基于三重指标体系的软弱片岩隧道围岩分级探讨

易 毅

(湖北省交通规划设计院，湖北 武汉 430051)



基于三重指标体系的软弱片岩隧道围岩分级探讨

易 毅

(湖北省交通规划设计院，湖北 武汉 430051)

结合绢云母片岩工程特性，对BQ′围岩分级中的地下水修正系数进行优化，引入粘土矿物修正指标K4和软弱夹层修正指标K5，提出了基于“三重修正体系”的[BQ′]分级法计算公式，并通过实践证明了该公式的合理性与可行性。

绢云母片岩，围岩分级，修正[BQ′]公式

0 引言

现行Q系统分类法、BQ法、RMR法，这些方法尽管考虑了地下水、结构面、地应力等相应的修正系数，但针对特殊性围岩，上述方法难免出现较大的误差[1-3]。

马超锋等[4]从地应力、地下水及不利结构面产状影响进行修正。武建广[5]，王建军等[6]从地质条件角度，应用岩体纵波速度及动弹性模量对软岩进行了半定量分级。韩志强，刘建等[7]考虑了片岩的水敏性与各向异性的影响。方昱等[8]采取岩石回弹强度替代饱和单轴抗压强度和地应力状态方面。

上述学者未考虑Rc与Kv间的关联性，且研究区绢云母片岩具有易软化、膨胀、崩解与流变等特性[1,2,4-9]。在统计鄂西北20多条绢云母片岩隧道围岩分级的基础上，提出增加考虑粘土矿物成分及软弱夹层附加影响因素的“三重指标体系”，即基本质量指标、修正指标及附加指标。

1 BQ分级法基本质量公式修正

BQ值与修正[BQ]值[10]分别按式(1)与式(2)进行计算：

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

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

(2)

其中，Kv为完整性系数；Rc为单轴饱和抗压强度；K1为地下水修正系数；K2为软弱结构面修正系数；K3为应力状态修正系数。

研究区岩石完整性、抗压强度普遍不高，如何针对这种低Rc和Kv小的情况，确定合理的基本质量指标BQ′计算公式是优化的重要工作。

选取十漫、十房、谷竹等多条绢云母片岩隧道共202个断面分级样本，确定了所选样本的两个限制条件来修正散点图中的Rc与Kv值，见图1。

数据点集中分布在Rc=5+115Kv,Rc=83.33Kv-29.17两条直线范围内。因此设定如下限制条件：

1)上限条件。

当Rc>5+115Kv，取Rc=5+115Kv代替Rc值。

2)下限条件。

当Kv>0.35+0.012Rc，取Kv=0.35+0.012Rc代替Kv值。

按照逐步回归的方法对修正后的数据建立公式，得出的直线型回归公式(3)，即为绢云母片岩基本质量修正公式BQ′。

BQ′=110+0.6Rc+358Kv

(3)

2 变质片岩特殊指标修正

研究区绢云母片岩多呈绿黄色、浅灰色；岩石遇水后触摸具柔滑腻感；且在片理之间常充填有灰白、灰绿色物质。同时具有弱膨胀性。

BQ法中忽略了地下水对参数Rc的软化及膨胀影响。本文对地下水进行二次修正，并提出矿物成分与软弱夹层对修正的BQ′进行三重附加修正。

2.1 修正[BQ′]模型的建立

针对绢云母片岩的特性，以BQ公式为基础，提出式(4)对岩体质量[BQ′]进行修正探讨。

(4)

K4——岩体膨胀系数；

K5——软弱夹层修正系数；

A——附加修正因素前的系数，为尽量保证修正后的分级跨半级修正的效果[11]。将岩体的膨胀系数、软弱夹层的力学修正系数的修正权重适当降低，取前面修正指标的1/2，即A=50。

2.2 地下水作用修正系数

表1 地下水影响修正系数取值

表1中地下水修正指标的最大权值定为1.0。对软弱破碎岩体，第三类地下水状态对其影响程度最大，该值定为1.0；对结构完整的硬质岩，地下水的影响最小，可近似为0～0.1。

2.3 矿物成分影响修正系数

经X衍射实验绢云母片岩含大量蒙脱石、伊利石等粘土矿物。粘土矿物使岩体具有崩解性、膨胀性的因素。含蒙脱石、伊利石的岩体与水发生反应可使体积增加50%～100%[11]。

BQ分级法未考虑岩体膨胀性，在[BQ′]中引入岩体膨胀性修正指标，粘土矿物含量的修正通过引入岩体膨胀性系数K4来进行修正，K4的取值见表2。绢云母片岩衍射实验结果显示，蒙脱石含量均不超过10%，为弱膨胀性变质岩。

表2 粘土矿物成分修正系数K4取值

2.4 软弱夹层修正系数

[BQ]法中修正系数K2对结构面的修正仅考虑了结构面方位的影响。但当存在不同级别、不同错动程度的多组结构面时，单对方位进行修正是不全面的。因此，需要更为全面的考虑夹带的影响情况。以夹层的抗剪参数f以及软弱夹层与层面的方位系数a为代表参数进行评定，修正取值见表3。在此引入控制性软弱结构面力学修正系数K5，计算方法见式(5)。

K5=(0.5-f)+a

(5)

其中，f为层间剪切带摩擦系数；a为软弱夹层产状影响修正系数。

表3 软弱夹层力学参数修正取值

3 应用探讨

3.1 修正[BQ′]法实例应用

选取通省隧道为例。隧道走向约为223°，穿越地层是元古界武当群(Pt2wd)绢云母片岩，主要矿物为石英、绢云母，片理发育，片状构造，软弱夹层较发育。

为验证修正[BQ′]分级法在绢云母片岩中的适用性，取YK110+520～YK110+790段、ZK115+450～ZK115+590段作为围岩级别分级模型，设计围岩级别为Ⅲ级。

3.2 修正指标参数选取

1)地下水影响系数取值。

YK110+520～YK110+790段围岩平均抗压强度30 MPa，岩体破碎，片理发育，地下水欠发育，点状出水，平均软化系数0.65。ZK115+450～ZK111+590段围岩平均抗压强度32 MPa，岩体较破碎，地下水欠发育，局部有湿斑，平均软化系数0.72,具体K2值详见表4。

2)矿物含量修正系数取值。

对选取断面岩样进行X射线粉晶衍射实验，矿物成分及含量见表5。针对粘土矿物含量的考虑，附加矿物成分指标K4取值详见表4。

3)软弱夹层修正系数取值。

YK110+520～YK110+790段片理面中充填有绢云母片岩软弱夹层；ZK115+453～ZK115+593段有垂直于岩层片理面的软弱夹层，属于泥化夹层；软弱夹层力学参数结果见表6。

表4 隧道围岩分级[BQ′]修正指标及附加指标取值

表5 典型断面岩样矿物成分及含量

各断面的修正指标及附加指标取值见表6。

表6 软弱夹层力学参数统计表

3.3 分级结果分析

由式(4)对围岩进行计算，可得修正后围岩级别，与规范分级、揭露级别进行对比，见表7。

表7 围岩分级对比表

由表7及图2可知，设计级别普遍高于实际揭露情况，说明在勘察设计中，并不能较好的把握实际围岩情况。

经过优化后，得到该隧道的现场吻合率达到92.67%。证明本次分级的优化结果是可行和准确的。

4 结语

鉴于绢云母片岩隧道中，规范BQ分级法确定的围岩级别与实际围岩级别相差较大，在延续规范分级基本形式的基础上，通过回归分析，增加两个限制公式，提出了优化研究区实际Rc与Kv的[BQ′]修正公式。

提出了以地下水、粘土矿物含量、软弱夹层力学性能的影响系数对BQ′法进行修正的围岩分级法。将修正的BQ′公式和[BQ′]分别应用到现场实际中，与现场实际级别的吻合率很高，平均能达到92.67%，说明该公式的合理性和可行性。

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Classification discussion on weak schist tunnel rock based on triple indexes system

Yi Yi

(HubeiTransportationPlanningandDesignInstitute,Wuhan430051,China)

Combining with engineering properties of Pinal schist, this paper optimized the groundwater correction coefficient of BQ′ surrounding rock classification, introduction of clay minerals modified indexK4, soft interlayer correction indexK5, proposed the [BQ′] classification method calculation formula based on “triple correction system”, and through the practice proved the rationality and feasibility of the formula.

Pinal schist, rock classification, modified [BQ′] formula

1009-6825(2016)20-0184-03

2016-05-04

易 毅(1987- )，男，硕士，助理工程师

U451.2

A