合较差、结合差。

（3）结构面间距：划分为3个水平，分别为≤0.4m，0.4～1.0m，≥1.0m。

（4）结构面倾角：划分为3个水平，分别为0°～15°、75°～90°;15°～25°、65°～75°;25°～45°、45°～65°。

由此可见，目前《铁路隧道设计规范》规定的各因素水平的划分标准除结构面倾角外，基本可以包含隧道跨度15m情况的各因素影响水平划分。

4 结语

通过前面的研究可以得出如下结论：

（1）隧道围岩结构面强度和结构面倾角因素对隧道围岩稳定性影响最大，对隧道尺度敏感性不强。结构面间距对隧道尺度敏感性最强;隧道跨度较小时，结构面间距对隧道围岩稳定性影响大，反之则小。岩块强度对隧道埋深敏感性最强，当隧道埋深较大时，岩块强度对隧道围岩稳定性影响较大，反之则小。

（2）隧道跨度15m时，岩块强度水平划分为4个水平，其中硬质岩1个水平，软质岩3个水平，即RC<5MPa，5MPa≤RC<15MPa，15MPa≤RC<30MPa，RC≥30MPa。结构面强度水平划分为4个水平，即结合好、结合一般、结合较差、结合差。结构面间距水平划分为3个水平，即≤0.4m，0.4～1.0m，≥1.0m。结构面倾角水平划分为3个水平，即0°～15°、45°～60°;15°～25°、60°～70°;25°～45°、70°～90°。

目前《铁路隧道设计规范》《公路隧道设计规范》规定的各因素水平的划分标准，除结构面倾角外，基本包含了隧道跨度15m情况的各因素影响水平划分。

参考文献：

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