第３１卷第３期 ２０１１年６月 隧道建设 Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖ０Ｊ．３】 Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ ２０ｌ１ 特殊隧道围岩的分级方法探讨 陈寿堂，吴秋军，杨家熙，苏 鹏，江 黎 （西南交通大学，成都６１００３１） ，摘要：为探讨黄土、膨胀土、断层破碎带等特殊隧道围岩的分级方法，通过对目前国内外的研究进行总结得到能反应特殊隧道围 岩的特性的指标，采取不同的指标组合进行综合研究对其进行分级。研究认为：黄土可按地质年代、天然含水量干密度进行分级； 、膨胀土可按塑性指数、自由膨胀率、标准吸湿含水率进行分级；断层破碎带可按地质力学特性进行分级。 关键词：特殊围岩；分级方法；黄土；膨胀土；断层破碎带 中图分类号：Ｕ ４５２．１ ２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—７４１Ｘ（２０１１）０３—０３０７—０４ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｒｏｃｋ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌｓ ＣＨＥＮ Ｓｈｏｕｔａｎｇ，ＷＵ Ｑｉｕｊｕｎ，ＹＡＮＧ Ｊｉａｘｉ，ＳＵ Ｐｅｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｌｉ （Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅ￣ｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉａｌ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｓ ｉｎ ｌｏｅｓｓ，ｓｗｅｌｌｉｎｇ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｈａｔ ｃａｎ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｌｏｅｓｓ ｃａｎ ｂｙ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ ｂｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ａｇｅ，ｎａｔｕｒａｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｄｒｙ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｓｗｅｌｌｉｎｇ ｓｏｉｌｓ ｃａｎ ｂｙ ｃｌａｓｓｉｉｆｅｄ ｂｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｉｎｄｅｘ，ｆｒｅｅ ｓｗｅｌｌｉｎｇ ｒａｔｅ ａｎｄ ｎｏｒｍａｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｆａｕｌｔ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｃｌａｓｓｉｉｆｅｄ ｂｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｃｉａｌ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ；ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｌｏｅｓｓ；ｓｗｅｌｌｉｎｇ ｓｏｉｌ；ｆａｕｌｔ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅ Ｏ 引言 现隧道围岩的稳定性与断层形成的力学特性有着直接 隧道中常常遇到的特殊围岩包括黄土、红土、软 的联系 ，这为隧道断层带的围岩分级提供了参考依 土、盐渍土、膨胀土、冻土、填土、断层破碎带等¨ ，此 据。本文从实用的角度通过调研分析方法对部分特殊 类围岩在隧道工程中十分常见，并常常成为不良工程 围岩进行了研究，初步提出了特殊围岩的分级方法。 地质地段灾害频发并严重影响隧道施工进度。究其主 １ 各类围岩分级因素 要原因，在于对其认识不足，特别是作为隧道勘测设计 分级因素的选择是围岩分级方法研究的基础，分 和施工基础技术的我国的铁路、公路隧道的围岩分级 级因素一般是指影响围岩稳定性的单个因素或其组合 方法中没有详尽、可靠的特殊围岩分级方法 Ｉ４ 。从 值。本节主要研究了黄土、膨胀土和断层破碎带的分 国外的各种围岩分级方法来看，也很少涉及此类围岩 级因素，选择分级因素时采用了经验方法，该方法是对 的分级方法 Ｊ。目前国内外对特殊隧道围岩的分级 研究围岩稳定性的文献进行统计，从中找出采用频率 方法有了不少的研究：石家庄铁道学院对郑西客专的 最高的几个稳定性影响因素作为分级因素，故又称 黄土围岩隧道进行了分级，但该分级标准只是针对郑 “指标采用率法”。 西客专，不具有普遍性 ；对于膨胀土的分类方法，目 １．１黄土的分级因素 前国内不少研究者都提出按照物性指标组合的方法进 黄土是第四纪以来在于旱、半干旱气候条件下，陆 行分类 ］，但该分类方法并不能反应膨胀土的本质 相沉积的一种特殊土。我国黄土的分布面积约６４万 特性，姚海林等提出了对膨胀土按照标准吸湿含水量 ｋｍ ，主要分布在北纬３３～４７。的黄土塬、梁、峁区… 。 进行分级 Ｊ，并通过验证表明该指标能反应膨胀土膨 国内外针对黄土稳定性做了大量研究 “ ，文献 胀的本质，故可以将其综合对膨胀土进行分类；罗利锐 ［１ １］对这些研究成果进行了调研分析表明： 等研究了断层对隧道围岩稳定性的影响，通过研究发 １）黄土的稳定性主要与黄土的强度及湿陷性有 收稿日期：２０１１—０１—２５；修回日期：２０１１—０５—１８ 作者简介：陈寿堂（１９８６一），男，湖南双峰人，西南交通大学土木工程学院地下工程系土木工程专业在读研究生，主要从事铁路隧道围岩分级方面的 研究。 隧道建设 第３１卷 关，黄土强度越小、湿陷性越强，黄土的稳定性越差；反 即该指标应该与上述３个直接指标具有很强的关联 之，强度越大、湿陷性越弱，黄土的稳定性越好；黄土的 性。中交二院通过对膨胀土标准吸湿含水率的研究发 标准吸湿含水率与蒙脱石含量、比表面积以及阳离 湿陷性与黄土的地质年代、干密度以及孔隙比等物性 现，子交换量之间存在很强的线性关系，蒙脱石含量是膨 指数有关。 ２）即使是湿陷性很强的黄土，如果天然含水量较 胀土膨胀与收缩的物质基础，阳离子交换量反映膨胀 低，也可能形成直立边坡，这说明天然含水量也是影响 土晶格的吸附能力，阳离子数量和种类是膨胀土膨胀 黄土稳定性的重要因素。 与收缩外在的影响因素，阳离子的参与改变了同样蒙 故可以选择用标准吸湿 从以上２点可看出，影响黄土稳定性的主要因素 脱石含量的膨胀土的亲水性，含水率作为评价膨胀土胀缩特性的标准 。 包括地质沉积年代、天然含水量、干密度、孔隙比等。 文献［１１］的研究结果还表明，黄土的孔隙比和干 综合上述分析，可选用塑性指数、自由膨胀率以及 密度存在比较强的线性关系。图１为对陇东地区５５组 ９２８个黄土样本的孔隙比和干密度的统计结果。由此可 见，对黄土而言，孔隙比和干密度可作为同一组指标选 用，在实际的岩土测试过程中，干密度的测试较简便、快 捷，故选用干密度作为这组指标的代表值。 １．４ ｌ＿２ 趣】．０ ∞鲫∞∞加０ Ｊ ０．８ 一 如 ０．６ —— ～ ！ ～——一 ～ １．２ １．２５ １．３ １．３５ １．４ １．４５ １．５ １．５５ 干密度／（ｇ／ｃｍ ） 图１ 干密度与孔隙比的对应关系 － Ｆｉｇ．１ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｒｙ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｏｆ ｌ－—ｏｅｓｓ ———● 趟 综合上述分析，可选用地质沉积年代、天然含水 Ｉ量、干密度３个因素作为黄土的分级因素。 —Ｉ１．２膨胀土的分级因素 膨胀土是指土中黏粒成分主要由亲水性矿物组 Ｉ成，具有吸水显著膨胀、软化、崩解和失水急剧收缩、开 ■ 如 窭 裂，并能往复胀缩变形的黏性土¨ 。文献［１Ｉ］对研究 膨胀土稳定性的文献进行了调研分析表明，标准吸湿 ● 恒 善 含水量、缩限、液限、塑性指数、胀缩总率、自由膨胀率、■ 黏粒含量、蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量是影 响膨胀土稳定性最常用的ｌ０个指标，各指标的采用率 统计结果如图２所示。 从图２可以看出，塑性指数、自由膨胀率的采用率 最高（达６１．５％），胀缩总率、黏粒含量的采用率次之 （达４６。１％），液限的采用率再次之（达３０．７％），其他 ５个指标采用率均较低（小于２０％）。另外，根据文献 ［１１］的研究，对膨胀土而言，胀缩总率、黏粒含量与塑 性指数、自由膨胀率之间存在一定的关系，而液限与塑 性指数也有较强的对应关系。综合上述考虑，选定塑 性指数、自由膨胀率作为膨胀土的分级因素。由于直 接指标测试较难，而只凭自由膨胀率和塑性指数又不 能完全准确判定其胀缩特性的缺点，应找出一个能综 合反应比表面积、阳离子交换量及蒙脱石含量的指标， 标准吸湿含水率作为膨胀土的分级因素。 ＼ 甘 肇 ７．６ ■Ｉ Ⅱ 姆 蜷 图２膨胀土的分级因素指标采用率统计结果 Ｆｉｇ．２ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｄｏｐｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｌａｓｓｉｆｉｅａ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｓｗｅｌｌｉｎｇ ｓｏｉｌｓ １．３断层破碎带分级因素 断层破碎带是指断层的２盘相对运动、相互挤压， 在断层附近形成的与断层面大致平行的带状破碎岩石 区。根据国内各规范对断层的围岩分级方法，可对隧 道中断层的围岩级别进行总结（见表１）。 表１ 断层破碎带的围岩分级 Ｆａｂｌｅ １ Ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｎ ｆａｕｌｔ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅ 讴墨 围岩级别 断层情况 Ⅳ 断层影响带 Ｖ 区域大断层破碎带 Ｗ 呈角砾、砂、泥松软体的断层带 另外对兰渝线１０个隧道中的３９个断层进行了调 查，调查情况见表２。 表２兰渝线断层调查情况 Ｔａｂｌｅ ２ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｆａｕｌｔｓ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｏｎ Ｌａｎｚｈｏｕ—Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｒａｉｌｗａｙ 注：由于统计的样本中有同时出现Ⅳ级和Ｖ级２种围岩级别的样本 围岩级别的数量大于断层总数。 特 螺 遵电姐素 巢撩 第３期 陈寿堂等： 特殊隧道围岩的分级方法探讨 ，综合表１和表２的研究结果，并结合文献［１ １］的 研究，故可以将断层破碎带的地质力学特征作为其分 级因素。 表３黄土的分级方法 Ｔａｂｌｅ ３ Ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｉ ｌｏｅｓｓ ２各类围岩的分级方法 ２．１黄土的分级方法 文献［１６］研究表明，在较低含水状态下，黄土抗剪 强度表现出类脆性变形特征，在较高含水状态下，抗剪 强度表现出类塑性变形特征，且存在一个界限含水率， 为马兰黄土脆性与塑性变形特征发生转捩的界限值， 而该界限含水量大致为马兰黄土的塑限含水量，故可 以将其作为作为黄土强度的一个区分界限。 文献［６］通过对郑西客运专线黄土隧道围岩的物 理性质调查发现，对于不同类型的黄土，其饱和含水 量、由脆性进入塑性（即，Ｊ＿＝０）的界限含水量以及由 塑性进入流塑性（即， ＝１）时的界限含水量是不同 的，具体如下： １）对老黄土，由塑性进入流塑状态含水量远大于 饱和含水量，表明老黄土进入饱和状态后仍可处于塑 性状态；因此，对于老黄土，其界限含水量应考虑选择 脆塑性转折点（即，Ｉ＿＝０）的含水量和饱和含水量。 ２）对于新黄土，与老黄土恰恰相反，其饱和含水量 远大于塑性进入流塑性的界限含水量，表明新黄土在 未达到饱和状态时就已进人流塑性状态；因此，对于新 黄土，其界限含水量应选择脆塑性转折点（即，ｌ＝０） 的含水量和由塑性进入流塑性（即，Ｉｌ＝０）的含水量。 通过对中国湿陷性黄土的调查发现，松散结构的 黄土包括新第四纪与全新世的堆积物，层位在密实结 构黄土之上，也可能覆盖于河谷阶地或基岩侵蚀面之 上。一般情况，其干密度小于１．４ ｇ／Ｃ１３３ ，空隙度大于 ５０％，为Ｑ 和Ｑ 黄土。密实结构老黄土是中第四纪 的沉积物，广泛分布于松散结构黄土所在区域的马兰 期或更老的阶地和分水岭地带，其干容重一般大于１．４ ｃｎ３ ，空隙度一般小于５０％，为Ｑ：黄土 ，这与陇东 地区的调查结果是一致的。 综合上述研究，并根据文献［１ １］的研究结果，按地 质沉积年代、天然含水量、干密度３个因素对黄土进行 分级（见表３）。 ２．２膨胀土围岩分级方法 根据文献［１１］的研究，膨胀土的工程性质不同于 一般围岩，其支护结构措施也不同于一般围岩，故不能 简单地将其划分到基本级别Ｉ—ＶＩ中，按膨胀土的膨 胀潜势对其进行分级（见表４）。 ２．３断层围岩分级方法 根据文献［１ １］的研究，断层破碎带的分级方法如 表５所示 注： －－，ｗ Ｐ，ｗ饱分别为对应于黄土的液限、塑限和刚好饱和时的界 限含水量。 表４膨胀土的分级方法 Ｔａｂｌｅ ４ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｗｅｌｌｉｎｇ ｓｏｉｌ 表５ 断层破碎带的分级方法 Ｔａｂｌｅ ５ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｊｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆａｕｌｔｓ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ 围岩级别 定性描述 ＩＶ 断层影响带 、， 以压碎岩为主的断层带，以断层角砾为主的压性、 ’ 压扭性断层或者扭性或以扭性为主的断层 呈粉末、泥土状的断层带，以断层角砾为主的张 “ 性、张扭性断层 ３结论与讨论 本文通过对研究黄土、膨胀土断层破碎带等隧道 中常见的几种特殊围岩的稳定性文献进行调研分析， 确定了这几类特殊围岩的分级因素： １）黄土的分级因素选用地质沉积年代、天然含水 量、于密度。 ２）膨胀土的分级因素选用塑性指数、自由膨胀率、 标准吸湿含水率。 ３）断层破碎带的分级因素选用断层破碎带的地质 力学特征。 在此基础上，通过调研方法初步建立了各类围岩 的分级方法（见表３ ）。在以往研究中，主要是对特 殊围岩的单个指标或者某一类特殊围岩进行研究，并 没有系统性的总结或结论。本文通过对以往研究的总 ３ｌ０ 隧道建设 第３１卷 刘志刚．断层对隧道围岩稳定性的影响［Ｊ］．地 ０］ 罗利锐，结，将几类特殊围岩进行了综合研究，根据该类围岩的 ［１特性，采取不同的指标，初步提出了分级方法。不同的 特殊隧道围岩具有不同的特性，随着各种实验设备的 改进与更新，对这类特殊围岩的特性的研究也将越深 入，也更能准确地得到反映其特性的指标或指标组合， 从而能更准确地对这类特殊隧道围岩进行分级，以完 善现有的隧道围岩分级方法。 质力学学报，２００９（３）：２３—２９．（ＬＵＯ Ｌｉｒｕｉ，ＬＩＵ Ｚｈｉ— ｇａｎｇ．Ｉｎｆｌｕｅｎｅｃｅ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｃｒｕｓｈ ｂｅｌｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｒｏｃｋ『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｍｅｅｈａｎｉｃｓ，２００９（３）：２３—２９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） 西南交通大学．特殊围岩分级方法研究报告［Ｒ］．成都： 西南交通大学，２０１０． ［１２］ 郭军，王明年．大断面黄土隧道工程特性研究［Ｊ］．公路 交通技术，２００９（６）：１０１—１０６．（ＧＵＯ Ｊｕｎ，ＷＡＮＧ Ｍｉｎｇ— 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ｎｉａｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌａｒｇｅ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｌｏｅｓｓ ｔｕｎ— ｎｅｌ ｐｒｏｊｅｅｔ［Ｊ］．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，２００９ ［１］ 铁道第一勘察设计院．ＴＢ １００７７－－２００１ 铁路工程岩土分 类标准［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００１． ［２］ 铁道第二勘察设计院．ＴＢ １０００７－－２００５铁路隧道设计规 （６）：１０１—１０６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［１３］ 赵东平，喻渝，王明年，等．大断面黄土隧道变形规律及 预留变形量研究［Ｊ］．现代隧道技术，２００９（６）：７０—７５． （ＺＨＡＯ Ｄｏｎｇｐｉｎｇ，ＹＵ Ｙｕ，ＷＡＮＧ Ｍｉｎｇｎｉａｎ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ 范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５． ［３］ 重庆交通科研设计院．ＪＴＧＤ ７０—２００４公路隧道设计规 范［ｓ］．北京：人民交通出版社，２００４． ［４］ 中华人民共和国水利部．ＧＢ ５０２１８－－１９９４ 工程岩体分 级标准［Ｓ］．北京：中国计划出版社，１９９４． ［５］ 土木学会．日本隧道标准规范（山岭篇）及解释［Ｍ］．关宝 树，译．峨眉：西南交通大学出版社，１９８８． ｌａｒｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｔｕｎｎｅｌｓ ｉｎ ｌｏｅｓｓ［Ｊ］．Ｍｏｄｅｍ Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈ— ｎｏｌｏｇｙ，２００９（６）：７０—７５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［１４］ 罗禄森，王明年，郭军．浅埋黄土隧道破坏模式的探讨 ［Ｊ］．现代隧道技术，２００８（４）：３１—３４．（ＬＵＯ Ｌｕｓｅｎ， ＷＡＮＧ Ｍｉｎｇｎｉａｎ，ＧＵＯ 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￣ＪＬｔｈ位于国道３１７线甘孜至德格、岗托之间，主峰海拔６ １６８Ｉｌｌ，是国道３１７线进出西藏的主要通道由于海拔高、地质条件复 杂，这里被称作“川藏第一险”，过往司机有“冬过雀儿山，如闯鬼门关”的说法。 ，据该工程建设指挥部有关负责人介绍，雀儿山隧道工程包括隧道和引道２大部分。其中：引道工程长度为１４０６ ｋｍ，按二级公 ．路标准设计，路面宽度８．５ｍ。而与之相连的雀儿山隧道长约７ ｋｍ，设计高程达４ ２４０—４ ３８０ｍ是世界上第一座海拔４ ３００ｍ以上的 ，超特长公路隧道。雀儿山隧道建成后，将缩短里程２０ｋｍ，车速提高１倍，车辆穿越雀儿山只需１Ｏ多ｍｊｎ至少节约２ｈ，打通了一条 ，新的川西自驾游黄金通道。 （摘自：国家质量监督检验检疫总局网站２０１１—０６—０８）