围岩分级方法的分析与问题讨论

□唐晓松 何 佳 王永甫

一、围岩分级方案

围岩分级是地下工程设计施工的前提，随着对岩体力学特性认识的不断深入、地下工程经验的不断积累和施工技术的快速发展，围岩分级方法不断改进和完善，从单因素分级转变为综合的多因素分级；从定性分析过渡到定量与定性相结合的分级；从单纯的现象学分级研究，向与数理统计、模糊数学等研究相结合的方向发展[1～5]。

目前，国内外提出的围岩分级方法近百余种，不同的分级方法考虑的侧重点不同，适用的地质条件和工程条件也有一定差别。有代表性的分级方案大致可分为以下四大类。

(一)单一指标分级。普氏坚固系数(f)法、迪尔的岩石质量指标RQD法、捷克抗拉强度分级法、劳费尔分级、太沙基载荷分级、波波夫分级等。

(二)多指标并列分级。锚杆喷射混凝土支护技术规范、水工隧洞设计规范、铁路隧道设计规范、新奥地利隧道法NATM、国际岩石力学学会分级等。

(三)多指标复合分级。Q系统分级法、岩石质量系数Z法、坑道工程围岩分级等(积商法)，岩石构造评价RSR法、地质力学分级RMR法、QTS岩石分级法、块度模数MK法、工程岩体分级标准等(和差法)，铁路隧道围岩分级的专家系统、铁路隧道围岩分级专家系统等(专家系统分析)。

(四)岩体介质力学属性。人工洞室围岩分级、地下洞室围岩分级等。

各种围岩分级方案基本上都是以围岩稳定性为分级标准，考虑了岩石强度、岩体完整性及结构面性状、岩体赋存的环境条件(地下水、地应力等)。

二、围岩分级方法的分析

(一)基本情况。分析目前的围岩分级方法可以看出，围岩分级定性的定量指标，通常分为地质因素、工程因素、分级判据三大类，具体包括岩石强度、岩体结构、岩体完整性和结构面状态等指标，如表1所示。

表1 围岩分级定性定量指标表

(二)主要特点。不同规范的围岩分级适用对象主要有两类，一类全国和各种行业通用，如《锚杆喷射混凝土支护技术规范》《工程岩体分级标准》，另一类适用于规定的行业，如《公路隧道设计规范》《铁路隧道设计规范》，其中：《工程岩体分级标准》《公路隧道设计规范》《铁路隧道设计规范》采用定性定量相结合的方式进行围岩分级。《锚杆喷射混凝土支护技术规范》《城市轨道交通岩土工程勘察规范》采用定性为主划分围岩等级，并考虑了地质构造的影响，前者划分方法具有代表性，后者划分方法较为简单，但两者对岩体完整性的考虑均不够全面。定性定量相结合的划分方法优于定性划分，可以更加科学合理地区分围岩等级。《锚杆喷射混凝土支护技术规范》《城市轨道交通岩土工程勘察规范》《铁路隧道设计规范》都采用了岩体纵波波速作为围岩分级的指标。其中《锚杆喷射混凝土支护技术规范》只是将波速作为围岩完整性指标之一，后两者则将波速作为分级的基本指标，与定性分级并重。各规范各级围岩波速取值有所不同，最新《铁路隧道设计规范》有关按波速分级相对比较细致，但仍需进一步研究。工程因素影响方面，所有规范围岩分级均定性考虑了毛洞围岩稳定性，《工程岩体分级标准》《公路隧道设计规范》《铁路隧道设计规范》考虑了洞轴线与结构面组合关系，《锚杆喷射混凝土支护技术规范》在支护结构设计章节涉及跨度因素，即通过工程类比法给出了各级围岩在不同跨度下隧洞的支护参数，但跨度影响没有体现在围岩分级中。

(三)共同点。一是各种围岩分级的依据均为围岩的稳定性，围岩稳定性与地质、工程因素有关，但都没有考虑工程因素中的跨度因素。二是不同围岩分级方法的围岩等级一般划分为5、6级，适用于岩石的地下工程围岩分为5级，而对适用于岩石和土的地下工程围岩分为6级，最后一级基本都是土。三是各类围岩分级方法都以岩石强度和岩体完整性作为基本指标，其中岩石强度指标，以岩石单轴饱和抗压强度为定量指标；完整性定量指标，有的采用岩体完整性系数，有的采用岩体纵波波速，也有采用岩石质量指标。四是围岩分级的辅助指标主要为地下水状态，结构面状态，洞轴结构面组合关系、地应力大小(岩体强度应力比)。辅助指标的处理方式有两种，有的与基本指标综合考虑，有的采用降级处理。

三、当前围岩分级存在问题的讨论

围岩分级本身是一种经验性的定性的方法，但需要通过一定的定量指标，并进行合理的综合，通过某些定量指标给出较为准确的定性围岩等级，为工程设计、施工奠定基础。各种围岩分级方法所包含和涉及的因素并不相同，这是由于目前的围岩分级仍是各自经验总结的成果，一直没有形成较一致的认识。存在的问题主要有如下几点：

(一)针对性不强。目前各种围岩分级方法的适用范围总体上比较粗犷，没有与特定行业或地区的实际需求密切结合。围岩分级时考虑的分级影响因素宜少不宜多，并应在具体应用时抓住影响围岩稳定性的主要关键因素。

(二)围岩分级中未考虑工程跨度因素对围岩稳定性的影响。众所周知，围岩的稳定性主要取决于地质因素和工程因素，目前各种规范围岩分级时大都仅注重地质因素的分析，仅考虑洞轴线与结构面的组合关系这一工程因素，忽略了重要的工程跨度因素。

(三)为提高围岩分级的准确性，定性与定量相结合的方法显然优于定性的方法，根据各规范分级特点，可以考虑以国标《工程岩体分级标准》为基础进行分级，并采用BQ公式确定定量指标，但目前标准中定性特征与定量BQ值不够协调的问题需要进一步修正完善。

(四)BQ指标的计算取决于岩石强度和岩体完整性，以I级围岩为例，当前普遍规定岩石单轴饱和抗压强度大于60MPa的为坚硬岩，相当于C60高强混凝土，这对一般跨度隧洞而言要求过高，过于保守。根据工程经验，随着跨度增加，在保证同等稳定性的情况下，对岩石坚硬程度的要求也会提高，因此划分岩石坚硬程度指标需结合跨度因素进行调整。

(五)与岩石坚硬程度类似，随着跨度增加，在保证同等稳定性的情况下，对岩体完整性的要求也会相应提高，同样需要结合跨度因素对岩体完整性指标作适当调整。此外，考虑到岩体完整性的重要性，对岩体完整性系数Kv系数的确定方法仍需要开展进一步研究。

(六)目前，BQ指标系统都采用两步走确定围岩等级，首先确定基本BQ值，然后通过辅助指标修正确定最终的围岩级别。其中，辅助指标修正大都采用系数法计算确定，但修正系数都为范围值，且偏差过大，既繁琐又不准，采用降级方法更便于实际应用。

(七)各规范均提供了各级围岩物理力学参数，但大都沿用经验数据。随着对隧洞设计计算要求的提高，对围岩物理力学参数的要求也随之提到，因此需要进一步确定科学合理的围岩计算参数。