隧道圍巖Q值分級與支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

馬云飛

（石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院 石家莊 050043）

燒鍋隧道項(xiàng)目位于承德市雙灤區(qū)燒鍋村的山丘地段，隧道全長1 100m，全隧道單向縱坡1.2%，最大埋深76.5m。洞區(qū)地面標(biāo)高為370～460m，地質(zhì)構(gòu)造為小型的帶狀陸相盆地堆積，以中侏羅世晚期的類磨拉斯建造為主，產(chǎn)狀平緩，地層有第四系覆蓋層。隧道所在山體巖性主要為侏羅系中統(tǒng)后城組礫巖，紫紅色，礫狀結(jié)構(gòu)，顆粒支撐膠結(jié)，中厚層～巨厚塊狀構(gòu)造，巖石中礫石成份以安山巖為主并伴有熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋巖、硅質(zhì)巖及粘土巖等。

1 隧道圍巖分級

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］及國際慣用方法，項(xiàng)目組確定采用Q值分級法對隧道圍巖進(jìn)行現(xiàn)場分級，并依據(jù)確定的圍巖級別對隧道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化［2］。

1.1 Q系統(tǒng)分級法

Q系統(tǒng)分級法主要參考圍巖結(jié)構(gòu)、完整性和應(yīng)力情況及其對應(yīng)的6個參數(shù)，通過公式計(jì)算得到Q值，每一個Q值都反映所在掌子面處的圍巖情況，為了更具有代表性，Q值可以是一個范圍。Q系統(tǒng)分級方法能給圍巖的好壞賦于一個數(shù)值，使圍巖分級的結(jié)果更接近實(shí)際的地質(zhì)情況。Q值按如下公式計(jì)算：

式中：Q為N.Barton巖質(zhì)評定系數(shù)；RQD為巖體質(zhì)量指標(biāo)；Jn為巖體組數(shù)；Jr為節(jié)理粗糙度；Ja為節(jié)理蝕變系數(shù)；Jw為節(jié)理水折減系數(shù)；SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。式 中 第 一 個 商 數(shù) RQD／Jn表示巖體完整性；第二個商數(shù)Jr／Ja表示結(jié)構(gòu)面形態(tài)，充填物特征及次生變化程度；第三個商數(shù)Jw／SRF表示水與應(yīng)力存在時對巖體質(zhì)量的影響。

1.2 Q系統(tǒng)圍巖分級與支護(hù)

Q系統(tǒng)分級法將圍巖分為異常壞到異常好9個級別，對應(yīng)Q值的范圍為0.001～1 000，巖體變形系數(shù)分為3級（0.05～50GPa）、抗剪強(qiáng)度分為2個級別（0.1～20MPa）。根據(jù)計(jì)算得到的掌子面的Q值和工程的跨度、高度以及安全要求等指標(biāo)結(jié)合在一起就可以在Q系統(tǒng)的支護(hù)圖表［3］中查到該處的支護(hù)設(shè)計(jì)建議。由此，通過現(xiàn)場的圍巖分級可以將施工、調(diào)查、設(shè)計(jì)優(yōu)化有機(jī)地結(jié)合在一起。

由于Q系統(tǒng)分級法主要側(cè)重于對圍巖的完整性的考察，即結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況，同時也考慮到地下水滲透和地應(yīng)力的影響，結(jié)果通過具體的數(shù)值表示，與國內(nèi)公路隧道圍巖分級相比，其結(jié)果較為直觀。現(xiàn)場確定每個參數(shù)的值，通過公式計(jì)算得到Q值。

2 燒鍋隧道優(yōu)化設(shè)計(jì)

公路隧道作為道路工程永久性構(gòu)筑物，應(yīng)避免隧道圍巖日久風(fēng)化和水的侵蝕，產(chǎn)生松弛、掉塊、坍塌以至于圍巖失穩(wěn)，危急行車安全；建成后能適應(yīng)長期運(yùn)營的需要，所以隧道設(shè)計(jì)中的優(yōu)化支護(hù)是十分必要的。燒鍋隧道在實(shí)際施工中對每一處發(fā)生變化的圍巖都采用現(xiàn)場Q值分級法對圍巖進(jìn)行現(xiàn)場分級，并根據(jù)現(xiàn)場確定的圍巖級別對原有支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確保質(zhì)量和安全。

2.1 Q值法隧道圍巖分級

2.1.1 里程K1＋350處Q值分級

（1）掌子面巖體整體性一般，RQD＝50～60。

（2）掌子面發(fā)育有2組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面（1組層面和1組陡傾角節(jié)理）和隨即節(jié)理，Jn＝6。

（3）節(jié)理面基本上平直、光滑，局部起伏，取Jr＝1～1.5。

（4）層面間沒有軟質(zhì)和低摩擦系數(shù)的粘土礦物覆蓋，層間結(jié)合較好；節(jié)理夾有泥砂狀物質(zhì)，基本閉合，取Ja＝4。

（5）掌子面干燥，Jw＝1。

重視效率這一視角目前已經(jīng)達(dá)成共識，它也是我國農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的發(fā)展和努力方向，為了達(dá)成這一目標(biāo)，就需要從2個方面采取措施，第一是提高數(shù)據(jù)挖掘和深度應(yīng)用能力，即使擁有全數(shù)據(jù)，如果沒有處理分析能力，效率提升也無從談起，因此要開展農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)與分析模型系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，掌握人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)建模、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)。第二是需要農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)人才，也就是懂得用大數(shù)據(jù)技術(shù)和思維去解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的難題。第三是調(diào)動激發(fā)相關(guān)公司企業(yè)的研發(fā)力量，它們對市場的嗅覺靈敏，重視研發(fā)到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，重視實(shí)際效果，相比較政府，公司企業(yè)在提升大數(shù)據(jù)效率方面有很大的優(yōu)勢。

（6）有軟弱層，隧道埋深大于50m，SRF＝2.5。

由公式計(jì)算得：Q＝0.83～1.50。

因此該掌子面圍巖為差，定為IV級圍巖。

2.1.2 里程K1＋770處Q值分級

（1）掌子面巖體整體性以及強(qiáng)度都比較高，RQD＝65。

（2）掌子面發(fā)育有2組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面（1組層面和1組陡傾角節(jié)理）和隨即節(jié)理，Jn＝6。

（3）層間厚度絕大部分在0.6～1.0m之間，局部薄層在0.2～0.3m之間；節(jié)理面基本上平直、光滑，局部起伏，取Jr＝1～1.5。

（4）層面結(jié)合性較好，層面間局部有軟質(zhì)和低摩擦系數(shù)的粘土礦物覆蓋；節(jié)理夾有泥砂狀物質(zhì)，張開度為1～3m，取Ja＝4。

（5）掌子面干燥，Jw＝1。

（6）有軟弱層，隧道埋深大于50m，SRF＝2.5。

由公式計(jì)算得：Q＝1.08～1.63。

因此該掌子面圍巖為差到一般，定為IV級。

2.1.3 圍巖定級

依據(jù)Q值分級法，現(xiàn)場確定燒鍋隧道該2段圍巖級別為IV級。

2.2 隧道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況及相關(guān)規(guī)范，為方便施工，在不改變隧道界限的條件下，對燒鍋隧道的原設(shè)計(jì)V級隧道圍巖支護(hù)方式作如下優(yōu)化。

（1）開挖尺寸由12.32m降為12.20m。

（2）取消原有設(shè)計(jì)中格柵鋼架。

（3）為加強(qiáng)錨固，錨桿長度由3.5m變?yōu)?.0 m，間距也由1.2m降至1.0m。

（4）將原有的水泥砂漿錨桿改為早強(qiáng)水泥藥包錨桿，并在端頭加設(shè)托板以增強(qiáng)錨固。

（5）C20噴射混凝土厚度由20cm改為15 cm，預(yù)留變形由7cm降為4cm。

（6）為了方便施工，提高超挖回填部分的密實(shí)度，改善圍巖受力條件，超挖部分由C25S6防滲混凝土改為C20噴射混凝土。見圖1。

圖1 燒鍋隧道IV級圍巖復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)圖（優(yōu)化）

采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工后，及時對隧道圍巖進(jìn)行了監(jiān)控和量測，通過觀測數(shù)據(jù)表明圍巖穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力符合要求。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了隧道工程質(zhì)量，避免了不必要的施工浪費(fèi)，有效地降低了施工成本，加快了施工進(jìn)度。

3 結(jié)論

由于隧道設(shè)計(jì)階段的圍巖分級與實(shí)際施工時的實(shí)際情況差異往往很大，如果照圖施工可能會出現(xiàn)如下兩種情況：①實(shí)際圍巖質(zhì)量比設(shè)計(jì)時預(yù)計(jì)的好，因此設(shè)計(jì)支護(hù)的強(qiáng)度與剛度要比實(shí)際需要的支護(hù)強(qiáng)，就會造成施工的浪費(fèi)；②實(shí)際圍巖質(zhì)量比設(shè)計(jì)時預(yù)計(jì)的差，因此設(shè)計(jì)支護(hù)的強(qiáng)度與剛度要比實(shí)際需要的支護(hù)弱，就會不安全，有可能出現(xiàn)塌方甚至造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失，并影響工期。因此采用隧道圍巖Q值分級法對圍巖進(jìn)行快速現(xiàn)場分級后，依據(jù)分級情況進(jìn)一步優(yōu)化相應(yīng)的隧道支護(hù)設(shè)計(jì)，大大彌補(bǔ)了在設(shè)計(jì)階段地質(zhì)勘探資料與實(shí)際地質(zhì)情況之間的差距所造成的支護(hù)設(shè)計(jì)不盡完善的缺點(diǎn)，對隧道施工及時提出了改進(jìn)建議，從而減少了不必要的浪費(fèi)與損失，同時也大大降低了隧道施工的風(fēng)險，避免了以上2種情況的發(fā)生，推進(jìn)了圍巖分級與隧道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)進(jìn)步，取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。

［1］JTG70－2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社.2004.

［2］閆莫明，徐禎祥，姜自洪.巖土錨固技術(shù)手冊［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］靜天文，江玉生，李 曉.公路隧道圍巖分類與支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社.2006.