隧道围岩等级判别研究

朱加名

（云南交投集团云岭建设有限公司，昆明 650041）

围岩的级别划分是对岩体最基本的判断或认识，是设计地下结构隧道支护形式的主要依据，是判别隧道开挖后稳定性的重要指标。围岩级别的划分有定性判别和定量判别2种，一般是依据感官或简单工具式的方法作出初略的估计即为定性的判别，然后依据需要测出详尽的强度和完整程度数据，采用参数计算相应指标来准确地判断围岩级别作为定性方法。

围岩级别的划分具有很强的主观性，特别是与定性方法中采用的感官指标与操作人员的经验及鉴别能力关系较大。定量判断则采用指标计算的方法，有一定的客观性，但在选择测试指标的岩体或岩石也具有很大的随意性，采取岩样的代表性直接决定了辨别结果。因此围岩级别的判定在实际操作中仍需要一些更为具体详细的操作准则。

围岩或基岩的级别判定在不同的行业、不同的规范有不同的规定，但其级别的划分均遵循最基本的岩体强度和完整程度这2个指标。辅助的修正指标则应依据具体的对象或应用场景对初步定出的指标进行修正，一般的指标是地下水、岩层结构面及地应力等。围岩级别的判定与具体的使用场景或需求有直接关系，例如在边坡中则主要用于研究边坡稳定性，修正指标与岩层产状关系较为密切，其次地下水也是影响边坡稳定的重要指标。在确定地基承载力时侧重于岩石的基本指标，强度和完整性是关键因素，其他因素影响极小。对于地下洞室结构除了基本指标外，修正指标也是影响稳定的重要因素，特别是隧道施工采用了新奥法，开挖后释放围岩应力还要充分利用围岩的承载能力。隧道围岩判别指标应充分考虑时间效应，特别是对于不良地质和特殊岩土，将相应的特殊指标纳入围岩判别是有必要的。

1 围岩级别划分的定性方法

围岩级别划分的最基本依据是GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》[1]，该标准给出了原则性的规定，是其他相关规范的母标准。其对围岩级别定性的判别方法主要依据了强度和完整性2个指标。

其中强度指标采用了感官的判断方法总计5个级别。对于硬质岩石通过小锤或榔头敲击判别声音是否清脆，手感是否回弹、震手，对于敲碎的难易程度有直观地判别，另外采用水浸泡观察吸水情况。用这种直接的感官判断是坚硬岩还是较坚硬岩，判别的指标较为明确，但该种方法需要有一定的工程经验，特别是依赖工程地质的经验对岩石有一定的认识。比如对未风化或微风化的花岗岩、辉绿岩、玄武岩和石英岩等应判断为坚硬岩，并通过感官对这类岩石产生直觉上的经验，类似的对于石灰岩、大理岩、白云岩和凝灰岩等常见的较坚硬岩石有感官判别。强度的另一个大类分级为软质岩，其感官的判别方式仍然是敲击和浸水，判断的指标程度则与硬质岩有根本区别。通过敲击后的凹痕、击碎难易程度，以及浸水后能用指甲划出印痕或是可以用手掰开、捏成团来区分为较软岩、软岩和极软岩。软质岩3个等级的判断较为直观，有工程对比则更容易判别。

为了能够具有更强的操作性，具体实践工作中完全可以采集5个级别的岩样，首先通过直观判断出坚硬岩或软质岩2个大类，随后采用统一的小锤和水质，直接在现场通过敲击和浸水观察，对比测试对象与岩样的直观感受来判断测试岩石与试样的差异。这种方法可以很大程度避免测试人员经验不足和随意性，对测试准确性有一定的保证，同时相应岩样通过统一标准的定性鉴别并大量制作，是一种高效低成本的方法，对于围岩变化复杂需要随时鉴别的情况具有很强的实用性。

完整程度指标的判断则需要借助简单的测量工具，总共划分5个级别指标。判别划分的依据则是4个基本指标：结构面类型、结构类型、结构面发育程度和结构面结合程度。首先从感官上可以分辨结构面类型属于节理、裂隙、层面或是断层；然后判断结构面之间的结合程度，通常在掌子面开挖后可以直观地通过分开结构面的难易程度判断结合的好坏；结构类型则是隧洞开挖后依据洞渣的块状大小来划分。结构面的发育程度则需要借助测量工具计算结构面的数量和间距来判断。依据标准列表和工程经验可以大概判断完整程度。判别过程也应按照大指标为完整分出2类，大指标为破碎分出3类。

完整程度最根本的方法是确定体积节理数然后按照单位体积的节理数量查规范对应的完整程度系数。对于未开挖或完全揭露的岩体往往只有1个临空面，其余5个面都是未知的，难于用规范的方法采用肉眼计数来准确获得节理数。完整程度与破碎是1组相对立的指标，可以依据开挖后每立方米碎裂岩块数量来判断相应的破碎程度，或者通过统计分析开挖后的每立方米碎裂岩块数量建立与体积节理数之间的函数关系或经验公式。这种方法可以在施工过程中完全通过掌子面开挖相应体积的岩体，然后通过计算碎裂成独立岩石的数量来判断相应的完整程度，这需要建立相应的统计关系。同时也可以将掌子面开挖出的一小部分岩体全部计数抛入水箱或水桶统计一定体积的碎裂数量。在这种操作中应建立一定的标准，对于不同强度等级的岩石碎块的最小体积应有所限制，避免随机的碎屑对统计结果产生影响。

通过观感定性判别出强度的5个级别和完成程度的5个级别，然后将强度和完成程度分别横列、纵列排序（强度作为横坐标、完整程度作为纵坐标）依据2个指标的组合定性划分为I～V级围岩见表1。

表1 隧道围岩级别定性划分

2 围岩级别划分的定量方法

围岩级别的定量划分仍是依据强度和完整程度按照数值计算指标来划分，强度采用的是岩石饱和单轴抗压强度，这在一般的具备万能压力试验机的现场工地实验室均可以得到。但岩样的采集和制备有困难，特别对于破碎的岩体，既要岩样具有代表性又要具备必要的标准尺寸，有时难以取得，且得到试样较少而代价较大，难以大规模地应用。另一种简单的方式则是通过点荷载试验结果换算得到饱和单轴抗压强度。点荷载试验则依据GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》[2]执行，点荷载试验可以采用简单仪器在现场广泛试验，通过增加较多的试验结果，使其在统计意义上具有普遍的代表性。

在规范中完整程度指标是岩体与岩石的弹性纵波速度比值的平方，现场通过测试岩体和岩石的波速即可得到这个指标。但测试波速难度较大，特别是对于岩石波速，其代表性岩样的选择或是测试中都会产生较大的偏差。岩石指的是完整的岩块，其大小不一，波速测试难度较大，为达到具备代表性，需要较多的试验数据。岩体则是整个隧道掌子面前方所有岩石，包含了所有的节理或裂缝，测试岩体波速相对较容易且具有代表性。

通过上述试验方法得到围岩饱和抗压强度和完整性指标后，即可通过相关研究[1]中的经验计算公式BQ=100+3R+250Kv，得出岩体基本质量指标，式中：R为岩体饱和单轴抗压强度，Kv为岩体完整性指标。得出指标后可依据BQ值所处的区间通过规范查表得出初步的围岩等级。这是较初略的定性方法，为得到更为准确的判断指标，初始的BQ值还应依据工程所处的地下水影响、主要结构面产状和围岩应力状态进行修正得到最终的BQ值，再次查表得到围岩级别。定量判断方法相对比较准确，仅在BQ值的区间边界处可能存在争议，这时结合定性的方法均能对围岩级别有准确的划分。

3 公路与铁路隧道围岩级别判定的异同

JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 建工程》[3]对隧道围岩分级的方法与岩体分级方法标准在原则上是完全一致的，不同在于公路隧道考虑到围岩并非岩体的情况，且将总的围岩级别数量增加到6个级别。针对土体将压密或密实的黏性土、砂土，地质年代为Q1、Q2的黄土，钙质、铁质胶结的碎石土，卵石土归类于IV级围岩。将第四系的半干硬至硬塑的黏性土，稍湿至潮湿的碎石土、卵石、砾石土及一些松软结构的土体归类为V级围岩。另外新增加了VI级围岩，其包含的范围是软塑状黏性土、潮湿或饱和粉细砂、软土等。

TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[4]对围岩分级方法主要判别指标与前述在原则上一致，但在整个分类方法体系和细化方式上有所不同。隧道围岩级别划分为6类，依据定性（感官指标）或初步的BQ值划定围岩基本等级后，即便是定性判断方法得出的结论也可直接依据地下水的出水状态、初始地应力状态直接对围岩级别进行调整。地下水的出水状态对III～V级的影响较大，越差的围岩影响越显著，地应力的影响也是类似的调整方法。另外铁路规范中提出1种围岩亚分级的概念，其针对的是III～V级围岩，将1个级别再细分为带下标的2个级别。例如将III级围岩细化为III1级和III2级，依据是直接将BQ值原来属于III级的区间划分为2个区间。定性判别时工程地质特征描述就需要更加细化，在规范中除了强度、完整程度的组合外还将结构面的发育和结合情况用于判别，实际应用中感官判断本就因人而异，有很强的主观性，因此亚分级的描述指标虽然更为细化，但边界判断不准，或难以区分感官指标的细微差距，实际应用中不便于操作。在铁路隧道中将不同岩石的岩性类型划分为A、B、C、D和E 5个大类，其依据主要取决于岩石的种类，比如花岗岩、辉绿岩、玄武岩和石英岩为A类；石灰岩、白云岩等碳酸岩为B类；大理岩、板岩和砂岩为C类。通过类别和围岩弹性纵波速的区间直接划定围岩级别，实际岩石类型反映的是岩石强度特性，而波速可以在一定程度上反映出岩体的完整程度，在大原则上这与岩体分级标准的2个指标是一致的，仅是指标差异和精度的差异。

铁路隧道中将定性判断的围岩级别直接通过围岩产状、地下水单一影响指标调整，这种方式较难反映多因数共同影响的结果。另外在前述讨论中还提到定性判断的主观性较强，其围岩调整也可能依据不充分。同时在其他规范中均无这种做法。通过定量计算BQ值后再通过修正指标判断围岩级别可以综合考虑各因素的影响，更具实用性。另外铁路隧道亚分级的概念主要还是界限的划分方式不同，对于III～V级围岩更加细致，对于支护类型的选择或施工中安全控制有更为直观的指标。但亚分级的指标并未应用在隧道围岩压力的计算中。目前隧道荷载通过围岩级别作为计算参数得到的结果是台阶形的而非线性。在积累大量的施工测试数据基础上可以建立BQ指标与隧道围岩的对应经验公式，这可更为准确地改善目前规范中隧道荷载的计算方法。

4 围岩级别修正的其他指标

围岩级别划分总原则是强度和完整性，另外是否可参考一些工程措施后的宏观指标特性对围岩级别进行修正有待商榷。特别是围岩开挖后的稳定时间或稳定状态，在公路、铁路隧道规范中提出了不同级别围岩在开挖后的稳定状态，是否可以依据围岩的稳定状态判别隧道的围岩级别并没有明确。研究发现隧道施工过程中的稳定性是围岩级别的直接表达，可以依据隧道开挖后的稳定状态对隧道围岩进行相应修正，或者对BQ指标进行修正。在施工过程中这种相互印证具有广泛的工程实例或经验，隧道施工过程中积累了大量的实测数据。特别是隧道变形（拱顶沉降、周边收敛）伴随整个隧道的施工过程。隧道施工过程中预留变形量具有极大的不确定性，预留变形量过大则造成后期二衬的混凝土工程量增加，预留变形量不足则造成二衬厚度不足或侵入隧道建筑限界，造成换拱等严重后果。如将隧道变形的测量统计纳入到BQ值的修正中，则可从宏观的隧道稳定性及测量数据的统计分析中及时对隧道围岩等级进行调整，从而影响相应的设计支护参数，施工方法也做动态调整。比如按照指标判断出围岩为V级，但开挖后的稳定状态达到了IV级的指标，相应的变形量测数据均与IV级围岩相似，将相应的围岩级别调低是具有充分依据且能保证安全的，从而节约工程建造成本。反之较低的围岩级别通过施工后，相应的测量数据都超越了本级的特征值则应调高BQ值和隧道围岩级别，从而加强隧道支护形式以保证施工安全。其次开挖后的围岩变形量随时间发展的关系也应纳入到围岩级别的修正中。在施工中监控量测积累了围岩大量随时间变形的数据，特别是隧道开挖后至初支到二衬浇筑各个施工阶段都对隧道的拱顶沉降、周边收敛积累了大量的监测数据。隧道变形随时间的关系曲线在一定程度上可以反映围岩在应力释放中的承载力变化，或是用于预判围岩稳定随时间的变化，对指导施工具有实际意义。另外施工方法的适应性也直接与隧道围岩相匹配，比如一般的IV级围岩下采用三台阶施工方法，在某个段落按照相同的进尺和安全步距，却不能保证隧道正常施工，则需相应修正BQ值。这种依据隧道施工情况对隧道围岩级别的修正对于隧道设计或施工都具有重要意义，值得在今后继续研究。

5 结束语

隧道围岩分级依据强度和完整性2个主要指标进行定性和定量判别得出初步的围岩级别。然后依据地下水、围岩应力状态和结构面等对围岩指标进行调整，在具体的操作上，公路隧道规范与铁路隧道规范有所不同。

对于隧道定性判断提出了采用岩样对比测试的方法判断强度等级，可以提高感官判断的准确性。采用碎块统计测算体积节理数的方法可以提高可操作性。

依据围岩结果的应用可判断围岩稳定性及为支护结构的设计提供依据，应依据开挖后围岩的稳定状态或监控测量收集的围岩变形数据用于隧道的围岩判别或作为修正指标，这对于工程应用具有实践意义。