上软下硬地层隧道围岩分级方法研究综述

王鸣涛　李静,2　吴波,3

(1.福建工程学院土木工程学院　福建福州　350118；2.福建工程学院土木工程学院和福州大学环境与资源学院　福建福州　350118;3.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室　福建福州　350118)



上软下硬地层隧道围岩分级方法研究综述

王鸣涛1李静1,2吴波1,3

(1.福建工程学院土木工程学院福建福州350118；2.福建工程学院土木工程学院和福州大学环境与资源学院福建福州350118;3.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室福建福州350118)

随着我国城市化进程的加快和隧道工程逐步向深部开发的必然趋势，上软下硬地层隧道工程将会越来越普遍。围岩分级是上软下硬地层隧道工程勘察、设计、施工的基本依据，也是保障工程施工安全、运营安全的基础，其对隧道工程来说是基础性的工作也是关键性的工作。在概括了解围岩分级概念的基础上，从国内外围岩分级的发展史出发描述了当前上软下硬地层隧道围岩分级的研究现状，针对性地阐述了目前在我国常用的三种围岩分级方法：Q系统、RMR分类方法以及公路隧道围岩分级BQ法。指出围岩分级研究中存在的一些问题，发现在目前的研究中还没有建立专门的上软下硬复合地层隧道围岩分级方面的研究体系，最后指出未来我国隧道围岩分级的发展趋向。

上软下硬地层；围岩分级；研究现状；发展趋向

0　引言

隧道是铁路、公路和城市轨道交通建设的重要组成部分，也是解决我国可持续发展的重要途径之一，我国隧道建设取得了重大的成就，据了解，我国铁路运营总里程已突破11万km，地铁运营里程已突破500km，我国已是当今世界上隧道工程规模最大、数量最多、发展速度最快的国家，我国基础设施建设的快速发展为隧道工程刻画了广阔的发展远景。

近年来，我国在城市轨道交通、山岭矿山隧道、水下交通隧道、市政隧道的建设中，经常会碰到隧道在开挖横向断面范围内或开挖纵向方向上穿越两种或多种物理力学特征相差很大的地层组合，这种复杂特殊的地层组合称为复合地层[1]，最有代表性的便是上软下硬地层，即隧道横断面上部是属于第四系的软弱地层而下部是硬质岩石地层或者上部是软岩而下部是硬岩。随着我国西部大开发战略的实施、城市化进程的加快和隧道工程逐步向深部开发的必然趋势，上软下硬地层隧道工程将会越来越普遍。围岩分级是隧道工程类比法的前提，精确判断围岩级别是隧道科学化设计、快速化施工的基础。得到和工程实际情况相吻合的围岩分级不仅对隧道结构设计的改善有着十分必要的意义，而且可以实现降低工程总造价和节能减排的目标[2]。

上软下硬地层是由上部软弱地层、下部硬岩地层和软硬地层分界结构面构成的复杂组合地层系统。分界结构面常常是地下水富集和渗流的通道，地下水能够引起围岩软化劣化、强度降低、层间结合力变差和渗漏潜蚀等，容易引发围岩和掌子面滑移失稳；上部软弱地层常常因为埋深较浅、围岩自稳能力差，容易引发围岩坍塌、大变形和掌子面挤出等工程灾害；下部硬岩地层常常因爆破开挖，对上部软弱围岩和邻近既有支护地扰动和破坏较大，容易引起隧道局部掉块、支护破坏和坍塌失稳。

我国的隧道工程仍是在围岩分级的基础上进行勘探、设计和施工的，围岩分级是指根据岩土体的物理、力学等指标，按隧道开挖后围岩在无任何支护条件下的稳定性对围岩进行的分级。围岩分级是对全部地勘工作的最终综合评价，地勘工作对隧道工程来讲是最基础性的工作，预设计阶段先根据地勘工作成果进行围岩的基本分级，再结合地下水状态、初始地应力和软弱结构面等地质因素对围岩基本分级进一步地修正，最后得出围岩详细分级，此围岩分级在施工阶段依据地质预报等手段进一步补充完善修正后才能得出与现场实际情况相吻合的围岩最终分级[3-4]，据此对工程实际进行科学动态设计和信息化施工。

目前，国内外应用规模比较普遍的隧道围岩分级方法只是针对单一的土质隧道或岩质隧道进行分级，并且只是侧重考虑岩石的坚硬程度和岩体的完整性程度两个基本因素，适当地考虑地下水和初始地应力状态等因素对围岩分级进行修正，这对于一般地层较为适用，可是用于上软下硬地层围岩分级时准确率偏低，因此，开展上软下硬地层隧道围岩分级方法研究具有重要的实际意义。而且，开展上软下硬地层隧道围岩分级方法研究能为上软下硬地层隧道的科学化设计、合理化施工、运营期间的维护和灾害防治提供基础理论和科学方法，对丰富我国隧道安全管理体系和发展隧道工程科学化设计、信息化施工有着十分重要的现实意义和科学意义。

1　国内外研究现状及发展动态分析

围岩分级实质上决定了作用在隧道初期支护及二次衬砌上载荷的大小及分布，也是地层能否与结构共同受力的依据；围岩分级是初期支护及辅助施工措施设计的依据，也是施工方案设计的依据，它决定施工的安全与质量；围岩分级决定了工程施工的难易程度、工程施工进度并决定了工程的造价高低；围岩分级是二次衬砌参数设计的依据，由此决定了隧道运营的安全与质量[4]。所以，围岩分级对实际工程(特别是一些特殊地层隧道如上软下硬地层隧道)来说是基础性、关键性的工作，是隧道工程勘察、设计和施工的基本依据，也是保障工程施工安全、运营安全和决定工程造价的基础，科学意义和应用价值重大，因此，隧道围岩分级成为目前国内外地下工程领域的重要研究方向。

1.1国外上软下硬地层隧道围岩分级研究现状

国内外专家、学者对围岩分级进行了大量的研究，并从定性、定量和定性定量结合上进行了大量的探索和实践，取得了很多有意义的研究成果，但在上软下硬地层隧道方面研究很少且不成体系。在国外应用范围较广的围岩分级方法有以下几种[4-14]：

(1)1906年前苏联着名学者普洛托奇雅柯诺夫提出了基于岩石强度指标的岩石坚固性系数分级法，即普氏分级法。

(2)1946年太沙基用围岩在隧道开挖中所形成的压力拱高度Hp把围岩分为九级，每级围岩都有一个相应的跟隧道的宽度或高度相关的岩石荷载值范围。

(3)1958年H．Lauffer按隧道在开挖后不支护条件下围岩的自稳时间将围岩类别分成7类，并提出隧道可以暂时稳定时间ts的表达式。

(4)1963年加拿大科茨初次提出综合考虑岩石坚硬程度、岩体完整性的岩石分类方法。

(5)1967年美国伊利诺斯大学狄尔等人提出了基于岩体完整性的岩石质量指标RQD分级法，将围岩分为五级，此项指标在其后的许多围岩稳定性分级中被广泛采用。

(6)1968年日本岩石力学委员会提出了岩石稳定性分级法，之后经过长期研究，形成了根据弹性波速度进行铁路隧道围岩分级的规范方法，并通过研究掌子面的崩塌状况，把土质围岩分为粘质土和砂质土两种类型围岩进行了分级。

(7)1972年威克汉姆提出RSR分类法，该分级方法的评价数是根据大量的统计资料分析出来的，有一定的实用价值。

(8)1973年南非的比尼威斯基提出了RMR分类方法。

(9)1974年挪威着名学者巴顿等对多座隧道实例进行了归纳统计分析，建立了一种由六项指标(包括岩石质量、岩体节理粗糙度、节理组数、裂隙水影响因素、节理蚀变程度、初始地应力因素等方面)综合评定岩体质量Q值的定量分级方法，不同的Q值分别对应九级围岩。

国外围岩分级(类)方法发展至今，学者们对围岩分类做了大量研究，提出很多具有实际意义的围岩分级(类)方法，任洋[15]按照其考虑指标的多少以及组合形式，对比较有代表性的分级(类)方法进行了整理，如表1。

表1国外围岩分类方法一览表

由表1可知，众多专家、学者从不同的出发点提出了很多围岩分级方法，各类分级方法在指标的选取上存在较大差别，但大多数学者都把岩石坚硬程度、岩体完整性以及地下水状态、软弱结构面和地应力等指标当作影响围岩分级的基本指标，这对一般地质条件是适合的，但是对于上软下硬地层隧道，其稳定性影响因素还包括工程因素，如隧道形状、开挖工法、掘进尺寸等，现有的围岩分级中并没有体现。现对近年来对我国影响较大的两种国外围岩分级方法进行介绍：

(1)Q系统简介

巴顿( Nick.Barton)等人在1974年建立了基于综合因素(岩体完整性，节理特性，地下水状态和地应力影响等)的岩体质量Q分级法，如式(1)。

(1)

式中：RQD—岩体质量指标，Jn—节理组数，Jr—节理粗糙度，Ja—节理蚀变系数，Jw—节理水折减系数，SRF—应力折减系数。

当前， Q分类系统在我国各类地下洞室的修建得到了广泛应用，但还存在以下4方面的问题[16]：

①没有把岩体结构面的最不利组合情况考虑进去；

②没有把岩石的坚硬强度考虑进去，只是用应力折减系数来代替岩石的坚硬强度；

③尚有很多问题需要摸索，比如岩爆烈度等级与围岩类别的关系等还不知晓；

④体系不健全，没有考虑外界环境的影响，也没有考虑工程因素的影响，故不适用于特殊地质条件如上软下硬地层隧道的围岩分级。

(2)RMR分类简介

RMR分类是由Bieniawski在1973年提出，1989年发表于《工程岩体分类》一书中[17]。RMR分类方法由岩石坚硬强度、岩体质量指标值等5类参数综合组成[18]，见表2。

由5个参数计算出来的RMR值变化范围为0～100，据此把岩体分为5个级别，同时RMR分类还给出了岩体级别与地下硐室开挖后在不支护条件下围岩的自稳时间和岩体强度指标的对应关系，如表3。

表2　RMR分类参数分类

表3　不支护地下开挖的自稳时间和岩体强度指标的对应关系

1.2国内上软下硬地层隧道围岩分级研究现状

1949年以前，由于对隧道工程和地质条件的关系认识不充分，再加上缺乏有效的地质勘查手段，我国并没有明确的围岩分级方法。因此，在1949年以前修建的隧道，基本上是引用英国等国家的分级标准，如众所周知的太沙基围岩分级标准。

1950年初，通过向苏联学习，围岩分级方法在我国得到了广泛的应用，其中应用最多的就是在矿山系统中的普氏分级方法。到了20世纪70年代初，我国各部门做了大量的科学试验研究，积累了丰富的实践经验，提出了许多具体的、结合各个行业特征的围岩分级方法,但发现主流的围岩分级仍是基于一种均质地层进行的，应用于上软下硬地层隧道时如按硬质地层分级则不安全，若按软质地层分级则造成浪费。目前国内主要有如下几种分级方法[19-22]：

(1)1975年铁道部出版的《铁路工程技术规范·第3篇-隧道》，建立了以隧道稳定性为依据的铁路隧道围岩分级方法，使我国的隧道围岩分级方法与国际上通用的分级方法越来越接近，并推动了我国水电、公路等部门地下工程围岩分级方法的形成。

(2)1995年我国颁布了《工程岩体分级标准( GB50218-1994)》，标示着我国在岩体工程领域建立了第一部基准性规定，该标准采取定性划分与指标计算的定量划分相结合的方法对工程岩体进行分级。岩体的基本质量由岩石坚硬强度和岩体完整性两个基本指标确定，修正指标主要包括地下水、主要软弱结构面和初始地应力状态。

(3)2004年颁布的《公路隧道设计规范( JTG D70-2004)》中的岩质围岩分级引用了《工程岩体分级标准( GB50218-1994)》的成果，土质围岩分级引用了铁路隧道设计规范中的相关内容。

(4)2005年颁布的《铁路隧道设计规范(TB 10003-2005)》中的隧道围岩分级方法，形成了一个从勘测设计到施工的完整的、系统的体系。

(5)2010年颁布的《公路隧道设计细则( JTG/ T D70-2010)》采用定性特征划分和定量指标划分相结合的方法进行综合评判，将隧道围岩分为岩质围岩和土质围岩，分别进行了分级和亚级的划分，并形成了一个从勘测设计到施工的完整的、系统的体系，代表了当时我国公路隧道围岩分级研究的最新水平。

除此之外，在20世纪80～90年代间，我国的很多专家、著名学者对隧道工程的围岩分级做出了重要贡献，比如：谷德振、黄鼎成(1979)的 Z 分级；邢念信(1979，1984)的坑道工程围岩分级；杨子文(1982，1984)的 M 分级；王石春等人(1980，1985)的 RMQ 分级；曹永成，杜伯辉(1995)基于 RMR 体系修改的 CSMR 法等[23-25]。

近年来，计算机领域和数学领域的快速发展使得一些数学理论方法应用到隧道围岩分级中，如数理统计、模糊数学等。我国的何发亮、刘宝许、刘大刚、徐燕、王玉锁、陈岩、吴波等分别应用一些新的理论和方法对围岩分级进行了专门研究。这些方法有模糊数学理论、人工神经网络、可拓学理论、层次分析理论、支持向量机理论、专家系统、灰色理论、分形理论等，可见随着计算机领域和数学领域的发展，针对一些特殊地层如上软下硬地层的围岩分级拟将慢慢完善。

通过以上对围岩分级发展史的介绍可以得知我国各个行业、部门所用的围岩分级方法，基本上是经历了从单一指标到多重指标，从定性描述到定性和定量相结合的过程。对目前有代表性的考虑多因素综合指标的围岩分级方法进行归纳总结，如表4所示。

由表4可知，国内隧道围岩分类(级)方法随着时间的前进正在渐渐完善，并且逐步与国际接轨，在影响围岩级别高低的指标上也主要考虑岩石的坚硬程度、岩体完整性两个基本指标和地下水、软弱结构面与初始地应力状态等修正指标，但是主流的围岩分级还需完善，需进一步考虑环境因素、工程因素等的影响，建立考虑多种特殊地层如上软下硬地层的围岩分级方法。现对公路隧道围岩分级BQ法作以下简要介绍：

表4国内主要围岩分类方法一览表

《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)围岩分级BQ法遵循《工程岩体分级标准》(GB50218-94)，采取定性初步划分与定量因素相结合的围岩分级方法。BQ法按两步进行分级，首先根据岩石得坚硬程度和岩体完整性的计算进行初步分级，然后按修正公式对初步的到的BQ值再进行修正。BQ分级法用岩石单轴抗压强度Rc来表征岩石的坚硬程度，用岩体完整性系数Kv表征岩体完整程度。BQ值计算公式见式(2)。

BQ=90+3Rc+250Kv

(2)

式中：Rc—采用实测的岩石点荷载强度指数IS(50)的换算值。

Rc按式(3)计算：

(3)

Kv值一般用弹性波探测值以式(4)计算：

Kv=(Vpm/Vpr)2

(4)

式中：Vpm—岩体岩石的弹性纵波速度(km/s)，Vpr—岩石的弹性纵波速度(km/s)。

围岩基本质量指标修正值[BQ]按式(5)计算：

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(5)

式中：K1—地下水影响修正系数；K2—主要软弱结构面产状影响修正系数；K3—初始应力状态影响修正系数。

由式(5)可知公路隧道围岩分级BQ法是相对简单的定量分级方法，其考虑的影响因素均是地质因素，没有考虑隧道形状、埋深等工程因素，所以不适用于上软下硬地层。

2　目前存在的主要问题与发展趋势

现如今，越来越多的上软下硬地层隧道在修建，以往所用的围岩分级方法在实际应用过程中都会显现出一些缺陷和不足，具体表现如下：

第一，没有建立专门的上软下硬复合地层隧道围岩分级方面的研究体系。

第二，分析国内外关于上软下硬地层隧道围岩分级研究成果可知，国内外教育工作者重点围绕单一土质隧道或岩质隧道的围岩分级开展了大量深入的研究，但是围岩的稳定性受地质因素和工程因素的综合影响，而现行的围岩分级指标主要是基于地质因素却没有较好地考虑工程因素(如隧道埋深、跨度等)的影响，然则正是这些因素对隧道开挖后地应力的重分布有着重要的影响，因而使与实际工程相吻合的围岩分级偏离了路线。

第三，将一定跨度隧道在无支护情况下隧道自稳时间作为围岩自稳能力的评价指标，主要考虑了洞身的稳定性和开挖平面效应，没有较好考虑掌子面的稳定性和开挖空间效应，没有考虑地质因素与工程因素共同作用下对围岩稳定性的影响。

综上所述，从国内外隧道围岩分级的发展史来看，主要有如下发展趋向[6,26]：

(1)建立适合于各种特殊地层的隧道围岩分级方面的研究体系，如上软下硬复合地层。方法是基于最新的国际标准《工程岩体分级标准(GB50218-2014)》和行业标准，从围岩稳定性出发，建立完善的考虑地质因素和工程因素的上软下硬地层隧道围岩分级指标体系，然后建立上软下硬地层隧道围岩分级标准，最后建立上软下硬地层隧道围岩量化分级模型和方法。

(2)围岩分级主要以隧道稳定性为依据，围岩分级方法随地质勘察方法的进步而快速发展，并逐步向多因素的综合指标法分级演变。

(3)从考虑单一或少数因素的定性分级逐渐过渡到考虑多种因素的半定性、半定量相结合的分级，现逐步过渡到定分级，围岩分级将与数学理论、岩体力学的发展密切相连。

(4)上软下硬地层围岩分级方法与隧道结构设计科学化、施工快速化的联系越来越密切，我国隧道围岩分级方法主要是分两步走：首先以分级基本指标(岩石坚硬强度、岩体完整性)进行初步分级；然后用修正指标(地下水、初始地应力状态等)对初步分级结果进行修正，最终得到修正后的围岩级别。

(5) 上软下硬地层隧道围岩分级的发展与数学理论及计算机得发展相结合，引入如模糊理论[27]、人工神经网络、可拓学理论、层次分析理论、支持向量机理论、灰色预测、分形几何等非线性理论。利用快速发展的计算机软件来实现围岩分级的智能化判别是未来的必然趋势。

3　结语

本文针对上软下硬地层隧道的围岩分级方法研究现状进行了分析，主要得出如下结论：首先，目前国内外主流的围岩分级方法只是针对单一均质地层进行分级，并不适用于上软下硬地层，而且分级指标只是考虑了地质因素，没有考虑外界环境以及工程因素的影响；其次，随着计算机领域和数学领域的快速发展，一些数学方法应用到围岩分级中，使得围岩分级方法逐步趋于完善，并建立上软下硬地层隧道围岩分级体系。最后，提出的上软下硬地层隧道围岩分级方法的研究思路，即从围岩稳定性出发，建立含有多因素的分级指标体系—建立分级标准—建立量化分级模型和方法。

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Review of Research on Classification Method of Surrounding Rock of Upper Soft and Lower Hard Stratum Tunnel

WANGMingtao1LIJing1,2WUBo1,3

(1.Fujian university of technology, college of civil engineering, Fuzhou 350118;2.College of Environment and Resoures,Fuzhou University,Fuzhou 350118;3.Fujian Provincial Key Laboratory for Advanced Technology and Informatization of Civil Engineering, Fuzhou 350118)

As China's urbanization process speeding up and the tunnel engineering gradually to deep development inevitable trend, upper soft and lower hard stratum tunnel engineering will be more and more common.Classification of surrounding rock is not only the basic basis of engineering investigation, design, construction in upper soft and lower hard stratum tunnel, but also the basic of ensuring the safety of engineering construction and operation, it is not only the basic work but also the key work for the tunnel engineering.On the basis of a comprehensive understanding of the concept of classification of surrounding rock,in order to achieve the purpose of describing the research status of classification method of surrounding rock of upper soft and lower hard stratum tunnel at present from the history of the development of domestic and international classification of surrounding rock, by means of narrating three foreign methods of classification of surrounding rock at present commonly used in domestic: Q system and RMR classification, as well as the method of surrounding rock classification of surrounding rock in the field of highway, namely the surrounding rock classification of highway tunnel BQ.It not only points Some of the problems existing in the study of classification of surrounding rock that special system of research on classification method of surrounding rock of upper soft and lower hard stratum tunnel has not been established in the current study, but also points out the development trend of surrounding rock classification in the future, in the end.

Upper soft and lower hard stratum; Classification of surrounding rock; Research status; Development trend

国家自然科学基金项目(51478118)，福建省自然科学基金项目(2014J01170)，城市地下工程安全风险管理及信息系统研究与开发

王鸣涛(1989.03-)，男，硕士研究生。

E-mail:961953882@qq.com

2016-03-14

U45

A

1004-6135(2016)06-0077-06