隧道围岩判定等级划分方法

高速公路 铁路隧道围岩等级判定 文 萧整勇 一 前言 随着我国高等级公路 铁路建设的迅猛发展 高速公路 铁路的隧道比也不断的增加 由于现阶段探测方法的不准确性 隧道围岩情况又复杂多变 隧道围岩判定 分类工作对指导隧 道施工 调整工法和支护参数尤为重要 在围岩分类的基础上 再依照每一类围岩的稳定程度给出最佳的施工方法和支护结构 设计 围岩分类是选择施工方法的依据 是进行科学管理及正 确评价经济效益 确定结构上的荷载 松散荷载 确定衬砌结 构的类型及尺寸 制定劳动定额 材料消耗标准等的基础 同 时也是安全指导施工的有力保障 汶马高速公路工程起于汶川县凤坪坝 止于马尔康市卓克 基 是典型的第二阶梯 四川盆地 向第三阶梯 青藏高原 的过渡段 公路沿线穿越了龙门山断裂带 米亚罗断裂带 松 岗断裂带 汶马高速 C14 合同段的狮子坪 1 号隧道全长 13 4 公 里 穿越了米亚罗断裂带 所穿越的主要岩性有变质砂岩 板 岩 千枚岩等 地形地貌 水文地质条件极其复杂 所以对狮 子坪 1 号隧道掌子面围岩判定指导施工尤为重要 二 隧道围岩级别判定工作流程 隧道工程施工过程中需要进行隧道围岩级别判定的情况较 多 这里指可能发生隧道围岩支护参数设计变更时进行的围岩 级别判定工作 由于其特殊性 隧道围岩级别判定一般采用五 方现场会审制度 地质咨询 施工 监理 设计 业主 五方 现场会审一般由业主组织 进行隧道围岩级别判定时由地质咨 询方牵头会审 其他各方共同确认 进行支护参数确认时由设 计方提出并经业主确认 隧道围岩级别判定工作流程 预判 组 织现场会审 审查工作 判定围岩级别 支护参数确认 签字确认 三 隧道围岩级别判定工作方法 隧道围岩判定一般采用定性和定量相结合的方法 按两步 判定围岩分级 第一步通过测量或观察隧道围岩状况得到岩石 硬度和岩体完整度的定量数值或定性结论 然后计算得到岩体 基本质量指标 BQ 值或利用矩阵法查得围岩基本分级判定结论 第二步综合考虑其它影响岩体质量和稳定性的因素 选取地下 水状况 软弱结构面 地应力三个因素进行围岩级别修正 同 时结合隧道设计支护参数分等级的做法 以半级为单位进行修 正 1 隧道围岩基本分级判定方法 a 为便于会审各方清晰观察和测量掌子面围岩的相关状 况 施工单位须确保掌子面已出渣 清危完毕 洞内具备 良好的通风和照明条件 b 地质咨询方拍摄掌子面照片 测绘结构面产状 即时 进行地质素描工作 c 通过对结构和物质组成 构造 触摸 锤击等方式确 认岩性和岩性组合 d 有条件可直接实测出 Rc 值 也可观察岩体风化程度 结合岩性确定岩石坚硬程度 e 可直接或间接测量得到岩体体积节理数 Jv 来确定岩体 的完整程度 也可以观察测量结构面类型 裂隙发育及结 构面结合情况等 判定出岩体的完整性 f 根据岩石坚硬程度和岩体的完整性 计算得到岩体基 本质量指标 BQ 值或利用矩阵法查得围岩基本分级判定结 论 2 隧道围岩综合分级判定方法 a 地下水修正 观察了解水文情况 根据地下水特征 流量 进行修正 需要注意的是地下水对含千枚岩的岩层质量和稳 定性 影响较大 并且影响时间将跨过施工阶段一直延续至运营期间 在修正时需根据千枚岩类别详细考虑 b 主要软弱结构面修正 掌子面围岩出现近水平贯通结构面 倾角小于 10 泥化夹层 断层破碎带等状况时 围岩等级 降低半级 遇其组合则降低一级 遇见组合断层围岩等级降低 一级 C 地应力的修正 若能测定围岩地应力状况 可根据测量结论 进行地应力修正 也可根据施工过程中的异常情况 钻孔发现 动力现象如岩芯饼化 周围围岩自行鸣响 或观察近段时间初 期支护有无变形 结合监控量测资料对地应力进行判断 当发 现近期初期支护变形量大并发生明显开裂时 非施工质量引起 下同 按高应力区考虑 降半级 当发现初期支护变形侵限 按极高应力区考虑 降一级 当可能发生岩爆时 按岩爆烈度 等级考虑支护参数 需要强调的是 对于岩石类围岩 无论多少因素引起的降级修 正 最低只能是 级弱 四 支护参数的确认 支护参数由设计代表提出 业主确认 正常情况下 围岩 支护参数与围岩分级判定存在一一对应关系 但设计综合考虑 的因素还有 是否存在偏压 隧道上方是否存在冲沟 隧道四 周是否存在通道或需保护的重要建筑物 隧道是否处于软弱地 质的影响延长带等等 在这些因素的影响下 确认的支护参数 与围岩级别可能不再一一对应 五 隧道岩体主要岩性 这里用狮子坪 1 号隧道岩性作为讲例 鉴定岩性没有捷径 唯有熟能生巧 为了缩小鉴定范围 通过综合设计地勘报告和实际开挖过程中 露出岩性总结 将出现的岩性或岩性组合进行归纳 结合颜色 成分和结构 构造 刻划等鉴定方法 查下表确认岩性 鉴定方法岩性 颜色矿物成分与结构构造其它 变质砂 岩 灰白色 灰色以长石 石英为主 细 粉粒变余结构 厚 块状构造为主 少量薄 中厚层状 手触摸有凹凸不平感 敲 击震手 较难击碎 常含 构造有其它变质矿物 板岩灰色 深灰色以石英 粘土矿物为 主 粉泥质变余结构 板状构造 易平行 裂开成薄板状 结构致密 手触摸比较光 滑 板状劈理发育 强度 一般稍强于千枚岩 千枚岩灰色 深灰色以绢云母 石英为主 次为长石 鳞片变晶 结构 千枚状构造 易沿 一组平行面裂开 但裂开面不平整 有丝绢光泽 片理面上呈典型的丝绢光 泽 侵水后指甲可刻出印 痕或手可掰开或可捏成团 特例 当观察到掌子面为洪冲积 崩坡积堆积体时 不需进行 基本判定和综合判定两步 直接确定最终围岩分级结论 级 弱 六 岩石硬度 现场会审时 可直接测出隧道掌子面岩体 Rc 值用于判定岩石硬 度 1 也可以通过观察岩体风化程度 结合岩性 按下表确认岩石 硬度 岩性未风化微风化中等风化强风化全风化 石英千枚岩较硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩 绢云母千枚岩较软岩较软岩软岩极软岩极软岩 炭质千枚岩软岩软岩软岩极软岩极软岩 千枚岩 炭质千枚岩较软岩较软岩软岩极软岩极软岩 变质砂岩坚硬岩坚硬岩较硬岩较软岩极软岩 板岩较硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩 互层状砂板岩夹千枚岩较软岩较软岩软岩软岩极软岩 互层状千枚岩夹砂板岩较软岩较软岩软岩软岩极软岩 3 一般说来 在没有大的贯通至地面的较大裂隙的情况下 隧道埋深较深 可认为风化程度不予考虑 未风化或微风化 隧道洞口段 埋深较浅的隧道且受构造破坏的需要判定风化 程度 参见下表 名称风化特征 未分化岩石结构 构造未变 岩质新鲜 微风化岩石结构 构造 矿物成分和色泽基本未变 部分裂隙面有铁锰质渲染或略 有变色 弱 中等 风 化 结构 构造部分破坏 矿物色泽较明显变化 裂隙面出现风化矿物或存在风 化夹层 强风化结构 构造大部分破坏 矿物色泽明显变化 长石 云母等多风化成次生矿 物 全风化结构 构造全部破坏 矿物成分除石英外 大部分风化成土状 七 岩体完整度 1 在掌子面条件允许的情况下 可直接或间接测量得到岩体 体积节理数 Jv 通过下表换算得到岩体完整度指标 Kv Kv 0 75 0 75 0 550 55 0 350 35 0 15 0 15 Jv 3 3 1010 2020 35 35 2 也可观察结构面类型 结构面发育程度及结合情况 测定 得到具体数据后 可查下表得到岩体完整度结论 观察重 点为隧道中心至拱顶 150 度范围的扇形区域 岩体完整度完整较完整较破碎破碎极破碎 组数 1 21 22 32 3 3 3 3无序结构面 发育程 度 平均间 距 m 1 1 1 0 41 0 40 4 0 20 4 0 2 0 2 主要结构面的结 合程度 好或一 般 差 好或一 般 差一般差差很差 结构面类型 整体结 构 巨 厚层状 结构 整体结 构 巨 厚层状 结构 块状结 构 厚 层状结 构 块状结 构 厚 层状结 构 次块状 结构 裂隙块 状结构 中厚层 状结构 镶嵌碎 裂结构 次块状 结构 裂隙块 状结构 中厚层 状结构 薄层结 构 碎 裂结构 散体结 构 在具体使用时有两种方法 一种是利用 结构面发育程度 和 主要结构面的结合程度 综合判定岩体完整度 另一种是利 用 结构面类型 和 主要结构面的结合程度 综合判定岩体 完整度 3 利用 结构面类型 对岩体完整度进行判定与 结构面发育 程度 判定方法划分基本一致 存在一定对应关系 结构分类 见下表 类 型 亚类岩体结构特征 整体结构岩体完整 较完整 呈巨块状 结构面不发育 间距大于 100cm 块状结构岩体较完整 较破碎 呈块状 结构面轻度发育 间距一般为 100cm 40cm 次块状结构岩体较破碎 破碎 呈次块状 结构面中等发育 间距一般为 40cm 20cm 块 状 结 构 裂隙块状结构岩体破碎 嵌合中等紧密到较松弛 结构面发育或较发育 间距小于 40cm 巨厚层状结构岩体完整 较完整 呈巨厚层状 层面不发育 间距大于 100cm 厚层状结构岩体较完整 较破碎 呈厚层状 层面轻度发育 间距 100cm 40cm 中厚层状结构岩体较破碎 破碎 呈厚层状 层面中等发育 间距 40cm 20cm 层 状 结 构 薄层结构岩体破碎 呈薄层状 层面发育 间距小于 20cm 镶嵌碎裂结构岩体较破碎 结构面中等发育 岩块镶嵌紧密 间距 40cm 20cm 碎裂结构 岩体破碎 结构面发育 间距一般小于 20cm 嵌合松弛 岩块间有岩屑或 泥质物充填 散体结构岩体极破碎 岩块夹岩屑 泥质物 岩屑 泥质物夹岩块 4 结合面的结合程度 应根据结构面充填物质以及张开度情 况 查下表得到 名称结构面特征 结合好 张开度小于 1 毫米 为硅 铁 钙质胶结或结构面粗糙无填充物 张开度 1 毫米到 3 毫米 为硅质或铁质胶结 张开度大于 3 毫米 结构面粗糙 为硅质胶结 结合一般 张开度小于 1 毫米 为钙泥质胶结或结构面平直无充填物 张开度 1 毫米到 3 毫米 为钙质胶结 张开度大于 3 毫米 结构面粗糙 为铁质或钙质胶结 结合差 张开度 1 毫米到 3 毫米 结构面平直 为泥质或钙质胶结 张开度大于 3 毫米 多为泥质或岩屑充填 结合很差泥质充填或泥夹岩屑充填 充填物厚度大于起伏差 八 隧道围岩基本分级判定 1 利用 BQ 值定量判定 当能实测定 Rc 和 Jv Kv 值 则可 以通过计算得到 BQ 值 计算公式为 BQ 90 3Rc 250Kv 注 使用公式时 应遵守限制条件 当 Rc 90Kv 30 时 应以 Rc 90Kv 30 和 Kv 代入计算 BQ 值 当 Kv 0 04Rc 0 4 时 应以 Kv 0 04Rc 0 4 和 Rc 代 入计算 BQ 值 得到 BQ 值后 查下表可得到隧道围岩基 本分级判定 BQ 值 550 451450 351350 251 250 围岩分级 级 级 级 级 2 利用矩阵法判定围岩分级 在得到岩石硬度和岩体完整度 的结论后 也可以通过查下表利用矩阵法立即查得隧道围 岩初步分级结论 完整较完整较破碎破碎极破碎 坚硬岩 级 级 级 级 级 较坚硬岩 级 级 级 级 级 较软岩 级 级 级 级 级 软岩 级 级 级 级 级 极软岩 级 级 级 级 级 九 地下水修正 不同岩性与地下水相遇 对围岩质量和稳定性影响是不一样的 尤其是炭质千枚岩这类软岩遇水后 质量及稳定性影响很大 因此在用地下水修正时 必须考虑水量大小和岩性两种因素 具体修正可查下表 表中 Q 为每米洞长每分钟出水量 单位为 L min m 岩性 潮湿或点滴状出水 Q 2 淋雨状或涌流状出水 2 Q 10 淋雨状或涌水状出水 Q 10 石英千枚岩不降级不降级降半级 绢云母千枚岩不降级降半级降一级 炭质千枚岩降半级降一级降一级 千枚岩 炭质千枚岩降半级降一级降一级 变质砂岩不降级不降级不降级 板岩不降级不降级降半级 互层状砂板岩夹千枚 岩 不降级降半级降一级 互层状千枚岩夹砂板 岩 降半级降一级降一级 十 软弱结构面修正 当隧道围岩出现规模较大 贯通性较好的软弱结构面时 如近 水平贯通结构面 泥化夹层 断层破碎带 组合断层等 岩体 质量和稳定性将受到较大影响 因此需要修正 具体修正可查 下表 软弱结构面近水平贯通结构面泥化夹层断层破碎带组合断层 修正降级降半级降半级降半级降一级 十一 地应力修正 1 隧道围岩初始应力受多种因素影响 一般来讲 主要影响 因素有埋深 构造运动 地形地貌 地表剥蚀等 但这些 因素对岩体稳定性影响程度尚缺乏成熟的理论机制 因此 准确获得岩体初始应力值 的最有效办法是进行现场测 试 岩石强度与初始应力之比 Rc max 小于一定值时 再加上围岩周边应力集中的结果 对围岩稳定性或变形破 坏的影响表现显著 具体修正可查下表 围岩强度应力比 Rc max4 7 高应力区 4 极高应力区 修正降级降半级降一级 2 在实际隧道工程施工过程中 我们也可以通过一系列动力 现象特征进行定性判定地应力大小 观察开挖过程中是否 有岩块弹出或自行鸣响 开挖岩体位移显著持续时间长不 易成洞 钻孔时是否出现动力现象 岩芯饼化或钻孔变形 甚至自行闭合 近段时间已施作初期支护是否有较大变 形并有明显开裂 查明非施工质量原因引起 监控量测 资料显示未收敛等等情况 具体修正见下表 3 岩爆是一种岩体中聚集的弹性变形势能在一定条件下的突 然猛烈释放 导致岩石爆裂并弹射出来的现象 a 岩爆发生的地点多在新开挖的掌子面及距离掌子面 1 3 倍洞径范围内 个别的也有距新开挖工作面较 远 b 岩爆时围岩破坏的规模 小者几厘米厚 大者可达数 吨重 小者形状常呈中间厚 周边薄 不规则的鱼 鳞片状脱落 脱落面多与岩壁平行 c 岩爆围岩的破坏过程 一般新鲜坚硬岩体均先产生声 响 伴随片状剥落的裂隙出现 裂隙一旦贯通就产 生剥落或弹出 4 岩爆与地质构造相关性 a 岩爆大都发生在褶皱构造的坚硬岩石中 b 岩爆与断层 节理构造密切相关 当掌子面与断裂或 节理走向平行时 极容易触发岩爆 c 岩体中节理密度和张开度对岩爆有明显的影响 掌子 面岩体中有大量岩脉穿插时 也可能发生岩爆 5 岩爆支护参数 岩爆地段的支护设计应根据岩爆烈度等级 采取有效的防治措施 初期支护可采用喷射混凝土 系统 锚杆和钢筋网 形成喷 锚 网的一体组合支护 岩爆烈 度级别较高时 可以采取超前应力释放措施 并辅以超前 锚杆 增设钢支撑等措施 6 岩芯饼化是高地应力区所有的钻进过程中岩芯裂成饼 状的现象 岩饼的厚度与岩芯的直径有一定的关系 一般 约为直径的四分之一到五分之一 所以不同的钻孔 只要 孔径相同 岩饼的厚度就大致相近 所有岩饼的表面均为 新鲜破裂面 而且边缘部分粗糙 多数内部隐约见有顺槽 或沿一个方向的擦痕与之正常的拉裂坎 饼状岩芯是钻进 过程中差异卸荷回弹的产物 破裂主要发生在一定高度的 岩芯根部 是由拉张和剪切复合机制导致的 饼状岩芯的产生需要具备特定的岩体力学条件 一是 弹性高 储能条件好的岩性条件 二是围岩整体块状的岩 体结构条件 三是最大主应力在 30MPa 以上 隧道工程须实施监控量测来判定结构的长期稳定性和 施工安全 一方面可验证支护结构效果 确认支护参数和 施工方法的准确性或为调整支护参数和施工方法提供依据 一方面也可确定二次衬砌施作时间 另一方面通过积累量 测数据 为信息化设计与施工提供依据 因此要高度重视 监控量测工作 利用监控量测数据与结论指导围岩分级判 定 监控量测数据处理和应用 a 及时对现场量测数据绘制时态曲线 或散点图 和 空间关系曲线 b 当位移 时间曲线趋于平缓时 进行数据处理或回 归分析 以推算最终位移和掌握位移变化规律 c 当位移 时间曲线出现反转弯点时 则表明围岩和 支护已呈不稳定状态 此时应密切监视围岩动态 并加强支护 必要时暂停开挖 d 隧道周壁任意点的实测相对位移值或用回归分析推 算的总相对位移值均应小于设计允许值 当位移速 率无明显下降 而此时实测位移值已接近设计允许 值 或者喷层表面出现明显裂缝时 立即采取补强 措施 并调整原设计参数或开挖方法 变形管理等级 根据量测结果进行综合判断 确定变形管理等级 据 以指导施工 变形管理等级可参见下表 管理等级变形值施工状态 Uo Un 3正常施工 Un 3 Uo 2Un 3 应加强支护 Uo 2Un 3采取特殊措施 动力现象特征修正表 注 Uo 为实测变形位移值 Un 为设计允许变 形位移值 观察类型现象特征或发生条件应力状况 修正降级或相关支 护参数 轻微 岩爆 现象 有不容忽视的岩石松脱和掉落 伴有岩 石强烈炸裂声 发生条件 主要岩性 Rc 为 80 120Mpa R