高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨
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1.0
表 4 主要软弱结构面产状影响修正系数（K2） Table 4 Correction coefficients for the effect of principal weak structural planes（K2）
结构面走向及其与 洞轴线的组合关系
夹角 α＜30°， 倾角 β=30°~75°
2 地应力及围岩分级分析
扁担垭隧道进口位于宜昌市长阳县高家堰镇流 溪村，出口位于高家堰镇车沟村，呈近西向展布，为 上下行分离的四车道高速公路特长隧道。 工作区围 岩隔水性能良好，地下水不发育，仅局部小面积有极
弱裂隙水外渗现象。 下面具体分析扁担垭隧道某段围岩地应力及围
岩分级情况。
2.1 地应力分析
地应力分析数据采用长江科学研究院用水压致
Q 系统分类方法
在 被 裂 隙 切 割 的பைடு நூலகம்硬 岩 地 区 适 宜 性 较 定性分类方法，需要有经验的地质人员参
好，对高地应力有一定考虑
加,主观随意性大
由于试验条件的限制以及经济性原则， 我们不 可能做大量的室内及原位测试试验。 以扁担垭隧道 为例，由于其埋深为 412 m,如果做大量的深埋藏地 应力测试， 显然是不经济合理的。 只能通过选择一 些有代表性的、有限的试验，然后在此基础上进行分 析研究，力争能较全面地反映隧道的实际情况。所以 这些条件限制也为准确的围岩分级造成一定的困 难。
将 修 正 系 数 带 入 到 公 式 （5）中 ，可 得 ： [BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)=421.6-130=291.6。 参考《公路隧道设计规范》中的围岩分级（表 6），根据上面的围岩分级标准定性指标，围岩为Ⅲ 级；根据前面计算的[BQ]，围岩 为Ⅳ级，围岩 分级结 果有所差别。
（1）
σmin=0.0364H+5.4036
据勘察资料，研究段围岩实际埋深为 412 m,代
入（1）式中，有：
σmax=28.9685 MPa
σmin=20.4004 MPa 依据长江科学研究院地应力测试结果和岩块试
验结果， 参考国标 《GB52018-94 工程岩体分级标
准》和《公路隧道设计规范》，对初始地应力应力状态
3.2 客观条件因素
第 46 卷第 6 期(总第 329 期) 2009 年 12 月出版 45 Vol . 46 ， No . 6 ， Total . No . 329 Dec . 2009
现代隧道技术
MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY
高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨
表 7 通常的分类方法优缺点
裂法对扁担垭隧道右洞测孔的地应力测试结果 (表 1)。
通过采用线性回归和曲线拟合的方法， 对右洞
ZK2 最大主应力、最小主应力随深度 H 变化的函数
关系表达式，以及近似曲线(图 1、图 2)描述如下。
右洞 ZK2 最大主应力 σmax、 最小主应力 σmin 随
深度 H 变化的近似关系式：
!σmax =0.0473H+9.4809
Ⅴ
＜250
由上面的分析可知，根据 国标《GB50218-94 工 程岩体分级标准》 分类得出的结果和修正后得出的 结果相差较大。通过分析并查阅相应文献，总结出下 述原因。
3.1 规范本身的因素
通常的分级规范是人们根据大量工程经验人为 划定的，有一定的适用条件。而岩体质量等级本来是 一个连续性的整体， 按规范划分忽略了一个岩体质 量边缘效应。 其优缺点[1]总结如表 7 所示。
图 2 右线σmin -H 关系曲线 Fig.2 Graph of σmin-H for the right tunnel
2.2 围岩分级分析
依 据 国 标《工 程 岩 体 分 级 标 准》， 首 先 按 岩 体 的
基本质量指标 BQ 进行初步分级， 然后考虑其他因
素，如天然应力、地下水和结构面方位等进行修正，
现代隧道技术
MODERN TU NNELLING TECHNOLOGY
高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨
式中
!极高应力：Rc / σmax＜4
（2）
高应力：7≥Rc /σmax≥4
Rc — ——岩石饱和单轴抗压强度（MPa）；
σmax— — — 隧 道 横 截 面 最 大 初 始 应 力 （MPa）。
＜250
极高应力区
1.0
1.0
1.0～1.5
1.0～1.5
1.0
高应力区
0.5
0.5
0.5
0.5～1.0
0.5~1.0
根据前面的分析可知， 工作区研究段隧道围岩 处于极高应力区，故需进行修正。
根据勘察资料可知， 工作区围岩岩性为粉砂质 页岩夹少量碳质页岩， 隔水性能良好， 地下水不发 育，仅局部小面积有极弱裂隙水外渗现象，结合前面 计算的 BQ=421.6，故 K1 取 0.1；根据扁担垭隧道围岩 分类及地质超前预报结果： 洞轴线走向为 281°，节 理 J1 走向与洞轴向的夹角为 1°～16°，对洞顶稳定性 影响一般 ，但最不利于 隧 洞 侧 墙 稳 定 性 ；节 理 J2 走 向与洞轴向的夹角为 39°～57°，有利于洞顶稳定性， 但不利于洞侧稳定性， 岩层层面走向与洞轴向的夹 角为 6°～14°，不利洞顶稳定性，对隧洞侧墙稳定性 影响一般，故 K2 取 0.2；由前面分 析知 ：工 作 区 属 极 高应力区，故 K3 取 1.0。
Table 7 Merits and defects of routine surrounding rock classification methods
通常围岩分级方法
优点
缺点
工程岩体分级标准
采用工程类比法，定量和定性相结合， 对岩石单轴抗压强度过于敏感，不能对一
经验判断和计算测试相结合
些特定环境下的岩体质量做出准确判断
Kv
=( vmp vrp
)
2
（4）
式中 vmp— ——岩体纵波速度；
vrp— — — 岩 块 纵 波 速 度 。
当无声波试验资料时， 可用岩体单位体积内结构面
条数 Jv 来确定，如表 2 所示。
表 2 Jv 与Kv 对照 Table 2 Contrast between Jv and Kv Jv/（条/m3） ＜3 3￣10 10￣20 20￣35 ＞35 Kv ＞0.75 0.75￣0.55 0.55￣0.35 0.35￣0.15 ＜0.15
的判定关系如下：
修 改 稿 返 回 日 期 ：2009-08-10 作者简介： 沈东东(1984-)，男，硕士研究生，主要从事岩土体稳定性及地质灾害预警预报的研究,E-mail：sdd509@163.com.
第 46 卷第 6 期(总第 329 期) 2009 年 12 月出版 43 Vol . 46 ， No . 6 ， Total . No . 329 Dec . 2009
根据勘察报告知，岩石饱和单轴抗压强度为 Rc =28.4 MPa，则 Rc/σmax = 0.9804＜4，故表明研究区属 于极高应力区。
表 1 扁担垭隧道右线地应力测试结果
Table 1 Measured in-situ stresses in Biandanya right tunnel
测孔编号 测段深度/m 最大水平主应力/MPa 最小水平主应力/MPa 自重应力/MPa
MPa，代入式（3），有：
BQ= 90+3σcw+250Kv=421.6
高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨
现代隧道技术
MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY
表 3 地下水影响修正系数（K1） Table 3 Correction coefficients for the effect of ground water(K1)
水利水电工程围岩工程地质 基本判据和限定判据相结合， 低地应 对于地应力的考虑过于简化，在高地应力
(HC)分 类
力环境下适宜性较好
环境中适宜性较差
地 质 力 学 分 类 (RMR)
重视结构面及其力学性质的作用，重视 由于未考虑节理组数、 地应力等因素，在 结构面走向的作用，定量与定性相结合 高地应力区适宜性较差
高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨 文 章 编 号 ：1009-6582（2009）06-0043-05
现代隧道技术
MODERN TUN NELLING TECHNOLOGY
高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨
沈东东
（中国地质大学工程学院， 武汉 430074）
摘 要 目前我国的隧道建设逐渐向着埋藏深、长度大、难度高等特点发展，围岩分级工作显得越来越重要。 在 特殊地质环境下，采用围岩分级方法其分级结果会有所偏差。 文章以扁担垭隧道为例，分析了其地应力状况和围岩 分级结果；总结了通常的围岩分级方法在深埋藏、高地应力隧道中的适宜性，及其产生偏差的原因，并结合其它学者 的研究成果，对围岩分级方法进行了分析探讨。
K1 地下水状态
＞450
BQ 450～350 350～250
潮湿或点滴状出水
0
0.1
0.2～0.3
淋雨或涌流，水压≤0.1 MPa，水量＜10 L/min
0.1
0.2～0.3 0.4～0.6
淋雨或涌流，水压＞0.1 MPa，水量＞10 L/min
0.2
0.4～0.6 0.7～0.9
＜250 0.4～0.6 0.7～0.9
夹角 α＞60°， 倾角 β＞75°
其他组合
K2
0.4～0.6
0～0.2
0.2～0.4
Table 5 K3
应力状态
表 5 天然应力影响修正系数（K3） Correction coeficients for the effect of initial stresses （K3）
BQ
＞550
550～450 450～350 350～250
3 适宜性原因分析
表 6 公路隧道围岩分级[3]
Table 6 Classification of highway tunnel
surrounding rocks
围岩级别
围岩基本质量指标 BQ 或修正的 围 岩 基 本 质 量 指 标 [BQ]
Ⅰ
＞550
Ⅱ
550～451
Ⅲ
450～351
Ⅳ
350～251
关键词 高地应力 围岩分级 适宜性 偏差 中图分类号：U452.1+2 文献标识码:A
1 引言
随着经济发展和建设的需要， 我国的隧道建设 （包括陆域公路隧道、地铁隧道以及海底隧道等）逐 渐向着埋藏深、长度大、难度高等方向发展。 在一些 深埋隧道中，地质环境恶劣，地应力条件复杂，围岩 质量分级是一项既基础又重要的技术工作。 正确的 进行围岩分级， 一方面可较为真实和客观地反映岩 体质量基本情况， 另一方面可便于工程技术人员更 好地掌握，为设计和施工提供指导，是经济、合理地 进行岩体开挖和加固支护设计、保障安全施工,以及 建筑物安全运行所必不可少的条件。然而，目前由于 通常的围岩分级方法各侧重点不同， 在高地应力地 区等特殊情况下分级偏简单，与实际情况相差较大， 适宜性相对较差。 本文以扁担垭隧道某段为例进行 分析研究。
于岩体稳定的软弱结构面和地下水时， 岩体 BQ 值
应进行修正，修正值[BQ]按下式计算：
[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)
（5）
各修正系数按下列修正表（表 3~表 5）进行取
值。
根据现场的地质观测和描述，Jv 为 8～12 条，岩 体较破碎，取 Kv=0.55；据长江科学工程质 量检测中
心 对 扁 担 垭 隧 道 所 作 的 岩 石 试 验 ，σcw 取 值 64.7
式中 σcw— ——岩块饱和单轴抗压强度（MPa）;
Kv— — — 岩 块 的 完 整 性 系 数 。
当 σcw ＞90Kv+30 时， 以 σcw =90Kv+30 和 Kv 代
入计算；当 Kv＞0.04 σcw +0.4 时，以 Kv=0.04 σcw +0.4
和 σcw 代入计算。 其中 Kv 可用下式确定：
再详细分级。
岩体基本质量指标可用下式表示：
BQ =90 +3σcw +250Kv
（3）
44 第 46 卷第 6 期(总第 329 期) 2009 年 12 月出版 Vol . 46 ， No . 6 ， Total . No . 329 Dect . 2009
当地下洞室处于高天然应力区或围岩中有不利
20.33
10.35
6.05
9.26
26.98
11.07
6.47
9.43
33.34 ZK2
39.45
10.73 11.44
6.73
9.60
6.74
9.76
45.68
11.66
7.06
9.93
51.44
12.61
6.81
10.08
图 1 右线σmax-H 关系曲线 Fig.1 Graph of σmax-H for the right tunnel
表 4 主要软弱结构面产状影响修正系数（K2） Table 4 Correction coefficients for the effect of principal weak structural planes（K2）
结构面走向及其与 洞轴线的组合关系
夹角 α＜30°， 倾角 β=30°~75°
2 地应力及围岩分级分析
扁担垭隧道进口位于宜昌市长阳县高家堰镇流 溪村，出口位于高家堰镇车沟村，呈近西向展布，为 上下行分离的四车道高速公路特长隧道。 工作区围 岩隔水性能良好，地下水不发育，仅局部小面积有极
弱裂隙水外渗现象。 下面具体分析扁担垭隧道某段围岩地应力及围
岩分级情况。
2.1 地应力分析
地应力分析数据采用长江科学研究院用水压致
Q 系统分类方法
在 被 裂 隙 切 割 的பைடு நூலகம்硬 岩 地 区 适 宜 性 较 定性分类方法，需要有经验的地质人员参
好，对高地应力有一定考虑
加,主观随意性大
由于试验条件的限制以及经济性原则， 我们不 可能做大量的室内及原位测试试验。 以扁担垭隧道 为例，由于其埋深为 412 m,如果做大量的深埋藏地 应力测试， 显然是不经济合理的。 只能通过选择一 些有代表性的、有限的试验，然后在此基础上进行分 析研究，力争能较全面地反映隧道的实际情况。所以 这些条件限制也为准确的围岩分级造成一定的困 难。
将 修 正 系 数 带 入 到 公 式 （5）中 ，可 得 ： [BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)=421.6-130=291.6。 参考《公路隧道设计规范》中的围岩分级（表 6），根据上面的围岩分级标准定性指标，围岩为Ⅲ 级；根据前面计算的[BQ]，围岩 为Ⅳ级，围岩 分级结 果有所差别。
（1）
σmin=0.0364H+5.4036
据勘察资料，研究段围岩实际埋深为 412 m,代
入（1）式中，有：
σmax=28.9685 MPa
σmin=20.4004 MPa 依据长江科学研究院地应力测试结果和岩块试
验结果， 参考国标 《GB52018-94 工程岩体分级标
准》和《公路隧道设计规范》，对初始地应力应力状态
3.2 客观条件因素
第 46 卷第 6 期(总第 329 期) 2009 年 12 月出版 45 Vol . 46 ， No . 6 ， Total . No . 329 Dec . 2009
现代隧道技术
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高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨
表 7 通常的分类方法优缺点
裂法对扁担垭隧道右洞测孔的地应力测试结果 (表 1)。
通过采用线性回归和曲线拟合的方法， 对右洞
ZK2 最大主应力、最小主应力随深度 H 变化的函数
关系表达式，以及近似曲线(图 1、图 2)描述如下。
右洞 ZK2 最大主应力 σmax、 最小主应力 σmin 随
深度 H 变化的近似关系式：
!σmax =0.0473H+9.4809
Ⅴ
＜250
由上面的分析可知，根据 国标《GB50218-94 工 程岩体分级标准》 分类得出的结果和修正后得出的 结果相差较大。通过分析并查阅相应文献，总结出下 述原因。
3.1 规范本身的因素
通常的分级规范是人们根据大量工程经验人为 划定的，有一定的适用条件。而岩体质量等级本来是 一个连续性的整体， 按规范划分忽略了一个岩体质 量边缘效应。 其优缺点[1]总结如表 7 所示。
图 2 右线σmin -H 关系曲线 Fig.2 Graph of σmin-H for the right tunnel
2.2 围岩分级分析
依 据 国 标《工 程 岩 体 分 级 标 准》， 首 先 按 岩 体 的
基本质量指标 BQ 进行初步分级， 然后考虑其他因
素，如天然应力、地下水和结构面方位等进行修正，
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高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨
式中
!极高应力：Rc / σmax＜4
（2）
高应力：7≥Rc /σmax≥4
Rc — ——岩石饱和单轴抗压强度（MPa）；
σmax— — — 隧 道 横 截 面 最 大 初 始 应 力 （MPa）。
＜250
极高应力区
1.0
1.0
1.0～1.5
1.0～1.5
1.0
高应力区
0.5
0.5
0.5
0.5～1.0
0.5~1.0
根据前面的分析可知， 工作区研究段隧道围岩 处于极高应力区，故需进行修正。
根据勘察资料可知， 工作区围岩岩性为粉砂质 页岩夹少量碳质页岩， 隔水性能良好， 地下水不发 育，仅局部小面积有极弱裂隙水外渗现象，结合前面 计算的 BQ=421.6，故 K1 取 0.1；根据扁担垭隧道围岩 分类及地质超前预报结果： 洞轴线走向为 281°，节 理 J1 走向与洞轴向的夹角为 1°～16°，对洞顶稳定性 影响一般 ，但最不利于 隧 洞 侧 墙 稳 定 性 ；节 理 J2 走 向与洞轴向的夹角为 39°～57°，有利于洞顶稳定性， 但不利于洞侧稳定性， 岩层层面走向与洞轴向的夹 角为 6°～14°，不利洞顶稳定性，对隧洞侧墙稳定性 影响一般，故 K2 取 0.2；由前面分 析知 ：工 作 区 属 极 高应力区，故 K3 取 1.0。
Table 7 Merits and defects of routine surrounding rock classification methods
通常围岩分级方法
优点
缺点
工程岩体分级标准
采用工程类比法，定量和定性相结合， 对岩石单轴抗压强度过于敏感，不能对一
经验判断和计算测试相结合
些特定环境下的岩体质量做出准确判断
Kv
=( vmp vrp
)
2
（4）
式中 vmp— ——岩体纵波速度；
vrp— — — 岩 块 纵 波 速 度 。
当无声波试验资料时， 可用岩体单位体积内结构面
条数 Jv 来确定，如表 2 所示。
表 2 Jv 与Kv 对照 Table 2 Contrast between Jv and Kv Jv/（条/m3） ＜3 3￣10 10￣20 20￣35 ＞35 Kv ＞0.75 0.75￣0.55 0.55￣0.35 0.35￣0.15 ＜0.15
的判定关系如下：
修 改 稿 返 回 日 期 ：2009-08-10 作者简介： 沈东东(1984-)，男，硕士研究生，主要从事岩土体稳定性及地质灾害预警预报的研究,E-mail：sdd509@163.com.
第 46 卷第 6 期(总第 329 期) 2009 年 12 月出版 43 Vol . 46 ， No . 6 ， Total . No . 329 Dec . 2009
根据勘察报告知，岩石饱和单轴抗压强度为 Rc =28.4 MPa，则 Rc/σmax = 0.9804＜4，故表明研究区属 于极高应力区。
表 1 扁担垭隧道右线地应力测试结果
Table 1 Measured in-situ stresses in Biandanya right tunnel
测孔编号 测段深度/m 最大水平主应力/MPa 最小水平主应力/MPa 自重应力/MPa
MPa，代入式（3），有：
BQ= 90+3σcw+250Kv=421.6
高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨
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表 3 地下水影响修正系数（K1） Table 3 Correction coefficients for the effect of ground water(K1)
水利水电工程围岩工程地质 基本判据和限定判据相结合， 低地应 对于地应力的考虑过于简化，在高地应力
(HC)分 类
力环境下适宜性较好
环境中适宜性较差
地 质 力 学 分 类 (RMR)
重视结构面及其力学性质的作用，重视 由于未考虑节理组数、 地应力等因素，在 结构面走向的作用，定量与定性相结合 高地应力区适宜性较差
高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨 文 章 编 号 ：1009-6582（2009）06-0043-05
现代隧道技术
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高地应力围岩分级方法适宜性分析探讨
沈东东
（中国地质大学工程学院， 武汉 430074）
摘 要 目前我国的隧道建设逐渐向着埋藏深、长度大、难度高等特点发展，围岩分级工作显得越来越重要。 在 特殊地质环境下，采用围岩分级方法其分级结果会有所偏差。 文章以扁担垭隧道为例，分析了其地应力状况和围岩 分级结果；总结了通常的围岩分级方法在深埋藏、高地应力隧道中的适宜性，及其产生偏差的原因，并结合其它学者 的研究成果，对围岩分级方法进行了分析探讨。
K1 地下水状态
＞450
BQ 450～350 350～250
潮湿或点滴状出水
0
0.1
0.2～0.3
淋雨或涌流，水压≤0.1 MPa，水量＜10 L/min
0.1
0.2～0.3 0.4～0.6
淋雨或涌流，水压＞0.1 MPa，水量＞10 L/min
0.2
0.4～0.6 0.7～0.9
＜250 0.4～0.6 0.7～0.9
夹角 α＞60°， 倾角 β＞75°
其他组合
K2
0.4～0.6
0～0.2
0.2～0.4
Table 5 K3
应力状态
表 5 天然应力影响修正系数（K3） Correction coeficients for the effect of initial stresses （K3）
BQ
＞550
550～450 450～350 350～250
3 适宜性原因分析
表 6 公路隧道围岩分级[3]
Table 6 Classification of highway tunnel
surrounding rocks
围岩级别
围岩基本质量指标 BQ 或修正的 围 岩 基 本 质 量 指 标 [BQ]
Ⅰ
＞550
Ⅱ
550～451
Ⅲ
450～351
Ⅳ
350～251
关键词 高地应力 围岩分级 适宜性 偏差 中图分类号：U452.1+2 文献标识码:A
1 引言
随着经济发展和建设的需要， 我国的隧道建设 （包括陆域公路隧道、地铁隧道以及海底隧道等）逐 渐向着埋藏深、长度大、难度高等方向发展。 在一些 深埋隧道中，地质环境恶劣，地应力条件复杂，围岩 质量分级是一项既基础又重要的技术工作。 正确的 进行围岩分级， 一方面可较为真实和客观地反映岩 体质量基本情况， 另一方面可便于工程技术人员更 好地掌握，为设计和施工提供指导，是经济、合理地 进行岩体开挖和加固支护设计、保障安全施工,以及 建筑物安全运行所必不可少的条件。然而，目前由于 通常的围岩分级方法各侧重点不同， 在高地应力地 区等特殊情况下分级偏简单，与实际情况相差较大， 适宜性相对较差。 本文以扁担垭隧道某段为例进行 分析研究。
于岩体稳定的软弱结构面和地下水时， 岩体 BQ 值
应进行修正，修正值[BQ]按下式计算：
[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)
（5）
各修正系数按下列修正表（表 3~表 5）进行取
值。
根据现场的地质观测和描述，Jv 为 8～12 条，岩 体较破碎，取 Kv=0.55；据长江科学工程质 量检测中
心 对 扁 担 垭 隧 道 所 作 的 岩 石 试 验 ，σcw 取 值 64.7
式中 σcw— ——岩块饱和单轴抗压强度（MPa）;
Kv— — — 岩 块 的 完 整 性 系 数 。
当 σcw ＞90Kv+30 时， 以 σcw =90Kv+30 和 Kv 代
入计算；当 Kv＞0.04 σcw +0.4 时，以 Kv=0.04 σcw +0.4
和 σcw 代入计算。 其中 Kv 可用下式确定：
再详细分级。
岩体基本质量指标可用下式表示：
BQ =90 +3σcw +250Kv
（3）
44 第 46 卷第 6 期(总第 329 期) 2009 年 12 月出版 Vol . 46 ， No . 6 ， Total . No . 329 Dect . 2009
当地下洞室处于高天然应力区或围岩中有不利
20.33
10.35
6.05
9.26
26.98
11.07
6.47
9.43
33.34 ZK2
39.45
10.73 11.44
6.73
9.60
6.74
9.76
45.68
11.66
7.06
9.93
51.44
12.61
6.81
10.08
图 1 右线σmax-H 关系曲线 Fig.1 Graph of σmax-H for the right tunnel