王鳴濤　李靜,2　吳波,3

(1.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院　福建福州　350118；2.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院和福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院　福建福州　350118;3.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　福建福州　350118)

?

上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)方法研究綜述

王鳴濤1李靜1,2吳波1,3

(1.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院福建福州350118；2.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院和福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院福建福州350118;3.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室福建福州350118)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和隧道工程逐步向深部開發(fā)的必然趨勢(shì)，上軟下硬地層隧道工程將會(huì)越來越普遍。圍巖分級(jí)是上軟下硬地層隧道工程勘察、設(shè)計(jì)、施工的基本依據(jù)，也是保障工程施工安全、運(yùn)營(yíng)安全的基礎(chǔ)，其對(duì)隧道工程來說是基礎(chǔ)性的工作也是關(guān)鍵性的工作。在概括了解圍巖分級(jí)概念的基礎(chǔ)上，從國(guó)內(nèi)外圍巖分級(jí)的發(fā)展史出發(fā)描述了當(dāng)前上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)性地闡述了目前在我國(guó)常用的三種圍巖分級(jí)方法：Q系統(tǒng)、RMR分類方法以及公路隧道圍巖分級(jí)BQ法。指出圍巖分級(jí)研究中存在的一些問題，發(fā)現(xiàn)在目前的研究中還沒有建立專門的上軟下硬復(fù)合地層隧道圍巖分級(jí)方面的研究體系，最后指出未來我國(guó)隧道圍巖分級(jí)的發(fā)展趨向。

上軟下硬地層；圍巖分級(jí)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨向

0　引言

隧道是鐵路、公路和城市軌道交通建設(shè)的重要組成部分，也是解決我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，我國(guó)隧道建設(shè)取得了重大的成就，據(jù)了解，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程已突破11萬km，地鐵運(yùn)營(yíng)里程已突破500km，我國(guó)已是當(dāng)今世界上隧道工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、發(fā)展速度最快的國(guó)家，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展為隧道工程刻畫了廣闊的發(fā)展遠(yuǎn)景。

近年來，我國(guó)在城市軌道交通、山嶺礦山隧道、水下交通隧道、市政隧道的建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)碰到隧道在開挖橫向斷面范圍內(nèi)或開挖縱向方向上穿越兩種或多種物理力學(xué)特征相差很大的地層組合，這種復(fù)雜特殊的地層組合稱為復(fù)合地層[1]，最有代表性的便是上軟下硬地層，即隧道橫斷面上部是屬于第四系的軟弱地層而下部是硬質(zhì)巖石地層或者上部是軟巖而下部是硬巖。隨著我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施、城市化進(jìn)程的加快和隧道工程逐步向深部開發(fā)的必然趨勢(shì)，上軟下硬地層隧道工程將會(huì)越來越普遍。圍巖分級(jí)是隧道工程類比法的前提，精確判斷圍巖級(jí)別是隧道科學(xué)化設(shè)計(jì)、快速化施工的基礎(chǔ)。得到和工程實(shí)際情況相吻合的圍巖分級(jí)不僅對(duì)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改善有著十分必要的意義，而且可以實(shí)現(xiàn)降低工程總造價(jià)和節(jié)能減排的目標(biāo)[2]。

上軟下硬地層是由上部軟弱地層、下部硬巖地層和軟硬地層分界結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的復(fù)雜組合地層系統(tǒng)。分界結(jié)構(gòu)面常常是地下水富集和滲流的通道，地下水能夠引起圍巖軟化劣化、強(qiáng)度降低、層間結(jié)合力變差和滲漏潛蝕等，容易引發(fā)圍巖和掌子面滑移失穩(wěn)；上部軟弱地層常常因?yàn)槁裆钶^淺、圍巖自穩(wěn)能力差，容易引發(fā)圍巖坍塌、大變形和掌子面擠出等工程災(zāi)害；下部硬巖地層常常因爆破開挖，對(duì)上部軟弱圍巖和鄰近既有支護(hù)地?cái)_動(dòng)和破壞較大，容易引起隧道局部掉塊、支護(hù)破壞和坍塌失穩(wěn)。

我國(guó)的隧道工程仍是在圍巖分級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行勘探、設(shè)計(jì)和施工的，圍巖分級(jí)是指根據(jù)巖土體的物理、力學(xué)等指標(biāo)，按隧道開挖后圍巖在無任何支護(hù)條件下的穩(wěn)定性對(duì)圍巖進(jìn)行的分級(jí)。圍巖分級(jí)是對(duì)全部地勘工作的最終綜合評(píng)價(jià)，地勘工作對(duì)隧道工程來講是最基礎(chǔ)性的工作，預(yù)設(shè)計(jì)階段先根據(jù)地勘工作成果進(jìn)行圍巖的基本分級(jí)，再結(jié)合地下水狀態(tài)、初始地應(yīng)力和軟弱結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)因素對(duì)圍巖基本分級(jí)進(jìn)一步地修正，最后得出圍巖詳細(xì)分級(jí)，此圍巖分級(jí)在施工階段依據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)等手段進(jìn)一步補(bǔ)充完善修正后才能得出與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相吻合的圍巖最終分級(jí)[3-4]，據(jù)此對(duì)工程實(shí)際進(jìn)行科學(xué)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用規(guī)模比較普遍的隧道圍巖分級(jí)方法只是針對(duì)單一的土質(zhì)隧道或巖質(zhì)隧道進(jìn)行分級(jí)，并且只是側(cè)重考慮巖石的堅(jiān)硬程度和巖體的完整性程度兩個(gè)基本因素，適當(dāng)?shù)乜紤]地下水和初始地應(yīng)力狀態(tài)等因素對(duì)圍巖分級(jí)進(jìn)行修正，這對(duì)于一般地層較為適用，可是用于上軟下硬地層圍巖分級(jí)時(shí)準(zhǔn)確率偏低，因此，開展上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)方法研究具有重要的實(shí)際意義。而且，開展上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)方法研究能為上軟下硬地層隧道的科學(xué)化設(shè)計(jì)、合理化施工、運(yùn)營(yíng)期間的維護(hù)和災(zāi)害防治提供基礎(chǔ)理論和科學(xué)方法，對(duì)豐富我國(guó)隧道安全管理體系和發(fā)展隧道工程科學(xué)化設(shè)計(jì)、信息化施工有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)意義。

1　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

圍巖分級(jí)實(shí)質(zhì)上決定了作用在隧道初期支護(hù)及二次襯砌上載荷的大小及分布，也是地層能否與結(jié)構(gòu)共同受力的依據(jù)；圍巖分級(jí)是初期支護(hù)及輔助施工措施設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是施工方案設(shè)計(jì)的依據(jù)，它決定施工的安全與質(zhì)量；圍巖分級(jí)決定了工程施工的難易程度、工程施工進(jìn)度并決定了工程的造價(jià)高低；圍巖分級(jí)是二次襯砌參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)，由此決定了隧道運(yùn)營(yíng)的安全與質(zhì)量[4]。所以，圍巖分級(jí)對(duì)實(shí)際工程(特別是一些特殊地層隧道如上軟下硬地層隧道)來說是基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性的工作，是隧道工程勘察、設(shè)計(jì)和施工的基本依據(jù)，也是保障工程施工安全、運(yùn)營(yíng)安全和決定工程造價(jià)的基礎(chǔ)，科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值重大，因此，隧道圍巖分級(jí)成為目前國(guó)內(nèi)外地下工程領(lǐng)域的重要研究方向。

1.1國(guó)外上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)圍巖分級(jí)進(jìn)行了大量的研究，并從定性、定量和定性定量結(jié)合上進(jìn)行了大量的探索和實(shí)踐，取得了很多有意義的研究成果，但在上軟下硬地層隧道方面研究很少且不成體系。在國(guó)外應(yīng)用范圍較廣的圍巖分級(jí)方法有以下幾種[4-14]：

(1)1906年前蘇聯(lián)著名學(xué)者普洛托奇雅柯諾夫提出了基于巖石強(qiáng)度指標(biāo)的巖石堅(jiān)固性系數(shù)分級(jí)法，即普氏分級(jí)法。

(2)1946年太沙基用圍巖在隧道開挖中所形成的壓力拱高度Hp把圍巖分為九級(jí)，每級(jí)圍巖都有一個(gè)相應(yīng)的跟隧道的寬度或高度相關(guān)的巖石荷載值范圍。

(3)1958年H．Lauffer按隧道在開挖后不支護(hù)條件下圍巖的自穩(wěn)時(shí)間將圍巖類別分成7類，并提出隧道可以暫時(shí)穩(wěn)定時(shí)間ts的表達(dá)式。

(4)1963年加拿大科茨初次提出綜合考慮巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整性的巖石分類方法。

(5)1967年美國(guó)伊利諾斯大學(xué)狄爾等人提出了基于巖體完整性的巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD分級(jí)法，將圍巖分為五級(jí)，此項(xiàng)指標(biāo)在其后的許多圍巖穩(wěn)定性分級(jí)中被廣泛采用。

(6)1968年日本巖石力學(xué)委員會(huì)提出了巖石穩(wěn)定性分級(jí)法，之后經(jīng)過長(zhǎng)期研究，形成了根據(jù)彈性波速度進(jìn)行鐵路隧道圍巖分級(jí)的規(guī)范方法，并通過研究掌子面的崩塌狀況，把土質(zhì)圍巖分為粘質(zhì)土和砂質(zhì)土兩種類型圍巖進(jìn)行了分級(jí)。

(7)1972年威克漢姆提出RSR分類法，該分級(jí)方法的評(píng)價(jià)數(shù)是根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)資料分析出來的，有一定的實(shí)用價(jià)值。

(8)1973年南非的比尼威斯基提出了RMR分類方法。

(9)1974年挪威著名學(xué)者巴頓等對(duì)多座隧道實(shí)例進(jìn)行了歸納統(tǒng)計(jì)分析，建立了一種由六項(xiàng)指標(biāo)(包括巖石質(zhì)量、巖體節(jié)理粗糙度、節(jié)理組數(shù)、裂隙水影響因素、節(jié)理蝕變程度、初始地應(yīng)力因素等方面)綜合評(píng)定巖體質(zhì)量Q值的定量分級(jí)方法，不同的Q值分別對(duì)應(yīng)九級(jí)圍巖。

國(guó)外圍巖分級(jí)(類)方法發(fā)展至今，學(xué)者們對(duì)圍巖分類做了大量研究，提出很多具有實(shí)際意義的圍巖分級(jí)(類)方法，任洋[15]按照其考慮指標(biāo)的多少以及組合形式，對(duì)比較有代表性的分級(jí)(類)方法進(jìn)行了整理，如表1。

表1國(guó)外圍巖分類方法一覽表

由表1可知，眾多專家、學(xué)者從不同的出發(fā)點(diǎn)提出了很多圍巖分級(jí)方法，各類分級(jí)方法在指標(biāo)的選取上存在較大差別，但大多數(shù)學(xué)者都把巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整性以及地下水狀態(tài)、軟弱結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力等指標(biāo)當(dāng)作影響圍巖分級(jí)的基本指標(biāo)，這對(duì)一般地質(zhì)條件是適合的，但是對(duì)于上軟下硬地層隧道，其穩(wěn)定性影響因素還包括工程因素，如隧道形狀、開挖工法、掘進(jìn)尺寸等，現(xiàn)有的圍巖分級(jí)中并沒有體現(xiàn)。現(xiàn)對(duì)近年來對(duì)我國(guó)影響較大的兩種國(guó)外圍巖分級(jí)方法進(jìn)行介紹：

(1)Q系統(tǒng)簡(jiǎn)介

巴頓( Nick.Barton)等人在1974年建立了基于綜合因素(巖體完整性，節(jié)理特性，地下水狀態(tài)和地應(yīng)力影響等)的巖體質(zhì)量Q分級(jí)法，如式(1)。

(1)

式中：RQD—巖體質(zhì)量指標(biāo)，Jn—節(jié)理組數(shù)，Jr—節(jié)理粗糙度，Ja—節(jié)理蝕變系數(shù)，Jw—節(jié)理水折減系數(shù)，SRF—應(yīng)力折減系數(shù)。

當(dāng)前， Q分類系統(tǒng)在我國(guó)各類地下洞室的修建得到了廣泛應(yīng)用，但還存在以下4方面的問題[16]：

①?zèng)]有把巖體結(jié)構(gòu)面的最不利組合情況考慮進(jìn)去；

②沒有把巖石的堅(jiān)硬強(qiáng)度考慮進(jìn)去，只是用應(yīng)力折減系數(shù)來代替巖石的堅(jiān)硬強(qiáng)度；

③尚有很多問題需要摸索，比如巖爆烈度等級(jí)與圍巖類別的關(guān)系等還不知曉；

④體系不健全，沒有考慮外界環(huán)境的影響，也沒有考慮工程因素的影響，故不適用于特殊地質(zhì)條件如上軟下硬地層隧道的圍巖分級(jí)。

(2)RMR分類簡(jiǎn)介

RMR分類是由Bieniawski在1973年提出，1989年發(fā)表于《工程巖體分類》一書中[17]。RMR分類方法由巖石堅(jiān)硬強(qiáng)度、巖體質(zhì)量指標(biāo)值等5類參數(shù)綜合組成[18]，見表2。

由5個(gè)參數(shù)計(jì)算出來的RMR值變化范圍為0～100，據(jù)此把巖體分為5個(gè)級(jí)別，同時(shí)RMR分類還給出了巖體級(jí)別與地下硐室開挖后在不支護(hù)條件下圍巖的自穩(wěn)時(shí)間和巖體強(qiáng)度指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表3。

表2　RMR分類參數(shù)分類

表3　不支護(hù)地下開挖的自穩(wěn)時(shí)間和巖體強(qiáng)度指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2國(guó)內(nèi)上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)研究現(xiàn)狀

1949年以前，由于對(duì)隧道工程和地質(zhì)條件的關(guān)系認(rèn)識(shí)不充分，再加上缺乏有效的地質(zhì)勘查手段，我國(guó)并沒有明確的圍巖分級(jí)方法。因此，在1949年以前修建的隧道，基本上是引用英國(guó)等國(guó)家的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如眾所周知的太沙基圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1950年初，通過向蘇聯(lián)學(xué)習(xí)，圍巖分級(jí)方法在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，其中應(yīng)用最多的就是在礦山系統(tǒng)中的普氏分級(jí)方法。到了20世紀(jì)70年代初，我國(guó)各部門做了大量的科學(xué)試驗(yàn)研究，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了許多具體的、結(jié)合各個(gè)行業(yè)特征的圍巖分級(jí)方法,但發(fā)現(xiàn)主流的圍巖分級(jí)仍是基于一種均質(zhì)地層進(jìn)行的，應(yīng)用于上軟下硬地層隧道時(shí)如按硬質(zhì)地層分級(jí)則不安全，若按軟質(zhì)地層分級(jí)則造成浪費(fèi)。目前國(guó)內(nèi)主要有如下幾種分級(jí)方法[19-22]：

(1)1975年鐵道部出版的《鐵路工程技術(shù)規(guī)范·第3篇-隧道》，建立了以隧道穩(wěn)定性為依據(jù)的鐵路隧道圍巖分級(jí)方法，使我國(guó)的隧道圍巖分級(jí)方法與國(guó)際上通用的分級(jí)方法越來越接近，并推動(dòng)了我國(guó)水電、公路等部門地下工程圍巖分級(jí)方法的形成。

(2)1995年我國(guó)頒布了《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)( GB50218-1994)》，標(biāo)示著我國(guó)在巖體工程領(lǐng)域建立了第一部基準(zhǔn)性規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)采取定性劃分與指標(biāo)計(jì)算的定量劃分相結(jié)合的方法對(duì)工程巖體進(jìn)行分級(jí)。巖體的基本質(zhì)量由巖石堅(jiān)硬強(qiáng)度和巖體完整性兩個(gè)基本指標(biāo)確定，修正指標(biāo)主要包括地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面和初始地應(yīng)力狀態(tài)。

(3)2004年頒布的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范( JTG D70-2004)》中的巖質(zhì)圍巖分級(jí)引用了《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)( GB50218-1994)》的成果，土質(zhì)圍巖分級(jí)引用了鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)內(nèi)容。

(4)2005年頒布的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(TB 10003-2005)》中的隧道圍巖分級(jí)方法，形成了一個(gè)從勘測(cè)設(shè)計(jì)到施工的完整的、系統(tǒng)的體系。

(5)2010年頒布的《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則( JTG/ T D70-2010)》采用定性特征劃分和定量指標(biāo)劃分相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合評(píng)判，將隧道圍巖分為巖質(zhì)圍巖和土質(zhì)圍巖，分別進(jìn)行了分級(jí)和亞級(jí)的劃分，并形成了一個(gè)從勘測(cè)設(shè)計(jì)到施工的完整的、系統(tǒng)的體系，代表了當(dāng)時(shí)我國(guó)公路隧道圍巖分級(jí)研究的最新水平。

除此之外，在20世紀(jì)80～90年代間，我國(guó)的很多專家、著名學(xué)者對(duì)隧道工程的圍巖分級(jí)做出了重要貢獻(xiàn)，比如：谷德振、黃鼎成(1979)的 Z 分級(jí)；邢念信(1979，1984)的坑道工程圍巖分級(jí)；楊子文(1982，1984)的 M 分級(jí)；王石春等人(1980，1985)的 RMQ 分級(jí)；曹永成，杜伯輝(1995)基于 RMR 體系修改的 CSMR 法等[23-25]。

近年來，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展使得一些數(shù)學(xué)理論方法應(yīng)用到隧道圍巖分級(jí)中，如數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)等。我國(guó)的何發(fā)亮、劉寶許、劉大剛、徐燕、王玉鎖、陳巖、吳波等分別應(yīng)用一些新的理論和方法對(duì)圍巖分級(jí)進(jìn)行了專門研究。這些方法有模糊數(shù)學(xué)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、可拓學(xué)理論、層次分析理論、支持向量機(jī)理論、專家系統(tǒng)、灰色理論、分形理論等，可見隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，針對(duì)一些特殊地層如上軟下硬地層的圍巖分級(jí)擬將慢慢完善。

通過以上對(duì)圍巖分級(jí)發(fā)展史的介紹可以得知我國(guó)各個(gè)行業(yè)、部門所用的圍巖分級(jí)方法，基本上是經(jīng)歷了從單一指標(biāo)到多重指標(biāo)，從定性描述到定性和定量相結(jié)合的過程。對(duì)目前有代表性的考慮多因素綜合指標(biāo)的圍巖分級(jí)方法進(jìn)行歸納總結(jié)，如表4所示。

由表4可知，國(guó)內(nèi)隧道圍巖分類(級(jí))方法隨著時(shí)間的前進(jìn)正在漸漸完善，并且逐步與國(guó)際接軌，在影響圍巖級(jí)別高低的指標(biāo)上也主要考慮巖石的堅(jiān)硬程度、巖體完整性兩個(gè)基本指標(biāo)和地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面與初始地應(yīng)力狀態(tài)等修正指標(biāo)，但是主流的圍巖分級(jí)還需完善，需進(jìn)一步考慮環(huán)境因素、工程因素等的影響，建立考慮多種特殊地層如上軟下硬地層的圍巖分級(jí)方法?，F(xiàn)對(duì)公路隧道圍巖分級(jí)BQ法作以下簡(jiǎn)要介紹：

表4國(guó)內(nèi)主要圍巖分類方法一覽表

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)圍巖分級(jí)BQ法遵循《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)，采取定性初步劃分與定量因素相結(jié)合的圍巖分級(jí)方法。BQ法按兩步進(jìn)行分級(jí)，首先根據(jù)巖石得堅(jiān)硬程度和巖體完整性的計(jì)算進(jìn)行初步分級(jí)，然后按修正公式對(duì)初步的到的BQ值再進(jìn)行修正。BQ分級(jí)法用巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc來表征巖石的堅(jiān)硬程度，用巖體完整性系數(shù)Kv表征巖體完整程度。BQ值計(jì)算公式見式(2)。

BQ=90+3Rc+250Kv

(2)

式中：Rc—采用實(shí)測(cè)的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)IS(50)的換算值。

Rc按式(3)計(jì)算：

(3)

Kv值一般用彈性波探測(cè)值以式(4)計(jì)算：

Kv=(Vpm/Vpr)2

(4)

式中：Vpm—巖體巖石的彈性縱波速度(km/s)，Vpr—巖石的彈性縱波速度(km/s)。

圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]按式(5)計(jì)算：

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(5)

式中：K1—地下水影響修正系數(shù)；K2—主要軟弱結(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)。

由式(5)可知公路隧道圍巖分級(jí)BQ法是相對(duì)簡(jiǎn)單的定量分級(jí)方法，其考慮的影響因素均是地質(zhì)因素，沒有考慮隧道形狀、埋深等工程因素，所以不適用于上軟下硬地層。

2　目前存在的主要問題與發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)如今，越來越多的上軟下硬地層隧道在修建，以往所用的圍巖分級(jí)方法在實(shí)際應(yīng)用過程中都會(huì)顯現(xiàn)出一些缺陷和不足，具體表現(xiàn)如下：

第一，沒有建立專門的上軟下硬復(fù)合地層隧道圍巖分級(jí)方面的研究體系。

第二，分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)研究成果可知，國(guó)內(nèi)外教育工作者重點(diǎn)圍繞單一土質(zhì)隧道或巖質(zhì)隧道的圍巖分級(jí)開展了大量深入的研究，但是圍巖的穩(wěn)定性受地質(zhì)因素和工程因素的綜合影響，而現(xiàn)行的圍巖分級(jí)指標(biāo)主要是基于地質(zhì)因素卻沒有較好地考慮工程因素(如隧道埋深、跨度等)的影響，然則正是這些因素對(duì)隧道開挖后地應(yīng)力的重分布有著重要的影響，因而使與實(shí)際工程相吻合的圍巖分級(jí)偏離了路線。

第三，將一定跨度隧道在無支護(hù)情況下隧道自穩(wěn)時(shí)間作為圍巖自穩(wěn)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要考慮了洞身的穩(wěn)定性和開挖平面效應(yīng)，沒有較好考慮掌子面的穩(wěn)定性和開挖空間效應(yīng)，沒有考慮地質(zhì)因素與工程因素共同作用下對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。

綜上所述，從國(guó)內(nèi)外隧道圍巖分級(jí)的發(fā)展史來看，主要有如下發(fā)展趨向[6,26]：

(1)建立適合于各種特殊地層的隧道圍巖分級(jí)方面的研究體系，如上軟下硬復(fù)合地層。方法是基于最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB50218-2014)》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從圍巖穩(wěn)定性出發(fā)，建立完善的考慮地質(zhì)因素和工程因素的上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)指標(biāo)體系，然后建立上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最后建立上軟下硬地層隧道圍巖量化分級(jí)模型和方法。

(2)圍巖分級(jí)主要以隧道穩(wěn)定性為依據(jù)，圍巖分級(jí)方法隨地質(zhì)勘察方法的進(jìn)步而快速發(fā)展，并逐步向多因素的綜合指標(biāo)法分級(jí)演變。

(3)從考慮單一或少數(shù)因素的定性分級(jí)逐漸過渡到考慮多種因素的半定性、半定量相結(jié)合的分級(jí)，現(xiàn)逐步過渡到定分級(jí)，圍巖分級(jí)將與數(shù)學(xué)理論、巖體力學(xué)的發(fā)展密切相連。

(4)上軟下硬地層圍巖分級(jí)方法與隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)化、施工快速化的聯(lián)系越來越密切，我國(guó)隧道圍巖分級(jí)方法主要是分兩步走：首先以分級(jí)基本指標(biāo)(巖石堅(jiān)硬強(qiáng)度、巖體完整性)進(jìn)行初步分級(jí)；然后用修正指標(biāo)(地下水、初始地應(yīng)力狀態(tài)等)對(duì)初步分級(jí)結(jié)果進(jìn)行修正，最終得到修正后的圍巖級(jí)別。

(5) 上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)的發(fā)展與數(shù)學(xué)理論及計(jì)算機(jī)得發(fā)展相結(jié)合，引入如模糊理論[27]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、可拓學(xué)理論、層次分析理論、支持向量機(jī)理論、灰色預(yù)測(cè)、分形幾何等非線性理論。利用快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)圍巖分級(jí)的智能化判別是未來的必然趨勢(shì)。

3　結(jié)語

本文針對(duì)上軟下硬地層隧道的圍巖分級(jí)方法研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，主要得出如下結(jié)論：首先，目前國(guó)內(nèi)外主流的圍巖分級(jí)方法只是針對(duì)單一均質(zhì)地層進(jìn)行分級(jí)，并不適用于上軟下硬地層，而且分級(jí)指標(biāo)只是考慮了地質(zhì)因素，沒有考慮外界環(huán)境以及工程因素的影響；其次，隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，一些數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到圍巖分級(jí)中，使得圍巖分級(jí)方法逐步趨于完善，并建立上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)體系。最后，提出的上軟下硬地層隧道圍巖分級(jí)方法的研究思路，即從圍巖穩(wěn)定性出發(fā)，建立含有多因素的分級(jí)指標(biāo)體系—建立分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)—建立量化分級(jí)模型和方法。

[1]劉棟.復(fù)合地層中土壓盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[2]許才仗.復(fù)雜地層大斷面隧道圍巖分級(jí)研究及施工參數(shù)優(yōu)化[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[3]關(guān)寶樹.國(guó)內(nèi)外隧道圍巖分類的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].隧道譯叢，1972.

[4]王明年，李玉文.公路隧道圍巖亞級(jí)分級(jí)方法[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2008.

[5]關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社，2003.

[6]沈中其，關(guān)寶樹.鐵路隧道圍巖分級(jí)方法[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2000.

[7]丁亮.隧道圍巖分類方法綜述[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，4(4)：73-75.

[8]劉大剛.公路隧道施工階段巖體圍巖亞級(jí)分級(jí)研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2007.

[9]TerzaghiK.RockTunnelingwithSuPPorts，1946.

[10]Terzaghi K.Rock defests and loads on tunnel supports.Rock tunneling with steel support，1946：15-90.

[11]Deere，D.U.etal.Design of Surface and Near-Surface Constructions in Rock，《Failure and Breakage of Rock》，AIMMPE，1967.

[12]Wickham.Handbook on Mechanical Properties of Rocks， Publication Trans Tech，1978.

[13]Bieniawski，Z.T.Estimating the Strength of Rock Materials，J.S.Afr.Inst.Min.Metall，Vol.74.p.312-320.

[14]Barton，N.etal.Recent Experiences With the Q-System of Tunnel Support Design，Proc.Symp.On Exploration for Rock Eng.Johannesburg Vol.1，AA.Balkema p.107-117.

[15]任洋.高地應(yīng)力公路隧道施工階段圍巖分級(jí)方法研究及應(yīng)用[D].成都：成都理工大學(xué)，2009.

[16]王廣德.復(fù)雜條件下圍巖分類研究—以錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞圍巖分類為例[D].成都：成都理工大學(xué),2006.

[17]胡志耀.公路隧道圍巖分級(jí)指標(biāo)研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學(xué)，2013.

[18]苗立.基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論在地下工程中力學(xué)性質(zhì)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué)，2009.

[19]GB 50218-1994 工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1995.

[20]JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[21]TB 10003-2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵路出版社，2005.

[22]JTG/T D70-2010 公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京：人民交通出版社，2010.

[23]林韻梅.巖石分級(jí)的理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[24]何發(fā)亮，王石春.鐵路隧道圍巖分級(jí)方法研究及發(fā)展[J].鐵道工程學(xué)，2005.12：392-397.

[25]蔡美峰.巖石力學(xué)與工程[M].北京:科學(xué)出版社，2000.

[26]王明年，何林生.建立公路隧道施工階段圍巖分級(jí)的思考[J].廣東公路交通，1998，(54)：125-127.

[27]楊小永，伍法權(quán)，蘇生瑞.公路隧道圍巖模糊信息分類的專家系統(tǒng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(1)：100-105.

Review of Research on Classification Method of Surrounding Rock of Upper Soft and Lower Hard Stratum Tunnel

WANGMingtao1LIJing1,2WUBo1,3

(1.Fujian university of technology, college of civil engineering, Fuzhou 350118;2.College of Environment and Resoures,Fuzhou University,Fuzhou 350118;3.Fujian Provincial Key Laboratory for Advanced Technology and Informatization of Civil Engineering, Fuzhou 350118)

As China's urbanization process speeding up and the tunnel engineering gradually to deep development inevitable trend, upper soft and lower hard stratum tunnel engineering will be more and more common.Classification of surrounding rock is not only the basic basis of engineering investigation, design, construction in upper soft and lower hard stratum tunnel, but also the basic of ensuring the safety of engineering construction and operation, it is not only the basic work but also the key work for the tunnel engineering.On the basis of a comprehensive understanding of the concept of classification of surrounding rock,in order to achieve the purpose of describing the research status of classification method of surrounding rock of upper soft and lower hard stratum tunnel at present from the history of the development of domestic and international classification of surrounding rock, by means of narrating three foreign methods of classification of surrounding rock at present commonly used in domestic: Q system and RMR classification, as well as the method of surrounding rock classification of surrounding rock in the field of highway, namely the surrounding rock classification of highway tunnel BQ.It not only points Some of the problems existing in the study of classification of surrounding rock that special system of research on classification method of surrounding rock of upper soft and lower hard stratum tunnel has not been established in the current study, but also points out the development trend of surrounding rock classification in the future, in the end.

Upper soft and lower hard stratum; Classification of surrounding rock; Research status; Development trend

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478118)，福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014J01170)，城市地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理及信息系統(tǒng)研究與開發(fā)

王鳴濤(1989.03-)，男，碩士研究生。

E-mail:961953882@qq.com

2016-03-14

U45

A

1004-6135(2016)06-0077-06