張 凱，巨能攀，霍宇翔，劉延博，劉 智

（成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

0 引言

隨著國(guó)家十二五規(guī)劃的部署與實(shí)施，在我國(guó)西南地區(qū)修建的隧道相對(duì)多了起來(lái)，而其中的巖溶問(wèn)題必將成為隧道選線(xiàn)與建設(shè)的關(guān)鍵所在。圍巖分級(jí)是隧道設(shè)計(jì)與施工的依據(jù)，正確的分級(jí)方法與結(jié)果是隧道工程目標(biāo)成本控制與安全生產(chǎn)的重要保證?，F(xiàn)行的隧道圍巖分級(jí)方法在實(shí)際施工過(guò)程中卻存在一些問(wèn)題，分級(jí)略顯粗略，級(jí)別判定滯后，靈活性較差等。為此，針對(duì)隧道工程施工階段動(dòng)態(tài)圍巖分級(jí)的研究日益增多。王明年等［4］提出了建立施工階段圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)的必要性，并討論了動(dòng)態(tài)分級(jí)方法及其可行性；曾杰等［5］采用多變量分析法對(duì)某公路隧道圍巖進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分級(jí)，并與勘察結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；黃生文等［7］通過(guò)對(duì)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出對(duì)圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)有關(guān)的指標(biāo)及其取值范圍，并用于指導(dǎo)施工階段的動(dòng)態(tài)圍巖分級(jí)和設(shè)計(jì)反饋。馬超峰等［8］利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)優(yōu)化理論進(jìn)行大跨度公路隧道圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)的優(yōu)化。孫洋等［9］基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)隧道圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了探討?？梢?jiàn)，人們?cè)谒淼绹鷰r動(dòng)態(tài)分級(jí)的方法上面進(jìn)行了大量系統(tǒng)的研究，然而，對(duì)于巖溶隧道并沒(méi)有給出有針對(duì)性的動(dòng)態(tài)分級(jí)方法，使得圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)與巖溶問(wèn)題相互脫節(jié)，給現(xiàn)場(chǎng)的圍巖分級(jí)帶來(lái)很大麻煩。為此，本文將巖溶?chē)鷰r分級(jí)引入到BQ分類(lèi)法中，給出巖溶隧道動(dòng)態(tài)圍巖分級(jí)的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)綜合修正值［ZKBQ］，從而方便，快捷的進(jìn)行施工階段的圍巖分級(jí)。

1 巖溶隧道圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)方法

1.1 分級(jí)方法

巖溶隧道圍巖動(dòng)態(tài)分級(jí)是在一般地下工程巖體基本質(zhì)量分級(jí)的基礎(chǔ)上，對(duì)巖溶隧道在不同的地下水狀態(tài)、巖體初始應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面的方向和組合狀態(tài)、巖溶發(fā)育狀態(tài)下進(jìn)行的工程質(zhì)量分級(jí)修正［2］。巖溶?chē)鷰r分級(jí)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：［ZKBQ］——巖溶?chē)鷰r巖體基本質(zhì)量指標(biāo)綜合修正值；

BQ——巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；

K2——主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；

K3——初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)；

Ckd——巖溶發(fā)育程度修正系數(shù)。

（注：地下水對(duì)圍巖的影響考慮在地下水作為巖溶充填物對(duì)隧道施工圍巖穩(wěn)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(jì)算值，參考現(xiàn)行隧道工程巖體質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行巖溶?chē)鷰r的動(dòng)態(tài)分級(jí)（表1）。

表1 巖溶?chē)鷰r巖體分級(jí)表Table 1 The table of the karst surrounding rock classification

據(jù)規(guī)范，巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)BQ計(jì)算如下［11］：

式中：BQ—— 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；

Rc——巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；

KV——巖體完整性系數(shù)。

1.2 分級(jí)指標(biāo)的確定

1.2.1 巖石堅(jiān)硬程度（Rc）

巖石的堅(jiān)硬程度通常用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rc作為定量指標(biāo)，但在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)常常無(wú)條件取得實(shí)測(cè)值，加之巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便，開(kāi)展廣泛，便于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可對(duì)未加工或極難加工成型的巖塊進(jìn)行測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，因此，可采用實(shí)測(cè)巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)Is（50）值按式（3）換算成Rc值后來(lái)確定巖石堅(jiān)硬程度［12］。

1.2.2 巖體完整程度（KV）

目前諸多巖體分級(jí)方法中，大多采用巖體的完整性系數(shù)K V、巖體體積節(jié)理數(shù)JV、巖石質(zhì)量指標(biāo) RQD作為表征巖體完整程度的定量指標(biāo)。由于國(guó)內(nèi)各勘察單位、研究單位采用的鉆頭、鉆具型號(hào)各異，所獲得的RQD值缺乏可比性和統(tǒng)一性。因此，當(dāng)無(wú)條件測(cè)得K V時(shí)，可從巖體露頭和坑道工作面上量測(cè)的JV值來(lái)代替［13］。KV和JV的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 KV與JV對(duì)照表Table 2 The synopsis ofKVandJV

在進(jìn)行巖體體積節(jié)理JV的統(tǒng)計(jì)時(shí)，測(cè)線(xiàn)應(yīng)垂直于被測(cè)的每一組結(jié)構(gòu)面走向布置，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度不小于5m。先統(tǒng)計(jì)與每一條測(cè)線(xiàn)正交的結(jié)構(gòu)面數(shù)，或計(jì)算每一組節(jié)理的平均間距，再按式（4）或（5）計(jì)算。

式中：S1，S2，…，Sn——第 1，2，…，n 組節(jié)理每米長(zhǎng)測(cè)線(xiàn)上的節(jié)理?xiàng)l數(shù)；

SK——每立方米巖體中非成組節(jié)理?xiàng)l數(shù)（條/m3）。

式中：dp1，dp2，…，dpn——第 1，2，…，n 組節(jié)理的平均間距。

1.2.3 修正系數(shù)

（1）結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)K2

大量的研究表明，當(dāng)?shù)叵露词以陂_(kāi)挖的過(guò)程中遇到較大的軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，這些結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，分布位置及其性狀會(huì)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生相應(yīng)的影響［10］。在“工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”中，將結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖分級(jí)的影響用修正系數(shù)K2表示，根據(jù)結(jié)構(gòu)面走向與洞室軸線(xiàn)的夾角和結(jié)構(gòu)面傾角的組合關(guān)系賦予不同的值進(jìn)行修正（表3）。

（2）應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)K3

初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響較大，在高應(yīng)力區(qū)常產(chǎn)生巖爆和大變形等現(xiàn)象，故在BQ分級(jí)法中將應(yīng)力狀態(tài)對(duì)圍巖的影響用折減系數(shù)K3表示［11］（表4）。

對(duì)地應(yīng)力影響的定性判別，主要是根據(jù)開(kāi)挖后掌子面圍巖的穩(wěn)定情況，比如在脆性完整巖體中，在高地應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)巖體板裂、彈射等巖爆現(xiàn)象，根據(jù)圍巖的破壞程度分為強(qiáng)、中、弱和微巖爆Ⅳ個(gè)等級(jí)；在軟巖中會(huì)出現(xiàn)擠壓收縮等現(xiàn)象，從而來(lái)判定地應(yīng)力的影響大小和程度。定量測(cè)量的常用方法有水壓致裂法和應(yīng)力接觸法等。

表3 主要軟弱面結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2Table 3 The correction coefficient of the effect of the main weak structural plane K2

表4 初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3Table 4 The correction coefficient of the effect of the initial stress stateK3

（3）巖溶發(fā)育程度修正系數(shù)Ckd

在巖溶?chē)鷰r分級(jí)模型中，巖溶發(fā)育程度的修正系數(shù)計(jì)算公式如下［2］：

式中：Ckdq——巖溶發(fā)育程度定性評(píng)價(jià)系數(shù)；

Ckdl——巖溶發(fā)育程度定量評(píng)價(jià)系數(shù)。

巖溶發(fā)育程度的定性評(píng)價(jià)系數(shù)Ckdq是在考慮可溶巖性，構(gòu)造切割情況和地下水徑流循環(huán)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其建議評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

巖溶發(fā)育程度的定量評(píng)價(jià)系數(shù)Ckdl值是采用巖溶發(fā)育形態(tài)、規(guī)模對(duì)隧道施工安全的影響系數(shù)，巖溶充填物影響系數(shù)和地下水影響系數(shù)確定的［12］。計(jì)算公式如下：

式中：Sv——巖溶發(fā)育形態(tài)、規(guī)模對(duì)隧道安全的影響系數(shù)（％）；

Kc——巖溶充填物影響系數(shù)（％）；

Kw——地下水影響系數(shù)，各參數(shù)取值如表6～8。

表5 巖溶發(fā)育程度定性評(píng)價(jià)系數(shù)CkdqTable 5 The qualitative evaluation coefficient of karst development degreeCkdq

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

表7 巖溶發(fā)育對(duì)隧道安全影響度及影響系數(shù)Table 7 The influence degree division and coefficient of karst filling

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

2 工程實(shí)例與對(duì)比分析

2.1 工程地質(zhì)概況

仙人洞隧道為新建地方鐵路敘永至大村線(xiàn)的在建隧道，位于敘永縣內(nèi)，長(zhǎng)3665m。隧址屬低山區(qū)構(gòu)造剝蝕地貌，穿越仙人洞山體，測(cè)區(qū)溝谷相間，層巒疊嶂，地形起伏較大，高程介于605～865m，相對(duì)高差260m。隧址區(qū)地層有第四系全新統(tǒng)沖洪積層、第四系全新統(tǒng)坡殘積層、二疊系下統(tǒng)茅口組3個(gè)地層單元，而隧道主要通過(guò)二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r，層面產(chǎn)狀平緩且變化小。二疊系茅口組是一套巖溶發(fā)育較強(qiáng)的地層，隧址區(qū)出露多條寬數(shù)百米的溶蝕破碎帶，溶蝕破碎帶內(nèi)巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂面見(jiàn)泥質(zhì)充填，局部充填方解石脈。

隧道位于白楊林背斜南翼，巖層產(chǎn)狀為N5～14°W/5～14°SW，發(fā)育兩組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為 N45°E/78°NW 和 N76°E/90°。節(jié)理面粗糙，多呈微張狀，延伸較長(zhǎng)。隧址區(qū)地表水、地下水較發(fā)育，水質(zhì)化學(xué)類(lèi)型為-Ca2+型。

2.2 圍巖分級(jí)結(jié)果

在隧道施工階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)獲得的Is（50），利用公式（3）求得巖石堅(jiān)硬強(qiáng)度Rc。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與表2的對(duì)比，得到巖體完整程度的經(jīng)驗(yàn)值Kv。再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)主要軟弱結(jié)構(gòu)面與洞室軸線(xiàn)的關(guān)系和已知的地應(yīng)力結(jié)果，對(duì)照表3和表4分別給出修正系數(shù)K2和K3的取值情況。參數(shù)Ckd的確定是根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的工程地質(zhì)推斷，TSP探測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行取值計(jì)算后得到的［9，13］。各參數(shù)取值和分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 仙人洞隧道巖溶?chē)鷰r動(dòng)態(tài)分級(jí)結(jié)果Table 9 The results of dynamic classification of the karst surrounding rock for Xian Rendong tunnel

2.3 對(duì)比分析

從表中的分級(jí)結(jié)果可以看出：在該巖溶隧道施工階段進(jìn)行的分級(jí)中有3段分級(jí)結(jié)果與設(shè)計(jì)階段的級(jí)別不符，長(zhǎng)度上占35.6％，說(shuō)明勘察設(shè)計(jì)階段對(duì)于巖溶?chē)鷰r分級(jí)結(jié)果的準(zhǔn)確性較差。同時(shí)，在巖溶發(fā)育段內(nèi)，軟弱結(jié)構(gòu)面亦較發(fā)育，二者共同作用影響圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)而降低了圍巖級(jí)別，可見(jiàn)破碎帶、裂隙、結(jié)構(gòu)面等是巖溶發(fā)育的必要條件，彼此間為“相輔相成”的關(guān)系。巖溶發(fā)育強(qiáng)度越強(qiáng)，其對(duì)圍巖級(jí)別的影響越大，如在DK12+013～DK12+063段內(nèi)，出現(xiàn)了較大的溶洞和涌泥現(xiàn)象，使圍巖的級(jí)別降低了兩級(jí)。

綜上，BQ法與巖溶隧道施工階段的圍巖分級(jí)結(jié)果誤差較大，在綜合修正的圍巖級(jí)別中Ⅲ級(jí)以上圍巖所占比例達(dá)到了86％，大于設(shè)計(jì)階段的70％，甚至有Ⅴ圍巖的出現(xiàn)。這是因?yàn)閹r溶隧道在隧道施工階段揭露的圍巖情況與勘查設(shè)計(jì)給出的結(jié)論有所差別，引入巖溶發(fā)育強(qiáng)度修正系數(shù)后，導(dǎo)致圍巖的動(dòng)態(tài)分級(jí)結(jié)果低于設(shè)計(jì)階段給出的圍巖分級(jí)結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）仙人洞隧道工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，巖溶現(xiàn)象發(fā)育，這些巖溶現(xiàn)場(chǎng)的出現(xiàn)給現(xiàn)場(chǎng)的施工和圍巖級(jí)別的判定增加了難度，實(shí)際圍巖情況與勘察階段確定的圍巖級(jí)別差距較大，常造成不必要的資源浪費(fèi)和支護(hù)措施不足等現(xiàn)象。因此，有必要進(jìn)行巖溶隧道動(dòng)態(tài)圍巖分級(jí)，確保施工的順利進(jìn)行。

（2）以往的隧道圍巖分級(jí)公式中并沒(méi)有將巖溶發(fā)育情況考慮進(jìn)去，缺乏機(jī)動(dòng)性和靈活性，這里在一般地下工程巖體質(zhì)量分級(jí)基礎(chǔ)上，將遇到的主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，初始應(yīng)力狀態(tài)，巖溶發(fā)育程度給予不同的修正系數(shù)，進(jìn)行巖溶隧道動(dòng)態(tài)圍巖分級(jí)。

（3）該分級(jí)方法在仙人洞隧道的施工過(guò)程中得以應(yīng)用，使圍巖的實(shí)際分級(jí)結(jié)果與實(shí)際揭露的工程地質(zhì)條件更加相符，為隧道的安全施工提供了重要的參考依據(jù)。

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