巖爆隧道巖體質量評價的BQ法優化

牛文林, 李天斌

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

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巖爆隧道巖體質量評價的BQ法優化

牛文林, 李天斌

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

[摘要]探討優化工程巖體分級標準BQ方法，使其更好地應用于巖爆隧道中。(1)綜合RSR法、RMR法和HC法對結構面產狀、洞軸線方向和掘進方向對圍巖穩定性影響的考慮，對主要軟弱結構面產狀影響修正系數(K2)進行了優化。當結構面走向與洞軸線垂直并且結構面陡傾，傾向與掘進方向同向時，圍巖穩定性最好，K2取小值；當結構面走向與洞軸線平行時，圍巖穩定性最差，K2取大值。(2)結合巖爆烈度分級體系，針對硬巖高地應力隧道，對初始應力狀態影響修正系數(K3)進行了優化。輕微巖爆對圍巖基本質量指標BQ值較高的圍巖影響較小，K3取小值；巖爆級別越高，對圍巖的穩定越不利，K3取大值。對四川泥巴山隧道的部分掌子面圍巖應用優化后的BQ方法重新計算[BQ]值并確定級別，分級結果與實際情況更吻合，能更好地用于確定圍巖支護措施。

[關鍵詞]圍巖分級；BQ法；巖爆；隧道

實施于1995年7月1日的《工程巖體分級標準》(GB50218-94)，建立了巖體基本質量公式[1]，即BQ公式。2004年頒布的《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)采用該標準作為公路隧道圍巖分級的方法[2]。因此該方法是中國公路隧道圍巖級別確定的依據，是支護設計的基礎。該方法主要考慮了巖石堅硬程度(Rc)和巖體完整程度(Kv)對圍巖穩定的影響，即用這2個指標計算出圍巖基本質量指標BQ值，然后以地下水、主要結構面產狀和初始應力狀態作為影響因素，修正BQ值。但在實際應用中我們發現，該方法的主要軟弱結構面產狀影響修正系數(K2)取值范圍過寬，而且沒有考慮結構面傾向對圍巖穩定的影響，不易取得準確的值；對于巖爆隧道，初始應力狀態影響修正系數(K3)沒有考慮巖爆烈度對圍巖穩定的影響，只是簡單地區分高地應力和極高地應力2種情況，取值也不易確定。

考慮了軟弱結構面因素的圍巖分級方法主要有Wickham提出的RSR法[3]、Bieniawski 提出的RMR法[4]和水利水電HC分級法[5]等方法。RSR法的參數B就詳細考慮了節理間距、節理走向、掘進方向與傾向的關系。RMR法也考慮了節理走向和傾向與隧道軸線的關系。水利水電HC分級法對主要結構面產狀進行了評分。

考慮了地應力對圍巖級別影響的分級方法主要有Barton提出的Q系統分級法[6,7]、BQ法等方法。Q系統用應力折減系數SRF來考慮地應力的影響，分別針對軟弱帶、堅硬巖、擠入巖、膨脹巖在不同地應力作用下的變化特征對地應力進行折減；但對由高地應力引起的復雜的圍巖變形破壞形式考慮不足，導致SRF值不易取準，從而影響Q值的準確度。王廣德把巖爆烈度等參數引入Q系統、RMR方法和HC分級法中，建立了適合錦屏水電站的JPQ、JPRMR和JPHC圍巖分級方法[8]。任洋結合了巖爆烈度對K3進行了修正[9]。由于該修正方法采用的巖爆烈度沒有與其機制模式聯系起來，而且未參照BQ基本值進行修正，所以準確性也較差。

本文結合RSR法、RMR法和HC分級法對軟弱結構面的考慮，進一步優化了BQ法主要軟弱結構面影響修正系數K2。優化后的K2即可用于中低地應力隧道，也可用于高地應力引起的大變形或巖爆隧道。結合巖爆烈度分級體系，對BQ法的初始應力狀態影響系數K3進行了優化，使BQ法能更準確地應用于巖爆隧道。

1對BQ法K2的優化

工程實踐中，軟弱結構面的走向、傾向和傾角對隧道開挖時的圍巖穩定有很大影響。BQ法對主要軟弱結構面影響的修正僅是根據結構面與洞軸線夾角和結構面傾角進行修正(表1)，而未考慮結構面傾向的影響。

RSR法的參數B考慮了結構面間距、走向、傾向、傾角和洞軸線方向的相互關系，從而進行評分(表2)。

RMR法也考慮了結構面走向、傾向、傾角和洞軸線方向的關系(表3)。

水利水電HC分級法考慮了結構面走向、傾角和洞軸線方向的關系(表4)。

綜合RSR法、RMR法和HC法對結構面產狀影響的考慮，對K2進行優化(表5)。把結構面傾角按平緩(≤20°)、較傾斜(20°, 45°]、傾斜(45°, 75°]和陡傾(>75°)細分為4個層次(表5所示。(1)當結構面走向與洞軸線夾角<30°時，以上幾種方法都認為，巖體穩定性差。而結構面傾角又進一步影響巖體的穩定性，特別是隨著傾角的增大，圍巖的穩定性越來越差。HC方法參數評分表明，當結構面陡傾時，邊墻的穩定性比洞頂的穩定性差，當結構面傾斜時邊墻和洞頂的穩定性都很差。考慮到洞頂圍巖的穩定對施工影響最大，所以BQ法在結構面傾斜時對K2應取較大的數值，如表5第2列所示。(2)當結構面走向與洞軸線夾角>60°時，圍巖穩定性相對較好；但是當結構面傾角平緩時，洞頂的穩定性差。當結構面走向與洞軸線大角度相交時，參考RSR法(表2)和RMR法(表3)，掘進方向也會對圍巖穩定性產生影響。當結構面傾向與掘進方向同向(圖1-A)，并且傾角越大，圍巖穩定性越好，K2取較小的值，如表5第5列所示。(3)當結構面傾向與掘進方向相反(圖1-B)時，圍巖穩定性相對同向時要差些，K2取值如表5第4列所示。(4)當結構面走向與洞軸線夾角介于30°～60°之間時，不用考慮掘進方向與傾向的關系，K2取值如表5第3列所示。

表1　主要軟弱結構面產狀影響修正系數K2

(據《公路隧道設計規范》，2004)

(據Wickham, 1972)。平緩表示0°～20°，傾斜表示20°～50°，陡傾表示50°～90°。

(據Bieniawski, 1989)

(據《水利水電工程地質勘察規范》，2008)。按巖體完整程度分級為完整性差、較破碎和破碎的圍巖不進行主要結構面產狀評分的修正。

結構面產狀對巖體級別的影響首先主要表現為結構面走向與洞軸線的夾角。當結構面走向與洞軸線相平行時，對施工最不利；當結構面走向與隧道軸線相垂直時，對施工有利，此時，如果掘進方向與結構面傾向相同(圖1-A)，則對施工最有利。其次結構面傾角對圍巖穩定也有較大影響。當隧道走向與洞軸線走向平行時，傾角越大越不利于圍巖穩定；當隧道走向與洞軸線相垂直時，傾角越大越有利于圍巖穩定。另外，巖體結構也會對K2產生影響，完整性越好的圍巖，越有利于圍巖的穩定，K2可以取相對較小的值。

圖1　主要結構面傾向與掘進方向關系Fig.1　The relationship between the main structural plane inclination and the tunneling direction(A)結構面傾向與掘進方向相同; (B)結構面傾向與掘進方向相反

2對巖爆隧道中BQ法K3的優化

BQ法用巖石單軸飽和抗壓強度(Rc)與最大主應力(σ1)的比值，作為評價巖爆發生的條件，進而評價初始應力對工程巖體穩定性的指標。同時考慮到空間最大主應力與隧道軸線夾角的不同，對工程巖體穩定的影響也不同，認為只有垂直于工程軸線方向的最大初始應力(σmax)對工程巖體穩定的影響最大，且荷載作用明顯。所以《公路隧道設計規范》(表6)采用Rc/σmax作為評價“應力情況”的定量指標。根據應力狀況和BQ基本值，通過查初始應力狀態修正系數(表7)得到初始應力狀態修正系數K3。

在深埋的硬巖中修建隧道遇到的主要工程問題就是高地應力引起的巖爆問題。BQ方法提出時，由于工程案例太少，對高地應力的影響考慮不充分，沒有結合巖爆級別來確定K3修正系數，因此在實際應用中不容易選取準確的K3值，從而影響了修正后的[BQ]值。所以在高地應力硬巖隧道中，需要考慮巖爆烈度的影響，對K3的取值進行優化。

李天斌通過大量的巖爆現場調查和機理分析，總結了巖爆的6種基本地質力學模式，并在此基礎上提出了考慮地質力學模式的巖爆烈度分級體系[10](表8)。

表6　高初始應力地區圍巖在開挖過程中

(據《公路隧道設計規范》,2004)。

(據《公路隧道設計規范》，2004)

根據此巖爆烈度分級體系，用巖爆級別代替表 7中的“初始應力狀態”，根據不同的BQ基本值和巖爆級別選取K3修正系數，從而得到基于巖爆烈度法的初始地應力狀態影響修正系數(表9)。

表8　巖爆烈度綜合分級體系

(據李天斌等，2012)。σθmax為硐壁最大切向應力，Rb為巖石飽和抗壓強度。

規范BQ法中，在高地應力區，BQ值>350時，K3取0.5；在BQ值<350時K3取0.5～1。在極高地應力區，BQ值>450時K3取1，BQ值<450時K3取1～1.5。這反映了巖體基本質量越差的圍巖，其穩定性受地應力的影響越高；地應力越高，其對圍巖穩定性的影響越大。

從表9中可看到K3的取值范圍為0.3～1.5，與規范基本對應。每列的K3值都隨巖爆級別的增高而增大，反映了巖爆級別越高，其對圍巖穩定性的影響越大。每行的K3值都隨圍巖基本質量的變差而增大，反映了當圍巖基本質量好時巖爆對圍巖穩定性的影響小；當圍巖基本質量差時，巖爆對圍巖穩定性的影響大。對于圍巖基本質量極差的Ⅴ級圍巖，即BQ基本值<250的巖體，>1的K3修正沒有意義，所以最后一列的K3值最大取1。

3優化后BQ法的應用案例

大相嶺隧道[11](又名“泥巴山隧道”)是G5高速公路穿越大相嶺，連接四川省雅安市境內滎經縣和漢源縣的重要控制性工程。隧道海拔高度1.5 km，全長約10 km，穿越大相嶺背斜，最大埋深>1.6 km，主要由下震旦統安山巖段(Zaα)和流紋巖段(Zaλ)構成。

應用對K2和K3系數優化后BQ法，對泥巴山隧道部分掌子面圍巖的BQ值進行了重新計算(表10)。對比段圍巖主要是較堅硬-堅硬的流紋巖或安山巖，巖體較完整，嵌合緊密，呈塊狀-整體結構，節理微風化-微風化，地下水不發育，地應力較高。

結果表明對大部分圍巖級別判別結果，優化后的[BQ]值與優化前的[BQ]值相差不大；但在受結構面控制或高地應力影響顯著的掌子面，優化后的BQ法能更準確地獲取K2和K3修正系數，從而得到更準確的BQ修正值，使優化后的級別能夠與施工時支護設計依據的級別更接近，能作為確定施工支護措施的依據。例如：隧道YK59+800處為微風化流紋巖，層面產狀為320°∠66°，有一組主要節理與之相交，產狀為156°∠63°，局部發育有產狀為150°∠26°的節理，由于這些節理的分割，巖體總體呈塊狀結構，局部為次塊狀結構，巖體完整性系數Kv=0.8，嵌合程度較緊密；開挖時掌子面后有悶響，邊墻巖體有巖爆；地下水呈滲、滴水狀流出，地下水影響修正系數K1=0；巖石堅硬，單軸抗壓強度Rc=85MPa，飽和抗壓強度Rb=72.3MPa，計算圍巖基本質量指標BQ=90+3×85+250×0.8=545，屬于Ⅱ級圍巖。實測該處最大主應力σ1=31.7，方向N69.5E，傾角0.2°。根據彈性理論，估測硐壁最大切向應力(σθmax)約為63MPa。應力強度比σθmax/Rb=63/72.3=0.87，所以此處為Ⅲ級強烈巖爆區，并與實際觀測現象一致，根據表9，K3取值1。由于結構面與洞軸線小角度相交，傾角為66°，根據表5，K2取值0.6。所以BQ修正值[BQ]=545-100(0+0.6+1)=380，修正后圍巖級別為Ⅲ級。如果按照優化前的BQ法，K2取值范圍是0.4～0.6，取值范圍過大，會導致修正結果偏差較大；由于中間主應力傾角86.6°，近于垂直，所以此處與隧道軸線垂直的最大初始應力(σmax) 約等于中間主應力值,即9.5。根據Rc/σmax=85/9.5=8.9，按表6此處不屬于高地應力區，K3無需修正，所以按優化前的BQ法可算得BQ修正值[BQ]的取值范圍是505～485，修正后的圍巖級別也是Ⅱ級，與實際情況不符。所以根據優化K2、K3系數后的BQ法能較準確地判別圍巖級別。

表10　優化前后圍巖BQ值對比

4結 論

a.考慮結構面傾向和傾角對圍巖穩定的影響，對公路隧道圍巖分級BQ法的軟弱結構面影響修正系數K2的選取進行了優化。結構面產狀對巖體級別的影響首先主要表現為結構面走向與洞軸線的夾角。當結構面走向與洞軸線相平行時，對施工最不利；當結構面走向與隧道軸線相垂直時，對施工有利，此時，如果掘進方向與結構面傾向相同，則對施工最有利。其次結構面傾角對圍巖穩定也有較大影響。當隧道走向與洞軸線走向平行時，傾角越大越不利于圍巖穩定；當隧道走向與洞軸線相垂直時，傾角越大越有利于圍巖穩定。另外，巖體結構也會對K2產生影響，完整性越好的圍巖，越有利于圍巖的穩定，K2可以取相對較小的值。

b.根據李天斌提出的考慮地質力學模式的巖爆烈度分級體系，對BQ法初始應力狀態影響修正系數K3的選取進行了進一步的優化，得到巖爆烈度法初始地應力狀態影響修正系數。輕微巖爆會引起圍巖薄片狀的張裂-剝落，對圍巖穩定的影響很小，K3應取較小的修正值(0.1～0.2)；中等巖爆呈透鏡狀、層狀、板狀的張裂-滑移、彎曲-鼓折破壞，對圍巖穩定性的影響一般，K3取值0.2～0.6；強烈巖爆會引起圍巖呈板狀、塊狀、楔狀的張剪-爆裂，穹狀爆裂破壞，對圍巖穩定的影響大，K3取值0.6～1.1；極強巖爆會引起圍巖呈板狀、塊狀甚至散體狀大片連續爆裂，對圍巖穩定的影響很大，K3應取大的修正值(1.1～1.5)。

c.在生產實踐中應用修正后的BQ方法，發現該方法能更快速準確地確定K2、K3修正系數，從而計算出更準確的[BQ]值，為以后的支護設計工作提供了更可靠的參數。但由于該優化方法K2、K3系數的取值主要是通過在原規范方法取值范圍的基礎上，結合相應的影響因素得到，因此還需結合更多工程實例進一步優化表5、表9中的K2、K3取值。

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[第一作者] 張俊(1982-),男,工程師,從事鉆井技術研究, E-mail:zhangjun830410@163.com。

Optimization of BQ method used in rock mass quality

evaluation of rockburst tunnel

NIU Wen-lin, LI Tian-bin

StateKeyLaboratoryofGeo-hazardPreventionandGeo-environmentProtection,

ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Abstract:This paper discusses the BQ method that optimize the standard for engineering classification of rock masses so that it can be applied in the rockburst tunnel more effectively. The orientation of the rock mass structural plane, the direction of the tunnel axis and the tunneling direction have influences on the rock mass stability, which RSR, RMR and HC methods are considered. Integrating these considerations, the correction coefficient (K2) influencing the main weak structural plane orientation is been optimized. When the strike of the structural plane is perpendicular to the tunnel axis and the structural plane is inclined to the same direction with the tunneling, the stability of the surrounding rock mass is good, so K2gets a large value. When the strike of the structural plane parallel to the tunnel axis, the stability of the surrounding rock mass is poor, so K2gets a small value. Combined with the intensity of rock burst, the correction coefficient (K3) influencing the initial stress state is optimized based on the high initial stress of hard rock mass. A slight rock burst has little effect on the surrounding rock with a high value of the rock mass basic quality index (BQ), so K3gets a small value. The higher class of the rock burst, the poorer stability of the surrounding rock mass, so K3gets a large value. The paper uses the optimized BQ method to recalculate the [BQ] value of some surrounding rock of the working face in the Niba mountain tunnel. It is found that the classification results are more coincide with the actual conditions. So the supporting methods of the surrounding rock can be more accurately selected by this optimized method.

Key words:rock mass classification; BQ method; rockburst; tunnel

[基金項目]國家“十二五”科技重大專項(2011ZX05014-006)。

[收稿日期]2014-04-19。

[文章編號]1671-9727(2015)06-0665-08

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2015.06.04

[文獻標志碼][分類號] TU452 A