雁门关隧道围岩分类量化技术研究

雁门关隧道围岩分类量化技术研究隧道网新闻来源：国际隧道研讨会摘要本文结合山西省雁门关公路隧道的勘察、设计、施工资料，提出先进的信息化施工方案。隧道的优化设计与合理快速施工，最主要的制约因素是准确的确定围岩类别，隧道围岩分类是评定围岩的性质、判断隧道围岩稳定性、选择隧道支护（临时的和永久的）类型的依据和指导安全施工的前提，隧道围岩量化分类的主要原理是通过岩石声波与岩体波速测试、岩石与岩体电阻率测量相结合，确定围岩分类量化的综合指标，利用前期勘查资料对围岩综合指标进行验证，从而建立隧道施工区段的围岩量化分类模型。根据围岩分类量化模型参数，进行所选择断面的应力、应变计算，结合隧道施工量测数据对计算的应变数据进行拟合，最终确定断面周围应力分布较准确的数据，以隧道断面周围的应力数据计算选定支护与衬砌类型，达到指导设计与施工的目的。关键词长大隧道围岩分类岩体波速岩体电阻率围岩综合指标1.山西省雁门关隧道工程概况雁门关隧道位于大（同）运（城）高速公路新广武至原平段上，单洞长10365m，是我国已开工建设的最长的高速公路隧道，是大运高速公路三大制约工程之一。该隧道采用双洞单向交通，最大埋深约600m，采用分离式路基，上下单行双洞断面，单洞净宽10.5m，隧道内铺筑水泥混凝土路面。隧址区位于北岳恒山山脉的西段部分，属构造隆起上升区，侵蚀和剥蚀作用强烈，地形险峻，地质条件复杂。据勘察揭露隧道穿越的地层主要有太古界五台群金岗库组、店房台片麻岩组，元古界变质花岗岩，古生界寒武系馒头组、张夏组，各地层情况详见图1。2.围岩分类量化技术国内地下工程其它围岩分类方法如铁路隧道围岩分类、《锚杆、喷射混凝土支护技术规范》、国防工程《锚喷支护技术暂行规定》、《水工隧洞设计规范》、《公路隧道设计规范》等的围岩分类，虽然对隧洞围岩分类的描述过程、判断标准、围岩类别划分不完全相同，但均是结合各行业的隧洞标准进行详细的、定性或半定量的地质描述，主要从以下几个方面进行分析判别：2.1围岩工程地质特征；①结构特征和完整性；②围岩开挖后的稳定状态；③岩体受地质构造影响程度；④岩体节理发育程度；⑤围岩弹性纵波速度；⑥地下水等；以上几个方面根据岩体的主要因素可概括为：①围岩结构特征和完整状态（可称为围岩岩体强度）；②围岩的岩石强度；③地下水；研究围岩的细化分类，我们依据几个主要因素从岩石、岩体的地球物理特征进一步确定研究围岩的地球物理勘探方法。2.1围岩岩石强度的测定岩石、矿石有很多方面的物理参数，如电阻率、磁导率、极化率、介电常数、密度、放射性、波速等等，人们可以单独地利用其中的一种性质，也可同时或分别利用两种和三种以及全部电学性质，以便从不同方面或多方面研究地质目标体，确定描述某种岩矿石的物理性质，进一步确定其力学性能。根据围岩结构特征和完整状态、围岩岩石强度、地下水的物性差异及技术经济比较，选定所要确定的物性参数为电阻率、波速。1)电阻率法（岩石的电学性质）影响岩石电阻率的主要因素：岩石成分和结构；岩石所含水分；岩石温度；其中：地下水电阻率100，隧道内水电阻率1~10；空气的电阻率为∞。岩石电阻率有遇水敏感的特点，岩石与水的电阻率差异很大，而地下水的赋存与岩石的成分与结构有关。2)声波法（岩石的纵波波速）弹性波在岩体中的传播速度与岩体的种类、弹性参数、结构面、物理力学参数、应力状态、风化程度、含水量等有关。弹性波在水中的传播速度1.45~1.51km/s；在空气中不能传播。3)岩石地球物理特征与力学性质的简单关系见表1岩石地球物理特征与力学性质的简单关系表14）岩石应力测试与强度计算由弹性力学可推导出纵波波速Vp与弹性模量E的关系如下式：其中：ч为质点在X方向的位移；ρ为介质密度。通过大量岩石的物性测试，并对每种岩性进行数理统计，利用测试的纵波波速可求出岩石的弹性模量E，从而建立了岩石物性参数与力学性能的关系，对岩石的物性测定主要是研究完整母岩岩石成分与结构强度。2.2岩体强度的确定（围岩结构特征和完整状态）通过对岩体与岩石强度的研究，进一步说明实际岩体的完整、均匀、形变、风化、湿润等度，进一步说明围岩的岩性、构造、稳定性及地下水对岩体的影响。1）围岩的电阻率测试（图-视电阻率法：对称四极布置）图2雁门关隧道电阻率等值线及像图2）围岩波速测试（图3浅层地震勘探：折射波勘探布置）图3雁门关隧道波速断面及像图2.3围岩的量化分类方法正确地对工程围岩进行工程地质分类是经济有效地对围岩进行支护和衬砌设计的先决条件。然而，以往的工程围岩分类，只局限于定性的地质勘察，缺少定量依据，是不同工程或同一工程地段难以据勘测资料确切地对比分析。声波与电阻率探测相结合用于围岩分类，是岩体工程分类从依赖于定性逐渐走向定量。使工程建设既经济又安全。由于岩体弹性波速与岩体电阻率具有同等效应的特点，均对岩性、结构面发育程度、风化及应力情况有灵敏的反映，只是两种参数对水与空气反映的敏感程度不同，因此，两种参数具有相互映正、相互补充的特征。电阻率对含水率的敏感程度比波速高，而波速对空气的敏感程度比电阻率高。总体上围岩波速的测试精度比电阻率测试精度高。鉴于隧道工程的重要性，因此，建议利用波速研究围岩量化分类，同时用电阻率参数进行验证。岩体稳定性综合分类法见表2（用电阻率参数进行分类也可参照表2进行）。岩体稳定性综合分类法表2按照上表测定六个弹性参数，求得相应的等级指标值（qi）按下式计算岩体稳定指标（Sd）。式中：n---岩石有关的弹性参数种类数，n值为1~3；m---岩体有关的弹性参数种类数，n值为1~3。根据岩体稳定指标Sd值，然后再从围岩分类综合表查到所要评价的围岩类型见表3。围岩稳定分类综合表表33.岩体的应力计算与围岩支护类型的确定根据建立的隧道围岩量化模型，我们可以结合前期的勘查资料，计算围岩的弹性模量，参考电阻率值，任意选区隧道断面，进行隧道应力计算，求得某个断面的应力、应变分布数据。与施工周边、拱顶位移量测数据进行对比，在允许的精度下进行拟合，最终确定隧道断面各点的应力分布。根据应力分布进行进一步验算确定支护类型，确保围岩的稳定性。该方法在雁门关隧道的科研项目中已作了大量的研究工作，由于篇幅所限，这里不详细介绍。4.结论与建议我们将隧道围岩分类按时间顺序和粗细程度可分为三个阶段，第一阶段隧道前期勘查对围岩的初步分类，此阶段的分类方法可能存在对部分断层的遗漏，对围岩的分类建立在以少量点推测断面的情况，但对隧道洞线的区域地质有宏观的了解，满足不了隧道施工期间的围岩分类要求，经常性造成与实际围岩不符的情况。第二阶段隧道开挖过程的超前地质预报对围岩的细化分类，该方法以前期隧道勘查的地质资料为依据，对围岩岩体波速进行测试，能对围岩进行细化分类，对前方一定范围内的地质情况进行预报，对断层情况有较详细的预报，但由于已知地质资料有限，且地震波解译的多解性，使该方法对围岩分类可进一步细化，但不能量化。第三阶段隧道开挖后洞内测试的围岩量化分类，该方法建立在以上资料的基础上，增加了对围岩岩石的测试，通过对岩石与岩体的波速（电阻率）比较，进一步说明围岩的岩性、构造、稳定性、风化程度、地下水的影响程度等，达到围岩量化分类的目的。以上三个阶段是隧道选线、方案确定、隧道开挖、支护、衬砌过程中对围岩分类不可缺少的内容，只有对围岩的量化分类，才能准确地判断围岩的工程地质特性，保证隧道设计、施工的合理性，使工程建设即经济又安全。参考文献1.张喜发、刘超臣、栾作田、张文殊编.工程地质原位测试.北京：地质出版社2.隧道.铁道部第二勘察设计院.北京：中国铁道出版社19993.公路隧道设计规范.北京：人民交通出版社，19904.傅良魁编.电法勘探.北京：地质出版社，1983(叶英)