1 引言

 

  通過從分析巖石地質(zhì)本質(zhì)性、物理本屬性到力學本構(gòu)性的討論，王思敬[1]建立了巖石力學與地質(zhì)學深入結(jié)合的知識通道。從地質(zhì)本質(zhì)性和力學演繹兩端元出發(fā)，將巖石力學和工程地質(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(qū)、分組和巖體質(zhì)量分級有各自的方法、手段，其依據(jù)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。巖石力學中常采用的巖塊工程分類、巖體質(zhì)量分級等，服務(wù)于工程設(shè)計和施工的目標更為具體。本文結(jié)合隧道工程實踐中多不良地質(zhì)體條件下不同建設(shè)階段巖體質(zhì)量級別判別結(jié)果明顯不同的原因分析，對這些方法進行對比，討論了它們在巖石工程中分階段、分層次、分類型的應用特征，為進一步發(fā)展和融合這些具體技術(shù)方法提供基礎(chǔ)。

 

  在地質(zhì)建造和構(gòu)造改造基礎(chǔ)上，結(jié)合物理力學性質(zhì)而給出的工程地質(zhì)巖組，為工程地質(zhì)分區(qū)和工程地質(zhì)條件評價提供了依據(jù)[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)問題分析和大尺度超前地質(zhì)預報提供了基礎(chǔ)。以RMR[3]和Q[4]等為代表的巖體質(zhì)量分級體系，是力學參數(shù)提取和設(shè)計的重要依據(jù)。地質(zhì)條件簡單情況下，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(xiàn))條件下，工程地質(zhì)巖組對復雜問題的認識和刻畫意義更大，有利于分析認識變形破壞模式，也能較好地解釋不同建設(shè)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

 

  完整巖石工程地質(zhì)分類、工程地質(zhì)巖組、結(jié)構(gòu)面分級、結(jié)構(gòu)體分級、巖體結(jié)構(gòu)分類和工程地質(zhì)分區(qū)，構(gòu)成了巖體工程地質(zhì)力學觀點指導下的可操作的技術(shù)方法，也成為了工程地質(zhì)條件評價的基本內(nèi)容、基礎(chǔ)和依據(jù)(見圖1)。其中，工程地質(zhì)條件評價是目標，核心是工程地質(zhì)問題預測，工程地質(zhì)巖組和工程地質(zhì)分區(qū)等是研究結(jié)果的表現(xiàn)形式和工程應用的接口。圖1 中，虛線框表示分級或分類，而點線框表示對應的實線框中的要素所包含的因子。粗實線框表示的工程地質(zhì)分區(qū)、工程地質(zhì)問題預測、巖體結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)巖組、結(jié)構(gòu)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(nèi)容和要素。

 

  完整巖石工程地質(zhì)分類基本上以抗壓強度和彈性模量為準，是概括性分類，便于對巖體重要組成部分的結(jié)構(gòu)體的物理力學屬性進行綜合認識。以對數(shù)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(jié)構(gòu)、各向異性不顯著的巖石都落在M 范疇之內(nèi)。多數(shù)火成巖屬于此級。

 

  在巖體工程地質(zhì)力學研究中，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(jié)構(gòu)的認識，有利于對巖體穩(wěn)定性進行評價分析，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(即巖體結(jié)構(gòu)控制巖體穩(wěn)定)觀點為出發(fā)點，即其原則[5]。由于工程巖體比地質(zhì)體小很多倍，巖組劃分不能過大，必須在建造類型基礎(chǔ)上進行。工程地質(zhì)巖組一般是為工程規(guī)劃和設(shè)計服務(wù)的，其所對應的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的級別一般都比較低，而非大區(qū)域范圍上的宏觀。結(jié)合金川礦區(qū)巖石建造發(fā)育特征，許 兵等[2]依據(jù)巖石成因類型及巖性、巖相變化等4 個方面的因素，將露天礦區(qū)的巖石劃分為混合巖巖組等13 個工程地質(zhì)巖組。

 

  結(jié)構(gòu)面分級是據(jù)斷裂和其他成因的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的規(guī)模(延展長度和寬度)而開展的5(I～V)級劃分。

 

  它們在地質(zhì)體結(jié)構(gòu)中占主導地位，構(gòu)成了不同級序地質(zhì)結(jié)構(gòu)體邊界。不同級序地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制著不同規(guī)模的工程地質(zhì)問題[5-6]。

 

  結(jié)構(gòu)面的層次性決定了結(jié)構(gòu)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(wěn)定分析中所起的作用也不同。

 

  在對結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體形成過程和特性研究的基礎(chǔ)上，據(jù)結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和特性、結(jié)構(gòu)體組合排列和接觸形態(tài)，可將巖體結(jié)構(gòu)劃分為4 種類型：I類：整體狀結(jié)構(gòu)(包括整體和塊狀結(jié)構(gòu))；II 類：層狀結(jié)構(gòu)(包括層狀結(jié)構(gòu)和薄層或板狀結(jié)構(gòu))；III 類：

 

  碎裂結(jié)構(gòu)(包括鑲嵌結(jié)構(gòu)、層狀碎裂結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu))；IV 類：散體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)分類已被巖石工程學術(shù)界和工程界廣為接受，被編寫進了規(guī)范和教科書。王思敬[1]綜合考慮巖石成巖和演化過程、主要物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)、基本工程特性，將工程巖體劃分為節(jié)理(塊)狀J、層狀L 和碎裂巖體C 三類，并指出由鑲嵌結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和松軟結(jié)構(gòu)組成的碎裂結(jié)構(gòu)巖體一般構(gòu)成工程場地最差的部位，并進一步對其做3～5 類工程分級。

 

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

 

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

 

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

 

  一般而言，分區(qū)的依據(jù)是工程地質(zhì)條件評價，側(cè)重于內(nèi)外動力地質(zhì)作用、水–巖相互作用、人類活動和地質(zhì)災害特征等。其目的是為地質(zhì)災害預防和工程設(shè)計提供依據(jù)，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(qū)指標。

 

  3 巖體質(zhì)量分級與巖石工程設(shè)計

 

  巖塊和巖體的工程分類一直是工程地質(zhì)和巖體力學的基本研究課題之一。國內(nèi)外關(guān)于巖塊和巖體的分類已有數(shù)十種，絕大部分是上世紀60 年代以后提出的，在巖石工程實踐中不斷得到應用和發(fā)展的有我國國標和不同部門的(BQ[9]，HC[10]，Z[5]指標/法等)分類、國際上的(RQD[11]，RMR[3]，Q[4]，GSI[12]等)分類。在工程地質(zhì)要素和分類研究基礎(chǔ)上，采用對巖體質(zhì)量起控制作用的3 個內(nèi)因：巖體完整性、結(jié)構(gòu)面抗剪特性和結(jié)構(gòu)體或巖塊堅強性，谷德振提出了用于評價巖體質(zhì)量優(yōu)劣的巖體質(zhì)量系數(shù)Z：Z = I f S (1)式中：I = 2 2Vm /Vr 為巖體完整性系數(shù)， 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(jié)構(gòu)面的摩擦因數(shù)；S = Rc/100 為巖塊堅強系數(shù)，Rc 為巖塊的飽和單軸抗壓強度。

 

  式(1)中的3 個內(nèi)因成為了后續(xù)許多巖體分類中計算巖體質(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 個關(guān)鍵因素(巖體完整程度和結(jié)構(gòu)面特性)等。這些分類方法和指標可歸納為2 個系統(tǒng)，即以圍巖強度為基礎(chǔ)和以圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)。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，包括以不同部門規(guī)范形式給出的指標。

 

  巖體分類數(shù)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，鐵道部門提出了6 級隧道圍巖分級方案[21]，水利部門提出了16 級巖土開挖分級方案，這2 個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 個類別。在壩基或渠道開挖過程中，施工場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中通常采用巖石單軸飽和抗壓強度值作為重要的分類指標之一。

 

  在巖石工程規(guī)劃、設(shè)計和施工過程中，巖體質(zhì)量類別會發(fā)生一定變化，從而不得不做出一些調(diào)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影響，例如，不同規(guī)模環(huán)向剪切裂紋的貫通、一定范圍內(nèi)松動圈的形成等，使巖體質(zhì)量得到劣化，巖體質(zhì)量級別上會有相應的降低?；诖硕岢龅膭討B(tài)設(shè)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(jié)構(gòu)控制論的工程地質(zhì)巖組、為巖體強度或穩(wěn)定性而實施的巖體質(zhì)量分級，具有不同的特點和適用范圍。前者粗略但抓住了控制性結(jié)構(gòu)和巖性組合，后者為設(shè)計和施工提供類比以及力學參數(shù)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題，難以界清變形破壞模式，需與巖組結(jié)合起來。

 

  國內(nèi)外針對不同類型工程、不同的地質(zhì)條件，先后出現(xiàn)過多種巖體質(zhì)量分類方案和方法，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，基本上是將幾個關(guān)鍵指標當作權(quán)重相同或均等而做的數(shù)學上的加法和乘積運算。通過對巖石工程出現(xiàn)的大量問題分析發(fā)現(xiàn)，在不同的地質(zhì)條件下，各因素和指標的權(quán)重或作用不是均等的，這也是同樣質(zhì)量級別巖體，出現(xiàn)問題與否及嚴重程度往往很不相同的原因。也即地質(zhì)體結(jié)構(gòu)是分不同層次的，影響因素也非均等作用，呈現(xiàn)出不同變形破壞模式，且隨施工過程發(fā)生動態(tài)調(diào)整。結(jié)構(gòu)層次性和因素權(quán)重在巖體質(zhì)量計算方法中基本沒有體現(xiàn)。這樣就出現(xiàn)了地質(zhì)條件簡單情況下用巖體質(zhì)量分類，而在復雜地質(zhì)條件下，巖體質(zhì)量分級意義降低轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出裂而不斷的特點，用巖體質(zhì)量來刻畫級別會偏低；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(qū)段中難以很好體現(xiàn)或分辨出來，但工程地質(zhì)巖組可將其提取出來，有利于認識其變形破壞過程，為動態(tài)設(shè)計、及時甚至超前處理提供依據(jù)。

 

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

 

  5 工程應用

 

  5.1 工程簡介

 

  雁門關(guān)隧道位于山西省朔州市山陰縣與忻州市代縣交界地區(qū)，全長14 085 m(南進口DK110+840，北出口DK124+935)，設(shè)計為單洞雙線橢圓形隧道。

 

  據(jù)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(gòu)造格架，是被若干整合斷層–韌性剪切帶、逆沖斷層、拆離斷層等分割開的構(gòu)造片體。施工過程中遇到了大變形、突水、突泥等問題，層間剪切和潰曲構(gòu)成了圍巖破壞機制。

 

  5.2 巖體結(jié)構(gòu)類型

 

  層狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)構(gòu)成了本區(qū)主要巖體結(jié)構(gòu)類型，其中對圍巖穩(wěn)定性影響較大的是層狀～碎裂結(jié)構(gòu)。

 

  5.2.1 層狀結(jié)構(gòu)

 

  最為發(fā)育的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面主要為片麻理、片理和節(jié)理。結(jié)構(gòu)體形狀為板狀、楔形，有厚層、中層、薄層和薄互層。前者主要為斜長角閃巖、黑云變粒巖，薄層主要為云母片巖、角閃斜長片麻巖、輝綠巖脈、鉀長花崗巖脈等。這類結(jié)構(gòu)常構(gòu)成層間剪切帶，出現(xiàn)擠壓大變形和構(gòu)造偏壓。

 

  5.2.2 塊狀結(jié)構(gòu)

 

  結(jié)構(gòu)面主要為節(jié)理，結(jié)構(gòu)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(gòu)造破壞輕微的斜長角閃巖和黑云變粒巖等。常構(gòu)成主要含水層，也是開挖中常發(fā)生局部掉塊塌方部位。

 

  5.2.3 鑲嵌結(jié)構(gòu)

 

  結(jié)構(gòu)體多呈菱形、錐形，結(jié)構(gòu)面常為幾組巖脈和節(jié)理，它們交切穿插形成了鑲嵌結(jié)構(gòu)，常見到小的斷層錯動帶。常出現(xiàn)在斷層影響帶和巖脈侵入接觸帶，整體上強度高，但斷續(xù)明顯，不連續(xù)性顯著，跨度大時會出現(xiàn)塌方。

 

  5.2.4 碎裂結(jié)構(gòu)

 

  結(jié)構(gòu)體為碎塊狀，結(jié)構(gòu)面為節(jié)理、斷層及巖脈，多組結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面控制，對地下水作用敏感，巖體穩(wěn)定性較差。在開挖施工中易產(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，要求加密圍巖變形量測、加強襯砌和注意有效排水。

 

  5.3 工程地質(zhì)巖組

 

  根據(jù)地層巖性分布特點及其相應的工程地質(zhì)力學特性，將雁門關(guān)隧道區(qū)巖體劃分出4 個工程地質(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

 

  包括英云閃長片麻巖、長英質(zhì)片麻巖(TTG)和斜長角閃巖，巖石堅硬，塊狀結(jié)構(gòu)，一般發(fā)育2～4組節(jié)理，以塊體滑落為主要變形破壞形式。當其作為巖脈形式時，會出現(xiàn)局部脆性碎裂構(gòu)造，破碎成碎塊或粉末狀，預示著沿張性結(jié)構(gòu)面侵入的花崗偉晶巖脈，在后期應力場改變等作用下，沿著原來的斷層發(fā)生了構(gòu)造擠壓破碎。裂隙發(fā)育，往往構(gòu)成導水和富水層。在地下水作用下，其結(jié)構(gòu)力學強度降低，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(jié)果的對比說明了這一點。巖石力學性質(zhì)受軟化效應影響，尤其是北部軟弱巖石較多區(qū)段，飽和巖石強度比干燥和天然狀態(tài)下的結(jié)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，在雁門關(guān)(118+159.1 ）之南，3 個巖樣的強度普遍很低。筆者對似層狀淺色英云閃長片麻巖(YM122)和灰黑色條帶狀片麻巖(YM123)2 個力學大樣的試驗結(jié)果投影在對應位置上，也說明了這一點。

 

  本巖組主要分布在隧道南部，主要為雁門關(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測到花崗片麻巖與角閃巖間呈差異風化和侵入蝕變接觸，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(gòu)成軟弱夾層，易發(fā)展成泥化夾層，是重要的不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和不良地質(zhì)體。它們呈透鏡體狀、軟弱夾層狀，力學強度各向異性明顯，對水作用敏感，飽和時抗剪強度降低很多，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(xiàn)為窄的風化槽，在地下其與較硬巖層接觸時，常成控水、控穩(wěn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)成本區(qū)除斷層破碎帶、層間剪切(錯動)帶之外造成塌方和不利變形的重要巖組，數(shù)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(chǔ)上發(fā)育的蝕變巖顏色暗（暗綠灰色），無構(gòu)造痕跡，性狀與其他圍巖差別大，富含黏土礦物。

 

  這部分巖組在長期擠壓條件下含水性較弱，因含長英質(zhì)細脈和泥化而常表現(xiàn)出高電阻率，單位長度內(nèi)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(jié)構(gòu)為特色，巖體極度破碎，構(gòu)成導水和富水區(qū)。在深部隧道中斷層泥比較發(fā)育，表現(xiàn)出規(guī)模不等的泥化夾層，規(guī)模大時表現(xiàn)為從邊緣向中心的影響帶、破碎帶和斷層泥的3 帶分區(qū)現(xiàn)象。隧道穿越多會發(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YM36 觀測到一寬達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角閃片麻巖，斷層產(chǎn)狀134?∠70?。在點YM129 觀測到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(jié)構(gòu)對應性

 

  上述 4 套工程地質(zhì)巖組和4 種巖體結(jié)構(gòu)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(gòu)成軟弱夾層，其與花崗巖接觸界面往往產(chǎn)生蝕變、構(gòu)造錯動等，層狀結(jié)構(gòu)和(板)碎裂結(jié)構(gòu)較有特色。薄互層巖組因軟硬巖石層間結(jié)合不好，易沿其錯動、張開和破裂，顯示出層狀結(jié)構(gòu)。

 

  由于本區(qū)廣泛存在片麻理和片理，在構(gòu)造影響強烈部位表現(xiàn)為層狀碎裂結(jié)構(gòu)，局部甚至成為散體結(jié)構(gòu)，易出現(xiàn)塌方、巖屑流災害。

 

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

 

  5.5 工程地質(zhì)分區(qū)

 

  對上述 4 種工程地質(zhì)巖組的分布情況進行區(qū)分，尤其是對表殼巖組成結(jié)構(gòu)細化、空間變化規(guī)律的認識等問題開展研究，以使分區(qū)和工程地質(zhì)問題更好地結(jié)合起來，為科學動態(tài)設(shè)計、預防地質(zhì)災害提供服務(wù)。

 

  在綜合有關(guān)地質(zhì)構(gòu)造圖、變質(zhì)巖分區(qū)圖基礎(chǔ)上，提出了將本區(qū)(代縣–繁峙之間沿恒山山脈長30km、寬約20 km 的山地范圍內(nèi))劃分為東西向3 個區(qū)，南北向12 個亞區(qū)的方案，供線路選擇和設(shè)計時參考。因恒山西段NE 向構(gòu)造發(fā)育，巖性和構(gòu)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。

 

  從西向東這3 個區(qū)(I～III)和12 個亞區(qū)的工程地質(zhì)特點和有關(guān)工程地質(zhì)問題各不相同，它們的地質(zhì)特點概況列于表2 中?？傮w看本區(qū)工程地質(zhì)條件可評價為中～差。

 

  表2 中的巖性只給出了有代表性的，并沒有全面、細致的介紹和區(qū)分。工程地質(zhì)條件評價，對各個亞區(qū)進行區(qū)域上概略打分，工程地質(zhì)條件從好到差分數(shù)值為1～5，對應于相對好～非常差。其中，備注中的內(nèi)容是已經(jīng)出現(xiàn)和發(fā)生的突出工程地質(zhì)問題。就目前所收集到的有關(guān)資料和地質(zhì)調(diào)查初步認識看，12 個亞區(qū)中有3 個亞區(qū)的情況最差，分別是I–2，II–2 和III–4，在線路選擇和設(shè)計時，需引起注意。

 

  5.6 巖體質(zhì)量分級方法及結(jié)果對比

 

  隧道施工過程中發(fā)現(xiàn)大量不良地質(zhì)體(如層狀～碎裂結(jié)構(gòu)的薄互層巖組、角閃云母片巖組)，對工程安全和施工進度產(chǎn)生了重大影響。這提示地質(zhì)調(diào)查、物探和鉆探須緊密結(jié)合、互相補充、綜合判斷分析。而且隨著工程實踐的積累，典型工程類比的意義仍會比較大。已通車的大運(大同—運城)高速公路，其隧道底板高出雁門關(guān)隧道底板(1 130 m)300 m 多?，F(xiàn)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挖擾動情況下，原軟弱圍巖級別會明顯降低。

 

  據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[21]、國家?guī)r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(jié)果和埋深、洞隧道內(nèi)地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)結(jié)構(gòu)面(片麻理、節(jié)理、巖脈)統(tǒng)計，得到不同斷面相應巖體質(zhì)量計算結(jié)果。圖5 和6 所示結(jié)果是一次完成，未做二次調(diào)整參數(shù)或反復對比試湊修改，即統(tǒng)一標準、逐項打分、一次完成。鐵道規(guī)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(xiàn)，取值上有一定人為性。

 

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

 

  Q = 1～4 時為差(IV 級)，0.1～1 時為很差、0.01～0.1 為極差，＜0.01 為非常差。其不足之處是沒考慮隧道軸線方向與地質(zhì)結(jié)構(gòu)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，評價為非常差，這與鐵路規(guī)范中的VI 級部分對應。Q 值結(jié)果中V 級比例很高。國標BQ 值修正后仍用原來基本巖體質(zhì)量指標BQ 來分級，其修正中考慮了地下水、地應力和軸線與結(jié)構(gòu)面夾角，分析評價結(jié)果相對較好。RMR 值考慮因素簡單，簡單加和法處理方便，且其結(jié)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(shè)計單位提供的施工開挖變更后圍巖級別；“鐵路規(guī)范”為筆者據(jù)鐵路規(guī)范[21]中6 級劃分，給出隧道內(nèi)24 個地質(zhì)觀測點圍巖級別，其結(jié)果僅代表現(xiàn)場調(diào)查時觀測點上情況，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施圍巖級別判斷，2個階段結(jié)果相差達2 級。這說明復雜地質(zhì)條件下，勘察階段圍巖分級和施工階段實際揭露圍巖級別間差別在隧道工程中基本存在；另一方面也說明了工程類型、規(guī)模和施工方法不同，對圍巖穩(wěn)定性影響會有一定差別，從而使以往圍巖穩(wěn)定性判別分級也需做出一定調(diào)整。施工期間巖體質(zhì)量比勘察時評價普遍要低，反映了巖體在施工擾動作用下出現(xiàn)破壞松動而產(chǎn)生質(zhì)量劣化。

 

  完整、全面的圍巖分級包括巖體結(jié)構(gòu)分類和巖體強度判別、圍巖穩(wěn)定性分級、巖體質(zhì)量分級3 個方面。但現(xiàn)在一般隧道工程勘察多從第3 個方面，即單純的巖體質(zhì)量分級來進行，這對本地區(qū)而言還很不夠。主要在于：本區(qū)有較獨特的地質(zhì)條件和特征，如地質(zhì)結(jié)構(gòu)面(斷層、劈理、節(jié)理、巖脈)數(shù)量多、類型多、尺度規(guī)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 個方面結(jié)合起來綜合分析，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(jié)果看，對小規(guī)模的斷層，尤其是層間剪切帶重視程度不夠，但客觀上其變化頻繁性和深部擠壓條件下的閉合性，以及地表風化剝蝕和鉆探工作中隨循環(huán)泥漿的沖走和被稀釋，都會使得以層間剪切錯動和破壞為主要特色的變形破壞模式被忽略，以至于沒引起足夠重視。本區(qū)總體而言，向SE 方向傾斜、傾角50°～70°的片麻理占絕大多數(shù)，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。這點在3#斜井的大里程出現(xiàn)二襯開裂段特突出，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)生向開挖面的剪切變形，甚至塌方。本工程實例說明了巖體結(jié)構(gòu)分類、工程地質(zhì)巖組、工程地質(zhì)分區(qū)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(jié)合起來運用。

 

  將雁門關(guān)隧道20 個調(diào)查點的不同巖體質(zhì)量指標做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)BQ 指標與Q 和RMR 值的相關(guān)系數(shù)R，遠不及其與GSI 相關(guān)系數(shù)R 值高(見圖6)。其中，圖6(b)的橫坐標的指標分級界限值主要是對RMR 結(jié)果而言，因GSI 分級界線值還不完全統(tǒng)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(jié)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。例如，同樣對IV 級巖體，其變形破壞模式因結(jié)構(gòu)不同而有潰曲、層間剪切等，須有針對性的開挖和支護方案。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(jié)構(gòu)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(tǒng)得到的結(jié)果存在差別，但相差一般不會超過1 級。這些指標結(jié)果間，歸屬同一級別的相關(guān)性很好(見圖6(a)和(b)中縱橫坐標分級交叉區(qū))。這不足以解釋圖5 中不同階段巖體質(zhì)量如此大的差別，但說明了巖體質(zhì)量，尤其是不良地質(zhì)體中結(jié)構(gòu)明顯的動態(tài)變化在施工中確實發(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(jié)論

 

  巖體結(jié)構(gòu)控制論觀點指導下的工程地質(zhì)巖組劃分和工程地質(zhì)分區(qū)是大尺度范圍上工程地質(zhì)條件分析評價的重要內(nèi)容和表現(xiàn)形式。巖體質(zhì)量分級綜合考慮了巖體本身結(jié)構(gòu)和強度特征及環(huán)境條件，是設(shè)計和施工的重要依據(jù)。在復雜地質(zhì)條件下對巖體結(jié)構(gòu)的尺度分辨率不確定性和因素權(quán)重的均等性處理，使巖體分類應用要結(jié)合工程地質(zhì)巖組，以便更好地區(qū)分不同地質(zhì)要素對巖體穩(wěn)定性的不同影響，認清變形破壞模式，便于工程類比設(shè)計和超前地質(zhì)預報工作的開展。

 

  在工程規(guī)劃、設(shè)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出現(xiàn)一定程度的變更。從規(guī)劃階段開始積極運用巖體結(jié)構(gòu)分類、工程地質(zhì)巖組劃分，可抓住結(jié)構(gòu)復雜為特色的不良地質(zhì)體，大尺度范圍實施超前地質(zhì)預報，這樣才可更好地同施工階段小尺度的圍巖分級結(jié)合起來，為動態(tài)設(shè)計提供更好的服務(wù)。