基于三重指標(biāo)體系的軟弱片巖隧道圍巖分級探討

易 毅

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，湖北 武漢 430051)

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基于三重指標(biāo)體系的軟弱片巖隧道圍巖分級探討

易 毅

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，湖北 武漢 430051)

結(jié)合絹云母片巖工程特性，對BQ′圍巖分級中的地下水修正系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，引入粘土礦物修正指標(biāo)K4和軟弱夾層修正指標(biāo)K5，提出了基于“三重修正體系”的[BQ′]分級法計算公式，并通過實踐證明了該公式的合理性與可行性。

絹云母片巖，圍巖分級，修正[BQ′]公式

0 引言

現(xiàn)行Q系統(tǒng)分類法、BQ法、RMR法，這些方法盡管考慮了地下水、結(jié)構(gòu)面、地應(yīng)力等相應(yīng)的修正系數(shù)，但針對特殊性圍巖，上述方法難免出現(xiàn)較大的誤差[1-3]。

馬超鋒等[4]從地應(yīng)力、地下水及不利結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響進(jìn)行修正。武建廣[5]，王建軍等[6]從地質(zhì)條件角度，應(yīng)用巖體縱波速度及動彈性模量對軟巖進(jìn)行了半定量分級。韓志強，劉建等[7]考慮了片巖的水敏性與各向異性的影響。方昱等[8]采取巖石回彈強度替代飽和單軸抗壓強度和地應(yīng)力狀態(tài)方面。

上述學(xué)者未考慮Rc與Kv間的關(guān)聯(lián)性，且研究區(qū)絹云母片巖具有易軟化、膨脹、崩解與流變等特性[1,2,4-9]。在統(tǒng)計鄂西北20多條絹云母片巖隧道圍巖分級的基礎(chǔ)上，提出增加考慮粘土礦物成分及軟弱夾層附加影響因素的“三重指標(biāo)體系”，即基本質(zhì)量指標(biāo)、修正指標(biāo)及附加指標(biāo)。

1 BQ分級法基本質(zhì)量公式修正

BQ值與修正[BQ]值[10]分別按式(1)與式(2)進(jìn)行計算：

BQ=90+3Rc+250Kv

(1)

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(2)

其中，Kv為完整性系數(shù)；Rc為單軸飽和抗壓強度；K1為地下水修正系數(shù)；K2為軟弱結(jié)構(gòu)面修正系數(shù)；K3為應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)。

研究區(qū)巖石完整性、抗壓強度普遍不高，如何針對這種低Rc和Kv小的情況，確定合理的基本質(zhì)量指標(biāo)BQ′計算公式是優(yōu)化的重要工作。

選取十漫、十房、谷竹等多條絹云母片巖隧道共202個斷面分級樣本，確定了所選樣本的兩個限制條件來修正散點圖中的Rc與Kv值，見圖1。

數(shù)據(jù)點集中分布在Rc=5+115Kv,Rc=83.33Kv-29.17兩條直線范圍內(nèi)。因此設(shè)定如下限制條件：

1)上限條件。

當(dāng)Rc>5+115Kv，取Rc=5+115Kv代替Rc值。

2)下限條件。

當(dāng)Kv>0.35+0.012Rc，取Kv=0.35+0.012Rc代替Kv值。

按照逐步回歸的方法對修正后的數(shù)據(jù)建立公式，得出的直線型回歸公式(3)，即為絹云母片巖基本質(zhì)量修正公式BQ′。

BQ′=110+0.6Rc+358Kv

(3)

2 變質(zhì)片巖特殊指標(biāo)修正

研究區(qū)絹云母片巖多呈綠黃色、淺灰色；巖石遇水后觸摸具柔滑膩感；且在片理之間常充填有灰白、灰綠色物質(zhì)。同時具有弱膨脹性。

BQ法中忽略了地下水對參數(shù)Rc的軟化及膨脹影響。本文對地下水進(jìn)行二次修正，并提出礦物成分與軟弱夾層對修正的BQ′進(jìn)行三重附加修正。

2.1 修正[BQ′]模型的建立

針對絹云母片巖的特性，以BQ公式為基礎(chǔ)，提出式(4)對巖體質(zhì)量[BQ′]進(jìn)行修正探討。

(4)

K4——巖體膨脹系數(shù)；

K5——軟弱夾層修正系數(shù)；

A——附加修正因素前的系數(shù)，為盡量保證修正后的分級跨半級修正的效果[11]。將巖體的膨脹系數(shù)、軟弱夾層的力學(xué)修正系數(shù)的修正權(quán)重適當(dāng)降低，取前面修正指標(biāo)的1/2，即A=50。

2.2 地下水作用修正系數(shù)

表1 地下水影響修正系數(shù)取值

表1中地下水修正指標(biāo)的最大權(quán)值定為1.0。對軟弱破碎巖體，第三類地下水狀態(tài)對其影響程度最大，該值定為1.0；對結(jié)構(gòu)完整的硬質(zhì)巖，地下水的影響最小，可近似為0～0.1。

2.3 礦物成分影響修正系數(shù)

經(jīng)X衍射實驗絹云母片巖含大量蒙脫石、伊利石等粘土礦物。粘土礦物使巖體具有崩解性、膨脹性的因素。含蒙脫石、伊利石的巖體與水發(fā)生反應(yīng)可使體積增加50%～100%[11]。

BQ分級法未考慮巖體膨脹性，在[BQ′]中引入巖體膨脹性修正指標(biāo)，粘土礦物含量的修正通過引入巖體膨脹性系數(shù)K4來進(jìn)行修正，K4的取值見表2。絹云母片巖衍射實驗結(jié)果顯示，蒙脫石含量均不超過10%，為弱膨脹性變質(zhì)巖。

表2 粘土礦物成分修正系數(shù)K4取值

2.4 軟弱夾層修正系數(shù)

[BQ]法中修正系數(shù)K2對結(jié)構(gòu)面的修正僅考慮了結(jié)構(gòu)面方位的影響。但當(dāng)存在不同級別、不同錯動程度的多組結(jié)構(gòu)面時，單對方位進(jìn)行修正是不全面的。因此，需要更為全面的考慮夾帶的影響情況。以夾層的抗剪參數(shù)f以及軟弱夾層與層面的方位系數(shù)a為代表參數(shù)進(jìn)行評定，修正取值見表3。在此引入控制性軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)修正系數(shù)K5，計算方法見式(5)。

K5=(0.5-f)+a

(5)

其中，f為層間剪切帶摩擦系數(shù)；a為軟弱夾層產(chǎn)狀影響修正系數(shù)。

表3 軟弱夾層力學(xué)參數(shù)修正取值

3 應(yīng)用探討

3.1 修正[BQ′]法實例應(yīng)用

選取通省隧道為例。隧道走向約為223°，穿越地層是元古界武當(dāng)群(Pt2wd)絹云母片巖，主要礦物為石英、絹云母，片理發(fā)育，片狀構(gòu)造，軟弱夾層較發(fā)育。

為驗證修正[BQ′]分級法在絹云母片巖中的適用性，取YK110+520～YK110+790段、ZK115+450～ZK115+590段作為圍巖級別分級模型，設(shè)計圍巖級別為Ⅲ級。

3.2 修正指標(biāo)參數(shù)選取

1)地下水影響系數(shù)取值。

YK110+520～YK110+790段圍巖平均抗壓強度30 MPa，巖體破碎，片理發(fā)育，地下水欠發(fā)育，點狀出水，平均軟化系數(shù)0.65。ZK115+450～ZK111+590段圍巖平均抗壓強度32 MPa，巖體較破碎，地下水欠發(fā)育，局部有濕斑，平均軟化系數(shù)0.72,具體K2值詳見表4。

2)礦物含量修正系數(shù)取值。

對選取斷面巖樣進(jìn)行X射線粉晶衍射實驗，礦物成分及含量見表5。針對粘土礦物含量的考慮，附加礦物成分指標(biāo)K4取值詳見表4。

3)軟弱夾層修正系數(shù)取值。

YK110+520～YK110+790段片理面中充填有絹云母片巖軟弱夾層；ZK115+453～ZK115+593段有垂直于巖層片理面的軟弱夾層，屬于泥化夾層；軟弱夾層力學(xué)參數(shù)結(jié)果見表6。

表4 隧道圍巖分級[BQ′]修正指標(biāo)及附加指標(biāo)取值

表5 典型斷面巖樣礦物成分及含量

各斷面的修正指標(biāo)及附加指標(biāo)取值見表6。

表6 軟弱夾層力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

3.3 分級結(jié)果分析

由式(4)對圍巖進(jìn)行計算，可得修正后圍巖級別，與規(guī)范分級、揭露級別進(jìn)行對比，見表7。

表7 圍巖分級對比表

由表7及圖2可知，設(shè)計級別普遍高于實際揭露情況，說明在勘察設(shè)計中，并不能較好的把握實際圍巖情況。

經(jīng)過優(yōu)化后，得到該隧道的現(xiàn)場吻合率達(dá)到92.67%。證明本次分級的優(yōu)化結(jié)果是可行和準(zhǔn)確的。

4 結(jié)語

鑒于絹云母片巖隧道中，規(guī)范BQ分級法確定的圍巖級別與實際圍巖級別相差較大，在延續(xù)規(guī)范分級基本形式的基礎(chǔ)上，通過回歸分析，增加兩個限制公式，提出了優(yōu)化研究區(qū)實際Rc與Kv的[BQ′]修正公式。

提出了以地下水、粘土礦物含量、軟弱夾層力學(xué)性能的影響系數(shù)對BQ′法進(jìn)行修正的圍巖分級法。將修正的BQ′公式和[BQ′]分別應(yīng)用到現(xiàn)場實際中，與現(xiàn)場實際級別的吻合率很高，平均能達(dá)到92.67%，說明該公式的合理性和可行性。

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[11] GB 50021—2004，巖土工程勘察規(guī)范[S].

Classification discussion on weak schist tunnel rock based on triple indexes system

Yi Yi

(HubeiTransportationPlanningandDesignInstitute,Wuhan430051,China)

Combining with engineering properties of Pinal schist, this paper optimized the groundwater correction coefficient of BQ′ surrounding rock classification, introduction of clay minerals modified indexK4, soft interlayer correction indexK5, proposed the [BQ′] classification method calculation formula based on “triple correction system”, and through the practice proved the rationality and feasibility of the formula.

Pinal schist, rock classification, modified [BQ′] formula

1009-6825(2016)20-0184-03

2016-05-04

易 毅(1987- )，男，碩士，助理工程師

U451.2

A