隧道工程岩体分级回顾与展望.pdf
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1、隧道工程岩体分级回顾与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024收稿日期:2024-01-16修回日期:2024-02-07作者简介:何发亮(1962-),男,教授级高级工程师,博士生导师,主要从事隧道工程地质、工程岩体分级、施工地质预报及地质灾害防治研究与技术咨询工作,E-mail:.隧道工程岩体分级回顾与展望何发亮(中铁西南科学研究院有限公司,成都 611731)摘要:隧道工程岩体分级是认识隧道工程岩体属性的基础,对隧道工程设计理论、
2、设计计算参数、合理施工方法及施工工艺选择具有重要的指导作用。文章对国内外隧道工程岩体分级的发展历程进行回顾,在介绍国内两个典型隧道工程岩体分级的基础上,提出今后乃至未来一段时间内隧道工程岩体分级的发展趋势。关键词:隧道工程岩体分级;发展历程;发展趋势中图分类号:U451+.2文献标志码:A文章编号:1009-6582(2024)02-0060-07DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.007引文格式:何发亮.隧道工程岩体分级回顾与展望J.现代隧道技术,2024,61(2):60-66.HE Faliang.Review and Prospect of Rock Classif
3、ication in Tunnel EngineeringJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(2):60-66.1引 言隧道工程岩体分级是指根据已获取的有限的隧道工程地质勘察资料和以往隧道工程实践经验教训,对隧道工程施工将要遇到的工程岩体进行基本质量或稳定性分级1。一个相对完善和合理的隧道工程岩体分级,是人们正确认识隧道工程岩体属性的共同基础,对隧道工程设计理论、设计计算参数、合理施工方法及施工工艺选择具有重要的指导作用。隧道工程岩体分级,从无到有,日渐成熟。因此,回顾数百年来隧道工程岩体分级的发展进程,展望隧道工程岩体分级的发展趋势,无疑对形成一个完
4、善且合理的隧道工程岩体分级方法具有极为重要的推进作用。2隧道工程岩体分级发展2.1国外隧道工程岩体分级发展在20世纪前,并无严格意义上的隧道工程岩体分级。17世纪欧洲人霍夫曼按开挖所需工具提出将岩石划分为六级,18世纪俄国人罗蒙诺索夫根据岩石的强度、岩体节理裂隙发育程度及岩石块体间结合紧密程度提出将岩石分为坚石、次坚石、软石、破碎岩石和松散岩石。这些属于服务于地面挖掘的根据强度、节理裂隙发育程度及岩石块体间结合紧密程度和开挖所需工具的岩体分级。20世纪初,普罗托吉雅柯诺夫提出坚固系数法岩石分级(1926),太沙基提出岩石荷载分级(1946),开始了服务于隧道支护设计和地压力确定的隧道工程岩体分
5、级;20 世纪 50 年代开始,劳弗尔(H.Lauffer,1958)根据毛洞稳定时间提出隧道工程岩体岩石质量/岩石质量系数分级,迪尔(D.U.Deere,1969)根据岩石强度、岩体节理频率、岩石蚀变程度和岩体节理裂隙充填物等综合指标RQD提出岩石质量指标分级,巴顿(N.Barton,1974)根据岩体块体尺寸、块体间抗剪强度和作用应力三者之积提出隧道工程岩体质量Q分级2,宾尼威斯基(Z.T.Bieniawshi,1974、1976)考虑了岩石单轴抗压强度、岩石质量指标、节理状态、节理间距、地下水影响、节理方位的影响提出了岩体地质力学分类3,真正进入了服务于隧道工程施工的隧道工程岩体分级。2
6、.2国内隧道工程岩体分级发展1954 年以前,国内无专门的隧道工程岩体分级,为了确定隧道工程施工定额和开挖方法,沿用以岩石极限抗压强度和岩石天然容重为指标的分级方法,将岩石分为特坚石、坚石、次坚石、松石和土质五60隧道工程岩体分级回顾与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版级(或四级),属借用岩石强度或容重分级。19541972年,国内仍无专门的隧道工程岩体分级,铁道、水电、冶金、煤炭、国防等工程部门都采用以岩石坚固性系数fxp为指标
7、的普氏分级。但普氏分级的明显不足被大量工程实践所证明,特别是单纯依靠岩石抗压强度得到的f值并不能充分反映工程岩体(围岩)基本特性和岩体的稳定状态。由于没有充分考虑岩体完整性、岩体结构特征等对岩体稳定性有极大影响的因素,普氏分级不能正确评价岩体稳定性,修正的普氏分级法应运而生,如铁道部1960年提出的“岩体坚固性系数分级”,“西南工程指挥部山体压力战斗组”1965年提出的“岩体综合分级”,水电部1966年在“水工隧洞暂行设计规划”中提出的“凿岩压力系数与岩石抗力系数”分级,但未得到实际推广、应用。1972年到现在,随着我国岩石工程尤其是地下工程的大量修建和工程地质勘察技术方法及测试技术的发展,人
8、们对隧道及地下工程所处工程岩体属性的认识日趋完善,工程岩体分级方法不断提出并得到推广应用46。中国科学院地质研究所谷德振教授等于1972年提出的工程岩体结构类型划分方法,铁道部和总参305部队于1972年提出的以岩体结构特征定性描述和岩石强度为基本因素并结合考虑其他因素的工程岩体分级方法,水电部成勘院于1974年提出的定性描述和定量指标相结合的水电工程岩体分级,国家建委组织有关单位提出的考虑岩体结构类型、岩石强度和地下水影响等因素的人工岩石洞室岩体分级方法,长春地质学院与电力部东北勘察设计院于1975年共同提出的“地下洞室声波围岩分类”,东北工学院1984年提出的“围岩稳定性动态分级法”,中国
9、人民解放军89003部队于1985年提出的“坑道工程围岩分类及其在被复设计中的应用”,铁道部科学研究院西南研究所于1985年提出的“铁路隧道工程岩体(围岩)分级建议方案”,水电部昆明勘察设计院等单位于1988年提出的“水电站大型地下洞室的地质研究和围岩分类”,原中铁西南科学研究院、铁道第一勘察设计院、中铁一局和中铁十八局等单位于2000年根据岩石单轴抗压强度、岩体完整性、岩石耐磨性和岩石凿碎比功4个指标提出的TBM隧道裂隙围岩TBM工作条件等级划分方法7,推进了我国隧道工程岩体分级的进步。19891991年,由国家建委组织水利部、铁道部、冶金部、建设部和总参工程部等有关单位,共同编制并于199
10、4年颁布实行的 工程岩体分级标准(GB5021894),凝聚了我国工程岩体分级研究人员与实践者的智慧、心血与成果。2001年,铁路隧道设计规范(TB10032001)8在原有铁路隧道围岩分类基础上,参照 工程岩体分级标准(GB5021894),采用定性划分并引入岩石强度和围岩弹性波速度指标,将围岩级别分成六级,并将围岩级别的序次按国家标准排序,即将隧道围岩级别由好到差分为级,实现了铁路隧道工程岩体分级向工程岩体分级国家标准的靠拢。2004 年,公路隧道设计规范(JTG D702004)9,采用 工程岩体分级标准(GB5021894)原则和方法,并吸收了铁路隧道设计规范(TB100399)中有关
11、土体围岩的分级,将围岩由好至坏划分为级,实现了公路隧道工程岩体分级向工程岩体分级国家标准的靠拢。3 国内两个典型隧道工程岩体分级方法3.1铁路隧道工程岩体(围岩)RMQ分级RMQ分级方法为原铁道部科学研究院西南研究所于1985年提出,其定性描述和定量评价相结合,以控制岩体质量的主要参数评分之和加上修正因素评分得到的隧道工程岩体质量评分RMQ(RMQ=K+Q+C),确定隧道工程岩体质量级别(表1),被 工程岩体分级标准(GB5021894)及其修编版 工程岩体分级标准(GB502182014)10所采用。控制岩体质量的主要参数评分包括岩体完整性评分K和岩石质量评分Q,修正因素及评分包括岩体主要结
12、构状态评分C1、岩体含水情况评分C2及岩体初始应力状态评分C3。岩体完整性K包括岩体体积节理数Jv(条/m3)、岩体完整性系数 Kv(01)和岩石质量指标 RQD(%);岩石质量 Q 包括岩石饱和单轴抗压强度 Rc(MPa)、岩石点荷载强度Is(MPa)和岩石声波纵波速度Vp(m/s);主要结构面状态C1包括主要结构产状及其与工程轴线的关系、结构面粗糙起伏度和结构面张开度及其充填情况。表2和表3分别为分级基本参数指标及其评分和分级修正参数指标及其等级评分,表4和表5分别为主要结构方位与隧道轴线的关系和结构面粗糙起伏度分级。3.2TBM施工隧道围岩分级TBM隧道施工能否尽可能高效发挥其应有的效率
13、,并达到安全、快速掘进的目标,主要取决于TBM的工作条件,即取决于TBM的工作对象隧61隧道工程岩体分级回顾与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024表1 铁路隧道工程岩体(围岩)分级Table 1 Classification of railway tunnel engineering rock mass(surrounding rock)级别1212312312主要工程地质特征极坚硬,极完整岩体,呈整体或厚层结构。节理裂隙极不发育,
14、含少量大间距或分散的节理,Jv5条/m3;Rc60 MPa;Vpm5.0 km/s坚硬完整岩体,呈块状结构或层间结合良好的中厚层状结构。节理裂隙较发育,Jv=515条/m3,Rc60 MPa;Vpm=4.05.0 km/s中等坚硬完整岩体,呈大块状整体结构。节理不发育,Jv15条/m3,Rc=3060 MPa;Vpm=4.05.5 km/s坚硬块状岩体,呈碎裂镶嵌结构,节理裂隙中等发育,含小断层,层状岩体结合力一般,Jv=1525条/m3,Rc60 MPa;Vpm=3.54.5 km/s中等坚硬,中等完整岩体,呈碎裂镶嵌结构,或中厚层块状结构和软、硬互层结构。Jv=515条/m3,Rc=306
15、0 MPa;Vpm=3.44.0 km/s软质完整岩体,呈整体一巨块状结构,节理裂隙稍发育,Jv=515条/m3,Rc=2030 MPa;Vpm=3.04.0 km/s坚硬、中等坚硬,完整性差的岩体,呈小块状碎裂结构,或层状结构,块体间结合力一般,节理裂隙较发育,时有小断层,Jv=2535条/m3,Rc=3060 MPa;Vpm=2.53.5 km/s软质中等完整岩体,呈块状和层状结构,节理裂隙中等发育,Jv=1525条/m3,Rc=1030 MPa;Vpm=2.03.0 km/s老黄土,有一定胶结的砾石土Vpm=1.52.0 km/s松散或松软结构的岩体,多处破碎或严重风化带,节理裂隙极发育
16、,Jv35条/m3,Rc10 MPa;Vpm2.0 km/s除3土以外的其他土类围岩岩体质量评分RMQ100858565806565456545604545254525452525毛洞稳定状态(单、双线)极稳定,无坍方,可能产生岩爆稳定、局部有小塌方稳定、局部有小掉块暂时稳定,由于局部不稳定块体的坍落,可能引起较大的塌方暂时稳定,有不稳定块体塌落暂时稳定,高应力时容易产生塑性变形和剪切破坏稳定性差,有较多的松动坍落,能引起继发性的大塌方稳定性差,除有松动坍落外,容易产生塑性变形和剪切破坏,能引起继发性大塌方暂时稳定至极不稳定,松动塌落或塑性变形,可能有较大塌方不稳定至极不稳定,松动塌落或剪切破
17、坏往往形成大的塌方表2 分级基本参数指标及其评分Table 2 Basic parameters and their ratings for classification基本参数岩体完整性K岩石质量Q评价指标体积节理数Jv/(条/m3)完整性系数Kv岩石质量指标RQD*/%评分岩石饱和单轴抗压强度Rc/MPa岩石点荷载强度Is/MPa岩石声纵波速度Vpr/(m/s)评分硬质岩*软质岩*硬质岩软质岩硬质岩软质岩评价指标的等级及其评分5(巨块状)1.000.85(极完整)10090(优)7065401005.3(极坚硬)5 0003025515(块状)0.850.65(完整)9075(良)6550
18、4030100605.33.2(坚硬)5 0004 00025151525(中等块状)0.650.45(中等完整)7550(中)5035302060303.21.6(中等坚硬)4 0003 0003 0002 000151030202535(小块状)0.450.25(完整性差)5025(差)35202030101.60.53(软)3 0002 0002 0001 00010515535(碎块状)0.25(破碎)25(劣)20100.53(极软)2 0001 00055注:*无RQD值时,可参考钻孔岩芯采取率;*Rc30 MPa为硬质岩;Rc30 MPa为软质岩。62隧道工程岩体分级回顾与展望现
19、 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版表5 结构面粗糙起伏度分级Tsble 5 Classification of roughness and undulation ofstructural surfaces级别描述明显台阶状粗糙波浪状平滑波浪状或平整粗糙状平整光滑状平整光滑具擦痕剖面素描道工程岩体(围岩)的工程地质条件是否适宜于采用TBM施工及针对具体隧道的TBM配套机具的准备充分与否。研究和TBM隧道施工实践表明,影响TBM隧道施工工作
20、条件的主要地质因素包括地质环境因素、岩石强度、岩石硬度和耐磨性、岩体结构面发育程度(完整程度)及其他因素。一般认为,隧道穿越塑性地压大的软弱地层、类砂性土构成的软弱地层、具中等以上膨胀性岩土地层、断层及其破碎带、岩溶发育带可能出现严重涌漏水,不适宜采用TBM施工或TBM掘进将碰到极大困难。研究认为:(1)岩石的单轴抗压强度(Rc)在一定范围内时,TBM的掘进既能保持一定的速度,又能使隧道围岩在一定时间内保持自稳。(2)随着岩石耐磨性指数Ab的升高,TBM刀具消耗率提高,掘进速度下降。(3)一定强度的岩体,岩体完整性系数或岩体体积节理数Jv过大或过小,均不能取得满意的TBM的掘进速度,而只有当岩
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