工程因素對(duì)施工期地下洞室圍巖質(zhì)量影響分析

申艷軍，閆蕊鑫

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054)

1 研究背景

人類在改造自然的同時(shí)亦在影響著自然界，眾所周知，在地下工程建設(shè)過(guò)程中，工程因素對(duì)圍巖質(zhì)量的影響是顯而易見(jiàn)的，在同一地質(zhì)環(huán)境下，不同開挖規(guī)模、開挖方法、開挖走向、開挖形狀、及工程進(jìn)度，其圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果亦截然不同。但實(shí)際應(yīng)用中，如 A.Palmstrom 和 E.Broch［1］所言“絕大多數(shù)圍巖分類方法評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量及相應(yīng)支護(hù)方法時(shí)，未考慮開挖方法等工程因素對(duì)隧洞、礦井及地下洞室等巖體質(zhì)量的影響，而事實(shí)上，開挖擾動(dòng)等工程因素影響是顯著的，屬必須考慮的因素”。孫廣忠［2］亦指出:“不同工程規(guī)模(級(jí)序)的巖體，其穩(wěn)定性控制因素是不同的，巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)需密切關(guān)注工程規(guī)模”。因此，工程因素對(duì)圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的影響亦有進(jìn)一步探討的必要。

目前，國(guó)際上通用的多因素圍巖分類方法主要有 RMR，Q，RMi法。其中:RMR，RMi法［3－4］僅通過(guò)節(jié)理產(chǎn)狀特征來(lái)間接考慮開挖方向?qū)r體質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響;Q法［5］未體現(xiàn)工程因素對(duì)圍巖質(zhì)量的影響，但在考慮支護(hù)體系時(shí)，根據(jù)工程重要性程度(ESR)來(lái)?yè)Q算洞室(隧道)等效跨度尺寸Be，該思路旨在考慮工程跨度對(duì)支護(hù)方案的影響。而國(guó)內(nèi)BQ，HC法［6－7］，則通過(guò)引入修正指標(biāo)間接體現(xiàn)開挖走向?qū)鷰r質(zhì)量的影響。

然而，關(guān)于工程因素是否應(yīng)引入圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中，目前仍存在一定程度的爭(zhēng)議。沈中期和關(guān)寶樹［8］指出，把跨度引入圍巖分級(jí)中，會(huì)造成對(duì)巖體結(jié)構(gòu)特征概念的混淆，建議分級(jí)方法僅考慮絕對(duì)裂隙間距影響;王石春等［9］認(rèn)為，自然界巖體基本質(zhì)量是固有的，不會(huì)因工程性質(zhì)、跨度不同而變化，建議不應(yīng)將其作為工程巖體基本質(zhì)量劃分考慮因素。

筆者認(rèn)同“自然條件不會(huì)因工程因素而發(fā)生根本性、顯著變化”這一本質(zhì)規(guī)律，但筆者認(rèn)為，隨著地下工程規(guī)模擴(kuò)大化和布置形式復(fù)雜化，人為改造因素對(duì)圍巖質(zhì)量影響越來(lái)越大。實(shí)現(xiàn)工程巖體質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，需考慮自然因素和工程因素的綜合影響，其中基于自然因素確定自然狀況下圍巖質(zhì)量分級(jí)體系，而工程因素應(yīng)作為不可忽視的修正條件予以考慮，且此類修正條件應(yīng)與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)緊密結(jié)合，獲得工程圍巖分類體系，最終為選取合理的支護(hù)體系提供參考。

目前，工程因素對(duì)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響在國(guó)內(nèi)外圍巖分類方法中有所體現(xiàn)，亦有一些針對(duì)性研究成果，如 D.Milne等［10］基于對(duì) RQD，RMR 及 Q 法的適用性分析，提出可適用各圍巖分類方法的最大跨度、高度及相應(yīng)支護(hù)建議;I.K.Mihalis等［11］考慮洞室(隧道)高度H和跨度B對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，根據(jù)不同GSI值的隧道巖體質(zhì)量結(jié)果提出了隧道穩(wěn)定性系數(shù)(TSF)的表示方法;N.Barton［12］強(qiáng)調(diào)工程擾動(dòng)對(duì)圍巖質(zhì)量的影響，提出未來(lái)的圍巖分級(jí)方法必須考慮工程擾動(dòng)的影響。

國(guó)內(nèi)，周建民等［13］通過(guò)對(duì)節(jié)理巖體洞室支護(hù)代價(jià)、塑性松動(dòng)區(qū)半徑和巖體宏觀力學(xué)參數(shù)尺寸效應(yīng)的分析，由洞室跨度增加導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定程度降低情況，強(qiáng)調(diào)重視圍巖分類中洞室跨度因素的影響;王明年等［14－15］對(duì)隧道施工階段的圍巖分級(jí)詳細(xì)評(píng)價(jià)，提出應(yīng)用自穩(wěn)跨度建立巖質(zhì)圍巖統(tǒng)一的亞級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)用多種理論手段建立了一套實(shí)用的施工階段圍巖亞級(jí)分級(jí)方法。

以上研究為工程因素對(duì)圍巖質(zhì)量的影響提供了一定參考，本文嘗試綜合施工期工程因素類型，分析了各因素對(duì)圍巖質(zhì)量的影響作用，并以RMR，Q，RMi，BQ，HC法為例，通過(guò)選取針對(duì)性指標(biāo)對(duì)自然狀況下各圍巖分類方法進(jìn)行修正，獲得可反映施工期地下洞室圍巖分類評(píng)價(jià)體系;同時(shí)，考慮工程時(shí)效性與功用性等特征，提出具有一定參考意義的支護(hù)體系與補(bǔ)強(qiáng)建議。本研究思路與方法為“工程因素是否應(yīng)引入圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中”及“如何將工程因素引入圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中”等課題的展開起到拋磚引玉作用。

2 工程因素主要類型及影響作用分析

地下工程巖體質(zhì)量影響因素分為2部分:自然因素和工程因素。其中自然因素包括巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征因素和賦存地質(zhì)環(huán)境因素，巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征包括完整巖塊的強(qiáng)度特征、巖體結(jié)構(gòu)空間分布狀況和結(jié)構(gòu)面自身發(fā)育狀況，賦存地質(zhì)環(huán)境包括地應(yīng)力、地下水狀況指標(biāo)等;而工程因素系指一切與人類有關(guān)的工程活動(dòng)，如開挖尺寸、開挖方法、開挖走向、開挖形狀、工程進(jìn)度等。工程因素賦予了圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)的工程意義，并與圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、支護(hù)體系選取緊密結(jié)合。本文以大崗山水電站地下廠房區(qū)開挖過(guò)程中涉及到的工程因素為例，進(jìn)行其類型及影響作用分析。

2.1 開挖尺寸

大崗山水電站引水發(fā)電系統(tǒng)采用全地下廠房形式，擬沿大渡河左岸依次布置主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室等三大洞室及岸塔式進(jìn)水口、4條壓力管道、出線洞、母線道、排風(fēng)洞，尾水連接洞、尾水洞等附屬洞室。其中，三大地下洞室結(jié)構(gòu)型式及開挖尺寸如圖1。

圖1 大崗山水電站三大洞室結(jié)構(gòu)型式及工程尺寸Fig.1 Structures and sizes of three large-scale underground caverns in Dagangshan hydropower station

開挖尺寸對(duì)工程巖體影響作用主要體現(xiàn)在“工程等效尺寸”的放大，即由于開挖尺寸的增加，使得巖體臨空面面積增大，導(dǎo)致巖體發(fā)生失穩(wěn)概率陡增。站在工程角度來(lái)看，由于巖體自身“缺陷”(裂隙組)的揭露，使得巖體“顯得”更加破碎，在相同的地質(zhì)條件下，對(duì)小跨度洞室?guī)r體結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)往往要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于大跨度洞室，因此，開挖尺寸本身沒(méi)改變巖體結(jié)構(gòu)的自然特征，而使得巖體結(jié)構(gòu)的工程特征放大，進(jìn)而影響了洞室自穩(wěn)性狀況。如圖2，同一自然狀況下的巖體，因開挖尺寸的不同，巖體結(jié)構(gòu)類型評(píng)價(jià)呈現(xiàn)顯著差異。

圖2 巖體結(jié)構(gòu)類型與開挖尺寸關(guān)聯(lián)性Fig.2 Correlation between rock mass structure and excavation size

2.2 開挖方法

大崗山水電站地下廠房洞室群開挖采用常規(guī)鉆爆法施工方法，其中，對(duì)廠房系統(tǒng)、引水及尾水系統(tǒng)等洞室輪廓面附近開挖時(shí)，為保證開挖質(zhì)量，一般采用光面爆破或預(yù)裂爆破，對(duì)巖壁吊車梁、交叉洞室的交叉口、穿過(guò)軟弱結(jié)構(gòu)面或局部斷層交匯處、裂隙密集帶、地下水出露較豐富的圍巖洞室段等部位，進(jìn)行了必要的爆破方法設(shè)計(jì)，如采用定向爆破和人工鑿巖相結(jié)合方法。

開挖爆破對(duì)巖體質(zhì)量的影響集中體現(xiàn)在對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的損傷、劣化。具體損傷作用可分為2類:一類是沖擊損傷;另一類是動(dòng)態(tài)卸載損傷。前者指的是爆破載荷加載過(guò)程中對(duì)巖體產(chǎn)生的損傷，包括爆源近區(qū)的爆炸沖擊波作用和中遠(yuǎn)區(qū)的爆破振動(dòng)作用;后者則是爆破載荷卸載過(guò)程中所產(chǎn)生的動(dòng)力損傷。且二者損傷作用間亦存在耦合放大的過(guò)程。故開挖爆破方法對(duì)圍巖質(zhì)量劣化影響，應(yīng)通過(guò)開挖前后圍巖實(shí)際狀況對(duì)比分析，一般可采用開挖前后巖體聲波波速變化來(lái)進(jìn)行反映。

2.3 開挖走向

大崗山水電站地下廠房由主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室三大地下洞室組成。三大洞室平行布置，軸線布置方向N55°E。據(jù)中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，在地下廠房區(qū)附近，σ1的方向?yàn)?NE 向(N 44.91°－60.95°E)，現(xiàn)洞軸線布置方向(開挖方向)與其基本平行，以確保地應(yīng)力作用對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性較為有利。

開挖走向?qū)r體質(zhì)量評(píng)價(jià)的影響主要體現(xiàn)在:①開挖走向與巖層節(jié)理產(chǎn)狀的組合關(guān)系對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響作用，即潛在塊體大小及其穩(wěn)定性狀況，如圖3［16］(圖中的角度為洞軸向與巖層走向之間的夾角)，相同的巖體結(jié)構(gòu)因洞軸向的變化出現(xiàn)塊體組合形態(tài)、體積的顯著差異;②開挖走向與地應(yīng)力方向的組合關(guān)系對(duì)洞室穩(wěn)定性影響，一般認(rèn)為與初始地應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力方向呈小角度相交(夾角小于30°)為有利，反之則不利。

圖3 相同巖體結(jié)構(gòu)因洞軸線的變化出現(xiàn)塊體形態(tài)差異Fig.3 Different block shapes due to the variation of cavern’s trend on the premise of the same rock mass structure

其中，開挖走向的規(guī)劃布置，往往會(huì)密切考慮其與洞室區(qū)地應(yīng)力方向的組合關(guān)系的影響，并會(huì)選擇有利于洞室穩(wěn)定的開挖走向，且該過(guò)程一般應(yīng)在預(yù)可行性、可行性研究階段進(jìn)行。在施工階段，一般僅需要考慮開挖走向與巖層節(jié)理產(chǎn)狀的組合關(guān)系即可。目前常用圍巖分類方法如RMR，BQ，HC法即考慮該因素的影響作用。

2.4 開挖形狀

大崗山水電站地下廠房區(qū)主要洞室開挖形狀多采用典型的圓拱直墻型，局部根據(jù)工程特殊需要及經(jīng)濟(jì)性做細(xì)部調(diào)整，如三大洞室采用上寬下窄的圓拱直墻型洞形(見(jiàn)圖1)，壓力管道采用圓形斷面等。

開挖形狀直接決定著圍巖應(yīng)力的分布形式。據(jù)E.Hoek［17］的開挖形狀和地應(yīng)力比對(duì)開挖體最大邊界應(yīng)力研究可知，在既定應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)選擇開挖形狀，關(guān)鍵在于設(shè)法使開挖體周圍應(yīng)力分布達(dá)到均勻分布，即尋求“諧洞”最佳開挖形狀。一般而言，最均勻地應(yīng)力分布的開挖形狀通常為鏈環(huán)形或橢圓形，其長(zhǎng)短軸比應(yīng)近似等于原巖主應(yīng)力之比。

為滿足工程實(shí)際需求，洞室開挖形狀難以達(dá)到所謂最佳形狀“諧洞”的要求，往往在洞室開挖轉(zhuǎn)折較大區(qū)域，特別是在與最大主應(yīng)力方向呈大角度相交情況下，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的偏壓剝離現(xiàn)象，對(duì)圍巖質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。

但須指出，開挖形狀對(duì)圍巖的影響主要體現(xiàn)在:因開挖形狀的不同，造成圍巖不同區(qū)域應(yīng)力集中大小存在差異，即表現(xiàn)為力學(xué)概念，而非空間形態(tài)概念。且據(jù)于學(xué)馥等［18］闡述的“軸變論”觀點(diǎn)，開挖形狀對(duì)那些變形破壞受結(jié)構(gòu)面(軟弱結(jié)構(gòu)面)控制的圍巖無(wú)顯著影響，該觀點(diǎn)亦經(jīng)工程實(shí)踐得以廣泛驗(yàn)證。且圍巖質(zhì)量的劣化結(jié)果亦可通過(guò)開挖前后聲波波速測(cè)試(類似開挖方法影響作用評(píng)價(jià)方法)來(lái)反映，故不應(yīng)重復(fù)評(píng)價(jià)。

2.5 工程進(jìn)度

大崗山水電站地下廠房區(qū)采用9期分級(jí)開挖順序，自上而下分層開挖(詳見(jiàn)圖4)，對(duì)于大型地下洞室，無(wú)論是從確保圍巖穩(wěn)定，還是從施工安全、便利性出發(fā)往往需要在同一斷面內(nèi)分成若干個(gè)區(qū)域，各區(qū)域順序開挖進(jìn)度的安排應(yīng)以對(duì)圍巖擾動(dòng)范圍最小、所產(chǎn)生的位移變形最小為佳。

圖4 大崗山水電站三大洞室(對(duì)應(yīng)主廠房2#機(jī)組)斷面模型及分層開挖圖Fig.4 Diagram of the section model(crossed at unit set 2#in the main power house)and layered excavation for the three main caverns in Dagangshan hydropower station

工程進(jìn)度體現(xiàn)為強(qiáng)烈的“時(shí)效性”特征，與圍巖自穩(wěn)時(shí)間(響應(yīng)過(guò)程)、支護(hù)生效時(shí)間(人為活動(dòng)反饋過(guò)程)等密切相關(guān)，其對(duì)圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)無(wú)直接關(guān)聯(lián)，應(yīng)通過(guò)調(diào)整工程進(jìn)度實(shí)現(xiàn)圍巖自穩(wěn)時(shí)間與支護(hù)生效時(shí)間(即圍巖特征曲線)產(chǎn)生最佳組合，以充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，故工程進(jìn)度評(píng)價(jià)應(yīng)與支護(hù)方法選取緊密結(jié)合。

2.6 工程重要性程度

工程重要性程度是由其工程用途決定，因其功效不同，所需要的安全系數(shù)、設(shè)計(jì)使用年限也有所不同。對(duì)大崗山水電站地下廠房區(qū)而言，根據(jù)工程重要性程度初步分級(jí)，可分為永久性工程和臨時(shí)性工程2種，其中永久性工程包括整個(gè)引水發(fā)電工程系統(tǒng)，如三大廠房、壓力管道、出線豎井及尾水系統(tǒng)等;而臨時(shí)性工程指輔助工程施工的臨時(shí)施工支洞、交通洞等。

工程重要性程度作為工程設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化參數(shù)，其一般處理方法為:對(duì)于重要性程度較高的建筑體，必要時(shí)需考慮一定的安全系數(shù)，并對(duì)其支護(hù)措施應(yīng)予以一定的保守處理;而對(duì)于重要性程度較低的建筑體，在確保工程安全的前提下，進(jìn)行必要的工程經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。故工程重要性程度指標(biāo)可通過(guò)支護(hù)體系安全系數(shù)體現(xiàn)。

綜上所述，考慮工程因素對(duì)圍巖質(zhì)量劣化作用大小，僅需要考慮開挖尺寸、開挖方法、開挖走向3個(gè)因素的影響作用;而對(duì)主要體現(xiàn)局部力學(xué)效應(yīng)變化的因素(如:開挖形狀)，為避免評(píng)價(jià)的重復(fù)性，暫不予以考慮;對(duì)反映工程時(shí)效性(如:工程進(jìn)度)與工程功用性(如:工程重要性程度)的因素，可通過(guò)與支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)體系結(jié)合體現(xiàn)。

3 工程因素劣化效應(yīng)定量化表示及討論

如上討論，考慮工程因素對(duì)圍巖質(zhì)量劣化效應(yīng)，僅需要考慮開挖尺寸、開挖方法、開挖走向3個(gè)因素影響。故僅針對(duì)以上3個(gè)指標(biāo)展開定量化表示研究。

3.1 開挖尺寸劣化效應(yīng)定量化分析

開挖尺寸對(duì)巖體質(zhì)量的劣化效應(yīng)主要體現(xiàn)在“工程等效尺寸”的放大，其通過(guò)對(duì)待評(píng)巖體自然結(jié)構(gòu)的空間幾何特征指標(biāo)的劣化，來(lái)影響圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。故僅需對(duì)自然狀況下圍巖分級(jí)體系中的空間幾何特征指標(biāo)(如RQD，Vb等)予以“有限性劣化”;但開挖尺寸并非必定產(chǎn)生劣化效應(yīng)，若開挖尺寸小于巖體結(jié)構(gòu)空間幾何特征指標(biāo)，其對(duì)圍巖質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)差的分布形式，可表示為反而得到改善效果(如圖2(編號(hào)1))，即存在“工程等效尺寸閾值(Engineering Representative Volume Threshold，ERVT)”概念，其類似于巖體強(qiáng)度參數(shù)的等效特征尺寸REV。

假定某一工程巖體內(nèi)含N組結(jié)構(gòu)面，且每組結(jié)構(gòu)面的條數(shù)不少于1條，假定結(jié)構(gòu)面跡長(zhǎng)服從正態(tài)分布形式，其均值服從以μ為均值分布，以

式中:E(x)為總體分布的數(shù)學(xué)期望;μ為樣本均值;σ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差;ξ為參數(shù)估算絕對(duì)誤差。

考慮概率函數(shù)的置信度α，并取ε為相對(duì)誤差，令σ/E(x)，采用結(jié)構(gòu)面幾何分布形式特征變量Ω對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)CV表示，則有

式中 uα/2為置信度α/2的分位點(diǎn)。

對(duì)于大樣本概率事件，假定需滿足不少于N組結(jié)構(gòu)面，其統(tǒng)計(jì)特征方可反映結(jié)構(gòu)面整體分布特征，且單位體積內(nèi)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)條數(shù)取為JN，此時(shí)，表征巖體結(jié)構(gòu)空間分布概率模型的最小尺寸，即工程等效尺寸閾值(ERVT)應(yīng)滿足

取相對(duì)誤差 ε=5%，此時(shí) uα/2=1.96，式(3)可表示為

根據(jù)實(shí)際工程巖體結(jié)構(gòu)特征狀況，在獲得結(jié)構(gòu)面組數(shù)及單位體積內(nèi)的結(jié)構(gòu)面條數(shù)JN，并得到結(jié)構(gòu)面幾何分布形式特征變量Ω變異系數(shù)CV，利用式(4)可計(jì)算得到工程等效尺寸閾值ERVT。

反映巖體結(jié)構(gòu)空間幾何特征指標(biāo)較多，如RQD，JV，Vb，KV等，且不同圍巖分類方法采用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但本質(zhì)上該類指標(biāo)均為反映巖體結(jié)構(gòu)空間塊度特征(Block Size，BS)，此處應(yīng)用函數(shù)F(BS)來(lái)表示該指標(biāo)，則5種圍巖分類方法中的巖體結(jié)構(gòu)空間幾何特征指標(biāo)F(BS)可表示為:

式中:R2，R3為RMR法中的結(jié)構(gòu)面相關(guān)參數(shù);H2為HC法中的結(jié)構(gòu)面相關(guān)參數(shù)。

考慮不同洞室開挖高度H(m)，和跨度B(m)各不相同，為便于分析，假定洞室斷面形態(tài)為矩形，取每延1 m開挖洞室體積為Vt=BH(m3)，另假定開挖尺寸對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)空間幾何特征劣化比η呈反相關(guān)比例關(guān)系，則存在，

式中:n為常數(shù)，與不同圍巖分類方法中反映巖體結(jié)構(gòu)空間幾何特征所選指標(biāo)有關(guān)，若采用RQD、節(jié)理長(zhǎng)度l等巖體一維線狀指標(biāo)，則n=1/3，若采用巖體塊度體積Vb、體積節(jié)理數(shù)JV、完整性系數(shù)KV等反映巖體三維空間指標(biāo)時(shí)，則n=1。開挖后圍巖結(jié)構(gòu)空間幾何特征指標(biāo)值F'(BS)與開挖前F(BS)存在以下關(guān)系，即

3.2 開挖走向劣化效應(yīng)定量化分析

開挖走向與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀組合關(guān)系不僅產(chǎn)生局部塊體，且為塊體失穩(wěn)提供了臨空面，對(duì)圍巖局部穩(wěn)定性造成影響。其與具體洞段結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀發(fā)育及組合狀況密切相關(guān)，而非對(duì)整個(gè)洞段具有均一的影響，故應(yīng)形成單獨(dú)的劣化指標(biāo)，根據(jù)具體洞段結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀發(fā)育及組合狀況予以劣化處理。多個(gè)圍巖分類方法(RMR，RMi，BQ，HC 法等)亦采用該思路進(jìn)行表示。故此提出走向劣化參數(shù)k量化系數(shù)。

考慮目前圍巖分類方法常用和差法和乘積法2種計(jì)算手段，因計(jì)算方法的差異，走向劣化系數(shù)k指標(biāo)表示也有所差別，對(duì)和差法多采用折減處理，而對(duì)乘積法可通過(guò)乘以＜1的劣化參數(shù)k指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。開挖走向劣化參數(shù)k指標(biāo)詳細(xì)取值如表1。

表1 不同圍巖分類方法開挖走向劣化系數(shù)k取值建議Table 1 Degradation coefficient k of the excavation direction in different rock mass classification systems

3.3 開挖爆破劣化效應(yīng)定量化分析

開挖方法對(duì)巖體質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的損傷、劣化:①爆破作用產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)面，并與原有結(jié)構(gòu)面相互融合、貫通，使得巖體完整性程度大幅降低，即體現(xiàn)在對(duì)空間幾何特征指標(biāo)的劣化;②因爆破作用導(dǎo)致原有結(jié)構(gòu)面張開、尖端破裂延伸，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度銳減，即體現(xiàn)在對(duì)結(jié)構(gòu)面自身狀態(tài)指標(biāo)的劣化。而二者的聯(lián)合作用使得爆破前后巖體質(zhì)量呈現(xiàn)差異。故對(duì)于開挖方法，需考慮對(duì)自然狀況下圍巖分類體系中的空間幾何特征指標(biāo)和結(jié)構(gòu)面自身狀態(tài)指標(biāo)聯(lián)合劣化。

《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T5389—2007)［19］提出采用聲波監(jiān)測(cè)法來(lái)評(píng)價(jià)開挖爆破對(duì)巖體質(zhì)量的影響標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)同部位巖體爆破前后波速的變化，獲得巖體爆破劣化作用的波速降λ，即

式中:波速降λ表示開挖前后波速降低比率;Vum，Vm分別為巖體爆破前、后波速值(km/s)。

E.Hoek等［20］2002 年提出的開挖擾動(dòng)系數(shù) D的取值方法，2002版Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則考慮了爆破損傷和應(yīng)力釋放對(duì)圍巖強(qiáng)度的影響，引入巖體擾動(dòng)系數(shù)D表示開挖方法對(duì)巖體質(zhì)量影響。

筆者嘗試建立巖體擾動(dòng)系數(shù)D和開挖爆破劣化作用波速降λ的內(nèi)在關(guān)系，實(shí)現(xiàn)定量化的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效結(jié)合。基于文獻(xiàn)［21］，得到巖體開挖前后波速降λ與擾動(dòng)系數(shù)D關(guān)系為

參照第3.1節(jié)開挖尺寸處定義，采用巖體結(jié)構(gòu)空間塊度特征(Block Size，BS)表示，而反映巖體結(jié)構(gòu)面自身發(fā)育指標(biāo)，實(shí)質(zhì)上是表征節(jié)理發(fā)育狀態(tài)特征(Joint Condition，JC)，則此處采用函數(shù) F(BS，JC)來(lái)表示，則5種常用圍巖分類方法中的巖體結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)F(BS，JC)可表示為:

式中:R4為RMR法中的結(jié)構(gòu)面相關(guān)參數(shù);Jr，Ja分別為Q法中的結(jié)構(gòu)面粗糙度、蝕變度;JP為RMi法中的結(jié)構(gòu)面狀態(tài)參數(shù);KV為BQ法中結(jié)構(gòu)面完整性系數(shù);H3為HC法中結(jié)構(gòu)面相關(guān)參數(shù)。

采用開挖擾動(dòng)前后波速降λ來(lái)反映開挖方法對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)特征的劣化，則存在

式中:F(BS，JC)，F(xiàn)'(BS，JC)分別為開挖前、后圍巖結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)值。

3.4 工程“時(shí)效性與功用性”與支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)關(guān)系討論

(1)工程時(shí)效性體現(xiàn)在工程進(jìn)度(含開挖與支護(hù)進(jìn)度)與圍巖自穩(wěn)時(shí)間的協(xié)調(diào)上，即:①掘進(jìn)速度與洞周收斂變形的協(xié)調(diào)性;②支護(hù)時(shí)機(jī)與圍巖流變變形、被動(dòng)支護(hù)反力的協(xié)調(diào)性。故需根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分類結(jié)果，不同的分級(jí)應(yīng)推薦適合其圍巖變形特征的開挖進(jìn)度及支護(hù)布置時(shí)機(jī)。

(2)工程功用性具有較強(qiáng)的人為權(quán)重因素，即通過(guò)對(duì)不同功效的建筑物給予不同的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，通過(guò)恰當(dāng)調(diào)整支護(hù)體系水平來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的保守或經(jīng)濟(jì)化處理。

4 施工期圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

依據(jù)上2節(jié)工程因素類型及其對(duì)圍巖質(zhì)量影響作用分析，筆者建議將工程因素引入對(duì)施工期地下洞室圍巖質(zhì)量的評(píng)價(jià)，在依據(jù)自然因素指標(biāo)(巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征因素和賦存地質(zhì)環(huán)境因素指標(biāo))獲得自然狀況下圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果后，通過(guò)工程因素(如開挖尺寸、開挖方向、開挖方法等)對(duì)圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的有限性劣化分析，藉此建立施工期工程圍巖分類體系，進(jìn)而考慮工程時(shí)效性與功用性與支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)手段關(guān)聯(lián)性，提出圍巖支護(hù)體系及補(bǔ)強(qiáng)建議。其詳細(xì)構(gòu)建流程如圖5。

圖5 施工期圍巖分層次分級(jí)體系構(gòu)建流程Fig.5 Flow chat of multi-layer classification system for surrounding rock mass in construction period

5 結(jié)論

(1)地下巖體工程規(guī)模的擴(kuò)大化和布置形式復(fù)雜化，使得人為改造因素對(duì)圍巖質(zhì)量影響作用顯著，對(duì)于圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)，需考慮自然因素和工程因素的綜合作用影響，其中工程因素應(yīng)作為自然因素圍巖質(zhì)量體系的修正條件予以考慮。

(2)工程因素主要類型有:開挖尺寸、開挖方法、開挖走向、開挖形狀、工程進(jìn)度、工程重要性程度等，其中僅考慮開挖尺寸、開挖方法、開挖走向3個(gè)因素對(duì)圍巖質(zhì)量的劣化影響;對(duì)工程進(jìn)度與重要性程度，可通過(guò)與支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)體系結(jié)合體現(xiàn);對(duì)開挖形狀暫不予以考慮。

(3)施工期圍巖穩(wěn)定性分類是基于自然狀況下圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的“有限性劣化”，開挖尺寸僅需對(duì)空間幾何特征指標(biāo)劣化;開挖方法需考慮對(duì)空間幾何特征和結(jié)構(gòu)面自身狀態(tài)指標(biāo)的聯(lián)合劣化;而開挖走向應(yīng)形成單獨(dú)的劣化指標(biāo)，根據(jù)具體洞段結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀發(fā)育及組合狀況予以劣化處理。本文以此為研究思路，以 RMR，Q，RMi，BQ，HC 法為例，對(duì)工程因素“有限性劣化”進(jìn)行了定量表示。

(4)施工期地下洞室圍巖分類體系應(yīng)堅(jiān)持分層次評(píng)價(jià)方法，首先依據(jù)自然因素指標(biāo)得到自然狀況下圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，而后通過(guò)工程因素指標(biāo)對(duì)圍巖評(píng)價(jià)指標(biāo)的有限性劣化，藉此建立施工期圍巖穩(wěn)定性分類體系，最后，考慮工程時(shí)效性、功用性與支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，提出圍巖支護(hù)體系及補(bǔ)強(qiáng)建議。

［1］PALMSTROM A，BROCH E.Use and Misuse of Rock Mass Classification Systems with Particular Reference to the Q-system［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2006，21(6):575－593.

［2］孫廣忠.巖體工程地質(zhì)研究現(xiàn)狀及展望［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1989，(4):20 －23.(SUN Guang-zhong.The Current Situation and Prospect of Rockmass Engineering Geology［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，1989，(4):20 －23.(in Chinese))

［3］BIENIAWSKI Z T.Engineering Rock Mass Classifications:A Complete Manual for Engineers and Geologists in Mining，Civil and Petroleum Engineering［M］.New York:Wiley，1989:215.

［4］PALMSTROM A.RMI:A Rock Mass Characterization System for Rock Engineering Purposes［D］.Oslo:Department of Geology in University of Oslo，1995.

［5］BARTON N，LIEN R，LUNDE J.Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support［J］.Journal of Rock Mechanics，1974，6(4):189 －236.

［6］GB50218—94，工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1995.(GB 50218—94，Standard for Engineering Classification of Rock Masses［S］.Beijing:Chi-na Planning Press，1995.(in Chinese))

［7］GB50287—2006，水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.(GB 50287—2006，Code forHydropowerEngineering GeologicalInvestigation［S］.Beijing:China Planning Press，2006.(in Chinese))

［8］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.(SHEN Zhong-qi，GUAN Bao-shu.Rock Mass Classification Method for Railway Tunnels［M］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2000.(in Chinese))

［9］王石春，何發(fā)亮，李蒼松.隧道工程巖體分級(jí)［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2007.(WANG Shi-chun，HE Fa-liang，LI Cang-song.Engineering Rock Mass Classification System For Tunnels［M］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2007.(in Chinese))

［10］MILNE D，HADJIGEORGIOU J，PAKALNIS R.Rock Mass Characterization for Underground Hard Rock Mines［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，1998，13(4):383－391.

［11］MIHALIS I K，KAVVADAS M J，ANAGNOSTOPOULOS A G.Tunnel Stability Factor:A New Parameter for Weak Rock Tunneling［C］∥Proceedings of the 15th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering，Istanbul，Turkey，August 27 － 31，2001:1403－1406.

［12］BARTON N.Future Directions for Rock Mass Classification and Characterization:Towards a Cross-disciplinary Approach［C］∥Proceedings of the 1st Canada-U.S.Rock Mechanics Symposium，May 27 －31，Vancouver，Canada，2007:179 －189.

［13］周建民，金豐年，王 斌，等.洞室跨度對(duì)圍巖分類影響探討［J］.巖土力學(xué)，2005，26(增 1):303 －305.(ZHOU Jian-min，JIN Feng-nian，WANG Bin，et al.Discussion on Influence of Cavern’s Span on Surrounding Rock Classification［J］.Rock ＆ Soil Mechanics，2005，26(Sup.1):303 －305.(in Chinese))

［14］王明年，劉大剛，劉 彪，等.公路隧道巖質(zhì)圍巖亞級(jí)分級(jí)方法研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(10):1590 －1594.(WANG Ming-nian，LIU Da-gang，LIU Biao，et al.Methods for Surrounding Rock Sub-classification of Road Tunnels［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(10):1590 －1594.(in Chinese))

［15］王明年，陳煒韜，劉大剛，等.公路隧道巖質(zhì)和土質(zhì)圍巖統(tǒng)一亞級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31(2):547 －552.(WANG Ming-nian，CHEN Wei-tao，LIU Da-gang，et al.Study of Unified Standard of Rocky and Soil Surrounding Rock Sub-classification in Road Tunnels［J］.Rock ＆ Soil Mechanics，2010，31(2):547－552.(in Chinese))

［16］張奇華.巖體塊體理論的應(yīng)用基礎(chǔ)研究［M］.武漢:湖北科技技術(shù)出版社，2010.(ZHANG Qi-hua.Fundamental Research on Application of Rock Mass Block Theory［M］.Wuhan:Hubei Science ＆ Technology Press，2010.(in Chinese))

［17］HOEK E.Strength of Rock and Rock Masses［J］.ISRM News Journal，1994，2(2):4 －16.

［18］于學(xué)馥，鄭穎人，劉懷恒，等.地下工程圍巖穩(wěn)定性分析［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1983.(YU Xue-fu，ZHENG Ying-ren，LIU Huai-heng，et al.Stability Analysis for the Surrounding Rock of Underground Engineering［M］.Beijing:Coal Industry Press，1983.(in Chinese))

［19］DL/T5389—2007，水工建筑物巖石礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2007.(DL/T5389—2007，Construction Technical Specifications on Rock-foundation Excavating Engineering of Hydraulic Structures［S］.Beijing:China Electric Power Press，2007.(in Chinese))

［20］HOEK E，CARRANZA-TORRES C，CORKUM B.Hoek-Brown Failure Criterion:2002 Edition［C］∥ Proceedings of 5th North American Rock Mechanics Symposium and Tunneling Association of Canada Conference:NARMSTAC，2002:267－271.

［21］申艷軍，徐光黎，張 璐，等.基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的開挖擾動(dòng)引起圍巖變形特性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(7):1355－1362.(SHEN Yan-jun，XU Guang-li，ZHANG Lu，et al.Research on Characteristics of Rock Deformation Caused by Excavation Disturbance Based on Hoek-Brown Criterion［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(7):1355－1362.(in Chinese))