工程地質(zhì)巖組與巖體質(zhì)量分級在巖石工程中應用對比

  1 引言

 

  通過(guò)從分析巖石地質(zhì)本質(zhì)性、物理本屬性到力學(xué)本構性的討論，王思敬[1]建立了巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)深入結合的知識通道。從地質(zhì)本質(zhì)性和力學(xué)演繹兩端元出發(fā)，將巖石力學(xué)和工程地質(zhì)更緊密地融合在一起。從可操作技術(shù)方法層面看，工程地質(zhì)分區、分組和巖體質(zhì)量分級有各自的方法、手段，其依據和使用層次范圍各不相同，服務(wù)工程階段也有差別，但它們之間存在一些交叉和重疊。巖石力學(xué)中常采用的巖塊工程分類(lèi)、巖體質(zhì)量分級等，服務(wù)于工程設計和施工的目標更為具體。本文結合隧道工程實(shí)踐中多不良地質(zhì)體條件下不同建設階段巖體質(zhì)量級別判別結果明顯不同的原因分析，對這些方法進(jìn)行對比，討論了它們在巖石工程中分階段、分層次、分類(lèi)型的應用特征，為進(jìn)一步發(fā)展和融合這些具體技術(shù)方法提供基礎。

 

  在地質(zhì)建造和構造改造基礎上，結合物理力學(xué)性質(zhì)而給出的工程地質(zhì)巖組，為工程地質(zhì)分區和工程地質(zhì)條件評價(jià)提供了依據[2]，其作用主要在于對地質(zhì)體的歸并定性認識，為工程地質(zhì)問(wèn)題分析和大尺度超前地質(zhì)預報提供了基礎。以RMR[3]和Q[4]等為代表的巖體質(zhì)量分級體系，是力學(xué)參數提取和設計的重要依據。地質(zhì)條件簡(jiǎn)單情況下，分級體系量化意義比較大，而復雜地質(zhì)(如不良地質(zhì)體大量出現)條件下，工程地質(zhì)巖組對復雜問(wèn)題的認識和刻畫(huà)意義更大，有利于分析認識變形破壞模式，也能較好地解釋不同建設階段巖體質(zhì)量級別差別較大的原因。

 

  2 工程地質(zhì)巖組與條件評價(jià)

 

  完整巖石工程地質(zhì)分類(lèi)、工程地質(zhì)巖組、結構面分級、結構體分級、巖體結構分類(lèi)和工程地質(zhì)分區，構成了巖體工程地質(zhì)力學(xué)觀(guān)點(diǎn)指導下的可操作的技術(shù)方法，也成為了工程地質(zhì)條件評價(jià)的基本內容、基礎和依據(見(jiàn)圖1)。其中，工程地質(zhì)條件評價(jià)是目標，核心是工程地質(zhì)問(wèn)題預測，工程地質(zhì)巖組和工程地質(zhì)分區等是研究結果的表現形式和工程應用的接口。圖1 中，虛線(xiàn)框表示分級或分類(lèi)，而點(diǎn)線(xiàn)框表示對應的實(shí)線(xiàn)框中的要素所包含的因子。粗實(shí)線(xiàn)框表示的工程地質(zhì)分區、工程地質(zhì)問(wèn)題預測、巖體結構、工程地質(zhì)巖組、結構面和巖體質(zhì)量分級，系不同層次上工程地質(zhì)研究主要內容和要素。

 

  完整巖石工程地質(zhì)分類(lèi)基本上以抗壓強度和彈性模量為準，是概括性分類(lèi)，便于對巖體重要組成部分的結構體的物理力學(xué)屬性進(jìn)行綜合認識。以對數表示的橫坐標為軸向抗壓強度分級(A～E5 級)、縱坐標為彈性模量，以彈性模量比500∶1 和200∶1 分別作為上限和下限，將巖石劃分為高彈性模量比H、中彈性模量比M 和低彈性模量比L。凡具有鑲嵌結構、各向異性不顯著(zhù)的巖石都落在M 范疇之內。多數火成巖屬于此級。

 

  在巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究中，巖組是指巖石的工程地質(zhì)組合。正確的劃分巖組有利于對巖體結構的認識，有利于對巖體穩定性進(jìn)行評價(jià)分析，有利于工程技術(shù)人員對工程地質(zhì)資料的應用。巖組劃分以巖體工程地質(zhì)力學(xué)(即巖體結構控制巖體穩定)觀(guān)點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，即其原則[5]。由于工程巖體比地質(zhì)體小很多倍，巖組劃分不能過(guò)大，必須在建造類(lèi)型基礎上進(jìn)行。工程地質(zhì)巖組一般是為工程規劃和設計服務(wù)的，其所對應的結構面和結構體的級別一般都比較低，而非大區域范圍上的宏觀(guān)。結合金川礦區巖石建造發(fā)育特征，許 兵等[2]依據巖石成因類(lèi)型及巖性、巖相變化等4 個(gè)方面的因素，將露天礦區的巖石劃分為混合巖巖組等13 個(gè)工程地質(zhì)巖組。

 

  結構面分級是據斷裂和其他成因的地質(zhì)結構面的規模(延展長(cháng)度和寬度)而開(kāi)展的5(I～V)級劃分。

 

  它們在地質(zhì)體結構中占主導地位，構成了不同級序地質(zhì)結構體邊界。不同級序地質(zhì)結構控制著(zhù)不同規模的工程地質(zhì)問(wèn)題[5-6]。

 

  結構面的層次性決定了結構體的大小及其分級。從I 級(地質(zhì)體或斷塊體)、II 級(山體)、III 級(塊體)，到IV 級(巖塊)，其在巖體穩定分析中所起的作用也不同。

 

  在對結構面、結構體形成過(guò)程和特性研究的基礎上，據結構面發(fā)育程度和特性、結構體組合排列和接觸形態(tài)，可將巖體結構劃分為4 種類(lèi)型：I類(lèi)：整體狀結構(包括整體和塊狀結構)；II 類(lèi)：層狀結構(包括層狀結構和薄層或板狀結構)；III 類(lèi)：

 

  碎裂結構(包括鑲嵌結構、層狀碎裂結構和碎裂結構)；IV 類(lèi)：散體結構。巖體結構分類(lèi)已被巖石工程學(xué)術(shù)界和工程界廣為接受，被編寫(xiě)進(jìn)了規范和教科書(shū)。王思敬[1]綜合考慮巖石成巖和演化過(guò)程、主要物質(zhì)組成和結構、基本工程特性，將工程巖體劃分為節理(塊)狀J、層狀L 和碎裂巖體C 三類(lèi)，并指出由鑲嵌結構、碎裂結構和松軟結構組成的碎裂結構巖體一般構成工程場(chǎng)地最差的部位，并進(jìn)一步對其做3～5 類(lèi)工程分級。

 

  工程地質(zhì)條件評價(jià)是對與工程有關(guān)的地形地貌等6 個(gè)要素的總體進(jìn)行綜合分析和論證，定性和定量說(shuō)明工程地質(zhì)條件的優(yōu)劣。工程地質(zhì)問(wèn)題分析是工程地質(zhì)工作的中心環(huán)節和研究的核心，在此基礎上才能做出工程地質(zhì)評價(jià)、工程地質(zhì)結論和處理措施方案[7]。工程地質(zhì)問(wèn)題的分析和預測也構成了大尺度超前地質(zhì)預報的主要內容。

 

  工程地質(zhì)分區是將所研究的范圍按其工程地質(zhì)條件和評價(jià)的共同性和差異性劃分為不同的區段。

 

  不同區段上條件不同，而同一區段內地質(zhì)工程修建和使用條件相似。一般工程地質(zhì)分區的級序有四級，即一為區域，二為地區，三為亞區和四為地段。

 

  一般而言，分區的依據是工程地質(zhì)條件評價(jià)，側重于內外動(dòng)力地質(zhì)作用、水–巖相互作用、人類(lèi)活動(dòng)和地質(zhì)災害特征等。其目的是為地質(zhì)災害預防和工程設計提供依據，已由工程地質(zhì)條件定性分析發(fā)展到用多因素綜合量化的分區指標。

 

  3 巖體質(zhì)量分級與巖石工程設計

 

  巖塊和巖體的工程分類(lèi)一直是工程地質(zhì)和巖體力學(xué)的基本研究課題之一。國內外關(guān)于巖塊和巖體的分類(lèi)已有數十種，絕大部分是上世紀60 年代以后提出的，在巖石工程實(shí)踐中不斷得到應用和發(fā)展的有我國國標和不同部門(mén)的(BQ[9]，HC[10]，Z[5]指標/法等)分類(lèi)、國際上的(RQD[11]，RMR[3]，Q[4]，GSI[12]等)分類(lèi)。在工程地質(zhì)要素和分類(lèi)研究基礎上，采用對巖體質(zhì)量起控制作用的3 個(gè)內因：巖體完整性、結構面抗剪特性和結構體或巖塊堅強性，谷德振提出了用于評價(jià)巖體質(zhì)量?jì)?yōu)劣的巖體質(zhì)量系數Z：Z = I f S (1)式中：I = 2 2Vm /Vr 為巖體完整性系數， m V 為巖體中縱波速度； r V 為巖石標本中縱波速度；f = tg?為結構面的摩擦因數；S = Rc/100 為巖塊堅強系數，Rc 為巖塊的飽和單軸抗壓強度。

 

  式(1)中的3 個(gè)內因成為了后續許多巖體分類(lèi)中計算巖體質(zhì)量指標的基本因子，如國標的巖體質(zhì)量基本指標(BQ)、地質(zhì)體強度指標(GSI)圖形中的2 個(gè)關(guān)鍵因素(巖體完整程度和結構面特性)等。這些分類(lèi)方法和指標可歸納為2 個(gè)系統，即以圍巖強度為基礎和以圍巖穩定性為基礎。后者還可分為定性描述、定量指標法(和差法、積商法)。圖2 中五分法和其他所列為使用較多方法和指標，包括以不同部門(mén)規范形式給出的指標。

 

  巖體分類(lèi)數量上一般以五級為主，還有三級、四級、七級和九級等?？紤]工程施工條件和技術(shù)水平，鐵道部門(mén)提出了6 級隧道圍巖分級方案[21]，水利部門(mén)提出了16 級巖土開(kāi)挖分級方案，這2 個(gè)方案中都考慮了土體的存在和影響，尤其是后者對土就劃分了4 個(gè)類(lèi)別。在壩基或渠道開(kāi)挖過(guò)程中，施工場(chǎng)地常位于地下水位以上而挖掘的巖土多是干燥、不飽水的，不同于一般地下工程圍巖分類(lèi)中通常采用巖石單軸飽和抗壓強度值作為重要的分類(lèi)指標之一。

 

  在巖石工程規劃、設計和施工過(guò)程中，巖體質(zhì)量類(lèi)別會(huì )發(fā)生一定變化，從而不得不做出一些調整，這固然與不同勘察階段對地質(zhì)體揭露部位和相應的認識程度逐漸提高有關(guān)，也不可避免地存在圍巖受到工程施工擾動(dòng)影響，例如，不同規模環(huán)向剪切裂紋的貫通、一定范圍內松動(dòng)圈的形成等，使巖體質(zhì)量得到劣化，巖體質(zhì)量級別上會(huì )有相應的降低?；诖硕岢龅膭?dòng)態(tài)設計理念和理論研究[23]就具有很重要的意義。

 

  4 工程地質(zhì)巖組與巖體質(zhì)量關(guān)系

 

  基于巖石建造和巖體結構控制論的工程地質(zhì)巖組、為巖體強度或穩定性而實(shí)施的巖體質(zhì)量分級，具有不同的特點(diǎn)和適用范圍。前者粗略但抓住了控制性結構和巖性組合，后者為設計和施工提供類(lèi)比以及力學(xué)參數范圍，但在復雜地質(zhì)條件下尺度分辨率、方向及因素劃分上存在一些問(wèn)題，難以界清變形破壞模式，需與巖組結合起來(lái)。

 

  國內外針對不同類(lèi)型工程、不同的地質(zhì)條件，先后出現過(guò)多種巖體質(zhì)量分類(lèi)方案和方法，常用的如國標法(BQ)、鐵路隧道圍巖分級、巴頓的Q值法、南非的RMR 方法，以及近些年來(lái)受關(guān)注的地質(zhì)體強度指標法(GSI)。

 

  巖體分級所采用的多指標和差法、積商法計算，基本上是將幾個(gè)關(guān)鍵指標當作權重相同或均等而做的數學(xué)上的加法和乘積運算。通過(guò)對巖石工程出現的大量問(wèn)題分析發(fā)現，在不同的地質(zhì)條件下，各因素和指標的權重或作用不是均等的，這也是同樣質(zhì)量級別巖體，出現問(wèn)題與否及嚴重程度往往很不相同的原因。也即地質(zhì)體結構是分不同層次的，影響因素也非均等作用，呈現出不同變形破壞模式，且隨施工過(guò)程發(fā)生動(dòng)態(tài)調整。結構層次性和因素權重在巖體質(zhì)量計算方法中基本沒(méi)有體現。這樣就出現了地質(zhì)條件簡(jiǎn)單情況下用巖體質(zhì)量分類(lèi)，而在復雜地質(zhì)條件下，巖體質(zhì)量分級意義降低轉而要去對地質(zhì)因素和環(huán)境條件做剖析。從這方面上看，工程地質(zhì)巖組在復雜地質(zhì)條件下有較好的適用性。例如，同樣是硬巖，石英巖因脆性高、強度大，結構上表現出裂而不斷的特點(diǎn)，用巖體質(zhì)量來(lái)刻畫(huà)級別會(huì )偏低；泥化夾層或云母片巖透鏡體等不良地質(zhì)體因為體積小、厚度有限，在巖體質(zhì)量分級區段中難以很好體現或分辨出來(lái)，但工程地質(zhì)巖組可將其提取出來(lái)，有利于認識其變形破壞過(guò)程，為動(dòng)態(tài)設計、及時(shí)甚至超前處理提供依據。

 

  巖體分級所考慮因素不盡相同，一方面取決于工程類(lèi)型和規模，另一方面與地質(zhì)條件特點(diǎn)和復雜程度密切相關(guān)。對于同一條隧道埋深不同的洞段，風(fēng)化殼分帶有時(shí)和淺埋段的圍巖分級交叉在一起而使評價(jià)方法更需綜合性。這從一個(gè)側面體現了工程地質(zhì)巖組劃分和巖體質(zhì)量分級要有機結合起來(lái)的必要性和可行性。

 

  5 工程應用

 

  5.1 工程簡(jiǎn)介

 

  雁門(mén)關(guān)隧道位于山西省朔州市山陰縣與忻州市代縣交界地區，全長(cháng)14 085 m(南進(jìn)口DK110+840，北出口DK124+935)，設計為單洞雙線(xiàn)橢圓形隧道。

 

  據圍巖級別不同，跨度為13.46～13.66 m，高為11.26～11.71 m。頂拱高程為進(jìn)口1 104.2 m、出口1 162.8 m，人字形最高處1 179.85 m，最大埋深約802 m(樁號115+200)。

 

  隧道穿越總體60°走向恒山山脈，海拔1 103 m(隧道北端)～1 947 m(隧道中段)，相對高差844 m，地形起伏較大，由中段向南北兩端逐漸降低，屬中山(海拔高程1 000～3 500 m)地貌。以地表分水嶺為界，線(xiàn)路北段溝谷屬海河流域桑干河水系，南段屬海河流域滹沱河水系。

 

  五臺山—恒山花崗巖—綠巖帶的總體構造格架，是被若干整合斷層–韌性剪切帶、逆沖斷層、拆離斷層等分割開(kāi)的構造片體。施工過(guò)程中遇到了大變形、突水、突泥等問(wèn)題，層間剪切和潰曲構成了圍巖破壞機制。

 

  5.2 巖體結構類(lèi)型

 

  層狀結構、塊狀結構、鑲嵌結構和碎裂結構構成了本區主要巖體結構類(lèi)型，其中對圍巖穩定性影響較大的是層狀～碎裂結構。

 

  5.2.1 層狀結構

 

  最為發(fā)育的結構，結構面主要為片麻理、片理和節理。結構體形狀為板狀、楔形，有厚層、中層、薄層和薄互層。前者主要為斜長(cháng)角閃巖、黑云變粒巖，薄層主要為云母片巖、角閃斜長(cháng)片麻巖、輝綠巖脈、鉀長(cháng)花崗巖脈等。這類(lèi)結構常構成層間剪切帶，出現擠壓大變形和構造偏壓。

 

  5.2.2 塊狀結構

 

  結構面主要為節理，結構體形式主要為塊狀和柱狀。主要巖性為花崗片麻巖，其次為受構造破壞輕微的斜長(cháng)角閃巖和黑云變粒巖等。常構成主要含水層，也是開(kāi)挖中常發(fā)生局部掉塊塌方部位。

 

  5.2.3 鑲嵌結構

 

  結構體多呈菱形、錐形，結構面常為幾組巖脈和節理，它們交切穿插形成了鑲嵌結構，常見(jiàn)到小的斷層錯動(dòng)帶。常出現在斷層影響帶和巖脈侵入接觸帶，整體上強度高，但斷續明顯，不連續性顯著(zhù)，跨度大時(shí)會(huì )出現塌方。

 

  5.2.4 碎裂結構

 

  結構體為碎塊狀，結構面為節理、斷層及巖脈，多組結構面交叉、劈理發(fā)育。巖體完整性破壞較大，強度受斷層及軟弱結構面控制，對地下水作用敏感，巖體穩定性較差。在開(kāi)挖施工中易產(chǎn)生塌方、冒頂。

 

  要求支護緊跟，注意灌漿和圍巖加固處理，對于隧道工程，要求加密?chē)鷰r變形量測、加強襯砌和注意有效排水。

 

  5.3 工程地質(zhì)巖組

 

  根據地層巖性分布特點(diǎn)及其相應的工程地質(zhì)力學(xué)特性，將雁門(mén)關(guān)隧道區巖體劃分出4 個(gè)工程地質(zhì)巖組，即花崗片麻巖組、角閃云母片巖組、薄互層巖組和斷層破碎帶(包括核心帶、破碎帶和斷層影響帶)。

 

  5.3.1 花崗片麻巖組

 

  包括英云閃長(cháng)片麻巖、長(cháng)英質(zhì)片麻巖(TTG)和斜長(cháng)角閃巖，巖石堅硬，塊狀結構，一般發(fā)育2～4組節理，以塊體滑落為主要變形破壞形式。當其作為巖脈形式時(shí)，會(huì )出現局部脆性碎裂構造，破碎成碎塊或粉末狀，預示著(zhù)沿張性結構面侵入的花崗偉晶巖脈，在后期應力場(chǎng)改變等作用下，沿著(zhù)原來(lái)的斷層發(fā)生了構造擠壓破碎。裂隙發(fā)育，往往構成導水和富水層。在地下水作用下，其結構力學(xué)強度降低，勘察階段對34 組較堅硬的完整巖石在不同條件下的單軸抗壓強度試驗結果的對比說(shuō)明了這一點(diǎn)。巖石力學(xué)性質(zhì)受軟化效應影響，尤其是北部軟弱巖石較多區段，飽和巖石強度比干燥和天然狀態(tài)下的結果都要小。

 

  反映了巖石軟化特性，尤其是隧道北部巖石對水的敏性較強。值得注意的是，在雁門(mén)關(guān)(118+159.1 ）之南，3 個(gè)巖樣的強度普遍很低。筆者對似層狀淺色英云閃長(cháng)片麻巖(YM122)和灰黑色條帶狀片麻巖(YM123)2 個(gè)力學(xué)大樣的試驗結果投影在對應位置上，也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

 

  本巖組主要分布在隧道南部，主要為雁門(mén)關(guān)南部3 號斜井大里程以南部分。在隧道出口高切坡部位觀(guān)測到花崗片麻巖與角閃巖間呈差異風(fēng)化和侵入蝕變接觸，接觸帶破碎。

 

  5.3.2 角閃云母片巖組

 

  以綠泥石片巖、輝綠巖、云母片巖為主，常構成軟弱夾層，易發(fā)展成泥化夾層，是重要的不良地質(zhì)結構面和不良地質(zhì)體。它們呈透鏡體狀、軟弱夾層狀，力學(xué)強度各向異性明顯，對水作用敏感，飽和時(shí)抗剪強度降低很多，在高壓水頭作用下甚至喪失。這部分層厚不大，但分布廣。在地表呈現為窄的風(fēng)化槽，在地下其與較硬巖層接觸時(shí)，常成控水、控穩結構面，尤其是下界面的遇水軟化作用更為明顯，易沿其發(fā)生滲水和塌方。

 

  5.3.3 薄互層巖組

 

  系表殼巖金崗庫巖組中的中酸性、中性、基性火山沉積變質(zhì)巖軟硬互層和多層的薄層狀結構巖體。其各向異性明顯，富水性和導水性差，其中更差的是偏基性巖石，易風(fēng)化或熱液蝕變成高嶺土和綠泥石等對水敏感的黏土礦物。沉積–火山變質(zhì)巖常與條帶狀磁鐵石英巖在一起，是構成本區除斷層破碎帶、層間剪切(錯動(dòng))帶之外造成塌方和不利變形的重要巖組，數次塌方與此套巖組關(guān)系密切，值得關(guān)注。

 

  從巖性看，基性巖脈基礎上發(fā)育的蝕變巖顏色暗（暗綠灰色），無(wú)構造痕跡，性狀與其他圍巖差別大，富含黏土礦物。

 

  這部分巖組在長(cháng)期擠壓條件下含水性較弱，因含長(cháng)英質(zhì)細脈和泥化而常表現出高電阻率，單位長(cháng)度內巖脈、層間剪切帶變化頻率較大，這也使得電法物探分辨率效果不夠好。

 

  5.3.4 斷層破碎帶巖組

 

  以斷層破碎帶、熱液蝕變帶等碎裂–散體結構為特色，巖體極度破碎，構成導水和富水區。在深部隧道中斷層泥比較發(fā)育，表現出規模不等的泥化夾層，規模大時(shí)表現為從邊緣向中心的影響帶、破碎帶和斷層泥的3 帶分區現象。隧道穿越多會(huì )發(fā)生塌方和突水(泥)。尤其是在幾條斷層交匯處，破壞影響程度和范圍更突出，甚至可發(fā)生巖屑流。在地質(zhì)點(diǎn)YM36 觀(guān)測到一寬達30 m 的斷層破碎帶，含兩層陡立斷層泥，中間部位為泥餅狀含石榴石斜長(cháng)角閃片麻巖，斷層產(chǎn)狀134?∠70?。在點(diǎn)YM129 觀(guān)測到11 m 寬斷層破碎帶，含有2 套斷層泥，產(chǎn)狀10?∠49?。

 

  5.4 工程地質(zhì)巖組與巖體結構對應性

 

  上述 4 套工程地質(zhì)巖組和4 種巖體結構大致對應關(guān)系如圖4 所示。一般而言，花崗片麻巖為主組成的TTG，片麻理本身對巖石強度影響并不很大，常呈整體～塊狀，部分呈中厚層狀。角閃云母片巖組構成軟弱夾層，其與花崗巖接觸界面往往產(chǎn)生蝕變、構造錯動(dòng)等，層狀結構和(板)碎裂結構較有特色。薄互層巖組因軟硬巖石層間結合不好，易沿其錯動(dòng)、張開(kāi)和破裂，顯示出層狀結構。

 

  由于本區廣泛存在片麻理和片理，在構造影響強烈部位表現為層狀碎裂結構，局部甚至成為散體結構，易出現塌方、巖屑流災害。

 

  軟硬互層和兩者之間的弱聯(lián)結，以及由此派生的整合斷層、層間剪切和控制性軟弱結構面(泥化夾層)是雁門(mén)關(guān)隧道的巖體結構特點(diǎn)，即層狀結構、層狀～塊狀結構、層狀～碎裂結構組成了不同地段的地質(zhì)結構類(lèi)型，表現出獨特的偏壓、順層剪切等變形破壞特點(diǎn)。

 

  5.5 工程地質(zhì)分區

 

  對上述 4 種工程地質(zhì)巖組的分布情況進(jìn)行區分，尤其是對表殼巖組成結構細化、空間變化規律的認識等問(wèn)題開(kāi)展研究，以使分區和工程地質(zhì)問(wèn)題更好地結合起來(lái)，為科學(xué)動(dòng)態(tài)設計、預防地質(zhì)災害提供服務(wù)。

 

  在綜合有關(guān)地質(zhì)構造圖、變質(zhì)巖分區圖基礎上，提出了將本區(代縣–繁峙之間沿恒山山脈長(cháng)30km、寬約20 km 的山地范圍內)劃分為東西向3 個(gè)區，南北向12 個(gè)亞區的方案，供線(xiàn)路選擇和設計時(shí)參考。因恒山西段NE 向構造發(fā)育，巖性和構造帶呈NE 方向延伸、NW 方向交替變化，故分帶上應考慮這一特點(diǎn)。

 

  從西向東這3 個(gè)區(I～III)和12 個(gè)亞區的工程地質(zhì)特點(diǎn)和有關(guān)工程地質(zhì)問(wèn)題各不相同，它們的地質(zhì)特點(diǎn)概況列于表2 中?？傮w看本區工程地質(zhì)條件可評價(jià)為中～差。

 

  表2 中的巖性只給出了有代表性的，并沒(méi)有全面、細致的介紹和區分。工程地質(zhì)條件評價(jià)，對各個(gè)亞區進(jìn)行區域上概略打分，工程地質(zhì)條件從好到差分數值為1～5，對應于相對好～非常差。其中，備注中的內容是已經(jīng)出現和發(fā)生的突出工程地質(zhì)問(wèn)題。就目前所收集到的有關(guān)資料和地質(zhì)調查初步認識看，12 個(gè)亞區中有3 個(gè)亞區的情況最差，分別是I–2，II–2 和III–4，在線(xiàn)路選擇和設計時(shí)，需引起注意。

 

  5.6 巖體質(zhì)量分級方法及結果對比

 

  隧道施工過(guò)程中發(fā)現大量不良地質(zhì)體(如層狀～碎裂結構的薄互層巖組、角閃云母片巖組)，對工程安全和施工進(jìn)度產(chǎn)生了重大影響。這提示地質(zhì)調查、物探和鉆探須緊密結合、互相補充、綜合判斷分析。而且隨著(zhù)工程實(shí)踐的積累，典型工程類(lèi)比的意義仍會(huì )比較大。已通車(chē)的大運(大同—運城)高速公路，其隧道底板高出雁門(mén)關(guān)隧道底板(1 130 m)300 m 多?，F鐵路隧道在這樣低的高程上受地應力和地下水影響更甚，尤其是大斷面快速開(kāi)挖擾動(dòng)情況下，原軟弱圍巖級別會(huì )明顯降低。

 

  據鐵路隧道設計規范[21]、國家巖體分級BQ 值[9]、國外常用的Q[4]，RMR[3]值，綜合鉆探巖芯、地應力測試結果和埋深、洞隧道內地質(zhì)調查、地質(zhì)結構面(片麻理、節理、巖脈)統計，得到不同斷面相應巖體質(zhì)量計算結果。圖5 和6 所示結果是一次完成，未做二次調整參數或反復對比試湊修改，即統一標準、逐項打分、一次完成。鐵道規范、國標BQ 值、Q 值和RMR 值中，因地應力分布變化和影響情況在雁門(mén)關(guān)隧道中不很具體，賦值上偏差較大。同樣還有巖塊抗壓強度，在隧道斷面上，巖性變化較頻繁，軟巖硬巖交替或互層出現，取值上有一定人為性。

 

  地質(zhì)體強度指標GSI 主要考慮結構面體積節理數和結構面表面特征，而對地下水、地應力以及結構面同隧道軸向關(guān)系沒(méi)考慮。RMR 法對擠壓、膨脹和涌水條件下的極其軟弱巖體的評價(jià)不適用。

 

  Q = 1～4 時(shí)為差(IV 級)，0.1～1 時(shí)為很差、0.01～0.1 為極差，＜0.01 為非常差。其不足之處是沒(méi)考慮隧道軸線(xiàn)方向與地質(zhì)結構面的夾角，但其對軟弱巖石的分辨率較高，其中對斷層帶發(fā)育的隧道斷面，其Q = 0.03 時(shí)，評價(jià)為非常差，這與鐵路規范中的VI 級部分對應。Q 值結果中V 級比例很高。國標BQ 值修正后仍用原來(lái)基本巖體質(zhì)量指標BQ 來(lái)分級，其修正中考慮了地下水、地應力和軸線(xiàn)與結構面夾角，分析評價(jià)結果相對較好。RMR 值考慮因素簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單加和法處理方便，且其結果較易理解。

 

  圖5 的圖例中，“勘察”為前期地質(zhì)勘察工作給出的圍巖級別；“施工”為設計單位提供的施工開(kāi)挖變更后圍巖級別；“鐵路規范”為筆者據鐵路規范[21]中6 級劃分，給出隧道內24 個(gè)地質(zhì)觀(guān)測點(diǎn)圍巖級別，其結果僅代表現場(chǎng)調查時(shí)觀(guān)測點(diǎn)上情況，與施工給出的較大范圍圍巖級別有一定差別。

 

  隧道勘察和施工階段均實(shí)施圍巖級別判斷，2個(gè)階段結果相差達2 級。這說(shuō)明復雜地質(zhì)條件下，勘察階段圍巖分級和施工階段實(shí)際揭露圍巖級別間差別在隧道工程中基本存在；另一方面也說(shuō)明了工程類(lèi)型、規模和施工方法不同，對圍巖穩定性影響會(huì )有一定差別，從而使以往圍巖穩定性判別分級也需做出一定調整。施工期間巖體質(zhì)量比勘察時(shí)評價(jià)普遍要低，反映了巖體在施工擾動(dòng)作用下出現破壞松動(dòng)而產(chǎn)生質(zhì)量劣化。

 

  完整、全面的圍巖分級包括巖體結構分類(lèi)和巖體強度判別、圍巖穩定性分級、巖體質(zhì)量分級3 個(gè)方面。但現在一般隧道工程勘察多從第3 個(gè)方面，即單純的巖體質(zhì)量分級來(lái)進(jìn)行，這對本地區而言還很不夠。主要在于：本區有較獨特的地質(zhì)條件和特征，如地質(zhì)結構面(斷層、劈理、節理、巖脈)數量多、類(lèi)型多、尺度規模和方向多變(有主次之分)，巖性變化大、地下水影響明顯等，使地質(zhì)條件復雜，需將這3 個(gè)方面結合起來(lái)綜合分析，判斷圍巖級別。

 

  從前期工程地質(zhì)勘察工作中給出的物探剖面、鉆探結果看，對小規模的斷層，尤其是層間剪切帶重視程度不夠，但客觀(guān)上其變化頻繁性和深部擠壓條件下的閉合性，以及地表風(fēng)化剝蝕和鉆探工作中隨循環(huán)泥漿的沖走和被稀釋?zhuān)紩?huì )使得以層間剪切錯動(dòng)和破壞為主要特色的變形破壞模式被忽略，以至于沒(méi)引起足夠重視。本區總體而言，向SE 方向傾斜、傾角50°～70°的片麻理占絕大多數，使得掌子面傾向與其傾向一致(大里程)或相反(小里程)的變形破壞情況有差別。這點(diǎn)在3#斜井的大里程出現二襯開(kāi)裂段特突出，片麻理傾向臨空面，且其視傾角遠小于掌子面本身傾角，易產(chǎn)生向開(kāi)挖面的剪切變形，甚至塌方。本工程實(shí)例說(shuō)明了巖體結構分類(lèi)、工程地質(zhì)巖組、工程地質(zhì)分區和巖體質(zhì)量分級所考慮的因素和在不同階段所發(fā)揮的作用不盡相同，應結合起來(lái)運用。

 

  將雁門(mén)關(guān)隧道20 個(gè)調查點(diǎn)的不同巖體質(zhì)量指標做相關(guān)分析，發(fā)現BQ 指標與Q 和RMR 值的相關(guān)系數R，遠不及其與GSI 相關(guān)系數R 值高(見(jiàn)圖6)。其中，圖6(b)的橫坐標的指標分級界限值主要是對RMR 結果而言，因GSI 分級界線(xiàn)值還不完全統一。巖體質(zhì)量分級體系考慮因素不同，對不良地質(zhì)體不同指標值分級結果差別較明顯，反映了地質(zhì)條件復雜性不是僅靠巖體質(zhì)量分級就能全面反映出來(lái)。例如，同樣對IV 級巖體，其變形破壞模式因結構不同而有潰曲、層間剪切等，須有針對性的開(kāi)挖和支護方案。不同尺度巖體質(zhì)量分級差別，在同一斷面上因臨空面與結構面匹配關(guān)系不同，也有不同程度和方式的變形破壞。因此施工給出的巖體質(zhì)量級別與按有關(guān)分級系統得到的結果存在差別，但相差一般不會(huì )超過(guò)1 級。這些指標結果間，歸屬同一級別的相關(guān)性很好(見(jiàn)圖6(a)和(b)中縱橫坐標分級交叉區)。這不足以解釋圖5 中不同階段巖體質(zhì)量如此大的差別，但說(shuō)明了巖體質(zhì)量，尤其是不良地質(zhì)體中結構明顯的動(dòng)態(tài)變化在施工中確實(shí)發(fā)生了。

 

  為便于對比，圖6(c)還給出了RMR 與Q 關(guān)系表達式，即RMR = 8.2782lnQ+52.707。這與Z. T.Bieniawski 等[25-26]的關(guān)系式較接近。

 

  6 結論

 

  巖體結構控制論觀(guān)點(diǎn)指導下的工程地質(zhì)巖組劃分和工程地質(zhì)分區是大尺度范圍上工程地質(zhì)條件分析評價(jià)的重要內容和表現形式。巖體質(zhì)量分級綜合考慮了巖體本身結構和強度特征及環(huán)境條件，是設計和施工的重要依據。在復雜地質(zhì)條件下對巖體結構的尺度分辨率不確定性和因素權重的均等性處理，使巖體分類(lèi)應用要結合工程地質(zhì)巖組，以便更好地區分不同地質(zhì)要素對巖體穩定性的不同影響，認清變形破壞模式，便于工程類(lèi)比設計和超前地質(zhì)預報工作的開(kāi)展。

 

  在工程規劃、設計和施工階段，地質(zhì)勘察精度和對地質(zhì)條件認識程度不同，巖體質(zhì)量級別不可避免地會(huì )出現一定程度的變更。從規劃階段開(kāi)始積極運用巖體結構分類(lèi)、工程地質(zhì)巖組劃分，可抓住結構復雜為特色的不良地質(zhì)體，大尺度范圍實(shí)施超前地質(zhì)預報，這樣才可更好地同施工階段小尺度的圍巖分級結合起來(lái)，為動(dòng)態(tài)設計提供更好的服務(wù)。