浅谈某电缆隧道围岩分级

1、前言

隧道围岩分级是评价隧道围岩稳定性的重要参数，也是隧道支护方案设计和施工工艺确定的主要依据。分级的正确与否直接影响到隧道施工和运营安全。因此正确划分隧道围岩分级就显得尤为重要。在现行的公路、铁路隧道围岩分级方法，经验的成分较大，即多以定性为主，存在主观判断，随勘察人员的认识程度和经验差别，对同一围岩作出的级别判断可能存在差别。而定量分析，可以综合考虑多种因素，确定围岩质量指数进行分级，尽量减少人为因素干扰，提高分级的可靠性。

某电缆隧道工程，拟建为220kv专用电缆隧道，总长23.5km。土建施工拟采用多种工法，包括明挖法、盾构法、矿山法等。

隧道沿线经过地段原始地貌包括丘陵、冲洪积阶地、山间洼地及冲沟等，地质情况复杂。详勘时在地质调查的基础上，采用钻探、取样、旁压试验、抽水试验、剪切波速试验及超声波速试验多种勘探手段相互印证，综合分析确定合理的地质参数，进行隧道围岩分级。

2、沿线工程地质条件概述 2.1地质构造

根据区域地质资料，拟建隧道沿线场地东南侧部位有企岭吓——九尾岭断裂穿过，受其影响在隧道东线遇到有F1～F6等小规模次级断层，该断层构造带主要为碎裂岩，灰、绿灰等色，母岩成分为混合岩，胶结物为泥质，杂有铁质氧化物及蚀变矿物，碎裂结构，块状及条带状构造，局部有挤压擦痕及糜棱化特征，条带及挤压擦痕面，呈强风化状态，倾角约70°，厚度约0.8～10.8m，推测其走向约为北西55°，倾向约为北东35°，其影响宽度约为3～5m。

2.2地层岩性

隧道洞身穿越主要地层有：燕山晚期全风化～微风化花岗岩，侏罗系强风化～微风化中统凝灰质砂岩，震旦系全风化～微风化混合岩，局部有混合岩中构造碎裂岩（厚度3～5m）。

隧道穿越的主要地层及其特征详见下表1。

表1 隧道穿越主要地层一览表 地层 全风化花岗岩 强风化花岗岩 中风化花岗岩 微风化花岗岩 强风化凝灰质砂岩 中风化凝灰质砂岩 主要特征 已风化成土状，岩石组织结构已基本破坏，但尚可辨认，岩芯呈坚硬土状。 风化强烈，已风化成碎块状或半岩半土状，岩石组织结构已大部分破坏，但原岩结构清晰，风化裂隙发育。长期暴露易龟裂、崩解 块状构造，矿物成分基本未变化，节理裂隙较发育，岩石较完整，多呈短柱状，锤击声较脆，轻击不易碎。 块状构造，矿物成分基本未变化，节理裂隙不发育，岩石完整，多呈柱状，锤击声较脆，轻击不易碎。 风化强烈，已风化成碎块状或半岩半土状，岩石组织结构已大部分破坏，但原岩结构清晰，风化裂隙发育。长期暴露易龟裂、崩解 层状构造，矿物成分基本未变化，节理裂隙较发育，岩石较完整，多呈短柱状，锤击声较脆，轻击不易碎。 1 / 6

地层 微风化凝灰质砂岩 全风化混合岩 强风化混合岩 中风化混合岩 微风化混合岩 碎裂岩 主要特征 层状构造，矿物成分基本未变化，节理裂隙不发育，岩石完整，多呈柱状，锤击声较脆，轻击不易碎。 已风化成土状，岩石组织结构已基本破坏，但尚可辨认，岩芯呈坚硬土状。 风化强烈，已风化成碎块状，岩石组织结构已大部分破坏，但原岩结构清晰，风化裂隙发育。 片状构造，矿物成分基本未变化，节理裂隙较发育，岩石较完整，多呈短柱状，锤击声较脆，轻击不易碎。 片状构造，矿物成分基本未变化，节理裂隙不发育，岩石完整，多呈柱状，锤击声较脆，轻击不易碎。 断层碎裂岩，碎裂结构，块状构造 2.3地下水 由于勘察场地处南方富水地区，隧道洞身设计标高均大部分在地下水位以下，地下水主要由孔隙水、基岩裂隙水组成，地下水的存在一定程度上对岩体稳定性有一定影响。

3、围岩分级主要方法

按国家标准《工程岩体分级标准》（以下简称“分级标准”）（GB50218-94）确定岩石隧道围岩稳定性等级由好至坏分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级。根据“分级标准”总则中明确规定：“工程岩体分级应采用定性与定量相结合的方

法，并分两步进行，先确定岩体基本质量，再结合具体工程的特点确定岩体级别”[1]。

国内主要围岩分级方法主要有RQD法、Q分法（巴顿法）、RMR法、BQ法等，这些方法均是考虑岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素确定基本分级。

RQD法主要考虑岩体完整程度进行分级；Q分法综合RQD、节理组数、节理面粗糙程度、节理面蚀变程度、裂隙水及地应力等6方面因素综合确定分级；RMR法综合考虑岩石强度、RQD、结构面间距、不连续结构面特征、地下水确定基本分级，然后通过不连续结构面方向进行修正分级；BQ法综合考虑岩石的坚硬程度、岩体完整程度两大因素确定基本分级，并结合地下水、软弱结构面产状和初始应力三个因素修正分级。显然BQ法考虑的因素更为全面，且是定量划分围岩级别。

考虑到本工程的特点，拟建电缆隧道设计执行《地铁设计规范》（GB50157-2003），根据该规范规定：“暗挖结构的围岩分级按现行《铁路隧道设计规范》（以下简称“隧规”）（GB10003-2005）确定”。“隧规”的分级方法又是在定性分级后加以修正的[2]。

4、本工程隧道围岩定量分级 4.1隧道围岩分级方法

本工程尝试性参考《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）[3]相关内容，对拟建隧道沿线围岩进行了质量指数计算，根据围岩质量指数定量确定隧道围岩分级。

该计算方法是文通过综合考虑岩体块度、抗压强度、完整系数、软化系数、结构面性态、地下水及裂隙张开度等影响岩体质量诸因素，利用模糊数学方法建

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立判据，各种影响围岩稳定性的因素均为质量评定参数，通过关系函数求得到岩体质量指数Pi[4]。其计算方法详见表2：“隧道围岩岩体质量指数计算表”。

表2 岩体隧道围岩质量指数计算表

块度 (m) 天然单轴极限完整性系抗压强数Kw 度Rc （MPa） F2 >80 F2.1= 18.34 40~80 F2.2= 0.1χ+9.0 20~40 F2.3= 0.134χ+7.64 10~20 F2.4= 0.4χ+2.40 5~10 F2.5= 0.54χ+0.92 <5 F2.6= 1.66 F3 >0.85 F3.1= 15.59 0.75~ 0.85 F3.2= 5χ+8.75 0.50~0.75 F3.3= 20.72χ-3.04 0.35~ 0.50 F3.4= 3.07χ+5.79 0.20~ 0.35 F3.5= 34.8χ-5.32 <0.20 F3.6= 1.41 软化系数Kd 结构面形态 裂隙张开度 质量指数 隧道围岩分级 地下水 级稳定程度 别 Ⅰ 很稳定 F1 >1.50 F1.1= 20.17 1.00~ 1.50 F1.2= 1.4χ+14.75 0.40~1.00 F1.3= 11.07χ+5.08 0.20~ 0.40 F1.4= 3.40χ+8.15 0.10~ 0.20 F1.5= 66.6χ-4.49 <0.10 F1.6= 1.83 F4 >0.85 F4.1= 13.76 0.75~0.85 F4.2= 5χ+7.25 0.60~0.75 F4.3= 30χ-11.50 0.45~ 0.60 F4.4= 3.20χ+4.58 0.30~ 0.45 F4.5= 30.27χ-7.6 <0.30 F4.6= 1.25 F5 良好 F5.1= 10.84 良好 F5.2= 10.84 一般 F5.3= 6.50 一般 F5.4= 6.50 不好 F5.5= 2.17 不好 F5.5= 2.17 F6 无或很少 F6.1= 7.50 无或很少 F6.2= 7.50 中等 F6.3= 4.50 中等 F6.4= 4.50 大 F6.5= 2.17 大 F6.6= 2.17 F7 闭合 F7.1= 3.34 闭合 F7.2= 3.34 微张开 F7.3= 2.00 微张开 F7.4= 2.00 张开 F7.5= 0.67 张开 F7.6= 0.67 Pi >83 Ⅱ 稳定 67~83 Ⅲ 基本稳定 50~67 Ⅳ 稳定性差 33~50 Ⅴ 不稳定 17~33 Ⅵ 很不稳定 <17 注：1 完整性系数：Kw=(Vp/Vpr)2为岩体与岩石纵波速度之比的平方。 2 结构面形态：着重考虑软弱面或软弱夹层，结构面走向与隧道轴线的夹角大小。 当夹角φ>30，裂隙闭合，连续性不好，无软弱夹层的称良好。 当夹角φ<30，裂隙张开，连续性好，或有软弱夹层的称不好；其余为一般。 3 地下水：坑道壁上无水或有水滴流出称为无或很少；呈线状或浸延成片状流出者称为中等；呈柱状流出者称为大（但不会突然涌水或有较大水压力）。 4 裂隙张开度：裂隙宽度<1mm者称闭合；1~3mm者称微张开；>3mm者称张开。 5 算例：以微风化花岗岩为例，F1>1.50m，F2=89.3MPa，F3=0.80，F4=0.75，F5=良好，F6=很少，F7=闭合，Pi=20.17+18.34+(5×0.8+8.75)+(5×0.75+7.25)+10.84+7.50+3.34=83.94，Pi>83属Ⅵ类围岩。 当岩体质量指数Pi＞83时属Ⅰ级岩体，67≤Pi≤83时属Ⅱ级，50≤Pi＜67时属Ⅲ级，33≤Pi＜50时属Ⅳ级，17≤Pi＜33时属Ⅴ级，Pi＜17时属Ⅵ级。这样根据Pi值大小进行岩体质量评价，从而确定围岩分级。

4.2隧道围岩分级相关参数的确定

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现场勘察时，通过对岩石RQD的获取岩体块度信息，超声波试验得到岩体完整性系数Kw；室内岩石试验得到岩石天然单轴极限抗压强度Rc及软化系数等；结构面形态、地下水、裂隙张开度主要靠现场调查及工程经验综合判定。

根据围岩相关参数确定隧道围岩分级综合评定指标可详见表3。

表3 隧道围岩分级综合评定指标一览表

块度 (m) F1 全风化花岗岩 强风化花岗岩 中风化花岗岩 微风化花岗岩 强风化 凝灰质砂岩 中风化 凝灰质砂岩 微风化 凝灰质砂岩 全风化混合岩 强风化混合岩 中风化混合岩 微风化混合岩 碎裂岩 <0.1 <0.1 0.10~0.40 0.30~2.50 <0.10 0.05~0.30 0.25~1.50 <0.10 <0.10 0.10~0.30 0.35~2.00 <0.10 天然单轴极限抗压强度Rc （MPa） F2 <1 3.0~8.0 17.7~42.0 88.5~139.7 3~10 15.2~56.8 46.5~136.9 <1 2~8 16.2~43.3 42.9~109.7 2~8 完整性 系数Kw F3 <0.20 0.05~0.25 0.20~0.50 0.40~0.90 0.11~0.25 0.39~0.43 0.35~0.75 <0.20 0.08~0.36 0.20~0.57 0.37~0.81 0.02~0.25 软化系数Kd F4 <0.30 0.20~0.45 0.61~0.73 0.69~0.90 0.25~0.70 0.63~0.81 0.74~0.91 <0.30 0.15~0.65 0.62~0.82 0.71~0.95 0.10~0.50 结构面形态 F5 不好 不好 一般 良好 不好 一般 良好 不好 不好 一般 良好 不好 地下水 F6 很少~中等 很少~中等 很少~中等 很少 很少~中等 很少~中等 很少 很少~中等 很少~中等 很少~中等 很少 大 裂隙张开度 F7 张开 张开 微张开 闭合 张开 微张开 闭合 张开 张开 微张开 闭合 张开 岩土名称 4.3隧道围岩质量指数的计算结果 根据表3中获得的相关计算参数，按质量指数计算式可求得围岩质量指数。 计算结果详见表4。

表4 岩体隧道围岩质量指数计算结果

天然单轴极限完整性块度 抗压强系数(m) Kw 度Rc （MPa） F1 全风化 花岗岩 强风化 花岗岩 中风化 花岗岩 微风化 花岗岩 强风化 1.83 1.83 1.83~9.51 9.17~20.17 1.83 F2 1.66 1.66~ 5.24 9.48~ 13.2 18.34 1.66~ 6.32 F3 1.41 1.41~ 3.38 1.41~ 7.325 7.02~ 15.59 1.41~ 3.38 软化系数Kd F4 1.25 1.25~ 6.02 6.80~ 10.40 9.20~ 13.76 1.25~ 9.50 结构面形态 F5 2.17 2.17 6.50 10.84 2.17 裂隙地下水 张开度 F6 4.50~ 7.50 4.50~ 7.50 4.50~ 7.50 7.50 4.50~ 7.50 F7 隧道围岩分级 岩土名称 质量指数 Pi Ⅵ 0.67 13.49~16.49 0.67 13.49~26.81 Ⅴ~Ⅵ 2.00 32.52~56.44 Ⅲ~Ⅴ 3.34 65.41~89.54 Ⅰ~Ⅲ 0.67 13.49~31.37 Ⅴ~Ⅵ 4 / 6

岩土名称 天然单轴极限完整性块度 抗压强系数(m) Kw 度Rc （MPa） F1 F2 F3 软化系数Kd F4 结构面形态 F5 裂隙地下水 张开度 F6 F7 质量指数 隧道围岩分级 Pi 凝灰质砂岩 中风化 凝灰质砂岩 微风化 凝灰质砂岩 全风化 混合岩 强风化 混合岩 中风化 混合岩 微风化 混合岩 碎裂岩 1.83~9.17 9.00~20.17 1.83 1.83 1.83~9.17 9.34~20.17 1.83 8.48~ 14.68 13.65~ 18.34 1.66 1.66~ 5.24 8.88~ 13.33 13.29~ 18.34 1.66~ 5.24 6.99~ 7.11 6.86~ 12.50 1.41 1.41~ 6.90 1.41~ 8.77 7.40~ 6.50 11.30 10.7~ 10.84 13.76 1.25 1.25~ 6.02 7.10~ 11.35 2.17 2.17 6.50 10.84 2.17 4.50~ 7.50 7.50 4.50~ 7.50 4.50~ 7.50 4.50~ 7.50 7.50 1.50 2.00 37.70~58.26 Ⅲ~Ⅳ 3.34 61.89~86.45 Ⅰ~Ⅲ 0.67 13.49~16.49 Ⅵ 0.67 13.49~32.31 Ⅴ~Ⅵ 2.00 32.22~58.62 Ⅲ~Ⅴ 3.34 61.04~84.24 Ⅰ~Ⅲ 0.67 10.49~20.97 Ⅴ~Ⅵ 6.93~ 9.80~ 912.75 11.3 1.41~ 3.38 1.25~ 6.18 根据表4所示，围岩质量指数定量确定的围岩分级与根据“隧规”定性分析确定的围岩分级基本一致。特别是Ⅰ级、Ⅴ级、Ⅵ级相符合程度高，相符概率在95%左右，Ⅱ级次之，相符合率在80%左右；Ⅲ级、Ⅳ级相对应较差，相符合率在70%左右。分析主要原因较完整的中风化及破碎的微风化处在Ⅲ级与Ⅳ级之间，在定性分析时难以判断准确，与勘察人员个人对围岩认识程度和经验有关。也不排除定量分析中计算公式及参数选取的准确性等因素。

5、隧道围岩分级的几点体会

1）根据岩体质量指数Pi确定围岩分级，综合考虑岩体块度、抗压强度、完整性系数、软化系数、地下水状态及裂隙张开度等影响因素，得出的是定量化的结果，克服了某些人为因素，较为客观。

2）定性分级和定量分级的不一致性是多方面因素造成的，也是不可避免的，因此在围岩分级方面尽量采用定性划分和定量评级相结合的综合评判方法，两者相互校核和检验，以提高围岩分级的可靠性。

3）在围岩分级时要估算拱顶围岩的稳定厚度。由于电缆隧道埋深一般较浅，加上岩面起伏变化，对于岩石隧道而言，拱顶围岩的厚度往往变化很大，如果全部划分为同一级别，可能有风险。所以在围岩分级前要分析在什么情况下拱顶围岩可以自稳，考虑的因素应包括岩性、岩体完整性、厚度以及地下水状态。

4）由于结构面形态、地下水的状态、裂隙张开度等因素在勘察阶段还难以判断准确，所以在施工阶段仍需对围岩分级进行动态修正，准确判断隧道的围岩级别，及时反馈给设计方，合理调整设计参数，做到动态调整、动态设计。

5）隧道围岩分级处于定性描述情况多，主观性很强。运用模糊理论确定围岩质量指数来进行围岩级别的判定简单实用，能比较客观的评定围岩级别，对设计、施工极具指导意义。可以利用计算机编程以提高工作效率，有利于大量数据的处理。

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参考文献：

[1] GB 50218-94 工程岩体分级标准 [2] TB10003-2005 铁路隧道设计规范

[3] GB50307-1999 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范

[4] 贾永刚 刘红军 青岛地铁工程岩体质量评定方法探讨 青岛海洋大学学报 1994.12

[5] 张华 浅谈广州地铁隧道围岩分级 广州建筑 2006年05期

[6] 李希胜 聂永江 宁淮高速公路老山隧道围岩分类方法探讨 工业建筑 2006第36卷增刊

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