关于结构面对土质围岩分级影响的探讨

曹宏伟，李 姝

(1.西南交通大学校园规划与建设处，四川成都610031;2.四川水利职业技术学院，四川都江堰611830)

近几年，随着国内经济的发展，越来越多的铁路、公路隧道和城市地铁遇到土质围岩或修建在土质围岩中，因此，必须对土质围岩的分级基准进行研究。由于我国目前所使用的围岩分级基准中，对土质隧道围岩分级所使用的指标大多是定性的，具有主观性，分级的准确性也较差。因此，提出准确的、能较全面反映围岩稳定性且易于操作的土质围岩分级标准，是迫切需要解决的问题，也是对国内现有围岩分级方法的补充和完善。

1 土质隧道围岩分级研究现状

目前国内外对岩质围岩、土质围岩两者的质量分级的判定方法已有上百种[1]～[3]，并且呈单一岩性指标→单一综合岩性指标→综合岩性指标→考虑围岩稳定性的发展[3]、[4]。在这些分级方法和规范中，对岩质围岩的级别判定基本统一了认识，确定了以强度、结构及所处环境因素为主的评价方法，代表的方法如RMR法、Q法等;而对土质围岩，研究较少，并且在认识上没有统一。

国内外早期对土质围岩的分级标准都是基于岩质围岩基础上提出的，考虑了与岩质围岩同样的分级指标。如前苏联的普氏(1906年)用反映岩石强度和岩体构造特征的综合指标岩体坚固性系数f值的大小，将土质隧道围岩分在稳定性较差的几个级别中;泰沙基(1946年)基于开挖中所形成的压力拱高度HP对岩土体进行分级;斯梯尼(1950年)和比尔鲍美(本德Bendel1948年)也利用了拱理论对岩质围岩进行了分级，同时直接将该分级方法用于土质隧道中;美国伊利诺斯大学的迪尔(Deere)将岩石质量指标RQD直接用于土质围岩分级中。对于土质围岩的分级也有一些专门的研究，如我国铁路、公路隧道围岩分级方法[5]、[6]，对土质围岩进行了比较详尽的分级，并从工程地质条件、结构特征和完整性状态进行定性的描述和评价，但是没有做到评价指标的定量化;日本国铁为了使矿山法适应城市的地质条件，通过围岩强度比、浸水崩解度对黏性土围岩进行了定量分级，但该分级主要来自于对膨胀岩的研究[7]，且该分级方法是通过统计应力比与隧道开挖后未支护情况下位移的关系得到的定量分级。由于土质隧道不支护的位移实测资料在国内很难取得，所以有待考证。然而有很多著名的分级方法却没有土质围岩的分级，如RMR法、Q法、SRC法[8]、我国工程岩体质量分级方法[9]等。

根据中国科学院地质所谷德振教授、王思敬院士提出的岩体结构分类方法，土质围岩应该为松散结构或散体结构，岩质围岩为碎裂～整体结构，因此，土质围岩的受力破坏形态和稳定特征与岩质围岩有一定区别。可以认为土质围岩采用与岩质围岩相同的评价标准是不合适的;对土质围岩的认识不一致，评价的指标不统一;没有考虑到分级方法的操作性，分级中定性与定量没有相结合;土质围岩的分级评价指标和量化有不足。

2 黏性土质围岩稳定性的结构面效应

2.1 黏性土体中结构面存在的实例

对于一些火成岩、沉积岩的残积土及全风化层，从表面上看属于黏性土或砂性土，且其物理力学指标也与一般的土近似，因此，在设计时一般都把其当做均质土体来处理，特别是在早期的边坡和基坑设计中。但是在实际施工的时候，经常发现这类土体中有很多结构面和微裂隙面。

深圳海关梅林单身宿舍楼拟在花岗岩残积土中修建地下室1层，基坑深约6 m，呈南北方向，开挖后发现基坑有产状为295～310°∠60 ～70°、20～40°∠70～85°和 345～35°∠10～20°的3组连通性较好的节理裂隙，在裂隙的切割下使得西边坡及南边坡形成大量崩滑面倾向于基坑的楔形体。在开挖过程中，因为重力和地下水的作用出现了局部的滑塌。厦门东通道海底隧道主要穿越花岗岩地层，浅埋段修建于花岗岩类的残积土、全风化层中。笔者在施工、在掌子面及边墙土体中发现许多的结构面，并且有些结构面贯通掌子面且将土体切割呈许多楔形体，见图1。

图1 厦门海底隧道掌子面围岩的结构面

除了花岗岩残积土及全风化层中有结构面，许多沉积岩地层如粉砂岩、泥岩、泥页岩等的全风化层尽管表面上表现出黏性土的性状，但土体内部同样有很多结构面。通过对元磨高速公路及城南高速公路的一些边坡和隧道进出口调查，同样发现沉积岩风化后形成的风化物保留了原岩的结构面和一些弱面。

2.2 隧道稳定性的结构面影响效应

目前国内外的围岩分级中，都考虑了围岩结构面对围岩级别判定的影响，而且文献[10]通过分析认为在地质力学分类中，结构面要素占总评分的75%;在Q分类体系中，几乎全部6个要素均与结构面有关。因此，结构面在隧道的稳定性分级中有着重要的地位，也表明了结构面对稳定性起控制作用。

文献[11]发现裂隙的存在不仅破坏了土体的连续性，造成了应力集中，而且结构面的不利组合控制了土体滑动面的形状;文献[12]等发现土体中裂隙的存在不仅控制土坡的稳定，也对地基的变形破坏也产生影响，荷载试验表明，裂隙土体的变形往往呈跳跃形式，表现出某些脆性破坏的特性，土体在荷载作用下依次沿裂隙发生失稳破坏;深圳海关梅林单身宿舍楼的基坑设计时尽管安全系数大于1.3，但是在施工中沿裂隙面发生过多次大量塌方[13]。

3 黏性土质围岩分类及分级思路

3.1 黏性土质围岩分类

黏性土质围岩因在力学上表现出粘滞性的性质而与表现拱效应的砂性土围岩相区别，然而通过上面的分析知道黏性土质围岩主要包括第四系形成的黏性土和一些沉积岩、火成岩的黏性风化产物。对于由沉积岩、火成岩的黏性物组成的围岩，因为其表现出的物理力学性质和性状与一般黏性土一样，但又继承和包含了母岩中的软弱结构面及风化过程中产生的新结构面，同时这些结构面对隧道的稳定性起到重要作用，故定义为类黏土质围岩。类黏土质围岩定义的提出，是对土体象岩体一样含有结构面并且注意到这些软弱面对隧道稳定性的影响有重要意义。

从力学分析上看，第四系的普通黏性土土质围岩可以看作连续介质;而类黏土质围岩由于本身的结构影响，计算分析时是当作连续介质还是非连续介质取决于结构面的大小，文献[19]提出对于土体中含结构面的变形计算可采用离散单元方法。因此，在进行黏性土质围岩分级及围岩稳定性的影响分析时，应将黏性土质围岩分为黏性土土质围岩和类黏土质围岩两类考虑。

3.2 黏性土质围岩分级思路

由于围岩的稳定性影响因素很多，需要进行影响因素的敏感性分析，从而找出影响围岩稳定性的主要控制因素和次要的因素，在分析过程中，必须注意黏性土土质围岩与类黏土质围岩的区别。围岩分级的目的就是为了正确地、合理地解决与隧道支护有关的问题，因此，提出正确的支护参数是顺利施工的前提。分级中，通过确定黏性土质围岩各级别的物理力学指标，然后根据专家经验得到各级围岩对应的多种支护参数，再通过耦合计算分析专家经验提出的支护参数的安全性进行支护设计参数的选取。将提出的围岩分级和支护参数应用于实际工程中，然后修改和调整围岩级别和支护参数。具体分级研究思路见图2。

图2 黏性土质隧道围岩分级研究思路

4 结论

国内尽管对土质围岩进行了分类描述，但是没有定量的评价，更没有考虑到土质围岩中结构面的影响。结构面的存在降低了围岩整体的力学性质，增大了土体的渗透系数，同时，结构面与隧道轴线的夹角和结构倾向与围岩的稳定性有重要的影响作用;黏性土质围岩结构面的存在促进了围岩的变形和松动塌落。在围岩稳定性分级中将黏性土质围岩分为黏性土土质围岩和类黏土质围岩两类，并给出了类黏土质围岩的定义;提出了黏性土质围岩的分级研究思路，以为进一步研究提供支持。

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[3]沈中其，关宝树.铁路隧道围岩分类[M].成都:西南交通大学出版社，2000

[4]关宝树.国外隧道围岩分类的现状和发展[J].隧道译丛，1972(4):1－3

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[8]L.I.Gonzalez de Vallejo.SRC rock mass classification of tunnels under high tectonic stress excavated in weak rocks[J].Engineering Geology，2003(69):273－285

[9]GB 50218－94工程岩体分级标准[S]

[10]杜时贵，周庆良，孙有法.公路隧道围岩稳定的结构面影响[J].中国公路学报，1997，10(2):64－69

[11]王桢.裂土边坡坍滑稳定性分析[J].岩土工程学报，1992，14(4):25－31

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[13]黄汉盛，江永存.花岗岩残积土中微裂隙对基坑安全的影响[J].地质科技情报，2005(S1):69－74