基于BQ值和大地电磁法的公路隧道围岩分级

张举智，王晓明

（河北省交通规划设计院，河北 石家庄050011）

0 引言

近年来，随着国内交通事业的飞速发展，公路隧道的规划建设量逐步加大，隧道数量越来越多，长度越来越长。在复杂的地理地质环境下，隧道勘察精度不足易造成投资增加、工期延误、发生灾害等不良后果。隧道围岩分级在隧道建设中发挥的作用越来越明显，对其精度的要求也越来越高。

本文主要针对BQ 值法在隧道围岩划分中存在的一些问题，结合EH—4 大地电磁测量方法，对确定隧道围岩等级进行了探讨，并以河北省石家庄市西部某隧道为例进行了分析。

1 BQ值法的应用及存在的问题

BQ 值法主要以岩石坚硬程度Rc和岩体完整程度Kv作为基本计算指标，同时结合地下水、主要软弱结构面产状及初始应力状态综合确定隧道围岩分级的方法。采用定性描述和BQ值定量分析相结合的方法，该方法全面考虑了影响围岩稳定性的各种因素，在隧道建设中得到了广泛应用。

在河北省北部山区张石、张涿、承赤、承张等高速公路勘察建设中，发现BQ值法的应用存在以下一些问题。

（1）复杂地质条件下岩体的不均匀性、各向异性和特有的工程地质特征，使得可能相隔不远的岩体，各自的工程性质相差却很大，甚至同一里程的掌子面，岩性也存在很大差异。这使勘察钻孔及声波测井的代表性降低，增加了勘察的难度和工作量。

（2）依据现行公路隧道的勘察规范，勘探过程中所取样本偏少，仅代表钻孔部分地层，同时试验数据离散性较大，如代表岩石坚硬程度的Rc值离散系数普遍偏大。

（3）对基本质量指标BQ 值进行修正时，系数选取比较粗糙，所取系数对修正值影响较大。三个修正系数的选取多是范围值，在勘察阶段使用时，修正系数选取缺乏足够依据，对BQ结果造成较大偏差。

在隧道施工中，由于地质条件复杂，围岩变化频繁，常见距离隧道钻孔100～200m 处围岩性质与依据钻孔资料进行BQ值计算确定的围岩等级存在较大的偏差，而现行的《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）取消了对隧道钻孔最小间距的要求，所以需要在BQ 值法确定围岩分级的同时，采用一种可了解隧道围岩连续变化的物探方法。目前普遍采用的浅层地震法与高密度电法在隧道埋深较大的情况下无法准确查明隧道围岩变化。针对这种情况，在埋深较大的隧道勘察中，推荐采用测深大的EH—4大地电磁法。

2 EH—4大地电磁法的基本原理

当天然交变电磁场入射大地，在地下以波的形式传播时，地面电磁场的观测值由于电磁感应的作用，会包含地下介质的电阻率分布信息。而不同频率的电磁场信号具有不同的穿透深度，因此大地电磁测深通过研究地表采集的电磁数据能够反演出地下不同深度介质电阻率的分布状态。

目前音频大地电磁采集技术研究朝以下两个相反的方向发展。

（1）重设备、大功率可控源音频大地电磁法，其代表是GDP 系列和V 系列电法仪，这一类仪器采用大功率的电偶源场。

（2）轻设备，小功率，其代表是EH—4 系统。EH—4研究了天然场的特点，认为500Hz以上的波段受当前人文活动干扰较大，因此设计用500Hz以上的高频人工场作为补充。EH—4采用一组垂直布置的水平磁偶极子作为场源。限制于山区隧道的场地条件，本文推荐采用轻型化的EH—4系统。

3 石家庄西部某隧道的围岩分级

某拟建隧道地处冀西太行山山前地区，属低山丘陵区，区内地形起伏。隧道区所钻5个钻孔的孔口标高为272.719～376.7m，隧道区海拔最高点为573.5m。隧道单幅长1 580m，最大埋深约250m。隧道区地层主要为元古界（Pt）滹沱群岳家庄组蚀变安山岩，浅灰～灰绿色，斑状结构，块状构造，成份以长石角闪石为主，上部风化层较厚，下部岩体较完整。通过地质调绘发现，晋获断裂由隧道出口处穿过，元古界蚀变安山岩中夹同时代灰绿色砂岩，板岩。

3.1 采用BQ值法进行围岩分级

隧道围岩首先按BQ 值法进行分级，相应的参数在地调及勘探过程中进行测量和统计。经统计，强岩体的体积裂隙率Jv＝16 条/m3，完整系数Kv为0.35～0.55，取0.45；中风化岩体Jv为8～12 条/m3，Kv为0.50～0.60；微 风 化 岩 体Jv为3～4 条/m3，Kv＝0.75。

根据Rc与岩石坚硬程度的定性划分的关系，得出微风化安山岩为较坚硬岩，中风化为较软岩～较坚硬岩，强风化为较软岩。强风化岩Rc＝20.00MPa，中风化岩Rc为23.5～49.9MPa，微风化岩Rc为52.8～63.0MPa。

岩体的BQ值按式（1）计算：

使用式（1）时应遵守下列限制条件：

（1）当Rc＞90Kv+30时，应以Rc＝90Kv+30和Kv代入计算BQ值；

（2）当Kv＞0.04Rc+0.4 时，应以Kv＝0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。

BQ值计算结果见表1。

表1 BQ值计算表

围岩基本质量指标修正值的确定分以下几种情况。

（1）地下水影响修正系数K1

隧道在进出口段遇到地下水呈线状流出，局部可能有涌水现象。综合分析隧道涌水每延米每天不大于0.1m3。依据EH4 物探资料，推测K9+200—K9+340区段为相对富水区，对照地下水影响修正系数K1表，强～微风化岩体的K1分别取0.4、0.3、0.2、0.2和0.1。

（2）结构面产状影响修正系数K2

隧道区主要发育有三组节理，共同作用将岩体切割呈简单四面体或棱形柱体，需修正。隧道轴线走向101°，主结构面走向为75°，倾角为19°，根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011），结构面产状影响修正系数K2=0.3。

（3）初始地应力状态影响修正系数K3

隧道两端均处于深切沟谷，初始地应力应有所释放，因而两端浅埋段初始地应力较低。据铁路隧道施工经验，本隧道最大埋深265m 左右，在开挖施工过程中产生岩爆的可能性小，所以本隧道不对初始应力状态影响进行修正，但施工时仍有必要进行超前预报。

修正后的围岩质量指标[BQ]按式（2）进行计算：

修正后的围岩基本质量指标见表2。

表2 [BQ]值计算表格

按围岩基本质量指标BQ 并参考物探资料划分围岩表，得出强风化安山岩为Ⅴ级，进出口附近较差中风化为Ⅴ级，洞身处中风化为Ⅳ级，微风化为Ⅲ级。

3.2 EH—4在该围岩分级中的应用

针对BQ值法在围岩分级中的问题，采用EH—4对隧道围岩的电阻率进行探测。沿隧道中轴线布置纵向测线，隧道区电阻率剖面如图1所示，所得结论如下。

图1 隧道区地层电阻率剖面图

（1）K8+300—K8+580段

该剖面表层较低阻为覆盖层，以全～强风化安山岩为主；强风化层厚度一般在15～20m之间，局部较厚，约60m下为较完整微风化安山岩，结合钻孔资料推测该区段隧道开挖区及拱顶部分为中风化安山岩，节理裂隙较发育，未发现其他异常。

（2）K8+580—K8+700段

该剖面表层较低阻为覆盖层，以全～强风化安山岩为主，厚度在2～5m之间，分布均匀；强风化层厚度一般在15～20m之间，该区段隧道开挖区及拱顶部分位于较完整得高电阻区段，围岩较好，未发现其他异常。

（3）K8+700—K8+860段

该剖面表层较低阻为覆盖层，以全～强风化安山岩为主；强风化层厚度一般在15～20m之间，结合横断面，该区段隧道开挖区及拱顶部分位为中～微风化安山岩，开挖掌子面右侧分布低电阻区域，未发现其他异常。

（4）K8+860—K9+070段

该剖面表层较低阻为覆盖层，以全～强风化安山岩为主；强风化层厚度一般在15～20m之间，该区段隧道开挖区及拱顶部分位于较完整得高电阻区段，围岩较好，未发现其他异常。

（5）K9+070—K9+220段

该剖面表层较低阻为覆盖层，以全～强风化安山岩为主；强风化层厚度一般在15～20m之间，该区段隧道开挖区及拱顶部分位为中风化安山岩，节理裂隙较发育，K9+200—K9+220为相对富水区。

（6）K9+220—K9+340段

该剖面表层较低阻为覆盖层，以全～强风化安山岩为主；强风化层厚度一般在15～20m之间，该区段显示为较明显的球状风化，隧道开挖区及拱顶部分位为强～中风化安山岩，节理裂隙发育，易分布初始水头较大的地下水，设计及施工中应采取相应措施。

（7）K9+340—K9+450段

该剖面表层较低阻为覆盖层，以全～强风化安山岩为主，厚度在2～5m 之间，分布均匀；强风化层厚度一般在15～20m 之间，结合钻孔资料，隧道开挖区及拱顶部分位为中风化安山岩，节理裂隙较发育，节理面可见溶蚀孔洞及地下水沉积方解石类物质，设计及施工中应采取相应防水措施。

通过电阻率剖面解析，可以全面了解隧道围岩整体变化情况，并结合勘探确定的BQ值，有助于合理地划分隧道围岩等级。通过该方法可以查明传统方法无法准确判断的隧道涌水区段，通过解析图可以看出K8+220—K9+340很可能赋存初始水头较大的地下水。

4 结论

隧道所处围岩是在地面以下，开挖前不可能完全查清其地质特征，测得的数据的代表性、准确性也不能完全保证，定量分析的BQ值法很难完全反应岩体质量。EH—4大地电磁法可以较全面地反应隧道整体的围岩分布，为定性分析围岩分级提供依据，同时EH—4 可以有效地预报隧道区的富水区段，能在一定程度上预防隧道施工中涌水事故的发生。

在实际施工中，应依据开挖情况，对所取分级数据的合理性进行分析，完善修正，作到动态分级施工，以指导隧道施工设计。

[1] GB50021—2001，岩土工程勘察规范[S].

[2] JTG C20—2011，公路工程地质勘察规范[S].

[3] JTG D70—2004，公路隧道设计规范[S].

[4] JTG/T D70—2010，公路隧道设计细则[S].

[5] 何泽民，徐林生.公路隧道围岩分级问题探讨[J].西部探矿工程，2007（3）：138-141.