1、第 31卷 第 10期 巖 土 工 程 學 報 Vol.31 No.10 2009年 10月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Oct. 2009 公路隧道巖質圍巖亞級分級方法研究王明年,劉大剛,劉 彪,李海軍(西南交通大學,四川 成都 610031摘 要 :現行公路隧道圍巖分級方法某些圍巖級別跨度較大,不能滿足實際施工的需要,鑒于此,針對、級 巖質圍巖進行了較為全面、系統的圍巖亞級分級研究。首先通過數值試驗對 3種巖質圍巖的自穩性進行研究,并根據 各圍巖的自穩性表現特征進行圍巖亞級級別劃分,建立圍巖亞級分級理論標準,然后結合現場采集的大量

2、圍巖樣本數 據統計分析結果,最終確定圍巖亞級分級的判定方法。以上研究對現行公路隧道圍巖分級方法起到了細化和完善的作 用,同時也可作為公路隧道設計、施工參考之用。關鍵詞 :公路隧道;巖質圍巖;圍巖亞級分級中圖分類號:U451.2 文獻標識碼:A 文章編號:1000 4548(200910 1590 05作者簡介 :王明年(1965 ,男,安徽舒城人,教授,博士生導師,主要從事隧道與地下工程方面研究。 E-mail: 19910622。Methods for surrounding rock sub-classification of road tunnelsWANG Ming-nian, LIU

3、 Da-gang, LIU Biao, LI Hai-jun(Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, ChinaAbstract :The classification of surrounding rock is rough in the code for design of road tunnels, and it can not satisfy the construction requirements. Therefore, the sub-classification of surrounding rock is studied.

4、 Firstly, the rock stability of , and levels is studied by use of numerical methods, and the partition method and the criterion of rock sub-classification are put forward based on the characteristics of rock stability. Then, samples of field data are employed. Finally, the method for rock sub-classi

5、fication is proposed. The results play a role in the improvement of the surrounding rock classification. It can give reference to the design and construction of tunnel structures.Key words:road tunnel; surrounding rock; sub-level classification0 引 言圍巖分級,是指針對不同的工程要求(如開挖、 支護、爆破、編制定額等把與之相適應的地質條件 進行等級劃分

6、,以滿足隧道設計和施工的需要。圍巖 分級根據研究目的不同其分級方法也有所不同, 目前, 國內外既有和現行的圍巖分級方法大多屬于圍巖穩定 性分級方法 1。我國公路隧道圍巖分級主要依據文獻 2中的圍巖分級方法進行, 該方法將圍巖質量由好至 壞共分為六級,其中巖質圍巖屬級,土質圍巖 屬級。然而在工程實踐中發現,隧道開挖后的 實際地質條件經判定經常會處于兩級圍巖之間,這種 現象在、級圍巖中尤為突出,由于現行公路 隧道圍巖分級沒有給出圍巖亞級分級的方法,也沒有 相應的圍巖亞級施工方法、支護結構參數、預加固措 施等說明,現實中不得不按照較低圍巖級別的方法進 行處理,從而使隧道建設過于保守,造成浪費。為提

7、高隧道支護的優化程度,有必要對穩定性較復雜、施 工方法、支護結構參數等相對多樣化的、級 圍巖進行更加細致地級別劃分即進行圍巖亞級分級。 本文即以、級巖質圍巖為研究對象,通 過數值試驗研究各圍巖的穩定性,并以此建立圍巖亞 級分級理論標準,同時結合現場采集的大量圍巖樣本 數據統計分析結果, 最終確定圍巖亞級分級判定方法, 以達到細化和完善現行公路隧道圍巖分級方法目的。1 圍巖亞級分級理論標準圍巖穩定性在施工階段主要表現為圍巖的自穩 性,而自穩性又可由毛洞的自穩跨度來表達,因此可 采用數值試驗的方法來獲取、級巖質圍巖自 穩跨度數值,以此建立圍巖亞級分級理論標準。 1.1 數值試驗試驗采用 ANSYS

8、 有限元軟件進行,為較好模擬 基金項目:交通部西部交通建設科技項目(2004-318-000-30收稿日期:2008 05 30第 10期 王明年,等 . 公路隧道巖質圍巖亞級分級方法研究 1591 圍巖中結構面的離散不連續特性,引用了節理單元計 算模型,并采用面面接觸來模擬結構裂隙。試驗中以 圍巖結構面發生破壞即巖石脫離圍巖而發生掉塊或塌 方作為主要破壞模式, 在判斷圍巖是否掉塊或塌方時, 采用塊體極限平衡理論作為判定基準 3。數值試驗中,塌方高度主要由塌方處最低點和最 高點間的豎向距離來確定,塌方類型的判斷主要以塌 方高度為衡量標準,參照文獻 2中表 A.0.5進行。(1數值試驗模型為使研

9、究具有通用性,模型計算斷面尺寸根據文 獻 2中兩車道 v =100 km/h情況的標準斷面和公路隧 道建筑限界橫斷面組成最小寬度表來確定,并保持高 跨比為 0.75不變。模型總寬度取 5倍洞跨,下部取 1倍洞跨,覆土深度取各級圍巖一般深埋情況,即級 圍巖 10 m,級圍巖 20 m,級圍巖 40 m。計算中 詳細考慮了不同巖石強度、 結構面因素 (角度、 組數、 間距等的各種組合情況,結構面均勻分布在計算域 中,采用接觸單元 Targe170和 Contal174來模擬結構面, Solid95單元模擬巖石塊體。 典型計算模型見圖 1。圖 1 典型計算模型示意圖Fig. 1 Sketch map

10、 of typical calculation model(2物理力學參數巖石物理力學參數主要參考文獻 4和文獻 5確 定,具體見表 1。結構面物理力學參數主要采用文獻 2中巖體結構面抗剪斷峰值強度表,具體見表 2。結 構面傾角選取各結構面組數所對應的最不利傾角數 值,具體見表 3。(3試驗組合參照現行公路隧道圍巖分級標準和鐵路隧道圍巖 分級標準中各級圍巖定性特征的描述內容,可以根據表 1 巖石物理力學參數 Table 1 Mechanical parameters of rock巖石 單軸抗壓 強度代表 值 /MPa變形 模量/GPa泊松比 內摩 擦角 /( 黏聚 力 /MPa堅硬巖80.2

11、 32 0.25 55.0 2.3上限 59.6 24 0.26 48.8 2.0較堅 硬巖 下限 30.5 23 0.27 40.1 1.7 較軟巖 26.3 20 0.28 38.9 1.5 軟巖10.0 11 0.40 34.0 1.0表 2 結構面物理力學參數Table 2 Mechanical parameters of structural plane 巖石 兩側巖體的堅硬程度和結構面的結合程度內摩擦 角 /(黏聚力/MPa 1 堅硬巖,結合好 37 0.22 2 堅硬巖較堅硬巖, 結合一般; 較軟巖,結合好37290.220.12 3 堅硬巖較堅硬巖,結合差; 較軟巖軟巖,結合一

12、般 29190.120.08 4 較堅硬較軟巖,結合差結 合很差;軟巖,結合差;軟質 巖的泥化面19130.080.055較堅硬巖及全部軟質巖,結合 很差;軟質巖泥化層本身13 3組取 4組為代表值。 結構面平均間距取值為:1.0 m取 1.5m 為代表值; 1.00.4 m取 1.0, 0.7, 0.4 m三種情況; 0.40.2 m取 0.3 m為代表值; 3 0.40.2好 堅硬巖較破碎 差 較堅硬巖較完整 好或一般 2軟硬巖互層 , 以硬巖為主較完整 較發育好或一般 較軟巖軟硬巖互層,以軟巖為主較完整 較發育 23 1.00.4好或一般 1軟巖 完整不發育 12 1.0好或一般 較堅硬

13、巖好較軟巖 2軟硬巖互層,以軟巖為主較破碎發育3 0.40.2一般 堅硬巖較堅硬巖 破碎 極發育 3 3 0.20.4好 極發育 0.2一般或差 較軟巖破碎 發育 0.20.4差 極發育 30.20.4一般 2各類圍巖極破碎無序很差2.1 定性分級方法根據上述各巖質圍巖指標值組合分組的自穩性數 值試驗結果,同時結合圍巖亞級分級理論標準,可確 定各級圍巖的亞級定性分級方法,具體見表 6。 2.2 定量分級方法目前,公路隧道圍巖分級方法主要采用公式(1 計算所得的圍巖基本質量指標 BQ 值對圍巖級別進行 定量分級,由于圍巖亞級分級是對現行圍巖分級方法 的一種細化和補充,因此可采用相同的圍巖分級評價

14、 指標,對于圍巖亞級定量分級而言,其核心內容主要 是確定出各亞級圍巖的 BQ 值分級標準。研究中,筆 者所在的課題組成員于現場采集了共 310個圍巖樣 本, 每個樣本均包含巖石單軸飽和抗壓強度 R c 值、 巖 體完整性系數 K v 值及圍巖樣本的亞級分級級別 (按現 場相關專家經驗確定 ,樣本數量及其分布見表 7。c v BQ 903250R K =+ 。 (1利用公式 (1 對表 7中各樣本進行計算, 可獲得每個樣本亞級級別所對應的 BQ 值,據此可畫出各亞 級圍巖 BQ 值在 R c K v 關系圖中的分布范圍,如圖 5所示。表 7 圍巖亞級分級樣本數量及其分布 Table 7 Quan

15、tity and distribution of sample sets forsub-classification of surrounding rock 亞級級別 樣本數量1 51 2 51 1 342 39 3 371 39 2 59合計310由圖 5可知,、級各亞級圍巖其 BQ 值 分布范圍并不是等分的,對各圍巖樣本亞級 BQ 值分 別進行統計,最終確定各亞級圍巖 BQ 值分級標準見 表 8。1594 巖 土 工 程 學 報 2009年 圖 5 各亞級圍巖 BQ 值在 R c K v 關系圖中的分布范圍 Fig. 5 Distribution of BQin the relation

16、map between R c and K v 表 8 各亞級圍巖 BQ 值分級標準Table 8 Standards for sub-classification of surrounding rock using BQ亞級級別 BQ值范圍1 4503912 3903511 3503112 3102763 2752511 2502112 210通過對上述 310個圍巖樣本各亞級圍巖 BQ 值的 自檢符合率分析可知, 1, 2, 1, 2, 3, 1, 2的自檢符合率分別為 80.4%, 84.3%, 85.3%, 80.0 %, 80.1%, 84.6%, 93.2%,由此可見,采用表 8中

17、 BQ 值分級標準進行圍巖亞級定量分級是可行的,其 判定結果具有較高的可信度。3 結 論通過本文的研究,可得出如下結論:(1公路隧道巖質圍巖根據其自穩性表現特征, 級圍巖可分為兩個亞級級別,級圍巖可分為 3個 亞級級別,級圍巖可分為兩個亞級級別。(2 圍巖亞級定性分級方法詳見本文表 6, 該方 法采用巖石堅硬程度、巖體完整程度兩項定性指標可 簡單、方便、較為準確地對圍巖亞級級別進行定性劃 分。(3 圍巖亞級定量分級方法可采用圍巖基本質量 指標 BQ 值作為評價指標,各亞級圍巖 BQ 值分級標 準詳見本文表 8,該方法對圍巖亞級級別的定量劃分 結果具有較高的可信度。參考文獻:1 王明年 . 公路

18、隧道圍巖分級指標體系與動態分類方法研究 D. 成都 : 西南交通大學 , 2007. (WANG Ming-nian. Study on index systems and dynamic classification methods of highway tunnel surrouding rock classificationD. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2007. (in Chinese2 JTG D70 2004 公路隧道設計規范 S. 北京 : 人民交通出 版社 , 2004. (JTG D70 2004 Code for design of road tunnelS. Beijing: China Communication