岩溶隧道围岩动态分级方法研究

张 凯，巨能攀，霍宇翔，刘延博，刘 智

（成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

0 引言

随着国家十二五规划的部署与实施，在我国西南地区修建的隧道相对多了起来，而其中的岩溶问题必将成为隧道选线与建设的关键所在。围岩分级是隧道设计与施工的依据，正确的分级方法与结果是隧道工程目标成本控制与安全生产的重要保证。现行的隧道围岩分级方法在实际施工过程中却存在一些问题，分级略显粗略，级别判定滞后，灵活性较差等。为此，针对隧道工程施工阶段动态围岩分级的研究日益增多。王明年等［4］提出了建立施工阶段围岩动态分级的必要性，并讨论了动态分级方法及其可行性；曾杰等［5］采用多变量分析法对某公路隧道围岩进行了动态分级，并与勘察结果进行了对比；黄生文等［7］通过对隧道监测数据的统计分析，得出对围岩动态分级有关的指标及其取值范围，并用于指导施工阶段的动态围岩分级和设计反馈。马超峰等［8］利用贝叶斯统计优化理论进行大跨度公路隧道围岩动态分级的优化。孙洋等［9］基于超前地质预报对隧道围岩动态分级预测方法进行了探讨。可见，人们在隧道围岩动态分级的方法上面进行了大量系统的研究，然而，对于岩溶隧道并没有给出有针对性的动态分级方法，使得围岩动态分级与岩溶问题相互脱节，给现场的围岩分级带来很大麻烦。为此，本文将岩溶围岩分级引入到BQ分类法中，给出岩溶隧道动态围岩分级的岩体基本质量指标综合修正值［ZKBQ］，从而方便，快捷的进行施工阶段的围岩分级。

1 岩溶隧道围岩动态分级方法

1.1 分级方法

岩溶隧道围岩动态分级是在一般地下工程岩体基本质量分级的基础上，对岩溶隧道在不同的地下水状态、岩体初始应力状态、结构面的方向和组合状态、岩溶发育状态下进行的工程质量分级修正［2］。岩溶围岩分级的数学表达式如下：

式中：［ZKBQ］——岩溶围岩岩体基本质量指标综合修正值；

BQ——岩体基本质量指标；

K2——主要结构面产状影响修正系数；

K3——初始应力状态影响修正系数；

Ckd——岩溶发育程度修正系数。

（注：地下水对围岩的影响考虑在地下水作为岩溶充填物对隧道施工围岩稳定性及安全的影响，即K1已包含在Ckd之中，故在此不再单列。）

于是，便可利用［ZKBQ］计算值，参考现行隧道工程岩体质量分级系统进行岩溶围岩的动态分级（表1）。

表1 岩溶围岩岩体分级表Table 1 The table of the karst surrounding rock classification

据规范，岩体的基本质量指标BQ计算如下［11］：

式中：BQ—— 岩体基本质量指标；

Rc——岩石饱和单轴抗压强度（MPa）；

KV——岩体完整性系数。

1.2 分级指标的确定

1.2.1 岩石坚硬程度（Rc）

岩石的坚硬程度通常用岩石的单轴抗压强度Rc作为定量指标，但在隧道施工现场常常无条件取得实测值，加之岩石点荷载强度试验方法简便，开展广泛，便于现场试验，可对未加工或极难加工成型的岩块进行测试等优点，因此，可采用实测岩石点荷载强度指数Is（50）值按式（3）换算成Rc值后来确定岩石坚硬程度［12］。

1.2.2 岩体完整程度（KV）

目前诸多岩体分级方法中，大多采用岩体的完整性系数K V、岩体体积节理数JV、岩石质量指标 RQD作为表征岩体完整程度的定量指标。由于国内各勘察单位、研究单位采用的钻头、钻具型号各异，所获得的RQD值缺乏可比性和统一性。因此，当无条件测得K V时，可从岩体露头和坑道工作面上量测的JV值来代替［13］。KV和JV的对应关系见表2。

表2 KV与JV对照表Table 2 The synopsis ofKVandJV

在进行岩体体积节理JV的统计时，测线应垂直于被测的每一组结构面走向布置，测线长度不小于5m。先统计与每一条测线正交的结构面数，或计算每一组节理的平均间距，再按式（4）或（5）计算。

式中：S1，S2，…，Sn——第 1，2，…，n 组节理每米长测线上的节理条数；

SK——每立方米岩体中非成组节理条数（条/m3）。

式中：dp1，dp2，…，dpn——第 1，2，…，n 组节理的平均间距。

1.2.3 修正系数

（1）结构面产状修正系数K2

大量的研究表明，当地下洞室在开挖的过程中遇到较大的软弱结构面时，这些结构面的产状，分布位置及其性状会对围岩的稳定性产生相应的影响［10］。在“工程岩体分级标准”中，将结构面对围岩分级的影响用修正系数K2表示，根据结构面走向与洞室轴线的夹角和结构面倾角的组合关系赋予不同的值进行修正（表3）。

（2）应力状态修正系数K3

初始应力状态对围岩的稳定性影响较大，在高应力区常产生岩爆和大变形等现象，故在BQ分级法中将应力状态对围岩的影响用折减系数K3表示［11］（表4）。

对地应力影响的定性判别，主要是根据开挖后掌子面围岩的稳定情况，比如在脆性完整岩体中，在高地应力状态下会出现岩体板裂、弹射等岩爆现象，根据围岩的破坏程度分为强、中、弱和微岩爆Ⅳ个等级；在软岩中会出现挤压收缩等现象，从而来判定地应力的影响大小和程度。定量测量的常用方法有水压致裂法和应力接触法等。

表3 主要软弱面结构面产状影响修正系数K2Table 3 The correction coefficient of the effect of the main weak structural plane K2

表4 初始应力状态影响修正系数K3Table 4 The correction coefficient of the effect of the initial stress stateK3

（3）岩溶发育程度修正系数Ckd

在岩溶围岩分级模型中，岩溶发育程度的修正系数计算公式如下［2］：

式中：Ckdq——岩溶发育程度定性评价系数；

Ckdl——岩溶发育程度定量评价系数。

岩溶发育程度的定性评价系数Ckdq是在考虑可溶岩性，构造切割情况和地下水径流循环条件的基础上进行的，其建议评价标准见表5。

岩溶发育程度的定量评价系数Ckdl值是采用岩溶发育形态、规模对隧道施工安全的影响系数，岩溶充填物影响系数和地下水影响系数确定的［12］。计算公式如下：

式中：Sv——岩溶发育形态、规模对隧道安全的影响系数（％）；

Kc——岩溶充填物影响系数（％）；

Kw——地下水影响系数，各参数取值如表6～8。

表5 岩溶发育程度定性评价系数CkdqTable 5 The qualitative evaluation coefficient of karst development degreeCkdq

表6 岩溶发育对隧道安全影响程度及影响系数Table 6 The influence degree and coefficient of tunnel safty by karst development

表7 岩溶发育对隧道安全影响度及影响系数Table 7 The influence degree division and coefficient of karst filling

表8 岩溶发育程度的地下水影响系数Table 8 The in fluence coefficient of groundwater by Karst development

2 工程实例与对比分析

2.1 工程地质概况

仙人洞隧道为新建地方铁路叙永至大村线的在建隧道，位于叙永县内，长3665m。隧址属低山区构造剥蚀地貌，穿越仙人洞山体，测区沟谷相间，层峦叠嶂，地形起伏较大，高程介于605～865m，相对高差260m。隧址区地层有第四系全新统冲洪积层、第四系全新统坡残积层、二叠系下统茅口组3个地层单元，而隧道主要通过二叠系下统茅口组灰岩，层面产状平缓且变化小。二叠系茅口组是一套岩溶发育较强的地层，隧址区出露多条宽数百米的溶蚀破碎带，溶蚀破碎带内岩体节理裂隙较发育，裂面见泥质充填，局部充填方解石脉。

隧道位于白杨林背斜南翼，岩层产状为N5～14°W/5～14°SW，发育两组节理，产状分别为 N45°E/78°NW 和 N76°E/90°。节理面粗糙，多呈微张状，延伸较长。隧址区地表水、地下水较发育，水质化学类型为-Ca2+型。

2.2 围岩分级结果

在隧道施工阶段，根据现场点荷载试验获得的Is（50），利用公式（3）求得岩石坚硬强度Rc。通过现场实测结果与表2的对比，得到岩体完整程度的经验值Kv。再根据现场主要软弱结构面与洞室轴线的关系和已知的地应力结果，对照表3和表4分别给出修正系数K2和K3的取值情况。参数Ckd的确定是根据施工现场进行的工程地质推断，TSP探测和地质雷达探测结果进行取值计算后得到的［9，13］。各参数取值和分级结果见表9。

表9 仙人洞隧道岩溶围岩动态分级结果Table 9 The results of dynamic classification of the karst surrounding rock for Xian Rendong tunnel

2.3 对比分析

从表中的分级结果可以看出：在该岩溶隧道施工阶段进行的分级中有3段分级结果与设计阶段的级别不符，长度上占35.6％，说明勘察设计阶段对于岩溶围岩分级结果的准确性较差。同时，在岩溶发育段内，软弱结构面亦较发育，二者共同作用影响围岩的稳定性进而降低了围岩级别，可见破碎带、裂隙、结构面等是岩溶发育的必要条件，彼此间为“相辅相成”的关系。岩溶发育强度越强，其对围岩级别的影响越大，如在DK12+013～DK12+063段内，出现了较大的溶洞和涌泥现象，使围岩的级别降低了两级。

综上，BQ法与岩溶隧道施工阶段的围岩分级结果误差较大，在综合修正的围岩级别中Ⅲ级以上围岩所占比例达到了86％，大于设计阶段的70％，甚至有Ⅴ围岩的出现。这是因为岩溶隧道在隧道施工阶段揭露的围岩情况与勘查设计给出的结论有所差别，引入岩溶发育强度修正系数后，导致围岩的动态分级结果低于设计阶段给出的围岩分级结果。

3 结论

（1）仙人洞隧道工程地质条件较复杂，岩溶现象发育，这些岩溶现场的出现给现场的施工和围岩级别的判定增加了难度，实际围岩情况与勘察阶段确定的围岩级别差距较大，常造成不必要的资源浪费和支护措施不足等现象。因此，有必要进行岩溶隧道动态围岩分级，确保施工的顺利进行。

（2）以往的隧道围岩分级公式中并没有将岩溶发育情况考虑进去，缺乏机动性和灵活性，这里在一般地下工程岩体质量分级基础上，将遇到的主要软弱结构面产状，初始应力状态，岩溶发育程度给予不同的修正系数，进行岩溶隧道动态围岩分级。

（3）该分级方法在仙人洞隧道的施工过程中得以应用，使围岩的实际分级结果与实际揭露的工程地质条件更加相符，为隧道的安全施工提供了重要的参考依据。

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