高等岩石力学

隧道围岩分类与围岩稳定性分析的探讨

摘要：隧道围岩的分类关系着隧道安全和稳定。目前隧道围岩稳定一般采用定性划分和定量相结合的综合判定分析方法。本文主要介绍国内外现在对围岩分类的主要依据及其方法，对影响围岩稳定的因素进行深入的探讨，为工程设计、施工和运行提供参考。

关键词： 隧 道 围岩分类 围岩稳定性 判定方法

Analysis on the classification and stability

of Tunnel surrounding rock

Abstract : The classification of surrounding rock is related to the security and stability of the tunnel .At present, the stability analysis of tunnel surrounding rock in a both qualitative and quantitative way. This paper is mainly dedicated to the introduction of criterion and method for classification of surrounding rock of tunnel as well as the examination of the factors that affecting the stability of surrounding rock, so that it can serve as reference for engineering design, construction and operation.

Keywords：tunnel classification of surrounding rock the stability

of surrounding rock determine methods

1、 引言

围岩类别作为隧道工程设计的一项综合参数，其分类方法是岩土工程关注的重要内容之一。目前，国内外对隧道围岩的分类已经有很多成果，其方法已从单指标的分类发展为目前多指标分类［2］。现场的铁路、公路隧道设计规范对围岩分类分级是一致的，都是以定性的描述为主，同时为了满足设计计算上的需要也对应提出了各类围岩的物理力学性质指标，即形成定性描述为主和定量指标为辅的对围岩进行综合评价的分类法。目前国外有代表性的围岩分类主要是日本、法国、瑞士、奥地利等国提出的围岩分类标准，我国使用的隧道围岩的分类中，以日本

道路公团、日本国营铁道等的围岩为代表进行参考。

隧道围岩的稳定一直是地下工程的一个重大技术问题，地应力作用、应变活动、围岩的类别、围岩的支撑能力、地质构造和地下水等因素严重影响着围岩的稳定。

因此，对隧道围岩的分类的探讨和围岩稳定的分析在地下工程的设计、施工和运行中有着极大的现实意义。

2、 国内外对隧道围岩的分类

（一）日本对围岩的分类

日本道路公团把岩石性质分为5类，并提出判定标准，判定岩石性质（Ⅰ-Ⅴ类）的主要因素为：（1）弹性波速度（公里/秒）；（2）地质情况（地质调查结果或开挖面的情况）；（3）钻探岩心的状态；（4）隧道内的围岩情况；（5）开挖后的情况。

日本国营铁路虽未公布过隧道工程的围岩分类，但铁道技术研究的研究报告，发表过弹性波速度划分围岩分类。目前就是参考上述报告将围岩分为Ⅰ-Ⅳ类，并使分类和弹性波速相对应。

（二）瑞士对围岩的分类

SIA（瑞士联邦土木建筑协会）198号研究报告中对围岩的评价标准是以开挖时围岩的稳定性为基点，根据施工时围岩的实际情况进行判定的，坑道、隧道、坡度较缓斜井的掘进围岩分为Ⅰ-Ⅵ类，主要是依据开挖面区段、作业区段和后方作业区段锚杆数量和支护类型进行分类的

（三）奥地利对围岩的分类

奥地利制定了关于地下工程的标准规范ONORM B2203,围岩分类标准被列入其中，此规范的围岩分类，是以围岩的工程力学性质、开挖情况以及相应的支护方式等作为评价标准分为Ⅰ-Ⅶ类。

腊布希威兹-帕赫（Rabcewicz-Pacher）围岩等级划分标准为：Ⅰ类：稳定的岩石；Ⅱ类稍脆的岩石；Ⅲ类已破碎、中等强度或极脆的岩石；Ⅳ类：不稳定、有地压作用的岩石；Ⅴa类：有强塑性、挤压、膨胀性、并有强大地压作用；Ⅴb类:无连接力、有流动性的地层。此分类方式也被广泛运用。 ［10］［7］。

（四）法国对围岩的分类

在作隧道施工计划时，用于基岩评价的分类，AFTES（法国隧道技术协会）发表了有关选择支护方式的推荐标准方案，此方案是以施工经验为基础制定的。其内容要点为：围岩分类的标准应用了普罗托加卡诺夫的地层抗力系数的概念，将围岩分为Ⅰ-Ⅹ级［10］。

（五）我国对围岩的分类

我国现阶段应用《公路隧道设计规范》（JTJ026-90）中对围岩分级，并且其分级方法与国家标准一致，采用《工程岩体分级标准》规定的方法、级别和顺序，岩石隧道围岩的稳定性等级由好到坏分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级。

3、围岩分类的影响因素

吕小平［3］在分析围岩分类的层次类比系统方法时把影响围岩分类的因素，大致分为三种。第一种为大的地质环境，它主要包括地层、构造、地形、地下结构类型；第二种为围岩的小环境，它包括岩体结构、结构面的发育情况、地下水的分布等；第三种为围岩的物理、力学、水理以及埋深、跨度埋深比等具体参数。在分类因素中，许多因素都划分为不同的类型或等级，例如岩体结构可表示为整体结构、块体结构、层状结构、薄层结构、镶嵌结构、层碎结构、碎裂结构、松散结构8类。

围岩究竟如何分类，怎样由定性描述为主逐渐向定量为主的方向过渡，这首先要从岩石力学的角度对围岩的特征有一个基本的认识；其次就是要通过现场监测取得的资料加以整理，经统计分析而逐步实现［14］。现行的隧道围岩分类一般是根据围岩主要工程地质条件(主要工程地质特征、结构特征和完整状态) 和围岩开挖后的稳定状态(坑道跨度为5m 时) 来划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ六种。岩石等级划分、围岩受地质构造影响程度的等级划分、围岩节理(裂隙) 发育程度的划分、层状岩层的层厚划分、风化作用、地下水等众多因素和围岩分类有着密切的关系。

（一）分类问题已有的定量关系

早在1946年太沙基(K．Terzaghi)及其以后斯蒂尼(L_Stini)、劳佛尔

(HLauffer)、拉布希维茨(L V．Rabcewicz)等人提出的分类， 都属于定性定量相结合的综合分类。狄尔(D．U．Deere)等人用平均裂隙间距和岩石质量指标RQD将它们相互间连系起来。当前国外有影响的比尼奥斯基(z．T．Bieniawski)节理岩体地质力学分类RMR、巴顿(N Barton)隧道质量指标分类Q， 也都以RQD 作为判别岩体结构的重要指标。威克姆(G．E．Wickham)岩石结构评价RSR与RMR、Q分类间也有一定的关系。比尼奥斯基、拉特利奇(J．C．Rutedge)等人提出了三者间相互的关系式 。国内有影响的主要围岩分类， 都把评价岩体结构的岩体完整性指标作为评价岩体质量的主要指标。分类之间客观存在的定量关系， 已引起人们的注意， 并正在继续深入研究。我国现阶段分类定量指标参照了部分参数如岩石质量指标RQD( %) 、弹性波速度Vp (km/ s) 来决定［16］。下面主要就两个定性的指标参数在隧道围岩分类中影响情况做相关说明。

岩石质量指标对隧道围岩分类的影响：岩芯质量指标（RQD）是美国学者Deere于1964年提出, 用钻取直径54mm的岩芯分析岩体完整性和评价岩石质量的定量指标［5］。RQD定义为所有长度大于岩芯段的累计长度与钻取岩芯总长度之比的百分数。隧道围岩中发育有各种不同的结构面, 如不整合面、断层、节理、泥化夹层、软弱夹层等, 将工程岩体分隔成形状各异、大小不一的空间镶嵌块体。结构性是隧道围岩的重要特性。进行隧道围岩分类时, 用RQD作为隧道围岩结构性好坏的定量指标。《公路隧道设计规范》（JTJ026-90）根据RQD指标将隧道围岩分为五类［7］, 见下表1。

表 1 公路隧道围岩分类（按RQD指标划分）

弹性波纵波速度对隧道围岩分类的影响，围岩的弹性波纵波波速的不同对围岩的等级划分也不同，具体分类见下表2：

表 2 隧道围岩分类（按弹性波纵波波速划分）

从岩体工程地质力学观点看， 国内外一些有影响的主要围岩分类因素有明显的逐渐接近的趋势。这对于从理论上认清国内外各主要围岩分类是可以换算的， 提供了十分重要的理论基础和前提。这样在实际的工程应用时我们可以在参考我国的分类标准的同时，对国外的分类可以做一些对比 ，以便能够较准确统一的对隧道围岩进行分类，以此来指导工程的设计、施工和运行。

4、围岩稳定性影响因素

围岩分类的目的在于评价围岩工程岩体的稳定性。影响围岩稳定性的因素很多，国内外主要围岩分类的分类因素包括岩石强度、岩体完整性、围岩应力状态、地下水、结构面情况、声波速度， 围岩分类等主要因素。岩体工程地质力学研究和国内外工程实践经验都表明， 这些因素并不是等量齐观的， 其中岩石强度、岩体完整性是诸因素中的主导因素， 是最能反映岩体特征的因素， 是多数围岩分类用以确定岩体基本质量、围岩类别、控制围岩稳定性的主要因素。其他因素均属于修正因素或某种综合的定量描述方法。

（一）影响围岩稳定的地质因素

影响围岩稳定的因素很多, 其中最重要是地应力、围岩支承能力、围岩的破坏规律、水文地质条件等客观存在的地质因素［1］。在一定深度以下的地层内, 到处都存在地应力。地应力的大小与地质构造作用的强度、埋深有关。根据力的来源，可划分重力应力和构造应力两大类。应变活动的结果是产生裂隙和相对位移, 并形成应力状态不同的个应力带卸压带、集中应力带、常压带。围岩的支承能取决于岩体的致密性和整体力。地质构造活动不仅有可能形成和保留着相当强大的构造应力场, 而且还必然破坏岩体的整体强度, 大大降低围岩的支承能力。

（二）地下水对围岩稳定的影响

地下水的作用, 是影响岩石洞室围岩稳定的重要因素之一。在开挖洞室时会遇到地下水, 结果在它的作用下导致围岩失稳, 甚至造成灾害性事故, 使工程蒙受严重经济损失。岩体中地下水存于岩体的裂隙、溶隙或孔隙中, 一般称为裂隙水或孔隙裂隙水。根据岩体裂隙的成因, 可将裂隙水分为风化裂隙水、成岩裂

隙水、构造裂隙水和岩溶裂隙水［12］。

在洞室开挖中, 地下水出露的形态, 可分为滴、渗、流、涌四种形态, 一般前三种较为常见, 后一种虽不常见也危害很大。在洞室开挖中, 由于地下水出露形态不同, 对围岩稳定的影响程度也不相同。地下水对围岩稳定性的影响, 基本上有以下几种情况：降低围岩强度, 加速风化进程；降低结构面的抗剪强度；形成突发性涌水。

（三）结构面对围岩稳定性的影响

结构面空间方位对隧道围岩稳定的影响取决于结构面的产状要素与隧道开挖工程面的空间几何关系, 其表现形式总是直接或间接地与围岩分类相联系。例如地质力学分类将结构面空间方位对隧道围岩稳定的影响从“ 非常有利”到“ 非常不利”的定性描述表给以不同的负值来调整围岩分类的总评分［13］。事实证明, 这种做法对于分析单一结构面对隧道围岩稳定的影响是行之有效的, 但对绝大多数实际工程而言, 这只是一种近似的方法。结构面的几何参数是表征岩体完整性的指标，而完整性的好坏对隧道围岩稳定影响重大。通常，结构面几何参数对隧道围岩稳定的影响通过“岩石块度”刻画岩体的完整程度。结构面抗剪强度对隧道围岩稳定性影响显著, 特别当隧道轴线走向与结构面走向平行或近乎平行时。影响结构面抗剪强度的因素主要有充填胶结特征、表面粗糙起伏程度、壁岩强度以及结构面贯通性等。

结 语

隧道围岩质量评定分类由于涉及因素众多,影响因素复杂,分级标准不确定,岩体质量评价长期处于定性描述阶段,主观性很强。本文在对隧道围岩分类加以综述的前提下,着重对岩芯质量指标RQD( %) 、弹性波速度Vp (km/ s)在判定围岩类型的具体应用进行了探讨。围岩类型的判定意义重大,对现场支护工艺的调整、对设计变更的取证都是重要的标准和依据。以岩体力学理论为基础、以围岩整体稳定性判别为目的，围岩分类的发展, 客观上为围岩稳定力学分析准备了条件，围岩稳定性的特征是与施工开挖与支护的条件相联系的。因此，本文还探讨了影响围岩稳定的地质因素、地下水作用和结构面等因素，对隧道围岩的设计和施工有一定的借鉴与指导意义。

对《高等岩石力学》学习的一点认识：通过一个学期的课程学习和在课程进行过程中举行的《工程岩石力学与应用国际学术研讨会》，各位授课老师的精彩讲解给我自己对岩石力学研究的内容，岩石力学的基本概念，实验方法，以及在工程实践中的存在的问题和应用情况都有了较为全面系统的认识，为今后的研究工作提供了方向性的指导。整个课程采取专题形式的介绍，每个专题都是相关专题研究多年的老师授课，他们将岩石力学的相关基础知识和自己的最新研究成果介绍给我们，使我们接触了岩石力学最前沿的知识，这个在其他课程中基本是无法做到的，所以我觉得这种课程设置应该是使我们学生受益最好的一种方式。

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