特殊隧道圍巖的分級方法探討

陳壽堂，吳秋軍，楊家熙，蘇 鵬，江 黎

(西南交通大學，成都 610031)

0 引言

隧道中常常遇到的特殊圍巖包括黃土、紅土、軟土、鹽漬土、膨脹土、凍土、填土、斷層破碎帶等［1］，此類圍巖在隧道工程中十分常見，并常常成為不良工程地質地段災害頻發并嚴重影響隧道施工進度。究其主要原因，在于對其認識不足，特別是作為隧道勘測設計和施工基礎技術的我國的鐵路、公路隧道的圍巖分級方法中沒有詳盡、可靠的特殊圍巖分級方法［2－4］。從國外的各種圍巖分級方法來看，也很少涉及此類圍巖的分級方法［5］。目前國內外對特殊隧道圍巖的分級方法有了不少的研究:石家莊鐵道學院對鄭西客專的黃土圍巖隧道進行了分級，但該分級標準只是針對鄭西客專，不具有普遍性［6］;對于膨脹土的分類方法，目前國內不少研究者都提出按照物性指標組合的方法進行分類［7－8］，但該分類方法并不能反應膨脹土的本質特性，姚海林等提出了對膨脹土按照標準吸濕含水量進行分級［9］，并通過驗證表明該指標能反應膨脹土膨脹的本質，故可以將其綜合對膨脹土進行分類;羅利銳等研究了斷層對隧道圍巖穩定性的影響，通過研究發現隧道圍巖的穩定性與斷層形成的力學特性有著直接的聯系［10］，這為隧道斷層帶的圍巖分級提供了參考依據。本文從實用的角度通過調研分析方法對部分特殊圍巖進行了研究，初步提出了特殊圍巖的分級方法。

1 各類圍巖分級因素

分級因素的選擇是圍巖分級方法研究的基礎，分級因素一般是指影響圍巖穩定性的單個因素或其組合值。本節主要研究了黃土、膨脹土和斷層破碎帶的分級因素，選擇分級因素時采用了經驗方法，該方法是對研究圍巖穩定性的文獻進行統計，從中找出采用頻率最高的幾個穩定性影響因素作為分級因素，故又稱“指標采用率法”。

1.1 黃土的分級因素

黃土是第四紀以來在干旱、半干旱氣候條件下，陸相沉積的一種特殊土。我國黃土的分布面積約64萬km2，主要分布在北緯33～47°的黃土塬、梁、峁區［11］。國內外針對黃土穩定性做了大量研究［12－14］，文獻［11］對這些研究成果進行了調研分析表明:

1)黃土的穩定性主要與黃土的強度及濕陷性有關，黃土強度越小、濕陷性越強，黃土的穩定性越差;反之，強度越大、濕陷性越弱，黃土的穩定性越好;黃土的濕陷性與黃土的地質年代、干密度以及孔隙比等物性指數有關。

2)即使是濕陷性很強的黃土，如果天然含水量較低，也可能形成直立邊坡，這說明天然含水量也是影響黃土穩定性的重要因素。

從以上2點可看出，影響黃土穩定性的主要因素包括地質沉積年代、天然含水量、干密度、孔隙比等。

文獻［11］的研究結果還表明，黃土的孔隙比和干密度存在比較強的線性關系。圖1為對隴東地區55組928個黃土樣本的孔隙比和干密度的統計結果。由此可見，對黃土而言，孔隙比和干密度可作為同一組指標選用，在實際的巖土測試過程中，干密度的測試較簡便、快捷，故選用干密度作為這組指標的代表值。

圖1 干密度與孔隙比的對應關系Fig.1 Relationship between dry density and porosity of loess

綜合上述分析，可選用地質沉積年代、天然含水量、干密度3個因素作為黃土的分級因素。

1.2 膨脹土的分級因素

膨脹土是指土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮、開裂，并能往復脹縮變形的黏性土［15］。文獻［11］對研究膨脹土穩定性的文獻進行了調研分析表明，標準吸濕含水量、縮限、液限、塑性指數、脹縮總率、自由膨脹率、黏粒含量、蒙脫石含量、比表面積、陽離子交換量是影響膨脹土穩定性最常用的10個指標，各指標的采用率統計結果如圖2所示。

從圖2可以看出，塑性指數、自由膨脹率的采用率最高(達61.5%)，脹縮總率、黏粒含量的采用率次之(達46.1%)，液限的采用率再次之(達30.7%)，其他5個指標采用率均較低(小于20%)。另外，根據文獻［11］的研究，對膨脹土而言，脹縮總率、黏粒含量與塑性指數、自由膨脹率之間存在一定的關系，而液限與塑性指數也有較強的對應關系。綜合上述考慮，選定塑性指數、自由膨脹率作為膨脹土的分級因素。由于直接指標測試較難，而只憑自由膨脹率和塑性指數又不能完全準確判定其脹縮特性的缺點，應找出一個能綜合反應比表面積、陽離子交換量及蒙脫石含量的指標，即該指標應該與上述3個直接指標具有很強的關聯性。中交二院通過對膨脹土標準吸濕含水率的研究發現，標準吸濕含水率與蒙脫石含量、比表面積以及陽離子交換量之間存在很強的線性關系，蒙脫石含量是膨脹土膨脹與收縮的物質基礎，陽離子交換量反映膨脹土晶格的吸附能力，陽離子數量和種類是膨脹土膨脹與收縮外在的影響因素，陽離子的參與改變了同樣蒙脫石含量的膨脹土的親水性，故可以選擇用標準吸濕含水率作為評價膨脹土脹縮特性的標準［9］。

圖2 膨脹土的分級因素指標采用率統計結果Fig.2 Statistics of adoption rate of parameters used in classification of swelling soils

綜合上述分析，可選用塑性指數、自由膨脹率以及標準吸濕含水率作為膨脹土的分級因素。

1.3 斷層破碎帶分級因素

斷層破碎帶是指斷層的2盤相對運動、相互擠壓，在斷層附近形成的與斷層面大致平行的帶狀破碎巖石區。根據國內各規范對斷層的圍巖分級方法，可對隧道中斷層的圍巖級別進行總結(見表1)。

表1 斷層破碎帶的圍巖分級Table 1 Classification of surrounding rock in fault and fracture zone

另外對蘭渝線10個隧道中的39個斷層進行了調查，調查情況見表2。

表2 蘭渝線斷層調查情況Table 2 Results of investigations on faults and fractures on Lanzhou-Chongqing railway

綜合表1和表2的研究結果，并結合文獻［11］的研究，故可以將斷層破碎帶的地質力學特征作為其分級因素。

2 各類圍巖的分級方法

2.1 黃土的分級方法

文獻［16］研究表明，在較低含水狀態下，黃土抗剪強度表現出類脆性變形特征，在較高含水狀態下，抗剪強度表現出類塑性變形特征，且存在一個界限含水率，為馬蘭黃土脆性與塑性變形特征發生轉捩的界限值，而該界限含水量大致為馬蘭黃土的塑限含水量，故可以將其作為作為黃土強度的一個區分界限。

文獻［6］通過對鄭西客運專線黃土隧道圍巖的物理性質調查發現，對于不同類型的黃土，其飽和含水量、由脆性進入塑性(即IL=0)的界限含水量以及由塑性進入流塑性(即IL=1)時的界限含水量是不同的，具體如下:

1)對老黃土，由塑性進入流塑狀態含水量遠大于飽和含水量，表明老黃土進入飽和狀態后仍可處于塑性狀態;因此，對于老黃土，其界限含水量應考慮選擇脆塑性轉折點(即IL=0)的含水量和飽和含水量。

2)對于新黃土，與老黃土恰恰相反，其飽和含水量遠大于塑性進入流塑性的界限含水量，表明新黃土在未達到飽和狀態時就已進入流塑性狀態;因此，對于新黃土，其界限含水量應選擇脆塑性轉折點(即IL=0)的含水量和由塑性進入流塑性(即IL=0)的含水量。

通過對中國濕陷性黃土的調查發現，松散結構的黃土包括新第四紀與全新世的堆積物，層位在密實結構黃土之上，也可能覆蓋于河谷階地或基巖侵蝕面之上。一般情況，其干密度小于1.4 g/cm3，空隙度大于50%，為Q3和Q4黃土。密實結構老黃土是中第四紀的沉積物，廣泛分布于松散結構黃土所在區域的馬蘭期或更老的階地和分水嶺地帶，其干容重一般大于1.4 g/cm3，空隙度一般小于50%，為Q2黃土［17］，這與隴東地區的調查結果是一致的。

綜合上述研究，并根據文獻［11］的研究結果，按地質沉積年代、天然含水量、干密度3個因素對黃土進行分級(見表3)。

2.2 膨脹土圍巖分級方法

根據文獻［11］的研究，膨脹土的工程性質不同于一般圍巖，其支護結構措施也不同于一般圍巖，故不能簡單地將其劃分到基本級別I～VI中，按膨脹土的膨脹潛勢對其進行分級(見表4)。

2.3 斷層圍巖分級方法

根據文獻［11］的研究，斷層破碎帶的分級方法如表5所示。

表3 黃土的分級方法Table 3 Classification method of loess

表4 膨脹土的分級方法Table 4 Classification method of swelling soil

表5 斷層破碎帶的分級方法Table 5 Classification method of faults and fractures

3 結論與討論

本文通過對研究黃土、膨脹土斷層破碎帶等隧道中常見的幾種特殊圍巖的穩定性文獻進行調研分析，確定了這幾類特殊圍巖的分級因素:

1)黃土的分級因素選用地質沉積年代、天然含水量、干密度。

2)膨脹土的分級因素選用塑性指數、自由膨脹率、標準吸濕含水率。

3)斷層破碎帶的分級因素選用斷層破碎帶的地質力學特征。

在此基礎上，通過調研方法初步建立了各類圍巖的分級方法(見表3—5)。在以往研究中，主要是對特殊圍巖的單個指標或者某一類特殊圍巖進行研究，并沒有系統性的總結或結論。本文通過對以往研究的總結，將幾類特殊圍巖進行了綜合研究，根據該類圍巖的特性，采取不同的指標，初步提出了分級方法。不同的特殊隧道圍巖具有不同的特性，隨著各種實驗設備的改進與更新，對這類特殊圍巖的特性的研究也將越深入，也更能準確地得到反映其特性的指標或指標組合，從而能更準確地對這類特殊隧道圍巖進行分級，以完善現有的隧道圍巖分級方法。

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