公路岩质隧道围岩分级的方法
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【摘要】经过长期的隧道工程实践，我国公路隧道以铁路隧道围岩分级的标准为基础，参考了国内外有关围岩分级的成果，提出了适合我国公路隧道实情的围岩分级标准，即采用定性特征划分和定量指标划分相结合的方法进行综合评判。
【关键词】隧道围岩围岩分级
中图分类号：U45文献标识码： A
隧道围岩分级是正确进行隧道设计和施工的基础，一个合理的、符合工程实际情况的围岩分级，对于改善结构设计、发展新的隧道施工工艺、降低工程造价、多快好省地修建隧道有着十分重要的意义。公路隧道围岩分级的出发点主要考虑以下几点：
① 强调岩体的地质特征的完整性和稳定性，避免单一的岩石强度指标分级的方法。
② 分级指标应采取定性和定量指标相结合的方式。
③ 明确工程目的和内容并提出相应的措施。
④ 分级应简明，便于使用。
2分级需考虑的指标和因素
公路岩质隧道的围岩分级需考虑的指标主要包括岩石坚硬程度、岩石完整程度、主要软弱结构面产状、地下水状态和岩石初始应力场。五个指标中，岩石的坚硬程度和岩石的完整程度是围岩分级的两个基本因素，其余三个指标作为围岩分级的修正因素。岩质围岩的分级指标值获取方法见下表1：
岩质围岩分级指标及获取方法
表1
公路隧道围岩的分级指标 指标值的获取方法
岩石坚硬程度 定性指标 岩性 主要采用钻探，结合调绘及物探等获取
风化程度
定量指标 单轴饱和抗压强度Rc 单轴抗压强度试验
点荷载强度指数Is(50) 点荷载强度试验
风化系数Kf 单轴抗压强度试验
岩石完整程度 定性指标 结构面发育程度 主要采用钻探，结合调绘及物探等获取
主要结构面结合程度
主要结构面类型
岩体结构类型
定量指标 岩体完整性指标Kv 围岩弹性纵波速度、岩石弹性纵波速度
岩体体积节理数Jv 钻探为主
结构面组数Jn
结构面平均间距dp
结构面张开度
主要软弱结构面产状 定量指标 走向与洞轴线夹角 主要采用钻探，结合调绘及物探等获取
结构面倾角
结构面走向
地下水状态 定性指标 出水状态 主要采用钻探，结合调绘及物探等获取
定量指标 水压力（Mpa） 钻孔中进行提水、注水、压水或抽水等试验预测
单位涌水量[L/（min .m）]
岩石初始应力场 定性指标 初始应力状态 调查并结合少量钻探获取
定量指标 强度应力比 地应力测试
①岩石的坚硬程度：岩石的将岩浆岩、沉积岩和变质岩按岩性、物理力学参数、耐风化能力和作为建筑材料的要求划分为硬质岩石和软质岩石二级，根据饱和单轴抗压强度Rc定量的将岩石坚硬程度划分为6级。当风化作用使岩石成分改变、强度降低时，应按风化后之强度确定岩石等级。岩石坚硬程度划分详见下表2：
岩石坚硬程度划分
表2
岩石等级 单轴饱和抗压强度Rc（MPa） 耐风化能力 代表性岩石及其风化程度
程度 现象
硬质岩 坚硬岩 >60 强 暴露后1、2年尚不易风化 未风化～微风化的花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英片岩、硅质板岩、石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、硅质石灰岩等
较坚硬岩 60～30 弱风化的坚硬岩，未风化～微风化的熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰岩、钙质胶结的砂岩
软质岩 较软岩 30～15 弱 暴露后数日至数月即出现风化壳 强风化的坚硬岩，弱风化的较坚硬岩，未风化～微风化的的凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等
软岩 15～5 强风化的坚硬岩，弱风化～强风化的较坚硬岩，弱风化的较软岩，未风化的泥岩等
极软岩
②岩石的完整程度：岩石结构的完整状态是影响围岩稳定性的主要因素，主要根据下表3进行划分，当风化作用使岩体结构发生变化，松散、破碎、软硬不一时，应结合因风化作用造成的各种状况，综合考虑确定围岩的结构完整状态；结构面（节理）发育程度应根据结构面特征，按下表4确定；地质构造影响程度按下表5确定。
岩体完整程度的等级划分
表3
等级 结构面发育程度 地质构造影响程度
完整 不发育 轻微
较完整 较发育、不发育 较严重、轻微
较破碎 发育、较发育 严重、较严重
破碎 极发育、发育 极严重、严重
极破碎 极发育 极严重
围岩结构面（节理）发育程度等级划分
表4
等级 结构面（节理）发育程度
结构面（节理）组数及平均间距（m） 主要结构面（节理）的类型 岩体结构类型
不发育 1～2组，平均间距>1 为原生型或构造型紧闭 巨块状结构
较发育 2～3组，平均间距>0.4 呈X形，较规则，以构造型为主，多数为紧闭部分微张，少有充填物 大块状结构
发育 >3组，平均间距
很发育 >3组，杂乱，平均间距
围岩受地质构造影响程度等级划分
表5
等级 地质构造作用特征
轻微 围岩地质构造变动小，无断裂（层），层状岩一般呈单斜构造，节理不发育
较重 围岩地质构造变动较大，位于断裂（层）或褶曲轴的邻近地段，可有小断层，节理较发育
严重 围岩地质构造变动强烈，位于褶曲轴部或断裂影响带内，软岩多见扭曲及拖拉现象，节理发育
很严重 位于断裂破碎带内，节理很发育，岩体破碎呈碎石、角砾状，有的甚至呈粉状、土状
岩质围岩完整程度定量值采用岩体完整性系数Kv表示，其对应关系可按下表6来确定。表中Kv值应针对不同的工程地质岩组或岩性段，选择有代表性的点、段，测定围岩弹性纵波速度，并应在同一岩段取样测定岩石弹性纵波速度。
Kv与岩体完整程度定性值的对应关系
表6
Kv >0.75 0.75～0.55 0.55～0.35 0.35～0.15
定性值 完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎
3BQ值围岩分级法
影响工程岩体稳定性的各项因素中，岩石坚硬程度和岩体完整程度是岩体的基本属性，也是各种岩石工程类型的共性，因此BQ分级法将岩石坚硬程度和岩体的完整程度作为岩体基本质量分级的两个基本因素。但影响岩体稳定性的因素还有很多，由于岩体所处环境的不同，使其稳定性差别很大，比如围岩存在地下水、高初始应力、不利的软弱结构面时，其稳定性都要降低，所以BQ分级法将这些因素作为分级的修正因素。
BQ法进行分级时是分两步进行分级的，首先根据岩石坚硬程度和岩体完整程度定性的评价和BQ值公式定量的计算初步分级；再按BQ法的修正公式进行修正， 并以此结果量化分级。将定性划分和[BQ]值分级结果对比，如果相吻合则可最终确定分级，如果定性分级和定量分级不吻合，则有必要重新进行定性鉴定和复核定量指标,综合分析,重新定级。
BQ 法采用岩石单轴抗压强度Rc作为反映岩石坚硬程度的定量指标，并根据国内外的研究结果，用岩石点荷载强度指数Is ( 50) 换算为Rc作为反映岩石坚硬程度的辅助定量指标。
岩体完整程度的定量指标主要有: 岩体完整性指数Kv、岩体体积节理数Jv、岩石质量指标RQD、节理平均间距、岩体与岩块的动静弹模比、岩体龟裂系数等。国内外同行大多数认为Kv、Jv和RQD能较全面的体现岩体的完整状态，且有广泛的应用，BQ法采用Kv定量评定岩体的完整程度。
BQ法的计算公式是和差模型，用权值系数计算各因素的单值,用和差计算质量总值,最后得出岩体基本质量指标BQ，计算公式为:
BQ= 90+ 3Rc+ 250Kv
公式中的系数是在现有工程数据基础上确定的，Rc可由实验获取, Kv可根据实测的岩体声波纵波波速vpm 和岩块纵波波速vpr来确定[Kv=(vpm/vpr)2]。
在使用这个公式的时候要注意两个限制条件:
1 当Rc>90Kv+30时, 应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值。
2 当Kv>0.04Rc+0.4时, 应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。
在遇到地下水、软弱结构面和高地应力时, 要对BQ值进行修正:
[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)
式中: [BQ]表示围岩基本质量指标修正值；
K1表示地下水影响修正系数，可按下表7确定；
K2表示主要软弱结构面影响修正系数，可按下表8确定；
K3表示初始应力状态影响修正系数，可按下表9确定。
地下水状态影响修正系数K1
表7
地下水出水状态 BQ
>450 450～351 350～251 250
潮湿或点滴状出水 0 0.1 0.2～0.3 0.4～0.6
淋雨状或涌流状出水[水压
淋雨状或涌流状出水[水压>0.1Mpa或单位出水量>10L/（min.m）] 0.2 0.4～0.6 0.7～0.9 1.0
主要软弱结构面产状影响修正系数K2
表7
结构面产状及其与洞轴线的组合关系 结构面走向与洞轴线夹角>60°，结构面倾角>75° 其他组合 结构面走向与洞轴线夹角
K2 0～0.2 0.2～0.4 0.4～0.6
初始地应力状态影响修正系数K3
表8
初始应力状态 BQ
>550 550～451 450～351 350～251
极高应力区 1.0 1.0 1.0～1.5 1.0～1.5 1.0
高应力区 0.5 0.5 0.5 0.5～1.0 0.5～1.0
4公路隧道岩质围岩基本质量分级
根据取得的围岩定性特征和岩体基本质量指标（BQ）可按下表9的规定进行基本质量分级。
公路隧道岩质围岩的基本质量分级
表9
围岩基本质量分级 围岩的定性特征 围岩基本质量指标BQ
基本级别 亚级
Ⅰ - >=551
Ⅱ - 550～451
Ⅲ Ⅲ1 450～401
Ⅲ2 400～351
Ⅳ Ⅳ1 350～316
Ⅳ2 315～285
Ⅳ3 284～251
Ⅴ Ⅴ1 250～211
Ⅴ2 210～150
5结语
通过上述围岩基本质量指标BQ值围岩分级法在应用中问题的探讨，可见围岩分级不能完全定性分析，那样太过主观，也不能完全定量判定，虽然定量方法比较客观,但是隧道所处围岩是在地下，开挖前不可能完全勘探清楚其地质特性，所测得数据的代表性、准确性也不能保证, 定量分析很难完全反应其性质, 所以必须将定量分级和定性分析结合起来,才能完整的对围岩性质进行判断。在实际工程围岩分级过程中, 应对所取分级数据的合理性多加考虑, 并在施工过程中对分级进行完善、修正, 作到动态分级, 充分发挥其对施工的指导作用。
参考文献
【1】 行标《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004） 人民交通出版社
【2】 行标《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）人民交通出版社
【3】《公路隧道围岩分级问题探讨》（2007年第三期）重庆交通大学