隧道圍巖分級因素敏感性分析及影響水平劃分方法研究

吳秋軍 遲曉亭

摘要：現行的鐵路、公路隧道圍巖分級方法的基本思想和框架體系均是沿用了1975年鐵道部的科研成果，它是以單線鐵路隧道圍巖穩定性為基礎而建立的，這與當前我國大量涌現的高速鐵路雙線隧道、高速公路隧道在尺寸上存在很大差別，所以現行的鐵路、公路圍巖分級方法是否能夠適應大斷面的高速鐵路、高速公路隧道已經成為一個關鍵性的技術問題，需要深入研究。為此，文章采用正交數值試驗方法研究了兩個重要問題，即各隧道圍巖分級影響因素對隧道尺度的敏感性以及據此進行各分級影響因素的水平劃分方法。上述研究成果已作為新的鐵路、公路隧道圍巖分級方法的參考依據。

關鍵詞：隧道圍巖分級方法;分級影響因素;敏感性分析;水平劃分方法

0 引言

隧道圍巖分級一直以來都是隧道工程建設中最基礎、最重要的課題之一。現行的鐵路、公路隧道圍巖分級實質是按圍巖穩定性進行的分級，影響隧道圍巖穩定性的因素有很多，但通常可以歸為自然地質環境方面的因素和人為因素兩大類[1]。不過，一般只將與自然地質環境方面有關的因素作為圍巖分級指標使用。例如，現行的鐵路隧道圍巖分級方法采用的三種分級指標，即基本指標（包括巖石堅硬程度和巖體完整程度）、修正指標（包括地下水狀態、主要結構面產狀和初始地應力狀態）以及輔助指標（彈性波速度）[2]，都是屬于自然地質環境方面的因素（現行公路隧道圍巖分級方法與現行鐵路隧道圍巖分級方法基本相同，但未考慮彈性波速作為輔助指標[3]）。至于人為因素，如隧道的洞型尺寸、開挖方法等，雖然也是圍巖穩定性的重要因素，但由于可以人為控制，故一般作為圍巖分級應用的適用條件來考慮[1]。

近年來，隨著高速鐵路、高速公路在我國大規模建設，高速鐵路、高速公路隧道大量涌現。這些隧道在洞型尺寸（高鐵隧道、三車道隧道開挖跨度D≈15m）上已與作為現行鐵路、公路隧道圍巖分級方法建立基礎的單線鐵路隧道（開挖跨度D≈7～8m）[4]有了十分明顯的差別。由于適用條件發生了很大的變化，所以現行的公路、鐵路隧道圍巖分級方法是否適應大斷面的高速鐵路隧道、三車道隧道需要深入地研究。其中，由于隧道跨度的增大，有兩個方面的問題需要重點研究：（1）各分級影響因素對圍巖穩定性的作用是否發生了變化;（2）各分級影響因素對圍巖穩定性的規律是否發生了變化。

1 正交數值試驗方法和試驗條件

針對上述兩個問題采用了數值試驗方法進行研究。試驗過程中考慮了對圍巖穩定性最重要的四個分級影響因素——巖塊強度、結構面強度、結構面間距、結構面傾角。其中，巖塊強度對應基本分級指標“巖石堅硬程度”;結構面強度、結構面間距屬于基本分級指標“巖體完整程度”;結構面傾角雖然不屬于鐵路隧道圍巖分級指標之內，但從我國的《工程巖體分級標準》（GB50218-2014）[5]、《公路隧道設計規范》（JTGD70-2004）[6]等資料來看，該分級影響因素也非常重要，一般屬于修正因素“主要軟弱結構面產狀”。利用文獻[5][6]等對上述四個分級影響各劃分了5個水平（取中值或界限值），分別如表1～4所示。

采用二維離散元軟件UDEC進行計算。為了便于分析但不失一般性，試驗中考慮了兩組結構面，且此兩組結構面的傾角相互垂直。試驗中考慮了淺埋（30m）和深埋（300m）兩種埋深。模型的左右邊界施加水平位移約束，底部邊界施加豎向位移約束。試驗采用了跨度為大跨（15m）和小跨（8m）兩種跨度的隧道斷面，分別對應于設計時速200km的高速鐵路隧道和140km單線鐵路隧道。試驗過程中隧道采用全斷面開挖，并在開挖完成后立即設置20cm厚的初期支護，初期支護的物理力學參數采用了文獻[7]中建議的混凝土參數。試驗結果為初期支護相對拱頂沉降。

由于因素個數及水平分級較多，如全面分析需進行4×54=2500組試驗，故采用了正交試驗方法減少了試驗組數，對每一種埋深、每一種跨度情況下，各安排了25組試驗，共進行了100組試驗，試驗方案采用文獻[7]的標準正交表L25（54）。

2 各分級影響因素的敏感性分析

2.1 極差分析

埋深30m和300m兩種情況下的相對拱頂沉降各分級影響因素的極差分析結果如圖1～2所示。

從圖1的極差分析結果可知，對隧道跨度D≈15m和D≈8m兩種情況均有：結構面強度的極差最大，結構面傾角的極差次之，結構面間距的極差再次之，巖塊強度的極差最小。但對隧道跨度D≈15m的情況，巖塊強度與結構面間距的極差差距不大;而對隧道跨度D≈8m的情況，四個因素的極差差距都不大。這說明在埋深較淺時，對隧道跨度D≈15m的情況，結構面強度、結構面傾角對圍巖穩定性影響較大，是主要因素，而巖塊強度、結構面間距對圍巖穩定性影響較小，是次要因素;而對隧道跨度D≈8m的情況，結構面強度、結構面傾角、結構面間距、巖塊強度四個因素對圍巖穩定性影響程度相當，都是主要因素。

從圖2的極差分析可知，對隧道跨度D≈15m的情況，結構面傾角的極差最大，巖塊強度的極差次之，結構面強度的極差再次之，結構面間距的極差最小，而且結構面傾角、巖塊強度、結構面強度的極差相當，而結構面間距的極差與前三個因素相比，極差較小。對隧道跨度D≈8m的情況，結構面強度的極差最大，結構面傾角的極差次之，巖塊強度的極差再次之，結構面間距的極差最小，且這四個因素的極差差距不大。這說明在隧道埋深較大時，對隧道跨度D≈15m的情況，結構面傾角、巖塊強度、結構面強度對圍巖穩定性的影響大，是主要因素，而結構面間距對圍巖穩定性影響小，是次要因素;對隧道跨度D≈8m的情況，結構面強度、結構面傾角、結構面間距、巖塊強度四個因素對圍巖穩定性影響程度相當，都是主要因素。

通過上述分析可以看出，圍巖分級影響因素的重要程度受隧道跨度的影響較大，當跨度D≈15m時，對隧道埋深較淺的隧道，巖塊強度、結構面間距對圍巖穩定性影響將減弱;對于埋深較大的隧道，結構面間距對圍巖穩定性影響將減弱。

2.2 回歸分析

極差分析可以定性地揭示各因素的敏感性大小次序，但不易定量地比較各因素的敏感性差別。為此，對正交數值試驗進行了回歸分析，即以計算得到的各種工況下的各因素水平值（1、2、3、4、5）為自變量x1～x4，以計算得到的初期支護的相對拱頂沉降值為因變量y，建立回歸模型。

經過上述處理后，常數項系數b0已變為0。然后將各項系數分別除以各項系數的和，以百分數計，則此時各項系數即為各自變量對應的重要性系數，反映了各項自變量對相對拱頂沉降的貢獻程度。以各因素為橫坐標，以各種埋深、各種跨度情況下的重要性系數為縱坐標，繪制直方圖如圖3～6所示。

從圖3～6可以看出：

（1）在各種跨度和各種埋深情況下，結構面強度和結構面傾角都是影響圍巖穩定性的重要因素。但在埋深較大時，巖塊強度的影響也很重要;而在跨度較小時，結構面間距的影響也很重要。

（2）在埋深較淺時，結構面強度的重要性始終比結構面傾角大;在隧道埋深較大、跨度較小時，結構面強度的重要性比結構面傾角大;但隧道跨度較大時，結構面傾角的重要性反而比結構面強度大。

（3）同一跨度情況下，埋深較大時與圍巖地質結構相關的因素（結構面強度、結構面間距、結構面傾角）重要性比埋深較小時要小，而巖塊強度的規律正好相反，這反映了初始地應力水平的影響，而這一結果與文獻[8][9]的觀點極為吻合。

2.3 綜合結果

從上述數值試驗結果的分析可以得出如下結論：

（1）結構面強度和結構面傾角這兩個因素對隧道圍巖穩定性影響最大，對隧道尺度敏感性不強。

（2）結構面間距對隧道尺度敏感性最強。隧道跨度較小時，結構面間距對隧道圍巖穩定性影響大，反之則小。

（3）巖塊強度對隧道埋深敏感性最強。當隧道埋深較大時，巖塊強度對隧道圍巖穩定性影響較大，反之則小。

3 各分級影響因素的水平劃分

以計算得到的相對拱頂沉降結果為依據，研究各分級影響因素對相對拱頂沉降的影響規律，據此來劃分各因素的水平。各分級影響因素水平劃分的依據是：當各分級影響因素對相對拱頂沉降的影響不顯著時，可作為同一水平;當各分級影響因素對相對拱頂沉降的影響較顯著時，作多段水平劃分。

3.1 埋深30m情況下的分級影響因素影響水平劃分

埋深30m情況下各分級影響因素對相對拱頂沉降的影響曲線如圖7～10所示。

根據上述各因素對相對拱頂沉降的影響曲線，對各分級影響因素水平劃分如下：

（1）巖塊強度：對隧道跨度15m的情況，劃分為2個水平，即RC≥15MPa和RC<15MPa;對隧道跨度8m的情況，劃分為3個水平，即RC≥15MPa、5MPa≤RC<15MPa、RC<5MPa。目前規范劃分為5個水平，可以涵蓋這三個水平。

（2）結構面強度：對隧道跨度15m的情況，劃分為4個水平，分別為結合好、結合一般、結合較差、結合差;對隧道跨度8m的情況，劃分為5個水平，分別為結合好、結合較好、結合一般、結合較差、結合差。目前規范劃分為5個水平，可以涵蓋這兩種跨度。

（3）結構面間距：對隧道跨度15m的情況，劃分為3個水平，即≤0.4m、0.4～1.0m、≥1.0m;對隧道跨度8m的情況，劃分為3個水平，即≤0.4m，0.4～0.6m，≥0.6m。目前規范劃分為5個水平，可以涵蓋隧道跨度15m時的3個水平，但與隧道跨度8m的水平劃分方法不一致。

（4）結構面傾角：對隧道跨度15m和8m的情況均劃分為3個水平，即0°～15°、75°～90°;15°～25°、65°～75°;25°～45°、45°～65°。目前規范劃分的3個水平，與此有較大差異。

3.2 埋深300m情況下的分級影響因素水平劃分

隧道埋深300m的情況下，各因素對相對拱頂沉降的影響曲線詳見圖11～14。

根據上述各因素對相對拱頂沉降的影響曲線，對各分級影響因素水平劃分如下：

（1）巖塊強度：對隧道跨度15m和8m的情況均劃分為4個水平，其中硬質巖1個水平，軟質巖3個水平，劃分結果如下：

硬質巖：RC≥30MPa;

軟質巖：RC<5MPa;5MPa≤RC<15MPa;15MPa≤RC<30MPa。

目前規范劃分為5個水平，可以涵蓋這4個水平。

（2）結構面強度：對隧道跨度15m的情況，劃分為4個水平，分別為結合好、結合一般、結合較差、結合差;對隧道跨度8m的情況，劃分為5個水平，分別為結合好、結合較好、結合一般、結合較差、結合差。目前規范劃分為5個水平，可以涵蓋這兩種跨度。

（3）結構面間距：對隧道跨度15m的情況，劃分為3個水平，即≤0.4m、0.4～1.0m、≥1.0m;對隧道跨度8m的情況，劃分為3個水平，即≤0.4m，0.4～0.6m，≥0.6m。目前規范劃分為5個水平，可以涵蓋隧道跨度15m的3個水平，但與隧道跨度8m劃分方法不一致。

（4）結構面傾角：對隧道跨度15m和8m的情況均劃分為3個水平，即0°～15°、75°～90°;15°～25°、65°～75°;25°～45°、45°～65°。目前規范劃分的3個水平，與此有較大差異。

3.3 綜合結果

對上述兩種埋深下各因素的影響水平劃分綜合考慮，結合文獻[1][2]中的劃分方法，得到隧道跨度15m情況的各因素影響水平劃分的綜合結果如下：

（1）巖塊強度：劃分為4個水平，其中硬質巖1個水平，軟質巖3個水平：

硬質巖：RC≥30MPa;

軟質巖：RC<5MPa;5MPa≤RC<15MPa;15MPa≤RC<30MPa。

（2）結構面強度：劃分為4個水平，分別為結合好、結合一般、結合較差、結合差。

（3）結構面間距：劃分為3個水平，分別為≤0.4m，0.4～1.0m，≥1.0m。

（4）結構面傾角：劃分為3個水平，分別為0°～15°、75°～90°;15°～25°、65°～75°;25°～45°、45°～65°。

由此可見，目前《鐵路隧道設計規范》規定的各因素水平的劃分標準除結構面傾角外，基本可以包含隧道跨度15m情況的各因素影響水平劃分。

4 結語

通過前面的研究可以得出如下結論：

（1）隧道圍巖結構面強度和結構面傾角因素對隧道圍巖穩定性影響最大，對隧道尺度敏感性不強。結構面間距對隧道尺度敏感性最強;隧道跨度較小時，結構面間距對隧道圍巖穩定性影響大，反之則小。巖塊強度對隧道埋深敏感性最強，當隧道埋深較大時，巖塊強度對隧道圍巖穩定性影響較大，反之則小。

（2）隧道跨度15m時，巖塊強度水平劃分為4個水平，其中硬質巖1個水平，軟質巖3個水平，即RC<5MPa，5MPa≤RC<15MPa，15MPa≤RC<30MPa，RC≥30MPa。結構面強度水平劃分為4個水平，即結合好、結合一般、結合較差、結合差。結構面間距水平劃分為3個水平，即≤0.4m，0.4～1.0m，≥1.0m。結構面傾角水平劃分為3個水平，即0°～15°、45°～60°;15°～25°、60°～70°;25°～45°、70°～90°。

目前《鐵路隧道設計規范》《公路隧道設計規范》規定的各因素水平的劃分標準，除結構面傾角外，基本包含了隧道跨度15m情況的各因素影響水平劃分。

參考文獻：

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