隧道工程：围岩分级简介

围岩分级的原则有多种，它是在人们对隧道工程的不断实践和对围岩的地质条件逐渐加深了解的基础上发展起来的。不同的国家、不同的行业根据各自的工程特点提出了各自的围岩分级原则。现行的许多围岩分级方法中，作为分级的基本要素大致有以下几类：

第Ⅰ类：与岩性有关的要素，例如分为硬岩、软岩、膨胀性岩类等。其分级指标是采用岩石强度和变形性质等，例如岩石的单轴抗压强度、岩石的变形模量或弹性波速度等。

第Ⅱ类：与地质构造有关的要素，如软弱结构面的分布与性态、风化程度等。其分级指标采用诸如岩石的质量指标、地质因素评分法等等。这些指标实质上是对岩体完整性或结构状态的评价。这类指标在划分围岩的级别中一般占有重要的地位。

第Ⅲ类：与地下水有关的要素。

第Ⅳ类：与隧道跨度和施工方法有关的要素。

国内外围岩的分级方法，考虑上述几方面基本要素，按其性质主要分为如下几种：

1．以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法

（1）以岩石强度为基础的分级方法。

这是最早的围岩分级方法，单纯以岩石的单轴抗压强度为依据。例如我国20世纪50年代以前（如修成渝线时）的土石分级法，即把岩石分为坚石、次坚石、松石及土4类，并设计出相应的四种隧道衬砌结构类型；在国外，如日本初期采用的“国铁铁石分级法”。

这种分级方法认为坑道开挖后，它的稳定性主要取决于岩石的强度。岩石愈坚硬，坑道愈稳定；反之，岩石愈松软，坑道的稳定性就愈差。实践证明，这种认识是不全面的，例如我国陕北的老黄土，无水时直立性很强，稳定性相当高，在无支护条件下可维持十几年、几十年之久，但其单轴抗压强度却很低，只有零点几兆帕；又如在江西、福建一带的红砂岩，整体性好，坑道开挖后稳定性较好，但其强度却不高。可见单纯以岩石强度为基础的分级方法并不能反映岩体的特性，分类过于粗略，后来被“岩石坚固性系数分类法”代替。

（2）以岩石的物性指标为基础的分级方法。

在这类分级方法中具有代表性的是苏联普洛托奇雅柯诺夫教授提出的“岩石坚固性系数”分级法（或谓之“f ”值分级法，或叫普氏分级法），把围岩分成10类。这种分级法曾在我国的隧道工程中得到广泛的应用。f值是一个综合的物性指标值，它表示岩石在开挖时各个方面的相对坚固性，如人工破碎岩石时的抗破碎性、隧道掘进时岩石的抗钻性、抗爆性、强度等等。但从确定f值的主要方法来看，主要采用强度试验方法，再兼顾其他指标，即用f岩石=Rc/(100～150)（Rc为岩石饱和单轴极限抗压强度）表示。它仍是属于以岩石强度为指标的分类方法，依然不能全面反映坑道围岩的固有状态。

我国工程部门在将f值分级法应用到隧道工程的设计、施工时，已注意到必须考虑岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的f值适当降低，即岩体的坚固系数f岩石=Kf岩石，f岩石值是由岩石强度决定的，K是考虑地质条件的折减系数，一般情况下K＜1.0。这是对隧道工程与地质条件正确认识的一个反映。

2．以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法

（1）太沙基分级法。

这种分类方法以太沙基分类法为代表。太沙基分类法考虑了岩体的构造、岩性及地下水的影响，把围岩分成9类，每类都有一个相应的地压范围值和支护措施建议。该法在分级时是以隧道有水为基础的，确认无水时4～7类围岩的地压值应降低50%。这一分级方法曾长期被各国采用，至今在欧美等国家的地下工程围岩分类中仍有广泛的影响。

（2）以岩体综合物性为指标的分级方法（以围岩稳定性为基础的分类法）。

20世纪60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”，并于1975年经修正后正式作为铁路隧道围岩分级方法。该方法将隧道围岩分为6类，后来多次修订后列入我国现行的《铁路隧道设计规范》。

3．与地质勘探手段相联系的分级方法

（1）按弹性波（纵波）速度的分级方法。

弹性波在岩体中传播时，结构面不仅将使岩体中的波速明显下降，而且会使其能量有不同程度的消耗。所以，弹性波速的变化能反映岩体的结构特性和完整性，它既可反映岩石软硬，又可表达岩体结构的破碎程度。随着工程地质勘探方法，尤其是物探方法的进展，1970年前后，日本提出按围岩弹性波速度进行分级的方法，根据岩性、地性状况及土压状态，将围岩分成7类。我国从1986年起，也开始将围岩弹性波（纵波）速度引入围岩分级法中，将围岩分为6级（表2-4-1）。

表2-4-1　弹性波（纵波）速度分级法

（2）以岩石质量为指标的分级方法——RQD方法。

岩石质量指标RQD（rock quality designation）由美国伊利诺伊大学迪尔等人于1963年提出，后被用于对围岩分类的指标。岩石质量指标RQD是修正的钻探时岩心复原率，或称岩心采取率，即单位长度钻孔中10 cm以上的岩心占有的比例，可写为

一般认为钻探获得的岩心其完整程度与岩体原始裂隙、硬度、均质性等状态有关，因此可以用岩心复原率来表达岩体的质量。据此，该分级法将围岩分为5级，如表2-4-2。分级也给出相应的地压值及可采取的支护系统。

表2-4-2　RQD分级法

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4．组合多种因素的分级方法

这种分级法是当前围岩分级法的发展方向，优点很多，只是部分定量指标仍需凭经验确定。岩体质量（Q）分类法、RMR法以及BQ法等属于这个范畴。

（1）岩体质量（Q）分类法。

岩体质量（Q）分类法于1974年由挪威地质学家巴顿等人提出，也称为巴顿围岩分类法，是对围岩按岩体质量Q分类，如表2-4-3所示，其中岩体质量Q的计算式为

式中　RQD——岩石质量指标；

Jh——节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大；

Jr——节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小；

Ja——节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大；

Jw——节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，Jw取值愈小；

SRF——应力折减系数，围岩初始应力愈高，SRF取值愈大。

以上6个参数的详细说明和取值标准可参阅有关专著。

进一步分析可知，式中　RQD /Jh表示岩块的大小，Jr/Ja表示岩块间的抗剪强度，Jw/SRF表示地下水与初始地应力对岩体质量的影响。

表2-4-3　岩体质量（Q）分类法

（2）比尼奥斯基的地质力学分类（RMR）方法

这种分级方法于1974年由南非比尼奥斯基提出，亦称RMR分级法。其特点是根据岩石强度（单轴抗压强度及点荷载强度）、岩石的RQD、不连续面间距、不连续面特征、不连续面产状与洞室的关系以及地下水状况等6个方面的因素对岩体分别进行评分，并将总的岩体评分值RMR值作为衡量岩体工程质量的综合特征值，把岩体分为5个等级，见表2-4-4。

表2-4-4　RMR分级法

5．以工程对象为代表的分级法

这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分级法（1979年）、苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法（1966年）以及20世纪80年代中后期建立的三峡工程坝基岩体质量分级和评价方法（简称多因子组合的“三峡YZP法”）。这类方法的优点是目的明确，而且和支护尺寸直接挂钩，使用方便，对指导施工起到了较大作用。但该法分类指标以定性描述为主，带有很大的人为性。

综上所述，围岩分级是多种多样的，至今还没有一个统一的分级方法。但从发展趋势看，围岩的分级方法有以下几方面的发展趋势：

（1）分级应主要以岩体为对象。单一的岩石只是分级中的一个要素，岩体则包括岩块和各岩块之间的软弱结构面。因此分级的重点应放在岩体的研究上。

（2）分级宜与地质勘探手段有机地联系起来，这样才有一个方便而又较可靠的判断手段。随着地质勘探技术的发展，这将使分级指标更趋定量化。

（3）分级要有明确的工程对象和工程目的。目前，多数的分级方法都与坑道支护相联系，坑道围岩的稳定性、坑道开挖后暂时稳定时间等与支护方法和类型密切相关。因而进行分级时以此来体现工程目的是不可缺少的。

（4）分级宜逐渐定量化。目前，大多数的分级指标是经验或定性的，只有少数分级是半定量化的。这是由于客观条件的地质体非常复杂。

值得注意的是，近年国内外有关学者提出采用模糊数学分级，根据坑道周边量测的收敛值分级，采用人工智能——专家系统分级等等的建议。这些设想都将使围岩分级方法日趋完善。

由上述可知，隧道围岩分级方法有简有繁，并无统一格式。目前，国内外许多学者都认为，隧道围岩分级的详细程度，在工程建设的不同阶段可以有所不同。在工程规划和初步设计阶段的围岩分级，可以定性评价为主，判别的依据主要来源于地表的地质测绘以及部分的勘探工作。在工程的技术设计和施工设计阶段，围岩分级是为专门目的服务的，如为支护结构设计服务的围岩分级，为钻爆工作服务的围岩分类等。围岩类别除了取决于地质条件外，还应和工程尺度、形状、施工工艺技术等条件有关。其判别依据除了地质测绘资料外，更重要的是详细勘探（包括钻探、坑探、物探等）资料和岩石（体）的室内和现场试验数据。这一阶段的分类指标应该是半定量的或定量的。在施工阶段，应利用各种量测和观测到的实际资料对围岩分类进行补充修正，此时的分类仍属第二阶段的详细分类，但数据则是岩体暴露后的实际值。