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(gòu)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(jié)合的知識(shí)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(qū)、分組和巖體質(zhì)量分級(jí)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(xué)中常采用的巖塊工程分類、巖體質(zhì)量分級(jí)等，服務(wù)于工程設(shè)計(jì)和施工的目標(biāo)更為具體。本文結(jié)合隧道工程實(shí)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(jí)別判別結(jié)果明顯不同的原因分析，對(duì)這些方法進(jìn)行對(duì)比，討論了它們?cè)趲r石工程中分階段、分層次、分類型的應(yīng)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(chǔ)。

 

  在地質(zhì)建造和構(gòu)造改造基礎(chǔ)上，結(jié)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(qū)和工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)提供了依據(jù)[2]，其作用主要在于對(duì)地質(zhì)體的歸并定性認(rèn)識(shí)，為工程地質(zhì)問題分析和大尺度超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了基礎(chǔ)。以RMR[3]和Q[4]等為代表的巖體質(zhì)量分級(jí)體系，是力學(xué)參數(shù)提取和設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。地質(zhì)條件簡(jiǎn)單情況下，分級(jí)體系量化意義比較大，而復(fù)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(duì)復(fù)雜問題的認(rèn)識(shí)和刻畫意義更大，有利于分析認(rèn)識(shí)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(jí)別差別較大的原因。

 

  2 工程地質(zhì)巖組與條件評(píng)價(jià)

 

  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(jí)、結(jié)構(gòu)體分級(jí)、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(xué)觀點(diǎn)指導(dǎo)下的可操作的技術(shù)方法，也成為了工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)是目標(biāo)，核心是工程地質(zhì)問題預(yù)測(cè)，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(yīng)用的接口。圖1 中，虛線框表示分級(jí)或分類，而點(diǎn)線框表示對(duì)應(yīng)的實(shí)線框中的要素所包含的因子。粗實(shí)線框表示的工程地質(zhì)分區(qū)、工程地質(zhì)問題預(yù)測(cè)、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(jí)，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(qiáng)度和彈性模量為準(zhǔn)，是概括性分類，便于對(duì)巖體重要組成部分的結(jié)構(gòu)體的物理力學(xué)屬性進(jìn)行綜合認(rèn)識(shí)。以對(duì)數(shù)表示的橫坐標(biāo)為軸向抗壓強(qiáng)度分級(jí)(A～E5 級(jí))、縱坐標(biāo)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(jí)。

 

  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(duì)巖體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，有利于對(duì)巖體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，有利于工程技術(shù)人員對(duì)工程地質(zhì)資料的應(yīng)用。巖組劃分以巖體工程地質(zhì)力學(xué)(即巖體結(jié)構(gòu)控制巖體穩(wěn)定)觀點(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，必須在建造類型基礎(chǔ)上進(jìn)行。工程地質(zhì)巖組一般是為工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)服務(wù)的，其所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的級(jí)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(gè)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(gè)工程地質(zhì)巖組。

 

  結(jié)構(gòu)面分級(jí)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(zhǎng)度和寬度)而開展的5(I～V)級(jí)劃分。

 

  它們?cè)诘刭|(zhì)體結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，構(gòu)成了不同級(jí)序地質(zhì)結(jié)構(gòu)體邊界。不同級(jí)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(jí)。從I 級(jí)(地質(zhì)體或斷塊體)、II 級(jí)(山體)、III 級(jí)(塊體)，到IV 級(jí)(巖塊)，其在巖體穩(wěn)定分析中所起的作用也不同。

 

  在對(duì)結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體形成過(guò)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(xué)術(shù)界和工程界廣為接受，被編寫進(jìn)了規(guī)范和教科書。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(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(chǎng)地最差的部位，并進(jìn)一步對(duì)其做3～5 類工程分級(jí)。

 

  工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)是對(duì)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(píng)價(jià)、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(yù)測(cè)也構(gòu)成了大尺度超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(píng)價(jià)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(jí)序有四級(jí)，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(píng)價(jià)，側(cè)重于內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用、水–巖相互作用、人類活動(dòng)和地質(zhì)災(zāi)害特征等。其目的是為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防和工程設(shè)計(jì)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(biāo)。

 

  3 巖體質(zhì)量分級(jí)與巖石工程設(shè)計(jì)

 

  巖塊和巖體的工程分類一直是工程地質(zhì)和巖體力學(xué)的基本研究課題之一。國(guó)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(jì)60 年代以后提出的，在巖石工程實(shí)踐中不斷得到應(yīng)用和發(fā)展的有我國(guó)國(guó)標(biāo)和不同部門的(BQ[9]，HC[10]，Z[5]指標(biāo)/法等)分類、國(guó)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(duì)巖體質(zhì)量起控制作用的3 個(gè)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(jiān)強(qiáng)性，谷德振提出了用于評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量?jī)?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(biāo)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(jiān)強(qiáng)系數(shù)，Rc 為巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度。

 

  式(1)中的3 個(gè)內(nèi)因成為了后續(xù)許多巖體分類中計(jì)算巖體質(zhì)量指標(biāo)的基本因子，如國(guó)標(biāo)的巖體質(zhì)量基本指標(biāo)(BQ)、地質(zhì)體強(qiáng)度指標(biāo)(GSI)圖形中的2 個(gè)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(biāo)可歸納為2 個(gè)系統(tǒng)，即以圍巖強(qiáng)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(biāo)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(biāo)，包括以不同部門規(guī)范形式給出的指標(biāo)。

 

  巖體分類數(shù)量上一般以五級(jí)為主，還有三級(jí)、四級(jí)、七級(jí)和九級(jí)等。考慮工程施工條件和技術(shù)水平，鐵道部門提出了6 級(jí)隧道圍巖分級(jí)方案[21]，水利部門提出了16 級(jí)巖土開挖分級(jí)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(duì)土就劃分了4 個(gè)類別。在壩基或渠道開挖過(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中通常采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度值作為重要的分類指標(biāo)之一。

 

  在巖石工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，巖體質(zhì)量類別會(huì)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(duì)地質(zhì)體揭露部位和相應(yīng)的認(rèn)識(shí)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(guī)模環(huán)向剪切裂紋的貫通、一定范圍內(nèi)松動(dòng)圈的形成等，使巖體質(zhì)量得到劣化，巖體質(zhì)量級(jí)別上會(huì)有相應(yīng)的降低?；诖硕岢龅膭?dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(qiáng)度或穩(wěn)定性而實(shí)施的巖體質(zhì)量分級(jí)，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(jié)構(gòu)和巖性組合，后者為設(shè)計(jì)和施工提供類比以及力學(xué)參數(shù)范圍，但在復(fù)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(lái)。

 

  國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同類型工程、不同的地質(zhì)條件，先后出現(xiàn)過(guò)多種巖體質(zhì)量分類方案和方法，常用的如國(guó)標(biāo)法(BQ)、鐵路隧道圍巖分級(jí)、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(qiáng)度指標(biāo)法(GSI)。

 

  巖體分級(jí)所采用的多指標(biāo)和差法、積商法計(jì)算，基本上是將幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)當(dāng)作權(quán)重相同或均等而做的數(shù)學(xué)上的加法和乘積運(yùn)算。通過(guò)對(duì)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(biāo)的權(quán)重或作用不是均等的，這也是同樣質(zhì)量級(jí)別巖體，出現(xiàn)問題與否及嚴(yán)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(guò)程發(fā)生動(dòng)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(jì)算方法中基本沒有體現(xiàn)。這樣就出現(xiàn)了地質(zhì)條件簡(jiǎn)單情況下用巖體質(zhì)量分類，而在復(fù)雜地質(zhì)條件下，巖體質(zhì)量分級(jí)意義降低轉(zhuǎn)而要去對(duì)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(fù)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(qiáng)度大，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出裂而不斷的特點(diǎn)，用巖體質(zhì)量來(lái)刻畫級(jí)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?yàn)轶w積小、厚度有限，在巖體質(zhì)量分級(jí)區(qū)段中難以很好體現(xiàn)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(rèn)識(shí)其變形破壞過(guò)程，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、及時(shí)甚至超前處理提供依據(jù)。

 

  巖體分級(jí)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(diǎn)和復(fù)雜程度密切相關(guān)。對(duì)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(jí)交叉在一起而使評(píng)價(jià)方法更需綜合性。這從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)了工程地質(zhì)巖組劃分和巖體質(zhì)量分級(jí)要有機(jī)結(jié)合起來(lái)的必要性和可行性。

 

  5 工程應(yīng)用

 

  5.1 工程簡(jiǎn)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(zhǎng)14 085 m(南進(jìn)口DK110+840，北出口DK124+935)，設(shè)計(jì)為單洞雙線橢圓形隧道。

 

  據(jù)圍巖級(jí)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(hào)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(duì)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(tái)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(guò)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(jī)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(duì)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(zhǎng)角閃巖、黑云變粒巖，薄層主要為云母片巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖、輝綠巖脈、鉀長(zhǎng)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(zhǎng)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(cuò)動(dòng)帶。常出現(xiàn)在斷層影響帶和巖脈侵入接觸帶，整體上強(qiáng)度高，但斷續(xù)明顯，不連續(xù)性顯著，跨度大時(shí)會(huì)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(qiáng)度受斷層及軟弱結(jié)構(gòu)面控制，對(duì)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(hù)緊跟，注意灌漿和圍巖加固處理，對(duì)于隧道工程，要求加密圍巖變形量測(cè)、加強(qiáng)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(diǎn)及其相應(yīng)的工程地質(zhì)力學(xué)特性，將雁門關(guān)隧道區(qū)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(zhǎng)片麻巖、長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖(TTG)和斜長(zhǎng)角閃巖，巖石堅(jiān)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(dāng)其作為巖脈形式時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局部脆性碎裂構(gòu)造，破碎成碎塊或粉末狀，預(yù)示著沿張性結(jié)構(gòu)面侵入的花崗偉晶巖脈，在后期應(yīng)力場(chǎng)改變等作用下，沿著原來(lái)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(dǎo)水和富水層。在地下水作用下，其結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)度降低，勘察階段對(duì)34 組較堅(jiān)硬的完整巖石在不同條件下的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比說(shuō)明了這一點(diǎn)。巖石力學(xué)性質(zhì)受軟化效應(yīng)影響，尤其是北部軟弱巖石較多區(qū)段，飽和巖石強(qiáng)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(duì)水的敏性較強(qiáng)。值得注意的是，在雁門關(guān)(118+159.1 ）之南，3 個(gè)巖樣的強(qiáng)度普遍很低。筆者對(duì)似層狀淺色英云閃長(zhǎng)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(yàn)結(jié)果投影在對(duì)應(yīng)位置上，也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

 

  本巖組主要分布在隧道南部，主要為雁門關(guān)南部3 號(hào)斜井大里程以南部分。在隧道出口高切坡部位觀測(cè)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(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(xué)強(qiáng)度各向異性明顯，對(duì)水作用敏感，飽和時(shí)抗剪強(qiáng)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(fēng)化槽，在地下其與較硬巖層接觸時(shí)，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(kù)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(dǎo)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(duì)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(cuò)動(dòng))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(wú)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(zhǎng)期擠壓條件下含水性較弱，因含長(zhǎng)英質(zhì)細(xì)脈和泥化而常表現(xiàn)出高電阻率，單位長(zhǎng)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(dǎo)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(shí)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(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 觀測(cè)到一寬達(dá)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(zhǎng)角閃片麻巖，斷層產(chǎn)狀134?∠70?。在點(diǎn)YM129 觀測(cè)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(duì)應(yīng)性

 

  上述 4 套工程地質(zhì)巖組和4 種巖體結(jié)構(gòu)大致對(duì)應(yīng)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(duì)巖石強(qiáng)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(cuò)動(dòng)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(cuò)動(dòng)、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(qiáng)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(zāi)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(diǎn)，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(dú)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(qū)

 

  對(duì)上述 4 種工程地質(zhì)巖組的分布情況進(jìn)行區(qū)分，尤其是對(duì)表殼巖組成結(jié)構(gòu)細(xì)化、空間變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)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(lái)，為科學(xué)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)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(zhǎng)30km、寬約20 km 的山地范圍內(nèi))劃分為東西向3 個(gè)區(qū)，南北向12 個(gè)亞區(qū)的方案，供線路選擇和設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)考慮這一特點(diǎn)。

 

  從西向東這3 個(gè)區(qū)(I～I(xiàn)II)和12 個(gè)亞區(qū)的工程地質(zhì)特點(diǎn)和有關(guān)工程地質(zhì)問題各不相同，它們的地質(zhì)特點(diǎn)概況列于表2 中。總體看本區(qū)工程地質(zhì)條件可評(píng)價(jià)為中～差。

 

  表2 中的巖性只給出了有代表性的，并沒有全面、細(xì)致的介紹和區(qū)分。工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)，對(duì)各個(gè)亞區(qū)進(jìn)行區(qū)域上概略打分，工程地質(zhì)條件從好到差分?jǐn)?shù)值為1～5，對(duì)應(yīng)于相對(duì)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(rèn)識(shí)看，12 個(gè)亞區(qū)中有3 個(gè)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(jì)時(shí)，需引起注意。

 

  5.6 巖體質(zhì)量分級(jí)方法及結(jié)果對(duì)比

 

  隧道施工過(guò)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(duì)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(diào)查、物探和鉆探須緊密結(jié)合、互相補(bǔ)充、綜合判斷分析。而且隨著工程實(shí)踐的積累，典型工程類比的意義仍會(huì)比較大。已通車的大運(yùn)(大同—運(yùn)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(yīng)力和地下水影響更甚，尤其是大斷面快速開挖擾動(dòng)情況下，原軟弱圍巖級(jí)別會(huì)明顯降低。

 

  據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[21]、國(guó)家?guī)r體分級(jí)BQ 值[9]、國(guó)外常用的Q[4]，RMR[3]值，綜合鉆探巖芯、地應(yīng)力測(cè)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(jì)，得到不同斷面相應(yīng)巖體質(zhì)量計(jì)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(fù)對(duì)比試湊修改，即統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、逐項(xiàng)打分、一次完成。鐵道規(guī)范、國(guó)標(biāo)BQ 值、Q 值和RMR 值中，因地應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)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(duì)地下水、地應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)面同隧道軸向關(guān)系沒考慮。RMR 法對(duì)擠壓、膨脹和涌水條件下的極其軟弱巖體的評(píng)價(jià)不適用。

 

  Q = 1～4 時(shí)為差(IV 級(jí))，0.1～1 時(shí)為很差、0.01～0.1 為極差，＜0.01 為非常差。其不足之處是沒考慮隧道軸線方向與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的夾角，但其對(duì)軟弱巖石的分辨率較高，其中對(duì)斷層帶發(fā)育的隧道斷面，其Q = 0.03 時(shí)，評(píng)價(jià)為非常差，這與鐵路規(guī)范中的VI 級(jí)部分對(duì)應(yīng)。Q 值結(jié)果中V 級(jí)比例很高。國(guó)標(biāo)BQ 值修正后仍用原來(lái)基本巖體質(zhì)量指標(biāo)BQ 來(lái)分級(jí)，其修正中考慮了地下水、地應(yīng)力和軸線與結(jié)構(gòu)面夾角，分析評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)較好。RMR 值考慮因素簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)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(jí)別；“施工”為設(shè)計(jì)單位提供的施工開挖變更后圍巖級(jí)別；“鐵路規(guī)范”為筆者據(jù)鐵路規(guī)范[21]中6 級(jí)劃分，給出隧道內(nèi)24 個(gè)地質(zhì)觀測(cè)點(diǎn)圍巖級(jí)別，其結(jié)果僅代表現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)觀測(cè)點(diǎn)上情況，與施工給出的較大范圍圍巖級(jí)別有一定差別。

 

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

 

  完整、全面的圍巖分級(jí)包括巖體結(jié)構(gòu)分類和巖體強(qiáng)度判別、圍巖穩(wěn)定性分級(jí)、巖體質(zhì)量分級(jí)3 個(gè)方面。但現(xiàn)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(jí)來(lái)進(jìn)行，這對(duì)本地區(qū)而言還很不夠。主要在于：本區(qū)有較獨(dú)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(fù)雜，需將這3 個(gè)方面結(jié)合起來(lái)綜合分析，判斷圍巖級(jí)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(duì)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(fēng)化剝蝕和鉆探工作中隨循環(huán)泥漿的沖走和被稀釋，都會(huì)使得以層間剪切錯(cuò)動(dòng)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(diǎn)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(yuǎn)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(shí)例說(shuō)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(jí)所考慮的因素和在不同階段所發(fā)揮的作用不盡相同，應(yīng)結(jié)合起來(lái)運(yùn)用。

 

  將雁門關(guān)隧道20 個(gè)調(diào)查點(diǎn)的不同巖體質(zhì)量指標(biāo)做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)BQ 指標(biāo)與Q 和RMR 值的相關(guān)系數(shù)R，遠(yuǎn)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(biāo)的指標(biāo)分級(jí)界限值主要是對(duì)RMR 結(jié)果而言，因GSI 分級(jí)界線值還不完全統(tǒng)一。巖體質(zhì)量分級(jí)體系考慮因素不同，對(duì)不良地質(zhì)體不同指標(biāo)值分級(jí)結(jié)果差別較明顯，反映了地質(zhì)條件復(fù)雜性不是僅靠巖體質(zhì)量分級(jí)就能全面反映出來(lái)。例如，同樣對(duì)IV 級(jí)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(duì)性的開挖和支護(hù)方案。不同尺度巖體質(zhì)量分級(jí)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(jí)別與按有關(guān)分級(jí)系統(tǒng)得到的結(jié)果存在差別，但相差一般不會(huì)超過(guò)1 級(jí)。這些指標(biāo)結(jié)果間，歸屬同一級(jí)別的相關(guān)性很好(見圖6(a)和(b)中縱橫坐標(biāo)分級(jí)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(shuō)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(dòng)態(tài)變化在施工中確實(shí)發(fā)生了。

 

  為便于對(duì)比，圖6(c)還給出了RMR 與Q 關(guān)系表達(dá)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(diǎn)指導(dǎo)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(píng)價(jià)的重要內(nèi)容和表現(xiàn)形式。巖體質(zhì)量分級(jí)綜合考慮了巖體本身結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特征及環(huán)境條件，是設(shè)計(jì)和施工的重要依據(jù)。在復(fù)雜地質(zhì)條件下對(duì)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(yīng)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(duì)巖體穩(wěn)定性的不同影響，認(rèn)清變形破壞模式，便于工程類比設(shè)計(jì)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的開展。

 

  在工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工階段，地質(zhì)勘察精度和對(duì)地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)程度不同，巖體質(zhì)量級(jí)別不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定程度的變更。從規(guī)劃階段開始積極運(yùn)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(fù)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(yù)報(bào)，這樣才可更好地同施工階段小尺度的圍巖分級(jí)結(jié)合起來(lái)，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供更好的服務(wù)。