公路巖質隧道圍巖分級的方法

李衛衛

【摘要】經過長期的隧道工程實踐，我國公路隧道以鐵路隧道圍巖分級的標準為基礎，參考了國內外有關圍巖分級的成果，提出了適合我國公路隧道實情的圍巖分級標準，即采用定性特征劃分和定量指標劃分相結合的方法進行綜合評判。

【關鍵詞】隧道圍巖圍巖分級

中圖分類號：U45文獻標識碼： A

1公路巖質隧道圍巖分級的出發點

隧道圍巖分級是正確進行隧道設計和施工的基礎，一個合理的、符合工程實際情況的圍巖分級，對于改善結構設計、發展新的隧道施工工藝、降低工程造價、多快好省地修建隧道有著十分重要的意義。公路隧道圍巖分級的出發點主要考慮以下幾點：

① 強調巖體的地質特征的完整性和穩定性，避免單一的巖石強度指標分級的方法。

② 分級指標應采取定性和定量指標相結合的方式。

③ 明確工程目的和內容并提出相應的措施。

④ 分級應簡明，便于使用。

2分級需考慮的指標和因素

公路巖質隧道的圍巖分級需考慮的指標主要包括巖石堅硬程度、巖石完整程度、主要軟弱結構面產狀、地下水狀態和巖石初始應力場。五個指標中，巖石的堅硬程度和巖石的完整程度是圍巖分級的兩個基本因素，其余三個指標作為圍巖分級的修正因素。巖質圍巖的分級指標值獲取方法見下表1：

巖質圍巖分級指標及獲取方法

表1

公路隧道圍巖的分級指標 指標值的獲取方法

巖石堅硬程度 定性指標 巖性 主要采用鉆探，結合調繪及物探等獲取

風化程度

定量指標 單軸飽和抗壓強度Rc 單軸抗壓強度試驗

點荷載強度指數Is(50) 點荷載強度試驗

風化系數Kf 單軸抗壓強度試驗

巖石完整程度 定性指標 結構面發育程度 主要采用鉆探，結合調繪及物探等獲取

主要結構面結合程度

主要結構面類型

巖體結構類型

定量指標 巖體完整性指標Kv 圍巖彈性縱波速度、巖石彈性縱波速度

巖體體積節理數Jv 鉆探為主

結構面組數Jn

結構面平均間距dp

結構面張開度

主要軟弱結構面產狀 定量指標 走向與洞軸線夾角 主要采用鉆探，結合調繪及物探等獲取

結構面傾角

結構面走向

地下水狀態 定性指標 出水狀態 主要采用鉆探，結合調繪及物探等獲取

定量指標 水壓力（Mpa） 鉆孔中進行提水、注水、壓水或抽水等試驗預測

單位涌水量[L/（min .m）]

巖石初始應力場 定性指標 初始應力狀態 調查并結合少量鉆探獲取

定量指標 強度應力比 地應力測試

①巖石的堅硬程度：巖石的將巖漿巖、沉積巖和變質巖按巖性、物理力學參數、耐風化能力和作為建筑材料的要求劃分為硬質巖石和軟質巖石二級，根據飽和單軸抗壓強度Rc定量的將巖石堅硬程度劃分為6級。當風化作用使巖石成分改變、強度降低時，應按風化后之強度確定巖石等級。巖石堅硬程度劃分詳見下表2：

巖石堅硬程度劃分

表2

巖石等級 單軸飽和抗壓強度Rc（MPa） 耐風化能力 代表性巖石及其風化程度

程度 現象

硬質巖 堅硬巖 >60 強 暴露后1、2年尚不易風化 未風化～微風化的花崗巖、正長巖、閃長巖、輝綠巖、玄武巖、安山巖、片麻巖、石英片巖、硅質板巖、石英巖、硅質膠結的礫巖、石英砂巖、硅質石灰巖等

較堅硬巖 60～30 弱風化的堅硬巖，未風化～微風化的熔結凝灰巖、大理巖、板巖、白云巖、石灰巖、鈣質膠結的砂巖

軟質巖 較軟巖 30～15 弱 暴露后數日至數月即出現風化殼 強風化的堅硬巖，弱風化的較堅硬巖，未風化～微風化的的凝灰巖、千枚巖、砂質泥巖、泥灰巖、泥質砂巖、粉砂巖、頁巖等

軟巖 15～5 強風化的堅硬巖，弱風化～強風化的較堅硬巖，弱風化的較軟巖，未風化的泥巖等

極軟巖 <5 全風化的各總巖石，各總半成巖

②巖石的完整程度：巖石結構的完整狀態是影響圍巖穩定性的主要因素，主要根據下表3進行劃分，當風化作用使巖體結構發生變化，松散、破碎、軟硬不一時，應結合因風化作用造成的各種狀況，綜合考慮確定圍巖的結構完整狀態；結構面（節理）發育程度應根據結構面特征，按下表4確定；地質構造影響程度按下表5確定。

巖體完整程度的等級劃分

表3

等級 結構面發育程度 地質構造影響程度

完整 不發育 輕微

較完整 較發育、不發育 較嚴重、輕微

較破碎 發育、較發育 嚴重、較嚴重

破碎 極發育、發育 極嚴重、嚴重

極破碎 極發育 極嚴重

圍巖結構面（節理）發育程度等級劃分

表4

等級 結構面（節理）發育程度

結構面（節理）組數及平均間距（m） 主要結構面（節理）的類型 巖體結構類型

不發育 1～2組，平均間距>1 為原生型或構造型緊閉 巨塊狀結構

較發育 2～3組，平均間距>0.4 呈X形，較規則，以構造型為主，多數為緊閉部分微張，少有充填物 大塊狀結構

發育 >3組，平均間距<0.4 不規則，呈X形或米子型，以構造型或風化型為主，大部分張開，部分有充填物 碎石或碎石狀

很發育 >3組，雜亂，平均間距<0.2 以風化型或構造型為主，微張或張開，均有充填物 碎石狀

圍巖受地質構造影響程度等級劃分

表5

等級 地質構造作用特征

輕微 圍巖地質構造變動小，無斷裂（層），層狀巖一般呈單斜構造，節理不發育

較重 圍巖地質構造變動較大，位于斷裂（層）或褶曲軸的鄰近地段，可有小斷層，節理較發育

嚴重 圍巖地質構造變動強烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內，軟巖多見扭曲及拖拉現象，節理發育

很嚴重 位于斷裂破碎帶內，節理很發育，巖體破碎呈碎石、角礫狀，有的甚至呈粉狀、土狀

巖質圍巖完整程度定量值采用巖體完整性系數Kv表示，其對應關系可按下表6來確定。表中Kv值應針對不同的工程地質巖組或巖性段，選擇有代表性的點、段，測定圍巖彈性縱波速度，并應在同一巖段取樣測定巖石彈性縱波速度。

Kv與巖體完整程度定性值的對應關系

表6

Kv >0.75 0.75～0.55 0.55～0.35 0.35～0.15 <0.15

定性值 完整 較完整 較破碎 破碎 極破碎

3BQ值圍巖分級法

影響工程巖體穩定性的各項因素中，巖石堅硬程度和巖體完整程度是巖體的基本屬性，也是各種巖石工程類型的共性，因此BQ分級法將巖石堅硬程度和巖體的完整程度作為巖體基本質量分級的兩個基本因素。但影響巖體穩定性的因素還有很多，由于巖體所處環境的不同，使其穩定性差別很大，比如圍巖存在地下水、高初始應力、不利的軟弱結構面時，其穩定性都要降低，所以BQ分級法將這些因素作為分級的修正因素。

BQ法進行分級時是分兩步進行分級的，首先根據巖石堅硬程度和巖體完整程度定性的評價和BQ值公式定量的計算初步分級；再按BQ法的修正公式進行修正， 并以此結果量化分級。將定性劃分和[BQ]值分級結果對比，如果相吻合則可最終確定分級，如果定性分級和定量分級不吻合，則有必要重新進行定性鑒定和復核定量指標,綜合分析,重新定級。

BQ 法采用巖石單軸抗壓強度Rc作為反映巖石堅硬程度的定量指標，并根據國內外的研究結果，用巖石點荷載強度指數Is ( 50) 換算為Rc作為反映巖石堅硬程度的輔助定量指標。

巖體完整程度的定量指標主要有: 巖體完整性指數Kv、巖體體積節理數Jv、巖石質量指標RQD、節理平均間距、巖體與巖塊的動靜彈模比、巖體龜裂系數等。國內外同行大多數認為Kv、Jv和RQD能較全面的體現巖體的完整狀態，且有廣泛的應用，BQ法采用Kv定量評定巖體的完整程度。