叙大铁路核桃湾隧道围岩分级体系研究

屈鹏程

(中铁上海设计院集团有限公司工程勘察设计院，上海 200070)

1 前言

隧道的围岩分级是隧道施工技术方法选取、围岩稳定性评价、支护设计的前提。近几十年来，国内外学者对隧道围岩分级进行了大量研究和探索，主要形成了以下几种分级方法：①单一指标法，如“普氏系数法”、法国抗压强度法以及捷克抗拉强度法[1]；②单一综合指标法，如RQD法、奥地利自稳时间以及日本声波速度法[2-3]；③岩体结构法，该类方法以太沙基分类法最为典型；④多指标综合分类法，如巴顿Q系统、岩体分级Z系统、RMR法、RSR法等[4-9]；⑤国标BQ系统，随后众多学者也对BQ系统进行了修正和改进[10-13]。

众多围岩分级方法考虑的主要因素包括岩体物理力学性质、岩体结构、地应力、地下水条件等。由于隧道围岩工程地质条件的复杂性，任何单一的围岩分级方法都不能解决全部的围岩工程地质问题。因此本文以核桃湾隧道围岩为例，将岩体中岩石的坚硬程度和岩体的节理发育程度作为分级中两个关键要素，然后结合围岩的地下水条件以及岩体波速特征，最终得到相适应的围岩等级。

2 工程地质条件

核桃湾隧道位于古蔺县古蔺镇，隧道全长3 408 m，隧址区属于中低山构造剥蚀、溶蚀地貌，斜坡沟谷地形，山高谷深，高程介于640～1 190 m之间。研究区地层岩性以砂岩、页岩、灰岩为主，岩层呈单斜构造(图1)。地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水、岩溶水。该隧道的地应力环境主要以自重应力场为主。

图1 隧道地质剖面图

3 核桃湾隧道围岩分级指标

核桃湾隧道作为一条铁路隧道，选取我国铁路隧道围岩分级方法中的岩石坚硬程度、岩石完整程度作为主要指标，另外根据该隧道的工程地质条件，结合弹性波速测试结果和地下水条件，最后得到更具有工程价值和贴合实际的围岩分级结果。

(1) 岩石坚硬程度

不同等级围岩岩体的坚硬程度必然不同，因此在核桃湾隧道围岩中每隔数米取样，获取试样的单轴饱和抗压强度，其结果如图2所示。结合我国铁路隧道围岩分级方法，以岩石的单轴饱和抗压强度Rc来表征岩石的坚硬程度，其划分指标如表1。

图2 核桃湾隧道围岩单轴饱和抗压强度特征

表1 岩石坚硬程度的划分

(2) 岩体完整程度

岩体的完整程度实际上对应的就是岩体的结构面发育程度，结构越发育，岩体越不完整，因此以岩体的完整性系数表征岩体的完整程度。通过现场调查测量，核桃湾隧道围岩的岩体完整性系数特征如图3所示。根据核桃湾隧道围岩的岩体完整性系数特征，结合铁路隧道围岩分级方法中岩石完整程度的划分，核桃湾隧道的围岩等级划分如表2所列。

图3 核桃湾隧道围岩岩体完整性系数特征

表2 岩体完整程度的划分

(3) 岩体弹性纵波速

不同等级围岩的岩体因其坚硬、完整程度不同而岩体的弹性纵波速有所不同，几者之间必然具有对应关系，弹性纵波速可综合体现围岩的岩体质量，且较现场测得的岩体完整程度和岩石坚硬程度数据更具连续性。核桃湾围岩的声波测试成果如图4所示。根据声波测试成果的统计归纳，获得核桃湾围岩弹性纵波速指标的围岩分级成果如表3。

图4 核桃湾隧道围岩弹性纵波速特征

表3 围岩基本分级

(4) 地下水状态

地下水的赋存条件对隧道施工具有很大的影响，因此隧道围岩的分级应考虑地下水的赋存条件。通过围岩岩体的地下水状态、渗水量、流通情况等特征，将地下水分为3个等级，并且对围岩等级做出修正，其结果如表4和表5所列。经现场实地调查测量，核桃湾隧道围岩的地下水状态分级特征如图5所示。

图5 核桃湾隧道围岩地下水状态特征

表4 地下水状态分级

表5 地下水影响修正

4 隧道围岩分级体系

根据上述4个分级指标的实测、统计分析结果，提出适用于核桃湾隧道围岩的工程分级体系(表6)。该分级体系以大量的试验数据和现场调查测量为基础，经过综合分析并与现场围岩岩体相互校正，基本上能够真实的分出核桃湾隧道围岩的级别，可以作为类似隧道围岩分级的基本标准。

表6 核桃湾隧道围岩分级体系

根据表6中提出的核桃湾隧道围岩分级体系，结合隧道现场围岩的测量数据和室内试验数据，对核桃湾隧道围岩进行逐段分级，结果如表7所列。

表7 围岩分级结果

为验证本文中围岩分级方法的可靠性，以下将本文中的分级结果与铁路隧道围岩规范分级结果及现场实际情况进行对比分析，各围岩分级结果如图6所示。

图6 围岩分级结果对比

从图6中围岩分级结果对比可知，本文中分级结果与实际情况更为符合，隧址区为中低山构造剥蚀地貌，沟谷深切，地形起伏大，地表覆土薄，基岩多裸露，其岩性为三叠系须家河组砂岩夹页岩、煤线，雷口坡组页岩、泥灰岩夹灰岩，嘉陵江组灰岩及飞仙关组页岩、泥质粉砂岩。地下水主要为须家河砂岩的裂隙水及嘉陵江组灰岩的裂隙岩溶水，施工开挖后将产生渗水，局部裂隙发育段将会产生股状涌水，嘉陵江组灰岩段遇隐伏溶洞可能会产生突水、突泥。雷口坡组页岩、泥灰岩及飞仙关组页岩、泥质粉砂岩地下水相对较弱，隧道开挖主要以滴水和渗水为主，软硬岩接触带可能会产生股状涌水。因此，本文分级方法在考虑了地下水修正后的分级结果比规范中只考虑岩体结构及岩石坚硬程度的分级结果更为合理。经施工现场校核，实际情况与本文分级结果只有1.4%的差别，所以本文中得出核桃湾围岩分级结果更具有工程实际意义。

5 结论

本文提出了以岩石的完整程度、岩体的完整性系数、岩体的弹性纵波速以及地下水状态为指标的隧道围岩分级体系，经分级结果对比表明该分级体系在地下水赋存丰富区域内的围岩分级中更符合实际，经施工现场校核，实际情况与本文分级结果只有1.4%的差别，应用该分级体系的结果更具有工程实际应用价值，可为核桃湾隧道围岩及其类似围岩的施工提供参考依据。