圍巖分級方法的分析與問題討論

□唐曉松 何 佳 王永甫

一、圍巖分級方案

圍巖分級是地下工程設計施工的前提，隨著對巖體力學特性認識的不斷深入、地下工程經驗的不斷積累和施工技術的快速發展，圍巖分級方法不斷改進和完善，從單因素分級轉變為綜合的多因素分級；從定性分析過渡到定量與定性相結合的分級；從單純的現象學分級研究，向與數理統計、模糊數學等研究相結合的方向發展[1～5]。

目前，國內外提出的圍巖分級方法近百余種，不同的分級方法考慮的側重點不同，適用的地質條件和工程條件也有一定差別。有代表性的分級方案大致可分為以下四大類。

(一)單一指標分級。普氏堅固系數(f)法、迪爾的巖石質量指標RQD法、捷克抗拉強度分級法、勞費爾分級、太沙基載荷分級、波波夫分級等。

(二)多指標并列分級。錨桿噴射混凝土支護技術規范、水工隧洞設計規范、鐵路隧道設計規范、新奧地利隧道法NATM、國際巖石力學學會分級等。

(三)多指標復合分級。Q系統分級法、巖石質量系數Z法、坑道工程圍巖分級等(積商法)，巖石構造評價RSR法、地質力學分級RMR法、QTS巖石分級法、塊度模數MK法、工程巖體分級標準等(和差法)，鐵路隧道圍巖分級的專家系統、鐵路隧道圍巖分級專家系統等(專家系統分析)。

(四)巖體介質力學屬性。人工洞室圍巖分級、地下洞室圍巖分級等。

各種圍巖分級方案基本上都是以圍巖穩定性為分級標準，考慮了巖石強度、巖體完整性及結構面性狀、巖體賦存的環境條件(地下水、地應力等)。

二、圍巖分級方法的分析

(一)基本情況。分析目前的圍巖分級方法可以看出，圍巖分級定性的定量指標，通常分為地質因素、工程因素、分級判據三大類，具體包括巖石強度、巖體結構、巖體完整性和結構面狀態等指標，如表1所示。

表1 圍巖分級定性定量指標表

(二)主要特點。不同規范的圍巖分級適用對象主要有兩類，一類全國和各種行業通用，如《錨桿噴射混凝土支護技術規范》《工程巖體分級標準》，另一類適用于規定的行業，如《公路隧道設計規范》《鐵路隧道設計規范》，其中：《工程巖體分級標準》《公路隧道設計規范》《鐵路隧道設計規范》采用定性定量相結合的方式進行圍巖分級。《錨桿噴射混凝土支護技術規范》《城市軌道交通巖土工程勘察規范》采用定性為主劃分圍巖等級，并考慮了地質構造的影響，前者劃分方法具有代表性，后者劃分方法較為簡單，但兩者對巖體完整性的考慮均不夠全面。定性定量相結合的劃分方法優于定性劃分，可以更加科學合理地區分圍巖等級。《錨桿噴射混凝土支護技術規范》《城市軌道交通巖土工程勘察規范》《鐵路隧道設計規范》都采用了巖體縱波波速作為圍巖分級的指標。其中《錨桿噴射混凝土支護技術規范》只是將波速作為圍巖完整性指標之一，后兩者則將波速作為分級的基本指標，與定性分級并重。各規范各級圍巖波速取值有所不同，最新《鐵路隧道設計規范》有關按波速分級相對比較細致，但仍需進一步研究。工程因素影響方面，所有規范圍巖分級均定性考慮了毛洞圍巖穩定性，《工程巖體分級標準》《公路隧道設計規范》《鐵路隧道設計規范》考慮了洞軸線與結構面組合關系，《錨桿噴射混凝土支護技術規范》在支護結構設計章節涉及跨度因素，即通過工程類比法給出了各級圍巖在不同跨度下隧洞的支護參數，但跨度影響沒有體現在圍巖分級中。

(三)共同點。一是各種圍巖分級的依據均為圍巖的穩定性，圍巖穩定性與地質、工程因素有關，但都沒有考慮工程因素中的跨度因素。二是不同圍巖分級方法的圍巖等級一般劃分為5、6級，適用于巖石的地下工程圍巖分為5級，而對適用于巖石和土的地下工程圍巖分為6級，最后一級基本都是土。三是各類圍巖分級方法都以巖石強度和巖體完整性作為基本指標，其中巖石強度指標，以巖石單軸飽和抗壓強度為定量指標；完整性定量指標，有的采用巖體完整性系數，有的采用巖體縱波波速，也有采用巖石質量指標。四是圍巖分級的輔助指標主要為地下水狀態，結構面狀態，洞軸結構面組合關系、地應力大小(巖體強度應力比)。輔助指標的處理方式有兩種，有的與基本指標綜合考慮，有的采用降級處理。

三、當前圍巖分級存在問題的討論

圍巖分級本身是一種經驗性的定性的方法，但需要通過一定的定量指標，并進行合理的綜合，通過某些定量指標給出較為準確的定性圍巖等級，為工程設計、施工奠定基礎。各種圍巖分級方法所包含和涉及的因素并不相同，這是由于目前的圍巖分級仍是各自經驗總結的成果，一直沒有形成較一致的認識。存在的問題主要有如下幾點：

(一)針對性不強。目前各種圍巖分級方法的適用范圍總體上比較粗獷，沒有與特定行業或地區的實際需求密切結合。圍巖分級時考慮的分級影響因素宜少不宜多，并應在具體應用時抓住影響圍巖穩定性的主要關鍵因素。

(二)圍巖分級中未考慮工程跨度因素對圍巖穩定性的影響。眾所周知，圍巖的穩定性主要取決于地質因素和工程因素，目前各種規范圍巖分級時大都僅注重地質因素的分析，僅考慮洞軸線與結構面的組合關系這一工程因素，忽略了重要的工程跨度因素。

(三)為提高圍巖分級的準確性，定性與定量相結合的方法顯然優于定性的方法，根據各規范分級特點，可以考慮以國標《工程巖體分級標準》為基礎進行分級，并采用BQ公式確定定量指標，但目前標準中定性特征與定量BQ值不夠協調的問題需要進一步修正完善。

(四)BQ指標的計算取決于巖石強度和巖體完整性，以I級圍巖為例，當前普遍規定巖石單軸飽和抗壓強度大于60MPa的為堅硬巖，相當于C60高強混凝土，這對一般跨度隧洞而言要求過高，過于保守。根據工程經驗，隨著跨度增加，在保證同等穩定性的情況下，對巖石堅硬程度的要求也會提高，因此劃分巖石堅硬程度指標需結合跨度因素進行調整。

(五)與巖石堅硬程度類似，隨著跨度增加，在保證同等穩定性的情況下，對巖體完整性的要求也會相應提高，同樣需要結合跨度因素對巖體完整性指標作適當調整。此外，考慮到巖體完整性的重要性，對巖體完整性系數Kv系數的確定方法仍需要開展進一步研究。

(六)目前，BQ指標系統都采用兩步走確定圍巖等級，首先確定基本BQ值，然后通過輔助指標修正確定最終的圍巖級別。其中，輔助指標修正大都采用系數法計算確定，但修正系數都為范圍值，且偏差過大，既繁瑣又不準，采用降級方法更便于實際應用。

(七)各規范均提供了各級圍巖物理力學參數，但大都沿用經驗數據。隨著對隧洞設計計算要求的提高，對圍巖物理力學參數的要求也隨之提到，因此需要進一步確定科學合理的圍巖計算參數。