国内外围岩分类概述

weiyan fenlei

围岩分类

classification of rock mass

围岩分类的目的是为了对隧道及地下建筑工程周围的地层进行工程地质的客观评价，判断坑道或洞室的稳定性，确定支护的荷载和设计参数，确定施工方法，选择钻孔和开挖等施工机械，以及确定施工定额和预算等。

发展概况隧道及地下工程围岩分类是在长期实践的基础上发展起来的，并与地质科学、岩土工程和量测技术的发展密切相关。初期的围岩分类多以单一的岩石强度作为分类指标。例如1949年前中国采用的坚石、次坚石、软石、硬土、

普通土和松软土的分类法，以及中华人民共和国成立后广泛应用的“”值分类法(即普罗托季亚科诺夫分类法,1907年)。这类方法在评价坑道或洞体稳定性方面是不充分的;但在选择钻孔机械,确定掘进机类型，尤其是确定松散围岩的地压值等方面仍有一定意义。1970年后，以岩体为对象的分类方法获得了迅速发展。如泰尔扎吉分类法(1974年)、巴顿分类法（1974年）、别尼亚夫斯基分类法（1974年）、法国隧道协会(AFTES)分类法（1975年）,以及中国铁路隧道围岩分类（1975年）和水工隧洞围岩分类(1983年)等。这些分类法多数是根据经验的定性分类，但由于反映了围岩的地质构造特征、围岩的结构面状态、风化状况、地下水情况以及洞室埋深等，因此在评价坑道或洞体稳定性、确定支护结构参数和选择施工方法等方面得到了广泛的应用。

近期的围岩分类中，引进了岩体力学的基本概念和数理统计方法,如考虑初始应力场、坑道周边位移值,以及量测信息等，使围岩分类逐渐从定性分类向定量分类方向发展。如拉布采维茨-帕赫分类(1974年)、日本地质学会的新奥法围岩分类（1979年）、奥地利阿尔贝格隧道的围岩分类（1979年）、苏联顿巴斯矿区的围岩分类(1979年)等。围岩分类的重要发展是把量测信息引进到分类之中，即根据量测的初期位移速度，拱顶下沉和洞体水平向的收敛、变形等进行分类。这也为隧道及地下工程的信息设计和施工打下了基础。到目前为止，已经提出的和正在应用的围岩分类约有50多种，但其中绝大多数仍处于定性描述或经验判别的阶段，尚需进一步研究和完善。

分类要素在围岩分类中，最有影响的要素有：①围岩的构造。指围岩被各种地质结构面切割的程度以及被切割的岩块的尺寸和组合形态，在分类中它是一个起主导作用的因素。视裂缝间距，即被结构面切割的岩块的大小，可将围岩分成

如表[围岩类型]所示的几种类型。②原岩或岩体的物理力学性质。包括单轴或三轴强度和变形特性，如抗压强度、抗剪强度以及弹性模量或变形模量等。一般说，在完整岩体中，原岩的指标是基本的；在非完整（裂隙）岩体中，岩体的指标是主要的。③地下水。地下水的水量和水压等对分类有重大影响，尤其是对软岩和破碎、松散围岩，它们导致岩质软化、降低强度。在有软弱结构面的围岩中，地下水会冲走充填物或使夹层液化等。因而在一些分类法中，都考虑了它的定性的或定量的影响。④围岩的初应力场。在现代围岩分类中，尤其是对于深埋隧道和软弱围岩而言，这一要素占有重要的地位。初应力场通常以上覆岩（土）体的重力来决定，并视为静水应力场；也可通过实地量测大致判定原岩应力场的大小及其方向。

分类依据①单一岩性指标。如岩石抗压强度和弹性模量等物性指标，以及诸如抗钻性、抗爆性、开挖难易度等工艺指标。在为某些特定目的的分类中，如确定钻孔工效、炸药消耗量等，可采用相应的工艺指标（钻孔速度等）进行分类。

②综合岩性指标。指标是单一的，但反映的因素是综合的。如岩体弹性波速度，既可反映围岩的软硬程度，又可反映围岩的破碎程度。岩芯复原率是在反映岩体破碎程度的同时，还表示围岩软、硬分级的一个指标。这类指标，还有修正后的普氏系数、坑道自稳时间、围岩强度等。③复合岩性指标。是用两个或两个以上的单一岩性指标或综合岩性指标表示。例如，已确定分类要素为A、B、C,则复合岩性指标可用下述方法之一来确定：

和差法a＝A±B±C

积商法[606-01]然后用进行分类。目前,许多

分类都采用了这个方法。④量测数据。是用量测到的位移（坑道周边收敛值、拱顶下沉值、初始位移速度等），或荷载信息作为分类的指标，如苏联顿巴斯矿区、日本的新奥法设计和施工细则中所采用的。这类指标可以避免许多不确定的因素和影响，并能较好地反映坑道围岩的力学状态的变化。

关宝树

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和差法＝±±

积商法[606-01]然

地下洞室施工理论与技术进展

陈万业1，董兰凤2

（1．国家电力公司西北院工程勘察研究院，兰州730050；

2．兰州大学资源环境学院，兰州730000）

关键词：地下工程；围岩分类；施工理论；施工技术摘要：随着地下建筑规模的日益扩大，洞室工程地质问题（尤其是围岩稳定问题）日渐复杂和突出，本文归纳总结了地下洞室施工理论和施工技术方面的研究进展和动向，为同行们在洞室施工中选择使用和补充完善相关理论提供借

鉴。

回眸人类建筑历程，展望未来发展前景，人们普遍认为19世纪是桥梁的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪则是地下空间的世纪。不同的“建筑世

纪”代表了社会发展水平。时至今日，人口爆炸、土地退化、资源短缺、环境脆弱等诸多问题，使人类赖以生存和发展的地球表面已不堪重负。这种日趋严峻的态势，已引起广泛关注，世界各国除采取综合性的政治、经济措施以保护现有的生存空间外，都日益重视地下空间的开发利用，并把地下空间当成一种新型国土资源，称之为地下产业。在地下空间的开发利用中，我国走在前列的当属铁道和水电两大行业。目前，据不完全统计，我国在铁路部门已建成的隧道超过5 000座，总长超过2 000 km；而水电行业在导流洞、引水洞、泄洪洞、进场交通洞、大型地下厂房等地下工程的设计、施工中不仅积累了大量宝贵经验，而且在推动地下工程施工理论和施工技术的完善和发展方面发挥了关键作用。

1 地下工程围岩分类及施工原则新动向

我国当前地下工程（特别是隧道工程）的开挖支护设计主要还是依据围岩分类。而围岩分类除了可参考国际上的南非围岩分类法（RMR）和挪威围岩分类法（Q系统）以外，国内各大行业系统都有自己的分类方法，1994年又出台了一套国际分类法（工程岩体分级标准）。但这些分类方法仍然具有一定的局限性，比如说对初始地应力因素的影响有的分类就没有反映，有的方法中很难合理地将其量化。下面介绍几种将围岩分类与开挖设计相结合的既有特色又有代表性的方

法。

1．1综合分析分类法

李世辉等提出了一种将围岩分类与简易的数值分析相结合的方法，是将洞室围岩——支护体系视为一种开放的复杂系统，通过典型个体测试数据，由分类、类比、理论分析3个相互渗透的子系统有机结合而成，将围岩分类向前推进了一步。并且先后已开发了可实现人机对话便于现场应用的BMP等系列性程序，既可用于单一隧洞，也可用于洞群的反分析和正分析。已先后在引大入秦工程有关隧道和二滩导流洞工程等现场使用，取得了良好效果。

1．2围岩松动圈支护分类法

围岩失稳主要是因为地应力重分布与围岩强度二者相互作用使围岩达到破坏的结果。但测试地应力和测取现场围岩强度都不是每个工程所能轻易做到和测准的，而相对易于实施测试的围岩松动圈即是这二者相互作用的结果，松动圈范围越大，支护难度越大或者说实施支护的代价和要求也越高，这时围岩的收敛位移也越大。基于这一认识，董方庭等提出了运用实测到的围岩松动圈范围大小进行围岩支护分类，在许多矿山取得了一定的成功。该法的一个不足之处是必须在已实施开挖的巷道现场才能测到松动圈进而确定其分类级别，在施工之前难以进

行支护方法的预设计。

1.3 软弱围岩分类与支护设计优化

软岩分为全部或部分围岩是软岩两种类型。首先根据地质资料和试验数据判定工程围岩属于何种类型的本构模型，选取合适的力学分析模式，并在考虑尺寸效应的条件下选用合理的力学参数，然后进行软弱围岩的稳定分析和支护设计。

由于软岩在多数情况下流变效应都比较明显，因此对有时间效应的恶软岩应采用“流变力学设计”的方法更为合理。即当初始应力场为非均匀场时，可选用合适的本构模型（如弹塑性—粘弹塑性或流变损伤模型等）用数值方法作分析，确定一次、二次支护的刚度和二次支护的合理时机，也可用现场变形监测曲线来确定此时机；当初始应力场为均匀应力场时，可以用解析方法来做支护的优化设

计（确定刚度、合理支护时间等）

如朱维申曾提出粘弹—塑性围岩支护上的应力状态的切向分量表达式表明，衬砌上荷载是与其设置时间、当时塑性区大小、衬砌与围岩剪切模量比及各种物理、力学、几何参量有关的函数，衬砌设置愈晚，载荷愈小。

在研究软弱围岩设计和支护方案及其实施的合理时机时，有时为了更好的考虑时间和空间效应，要进行轴对应的围岩应力分析或三轴数值分析，以研究超前台阶开挖或大断面的分部开挖以及随后的支护效应，并作多方案的比较。这可以在施工前进行预分析，施工开始后进行反分析或反馈分析，以调整最初的施工方

案，使后续方案更为优化。

1．4 复合支护结构

孙钧对隧道的围岩稳定和支护提出了两种承载的概念，认为对中等强度的围岩，应尽量采用喷锚支护使围岩形成一个承载环（第一类）以保证隧道的稳定；对较软弱的围岩，则必须采用喷锚支护以外的附加支护以形成第二类承载环，并对采用二层结构复合支护形式的第二类承载环，提出了相应的实用计算方法，认定喷层和内衬结构的内力主要由形变压力产生，而后者的形成和分布规律与围岩

变形的依时性特征相关。

1．5软弱围岩开挖支护过程的仿真模拟

由于软岩的非线性性质，模拟其开挖支护的真实过程十分重要，因为过程不同，其结果也会相差很大。朱合华等根据此问题特点，建立了一种施工动态仿真数值方法，不仅可在施工设计阶段预先模拟施工过程，还可在施工中进行动态反演分析，并研发出一种集成化的通用软件系统。陈锦清、孙钧等也曾对大断面洞室采用不同步开挖方案时的围岩塑性区和收敛位移值作了分析比较，表明各种方

案的结果也有相当大的差异。

2 控制地下工程围岩稳定的施工技术

地下工程施工依据工程结构和施工顺序可分为开挖、支护和监测等几个方面，每个方面有包括施工技术、施工工艺、施工管理等内容，经过大量的工程实践和专家们的总结论证，各方面都积累了丰富且行之有效的经验和方法。比如：开挖过程中为提高施工速度而采取的全断面掘进或先导后扩等方法，针对大断面洞室采用中隔墙法、中隔墙交叉台阶法、双侧壁导坑法等。支护衬砌施工中对长大隧道采用复合衬砌结构，即初期支护由锚、喷、网和钢拱架等组成，二次衬砌由模筑混凝土和钢筋混凝土组成；一般中长隧道则用单层模筑混凝土衬砌，有时也可先用临时喷锚支护；地层强度高，围岩完整性好时，采用单层喷锚永久支护结构；恶劣地质条件下采用超前支护、注浆加固；软弱围岩中实施管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭；以及一次支护自上而下，二次衬砌自下而上等方法和经验都在实践中取得了良好效果，不再赘述。在此仅就对工程安全至关重要，而在施工过程中又需要各方协调配合的地质预报和监控量测加以说明。

2．1施工地质超前预报

施工地质超前预报是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体的情况或成灾可能性做出预报。是保障地下工程顺利进展关键组成部分。资料收集和处理是隧道施工地质超前预报的关键，它直接关系到预报结果的准确性。而资料的收集单靠地质人员是很难完成的，要靠参与工程建设的各单位（业主、监理、设计、地质、施工单位）的共同配合和支持，尤其是施工工序安排和施工单位的配合对资料的准确性和及时性更为重要。地质人员主要应对资料收集方法

和处理方法做出慎重选择，才有可能做出合乎实际的预报。此项工作已日趋成熟，

应正式列入工序环节。

2．2监控量测

隧道施工的监控测量旨在收集可反映施工过程中围岩动态的信息，据以判定其稳定状态，以及所定支护结构参数和施工步骤的合理性。此项工作无论对地质预报、指导支护施工，还是完善地下工程施工理论都非常重要，必须做好，监测

重点应该集中在一倍洞径处的隧道变化。

70年代以来，许多国家已对隧道施工的监控量测积累了较为丰富的经验，并已开始就量测内容、量测方法、量测要求和量测工作的组织实施等陆续制定规定，使这类工作逐渐规范化。目前各国在隧道施工中所作的监控量测的内容可分为两类：常规观测和试验段测试。前者通常为沿隧道全长每隔一定距离重复进行的量测，测试项目较少，采用的方法较为简单，所需费用也省，后者为对有代表性意义或特殊意义的区段进行的量测，测试项目常较多，量测方法较复杂，所需费用也较大。相比之下，前者可及时提供资料，对指导施工作业的实施有较大的意义；后者则主要用于获取和积累资料，通过现场测试达到观测围岩的松动状态

和判断支护的作用效果的目的。

就目前的岩土工程技术而言，洞室安全开挖的重要保证来自洞室的安全监测，多年来，国内外许多学者在不同条件下研究了洞室的监测方法及其破坏预报判据，取得了一定的成果。如：已形成了以卷尺收敛计、钻孔引伸仪等仪器为主的洞室安全监测方法；利用洞室监测数据由反分析法获得岩体力学参数，再由数值计算分析洞室的稳定性；利用监测数据进行位移预测及稳定性预报等。但是，目前常用的收敛计等监测仪器存在一个共同的缺点，即对于岩体破碎的大型不稳定洞室，其安装、测试，既不方便又不安全，同时，由于各种洞室的岩性、地质条件、断面大小、形状及工程特性的不同，也很难找到统一的塌方判据。因此，对于高大的破碎不稳定洞室，至今尚未有一种成熟可靠且经济的监测手段，使得此类洞室的监测预报更为困难。夏元友介绍了在卷尺收敛计基础上改进后的钢弦式收敛计虽有测点安装方便、灵活，不需要在洞室顶板或侧帮钻孔，只需要随洞室喷浆临时支护时一次把测点喷固到洞室的任何需要监测部位（包括不稳定的危险部位），而测试人员只需在安全的测试基点测量，且在危险时可随时监测的优点，但钢弦易被损坏，不适于长期监测使用的缺点一直得不到解决。

综前所述，自新奥法问世以来，地下工程施工技术有了迅速发展，尤其是利用数值解法为新奥法技术提供计算理论方面已硕果累累，然而新奥法技术的推广，使现场监控量测的实施面临许多新的课题，例如对水电站地下厂房之类的大断面地下洞室量测收敛位移时，开挖施工对量测作业的干扰、收敛位移量限制值量化指标的确定、硬岩地下洞室围岩稳定性的判据及其与位移量测值相互关系的建立，以及量测布置方案的设计和作业实施可行性论证等，此类课题仍需继续研究。根据施工中存在的问题并结合我国地下工程施工特点和积累的经验，王萝恕提出以岩体力学原理为基础，以支护与围岩共同作用的现代支护理论为依据，总结并形成“中国隧道修建法”，以适应快速发展的我国地下工程建设需要。

3 大型洞室（群）的稳定性和施工方案优化分析现状

在大型水电工程中，地下洞室（群）的规模往往很大，结构复杂，大多由几大洞室以及它们间的许多联络通道组成；矿山井底车场或采场附近也是巷道密集的部位所在。在复杂地层中开挖这类工程群体，其开挖支护顺序和方案对围岩稳

定的影响至关重要。朱维申等提出了用动态规划的方法和人工智能技术相结合的

办法来做多因素多方案的优选工作。

3．1动态规划分析法

动态规划是解决最佳化问题的一种特殊途径，它可把一个N维最优问题变换为N个一维最佳问题，它的一个最重要的特点是把一个复杂的系统工程决策问题化为分段决策问题。该方法中的关键元素是级、状态、变换和效益。笔者在确定施工顺序的优化方案时采用的判据是围岩中塑性区（当用弹塑性模型时）或损伤区（当用断裂损伤模型时）的面积多少作为决策依据。

3．2人工智能技术

大型洞室分部开挖施工顺序的可能组合非常多，若有两大洞室则施工顺序排序方案可能有百余种，对三大洞室则将达上千种，若全部用手工排列，工作量大且易遗漏。另外，在作优化分析时需准备的计算用数据文件也十分浩繁。因此，对这两方面工作运用人工智能技术来解决，将洞室群分部开挖自动排序，数值计算所需数据文件自动生成，将会收到事半功倍的效果。

4 地下工程围岩变形反分析方法研究进展

从70年代起，日本、美国、意大利等学者就开始进行了岩体位移反馈理论和应用方面的研究，其中日本的撄井春辅通过假设岩体的垂直向地应力近似等于自重应力，水平向地应力和地层的E、μ值用多次重复计算来确定，据此提出的位移—应变反馈确定初始地应力与地层参数的有限元法最具代表性。90年代以来，又发展了针对弹塑围岩的简化反分析法等等，都展示了国外学者在此领域的

研究成果。

国内杨志法在80年代初提出了运用位移图谱法对弹性介质围岩做反分析的方法。其原理是将初始地应力载荷分解为4种形式，对不同工程条件，实际初始地应力可由上述4种形式的某种组合叠加而成，并设定几种典型洞型作为标准洞型。通过计算分析，对它们分别得出与各类载荷相应的位移值，并绘制成一系列图谱。若实际工程的计算剖面与标准洞型几何相似，并且约束条件和弹性方程相似，则可利用图谱根据实测位移，直接得出初始地应力或地层的弹性参数值。

90年代以来，我国在岩体反分析领域的研究取得了进一步发展。王芝银等对反分析问题中的非线性问题、时间相关性问题、空间效应以及如何消除测前丢失位移的影响方面做了较深入的研究，并就粘弹性、粘弹塑性问题和三维反分析等方面提出了相应的反分析方法和实用性较强的程序设计；吕爱钟等对弹性介质位移反分析作了参数辨识方面研究，都取得了一定成果。孙钧、蒋树屏等在专著中详细阐述了岩土力学反问题的建模原理和方法，包括处理观测中不确定性的最优目标函数、模型的不确定性等问题；洞室围岩变形随机预报的原理和方法；稳定的可靠性评价；对洞周围岩的非确定性动态问题，则采用扩张卡尔曼滤波器的有限元基本原理和方法进行研究，并对上述各种问题给出了许多工程应用的实

例。

总之，反分析方法作为量化研究和评价地下工程围岩变形特征的一种有效途径，备受国内外专家的重视，是一种非常有前途的岩体力学发展方向。

在人类地下工程活动日趋频繁、规模日益增大的今天，加强地下工程施工理论和施工技术的研究显得非常重要和紧迫，本文是作者对该领域部分研究成果的学习和总结，实际上，大型洞群开挖中的岩土工程问题非常复杂，诸如，高应力和岩爆、涌水和突水、山体变形问题和地下有害气体的防治问题等都是急待解决

的课题。而由于基岩区勘察的困难和手段、经费等限制，反分析技术的应用、智能化识别和超前预报等都是重要的研究发展方向。因此，在地下工程施工中，应各方协调，树立科研与生产相结合的思想，并以科研奉献精神不断积累和补充，使地下工程施工理论和技术逐步成熟和完善，为人类开拓更广阔的地下空间提供

有力的技术保障。

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