圍巖分級(jí)方法的分析與問題討論

□唐曉松 何 佳 王永甫

一、圍巖分級(jí)方案

圍巖分級(jí)是地下工程設(shè)計(jì)施工的前提，隨著對(duì)巖體力學(xué)特性認(rèn)識(shí)的不斷深入、地下工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累和施工技術(shù)的快速發(fā)展，圍巖分級(jí)方法不斷改進(jìn)和完善，從單因素分級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合的多因素分級(jí)；從定性分析過渡到定量與定性相結(jié)合的分級(jí)；從單純的現(xiàn)象學(xué)分級(jí)研究，向與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)等研究相結(jié)合的方向發(fā)展[1～5]。

目前，國內(nèi)外提出的圍巖分級(jí)方法近百余種，不同的分級(jí)方法考慮的側(cè)重點(diǎn)不同，適用的地質(zhì)條件和工程條件也有一定差別。有代表性的分級(jí)方案大致可分為以下四大類。

(一)單一指標(biāo)分級(jí)。普氏堅(jiān)固系數(shù)(f)法、迪爾的巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD法、捷克抗拉強(qiáng)度分級(jí)法、勞費(fèi)爾分級(jí)、太沙基載荷分級(jí)、波波夫分級(jí)等。

(二)多指標(biāo)并列分級(jí)。錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范、水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范、鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范、新奧地利隧道法NATM、國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)分級(jí)等。

(三)多指標(biāo)復(fù)合分級(jí)。Q系統(tǒng)分級(jí)法、巖石質(zhì)量系數(shù)Z法、坑道工程圍巖分級(jí)等(積商法)，巖石構(gòu)造評(píng)價(jià)RSR法、地質(zhì)力學(xué)分級(jí)RMR法、QTS巖石分級(jí)法、塊度模數(shù)MK法、工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等(和差法)，鐵路隧道圍巖分級(jí)的專家系統(tǒng)、鐵路隧道圍巖分級(jí)專家系統(tǒng)等(專家系統(tǒng)分析)。

(四)巖體介質(zhì)力學(xué)屬性。人工洞室圍巖分級(jí)、地下洞室圍巖分級(jí)等。

各種圍巖分級(jí)方案基本上都是以圍巖穩(wěn)定性為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，考慮了巖石強(qiáng)度、巖體完整性及結(jié)構(gòu)面性狀、巖體賦存的環(huán)境條件(地下水、地應(yīng)力等)。

二、圍巖分級(jí)方法的分析

(一)基本情況。分析目前的圍巖分級(jí)方法可以看出，圍巖分級(jí)定性的定量指標(biāo)，通常分為地質(zhì)因素、工程因素、分級(jí)判據(jù)三大類，具體包括巖石強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)、巖體完整性和結(jié)構(gòu)面狀態(tài)等指標(biāo)，如表1所示。

表1 圍巖分級(jí)定性定量指標(biāo)表

(二)主要特點(diǎn)。不同規(guī)范的圍巖分級(jí)適用對(duì)象主要有兩類，一類全國和各種行業(yè)通用，如《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，另一類適用于規(guī)定的行業(yè)，如《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，其中：《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》采用定性定量相結(jié)合的方式進(jìn)行圍巖分級(jí)?！跺^桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》采用定性為主劃分圍巖等級(jí)，并考慮了地質(zhì)構(gòu)造的影響，前者劃分方法具有代表性，后者劃分方法較為簡(jiǎn)單，但兩者對(duì)巖體完整性的考慮均不夠全面。定性定量相結(jié)合的劃分方法優(yōu)于定性劃分，可以更加科學(xué)合理地區(qū)分圍巖等級(jí)?！跺^桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》都采用了巖體縱波波速作為圍巖分級(jí)的指標(biāo)。其中《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》只是將波速作為圍巖完整性指標(biāo)之一，后兩者則將波速作為分級(jí)的基本指標(biāo)，與定性分級(jí)并重。各規(guī)范各級(jí)圍巖波速取值有所不同，最新《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)按波速分級(jí)相對(duì)比較細(xì)致，但仍需進(jìn)一步研究。工程因素影響方面，所有規(guī)范圍巖分級(jí)均定性考慮了毛洞圍巖穩(wěn)定性，《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮了洞軸線與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)涉及跨度因素，即通過工程類比法給出了各級(jí)圍巖在不同跨度下隧洞的支護(hù)參數(shù)，但跨度影響沒有體現(xiàn)在圍巖分級(jí)中。

(三)共同點(diǎn)。一是各種圍巖分級(jí)的依據(jù)均為圍巖的穩(wěn)定性，圍巖穩(wěn)定性與地質(zhì)、工程因素有關(guān)，但都沒有考慮工程因素中的跨度因素。二是不同圍巖分級(jí)方法的圍巖等級(jí)一般劃分為5、6級(jí)，適用于巖石的地下工程圍巖分為5級(jí)，而對(duì)適用于巖石和土的地下工程圍巖分為6級(jí)，最后一級(jí)基本都是土。三是各類圍巖分級(jí)方法都以巖石強(qiáng)度和巖體完整性作為基本指標(biāo)，其中巖石強(qiáng)度指標(biāo)，以巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為定量指標(biāo)；完整性定量指標(biāo)，有的采用巖體完整性系數(shù)，有的采用巖體縱波波速，也有采用巖石質(zhì)量指標(biāo)。四是圍巖分級(jí)的輔助指標(biāo)主要為地下水狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面狀態(tài)，洞軸結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系、地應(yīng)力大小(巖體強(qiáng)度應(yīng)力比)。輔助指標(biāo)的處理方式有兩種，有的與基本指標(biāo)綜合考慮，有的采用降級(jí)處理。

三、當(dāng)前圍巖分級(jí)存在問題的討論

圍巖分級(jí)本身是一種經(jīng)驗(yàn)性的定性的方法，但需要通過一定的定量指標(biāo)，并進(jìn)行合理的綜合，通過某些定量指標(biāo)給出較為準(zhǔn)確的定性圍巖等級(jí)，為工程設(shè)計(jì)、施工奠定基礎(chǔ)。各種圍巖分級(jí)方法所包含和涉及的因素并不相同，這是由于目前的圍巖分級(jí)仍是各自經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的成果，一直沒有形成較一致的認(rèn)識(shí)。存在的問題主要有如下幾點(diǎn)：

(一)針對(duì)性不強(qiáng)。目前各種圍巖分級(jí)方法的適用范圍總體上比較粗獷，沒有與特定行業(yè)或地區(qū)的實(shí)際需求密切結(jié)合。圍巖分級(jí)時(shí)考慮的分級(jí)影響因素宜少不宜多，并應(yīng)在具體應(yīng)用時(shí)抓住影響圍巖穩(wěn)定性的主要關(guān)鍵因素。

(二)圍巖分級(jí)中未考慮工程跨度因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。眾所周知，圍巖的穩(wěn)定性主要取決于地質(zhì)因素和工程因素，目前各種規(guī)范圍巖分級(jí)時(shí)大都僅注重地質(zhì)因素的分析，僅考慮洞軸線與結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系這一工程因素，忽略了重要的工程跨度因素。

(三)為提高圍巖分級(jí)的準(zhǔn)確性，定性與定量相結(jié)合的方法顯然優(yōu)于定性的方法，根據(jù)各規(guī)范分級(jí)特點(diǎn)，可以考慮以國標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》為基礎(chǔ)進(jìn)行分級(jí)，并采用BQ公式確定定量指標(biāo)，但目前標(biāo)準(zhǔn)中定性特征與定量BQ值不夠協(xié)調(diào)的問題需要進(jìn)一步修正完善。

(四)BQ指標(biāo)的計(jì)算取決于巖石強(qiáng)度和巖體完整性，以I級(jí)圍巖為例，當(dāng)前普遍規(guī)定巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于60MPa的為堅(jiān)硬巖，相當(dāng)于C60高強(qiáng)混凝土，這對(duì)一般跨度隧洞而言要求過高，過于保守。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，隨著跨度增加，在保證同等穩(wěn)定性的情況下，對(duì)巖石堅(jiān)硬程度的要求也會(huì)提高，因此劃分巖石堅(jiān)硬程度指標(biāo)需結(jié)合跨度因素進(jìn)行調(diào)整。

(五)與巖石堅(jiān)硬程度類似，隨著跨度增加，在保證同等穩(wěn)定性的情況下，對(duì)巖體完整性的要求也會(huì)相應(yīng)提高，同樣需要結(jié)合跨度因素對(duì)巖體完整性指標(biāo)作適當(dāng)調(diào)整。此外，考慮到巖體完整性的重要性，對(duì)巖體完整性系數(shù)Kv系數(shù)的確定方法仍需要開展進(jìn)一步研究。

(六)目前，BQ指標(biāo)系統(tǒng)都采用兩步走確定圍巖等級(jí)，首先確定基本BQ值，然后通過輔助指標(biāo)修正確定最終的圍巖級(jí)別。其中，輔助指標(biāo)修正大都采用系數(shù)法計(jì)算確定，但修正系數(shù)都為范圍值，且偏差過大，既繁瑣又不準(zhǔn)，采用降級(jí)方法更便于實(shí)際應(yīng)用。

(七)各規(guī)范均提供了各級(jí)圍巖物理力學(xué)參數(shù)，但大都沿用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨著對(duì)隧洞設(shè)計(jì)計(jì)算要求的提高，對(duì)圍巖物理力學(xué)參數(shù)的要求也隨之提到，因此需要進(jìn)一步確定科學(xué)合理的圍巖計(jì)算參數(shù)。