巖溶隧道圍巖動態分級方法研究

張 凱，巨能攀，霍宇翔，劉延博，劉 智

（成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

0 引言

隨著國家十二五規劃的部署與實施，在我國西南地區修建的隧道相對多了起來，而其中的巖溶問題必將成為隧道選線與建設的關鍵所在。圍巖分級是隧道設計與施工的依據，正確的分級方法與結果是隧道工程目標成本控制與安全生產的重要保證。現行的隧道圍巖分級方法在實際施工過程中卻存在一些問題，分級略顯粗略，級別判定滯后，靈活性較差等。為此，針對隧道工程施工階段動態圍巖分級的研究日益增多。王明年等［4］提出了建立施工階段圍巖動態分級的必要性，并討論了動態分級方法及其可行性；曾杰等［5］采用多變量分析法對某公路隧道圍巖進行了動態分級，并與勘察結果進行了對比；黃生文等［7］通過對隧道監測數據的統計分析，得出對圍巖動態分級有關的指標及其取值范圍，并用于指導施工階段的動態圍巖分級和設計反饋。馬超峰等［8］利用貝葉斯統計優化理論進行大跨度公路隧道圍巖動態分級的優化。孫洋等［9］基于超前地質預報對隧道圍巖動態分級預測方法進行了探討。可見，人們在隧道圍巖動態分級的方法上面進行了大量系統的研究，然而，對于巖溶隧道并沒有給出有針對性的動態分級方法，使得圍巖動態分級與巖溶問題相互脫節，給現場的圍巖分級帶來很大麻煩。為此，本文將巖溶圍巖分級引入到BQ分類法中，給出巖溶隧道動態圍巖分級的巖體基本質量指標綜合修正值［ZKBQ］，從而方便，快捷的進行施工階段的圍巖分級。

1 巖溶隧道圍巖動態分級方法

1.1 分級方法

巖溶隧道圍巖動態分級是在一般地下工程巖體基本質量分級的基礎上，對巖溶隧道在不同的地下水狀態、巖體初始應力狀態、結構面的方向和組合狀態、巖溶發育狀態下進行的工程質量分級修正［2］。巖溶圍巖分級的數學表達式如下：

式中：［ZKBQ］——巖溶圍巖巖體基本質量指標綜合修正值；

BQ——巖體基本質量指標；

K2——主要結構面產狀影響修正系數；

K3——初始應力狀態影響修正系數；

Ckd——巖溶發育程度修正系數。

（注：地下水對圍巖的影響考慮在地下水作為巖溶充填物對隧道施工圍巖穩定性及安全的影響，即K1已包含在Ckd之中，故在此不再單列。）

于是，便可利用［ZKBQ］計算值，參考現行隧道工程巖體質量分級系統進行巖溶圍巖的動態分級（表1）。

表1 巖溶圍巖巖體分級表Table 1 The table of the karst surrounding rock classification

據規范，巖體的基本質量指標BQ計算如下［11］：

式中：BQ—— 巖體基本質量指標；

Rc——巖石飽和單軸抗壓強度（MPa）；

KV——巖體完整性系數。

1.2 分級指標的確定

1.2.1 巖石堅硬程度（Rc）

巖石的堅硬程度通常用巖石的單軸抗壓強度Rc作為定量指標，但在隧道施工現場常常無條件取得實測值，加之巖石點荷載強度試驗方法簡便，開展廣泛，便于現場試驗，可對未加工或極難加工成型的巖塊進行測試等優點，因此，可采用實測巖石點荷載強度指數Is（50）值按式（3）換算成Rc值后來確定巖石堅硬程度［12］。

1.2.2 巖體完整程度（KV）

目前諸多巖體分級方法中，大多采用巖體的完整性系數K V、巖體體積節理數JV、巖石質量指標 RQD作為表征巖體完整程度的定量指標。由于國內各勘察單位、研究單位采用的鉆頭、鉆具型號各異，所獲得的RQD值缺乏可比性和統一性。因此，當無條件測得K V時，可從巖體露頭和坑道工作面上量測的JV值來代替［13］。KV和JV的對應關系見表2。

表2 KV與JV對照表Table 2 The synopsis ofKVandJV

在進行巖體體積節理JV的統計時，測線應垂直于被測的每一組結構面走向布置，測線長度不小于5m。先統計與每一條測線正交的結構面數，或計算每一組節理的平均間距，再按式（4）或（5）計算。

式中：S1，S2，…，Sn——第 1，2，…，n 組節理每米長測線上的節理條數；

SK——每立方米巖體中非成組節理條數（條/m3）。

式中：dp1，dp2，…，dpn——第 1，2，…，n 組節理的平均間距。

1.2.3 修正系數

（1）結構面產狀修正系數K2

大量的研究表明，當地下洞室在開挖的過程中遇到較大的軟弱結構面時，這些結構面的產狀，分布位置及其性狀會對圍巖的穩定性產生相應的影響［10］。在“工程巖體分級標準”中，將結構面對圍巖分級的影響用修正系數K2表示，根據結構面走向與洞室軸線的夾角和結構面傾角的組合關系賦予不同的值進行修正（表3）。

（2）應力狀態修正系數K3

初始應力狀態對圍巖的穩定性影響較大，在高應力區常產生巖爆和大變形等現象，故在BQ分級法中將應力狀態對圍巖的影響用折減系數K3表示［11］（表4）。

對地應力影響的定性判別，主要是根據開挖后掌子面圍巖的穩定情況，比如在脆性完整巖體中，在高地應力狀態下會出現巖體板裂、彈射等巖爆現象，根據圍巖的破壞程度分為強、中、弱和微巖爆Ⅳ個等級；在軟巖中會出現擠壓收縮等現象，從而來判定地應力的影響大小和程度。定量測量的常用方法有水壓致裂法和應力接觸法等。

表3 主要軟弱面結構面產狀影響修正系數K2Table 3 The correction coefficient of the effect of the main weak structural plane K2

表4 初始應力狀態影響修正系數K3Table 4 The correction coefficient of the effect of the initial stress stateK3

（3）巖溶發育程度修正系數Ckd

在巖溶圍巖分級模型中，巖溶發育程度的修正系數計算公式如下［2］：

式中：Ckdq——巖溶發育程度定性評價系數；

Ckdl——巖溶發育程度定量評價系數。

巖溶發育程度的定性評價系數Ckdq是在考慮可溶巖性，構造切割情況和地下水徑流循環條件的基礎上進行的，其建議評價標準見表5。

巖溶發育程度的定量評價系數Ckdl值是采用巖溶發育形態、規模對隧道施工安全的影響系數，巖溶充填物影響系數和地下水影響系數確定的［12］。計算公式如下：

式中：Sv——巖溶發育形態、規模對隧道安全的影響系數（％）；

Kc——巖溶充填物影響系數（％）；

Kw——地下水影響系數，各參數取值如表6～8。

表5 巖溶發育程度定性評價系數CkdqTable 5 The qualitative evaluation coefficient of karst development degreeCkdq

表6 巖溶發育對隧道安全影響程度及影響系數Table 6 The influence degree and coefficient of tunnel safty by karst development

表7 巖溶發育對隧道安全影響度及影響系數Table 7 The influence degree division and coefficient of karst filling

表8 巖溶發育程度的地下水影響系數Table 8 The in fluence coefficient of groundwater by Karst development

2 工程實例與對比分析

2.1 工程地質概況

仙人洞隧道為新建地方鐵路敘永至大村線的在建隧道，位于敘永縣內，長3665m。隧址屬低山區構造剝蝕地貌，穿越仙人洞山體，測區溝谷相間，層巒疊嶂，地形起伏較大，高程介于605～865m，相對高差260m。隧址區地層有第四系全新統沖洪積層、第四系全新統坡殘積層、二疊系下統茅口組3個地層單元，而隧道主要通過二疊系下統茅口組灰巖，層面產狀平緩且變化小。二疊系茅口組是一套巖溶發育較強的地層，隧址區出露多條寬數百米的溶蝕破碎帶，溶蝕破碎帶內巖體節理裂隙較發育，裂面見泥質充填，局部充填方解石脈。

隧道位于白楊林背斜南翼，巖層產狀為N5～14°W/5～14°SW，發育兩組節理，產狀分別為 N45°E/78°NW 和 N76°E/90°。節理面粗糙，多呈微張狀，延伸較長。隧址區地表水、地下水較發育，水質化學類型為-Ca2+型。

2.2 圍巖分級結果

在隧道施工階段，根據現場點荷載試驗獲得的Is（50），利用公式（3）求得巖石堅硬強度Rc。通過現場實測結果與表2的對比，得到巖體完整程度的經驗值Kv。再根據現場主要軟弱結構面與洞室軸線的關系和已知的地應力結果，對照表3和表4分別給出修正系數K2和K3的取值情況。參數Ckd的確定是根據施工現場進行的工程地質推斷，TSP探測和地質雷達探測結果進行取值計算后得到的［9，13］。各參數取值和分級結果見表9。

表9 仙人洞隧道巖溶圍巖動態分級結果Table 9 The results of dynamic classification of the karst surrounding rock for Xian Rendong tunnel

2.3 對比分析

從表中的分級結果可以看出：在該巖溶隧道施工階段進行的分級中有3段分級結果與設計階段的級別不符，長度上占35.6％，說明勘察設計階段對于巖溶圍巖分級結果的準確性較差。同時，在巖溶發育段內，軟弱結構面亦較發育，二者共同作用影響圍巖的穩定性進而降低了圍巖級別，可見破碎帶、裂隙、結構面等是巖溶發育的必要條件，彼此間為“相輔相成”的關系。巖溶發育強度越強，其對圍巖級別的影響越大，如在DK12+013～DK12+063段內，出現了較大的溶洞和涌泥現象，使圍巖的級別降低了兩級。

綜上，BQ法與巖溶隧道施工階段的圍巖分級結果誤差較大，在綜合修正的圍巖級別中Ⅲ級以上圍巖所占比例達到了86％，大于設計階段的70％，甚至有Ⅴ圍巖的出現。這是因為巖溶隧道在隧道施工階段揭露的圍巖情況與勘查設計給出的結論有所差別，引入巖溶發育強度修正系數后，導致圍巖的動態分級結果低于設計階段給出的圍巖分級結果。

3 結論

（1）仙人洞隧道工程地質條件較復雜，巖溶現象發育，這些巖溶現場的出現給現場的施工和圍巖級別的判定增加了難度，實際圍巖情況與勘察階段確定的圍巖級別差距較大，常造成不必要的資源浪費和支護措施不足等現象。因此，有必要進行巖溶隧道動態圍巖分級，確保施工的順利進行。

（2）以往的隧道圍巖分級公式中并沒有將巖溶發育情況考慮進去，缺乏機動性和靈活性，這里在一般地下工程巖體質量分級基礎上，將遇到的主要軟弱結構面產狀，初始應力狀態，巖溶發育程度給予不同的修正系數，進行巖溶隧道動態圍巖分級。

（3）該分級方法在仙人洞隧道的施工過程中得以應用，使圍巖的實際分級結果與實際揭露的工程地質條件更加相符，為隧道的安全施工提供了重要的參考依據。

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