王壇華

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350004）

工程巖體分級(jí)是巖體工程最重要的課題之一。伴隨工程建設(shè)發(fā)展，兩百年來，巖體分級(jí)理論不斷更新發(fā)展，先后產(chǎn)生近百種分級(jí)方法［1-4］。國外較為著名的巖體分級(jí)有普羅拖吉亞柯諾夫分級(jí)（普式分級(jí)）（1926）、太沙基分級(jí)（1946）、迪爾RQD 分級(jí)（1969）、巴頓巖體質(zhì)量Q分級(jí)（1974）、賓尼亞斯基RMR 分級(jí)（1973）、印度索隆爾隧洞R分級(jí)（1982）、日本國鐵彈性波分級(jí)等。這些分級(jí)方法考慮的參數(shù)各有側(cè)重，共十幾種，參數(shù)有定量、定性、半定量類型。參數(shù)的多樣性也從側(cè)面反映了工程巖體分級(jí)的復(fù)雜性。

當(dāng)前，我國公路隧道圍巖分級(jí)主要依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》（JTG 3370.1—2018）［5］（以下簡稱隧道規(guī)范），其基本延續(xù)2004版規(guī)范的規(guī)定，僅對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ 值計(jì)算公式作了微調(diào)，以保持和《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014）一致。一方面，《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》作為一個(gè)通用性的全國標(biāo)準(zhǔn)，面對(duì)豐富復(fù)雜的隧道圍巖地質(zhì)情況，其分級(jí)計(jì)算參數(shù)取值存在不少問題，難以完全滿足公路隧道圍巖分級(jí)的要求，在實(shí)際應(yīng)用中引起不少爭議和困惑［6-9］。且近年來，山嶺重丘隧道深孔地質(zhì)鉆探成本急劇增高，地質(zhì)鉆探的高投入低產(chǎn)出已為技術(shù)人員所詬病，工程界亟需一種能降低成本提高效率，同時(shí)可確保成果精度的圍巖分級(jí)方法。另一方面，我國現(xiàn)有對(duì)圍巖分級(jí)方法的研究［10-12］或探測(cè)深度不足，或應(yīng)用范圍小，或可操作性差。電阻率法是勘察設(shè)計(jì)階段被廣泛應(yīng)用的隧道物探方法，它可挖掘電阻率法成果的應(yīng)用價(jià)值，降低鉆探投入，提高工作效率。但目前我國相關(guān)研究中，基于電阻率以判定圍巖級(jí)別的方法尚鮮有報(bào)道。為此，筆者在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出一種利用電阻率參數(shù)調(diào)整系數(shù)改進(jìn)圍巖分級(jí)的方法，建立改進(jìn)的BQ 值計(jì)算公式，并進(jìn)行工程應(yīng)用。

1 現(xiàn)行圍巖分級(jí)方法及其存在的主要問題

1.1 現(xiàn)行規(guī)范中的圍巖分級(jí)方法

目前的隧道規(guī)范圍巖分級(jí)計(jì)算中，巖質(zhì)圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ及巖體修正質(zhì)量指標(biāo)［BQ］的計(jì)算公式為

式（1）～（2）中：Rc為巖石飽和抗壓強(qiáng)度；Kv為巖體完整性系數(shù)；K1為地下水影響修正系數(shù)；K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3為初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

公式（1）的使用有2 個(gè)約束條件，即：1）當(dāng)Rc＞90Kv+30 時(shí)，Rc取值均為90Kv+30；2）當(dāng)Kv＞0.04Rc+0.4 時(shí)，Kv取值均為0.04Rc+0.4。條件1）表明，當(dāng)巖石的抗壓強(qiáng)度足夠大時(shí)，完整性系數(shù)起主要控制作用；條件2）表明，當(dāng)巖體足夠完整時(shí)，巖石抗壓強(qiáng)度起控制作用。

隧道規(guī)范根據(jù)地下水的出水狀態(tài)，并考慮不同BQ 值圍巖抵抗地下水弱化能力的不同對(duì)K1取值。即在相同的地下水狀態(tài)下，BQ越小，K1取值越大，K1介于0～1之間。

主要軟弱結(jié)構(gòu)面及其與洞軸線方向組合關(guān)系不同，對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響就不同。隧道規(guī)范給出的主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2［5］92如表1所示。

表1 主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀下的修正系數(shù)Table 1 Correction coefficient for the influence of the occurrence of main weak structural planes

規(guī)范同時(shí)說明，表1中K2取值適用于1組起控制作用的結(jié)構(gòu)面，不適用于2組及以上結(jié)構(gòu)面。

通常情況下，地應(yīng)力是個(gè)隱性因素，僅當(dāng)與之相關(guān)的工程災(zāi)害或表象發(fā)生時(shí)，才被人們認(rèn)識(shí)到。規(guī)范考慮了極高和高初始應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合BQ 值高低給定不同的修正系數(shù)取值K3，K3介于0.5～1.5之間。不同初始應(yīng)力狀態(tài)下的修正系數(shù)K3［5］92如表2所示。

表2 不同初始應(yīng)力狀態(tài)下的修正系數(shù)Table 2 Correction coefficient for the influence of initial stress state

規(guī)范規(guī)定，通過開挖產(chǎn)生的巖爆、剝離等現(xiàn)象及圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比來判定圍巖是否處于極高或高地應(yīng)力狀態(tài)。

以上3個(gè)修正系數(shù)對(duì)圍巖級(jí)別的影響之和最高可達(dá)200以上，即經(jīng)過修正后的的［BQ］值最大可降低2個(gè)級(jí)別，這說明修正因素的影響不可忽視，其重要性不亞于巖石強(qiáng)度和巖體完整性。

1.2 圍巖分級(jí)計(jì)算參數(shù)存在的問題

1.2.1 未考慮層狀巖體Rc取值的差異隧道規(guī)范以巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rc作為表征強(qiáng)度。巖石飽和抗壓強(qiáng)度與巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、隱形結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化程度等相關(guān)。筆者在廈沙高速德化段勘察設(shè)計(jì)階段，對(duì)多個(gè)變質(zhì)巖試樣抗壓強(qiáng)度成果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，同一地層的微風(fēng)化云母石英片巖的抗壓強(qiáng)度差異可達(dá)近5倍（23～113 MPa）。進(jìn)一步分析巖塊片理結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)破壞特征，并結(jié)合摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則發(fā)現(xiàn)，造成這種現(xiàn)象的主要原因是：勘察階段采用鉆孔內(nèi)取芯，再將巖芯加工成抗壓試驗(yàn)試樣，片理面是天然的隱性薄弱面，當(dāng)沿巖芯軸向施加荷載時(shí)，在單軸抗壓條件下，片理面會(huì)最先發(fā)生滑移、劈裂破壞，此時(shí)片理產(chǎn)狀一般介于（45-φ/2）°～（45+φ/2）°，具體如圖1所示?？梢?，在片狀或?qū)訝顜r體鉆探中，不易取得合適的巖芯試樣，若發(fā)現(xiàn)試樣片理面或?qū)永韮A角不滿足要求時(shí)，需通過其他手段進(jìn)行取樣。

圖1 層狀巖石試樣單軸受壓沿層面優(yōu)先破壞傾角范圍Fig.1 Range of preferred failure angle along the bedding plane of layered rock samples under uniaxial compression

1.2.2 采用巖體聲波探測(cè)技術(shù)測(cè)定Kv值具有一定的缺陷

巖體的完整性與結(jié)構(gòu)面的幾何特征、性質(zhì)有關(guān)，受結(jié)構(gòu)面的密度、組數(shù)、張開度、填充等影響。表征巖體完整性的性質(zhì)指標(biāo)有巖體完整性系數(shù)Kv、巖石質(zhì)量系數(shù)RQD、巖體體積節(jié)理數(shù)Jv、節(jié)理平均間距等?？變?nèi)聲波探測(cè)技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)、操作簡便的特點(diǎn)，已經(jīng)成為測(cè)定Kv值最常見的方法。該方法直接利用鉆探孔下入聲波探頭，按0.2～1.0 m每點(diǎn)間距逐段測(cè)得Vpm值，Kv計(jì)算式為

式（3）中：Vpm為實(shí)測(cè)巖體聲波值；Vpr為不含明顯結(jié)構(gòu)面的巖塊聲波速度。

采用巖體聲波探測(cè)技術(shù)測(cè)定Kv值雖然具有較好的便捷性，但此方法亦有一定的缺陷。圖2為相同間距不同傾角的兩組結(jié)構(gòu)面與鉆孔相交的結(jié)構(gòu)面數(shù)量對(duì)比情況。其中，圖2（b）與鉆孔相交的結(jié)構(gòu)面數(shù)量多于圖2（a），故圖2（b）經(jīng)聲波測(cè)試所得完整性系數(shù)小于圖2（a）。而實(shí)際上，雙方的完整性相同。因此，在進(jìn)行聲波成果解譯時(shí)，要考慮結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀因素，避免單純依賴實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 相同間距不同傾角結(jié)構(gòu)面與鉆孔相交對(duì)比Fig.2 Comparison of intersection between structural planes with the same spacing and different inclination angles and drilling holes

1.2.3K1的確定受主觀性影響較大

隧道規(guī)范根據(jù)地下水出水狀態(tài)并結(jié)合巖體質(zhì)量指標(biāo)BQ 來給定地下水影響修正系數(shù)K1，根據(jù)地下水壓力或單位出水量的大小來判定出水狀態(tài)。規(guī)范的考慮有其合理性，但在勘察設(shè)計(jì)階段，由于地下水壓力和單位出水量很難測(cè)定或者測(cè)定準(zhǔn)確率低，所以，地下水影響修正系數(shù)常常憑工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)來確定，主觀性很大。

1.2.4K2的取值具有一定的盲目性

隧道規(guī)范根據(jù)主要軟弱結(jié)構(gòu)面與洞軸線的夾角大小及結(jié)構(gòu)面傾角大小給定K2值，目前僅考慮1組結(jié)構(gòu)面的情況，未考慮結(jié)構(gòu)面與洞身相交位置的差異情況。而巖體中存在各種不同成因的結(jié)構(gòu)面，如成巖裂隙、構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙、巖性接觸面等。地質(zhì)斷層面是一種較普遍的主要軟弱結(jié)構(gòu)面，對(duì)沉積巖和變質(zhì)巖而言，層理面和片理面對(duì)圍巖的弱化也起主要的控制作用。主要軟弱結(jié)構(gòu)面以外的各類結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖分級(jí)的影響可以在完整性系數(shù)Kv中體現(xiàn)出來。

隧道洞身開挖表明，主要軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)洞身圍巖穩(wěn)定性的影響不僅與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀有關(guān)，而且受其他裂隙與主要軟弱結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系，以及主要軟弱結(jié)構(gòu)面與洞身相交位置的影響，不同位置不同組合結(jié)構(gòu)面對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響具體如圖3所示。根據(jù)塊體組合穩(wěn)定性分析理論，當(dāng)僅存在主要結(jié)構(gòu)面時(shí)（如圖3（a）），主要結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響并不大；當(dāng)存在易于失穩(wěn)的不利塊體組合時(shí)（如圖3（b）、（c）），圍巖穩(wěn)定性驟降。

圖3 不同位置不同組合結(jié)構(gòu)面對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響Fig.3 Influence of structures of different positions and combinations on the stability of tunnel surrounding rock

受限于現(xiàn)有勘察技術(shù)手段，在勘察設(shè)計(jì)階段無法將洞身一般結(jié)構(gòu)面查清楚，主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀在洞身位置也很難確定，因此，K2的取值也存在盲目性。

2 圍巖分級(jí)方法的改進(jìn)

2.1 注重地質(zhì)背景分析

隧道工程賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境，是一種典型的地質(zhì)工程，受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等條件影響?，F(xiàn)有BQ 計(jì)算式雖然已體現(xiàn)巖石強(qiáng)度、巖體完整性及主要環(huán)境要素，但由于地質(zhì)工程的復(fù)雜性，現(xiàn)有量化評(píng)價(jià)指標(biāo)難以全面考慮圍巖地質(zhì)條件，存在不足之處，因此，在圍巖分級(jí)中不能只強(qiáng)調(diào)定量評(píng)價(jià)而輕視定性評(píng)價(jià)。工程實(shí)踐表明，隧道圍巖分級(jí)高度依賴工程經(jīng)驗(yàn)和工程類比，要注重地區(qū)經(jīng)驗(yàn)積累和地質(zhì)背景分析，抓住地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地下水、埋深等幾個(gè)主要因素，從宏觀層面判定圍巖優(yōu)劣，并以此作為圍巖定量分析結(jié)果合理性的校驗(yàn)手段。

2.2 合理確定參數(shù)及修正系數(shù)的取值范圍

參數(shù)和修正系數(shù)決定了［BQ］的大小。根據(jù)以上分析，在不改變圍巖BQ 和［BQ］計(jì)算公式基本結(jié)構(gòu)的前提下，本研究對(duì)巖質(zhì)圍巖參數(shù)和修正系數(shù)取值作了如下改進(jìn)。

1）巖石飽和抗壓強(qiáng)度Rc。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果逐個(gè)分析其偏差率，偏差率=（試驗(yàn)值-平均值）/平均值，偏差率絕對(duì)值大于30%的不予統(tǒng)計(jì)。層狀巖體取樣與塊狀巖體不同，層狀巖體應(yīng)選取緩傾角試樣，傾角以不超過25°為宜。

2）巖體完整性系數(shù)Kv。聲波測(cè)孔要結(jié)合鉆探成果解譯，特別要注意鉆探巖芯完整性、結(jié)構(gòu)面傾角、鉆探過程卡鉆位置、漏水或涌水位置等。層狀巖體可考慮巖層產(chǎn)狀后進(jìn)行折減，傾角越大折減越多。由于地下水發(fā)育程度與巖體完整性關(guān)聯(lián)較大，而地下水在電法勘探成果中的反映也最為明顯，因此，結(jié)合物探電阻率測(cè)深成果引入調(diào)整系數(shù)λ對(duì)完整性系數(shù)Kv進(jìn)行調(diào)整。λ介于0～1間。

3）地下水影響修正系數(shù)K1。地下水豐富程度與斷層帶富水性密切相關(guān)，在電法勘探成果剖面上，電阻率對(duì)地下水反映最為敏感。為此，引入調(diào)整后修正系數(shù)Kλ1代替K1，當(dāng)有實(shí)測(cè)涌水量數(shù)據(jù)時(shí)采用K1，無涌水量數(shù)據(jù)時(shí)采用Kλ1。Kλ1介于0～1間。

4）主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2。在勘察設(shè)計(jì)階段，由于隨機(jī)性結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況無法確定，主要軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育位置和影響也很難評(píng)估，因此建議仍保留規(guī)范取值方式。但在圍巖施工開挖階段，宜對(duì)主要軟弱結(jié)構(gòu)及其組合對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響加以直接調(diào)查，按實(shí)際影響位置和程度確定修正系數(shù)。

5）初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3。極高和高初始應(yīng)力已有修正系數(shù)，但其他狀態(tài)下尚無修正系數(shù)。結(jié)合地應(yīng)力測(cè)量成果，建議當(dāng)圍巖破碎、存在張性構(gòu)造或低水平地應(yīng)力時(shí)，對(duì)K3在0～0.5之間進(jìn)行取值。

2.3 合理引入物探方法

隧道工程常見的物探方法有高密度電法、大地電磁法、大功率直流電法等，這些方法的測(cè)試結(jié)果一般以等值線剖面圖表示。工程實(shí)踐表明，高密度電法對(duì)埋深100 m以下隧道測(cè)試效果較好；大地電磁法在深埋大于100 m以上隧道勘察中的效果較好，其視電阻率解譯成果等值線圖對(duì)富水地層、富水構(gòu)造帶反映敏感；大功率直流電法抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)。大地電磁法在山嶺重丘深埋巖質(zhì)隧道應(yīng)用面最廣，以此法為例，在進(jìn)行圍巖分級(jí)計(jì)算時(shí)，可分別提取隧道洞身位置各段圍巖視電阻率值，按視電阻率值大小及梯度變化趨勢(shì)，計(jì)算各低阻段相對(duì)低阻率，并以此作為Kv和K1的調(diào)整依據(jù)。

2.4 采用動(dòng)態(tài)分級(jí)

受現(xiàn)有勘察技術(shù)水平限制，在勘察設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確劃分圍巖級(jí)別難度較大。為滿足現(xiàn)有技術(shù)條件下圍巖分級(jí)的精度要求，較可行的是采用動(dòng)態(tài)分級(jí)方法，即將勘察設(shè)計(jì)階段圍巖分級(jí)作為預(yù)分級(jí)，而將施工開挖后的圍巖分級(jí)作為實(shí)分級(jí)。如此，可以避免過分依賴勘察階段圍巖分級(jí)所造成的過于保守的問題，做到按實(shí)支護(hù)。施工階段可實(shí)測(cè)已開挖圍巖結(jié)構(gòu)面，計(jì)算Jv，并根據(jù)式（4）［3］57-58換算，即

經(jīng)以上改進(jìn)調(diào)整后，勘察階段改進(jìn)的隧道圍巖［BQ］計(jì)算公式為

考慮使用約束條件時(shí)，以λ×Kv代替Kv，以Kλ1代替K1。

施工階段圍巖分級(jí)可采用定性和定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，［BQ］計(jì)算時(shí)根據(jù)掌子面、拱部及邊墻完整性不同分塊判定。值得注意的是，Kv由實(shí)測(cè)Jv換算，主要軟弱結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力影響修正系數(shù)可由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得，此時(shí)定量計(jì)算和定性分析各自優(yōu)點(diǎn)得以充分體現(xiàn)。

3 算例分析

廈沙高速某隧道位于戴云山脈西側(cè)，屬構(gòu)造侵蝕低山地貌，呈南北走向，地形起伏較大，隧道最大埋深約350 m，大部分埋深250～300 m。巖性主要為侏羅系南園組凝灰熔巖、熔結(jié)凝灰?guī)r等，局部見花崗巖侵入帶，隧址區(qū)發(fā)育7條斷層和多段物探低阻帶，基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水發(fā)育。洞身圍巖以微風(fēng)化巖為主，為硬質(zhì)巖。現(xiàn)以K82+000～K82+700 段圍巖為例說明改進(jìn)圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)［BQ］的計(jì)算方法。

以20 m 為點(diǎn)距沿隧道軸線布置大地電磁測(cè)深測(cè)線并采集數(shù)據(jù)，經(jīng)室內(nèi)數(shù)據(jù)處理解譯，排除高壓電引起的假異常，并考慮地形效應(yīng)。在隧道沿線選擇代表性位置布置鉆孔，鉆孔深度鉆至隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高以下5～8 m。大地電磁測(cè)深視電阻率等值線圖如圖4所示。

圖4 大地電磁測(cè)深(EH-4)視電阻率等值線圖Fig.4 Contour map of magnetotelluric sounding (EH-4) apparent resistivity

計(jì)算過程如下：首先，進(jìn)行孔內(nèi)聲波測(cè)試，獲取相應(yīng)洞身位置的Kv及視電阻率值，由視電阻率值/Kv可獲得本段圍巖當(dāng)Kv近似為1時(shí)的視電阻率值，即相對(duì)完整巖體視電阻率值。將洞身圍巖分段視電阻率除以相對(duì)完整巖體視電阻率，可求得各段完整性系數(shù)調(diào)整系數(shù)λ。其次，經(jīng)抽水試驗(yàn)求取實(shí)測(cè)目標(biāo)段巖體滲透系數(shù)，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范對(duì)修正系數(shù)K1取值，利用各段圍巖與實(shí)測(cè)目標(biāo)段圍巖調(diào)整系數(shù)λ 的大小比例關(guān)系，求得各段圍巖調(diào)整后地下水影響修正系數(shù)值Kλ1。將各參數(shù)帶入公式（5）即可求得改進(jìn)的隧道圍巖［BQ］值。［BQ］及改進(jìn)的［BQ］計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表3 [BQ]及改進(jìn)的[BQ]計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of [BQ] and improved [BQ] calculation

從表3 可以看出，考慮折減因素的改進(jìn)［BQ］計(jì)算值比未考慮折減因素的［BQ］計(jì)算值略低5%～8%，整體偏于安全，與施工揭示的圍巖地質(zhì)條件基本吻合。

4 結(jié)論

本文在深入剖析隧道規(guī)范圍巖分級(jí)方法所存問題的基礎(chǔ)上，利用隧道物探電阻率值與地下水發(fā)育、巖體完整性相關(guān)性強(qiáng)的原理，引入調(diào)整系數(shù)以調(diào)整巖體完整性系數(shù)和地下水影響修正系數(shù)，建立改進(jìn)［BQ］的圍巖級(jí)別計(jì)算公式，并應(yīng)用于廈沙高速某隧道圍巖分級(jí)。算例分析表明，采用本文提出的改進(jìn)［BQ］計(jì)算法可操作性強(qiáng)，［BQ］計(jì)算值較之直接計(jì)算法降低約5%～8%，與工程實(shí)際基本吻合，可實(shí)現(xiàn)隧道勘察降本增效。

本文采用的是一種線性折減修正法，主要針對(duì)完整性系數(shù)和地下水影響修正系數(shù)。本方法主要基于地下水富水性與巖體裂隙發(fā)育程度呈正相關(guān)的原理，且基于同一種巖性電阻率均質(zhì)假定，當(dāng)遇干燥的裂隙巖體時(shí)本方法不再適用；遇不同巖性的巖體，亦應(yīng)分段評(píng)價(jià)。