朱加名

（云南交投集團(tuán)云嶺建設(shè)有限公司，昆明 650041）

圍巖的級(jí)別劃分是對(duì)巖體最基本的判斷或認(rèn)識(shí)，是設(shè)計(jì)地下結(jié)構(gòu)隧道支護(hù)形式的主要依據(jù)，是判別隧道開挖后穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。圍巖級(jí)別的劃分有定性判別和定量判別2種，一般是依據(jù)感官或簡(jiǎn)單工具式的方法作出初略的估計(jì)即為定性的判別，然后依據(jù)需要測(cè)出詳盡的強(qiáng)度和完整程度數(shù)據(jù)，采用參數(shù)計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)來(lái)準(zhǔn)確地判斷圍巖級(jí)別作為定性方法。

圍巖級(jí)別的劃分具有很強(qiáng)的主觀性，特別是與定性方法中采用的感官指標(biāo)與操作人員的經(jīng)驗(yàn)及鑒別能力關(guān)系較大。定量判斷則采用指標(biāo)計(jì)算的方法，有一定的客觀性，但在選擇測(cè)試指標(biāo)的巖體或巖石也具有很大的隨意性，采取巖樣的代表性直接決定了辨別結(jié)果。因此圍巖級(jí)別的判定在實(shí)際操作中仍需要一些更為具體詳細(xì)的操作準(zhǔn)則。

圍巖或基巖的級(jí)別判定在不同的行業(yè)、不同的規(guī)范有不同的規(guī)定，但其級(jí)別的劃分均遵循最基本的巖體強(qiáng)度和完整程度這2個(gè)指標(biāo)。輔助的修正指標(biāo)則應(yīng)依據(jù)具體的對(duì)象或應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)初步定出的指標(biāo)進(jìn)行修正，一般的指標(biāo)是地下水、巖層結(jié)構(gòu)面及地應(yīng)力等。圍巖級(jí)別的判定與具體的使用場(chǎng)景或需求有直接關(guān)系，例如在邊坡中則主要用于研究邊坡穩(wěn)定性，修正指標(biāo)與巖層產(chǎn)狀關(guān)系較為密切，其次地下水也是影響邊坡穩(wěn)定的重要指標(biāo)。在確定地基承載力時(shí)側(cè)重于巖石的基本指標(biāo)，強(qiáng)度和完整性是關(guān)鍵因素，其他因素影響極小。對(duì)于地下洞室結(jié)構(gòu)除了基本指標(biāo)外，修正指標(biāo)也是影響穩(wěn)定的重要因素，特別是隧道施工采用了新奧法，開挖后釋放圍巖應(yīng)力還要充分利用圍巖的承載能力。隧道圍巖判別指標(biāo)應(yīng)充分考慮時(shí)間效應(yīng)，特別是對(duì)于不良地質(zhì)和特殊巖土，將相應(yīng)的特殊指標(biāo)納入圍巖判別是有必要的。

1 圍巖級(jí)別劃分的定性方法

圍巖級(jí)別劃分的最基本依據(jù)是GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)給出了原則性的規(guī)定，是其他相關(guān)規(guī)范的母標(biāo)準(zhǔn)。其對(duì)圍巖級(jí)別定性的判別方法主要依據(jù)了強(qiáng)度和完整性2個(gè)指標(biāo)。

其中強(qiáng)度指標(biāo)采用了感官的判斷方法總計(jì)5個(gè)級(jí)別。對(duì)于硬質(zhì)巖石通過(guò)小錘或榔頭敲擊判別聲音是否清脆，手感是否回彈、震手，對(duì)于敲碎的難易程度有直觀地判別，另外采用水浸泡觀察吸水情況。用這種直接的感官判斷是堅(jiān)硬巖還是較堅(jiān)硬巖，判別的指標(biāo)較為明確，但該種方法需要有一定的工程經(jīng)驗(yàn)，特別是依賴工程地質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)巖石有一定的認(rèn)識(shí)。比如對(duì)未風(fēng)化或微風(fēng)化的花崗巖、輝綠巖、玄武巖和石英巖等應(yīng)判斷為堅(jiān)硬巖，并通過(guò)感官對(duì)這類巖石產(chǎn)生直覺(jué)上的經(jīng)驗(yàn)，類似的對(duì)于石灰?guī)r、大理巖、白云巖和凝灰?guī)r等常見的較堅(jiān)硬巖石有感官判別。強(qiáng)度的另一個(gè)大類分級(jí)為軟質(zhì)巖，其感官的判別方式仍然是敲擊和浸水，判斷的指標(biāo)程度則與硬質(zhì)巖有根本區(qū)別。通過(guò)敲擊后的凹痕、擊碎難易程度，以及浸水后能用指甲劃出印痕或是可以用手掰開、捏成團(tuán)來(lái)區(qū)分為較軟巖、軟巖和極軟巖。軟質(zhì)巖3個(gè)等級(jí)的判斷較為直觀，有工程對(duì)比則更容易判別。

為了能夠具有更強(qiáng)的操作性，具體實(shí)踐工作中完全可以采集5個(gè)級(jí)別的巖樣，首先通過(guò)直觀判斷出堅(jiān)硬巖或軟質(zhì)巖2個(gè)大類，隨后采用統(tǒng)一的小錘和水質(zhì)，直接在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)敲擊和浸水觀察，對(duì)比測(cè)試對(duì)象與巖樣的直觀感受來(lái)判斷測(cè)試巖石與試樣的差異。這種方法可以很大程度避免測(cè)試人員經(jīng)驗(yàn)不足和隨意性，對(duì)測(cè)試準(zhǔn)確性有一定的保證，同時(shí)相應(yīng)巖樣通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的定性鑒別并大量制作，是一種高效低成本的方法，對(duì)于圍巖變化復(fù)雜需要隨時(shí)鑒別的情況具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

完整程度指標(biāo)的判斷則需要借助簡(jiǎn)單的測(cè)量工具，總共劃分5個(gè)級(jí)別指標(biāo)。判別劃分的依據(jù)則是4個(gè)基本指標(biāo)：結(jié)構(gòu)面類型、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度。首先從感官上可以分辨結(jié)構(gòu)面類型屬于節(jié)理、裂隙、層面或是斷層；然后判斷結(jié)構(gòu)面之間的結(jié)合程度，通常在掌子面開挖后可以直觀地通過(guò)分開結(jié)構(gòu)面的難易程度判斷結(jié)合的好壞；結(jié)構(gòu)類型則是隧洞開挖后依據(jù)洞渣的塊狀大小來(lái)劃分。結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度則需要借助測(cè)量工具計(jì)算結(jié)構(gòu)面的數(shù)量和間距來(lái)判斷。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)列表和工程經(jīng)驗(yàn)可以大概判斷完整程度。判別過(guò)程也應(yīng)按照大指標(biāo)為完整分出2類，大指標(biāo)為破碎分出3類。

完整程度最根本的方法是確定體積節(jié)理數(shù)然后按照單位體積的節(jié)理數(shù)量查規(guī)范對(duì)應(yīng)的完整程度系數(shù)。對(duì)于未開挖或完全揭露的巖體往往只有1個(gè)臨空面，其余5個(gè)面都是未知的，難于用規(guī)范的方法采用肉眼計(jì)數(shù)來(lái)準(zhǔn)確獲得節(jié)理數(shù)。完整程度與破碎是1組相對(duì)立的指標(biāo)，可以依據(jù)開挖后每立方米碎裂巖塊數(shù)量來(lái)判斷相應(yīng)的破碎程度，或者通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析開挖后的每立方米碎裂巖塊數(shù)量建立與體積節(jié)理數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系或經(jīng)驗(yàn)公式。這種方法可以在施工過(guò)程中完全通過(guò)掌子面開挖相應(yīng)體積的巖體，然后通過(guò)計(jì)算碎裂成獨(dú)立巖石的數(shù)量來(lái)判斷相應(yīng)的完整程度，這需要建立相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。同時(shí)也可以將掌子面開挖出的一小部分巖體全部計(jì)數(shù)拋入水箱或水桶統(tǒng)計(jì)一定體積的碎裂數(shù)量。在這種操作中應(yīng)建立一定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于不同強(qiáng)度等級(jí)的巖石碎塊的最小體積應(yīng)有所限制，避免隨機(jī)的碎屑對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

通過(guò)觀感定性判別出強(qiáng)度的5個(gè)級(jí)別和完成程度的5個(gè)級(jí)別，然后將強(qiáng)度和完成程度分別橫列、縱列排序（強(qiáng)度作為橫坐標(biāo)、完整程度作為縱坐標(biāo)）依據(jù)2個(gè)指標(biāo)的組合定性劃分為I～V級(jí)圍巖見表1。

表1 隧道圍巖級(jí)別定性劃分

2 圍巖級(jí)別劃分的定量方法

圍巖級(jí)別的定量劃分仍是依據(jù)強(qiáng)度和完整程度按照數(shù)值計(jì)算指標(biāo)來(lái)劃分，強(qiáng)度采用的是巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，這在一般的具備萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)工地實(shí)驗(yàn)室均可以得到。但巖樣的采集和制備有困難，特別對(duì)于破碎的巖體，既要巖樣具有代表性又要具備必要的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，有時(shí)難以取得，且得到試樣較少而代價(jià)較大，難以大規(guī)模地應(yīng)用。另一種簡(jiǎn)單的方式則是通過(guò)點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果換算得到飽和單軸抗壓強(qiáng)度。點(diǎn)荷載試驗(yàn)則依據(jù)GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]執(zhí)行，點(diǎn)荷載試驗(yàn)可以采用簡(jiǎn)單儀器在現(xiàn)場(chǎng)廣泛試驗(yàn)，通過(guò)增加較多的試驗(yàn)結(jié)果，使其在統(tǒng)計(jì)意義上具有普遍的代表性。

在規(guī)范中完整程度指標(biāo)是巖體與巖石的彈性縱波速度比值的平方，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)測(cè)試巖體和巖石的波速即可得到這個(gè)指標(biāo)。但測(cè)試波速難度較大，特別是對(duì)于巖石波速，其代表性巖樣的選擇或是測(cè)試中都會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。巖石指的是完整的巖塊，其大小不一，波速測(cè)試難度較大，為達(dá)到具備代表性，需要較多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。巖體則是整個(gè)隧道掌子面前方所有巖石，包含了所有的節(jié)理或裂縫，測(cè)試巖體波速相對(duì)較容易且具有代表性。

通過(guò)上述試驗(yàn)方法得到圍巖飽和抗壓強(qiáng)度和完整性指標(biāo)后，即可通過(guò)相關(guān)研究[1]中的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式BQ=100+3R+250Kv，得出巖體基本質(zhì)量指標(biāo)，式中：R為巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度，Kv為巖體完整性指標(biāo)。得出指標(biāo)后可依據(jù)BQ值所處的區(qū)間通過(guò)規(guī)范查表得出初步的圍巖等級(jí)。這是較初略的定性方法，為得到更為準(zhǔn)確的判斷指標(biāo)，初始的BQ值還應(yīng)依據(jù)工程所處的地下水影響、主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和圍巖應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行修正得到最終的BQ值，再次查表得到圍巖級(jí)別。定量判斷方法相對(duì)比較準(zhǔn)確，僅在BQ值的區(qū)間邊界處可能存在爭(zhēng)議，這時(shí)結(jié)合定性的方法均能對(duì)圍巖級(jí)別有準(zhǔn)確的劃分。

3 公路與鐵路隧道圍巖級(jí)別判定的異同

JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 建工程》[3]對(duì)隧道圍巖分級(jí)的方法與巖體分級(jí)方法標(biāo)準(zhǔn)在原則上是完全一致的，不同在于公路隧道考慮到圍巖并非巖體的情況，且將總的圍巖級(jí)別數(shù)量增加到6個(gè)級(jí)別。針對(duì)土體將壓密或密實(shí)的黏性土、砂土，地質(zhì)年代為Q1、Q2的黃土，鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的碎石土，卵石土歸類于IV級(jí)圍巖。將第四系的半干硬至硬塑的黏性土，稍濕至潮濕的碎石土、卵石、礫石土及一些松軟結(jié)構(gòu)的土體歸類為V級(jí)圍巖。另外新增加了VI級(jí)圍巖，其包含的范圍是軟塑狀黏性土、潮濕或飽和粉細(xì)砂、軟土等。

TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]對(duì)圍巖分級(jí)方法主要判別指標(biāo)與前述在原則上一致，但在整個(gè)分類方法體系和細(xì)化方式上有所不同。隧道圍巖級(jí)別劃分為6類，依據(jù)定性（感官指標(biāo)）或初步的BQ值劃定圍巖基本等級(jí)后，即便是定性判斷方法得出的結(jié)論也可直接依據(jù)地下水的出水狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)直接對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行調(diào)整。地下水的出水狀態(tài)對(duì)III～V級(jí)的影響較大，越差的圍巖影響越顯著，地應(yīng)力的影響也是類似的調(diào)整方法。另外鐵路規(guī)范中提出1種圍巖亞分級(jí)的概念，其針對(duì)的是III～V級(jí)圍巖，將1個(gè)級(jí)別再細(xì)分為帶下標(biāo)的2個(gè)級(jí)別。例如將III級(jí)圍巖細(xì)化為III1級(jí)和III2級(jí)，依據(jù)是直接將BQ值原來(lái)屬于III級(jí)的區(qū)間劃分為2個(gè)區(qū)間。定性判別時(shí)工程地質(zhì)特征描述就需要更加細(xì)化，在規(guī)范中除了強(qiáng)度、完整程度的組合外還將結(jié)構(gòu)面的發(fā)育和結(jié)合情況用于判別，實(shí)際應(yīng)用中感官判斷本就因人而異，有很強(qiáng)的主觀性，因此亞分級(jí)的描述指標(biāo)雖然更為細(xì)化，但邊界判斷不準(zhǔn)，或難以區(qū)分感官指標(biāo)的細(xì)微差距，實(shí)際應(yīng)用中不便于操作。在鐵路隧道中將不同巖石的巖性類型劃分為A、B、C、D和E 5個(gè)大類，其依據(jù)主要取決于巖石的種類，比如花崗巖、輝綠巖、玄武巖和石英巖為A類；石灰?guī)r、白云巖等碳酸巖為B類；大理巖、板巖和砂巖為C類。通過(guò)類別和圍巖彈性縱波速的區(qū)間直接劃定圍巖級(jí)別，實(shí)際巖石類型反映的是巖石強(qiáng)度特性，而波速可以在一定程度上反映出巖體的完整程度，在大原則上這與巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的2個(gè)指標(biāo)是一致的，僅是指標(biāo)差異和精度的差異。

鐵路隧道中將定性判斷的圍巖級(jí)別直接通過(guò)圍巖產(chǎn)狀、地下水單一影響指標(biāo)調(diào)整，這種方式較難反映多因數(shù)共同影響的結(jié)果。另外在前述討論中還提到定性判斷的主觀性較強(qiáng)，其圍巖調(diào)整也可能依據(jù)不充分。同時(shí)在其他規(guī)范中均無(wú)這種做法。通過(guò)定量計(jì)算BQ值后再通過(guò)修正指標(biāo)判斷圍巖級(jí)別可以綜合考慮各因素的影響，更具實(shí)用性。另外鐵路隧道亞分級(jí)的概念主要還是界限的劃分方式不同，對(duì)于III～V級(jí)圍巖更加細(xì)致，對(duì)于支護(hù)類型的選擇或施工中安全控制有更為直觀的指標(biāo)。但亞分級(jí)的指標(biāo)并未應(yīng)用在隧道圍巖壓力的計(jì)算中。目前隧道荷載通過(guò)圍巖級(jí)別作為計(jì)算參數(shù)得到的結(jié)果是臺(tái)階形的而非線性。在積累大量的施工測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上可以建立BQ指標(biāo)與隧道圍巖的對(duì)應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式，這可更為準(zhǔn)確地改善目前規(guī)范中隧道荷載的計(jì)算方法。

4 圍巖級(jí)別修正的其他指標(biāo)

圍巖級(jí)別劃分總原則是強(qiáng)度和完整性，另外是否可參考一些工程措施后的宏觀指標(biāo)特性對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行修正有待商榷。特別是圍巖開挖后的穩(wěn)定時(shí)間或穩(wěn)定狀態(tài)，在公路、鐵路隧道規(guī)范中提出了不同級(jí)別圍巖在開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)，是否可以依據(jù)圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)判別隧道的圍巖級(jí)別并沒(méi)有明確。研究發(fā)現(xiàn)隧道施工過(guò)程中的穩(wěn)定性是圍巖級(jí)別的直接表達(dá)，可以依據(jù)隧道開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)隧道圍巖進(jìn)行相應(yīng)修正，或者對(duì)BQ指標(biāo)進(jìn)行修正。在施工過(guò)程中這種相互印證具有廣泛的工程實(shí)例或經(jīng)驗(yàn)，隧道施工過(guò)程中積累了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。特別是隧道變形（拱頂沉降、周邊收斂）伴隨整個(gè)隧道的施工過(guò)程。隧道施工過(guò)程中預(yù)留變形量具有極大的不確定性，預(yù)留變形量過(guò)大則造成后期二襯的混凝土工程量增加，預(yù)留變形量不足則造成二襯厚度不足或侵入隧道建筑限界，造成換拱等嚴(yán)重后果。如將隧道變形的測(cè)量統(tǒng)計(jì)納入到BQ值的修正中，則可從宏觀的隧道穩(wěn)定性及測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析中及時(shí)對(duì)隧道圍巖等級(jí)進(jìn)行調(diào)整，從而影響相應(yīng)的設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，施工方法也做動(dòng)態(tài)調(diào)整。比如按照指標(biāo)判斷出圍巖為V級(jí)，但開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到了IV級(jí)的指標(biāo)，相應(yīng)的變形量測(cè)數(shù)據(jù)均與IV級(jí)圍巖相似，將相應(yīng)的圍巖級(jí)別調(diào)低是具有充分依據(jù)且能保證安全的，從而節(jié)約工程建造成本。反之較低的圍巖級(jí)別通過(guò)施工后，相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)都超越了本級(jí)的特征值則應(yīng)調(diào)高BQ值和隧道圍巖級(jí)別，從而加強(qiáng)隧道支護(hù)形式以保證施工安全。其次開挖后的圍巖變形量隨時(shí)間發(fā)展的關(guān)系也應(yīng)納入到圍巖級(jí)別的修正中。在施工中監(jiān)控量測(cè)積累了圍巖大量隨時(shí)間變形的數(shù)據(jù)，特別是隧道開挖后至初支到二襯澆筑各個(gè)施工階段都對(duì)隧道的拱頂沉降、周邊收斂積累了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。隧道變形隨時(shí)間的關(guān)系曲線在一定程度上可以反映圍巖在應(yīng)力釋放中的承載力變化，或是用于預(yù)判圍巖穩(wěn)定隨時(shí)間的變化，對(duì)指導(dǎo)施工具有實(shí)際意義。另外施工方法的適應(yīng)性也直接與隧道圍巖相匹配，比如一般的IV級(jí)圍巖下采用三臺(tái)階施工方法，在某個(gè)段落按照相同的進(jìn)尺和安全步距，卻不能保證隧道正常施工，則需相應(yīng)修正BQ值。這種依據(jù)隧道施工情況對(duì)隧道圍巖級(jí)別的修正對(duì)于隧道設(shè)計(jì)或施工都具有重要意義，值得在今后繼續(xù)研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

隧道圍巖分級(jí)依據(jù)強(qiáng)度和完整性2個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行定性和定量判別得出初步的圍巖級(jí)別。然后依據(jù)地下水、圍巖應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)面等對(duì)圍巖指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，在具體的操作上，公路隧道規(guī)范與鐵路隧道規(guī)范有所不同。

對(duì)于隧道定性判斷提出了采用巖樣對(duì)比測(cè)試的方法判斷強(qiáng)度等級(jí)，可以提高感官判斷的準(zhǔn)確性。采用碎塊統(tǒng)計(jì)測(cè)算體積節(jié)理數(shù)的方法可以提高可操作性。

依據(jù)圍巖結(jié)果的應(yīng)用可判斷圍巖穩(wěn)定性及為支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，應(yīng)依據(jù)開挖后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)或監(jiān)控測(cè)量收集的圍巖變形數(shù)據(jù)用于隧道的圍巖判別或作為修正指標(biāo)，這對(duì)于工程應(yīng)用具有實(shí)踐意義。