隧道围岩分级及其应用

隧道围岩分级是正确地进行隧道设计与施工的基础。一个较好的、符合地下工程实际情况的围岩分级，多改善地下结构设计，发展新的隧道施工工艺，降低工程蛰价，多快好省地修建隧道，有着十分重要的意义。

借用苏联的岩石坚固系数进行分类，即通常所谓的普氏系数。在长期大量的地下工程实践中发现：这种单纯以岩石坚固性（主要是强度）指标为基础的分类方法，不能全面反映隧道围岩的实际状态。逐渐认识到：隧道的破坏，主要取决于围岩的稳定性，而影响围岩稳定性的因素是多方面的，其中隧道围岩结构特征和完整状态，是影响围岩稳定性的主要因素。隧道围岩体的强度，对隧道的稳定性有着重要的影响，地下水、风化程度也是隧道围岩丧失稳定性的重要原因。

从围岩的稳定性出发，1975年编制了我国“铁路隧道围岩分类”，这个分类由稳定到不稳定共分六类，代替了多年沿用的从岩石坚固性系数来分级的方法。

我国公路隧道围岩分级起步较晚，随着我国经济的发展，公路交通得到较大的发展，大量的公路隧道修建，需要有一个适合我国工期的公路隧道围岩分级，于1990年，根据我国铁路隧道的围岩分级为基础，编制了我国“公路隧道围岩分级”。

从国内外的发展中可以看出，以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是总的趋势。但分级指标方面，大多数正在从定性描述、经验判断向定量描述发展。

2.1.1.1　隧道围岩分级的因素指标及其选择

围岩分级的指标，主要考虑影响围岩稳定性的因素或其组合的因素，大体有以下几种：

（1）单一的岩性指标

一般有岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量等物理力学参数；岩石的抗钻性、抗爆性等工程指标。在一些特定的分级中，如确定钻眼功效、炸药消耗量等，土石方工程中划分岩石的软硬、开挖的难易，均可采用岩石的单一岩性指标进行分级。一般多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为基本的分级指标，具有试验简单，数据可靠的优点。但单一岩性指标只能表达岩体特征的一个方面，用来作为分级的唯一指标是不合适的。如老黄土地层，在无水的条件下，强度虽然低，但稳定性却很高。

（2）单一的综合岩性指标

以单一的指标，反映岩体的综合因素。这些指标有：

①岩体的弹性波传播速度：弹性波传播速度与岩体的强度和完整性成正比，其指标反映了岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合因素。

②岩石质量指标（RQD）：岩石质量指标是综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的指标。所谓岩石质量指标是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率。钻探时岩芯的采取率、岩芯的平均和最大长度是受岩体原始的裂隙、硬度、均质性的影响的，岩体质量的好坏主要取决于岩芯采取长度小于10cm以下的细小岩块所占的比例。因此，岩芯采取率是以单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例来判断的。即：

③围岩的自稳时间：以被认为是综合岩性指标，隧道开挖后，围岩通常都有一段暂时稳定的时间，不同的地质环境，自稳时间是不同的，劳费认为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示：

式中：L-隧道未支护地段的长度；

a-视围岩情况在0～1之间变化，好的岩体可取a=0；极差的a=1。

劳费根据围岩的自稳时间和未支护地段的长度，将围岩分为：稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的七级。具体的取值标准可参考有关专著。

单一综合岩性指标一般与地质勘查技术的水平有关，因此，其应用受到一定的限制。

（3）复合指标

是一种用两个或两个以上的岩性指标或综合岩性指标所表示的复合性指标。具有代表性的复合指标分级，是巴顿等人提出的岩体质量-Q指标，Q综合表达了岩体质量的六个地质参数，见下式：

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。

以上六个参数的详细说明和取值标准可参考有关专著。这六个地质参数表达了岩体的岩块大小（RQD/Jh）、岩块的抗剪强度（Jr/Ja）、作用应力（Jw/SRF）。因此，岩体质量Q实际上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力的复合指标。根据不同的Q值，岩体质量评为九级。

复合指标是考虑多种因素的影响，对判断隧道围岩的稳定性是比较合理可靠的，它可以根据工程对象的要求，选择不同的指标。但是，复合指标的定量数值，一般是通过试验、现场实测或凭经验确定的，带有较大的主观因素。

通过以上分析，对隧道围岩的分级，首先应考虑选择的围岩稳定性有重大影响的主要因素，如岩石强度、岩体的完整性、地下水、地应力、结构面产状，以及他们的组合关系作为分级指标；其次选择测试设备比较简单、人为因素小、科学性较强的定量指标；在考虑分级指标要有一定的综合性，如复合指标等。总之应有足够的实测资料为基础，能全面反映围岩的工程性质。见表2-1。

表2-1　岩体质量评估

2.1.1.2　隧道围岩分级的方法

国内外隧道围岩分级的方法较多，所采用的指标也不同，但都是在隧道工程的实践基础上逐步建立起来的，随着人们对隧道工程、地质环境之间相互关系的认识和理解，其围岩分级方法也在逐步深化和提高。发展过程大体有以下几类型：

（1）按岩石强度为单一岩性指标的分级法

具有代表意义的是我国工程界广泛采用的岩石坚固系数“f”值分级法。这种方法的优点是指标单一，使用方便，尤其是在f值分类法中，还将定量指标f值与作用在支护结构上的围岩压力直接联系起来，给设计和施工带来较大的方便。缺点是不能全面地反映岩体固有的性态。

（2）按岩体构造和岩性特征为代表的分级法

如泰沙基分级法，1975年我国铁路工程技术规范中所采用的铁路隧道围岩分级法，属于这一类。这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。缺点是分级指标还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法，在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。(www.xing528.com)

（3）与地质勘查手段相联系的分级法

如1979年前后日本提出的按围岩弹性波速度进行分级方法、岩芯复原率分级法等，属于这一范畴。这类方法的优点是分级指标大体上是半定量的，同时考虑了多种因素的影响；其点是分级的判断还带有一定的主观性，如弹性波速度低，可能是有岩体完整，但岩质松软；地质坚硬，但比较破碎；地形上局部高低相差悬殊等几种原因引起的，就弹性波速度这一个指标，就很难客观地下出正确的结论。

（4）多种因素的组合分级法

如岩体质量“Q”法，我国国防工程围岩分级法等，属于这个范畴。这类方法是当前围岩分类法的发展方向，优点很多，只是部分定量指标仍需凭经验确定。

（5）以工程对象为代表的分类法

如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分类法，苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法，属于这一范畴。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，能指导施工。但分级指标以定性描述为主，带有很大的人为因素。

根据上述介绍可知，隧道围岩分类方法有简有繁，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应有所不同。在工程规划和初步期计阶段的围岩分级，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察工作，在工程设计和施工阶段，围岩分级应为专门的目的服务。如为设计提供依据的围岩分级，其判别依据主要是地质测绘资料、地质详勘资料、岩石和岩体的室内和现场试验数据。分级指标一般是半定量和定性的。为隧道施工钻爆提供依据的围岩分级，主要利用各种量测和观测到的实际资料对围岩分级进行补充修正，此时的分级的依据是岩体暴露后的实际值。

围岩分级的分阶段实施，是因为围岩分级除了取决于地质条件外，还和工程规模、形状、施工工艺等技术条件有关。

2.1.1.3　我国公路隧道围岩分级

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，下面介绍围岩分级的出发点和依据。

（1）公路隧道围岩分级的出发点

主要考虑了以下几点：

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分级指标应采用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。

⑤应考虑吸收其他围岩分级的优点，并尽量和我国其他工程分级一致。

（2）分级的指标和因素

主要考虑了以下几类影响围岩稳定性的因素：

①岩体的结构特征与完整性：岩体结构的完整状态是影响围岩稳定性的主要因素，目前主要是根据表2-2进行划分的，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，按表2-3确定；地质构造影响程度按表2-4确定。

表2-2　岩体完整程度的等级划分

表2-3　围岩结构面（节理）发育程度等级划分

表2-4　围岩受地质构造影响程度等级划分

②岩石强度：将岩浆岩、沉积岩、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及软质岩石二级，依饱和抗压极限强度Rb与工程的关系分为四种，其标准及代表性岩石见表2-5；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。

表2-5　岩石等级划分

③地下水：在公路隧道围岩的分级中，遇有地下水时，一般的处理采用降级的方法，可按下列原则调整围岩级别：

在VI级围岩或属于V级的硬质岩石中，一般地下水对其稳定性影响不大，可不考虑降低。

在VI级围岩或属于V级的软质岩石，应根据地下水的性质、水量大小和危害程度调整围岩级别，当地下水影响围岩稳定产生局部坍塌或软化软弱面时，可酌情降低l级。

Ⅲ级、Ⅱ级围岩已成碎石状松散结构，裂隙中有黏性土充填物，地下水对围岩稳定性影响较大，可根据地下水的性质、水量大小、渗流条件、动水和静水压力等情况，判断其对围岩的危害程度，可降低1～2级。

在I级围岩中，分级中已考虑了一般含水地质情况的影响，在特殊含水地层，需另做处理。

（3）公路隧道围岩分级

根据以上对分级因素和指标的分析，公路隧道围岩分级将围岩分为六级，给出了各级围岩的主要工程地质特征、结构特征和完整性等指标并预测了隧道开挖后，可能出现的坍方、滑动、膨胀、挤出、岩爆、突然涌水及瓦斯突出等失稳的部位和地段，给出了相应的工程措施。

（4）隧道施工围岩分级

施工阶段围岩级别的判定是一个重要而现实的问题。

施工阶段围岩分级的评定因素采用围岩坚硬程度、围岩完整性程度、和地下水状态三项因素，细分为三个子因素。

在三个因素中，最困难的是围岩完整性程度的评定，研究的重点是如何根据掌子面的地质数据评价围岩的完整程度。由于隧道开挖，掌子面的地质状态暴露无遗，为评定掌子面的稳定，提供了充分的基础。根据对国内外施工阶段围岩分级的调查，应采用多种方法对围岩完整程度进行分级，采用定性和定量相结合的方法。